Como calcular os requisitos de torque do atuador da válvula

Selecionar o atuador correto para uma válvula industrial não é simplesmente uma questão de combinar o tamanho do atuador com o tamanho da válvula. Para válvulas de um quarto de volta, como válvulas esfera e válvulas borboleta,o torque é um dos principais fatores usados ​​para determinar se um atuador pode operar a válvula de maneira confiável.

Se o torque do atuador for muito baixo, a válvula poderá não abrir, fechar ou atingir a posição necessária. Se o atuador for significativamente superdimensionado, o equipamento poderá custar mais do que o necessário e poderá criar estresse mecânico desnecessário.

Este guia explica os principais fatores usados ​​para calcularrequisitos de torque do atuador de válvulae como selecionar um atuador adequado para uma válvula industrial.

1. O que é o torque do atuador da válvula?

Torque é a força rotacional necessária para girar uma válvula de uma posição para outra.

Para válvulas de um quarto de volta, o atuador normalmente gira a haste da válvula aproximadamente 90 graus.

O torque necessário pode variar durante o ciclo de operação da válvula. Por exemplo, uma válvula borboleta pode exigir torque diferente no início da abertura, durante a rotação e perto da posição totalmente fechada.

Por esta razão, a seleção do atuador não deve ser baseada apenas em um valor de torque.

Os principais fatores incluem:

• Tipo de válvula
• Tamanho da válvula
• Pressão operacional
• Características do fluido
• Projeto do assento
• Fricção da haste
• Temperatura operacional
• Margem de segurança necessária

2. Cálculo básico do torque da válvula

Um relacionamento simplificado pode ser expresso como:

Torque necessário do atuador = Torque operacional da válvula × Fator de segurança

Por exemplo, se uma válvula exigir 100 Nm de torque operacional e o fator de segurança selecionado for 1,25:

100 Nm × 1,25 = 125 Nm

O atuador deve, portanto, fornecer pelo menos 125 Nm nas condições operacionais exigidas.

No entanto, este é apenas um cálculo simplificado. O dimensionamento real do atuador deve usar os dados de torque do fabricante e o torque operacional recomendado pelo fabricante da válvula.

3. Identifique o tipo de válvula

O primeiro passo é identificar o tipo de válvula que está sendo acionada.

Diferentes projetos de válvulas possuem diferentes requisitos de torque.

Válvulas de esfera

As válvulas esfera geralmente requerem torque para superar:

• Fricção do assento
• Fricção da haste
• Pressão diferencial
• Fricção de embalagem

O design do assento pode ter um efeito significativo no torque necessário.

Válvulas Borboleta

O torque da válvula borboleta pode depender de:

• Posição do disco
• Material do assento
• Pressão diferencial
• Velocidade do fluido
• Fricção do eixo e do rolamento

Os requisitos de torque podem mudar consideravelmente ao longo do curso da válvula.

Válvulas macho

As válvulas macho podem exigir um torque relativamente alto devido ao atrito entre o obturador e o corpo da válvula.

O fabricante da válvula normalmente deve fornecer dados de torque para seleção do atuador.

4. Verifique a pressão operacional

A pressão diferencial é outro fator importante.

Quando a pressão atua através da válvula, ela pode aumentar a força que resiste ao movimento da válvula.

Para alguns projetos de válvulas, o efeito da pressão diferencial no torque pode ser significativo, particularmente em pressões mais altas.

Portanto, colete:

• Pressão diferencial máxima
• Pressão operacional normal
• Pressão operacional mínima
• Pressão a montante
• Pressão a jusante

Não dimensione um atuador apenas de acordo com a pressão normal de operação se a válvula puder sofrer uma pressão diferencial mais alta durante a operação.

5. Considere a sede da válvula e o atrito da gaxeta

O atrito é um dos principais contribuintes para o torque operacional da válvula.

O material e o design do assento podem alterar significativamente os requisitos de torque.

Por exemplo, válvulas de sede macia e de sede metálica podem ter características operacionais diferentes.

O atrito da vedação ao redor da haste da válvula também pode contribuir para o torque total necessário.

Por esta razão, duas válvulas com o mesmo tamanho e classificação de pressão podem exigir torques de atuador diferentes.

6. Determine o torque de ruptura, funcionamento e assentamento

Para muitas válvulas quarto de volta, é útil considerar diferentes pontos de torque em vez de usar um número.

Torque de ruptura

Este é o torque necessário para começar a mover a válvula da posição totalmente fechada ou totalmente aberta.

O torque de ruptura pode ser relativamente alto devido ao atrito estático e à carga do assento.

Torque de corrida

O torque de operação é o torque necessário enquanto a válvula se move em sua faixa operacional.

Torque de assento

O torque de assentamento é o torque necessário para mover a válvula para a posição final fechada e atingir o fechamento necessário.

Para dimensionamento do atuador, o maior requisito de torque relevante deve ser considerado.

7. Adicione um fator de segurança apropriado

Um fator de segurança fornece capacidade adicional do atuador acima do torque calculado ou especificado da válvula.

