Análise de Seleção e Solução de Problemas de Válvulas de Controle Pneumáticas e Elétricas

1. A posição de instalação das válvulas de controle pneumáticas deve estar a uma certa altura acima do solo, com espaço suficiente acima e abaixo da válvula para facilitar a desmontagem, montagem e manutenção. Para válvulas de controle equipadas com posicionadores de válvula pneumáticos e volantes, é essencial garantir uma operação, observação e ajuste convenientes.
2. As válvulas de controle devem ser instaladas em tubulações horizontais e alinhadas verticalmente com a tubulação. Geralmente, o suporte deve ser fornecido abaixo da válvula. Em casos especiais em que a válvula de controle precisa ser instalada horizontalmente em uma tubulação vertical, a válvula também deve ser suportada (exceto para válvulas de controle de pequeno diâmetro). Durante a instalação, evite impor estresse adicional na válvula de controle.
3. A temperatura ambiente de operação da válvula de controle deve estar dentro de (-30°C a +60°C), com umidade relativa não superior a 95%.
4. Deve haver seções de tubulação retas antes e depois da válvula de controle, com um comprimento não inferior a 10 vezes o diâmetro da tubulação (10D), para evitar afetar as características de fluxo devido a uma seção de tubulação reta muito curta.
5. Quando o diâmetro da válvula difere do diâmetro da tubulação do processo, redutores devem ser usados para conexão. Para válvulas de controle de pequeno diâmetro, conexões roscadas podem ser usadas. A seta de direção do fluido no corpo da válvula deve se alinhar com a direção do fluxo do fluido.
6. Uma tubulação de derivação deve ser instalada. O objetivo é facilitar a comutação ou operação manual, permitindo a manutenção da válvula de controle sem interromper o sistema.
7. Antes da instalação, todos os objetos estranhos, como sujeira e escória de solda, devem ser completamente removidos da tubulação.

1. A posição de instalação, altura e direção de entrada/saída da válvula devem estar em conformidade com os requisitos de projeto, e a conexão deve ser segura e firme.
2. As válvulas podem ser conectadas a tubulações usando vários tipos de conexões de extremidade. Os principais métodos de conexão incluem conexões roscadas, flangeadas e soldadas. Ao usar conexões flangeadas, se a temperatura exceder 350°C, devido ao relaxamento por fluência dos parafusos, flange e junta, materiais de parafusos resistentes a altas temperaturas devem ser selecionados.
3. Antes da instalação, a válvula deve passar por uma inspeção visual. A placa de identificação da válvula deve estar em conformidade com a norma internacional atual GB12220 “Marcação Geral de Válvulas”. Para válvulas com uma pressão de trabalho superior a 1,0 MPa e aquelas que servem como válvulas de corte em tubulações principais, testes de resistência e estanqueidade devem ser conduzidos, e elas só podem ser usadas após passar nesses testes. Outras válvulas podem não exigir testes separados e podem ser inspecionadas durante os testes de pressão do sistema.
4. Durante o teste de resistência, a pressão de teste deve ser 1,5 vezes a pressão nominal, com uma duração não inferior a 5 minutos. O corpo da válvula e a gaxeta não devem apresentar vazamentos.
5. Durante o teste de estanqueidade, a pressão de teste é de 0,3 MPa. A pressão de teste deve permanecer constante durante toda a duração do teste, que deve estar em conformidade com as disposições da Tabela 2. A válvula é considerada qualificada se não houver vazamento na superfície de vedação do assento da válvula.
6. Diâmetro nominal: DN15-500

(1) A válvula de controle não opera. Os fenômenos de falha e as causas são os seguintes:

1. Sem sinal, sem fornecimento de ar.
   1. Fornecimento de ar não ligado,
   2. A água no fornecimento de ar congela no inverno, causando o bloqueio do duto de ar ou mau funcionamento do filtro ou redutor de pressão,
   3. Falha do compressor,
   4. Vazamento na tubulação principal de fornecimento de ar.
2. Fornecimento de ar presente, sem sinal.
   1. Falha do regulador,
   2. Vazamento no diafragma do posicionador,
   3. Danos ao diafragma regulador.
3. Posicionador não tem fornecimento de ar.
   1. Filtro bloqueado.
   2. Redutor de pressão com defeito.
   3. Tubulação com vazamento ou bloqueada.
4. Posicionador tem fornecimento de ar, mas sem saída. O orifício do estrangulador do posicionador está bloqueado.
5. Sinal presente, mas sem ação.
   1. Núcleo da válvula caiu.
   2. Núcleo da válvula preso ao assento ou ao assento.
   3. Haste da válvula dobrada ou quebrada.
   4. Assento da válvula e núcleo da válvula congelados ou bloqueados por detritos.
   5. A mola do atuador está travada devido ao desuso prolongado.

