Einer der am häufigsten begangenen Fehler in der Inbetriebnahmephase von Prozessanlagen ist die Unterdimensionierung des Ventiltreibers.
Dies würde zum Stillstand des Ventiltreibers führen, die Unfähigkeit des Ventils, auf Anweisungen zu reagieren. Schließlich liegt die Ursache für all dies in den Drehmomentberechnungen, die nicht alle Kräfte berücksichtigten.
Beschaffung Ventiltreiber-Drehmomentberechnung richtig von Anfang an spart Nacharbeit, Ausfallzeiten und Schäden an Geräten.
Was ist Drehmoment und warum ist es wichtig?
Drehmoment ist die Kraft, die die Drehung des Ventilschafts von einer Position in eine andere verursacht. Es kann in Newtonmetern (Nm) und Inch-Pfund (in-lb) gemessen werden.
Jedes Ventil wird mit einer Drehmomentspezifikation des Ventilherstellers geliefert. Der Antrieb sollte im ungünstigsten Fall mindestens das erforderliche Drehmoment liefern.
Das Problem ist, dass sich die Drehmomentspezifikationen aufgrund vieler Faktoren ständig ändern. Dazu gehören Betriebsdruck, Temperatur, Viskosität des Prozessmediums und Alter des Ventilsitzes und der Dichtung.
Ein Antrieb, der nur für die Nenn-Drehmomentspezifikation während der Inbetriebnahme ausgelegt ist, reicht im späteren Betrieb möglicherweise nicht aus.
Deshalb beinhaltet die Auslegung von Antrieben immer eine Sicherheitsmarge über der angegebenen Drehmomentanforderung des Ventils.
Drei Arten von Drehmoment, die jeder Ingenieur kennen sollte
Das Verständnis des Unterschieds zwischen den drei Drehmomentarten ist die Grundlage jeder Ventiltreiber-Drehmomentformel. Jede repräsentiert einen anderen Punkt im Betriebszyklus des Ventils.
Anlaufdrehmoment
Anlaufdrehmoment ist die Kraft, die benötigt wird, um ein Ventil aus seiner vollständig geschlossenen oder vollständig sitzenden Position zu bewegen. Es ist immer der höchste Drehmomentwert im Betriebszyklus.
Statische Reibung zwischen dem Kegel oder der Kugel und dem Sitz. Zusammen mit jeglichem Differenzdruck über das Ventil erzeugt es einen Widerstand, der überwunden werden muss, bevor sich das Ventil zu bewegen beginnt.
Bei den meisten Ventiltypen beträgt das Anlaufdrehmoment das 1,3- bis 1,5-fache des Laufdrehmoments. Bei Hochdruckanwendungen oder Ventilen, die lange Zeit statisch waren, kann das Verhältnis höher sein.
Laufdrehmoment
Laufdrehmoment ist die Kraft, die erforderlich ist, um den Ventilschaft während seiner Bewegung weiter zu drehen, sobald er sich zu bewegen begonnen hat. Es ist niedriger als das Anlaufdrehmoment, da die dynamische Reibung geringer ist als die statische Reibung.
Laufdrehmoment ist das, was das Datenblatt des Ventilherstellers typischerweise als Nennbetriebsdrehmoment bei einem gegebenen Differenzdruck veröffentlicht.
Sitzdrehmoment
Sitzdrehmoment ist die Kraft, die am Ende des Hubs aufgebracht wird, um den Kegel oder die Kugel fest gegen den Sitz zu drücken. Dies erzeugt eine dichte Abdichtung.
Es ist hauptsächlich für Ventile mit Weichdichtung relevant: Absperrklappen mit Elastomersitzen und Kugelhähne mit PTFE- oder ähnlichen Sitzmaterialien. Ventile mit Metalldichtung sind für die Abdichtung mehr auf den Schub des Antriebs als auf das rotierende Sitzdrehmoment angewiesen.
