Все, что вам нужно знать о пневматических регулирующих клапанах

Пневматический регулирующий клапан использует сжатый воздух в качестве источника питания и пневматический цилиндр в качестве привода. С помощью таких аксессуаров, как электрические позиционеры клапанов, преобразователи, электромагнитные клапаны и удерживающие клапаны, он приводит клапан в действие для достижения включения/выключения или пропорционального управления. Он получает управляющие сигналы от систем управления промышленной автоматикой для регулирования различных технологических параметров среды в трубопроводе, таких как расход, давление и температура. Ключевыми особенностями пневматических регулирующих клапанов являются их простой механизм управления, быстрое реагирование и искробезопасность, что исключает необходимость дополнительных взрывозащищенных мер.

Пневматические регулирующие клапаны обычно состоят из пневматического привода и регулирующего клапана, которые устанавливаются и вводятся в эксплуатацию вместе. Пневматические приводы можно разделить на типы одностороннего и двустороннего действия; приводы одностороннего действия содержат возвратную пружину, тогда как приводы двустороннего действия ее не содержат. В случае потери подачи воздуха или внезапного отказа привод одностороннего действия автоматически вернется в первоначально установленное открытое или закрытое положение клапана.

Пневматические регулирующие клапаны классифицируются по режиму работы на типы «воздух-открыто» и «воздух-закрыто», также известные как нормально открытые и нормально закрытые типы. Работа пневматического регулирующего клапана по принципу «воздух-открытие» или «воздух-закрытие» обычно достигается за счет прямого или обратного действия привода и различных конфигураций сборки корпуса клапана.

Режимы работы пневматических регулирующих клапанов:

При типе «воздух-открытие» (нормально закрытом) при увеличении давления воздуха на головку диафрагмы клапан перемещается в сторону увеличения открытия; при достижении верхнего предела давления входного воздуха клапан находится в полностью открытом положении. Наоборот, при снижении давления воздуха клапан перемещается в направлении закрытия; при отсутствии входящего воздуха клапан полностью закрыт. Поэтому мы обычно называем регулирующие клапаны, открывающие воздух, клапанами, не закрывающимися.

Тип «воздух-закрытие» (нормально открытый) работает в направлении, противоположном типу «воздух-открытие». При повышении давления воздуха клапан перемещается в закрытое положение; при снижении или отсутствии давления воздуха клапан перемещается в открытое положение или до полного открытия. Поэтому регулирующие клапаны «воздух-закрытие» обычно называют отказоустойчивыми клапанами.

Выбор между клапанами «воздух-открытие» и «воздух-закрытие» определяется с точки зрения безопасности процесса. Это зависит от того, безопаснее ли находиться регулирующему клапану в закрытом или открытом положении при отключении подачи воздуха.

Например, при управлении горением нагревательной печи, где на трубопроводе топливного газа установлен регулирующий клапан для регулирования подачи топлива в зависимости от температуры камеры печи или температуры нагреваемого материала на выходе из печи, безопаснее выбрать клапан закрытия воздуха. Это связано с тем, что в случае прекращения подачи воздуха предпочтительнее, чтобы клапан находился в закрытом положении, а не полностью открытым. Если подача воздуха прерывается при полностью открытом топливном клапане, это может привести к перегреву и создать угрозу безопасности. Другим примером является теплообменник, охлаждаемый охлаждающей водой, в котором горячий материал охлаждается посредством теплообмена с охлаждающей водой внутри теплообменника. Регулирующий клапан установлен на трубопроводе охлаждающей воды, а расход охлаждающей воды регулируется в зависимости от температуры материала после теплообмена. В случае прекращения подачи газа безопаснее, чтобы регулирующий клапан находился в открытом положении, поэтому следует выбрать регулирующий клапан «воздух-закрытие» (FO).