(II) Operação instável da válvula de controle. Os fenômenos de falha e as causas são os seguintes:

1. Pressão de fornecimento de ar instável.
   1. A capacidade do compressor é muito pequena.
   2. Mau funcionamento da válvula redutora de pressão.
2. Pressão do sinal instável.
   1. Constante de tempo inadequada do sistema de controle.
   2. Saída do regulador instável.
3. A pressão de fornecimento de ar é estável, a pressão do sinal também é estável, mas a operação da válvula de regulação é instável.
   1. A válvula de esfera no amplificador do posicionador está desgastada e não veda corretamente devido a detritos, causando oscilações de saída quando o consumo de ar aumenta significativamente.
   2. O defletor do bico no amplificador do posicionador não está alinhado e o defletor não cobre o bico.
   3. Vazamentos de ar na tubulação ou linha de saída.
   4. O atuador tem rigidez insuficiente.
   5. A haste da válvula experimenta alta resistência ao atrito durante o movimento, com fenômenos de aderência nos pontos de contato.

(3) Vibração da válvula de regulação. Os sintomas de falha e as causas são os seguintes:

1. A válvula de controle vibra em qualquer posição de abertura.
   1. Suporte instável.
   2. Fontes de vibração próximas.
   3. Desgaste severo entre o obturador da válvula e a luva.
2. A válvula de controle vibra ao fechar totalmente.
   1. A válvula de controle é superdimensionada e é frequentemente usada em pequenas posições de abertura.
   2. A direção do fluxo do meio em uma válvula de assento único é oposta à direção de fechamento.

(4) Resposta lenta da válvula de controle. Os sintomas e causas são os seguintes:

1. A haste da válvula é lenta para responder em apenas uma direção.
   1. O diafragma no atuador pneumático de diafragma está danificado e vazando.
   2. O selo do anel “O” no atuador está vazando.
2. A haste da válvula apresenta lentidão durante os movimentos de abertura e fechamento:
   1. O corpo da válvula está bloqueado por substâncias adesivas;
   2. A gaxeta de PTFE deteriorou-se e endureceu, ou o lubrificante da gaxeta de grafite-amianto secou;
   3. A gaxeta está muito apertada, aumentando a resistência ao atrito;
   4. A haste da válvula não está reta, causando aumento da resistência ao atrito;
   5. Válvulas de controle pneumáticas sem um posicionador também podem causar lentidão.

(5) Aumento do volume de vazamento da válvula de controle, com as seguintes causas:

1. Vazamento excessivo quando a válvula está totalmente fechada:
   1. Obturador da válvula desgastado, vazamento interno severo;
   2. Válvula não ajustada corretamente, não fechando firmemente.
2. A válvula não pode atingir a posição totalmente fechada:
   1. Diferencial de pressão do meio excessivo, baixa rigidez do atuador, válvula não fechando firmemente;
   2. Objetos estranhos dentro da válvula;
   3. Luva sinterizada.

(6) A faixa de fluxo ajustável diminuiu. A principal razão é que o núcleo da válvula foi corroído e encolheu, resultando em um aumento na taxa de fluxo ajustável mínima.

Compreender os fenômenos de falha e as causas das válvulas de controle pneumáticas permite que medidas direcionadas sejam tomadas para resolver os problemas.

1. Confiabilidade;
2. Custo-efetividade;
3. Operação suave e torque de saída suficiente;
4. Estrutura simples e fácil manutenção.

1. (1) Atuadores pneumáticos são simples e confiáveis

A baixa confiabilidade dos atuadores elétricos tradicionais tem sido uma fraqueza de longa data, mas o desenvolvimento de atuadores eletrônicos na década de 1990 resolveu completamente essa questão, permitindo que eles operassem sem manutenção por 5 a 10 anos, com confiabilidade até mesmo superando a dos atuadores pneumáticos.

2. (2) Fonte de Energia

A principal desvantagem dos atuadores pneumáticos é a necessidade de uma estação de fornecimento de ar separada, o que aumenta os custos; as válvulas elétricas podem utilizar fontes de energia prontamente disponíveis no local.

