Válvula de controle pneumático

Válvula de controle pneumático

A válvula de controle pneumático é um dos dispositivos de controle de processos industriais amplamente utilizados na indústria de energia. O válvula de controle de alta pressão é essencial em sistemas de regulação e é um componente importante na formação de sistemas de automação industrial.

Princípio de funcionamento:

A válvula de controle pneumático utiliza ar comprimido como fonte de energia, com um cilindro como atuador, e conta com acessórios como posicionadores de válvula elétricos, conversores, válvulas solenóides e válvulas de retenção de pressão para acionar a válvula. Ela alcança regulação liga/desliga ou proporcional recebendo sinais de controle do sistema de controle de automação industrial para regular vários parâmetros de processo do meio da tubulação, como fluxo, pressão, temperatura, etc. As características da válvula de controle pneumático são controle simples, rápido resposta e segurança inerente, sem a necessidade de medidas adicionais à prova de explosão.

Princípio de funcionamento da válvula de controle pneumático (diagrama)

A válvula de controle pneumático é normalmente composta por um atuador pneumático e uma válvula de controle, que são conectados, instalados e depurados juntos. O atuador pneumático pode ser classificado em dois tipos: ação simples e ação dupla. O atuador de ação simples possui uma mola de retorno, enquanto o atuador de ação dupla não. No caso de um atuador de ação simples, ele pode retornar automaticamente à posição inicial aberta ou fechada da válvula quando a fonte de alimentação for perdida ou ocorrer uma falha repentina.

A válvula de controle pneumático é classificada em dois tipos com base no modo de ação: ar para abrir e ar para fechar, também conhecidas como normalmente aberta e normalmente fechada. A função ar para abrir ou ar para fechar da válvula de controle pneumático é normalmente alcançada através dos diferentes métodos de montagem das ações direta e reversa do atuador e do projeto estrutural da válvula.

Modo de operação da válvula de controle pneumático

O tipo ar para abrir (normalmente fechado) opera aumentando a pressão do ar no diafragma, fazendo com que a válvula se mova na direção de maior abertura. Quando a pressão do ar de entrada atinge o seu limite máximo, a válvula está totalmente aberta. Por outro lado, quando a pressão do ar diminui, a válvula se move na direção de fechamento e, quando não há entrada de ar, a válvula está totalmente fechada. Portanto, comumente nos referimos à válvula de controle do tipo ar para abrir como uma válvula fechada com falha.

O tipo ar para fechar (normalmente aberto) opera na direção oposta ao tipo ar para abrir. Quando a pressão do ar aumenta, a válvula se move na direção de fechamento. Quando a pressão do ar diminui ou não há ar, a válvula se move em direção à abertura ou abre totalmente. Portanto, comumente nos referimos à válvula de controle do tipo ar para fechar como uma válvula de falha aberta.

A seleção de ar para abrir ou ar para fechar é baseada na perspectiva de segurança do processo de produção. Depende se a válvula de controle deve estar na posição fechada ou aberta por segurança quando o fornecimento de ar é cortado.

Por exemplo, no controle de combustão de um forno de aquecimento, a válvula de controle é instalada no gasoduto combustível e regula o fornecimento de combustível com base na temperatura no forno ou na temperatura do material aquecido na saída do forno. Neste caso, é mais seguro optar por uma válvula ar para abrir, pois se o fornecimento de ar for interrompido, é mais adequado que a válvula esteja fechada do que totalmente aberta. Se a válvula de combustível estiver totalmente aberta quando o fornecimento de ar for cortado, poderá ocorrer aquecimento excessivo, o que é perigoso. Da mesma forma, para um trocador de calor resfriado por água de resfriamento, onde o material quente troca calor com a água de resfriamento dentro do trocador, a válvula de controle é instalada na tubulação de água de resfriamento e regula o fluxo de água de resfriamento com base na temperatura do material após a troca de calor. No caso de uma interrupção no fornecimento de ar, é mais seguro que a válvula de controle esteja na posição aberta, portanto, é preferível uma válvula de controle de ar para fechar (FO).

