Análisis de selección y solución de problemas de las válvulas de control neumáticas y eléctricas

1. La posición de instalación de las válvulas de control neumáticas debe estar a una cierta altura sobre el suelo, con suficiente espacio por encima y por debajo de la válvula para facilitar el desmontaje, el montaje y el mantenimiento. Para las válvulas de control equipadas con posicionadores de válvula neumáticos y volantes, es esencial garantizar una operación, observación y ajuste convenientes.
2. Las válvulas de control deben instalarse en tuberías horizontales y alinearse verticalmente con la tubería. Generalmente, se debe proporcionar soporte debajo de la válvula. En casos especiales donde la válvula de control necesita ser instalada horizontalmente en una tubería vertical, la válvula también debe ser soportada (excepto para válvulas de control de pequeño diámetro). Durante la instalación, evite imponer estrés adicional a la válvula de control.
3. La temperatura ambiente de funcionamiento de la válvula de control debe estar dentro de (-30°C a +60°C), con una humedad relativa que no exceda el 95%.
4. Debe haber secciones de tubería rectas antes y después de la válvula de control, con una longitud no inferior a 10 veces el diámetro de la tubería (10D), para evitar afectar las características de flujo debido a una sección de tubería recta demasiado corta.
5. Cuando el diámetro de la válvula difiere del diámetro de la tubería del proceso, se deben usar reductores para la conexión. Para válvulas de control de pequeño diámetro, se pueden usar conexiones roscadas. La flecha de dirección del fluido en el cuerpo de la válvula debe alinearse con la dirección del flujo del fluido.
6. Se debe instalar una tubería de derivación. El propósito es facilitar el cambio o la operación manual, lo que permite el mantenimiento de la válvula de control sin detener el sistema.
7. Antes de la instalación, todos los objetos extraños, como suciedad y escoria de soldadura, deben eliminarse a fondo de la tubería.

1. La posición de instalación, la altura y la dirección de entrada/salida de la válvula deben cumplir con los requisitos de diseño, y la conexión debe ser segura y hermética.
2. Las válvulas se pueden conectar a las tuberías utilizando varios tipos de conexiones finales. Los principales métodos de conexión incluyen conexiones roscadas, bridadas y soldadas. Al usar conexiones bridadas, si la temperatura excede los 350°C, debido a la relajación por fluencia de los pernos, la brida y la junta, se deben seleccionar materiales de pernos resistentes a altas temperaturas.
3. Antes de la instalación, la válvula debe someterse a una inspección visual. La placa de identificación de la válvula debe cumplir con la norma internacional actual GB12220 “Marcado general de válvulas”. Para las válvulas con una presión de trabajo que exceda 1.0 MPa y las que sirven como válvulas de cierre en las tuberías principales, se deben realizar pruebas de resistencia y estanqueidad, y solo se pueden usar después de pasar estas pruebas. Es posible que otras válvulas no requieran pruebas separadas y se pueden inspeccionar durante las pruebas de presión del sistema.
4. Durante las pruebas de resistencia, la presión de prueba debe ser 1.5 veces la presión nominal, con una duración de no menos de 5 minutos. El cuerpo de la válvula y el empaque no deben mostrar fugas.
5. Durante las pruebas de estanqueidad, la presión de prueba es de 0.3 MPa. La presión de prueba debe permanecer constante durante toda la duración de la prueba, que debe cumplir con las disposiciones de la Tabla 2. La válvula se considera calificada si no hay fugas en la superficie de sellado del asiento de la válvula.
6. Diámetro nominal: DN15-500

(1) La válvula de control no funciona. Los fenómenos y causas de la falla son los siguientes:

1. Sin señal, sin suministro de aire.
   1. Suministro de aire no activado,
   2. El agua en el suministro de aire se congela en invierno, causando el bloqueo del conducto de aire o el mal funcionamiento del filtro o el reductor de presión,
   3. Fallo del compresor,
   4. Fugas en la tubería principal de suministro de aire.
2. Suministro de aire presente, sin señal.
   1. Fallo del regulador,
   2. Fugas en el diafragma del posicionador,
   3. Daño al diafragma regulador.
3. El posicionador no tiene suministro de aire.
   1. El filtro está bloqueado.
   2. El reductor de presión está defectuoso.
   3. La tubería tiene fugas o está bloqueada.
4. El posicionador tiene suministro de aire pero no hay salida. El orificio de estrangulamiento del posicionador está bloqueado.
5. Señal presente pero sin acción.
   1. El núcleo de la válvula se ha caído.
   2. El núcleo de la válvula está atascado en el asiento o en el asiento.
   3. El vástago de la válvula está doblado o roto.
   4. El asiento de la válvula y el núcleo de la válvula están congelados o bloqueados por escombros.
   5. El resorte del actuador está atascado debido al desuso prolongado.