Позиционеры клапанов

Позиционеры клапанов являются необходимыми принадлежностями для регулирующих клапанов и широко используются совместно с пневматическими регулирующими клапанами. Они получают выходной сигнал от контроллера и используют его для управления пневматическим регулирующим клапаном. После срабатывания регулирующего клапана смещение штока клапана передается обратно в позиционер клапана через механический механизм, а состояние положения клапана передается в систему верхнего уровня посредством электрического сигнала. Позиционеры клапанов можно классифицировать в зависимости от их конструктивной формы и принципа работы на пневматические позиционеры клапанов, электропневматические позиционеры клапанов и интеллектуальные позиционеры клапанов.

Позиционеры клапанов увеличивают выходную мощность регулирующих клапанов, уменьшают задержку передачи сигнала, ускоряют движение штока клапана, улучшают линейность клапана, преодолевают силы трения на штоке клапана и устраняют воздействие неуравновешенных сил, тем самым обеспечивая правильное позиционирование регулирующего клапана.

Приводы подразделяются на пневматические и электрические, а также на линейные и роторные. Они используются для автоматического или ручного открытия и закрытия различных клапанов, заслонок и подобных устройств.

Принципы установки пневматических регулирующих клапанов
(1) Пневматические регулирующие клапаны должны быть установлены на определенной высоте над полом, с достаточным пространством над и под клапаном для возможности разборки, сборки и обслуживания. Для регулирующих клапанов, оснащенных пневматическими позиционерами клапанов и маховиками, важно обеспечить простоту эксплуатации, наблюдения и регулировки.
(2) Регулирующие клапаны должны быть установлены на горизонтальных трубопроводах и расположены вертикально по отношению к трубопроводу. Как правило, клапан следует поддерживать снизу, чтобы обеспечить стабильность и надежность. В особых случаях, когда регулирующий клапан необходимо установить горизонтально на вертикальной трубе, клапан также должен иметь опору (за исключением регулирующих клапанов малого диаметра). Во время установки необходимо соблюдать осторожность, чтобы не подвергать регулирующий клапан дополнительной нагрузке.
(3) Температура рабочей среды регулирующего клапана должна быть в пределах от –30°C до +60°C, при этом относительная влажность не должна превышать 95%.
(4) Перед регулирующим клапаном и после него должен быть прямой участок трубы длиной не менее 10 диаметров трубы (10D), чтобы предотвратить слишком короткую длину прямого участка трубы и влияние на характеристики потока.
(5) Если диаметр регулирующего клапана отличается от диаметра технологического трубопровода, для соединения следует использовать редуктор. Для регулирующих клапанов малого диаметра могут использоваться резьбовые соединения. Стрелка направления жидкости на корпусе клапана должна совпадать с фактическим направлением потока.
(6) Необходимо установить обводную трубу. Цель состоит в том, чтобы облегчить переключение или ручное управление, а также обеспечить возможность обслуживания регулирующего клапана без остановки процесса.
(7) Перед установкой регулирующего клапана тщательно удалите из трубопровода любые посторонние вещества, такие как грязь или сварочный шлак.

Распространенные неисправности и устранение неполадок
1. Регулирующий клапан не работает
Сначала проверьте, является ли давление подачи воздуха нормальным, и исследуйте любые неисправности в подаче воздуха. Если давление подачи воздуха нормальное, проверьте, выдает ли усилитель в позиционере или электропневматический преобразователь выходной сигнал; если выходной сигнал отсутствует, постоянное отверстие в усилителе может быть заблокировано или влага из сжатого воздуха могла скопиться на шаровом клапане усилителя. Очистите постоянное отверстие тонкой стальной проволокой, удалите мусор или очистите подачу воздуха.
Если все вышеперечисленное в норме и есть сигнал, но нет движения, привод неисправен, шток клапана согнут или заглушка клапана застряла. В таких случаях клапан необходимо демонтировать для дальнейшего осмотра.