Posicionador de válvula

O posicionador de válvula é um acessório importante da válvula de controle e é amplamente utilizado em conjunto com válvulas de controle pneumáticas. Ele recebe o sinal de saída do controlador e usa seu próprio sinal de saída para controlar a válvula de controle pneumático. Após a operação da válvula de controle, o deslocamento da haste da válvula é retornado ao posicionador da válvula por meio de um dispositivo mecânico, e o status da posição da válvula é transmitido ao sistema de nível superior por meio de um sinal elétrico. Os posicionadores de válvula podem ser classificados em posicionadores de válvula pneumáticos, posicionadores de válvula eletropneumáticos e posicionadores de válvula inteligentes com base em sua estrutura e princípio de funcionamento.

O posicionador de válvula pode aumentar a potência de saída da válvula de controle, reduzir o atraso de transmissão do sinal de controle, acelerar a velocidade de movimento da haste da válvula, melhorar a linearidade da válvula, superar a força de atrito da haste da válvula e eliminar o efeitos de forças desequilibradas, garantindo assim o posicionamento correto da válvula de controle.

Os atuadores são classificados em atuadores pneumáticos e atuadores elétricos, sendo do tipo linear e rotativo. Eles são usados ​​para abrir e fechar automática ou manualmente vários tipos de válvulas, amortecedores e outros equipamentos.

Princípios de instalação de válvula de controle pneumático

(1) A válvula de controle pneumático deve ser instalada a uma certa altura do solo, com espaço adequado acima e abaixo da válvula para facilitar a desmontagem e manutenção. Para válvulas de controle equipadas com posicionadores de válvula pneumáticos e volantes, é essencial garantir que a operação, a observação e o ajuste sejam convenientes.

(2) A válvula de controle deve ser instalada em uma tubulação horizontal e deve ser vertical em relação à tubulação acima e abaixo. Geralmente, o suporte deve ser adicionado abaixo da válvula para garantir estabilidade e confiabilidade. Em casos especiais onde a válvula precisa ser instalada horizontalmente em uma tubulação vertical, a válvula também deve ser apoiada (exceto para válvulas de controle de pequeno diâmetro). Durante a instalação, deve-se tomar cuidado para evitar adicionar tensão adicional à válvula.

(3) A temperatura ambiente de operação da válvula de controle deve estar entre -30°C e 60°C, com umidade relativa não superior a 95%.

(4) Deve haver uma seção reta do tubo antes e depois da válvula de controle, com comprimento não inferior a 10 vezes o diâmetro do tubo (10D), para evitar seções retas curtas que possam afetar as características de fluxo da válvula.

(5) Se o tamanho da válvula for diferente do tamanho da tubulação, um tubo redutor deverá ser usado para conexão. Para válvulas de controle de pequeno diâmetro, podem ser utilizadas conexões roscadas. A seta de direção do fluxo no corpo da válvula deve ser consistente com a direção do fluxo do fluido.

(6) Deve ser instalado um tubo de derivação para facilitar a comutação ou operação manual, permitindo a manutenção da válvula de controle sem desligar o sistema.

(7) Antes da instalação, a válvula de controle deve ser completamente limpa para remover quaisquer objetos estranhos na tubulação, como sujeira, escória de soldagem, etc.

Falhas comuns e solução de problemas

1. A válvula de controle não funciona
- Primeiro, verifique se a pressão de alimentação de ar está normal e verifique se há alguma falha na fonte de ar. Se a pressão de alimentação de ar estiver normal, verifique se o amplificador do posicionador ou do conversor eletropneumático está em saída. Se não houver saída, o orifício de estrangulamento constante do amplificador pode estar bloqueado ou a umidade no ar comprimido pode ter se acumulado em válvula de esfera do amplificador. Use um fio de aço fino para limpar o orifício de estrangulamento e remover quaisquer detritos ou limpar a fonte de ar.

- Se tudo parecer normal e houver um sinal, mas nenhuma ação, a falha pode estar no atuador (como um mau funcionamento), na haste da válvula estar dobrada ou no obturador da válvula estar preso. Neste caso, a válvula deve ser desmontada para posterior inspeção.

2. Válvula de controle emperrada ou travada
- Se o movimento alternativo da haste da válvula for lento, o corpo da válvula pode conter substâncias viscosas, depósitos de carbono, pressão excessiva da gaxeta ou envelhecimento da gaxeta de PTFE (politetrafluoroetileno), ou a haste da válvula pode estar dobrada ou arranhada. O travamento da válvula de controle geralmente ocorre em sistemas que acabaram de ser colocados em operação ou logo após grandes reparos. Geralmente é devido a escória de soldagem, ferrugem ou outros detritos na tubulação, obstruindo o acelerador ou as peças de orientação, causando problemas. vazão média Também pode acontecer durante a manutenção quando a gaxeta está muito apertada, aumentando o atrito e levando a situações em que pequenos sinais não atuam ou sinais grandes causam movimento excessivo.