3. (3) Considerações de Custo

Os atuadores pneumáticos exigem um posicionador de válvula adicional, além do fornecimento de ar, tornando seus custos comparáveis aos das válvulas elétricas (os posicionadores de válvula elétrica importados têm preços semelhantes aos dos atuadores eletrônicos importados; os posicionadores produzidos internamente são comparáveis em preço aos atuadores elétricos produzidos internamente).

4. (4) Empuxo e rigidez: Ambos são comparáveis.
5. (5) À prova de fogo e à prova de explosão

“Atuador pneumático + posicionador de válvula elétrica” é ligeiramente melhor do que atuadores elétricos.

1. (1) Onde possível, recomenda-se usar atuadores eletrônicos importados com válvulas domésticas para aplicações domésticas, novos projetos, etc.
2. (2) Embora os atuadores de diafragma tenham desvantagens, como empuxo insuficiente, baixa rigidez e dimensões grandes, sua estrutura simples os torna os atuadores mais amplamente utilizados atualmente.
3. (3) Considerações para selecionar atuadores de pistão:
   1. Quando os atuadores pneumáticos de diafragma não têm empuxo suficiente, os atuadores de pistão devem ser selecionados para aumentar a força de saída; para válvulas de controle de alta pressão diferencial (por exemplo, válvulas de corte de vapor de média pressão), quando DN ≥ 200, até mesmo atuadores de pistão duplos podem ser necessários;
   2. Para válvulas de controle comuns, os atuadores de pistão também podem ser usados para substituir os atuadores de diafragma, reduzindo significativamente o tamanho do atuador. Desta perspectiva, as válvulas de controle de pistão pneumáticas são mais amplamente utilizadas;
   3. Para válvulas de controle de curso angular, seus atuadores de curso angular normalmente apresentam uma estrutura rotativa de cremalheira e pinhão de pistão duplo. Vale ressaltar que a configuração tradicional “atuador de pistão de curso linear + cantoneira + biela”

1. 1. Capacidade de Sobrecarga e Vida Útil

Os atuadores elétricos são adequados apenas para operação intermitente e não são adequados para operação contínua em circuito fechado. Os atuadores pneumáticos, no entanto, têm capacidade de sobrecarga e são livres de manutenção durante toda a sua vida útil. Nenhuma troca de óleo ou outra lubrificação é necessária. Sua vida útil padrão pode chegar a um milhão de ciclos liga/desliga, tornando os atuadores pneumáticos superiores a outros atuadores de válvula.

2. 2. Segurança

Os atuadores pneumáticos podem ser usados em ambientes potencialmente explosivos, especialmente nas seguintes situações: Válvulas à prova de explosão são necessárias (por exemplo, válvulas Namur com bobinas adequadas); as válvulas ou ilhas de válvulas devem ser instaladas fora da zona explosiva, e os atuadores pneumáticos usados na zona explosiva devem ser acionados por meio de tubos de ar; os atuadores elétricos não são adequados para uso em ambientes potencialmente explosivos e são caros.

3. 3. Capacidade de Sobrecarga

Em situações que exigem torque aumentado ou requisitos de força especiais, os atuadores elétricos atingem rapidamente seus limites de torque. Especialmente em casos de aberturas irregulares da válvula ou fechamentos prolongados da válvula, a vantagem da capacidade de sobrecarga dos atuadores pneumáticos torna-se evidente, pois depósitos ou materiais sinterizados aumentam o torque de partida. Com componentes pneumáticos, a pressão de trabalho, a força ou o torque podem ser facilmente aumentados.

4. 4. Eficiência Econômica

Na tecnologia de tratamento de água e águas residuais, a maioria dos atuadores de válvula opera em um modo liga/desliga ou são até mesmo projetados para operação manual. Portanto, os componentes pneumáticos oferecem um potencial significativo para racionalização. Em comparação com os atuadores pneumáticos, se os atuadores elétricos forem usados, as funções de monitoramento, como monitoramento de sobretemperatura, monitoramento de torque, frequência de comutação e ciclos de manutenção, devem ser integradas ao sistema de controle e teste, resultando em um grande número de linhas de entrada e saída. Exceto pela detecção de posição final e processamento da fonte de ar, os atuadores pneumáticos não exigem nenhuma função de monitoramento ou controle. Os atuadores pneumáticos são econômicos, tornando-os ideais para automatizar atuadores de válvula manuais.