2. Заклинивание регулирующего клапана
Если возвратно-поступательное движение штока клапана медленное, это может быть связано с высоковязкими веществами внутри корпуса клапана, коксованием и закупоркой, слишком плотным сжатием набивки, старением набивки из ПТФЭ или погнутым или поцарапанным штоком клапана. Неисправности, связанные с закупоркой регулирующих клапанов, чаще всего возникают в недавно введенных в эксплуатацию системах или на начальном этапе после капитального ремонта. Часто это происходит из-за сварочного шлака, ржавчины или другого мусора внутри трубопровода, что приводит к засорению точек дросселирования или направления, тем самым препятствуя плавному потоку среды. Альтернативно, это может быть результатом чрезмерного затягивания упаковки во время обслуживания клапана, увеличения трения и приведения к неспособности реагировать на небольшие сигналы или превышению в ответ на большие сигналы.
В таких случаях перепускную линию или регулирующий клапан следует быстро открывать и закрывать, чтобы обеспечить вымывание мусора средой. В качестве альтернативы шток клапана можно зажать трубным ключом и с силой вращать в обоих направлениях, одновременно прикладывая внешнее сигнальное давление, чтобы просунуть заглушку клапана через заклинившую область. Если это не решит проблему, то ее можно решить, увеличив давление подачи воздуха и мощность привода, одновременно многократно перемещая клапан вверх и вниз. Если клапан по-прежнему не работает, его необходимо будет разобрать. Естественно, эта задача требует высокого уровня технических знаний и должна выполняться с помощью квалифицированного технического персонала; в противном случае последствия могут быть еще более серьезными.

3. Утечка клапана
Утечки в регулирующих клапанах обычно делятся на несколько категорий: внутренние утечки, утечки через набивку и утечки, вызванные деформацией заглушки и седла. Они анализируются ниже.
(1) Внутренняя утечка
Если шток клапана имеет неподходящую длину —например, если шток пневматического клапана слишком длинный—, перемещение штока вверх (или вниз) может быть недостаточным. Это создает зазор между заглушкой и седлом, препятствуя полному контакту и приводя к плохому уплотнению и внутренней утечке. Аналогично, в клапанах с воздушным закрытием, если шток слишком короткий, между заглушкой и седлом может образоваться зазор, что препятствует полному контакту и приводит к неполному уплотнению и внутренней утечке. Решение: Шток регулирующего клапана следует укоротить (или удлинить), чтобы обеспечить правильную длину клапана и тем самым исключить внутреннюю утечку.
(2) Утечка упаковки
После установки насадки в камеру насадки через сальник подается осевое давление. Вследствие пластической деформации насадки возникают радиальные силы, заставляющие ее плотно прилегать к штоку клапана. Однако этот контакт не совсем равномерный: некоторые участки свободные, другие плотные, а в некоторых случаях контакт отсутствует вообще. Во время работы между штоком клапана и набивкой происходит относительное перемещение; это известно как осевое перемещение. Под воздействием высоких температур, высоких давлений и высокопроницаемых текучих сред насадочная камера является одной из областей, наиболее подверженных утечкам в регулирующих клапанах. Основной причиной утечки упаковки является утечка через интерфейс; в случае текстильной упаковки может также произойти просачивание (когда среда под давлением выходит через крошечные зазоры между волокнами упаковки). Утечка на границе раздела между штоком клапана и насадкой вызвана такими факторами, как постепенное снижение контактного давления и старение самой насадки; в таких случаях среда под давлением выходит через контактный зазор между насадкой и штоком клапана.
Для облегчения установки набивки в верхней части сальниковой коробки обрабатывается фаска, а в нижней части размещается металлическое защитное кольцо с небольшим зазором и высокой эрозионной стойкостью. Важно обеспечить, чтобы контактная поверхность этого защитного кольца с набивкой не была наклонной, чтобы предотвратить вытеснение набивки давлением среды. Поверхности сальника, контактирующие с набивкой, должны быть подвергнуты прецизионной обработке для улучшения качества поверхности и снижения износа набивки. Гибкий графит выбран в качестве упаковочного материала из-за его превосходной воздухонепроницаемости, низкого трения, минимального изменения размеров при длительном использовании, низкого износа и обугливания, простоты обслуживания, а также того факта, что трение остается неизменным после повторного затягивания болтов сальника. Он также обеспечивает хорошую устойчивость к давлению и теплу, не подвержен эрозии внутренней средой и не вызывает точечной коррозии металла при контакте со штоком клапана и внутренней частью упаковочной камеры. Это эффективно защищает уплотнение сальниковой коробки штока клапана, обеспечивая надежность уплотнения насадки и значительно продлевая срок ее службы.
(3) Утечка из-за деформации заглушки и седла клапана
Основной причиной утечки в заглушке и седле клапана являются дефекты литья или ковки в процессе изготовления регулирующего клапана, которые могут усугубить коррозию. Кроме того, прохождение коррозионных сред и очищающее действие текучей среды также могут вызвать утечку в регулирующем клапане. Коррозия в основном происходит в форме эрозии или кавитации. Когда коррозионные среды проходят через регулирующий клапан, они разрушаются и воздействуют на материалы заглушки и седла клапана, в результате чего они становятся эллиптическими или деформируются иным образом. Со временем это приводит к несоответствию между заглушкой клапана и седлом, создавая зазоры, которые препятствуют герметичному уплотнению и приводят к утечке.