(II) Funcionamiento inestable de la válvula de control. Los fenómenos y causas de la falla son los siguientes:

1. Presión de suministro de aire inestable.
   1. La capacidad del compresor es demasiado pequeña.
   2. Mal funcionamiento de la válvula reductora de presión.
2. Presión de señal inestable.
   1. Constante de tiempo inapropiada del sistema de control.
   2. Salida del regulador inestable.
3. La presión de suministro de aire es estable, la presión de la señal también es estable, pero el funcionamiento de la válvula reguladora es inestable.
   1. La válvula de bola en el amplificador del posicionador está desgastada y no sella correctamente debido a los escombros, lo que causa oscilaciones de salida cuando aumenta el consumo de aire.
   2. El deflector de la boquilla en el amplificador del posicionador no está alineado y el deflector no cubre la boquilla.
   3. Fugas de aire en la tubería o línea de salida.
   4. El actuador tiene rigidez insuficiente.
   5. El vástago de la válvula experimenta una alta resistencia a la fricción durante el movimiento, con fenómenos de pegado en los puntos de contacto.

(3) Vibración de la válvula reguladora. Los síntomas y causas de la falla son los siguientes:

1. La válvula de control vibra en cualquier posición de apertura.
   1. Soporte inestable.
   2. Fuentes de vibración cercanas.
   3. Desgaste severo entre el tapón de la válvula y el manguito.
2. La válvula de control vibra al cerrar por completo.
   1. La válvula de control es de gran tamaño y se usa a menudo en posiciones de apertura pequeñas.
   2. La dirección del flujo del medio en una válvula de asiento único es opuesta a la dirección de cierre.

(4) Respuesta lenta de la válvula de control. Los síntomas y causas son los siguientes:

1. El vástago de la válvula responde lentamente en una sola dirección.
   1. El diafragma en el actuador de diafragma neumático está dañado y tiene fugas.
   2. La junta tórica "O" en el actuador tiene fugas.
2. El vástago de la válvula muestra lentitud durante los movimientos de apertura y cierre:
   1. El cuerpo de la válvula está bloqueado por sustancias adhesivas;
   2. El empaque de PTFE se ha deteriorado y endurecido, o el lubricante de empaque de grafito-amianto se ha secado;
   3. El empaque está demasiado apretado, lo que aumenta la resistencia a la fricción;
   4. El vástago de la válvula no está recto, lo que causa una mayor resistencia a la fricción;
   5. Las válvulas de control neumáticas sin posicionador también pueden causar lentitud.

(5) Aumento del volumen de fugas de la válvula de control, con las siguientes causas:

1. Fugas excesivas cuando la válvula está completamente cerrada:
   1. Tapón de la válvula desgastado, fugas internas severas;
   2. Válvula no ajustada correctamente, no se cierra herméticamente.
2. La válvula no puede alcanzar la posición completamente cerrada:
   1. Diferencial de presión del medio excesivo, baja rigidez del actuador, la válvula no se cierra herméticamente;
   2. Objetos extraños dentro de la válvula;
   3. Manguito sinterizado.

(6) El rango de flujo ajustable ha disminuido. La razón principal es que el núcleo de la válvula se ha corroído y encogido, lo que resulta en un aumento en la tasa de flujo ajustable mínima.

Comprender los fenómenos y las causas de las fallas de las válvulas de control neumáticas permite tomar medidas específicas para resolver los problemas.

1. Fiabilidad;
2. Rentabilidad;
3. Funcionamiento suave y par de salida suficiente;
4. Estructura simple y fácil mantenimiento.

1. (1) Los actuadores neumáticos son simples y confiables

La poca fiabilidad de los actuadores eléctricos tradicionales ha sido una debilidad de larga data, pero el desarrollo de los actuadores electrónicos en la década de 1990 resolvió completamente este problema, lo que les permite funcionar sin mantenimiento durante 5–10 años, con una fiabilidad incluso superior a la de los actuadores neumáticos.

2. (2) Fuente de alimentación

El principal inconveniente de los actuadores neumáticos es la necesidad de una estación de suministro de aire separada, lo que aumenta los costos; las válvulas eléctricas pueden utilizar fuentes de alimentación disponibles en el sitio.