Para resolver esse problema, tente abrir e fechar rapidamente a linha de desvio ou a válvula de controle para permitir que os detritos sejam eliminados pelo meio. Como alternativa, use uma chave inglesa para prender a haste da válvula e, sob pressão de sinal adicional, aplique força em ambas as direções para girar a haste e permitir que o obturador da válvula passe pela obstrução. Se isto não resolver o problema, aumente a pressão de alimentação de ar ou a potência de acionamento e mova a haste da válvula para cima e para baixo várias vezes para eliminar o bloqueio. Se o problema persistir, desmonte a válvula. No entanto, isto requer fortes competências profissionais e só deve ser realizado com a assistência de pessoal qualificado para evitar consequências mais graves.

3. Vazamento na válvula

O vazamento da válvula de controle geralmente inclui vazamento interno, vazamento na gaxeta e vazamento causado pela deformação do obturador e da sede da válvula. Abaixo estão as análises desses problemas comuns.

(1) Vazamento Interno

- Causa: A haste da válvula pode ter comprimento incorreto. No caso de uma válvula ar para abrir, se a haste da válvula for muito longa, a distância da parte superior (ou inferior) da haste pode ser insuficiente, resultando em uma folga entre o obturador da válvula e a sede. impede o contato adequado e leva a vazamento interno Da mesma forma, para válvulas de ar para fechar, se a haste for muito curta, também poderá haver uma folga impedindo o contato total entre o obturador e a sede, resultando em vedação inadequada e vazamento interno.
- Solução: O comprimento da haste da válvula deve ser ajustado encurtando-a ou estendendo-a para garantir que a válvula de controle esteja devidamente vedada e que não ocorra nenhum vazamento interno.

(2) Vazamento de embalagem

- Causa: Depois que a gaxeta é carregada na caixa da gaxeta, uma pressão axial é aplicada a ela pela sobreposta. Devido à deformação plástica da gaxeta, ela gera força radial, fazendo com que ela entre em contato firme com a haste da válvula. No entanto, este contacto não é uniforme – algumas áreas podem estar soltas, enquanto outras estão apertadas e, em algumas áreas, pode não haver contacto algum. Durante o uso, há um movimento relativo entre a haste da válvula e a gaxeta, conhecido como movimento axial. Com o tempo, especialmente sob condições de alta temperatura, alta pressão e meios fluidos permeáveis, o vazamento da gaxeta é um problema comum. A principal causa do vazamento da gaxeta é o vazamento na interface e, para gaxetas têxteis, o vazamento pode ocorrer à medida que o fluido escoa através de pequenos espaços entre as fibras da gaxeta.

Solução: Para facilitar a instalação da gaxeta, deve-se aplicar um chanfro na parte superior da caixa da gaxeta e na parte inferior deve ser colocado um anel protetor metálico com pequenas folgas e resistência à corrosão. Este anel protetor não deve ser inclinado para evitar que a gaxeta seja empurrada para fora pela pressão do meio. A superfície em contato com a gaxeta na caixa da gaxeta deve ser usinada com precisão para melhorar a suavidade da superfície e reduzir o desgaste da gaxeta. A gaxeta flexível de grafite é recomendada devido à sua excelente estanqueidade aos gases, baixo atrito, desgaste mínimo, fácil manutenção e boa resistência à pressão e ao calor. Também é resistente à corrosão interna do meio e não causa corrosão ou corrosão de metais que entram em contato com a haste da válvula ou caixa de gaxetas. Isto garante a confiabilidade da vedação da gaxeta e prolonga sua vida útil.

(3) Vazamento devido à deformação do obturador e sede da válvula

Causa: O vazamento no obturador e na sede da válvula ocorre principalmente devido a defeitos de fundição ou forjamento durante o processo de fabricação da válvula de controle, o que pode levar ao aumento da corrosão. A passagem do meio corrosivo e a ação abrasiva do meio fluido também podem contribuir para o vazamento. A corrosão se manifesta principalmente na forma de erosão ou cavitação. Quando um meio corrosivo flui através da válvula de controle, ele corrói e impacta os materiais do obturador e da sede da válvula, fazendo com que eles se tornem elípticos ou adquiram outras formas deformadas. Com o tempo, esta deformação leva a uma vedação inadequada, resultando em vazamentos.