Крайне важно обеспечить правильный выбор материалов для заглушки и седла клапана. Необходимо выбирать коррозионно-стойкие материалы, а изделия, имеющие такие дефекты, как выбоины или точечные отверстия, должны строго отбраковываться. Если деформация заглушки или седла клапана незначительна, можно использовать мелкую наждачную бумагу для удаления следов, что улучшит качество поверхности уплотнения и повысит его герметичность. Если повреждение серьезное, клапан следует заменить на новый.

4. Колебание
Недостаточная жесткость пружины в регулирующем клапане в сочетании с нестабильным и быстро меняющимся выходным сигналом может легко привести к колебаниям клапана. Кроме того, если собственная частота выбранного клапана соответствует частоте системы или если трубопровод или монтажное основание сильно вибрируют, регулирующий клапан в ответ начнет вибрировать. Неправильный выбор клапана, при котором регулирующий клапан работает при небольшом открытии, приводит к значительным колебаниям сопротивления потоку, скорости и давления. Когда они превышают жесткость клапана, ухудшается устойчивость, а в тяжелых случаях возникают колебания.

Поскольку причины колебаний многогранны, каждую ситуацию необходимо анализировать в каждом конкретном случае. При незначительных вибрациях жесткость можно увеличить, чтобы устранить проблему, например, выбрав регулирующий клапан с пружиной высокой жесткости или переключившись на поршневой привод; Если трубопровод или основание сильно вибрируют, помехи вибрации можно устранить, добавив опоры; если собственная частота клапана совпадает с частотой системы, замените регулирующий клапан на клапан другой конструкции; Колебания, вызванные работой при малом отверстии, возникают из-за неправильного выбора, в частности, из-за слишком высокой пропускной способности клапана (значение C). Необходимо повторно выбрать клапан, выбрав клапан с более низким значением C, или принять управление с разделенным диапазоном или конфигурацию главного и подчиненного клапанов, чтобы преодолеть колебания, возникающие при работе регулирующего клапана при небольшом открытии.

5. Чрезмерный шум от регулирующих клапанов
Когда жидкость протекает через регулирующий клапан, чрезмерный перепад давления между входом и выходом может вызвать кавитацию в таких компонентах, как заглушка и седло клапана, что приводит к шуму жидкости. Если пропускная способность (значение C) выбрана слишком высокой, необходимо выбрать регулирующий клапан с подходящей пропускной способностью, чтобы преодолеть шум, вызванный работой клапана при небольшом отверстии. Ниже описаны несколько методов устранения шума.