3. (3) Consideraciones de costos

Los actuadores neumáticos requieren un posicionador de válvula adicional, más el suministro de aire, lo que hace que sus costos sean comparables a los de las válvulas eléctricas (los posicionadores de válvula eléctricos importados tienen un precio similar al de los actuadores electrónicos importados; los posicionadores de producción nacional tienen un precio comparable al de los actuadores eléctricos de producción nacional).

4. (4) Empuje y rigidez: Ambos son comparables.
5. (5) Protección contra incendios y explosiones

“Actuador neumático + posicionador de válvula eléctrica” es ligeramente mejor que los actuadores eléctricos.

1. (1) Cuando sea posible, se recomienda utilizar actuadores electrónicos importados con válvulas nacionales para aplicaciones nacionales, nuevos proyectos, etc.
2. (2) Aunque los actuadores de diafragma tienen inconvenientes como empuje insuficiente, baja rigidez y grandes dimensiones, su estructura simple los convierte en los actuadores más utilizados actualmente.
3. (3) Consideraciones para seleccionar actuadores de pistón:
   1. Cuando los actuadores de diafragma neumáticos carecen de suficiente empuje, se deben seleccionar actuadores de pistón para mejorar la fuerza de salida; para válvulas de control de alta presión diferencial (por ejemplo, válvulas de cierre de vapor de presión media), cuando DN ≥ 200, incluso pueden ser necesarios actuadores de doble pistón;
   2. Para las válvulas de control ordinarias, los actuadores de pistón también se pueden usar para reemplazar los actuadores de diafragma, lo que reduce significativamente el tamaño del actuador. Desde esta perspectiva, las válvulas de control de pistón neumáticas se utilizan más ampliamente;
   3. Para las válvulas de control de recorrido angular, sus actuadores de recorrido angular suelen presentar una estructura giratoria de cremallera y piñón de doble pistón. Vale la pena enfatizar que la configuración tradicional de “actuador de pistón de recorrido lineal + ángulo de hierro + biela”.

1. 1. Capacidad de sobrecarga y vida útil

Los actuadores eléctricos solo son adecuados para el funcionamiento intermitente y no son adecuados para el funcionamiento continuo en bucle cerrado. Los actuadores neumáticos, sin embargo, tienen capacidad de sobrecarga y no requieren mantenimiento durante toda su vida útil. No se requieren cambios de aceite ni otra lubricación. Su vida útil estándar puede alcanzar hasta un millón de ciclos de encendido/apagado, lo que hace que los actuadores neumáticos sean superiores a otros actuadores de válvulas.

2. 2. Seguridad

Los actuadores neumáticos se pueden utilizar en entornos potencialmente explosivos, especialmente en las siguientes situaciones: Se requieren válvulas a prueba de explosiones (por ejemplo, válvulas Namur con bobinas adecuadas); las válvulas o islas de válvulas deben instalarse fuera de la zona explosiva, y los actuadores neumáticos utilizados en la zona explosiva deben ser accionados a través de tubos de aire; los actuadores eléctricos no son adecuados para su uso en entornos potencialmente explosivos y son costosos.

3. 3. Capacidad de sobrecarga

En situaciones que requieren un mayor par o requisitos de fuerza especiales, los actuadores eléctricos alcanzan rápidamente sus límites de par. Especialmente en casos de aperturas de válvulas irregulares o cierres prolongados de válvulas, la ventaja de capacidad de sobrecarga de los actuadores neumáticos se hace evidente, ya que los depósitos o materiales sinterizados aumentan el par de arranque. Con los componentes neumáticos, la presión de trabajo, la fuerza o el par se pueden aumentar fácilmente.

4. 4. Eficiencia económica

En la tecnología de tratamiento de agua y aguas residuales, la mayoría de los actuadores de válvulas funcionan en modo de encendido/apagado o incluso están diseñados para operación manual. Por lo tanto, los componentes neumáticos ofrecen un potencial significativo para la racionalización. En comparación con los actuadores neumáticos, si se utilizan actuadores eléctricos, las funciones de monitoreo, como el monitoreo de sobretemperatura, el monitoreo de par, la frecuencia de conmutación y los ciclos de mantenimiento, deben integrarse en el sistema de control y prueba, lo que resulta en una gran cantidad de líneas de entrada y salida. Excepto por la detección de posición final y el procesamiento de la fuente de aire, los actuadores neumáticos no requieren ninguna función de monitoreo o control. Los actuadores neumáticos son rentables, lo que los hace ideales para automatizar los actuadores de válvulas manuales.

5. 5. Montaje

La tecnología neumática es muy sencilla. Los actuadores neumáticos se pueden instalar fácilmente en los cabezales de accionamiento de las válvulas, y las unidades de procesamiento de la fuente de aire se pueden conectar y accionar con un esfuerzo mínimo. Además, el diseño sin mantenimiento de los actuadores neumáticos garantiza una funcionalidad conveniente y plug-and-play.