Wie berechnet man das Drehmoment für den Ventiltreiber? und drei durchgerechnete Beispiele
Die Standardformel für die Auslegung des Ventiltreiber-Drehmoments lautet:
Erforderliches Antriebsdrehmoment = Betriebsdrehmoment des Ventils x Sicherheitsfaktor
Dabei ist das Betriebsdrehmoment des Ventils der Maximalwert unter Anlauf-, Lauf- und Sitzdrehmoment bei dem angegebenen Differenzdruck.
Der Sicherheitsfaktor beträgt typischerweise 1,25 bis 1,5 für elektrische Antriebe gemäß den Auslegungsrichtlinien ISA-75.19.01.
Beispiel 1: Vierteldreh-Kugelhahn, Wasserservice
Ein DN100-Kugelhahn im Wasserservice hat ein veröffentlichtes Betriebsdrehmoment von 120 Nm bei 10 bar Differenzdruck.
Anwendung eines Sicherheitsfaktors von 1,25:
Erforderliches Antriebsdrehmoment = 120 x 1,25 = 150 Nm
Ein AOX-R Vierteldreh-Elektroantrieb mit einer Nennleistung von 160 Nm deckt diese Anforderung mit ausreichender Marge ab.
Die Serie “AOX-R” zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise mit hervorragender Witterungs- und Vibrationsbeständigkeit aus.
MEHR ERFAHRENBeispiel 2: Absperrklappe, chemischer Service
Eine DN200-Absperrklappe in einer chemischen Dosierleitung hat ein Anlaufdrehmoment von 280 Nm und ein Laufdrehmoment von 210 Nm bei 6 bar. Der höhere Anlaufwert ist maßgebend.
Anwendung eines Sicherheitsfaktors von 1,3 für chemische Anwendungen aufgrund möglicher Sitzdegradation:
Erforderliches Antriebsdrehmoment = 280 x 1,3 = 364 Nm
Ein Antrieb mit einer Nennleistung von 400 Nm ist die richtige Wahl.
Beispiel 3: Mehrumdrehungs-Schieber, Hochdruckdampf
Ein Schieber an einer Hochdruck-Dampfleitung hat eine Ventilschaft-Drehmomentberechnung vom Datenblatt des Herstellers, die 850 Nm bei 40 bar zeigt. Dampfservice mit thermischer Zyklisierung verursacht zusätzliche Packungsreibung.
Ein Sicherheitsfaktor von 1,5 ist angemessen:
Erforderliches Antriebsdrehmoment = 850 x 1,5 = 1.275 Nm
Ein AOX-M Mehrumdrehungs-Elektroantrieb mit einem Drehmomentbereich von bis zu 6.000 Nm deckt diese Anwendung mit Marge für zukünftigen Verschleiß und Druckanstiege ab.
Die Serie “AOX-M” ist für den Betrieb von Ventilen mit 360°-Mehrgangdrehung, wie z. B. Schieberventilen und Kugelventilen, ausgelegt.
MEHR ERFAHRENSo finden Sie die Drehmomentanforderungen Ihres Ventils
Für die genauesten Drehmomentinformationen müssen Sie das Datenblatt des Herstellers konsultieren, das Ihrer spezifischen Ventilstärke und Ihrem Nenndruck entspricht.
Die meisten veröffentlichten Drehmomentspezifikationen werden bei einem bestimmten Differenzdruck ermittelt, normalerweise dem maximal zulässigen Arbeitsdruck des Ventils.
Wenn der tatsächliche Betriebsdruck niedriger ist, ist auch die Drehmomentanforderung niedriger.
Wenn kein Datenblatt des Herstellers verfügbar ist, kann das Drehmoment anhand des Cv-Faktors des Ventils und der Betriebsbedingungen geschätzt werden. Diese Methode ist jedoch weniger präzise und sollte immer einen größeren Sicherheitsspielraum beinhalten.
Für Auslegung des Drehmoments von elektrischen Stellantrieben, bestätigen Sie Folgendes, bevor Sie einen Stellantrieb auswählen:
- Maximaler Differenzdruck, dem das Ventil im Betrieb ausgesetzt ist.