- Solução: Preste atenção na seleção dos materiais para o obturador e sede da válvula. Resistente à corrosão
os materiais devem ser escolhidos e os produtos com defeitos como corrosão ou buracos de areia devem ser eliminados. Se a deformação do obturador e da sede da válvula não for grave, pode-se usar uma lixa fina para polir as áreas afetadas, eliminando vestígios e melhorando a suavidade da superfície de vedação para melhorar o desempenho da vedação. devem ser substituídos por peças novas.

4. Oscilação

A oscilação na válvula de controle pode ocorrer quando a rigidez da mola é insuficiente, causando flutuações instáveis ​​e acentuadas no sinal de saída da válvula. Também pode acontecer se a frequência da válvula selecionada corresponder à frequência do sistema ou se houver vibração severa no na tubulação ou na base, fazendo com que a válvula também vibre. A seleção inadequada também pode levar à oscilação quando a válvula opera em aberturas pequenas, onde ocorrem mudanças drásticas na resistência do fluxo, taxa de fluxo e pressão. Quando essas alterações excedem a rigidez da válvula, sua estabilidade diminui, podendo causar oscilação.

Como as causas da oscilação são multifacetadas, cada questão deve ser analisada especificamente. Para oscilações menores, aumentar a rigidez pode eliminar o problema, como selecionando uma válvula com uma mola de maior rigidez ou mudando para uma estrutura de atuador de pistão. Se houver vibração severa na tubulação ou na base, a interferência de vibração pode ser reduzida adicionando suportes adicionais. Se a frequência da válvula corresponder à frequência do sistema, será necessário substituir a válvula por uma de desenho estrutural diferente. A oscilação causada pela operação em aberturas pequenas de válvula normalmente resulta da seleção inadequada da válvula, especificamente devido ao grande coeficiente de fluxo da válvula (valor C). Neste caso, a válvula deve ser selecionada novamente com um valor C menor, ou um sistema de controle de faixa dividida ou válvula operada por piloto (subválvula) deve ser usado para mitigar a oscilação em pequenas aberturas.

5. Ruído excessivo das válvulas de controle

Quando o fluido flui através de uma válvula de controle, se houver um grande diferencial de pressão entre a entrada e a saída, poderá ocorrer cavitação em componentes como o obturador e a sede da válvula, causando ruído. Se o coeficiente de fluxo da válvula selecionada for muito grande, a válvula poderá operar em pequenas aberturas, gerando ruído. Nesses casos, o coeficiente de fluxo da válvula deve ser selecionado novamente de forma adequada para mitigar o ruído causado por pequenas aberturas da válvula. Abaixo estão vários métodos para reduzir ou eliminar o ruído:

(1) Eliminação de ruído de ressonância

A ressonância ocorre apenas quando a válvula de controle vibra, amplificando a energia e produzindo ruído alto (mais de 100 decibéis). Algumas válvulas podem vibrar intensamente com relativamente pouco ruído, enquanto outras podem ter vibrações fracas, mas com ruído muito alto. Em alguns casos, tanto a vibração quanto o ruído são intensos. Esse ruído produz um som de tom único, normalmente na faixa de frequência de 3.000 a 7.000 Hz. Claramente, eliminar a ressonância fará com que o ruído desapareça naturalmente.

(2) Eliminação de ruído de cavitação

A cavitação é uma importante fonte de ruído dinâmico de fluidos. Quando ocorre a cavitação, o colapso das bolhas de vapor produz impactos de alta velocidade que causam intensa turbulência localizada, resultando em ruído de cavitação. Esse ruído tem uma ampla faixa de frequência e se assemelha a um som "semelhante ao cascalho", semelhante ao ruído produzido por partículas como areia no fluido. Reduzir ou eliminar a cavitação é uma forma eficaz de reduzir o ruído.

(3) Uso de dutos de paredes espessas

Usar tubos de paredes espessas é um método para tratar o ruído. Tubos de paredes finas podem aumentar o ruído em 5 decibéis, enquanto tubos de paredes grossas podem reduzir o ruído em 0 a 20 decibéis. Por exemplo, com um tubo DN200, usar diferentes espessuras de parede (6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20, 21,5 mm) pode reduzir o ruído em -3,5, -2 (aumento), 0, 3, 6 , 8, 11, 13 e 14,5 decibéis, respectivamente. Porém, quanto mais espessa for a parede, maior será o custo.

