Una delle sviste più frequenti nella fase di commissioning degli impianti di processo è il dimensionamento insufficiente dell'attuatore della valvola.
Ciò comporterebbe il blocco dell'attuatore della valvola, l'incapacità della valvola di rispondere alle istruzioni. Infine, la causa di tutto ciò risiede nei calcoli di coppia che non hanno tenuto conto di tutte le forze.
Ottenere calcolo della coppia dell'attuatore della valvola corretto fin dall'inizio consente di risparmiare rilavorazioni, tempi di inattività e danni alle apparecchiature.
Cos'è la Coppia e Perché è Importante?
La coppia è la forza che provoca la rotazione dell'albero della valvola da una posizione all'altra. Può essere misurata in Newton-metri (Nm) e pollici-libbre (in-lb).
Ogni valvola viene fornita con una specifica di coppia fornita dal produttore della valvola. L'attuatore dovrebbe fornire almeno la coppia richiesta nello scenario peggiore.
Il problema è che le specifiche di coppia continuano a cambiare a causa di molti fattori. Ciò include la pressione operativa, la temperatura, la viscosità del fluido di processo e l'età della sede e della guarnizione della valvola.
Un attuatore progettato solo per la specifica di coppia nominale durante il periodo di commissioning potrebbe non essere sufficiente nelle operazioni successive.
Ecco perché il dimensionamento dell'attuatore include sempre un margine di sicurezza al di sopra del requisito di coppia pubblicato della valvola.
Tre tipi di coppia che ogni ingegnere dovrebbe conoscere
Comprendere la differenza tra i tre tipi di coppia è il fondamento di qualsiasi formula per la coppia dell'attuatore della valvola. Ognuno rappresenta un punto diverso nel ciclo operativo della valvola.
Coppia di spunto
La coppia di spunto è la forza necessaria per iniziare a muovere una valvola dalla sua posizione completamente chiusa o completamente sede. È sempre il valore di coppia più alto nel ciclo operativo.
L'attrito statico tra il disco o la sfera e la sede. Insieme a qualsiasi pressione differenziale attraverso la valvola, crea una resistenza che deve essere superata prima che la valvola inizi a muoversi.
Per la maggior parte dei tipi di valvole, la coppia di spunto è da 1,3 a 1,5 volte la coppia di esercizio. Nelle applicazioni ad alta pressione o nelle valvole che sono rimaste statiche per lunghi periodi, il rapporto può essere più elevato.
Coppia di esercizio
La coppia di esercizio è la forza richiesta per continuare a ruotare l'albero della valvola durante la sua corsa una volta che ha iniziato a muoversi. È inferiore alla coppia di spunto perché l'attrito dinamico è inferiore all'attrito statico.
La coppia di esercizio è ciò che la scheda tecnica del produttore della valvola pubblica tipicamente come coppia operativa nominale a una data pressione differenziale.
Coppia di chiusura
La coppia di chiusura è la forza applicata alla fine della corsa per spingere il disco o la sfera saldamente contro la sede. Ciò crea una tenuta ermetica.
È rilevante principalmente per le valvole a sede morbida: valvole a farfalla con sedi elastomeriche e valvole a sfera con PTFE o materiali di sede simili. Le valvole a sede metallica dipendono più dalla spinta dell'attuatore che dalla coppia di chiusura rotazionale per la tenuta.
Come calcolare la coppia per l'attuatore della valvola e tre esempi pratici
La formula standard per il dimensionamento della coppia dell'attuatore della valvola è:
Coppia attuatore richiesta = Coppia operativa valvola x Fattore di sicurezza
Dove la coppia operativa della valvola è il valore massimo tra la coppia di spunto, la coppia di esercizio e la coppia di chiusura alla pressione differenziale specificata.
Il fattore di sicurezza è tipicamente da 1,25 a 1,5 per gli attuatori elettrici, secondo le linee guida di dimensionamento ISA-75.19.01.
Esempio 1: Valvola a sfera a quarto di giro, servizio idrico
Una valvola a sfera DN100 in servizio idrico ha una coppia operativa pubblicata di 120 Nm a 10 bar di pressione differenziale.
Applicando un fattore di sicurezza di 1,25:
Coppia attuatore richiesta = 120 x 1,25 = 150 Nm
UN Attuatore elettrico a quarto di giro AOX-R con una potenza nominale di 160 Nm copre questo requisito con un margine adeguato.
La serie “AOX-R” è caratterizzata da una struttura compatta con un’eccellente resistenza alle intemperie e alle vibrazioni.
SAPERNE DI PIÙEsempio 2: Valvola a farfalla, servizio chimico
Una valvola a farfalla DN200 in una linea di dosaggio chimico ha una coppia di spunto di 280 Nm e una coppia di esercizio di 210 Nm a 6 bar. Il valore di coppia di spunto più elevato è determinante.
Applicando un fattore di sicurezza di 1,3 per il servizio chimico a causa del potenziale degrado della sede:
Coppia attuatore richiesta = 280 x 1,3 = 364 Nm
Un attuatore con una potenza nominale di 400 Nm è la scelta appropriata.
