Le secret des vibrations des vannes de contrôle

Dans l'industrie chimique, les vannes de régulation sont largement utilisées, et certains amis ne comprennent pas très bien la vibration des vannes de régulation.

La vibration des vannes de régulation fait référence au phénomène de fermeture et d'ouverture rapides de la vanne pendant le fonctionnement, indiquant que la vanne de régulation est incapable de rester stable dans une position appropriée pour maintenir les conditions de processus prévues.

Cette condition provoque la fluctuation de la variable de processus dans un système en boucle fermée autour de son point de consigne.

• Problèmes de contrôleur : Un contrôleur mal réglé ou une défaillance de ses composants internes peuvent entraîner un signal de commande instable, ce qui peut à son tour provoquer la vibration de la vanne.
• Défaillance des composants de la vanne de régulation : L'usure ou l'endommagement de composants spécifiques de la vanne (tels que les tiroirs, les sièges ou les actionneurs) peuvent également entraîner des phénomènes de vibration.
• Influence de la méthode de fonctionnement : Parfois, même si le matériel lui-même n'est pas défectueux, une méthode de fonctionnement ou une conception de processus inappropriée peut déclencher des vibrations.

La vibration persistante de la vanne nuit non seulement aux performances du joint de presse-étoupe, mais peut également entraîner des écarts importants par rapport au point de consigne souhaité, affectant la productivité et la qualité des produits. Par conséquent, il est essentiel d'identifier avec précision la cause profonde de la vibration afin de mettre en œuvre les mesures correctives nécessaires pour résoudre le problème de vibration et améliorer les performances globales de la boucle de régulation.

Cet article approfondira les divers facteurs potentiels qui provoquent la vibration des vannes et la manière dont ils sont diagnostiqués, dans le but d'aider les lecteurs à mieux comprendre et à faire face à ce défi de contrôle industriel courant mais complexe. En comprenant ces informations, les ingénieurs et les techniciens peuvent entretenir et optimiser plus efficacement leurs systèmes de contrôle pour assurer le bon fonctionnement des processus de production.

1. Problème de boucle de régulation

   Basculez le mode du contrôleur d'automatique en manuel et évaluez la réponse de la manière habituelle pour déterminer si le problème se situe dans la boucle.

   Si l'oscillation s'arrête, la boucle est défectueuse. Ces problèmes surviennent généralement dans les processus non linéaires. En raison des effets d'hystérésis, le « pompage » peut également se produire. Le résultat est que la boucle de processus se comporte lentement.

   Le contrôleur n'est pas configuré pour résoudre ce problème mécanique. Les vannes de régulation bloquées causées par des problèmes de boucle peuvent être résolues en ajustant correctement le contrôleur. Si cela n'est pas indiqué dans le manuel, cela peut être dû à d'autres causes, telles que des différences réelles dans les variables de processus, le dimensionnement des vannes, etc.

2. Taille de la vanne de régulation

   La contrôlabilité de la vanne est fortement affectée par la taille de la vanne de régulation. Le coefficient de débit (Cv abrégé) est la quantité d'eau qui peut traverser une vanne complètement ouverte à 600 °F avec une chute de pression de 1 psi.

   Le Cv est déterminé par la conception de la vanne et reste constant. Même les vannes de régulation de même taille peuvent avoir des valeurs de Cv différentes si le style du corps ou les composants internes de la vanne sont différents. Le problème du dimensionnement des vannes de régulation devient apparent lorsque le gain total du processus est faible ou très élevé. Les tailles des vannes de régulation sont souvent sélectionnées en fonction de la nécessité d'augmentations de débit futures, ce qui peut entraîner une taille de vanne sélectionnée légèrement supérieure aux exigences actuelles de l'application, ce qui peut affecter la précision du contrôle.

   Les vannes trop grandes peuvent entraîner des ouvertures et des fermetures excessives, provoquant le grippage, l'endommagement du garnissage et un contrôle imprécis. Inversement, les vannes trop petites nécessitent une forte chute de pression pour maintenir un débit correct et peuvent manquer de la capacité nécessaire, augmentant la pression de la pompe et augmentant le risque de cavitation. La cavitation et le moussage sont les principaux problèmes causant des dommages aux pièces internes de la vanne de régulation, ce qui entraîne à son tour des fluctuations dans le contrôle du processus.

3. Positionneur de vanne de régulation

   Afin de maintenir l'actionneur de la vanne de régulation dans la position d'équilibre requise pour contrôler les variables de processus, le positionneur de vanne est réalisé en régulant la pression d'air.

   Il possède un tiroir pour contrôler le débit d'air, mais une utilisation prolongée ou des particules de poussière dans l'air peuvent provoquer l'usure du tiroir, ce qui l'amène à se coincer dans une position particulière, entraînant une pression d'air anormalement élevée. Une fois que la pression d'air augmente, le tiroir se libère de la position bloquée, déclenchant un dépassement qui entraîne une position de vanne instable, une perte de contrôle efficace de la vanne et une déflexion.

   Le positionneur de vanne peut être exposé à des températures élevées en raison de la chaleur rayonnante des réservoirs de processus environnants, ce qui peut également être un facteur de blocage de la vanne de régulation par le positionneur, entraînant potentiellement des dommages aux joints et à la tuyauterie du positionneur. Le positionneur utilise une liaison de rétroaction pour détecter la position réelle de la vanne afin d'ajuster la sortie.