(4) Uso de materiais absorventes de som

Este é um método comum e altamente eficaz para tratar o ruído. Materiais absorventes de som podem ser enrolados em torno da fonte de ruído e da tubulação a jusante da válvula. Deve-se notar que o ruído se propaga por longas distâncias através do fluido, portanto a eficácia da absorção sonora pára onde termina o material ou o tubo de parede espessa. Este método é adequado para situações em que o nível de ruído não é muito alto e a tubulação é relativamente curta, mas pode ser caro.

(5) Uso de silenciadores em linha

Este método é adequado para reduzir o ruído provocado pelo ar. Ele pode efetivamente eliminar o ruído dentro do fluido e suprimir o ruído transmitido aos limites sólidos do sistema. Este método é mais eficaz e econômico em locais com altas vazões mássicas ou grandes quedas de pressão na válvula. O uso de um silenciador em linha do tipo absorção pode reduzir significativamente o ruído. Contudo, do ponto de vista económico, o nível de ruído é geralmente reduzido em cerca de 25 decibéis.

(6) Uso de gabinetes à prova de som

Recintos, salas ou edifícios à prova de som podem isolar a fonte de ruído, reduzindo o nível de ruído no ambiente externo a um nível aceitável para as pessoas.

(7) Método de aceleração em série

Nos casos em que a relação de pressão na válvula de controle é alta (△P/P1 ≥ 0,8), o método de estrangulamento em série é usado. Isto envolve a distribuição da queda de pressão total entre a válvula de controle e os componentes fixos de estrangulamento a jusante da válvula, como difusores ou limitadores de fluxo porosos. Este é um dos métodos mais eficazes para reduzir o ruído. Para obter a melhor eficiência do difusor, o design do difusor (incluindo a sua forma e tamanho) deve ser adaptado à instalação específica, garantindo que o nível de ruído produzido pela válvula corresponde ao nível de ruído gerado pelo difusor.

(8) Seleção de válvulas de baixo ruído

As válvulas de baixo ruído apresentam caminhos de fluxo tortuosos (múltiplos canais ou ranhuras porosos) através do obturador e da sede da válvula para desacelerar gradualmente o fluxo do fluido, evitando assim a geração de fluxo supersônico em qualquer ponto do caminho. Existem vários formatos e estruturas de válvulas de baixo ruído disponíveis (algumas projetadas para sistemas específicos). Quando o nível de ruído não é excessivamente alto, uma válvula de manga de baixo ruído pode reduzir o ruído em 10–20 decibéis, que é a opção de válvula de baixo ruído mais econômica.

Falhas no posicionador de válvula

Os posicionadores convencionais operam com base em um princípio de equilíbrio de força mecânica, usando uma técnica de bocal-flapper. Eles têm as seguintes falhas comuns:

①. Problemas de equilíbrio de forças mecânicas: O posicionador possui muitas peças móveis, tornando-o suscetível a efeitos de temperatura e vibração, que podem causar flutuações na válvula de controle.

②. Entupimento devido à poeira: O bocal, que possui uma abertura pequena, pode facilmente ficar bloqueado por poeira ou fontes de ar impuro, impedindo o funcionamento adequado do posicionador.

③. Mudanças na elasticidade da mola: A elasticidade da mola em posicionadores com equilíbrio de força pode mudar em ambientes agressivos, levando a um comportamento não linear da válvula de controle e à redução da qualidade do controle.

④.Posicionadores inteligentes, que consistem em componentes como um microprocessador (CPU), conversores A/D e D/A, operam com base em sinais elétricos e não no equilíbrio de força mecânica. Isto lhes permite superar as limitações dos posicionadores convencionais. No entanto, em situações de desligamento de emergência (como válvulas de corte de emergência ou válvulas de ventilação de emergência), essas válvulas devem permanecer estacionárias em uma determinada posição e mover-se de forma confiável apenas durante uma emergência. Se permanecerem em determinada posição por um longo período, o conversor elétrico poderá perder o controle, levando ao risco de não haver movimento com pequenos sinais. Além disso, os sensores de posição (potenciômetros) utilizados nas válvulas podem sofrer alterações de resistência no campo, resultando no risco de não haver movimento com pequenos sinais ou de a válvula abrir totalmente com sinais grandes. Para garantir a confiabilidade e a usabilidade dos posicionadores inteligentes, são necessários testes frequentes.