- Ventiltyp (Kugel, Klappe, Schieber, Regelventil) und Dichtungsmaterial.
- Anzahl der Betriebszyklen pro Tag.
- Ob die Anwendung erfordert federbelastete Rückstellung.
Das Fertigungsteam von AOX unterstützt die Abstimmung von Ventilen und Stellantrieben als Teil seines technischen Supportpakets. Dies umfasst Schaltpläne, Systemintegration und Programmierungsanleitungen.
Wie viel Sicherheitsspielraum sollten Sie einplanen?
Der Sicherheitsfaktor überbrückt die Lücke zwischen der Nenn-Drehmomentleistung eines Ventils und den realen Bedingungen, denen es ausgesetzt sein wird.
Ein zu niedriger Faktor birgt die Gefahr des Blockierens des Stellantriebs. Ein zu hoher Faktor verschwendet Budget für eine überdimensionierte Einheit.
| Anwendungstyp | Empfohlener Sicherheitsfaktor |
| Sauberes Wasser, geringe Zyklushäufigkeit | 1.25 |
| Allgemeine Industrie, moderater Druck | 1,25 bis 1,35 |
| Chemische oder abrasive Anwendungen | 1,35 bis 1,5 |
| Hochdruckdampf, hohe Zyklushäufigkeit | 1.5 |
| Federbelastete Rückstellung erforderlich | 1,5 oder höher |
Diese Werte entsprechen den Auslegungsstandards für Stellantriebe ISA-75.19.01.
Bei federbelasteten Stellantrieben muss die Kraft der Feder auch von der Drehmomentabgabefähigkeit des Stellantriebs abgezogen werden.
Die Familie der elektrischen Stellantriebe von AOX reicht von 30 Nm bis 6.000 Nm Drehmoment in ihren Familien von Vierteldreh-, Mehrdreh- und Linearantriebe.
Alle wurden mit CE, ATEX, UDEM und EAC zertifiziert. IP67 ist die Standard-Schutzklasse. Die Standardlieferzeit beträgt 15 Tage, bei dringenden Bestellungen 10-15 Tage.
FAQs
F1. Was passiert, wenn die Größe des Stellantriebs zu klein ist?
Wenn die Größe des Stellantriebs zu klein war, würde er blockieren, bevor das Öffnen oder Schließen des Ventils abgeschlossen ist.
Dies könnte zu Alarmsignalen, Prozessunterbrechungen oder teilweisem Öffnen des Ventils bei automatisierten Vorgängen führen.
Der Motor des Stellantriebs könnte durch die ständigen Blockierungsversuche sogar überhitzen.
F2. Kann derselbe Stellantrieb für Wasser- und Ölservice verwendet werden?
Der Stellantrieb selbst kann oft die gleiche Einheit sein, da er nicht mit dem Prozessfluid in Kontakt kommt. Was sich ändert, ist die Drehmomentanforderung des Ventils.
Ölservice beinhaltet typischerweise eine höhere Viskosität und andere Druckbedingungen als Wasser, was das Betriebsdrehmoment des Ventils beeinflusst.
Die Auslegung des Stellantriebsdrehmoments muss die tatsächlichen Servicebedingungen für jede Anwendung separat widerspiegeln.
F3. Woher weiß man, wann ein größerer Stellantrieb benötigt wird?
Anzeichen für einen unterdimensionierten Stellantrieb sind langsame oder unvollständige Ventilbewegungen, übermäßige thermische Überlastauslösungen und ein höherer Stromverbrauch.
Wenn diese Symptome auftreten, berechnen Sie die Ventiltreiber-Drehmomentberechnung unter Verwendung der tatsächlichen Betriebsdrücke neu. Prüfen Sie auch, ob sich der Zustand des Ventilsitzes oder der Packung seit der ursprünglichen Inbetriebnahme geändert hat.