5. 5. Montagem

A tecnologia pneumática é altamente direta. Os atuadores pneumáticos podem ser facilmente instalados nas cabeças de acionamento da válvula, e as unidades de processamento da fonte de ar podem ser conectadas e acionadas com o mínimo de esforço. Além disso, o design livre de manutenção dos atuadores pneumáticos garante funcionalidade conveniente e plug-and-play.

6. 6. Componentes

Os componentes pneumáticos têm alta resistência à vibração, são robustos, duráveis e geralmente não quebram. Mesmo altas temperaturas não danificam os componentes resistentes à corrosão. Os atuadores elétricos consistem em numerosos componentes e são relativamente propensos a danos.

7. 7. Tecnologia

Os atuadores lineares atuam diretamente no dispositivo de fechamento, enquanto os atuadores oscilantes convertem “força de ar comprimido linear” em movimento oscilante usando apenas um pistão e um eixo de acionamento. Os atuadores pneumáticos também podem facilmente alcançar movimento lento, como por meio do uso de componentes de controle de fluxo simples e econômicos. Os atuadores elétricos experimentam uma perda significativa de energia ao converter a energia fornecida em movimento. Isso se deve principalmente ao motor elétrico converter a maior parte da energia em calor e, secundariamente, ao uso de uma caixa de engrenagens.

A maioria dos atuadores usados em aplicações de controle industrial hoje são atuadores pneumáticos porque usam ar como fonte de energia, o que é mais econômico e simples em estrutura do que atuadores elétricos e hidráulicos, e são fáceis de operar e manter. Do ponto de vista da manutenção, os atuadores pneumáticos são mais fáceis de operar e calibrar do que outros tipos de atuadores e podem ser facilmente trocados entre as direções para frente e para trás no local. Sua maior vantagem é a segurança. Quando usados com posicionadores, são ideais para ambientes inflamáveis e explosivos. Em contraste, os sinais elétricos que não são à prova de explosão ou intrinsecamente seguros representam um risco potencial de incêndio devido a faíscas. Portanto, embora as válvulas de controle elétricas sejam cada vez mais amplamente utilizadas, as válvulas de controle pneumáticas ainda dominam a indústria química.

As principais desvantagens dos atuadores pneumáticos são: resposta mais lenta, menor precisão de controle e menor resistência à deriva. Isso se deve à compressibilidade do gás, especialmente ao usar atuadores pneumáticos grandes, pois leva tempo para o ar encher e esvaziar o cilindro. No entanto, isso não deve ser um problema significativo, pois muitas aplicações não exigem alta precisão de controle, resposta extremamente rápida ou forte resistência à deriva.

Os atuadores elétricos são usados principalmente em usinas de energia ou usinas nucleares, pois os sistemas de água de alta pressão exigem um processo suave, estável e lento. As principais vantagens dos atuadores elétricos são alta estabilidade e um empuxo constante que os usuários podem aplicar. O empuxo máximo produzido por um atuador elétrico pode chegar a 225.000 kgf. Somente os atuadores hidráulicos podem atingir um empuxo tão alto, mas os atuadores hidráulicos são significativamente mais caros do que os elétricos. A capacidade anti-deriva dos atuadores elétricos é excelente, com empuxo ou torque de saída permanecendo essencialmente constante, combatendo efetivamente as forças desequilibradas do meio e alcançando o controle preciso dos parâmetros do processo. Portanto, sua precisão de controle é maior do que a dos atuadores pneumáticos. Quando equipado com um servo amplificador, é fácil alternar entre ação direta e reversa, e o estado da posição da válvula (manter/totalmente aberta/totalmente fechada) pode ser facilmente definido. Em caso de falha, ele permanecerá em sua posição original, o que é algo que os atuadores pneumáticos não podem alcançar. Os atuadores pneumáticos devem contar com um sistema de proteção combinado para manter a posição.

As principais desvantagens dos atuadores elétricos incluem: estrutura mais complexa, maior probabilidade de mau funcionamento e, devido à sua complexidade, os requisitos técnicos para a equipe de manutenção no local são relativamente maiores; a operação do motor gera calor e, se os ajustes forem feitos com muita frequência, pode fazer com que o motor superaqueça, acionando a proteção térmica, além de aumentar o desgaste das engrenagens de redução; além disso, a operação é relativamente lenta, pois leva uma quantidade significativa de tempo para a válvula responder a um sinal do controlador e se mover para a posição correspondente, que é onde ela fica aquém em comparação com os atuadores pneumáticos e hidráulicos.