6. 6. Componentes

Los componentes neumáticos tienen una alta resistencia a la vibración, son robustos, duraderos y generalmente no se rompen. Incluso las altas temperaturas no dañan los componentes resistentes a la corrosión. Los actuadores eléctricos constan de numerosos componentes y son relativamente propensos a sufrir daños.

7. 7. Tecnología

Los actuadores lineales actúan directamente sobre el dispositivo de cierre, mientras que los actuadores oscilantes convierten la “fuerza de aire comprimido lineal” en movimiento oscilante utilizando solo un pistón y un eje de transmisión. Los actuadores neumáticos también pueden lograr fácilmente un movimiento lento, como mediante el uso de componentes de control de flujo simples y rentables. Los actuadores eléctricos experimentan una pérdida de energía significativa al convertir la energía suministrada en movimiento. Esto se debe principalmente a que el motor eléctrico convierte la mayor parte de la energía en calor, y en segundo lugar, al uso de una caja de cambios.

La mayoría de los actuadores utilizados en aplicaciones de control industrial en la actualidad son actuadores neumáticos porque utilizan aire como fuente de energía, que es más económico y de estructura más simple que los actuadores eléctricos e hidráulicos, y son fáciles de operar y mantener. Desde una perspectiva de mantenimiento, los actuadores neumáticos son más fáciles de operar y calibrar que otros tipos de actuadores, y se pueden intercambiar fácilmente entre direcciones hacia adelante y hacia atrás en el sitio. Su mayor ventaja es la seguridad. Cuando se utilizan con posicionadores, son ideales para entornos inflamables y explosivos. Por el contrario, las señales eléctricas que no son a prueba de explosiones o intrínsecamente seguras plantean un riesgo potencial de incendio debido a las chispas. Por lo tanto, aunque las válvulas de control eléctricas se utilizan cada vez más ampliamente, las válvulas de control neumáticas aún dominan la industria química.

Los principales inconvenientes de los actuadores neumáticos son: respuesta más lenta, menor precisión de control y menor resistencia a la desviación. Esto se debe a la compresibilidad del gas, especialmente cuando se utilizan actuadores neumáticos grandes, ya que se necesita tiempo para que el aire llene y vacíe el cilindro. Sin embargo, esto no debería ser un problema importante, ya que muchas aplicaciones no requieren una alta precisión de control, una respuesta extremadamente rápida o una fuerte resistencia a la desviación.

Los actuadores eléctricos se utilizan principalmente en centrales eléctricas o centrales nucleares, ya que los sistemas de agua a alta presión requieren un proceso suave, estable y lento. Las principales ventajas de los actuadores eléctricos son la alta estabilidad y un empuje constante que los usuarios pueden aplicar. El empuje máximo producido por un actuador eléctrico puede alcanzar hasta 225,000 kgf. Solo los actuadores hidráulicos pueden lograr un empuje tan alto, pero los actuadores hidráulicos son significativamente más caros que los eléctricos. La capacidad anti-desviación de los actuadores eléctricos es excelente, con un empuje o par de salida que permanece esencialmente constante, contrarrestando eficazmente las fuerzas desequilibradas del medio y logrando un control preciso de los parámetros del proceso. Por lo tanto, su precisión de control es mayor que la de los actuadores neumáticos. Cuando están equipados con un servomotor, es fácil cambiar entre la acción directa e inversa, y el estado de la posición de la válvula (mantener/completamente abierta/completamente cerrada) se puede configurar fácilmente. En caso de falla, permanecerá en su posición original, lo cual es algo que los actuadores neumáticos no pueden lograr. Los actuadores neumáticos deben depender de un sistema de protección combinado para lograr la retención de la posición.

Los principales inconvenientes de los actuadores eléctricos incluyen: estructura más compleja, mayor probabilidad de fallas y, debido a su complejidad, los requisitos técnicos para el personal de mantenimiento en el sitio son relativamente más altos; el funcionamiento del motor genera calor, y si se realizan ajustes con demasiada frecuencia, puede hacer que el motor se sobrecaliente, lo que activa la protección térmica, al tiempo que aumenta el desgaste de los engranajes de reducción; además, el funcionamiento es relativamente lento, ya que se necesita una cantidad significativa de tiempo para que la válvula responda a una señal del controlador y se mueva a la posición correspondiente, que es donde se queda corto en comparación con los actuadores neumáticos e hidráulicos.