Por exemplo:

Torque da válvula = 200 Nm

Fator de segurança = 25%

Torque necessário do atuador = 200 × 1,25 = 250 Nm

O fator de segurança real não deve ser simplesmente escolhido arbitrariamente.

Depende de:

• Projeto de válvula
• Recomendações do fabricante
• Condições operacionais
• Tipo de atuador
• Criticidade do serviço
• Tamanhos de atuadores disponíveis

Margens de segurança excessivas podem resultar em superdimensionamento desnecessário do atuador, enquanto margens insuficientes podem causar operação não confiável da válvula.

8. Torque do atuador pneumático versus elétrico

O método utilizado para avaliar a capacidade do atuador também depende do tipo de atuador.

Atuador Pneumático

Para um atuador pneumático, o torque de saída é afetado por:

• Pressão de fornecimento de ar
• Tamanho do atuador
• Projeto de pistão ou diafragma
• Configuração de primavera
• Atrito
• Posição operacional

Para um atuador com retorno por mola, o torque disponível pode diferir entre as direções de abertura e fechamento.

A tabela de torque do atuador deve, portanto, ser verificada na pressão real de fornecimento de ar.

Atuador Elétrico

Para um atuador elétrico, fatores importantes incluem:

• Torque de saída nominal
• Torque inicial
• Torque de funcionamento
• Torque de assentamento
• Velocidade operacional
• Ciclo de trabalho
• Fonte de energia

O atuador deve fornecer torque suficiente durante todo o ciclo operacional necessário.

9. Exemplo de cálculo simples de torque

Suponha que uma válvula de um quarto de volta tenha um torque operacional máximo especificado pelo fabricante de:

150 Nm

Suponha que seja necessária uma margem de dimensionamento de 20%.

O cálculo é:

150 Nm × 1,20 = 180 Nm

O atuador selecionado deve, portanto, fornecer pelo menos180 Nmna condição operacional relevante.

Se o atuador for pneumático, esse valor deverá ser verificado em relação ao torque de saída real do atuador na pressão de ar disponível.

Se o atuador for elétrico, o torque nominal e as características operacionais deverão ser verificados em relação aos requisitos da válvula.

Este exemplo pretende explicar o método de cálculo. A seleção real do atuador deve usar os dados técnicos do fabricante da válvula e do atuador.

10. Erros comuns no dimensionamento do atuador

Vários erros podem levar à seleção incorreta do atuador.

Usando apenas o tamanho da válvula

Uma válvula maior não requer automaticamente um atuador proporcionalmente maior.

O torque depende do projeto da válvula, pressão, construção da sede e condições operacionais.

Ignorando a pressão diferencial máxima

O dimensionamento baseado apenas na pressão normal pode resultar em capacidade insuficiente do atuador durante condições de alta pressão.

Usando apenas um valor de torque

Os torques de ruptura, funcionamento e assentamento podem ser diferentes.

Superdimensionando o Atuador

Um atuador superdimensionado pode aumentar o custo e colocar cargas desnecessárias na haste da válvula e nos componentes mecânicos.

Ignorando a pressão do suprimento de ar

Para atuadores pneumáticos, a pressão de ar disponível afeta diretamente a saída do atuador.

Não verificar a tabela de torque do fabricante

Os dados de torque do fabricante da válvula devem ser tratados como uma referência importante para a seleção do atuador.

11. Informações necessárias para seleção do atuador

Ao solicitar uma cotação de atuador, forneça o máximo possível das seguintes informações:

• Fabricante de válvulas
• Modelo de válvula
• Tipo de válvula
• Tamanho da válvula
• Classificação de pressão
• Pressão operacional
• Pressão diferencial máxima
• Temperatura operacional
• Fluido/médio
• Desligamento necessário
• Dados de torque da válvula
• Requisito de falha de abertura ou falha de fechamento
• Atuador pneumático ou elétrico
• Pressão de fornecimento de ar
• Fonte de energia
• Sinal de controle
• Velocidade operacional

Fornecer essas informações permite que o fornecedor verifique a combinação do atuador e da válvula, em vez de selecionar um atuador com base apenas no tamanho nominal da válvula.

12. Seleção Final

O cálculo do torque do atuador da válvula começa com a determinação do torque real exigido pela válvula sob suas condições operacionais.

A abordagem básica é:

1. Identifique o tipo de válvula

2. Obtenha os dados de torque do fabricante

3. Verifique a pressão diferencial máxima

4. Considere o torque de ruptura, funcionamento e assentamento

5. Aplique uma margem de segurança apropriada

6. Compare o requisito com o torque de saída do atuador

7. Verifique a configuração completa da válvula e do atuador

Para aplicações industriais, a seleção do atuador deve considerar a condição operacional completa, em vez de depender de um simples gráfico de tamanho de válvula para tamanho de atuador.

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Se não tiver certeza sobre o tamanho do atuador necessário, forneça o modelo da válvula, tamanho, pressão, meio, condições de operação e ar disponível ou fonte de alimentação. Podemos ajudar a verificar o torque necessário e a configuração do atuador.