   Si la liaison de rétroaction échoue, par exemple en raison de forces fluides ou de frottement, la vanne peut ne pas fonctionner correctement. Les positionneurs intelligents modernes ont la capacité unique de reconnaître de tels écarts.

4. Frottement statique pendant le déplacement de la vanne

   Lorsqu'une vanne rencontre un frottement statique (c'est-à-dire un blocage), elle cesse de se déplacer à une position spécifique et nécessite une force supplémentaire pour redémarrer. La cause de ce phénomène peut être un garnissage de presse-étoupe durci ou un écoulement visqueux à l'intérieur du tiroir.

   Lorsque la force appliquée est suffisante pour surmonter le point de blocage, la vanne se déplace dans la position de dépassement, ce qui fait que la variable de processus dépasse le point de consigne. Ce blocage peut être observé en surveillant la relation entre la sortie du contrôleur et la variable de processus.

   L'actionneur de vanne doit être correctement dimensionné et le couple sur le joint de presse-étoupe doit être dans les limites acceptables pour éviter le blocage.

5. Défauts matériels

   De plus, l'usure à l'intérieur du tiroir peut provoquer le blocage de la vanne, empêchant la vanne de se fermer complètement. Les dommages au tiroir peuvent amener une vanne de régulation à perdre le contrôle dans la plage de fonctionnement élevée.

   Dans les vannes de régulation, le garnissage de presse-étoupe est utilisé pour empêcher les fluides de traitement de fuir du corps de la vanne. S'il est endommagé, cela peut entraîner des fuites au niveau du chapeau, menaçant la sécurité de l'environnement de travail. Les fuites dans l'actionneur de vanne sont un autre facteur qui peut conduire au « pompage » de la vanne.

   La tige de la vanne est initialement positionnée avec précision par le positionneur de vanne, mais en raison des fuites, la tige continuera de se déplacer, forçant le positionneur à ajuster à plusieurs reprises la sortie, ce qui entraîne une recherche infinie de la position de la tige. Il s'agit de l'un des phénomènes de traînée courants pour les vannes de régulation sous des signaux de commande en régime permanent.

Les problèmes de boucle ou d'autres influences peuvent provoquer l'oscillation des vannes de régulation. Déterminez la source du problème en basculant le contrôleur en mode manuel et en observant si l'oscillation s'arrête. Si l'oscillation s'arrête, cela indique que le problème est dû à un problème dans la boucle elle-même, qui peut être résolu par des ajustements appropriés.

Les oscillations internes peuvent être causées par un réglage incorrect ou un dysfonctionnement de la machine. Si la vanne présente toujours un comportement erratique en mode manuel, le problème peut provenir d'un ensemble de vannes endommagé ou d'une modification des paramètres du processus.

Le collage et le dépassement du positionneur sont les causes les plus courantes du collage des vannes de régulation. La réponse de sortie de la vanne en présence d'un phénomène de collage peut être clairement démontrée au moyen d'un graphique.

Pour déterminer si le collage de la vanne de régulation est dû à un réglage incorrect du contrôleur ou à une défaillance mécanique de la vanne de régulation elle-même, il est recommandé de contourner temporairement la sortie du contrôleur, d'alimenter l'actionneur de la vanne de régulation avec une pression constante et d'observer la réponse de sortie.

Des potentiomètres linéaires (transmetteurs de position) sont utilisés pour détecter le mouvement de la tige, tandis que des transducteurs de pression (positionneurs intelligents) sont utilisés pour mesurer la pression de sortie du positionneur. En connectant ces capteurs à un système d'acquisition de données et en visualisant ces données à l'aide d'un logiciel de surveillance (tel que Labview), un graphique du déplacement de la tige par rapport à la sortie du contrôleur peut être généré.

Le microcontrôleur reçoit les signaux d'entrée du point de consigne du contrôleur et des capteurs de pression. Lorsqu'un écart de pression par rapport au point de consigne est constaté, il est considéré comme un comportement de « pompage » si cet écart se produit plus de cinq fois. Dans ce cas, la sortie du contrôleur est isolée et le convertisseur courant-pression (convertisseur I-P) génère automatiquement une pression correspondant au point de consigne et la fournit en entrée au positionneur de la vanne de régulation. Vérifiez à nouveau l'écart après quelques secondes.

Si l'on constate que l'écart est réduit, la vanne de régulation et ses accessoires ne sont pas défectueux.

Par conséquent, un réglage spécial du circuit du contrôleur est requis. Cependant, si la vanne est toujours défectueuse, les pièces internes peuvent être endommagées ou bloquées en raison du joint de presse-étoupe. À l'aide d'un graphique avec des zones mortes, l'emplacement exact du collage peut être facilement trouvé.

Dans le cas de battements persistants mais sans preuve de zone morte, la vibration est très probablement due à des dommages à un composant tel que le tiroir. Cette méthode peut également aider à déterminer si le phénomène de piégeage est présent sur toute la plage de contrôle ou est limité à certains intervalles de fonctionnement spécifiques.