Esempio 3: Valvola a saracinesca multi-giro, vapore ad alta pressione
Una valvola a saracinesca su una linea di vapore ad alta pressione ha un calcolo della coppia dell'albero della valvola dalla scheda tecnica del produttore che mostra 850 Nm a 40 bar. Il servizio a vapore con cicli termici applica un attrito aggiuntivo della guarnizione.
È appropriato un fattore di sicurezza di 1,5:
Coppia attuatore richiesta = 850 x 1,5 = 1.275 Nm
UN Attuatore elettrico multi-giro AOX-M con un intervallo di coppia fino a 6.000 Nm copre questa applicazione con un margine per l'usura futura e l'aumento della pressione.
La serie “AOX-M” è progettata per azionare valvole con rotazione multigiro a 360°, come valvole a saracinesca e valvole a globo.
SAPERNE DI PIÙCome Trovare i Requisiti di Coppia della Tua Valvola
Per le informazioni sulla coppia più accurate, è necessario consultare la scheda tecnica del produttore corrispondente alla dimensione e alla classe di pressione specifiche della tua valvola.
La maggior parte delle specifiche di coppia pubblicate sono determinate a una certa pressione differenziale, solitamente la pressione massima di esercizio ammissibile della valvola.
Se la pressione operativa effettiva è inferiore, anche il requisito di coppia sarà inferiore.
Quando una scheda tecnica del produttore non è disponibile, la coppia può essere stimata utilizzando il fattore Cv della valvola e le condizioni operative. Tuttavia, questo metodo è meno preciso e dovrebbe sempre includere un margine di sicurezza maggiore.
Per dimensionamento della coppia dell'attuatore elettrico, confermare quanto segue prima di selezionare un attuatore:
- Pressione differenziale massima che la valvola incontrerà in servizio.
- Tipo di valvola (a sfera, a farfalla, a saracinesca, a globo) e materiale della sede.
- Numero di cicli operativi al giorno.
- Se l'applicazione richiede ritorno a molla di sicurezza.
Il team di produzione AOX assiste nell'abbinamento valvola-attuatore come parte del loro pacchetto di supporto tecnico. Ciò include schemi di cablaggio, integrazione di sistema e guida alla programmazione.
Quanto Margine di Sicurezza Dovresti Lasciare?
Il fattore di sicurezza colma il divario tra la coppia nominale di una valvola e le condizioni del mondo reale che incontrerà.
Un fattore troppo basso rischia di bloccare l'attuatore. Uno troppo alto spreca budget per un'unità sovradimensionata.
| Tipo di Applicazione | Fattore di Sicurezza Raccomandato |
| Acqua pulita, bassa frequenza di cicli | 1.25 |
| Industriale generale, pressione moderata | 1,25 - 1,35 |
| Servizio chimico o abrasivo | 1,35 - 1,5 |
| Vapore ad alta pressione, alta frequenza di cicli | 1.5 |
| Richiesto ritorno a molla di sicurezza | 1,5 o superiore |
Questi valori sono in linea con gli standard di dimensionamento degli attuatori ISA-75.19.01.
Per quanto riguarda gli attuatori a ritorno a molla, la forza della molla deve anche essere dedotta dalla capacità di coppia in uscita dell'attuatore.
La famiglia di attuatori elettrici AOX spazia da 30 Nm fino a 6.000 Nm di coppia nelle loro famiglie di quarto di giro, multi-giro e attuatori lineari.
Tutti sono stati certificati con CE, ATEX, UDEM ed EAC. IP67 è la classe di protezione standard. Il tempo di consegna standard è di 15 giorni, con 10-15 giorni per ordini urgenti.
Domande frequenti
D1. Cosa succederebbe se la dimensione dell'attuatore fosse piccola?
Se la dimensione dell'attuatore fosse piccola, si bloccherebbe prima di completare l'apertura o la chiusura della valvola.
Ciò potrebbe portare alla generazione di segnali di allarme, interruzioni del processo o apertura parziale della valvola nelle operazioni automatizzate.
Il motore dell'attuatore potrebbe persino surriscaldarsi dai continui tentativi di blocco.
D2. Si può usare lo stesso attuatore per servizio con acqua e olio?
L'attuatore stesso può spesso essere la stessa unità, poiché non è a contatto con il fluido di processo. Ciò che cambia è il requisito di coppia della valvola.
Il servizio con olio comporta tipicamente una viscosità più elevata e condizioni di pressione diverse rispetto all'acqua, il che influisce sulla coppia operativa della valvola.
Il dimensionamento della coppia dell'attuatore deve riflettere le condizioni di servizio effettive per ciascuna applicazione separatamente.
D3. Come fai a sapere quando è necessario un attuatore più grande?
Gli indicatori di un attuatore sottodimensionato sono un movimento lento o incompleto della valvola, scatti eccessivi di sovraccarico termico e un consumo di corrente più elevato.
Se questi sintomi compaiono, ricalcolare il calcolo della coppia dell'attuatore della valvola utilizzando le pressioni operative effettive. Inoltre, verificare se le condizioni della sede o del premistoppa della valvola sono cambiate dalla messa in servizio originale.