(1) Метод устранения резонансного шума
Только при резонансе регулирующего клапана суперпозиция энергии создает интенсивный шум, превышающий 100 децибел. В некоторых случаях это проявляется в виде сильной вибрации с относительно низким уровнем шума; в других случаях вибрация слабая, а шум чрезвычайно громкий; а в некоторых случаях и вибрация, и шум значительны. Этот шум производит однотональный звук, обычно с частотой от 3000 до 7000 герц. Очевидно, что устранение резонанса естественным образом приведет к исчезновению шума.
(2) Метод устранения кавитационного шума
Кавитация является основным источником гидродинамического шума. Во время кавитации коллапс пузырьков генерирует высокоскоростные ударные волны, вызывающие интенсивную локальную турбулентность и создающие кавитационный шум. Этот шум имеет относительно широкий диапазон частот и производит дребезжащий звук, аналогичный тому, который возникает при наличии песка или гравия в жидкости. Устранение или уменьшение кавитации является эффективным методом устранения или снижения шума.
(3) Метод использования толстостенных трубопроводов
Использование толстостенных труб является одним из методов акустической обработки. Использование тонкостенных труб может увеличить шум на 5 дБ, а использование толстостенных труб может снизить шум на 0–20 дБ. При одинаковом диаметре трубы, чем толще стенка; при одинаковой толщине стенки, чем больше диаметр трубы; тем лучше эффект шумоподавления. Например, в трубопроводе DN200 с толщиной стенок 6,25, 6,75, 8, 10, 12,5, 15, 18, 20 и 21,5 мм соответственно снижение шума составляет -3,5, -2 (т.е. увеличение), 0, 3, 6, 8, 11, 13 и 14,5 децибел соответственно. Естественно, чем толще стена, тем выше стоимость.
(4) Использование звукопоглощающих материалов
Это также относительно распространенный и высокоэффективный метод акустической обработки. Для обертывания источника шума и трубопровода после клапана можно использовать звукопоглощающие материалы. Следует отметить, что по мере распространения шума на большие расстояния потоком жидкости эффективность шумоподавления прекращается там, где заканчивается звукопоглощающий материал или начинается толстостенный трубопровод. Этот метод подходит для ситуаций, когда уровень шума не очень высок, а трубопровод не очень длинный, поскольку это относительно дорогостоящий подход.
(5) Метод глушителя серии
Этот метод подходит для ослабления аэродинамического шума; он может эффективно устранить шум внутри жидкости и подавить уровень шума, передаваемого в твердый пограничный слой. Он наиболее эффективен и экономичен в приложениях с высокими массовыми расходами или высокими коэффициентами перепада давления на клапане. Использование глушителей поглощающей серии позволяет значительно снизить уровень шума. Однако по экономическим причинам затухание обычно ограничивается примерно 25 децибелами.
(6) Метод звукоизоляции корпуса
В этом методе используются звукоизолированные корпуса, помещения или здания для изоляции источника шума внутри, тем самым снижая уровень шума во внешней среде до приемлемого диапазона.
(7) Метод последовательного дросселирования
В приложениях, где коэффициент давления регулирующего клапана высок (△P/P1 ≥ 0,8), используется метод последовательного дросселирования. Это предполагает распределение общего перепада давления между регулирующим клапаном и неподвижным дросселирующим элементом после клапана. Примерами служат использование диффузоров или перфорированных ограничительных пластин, которые являются наиболее эффективными методами снижения шума. Для достижения оптимальной эффективности диффузора диффузор должен быть спроектирован (по форме и размерам) в соответствии с конкретными условиями установки, гарантируя, что уровень шума, создаваемого клапаном, соответствует уровню шума диффузора.

(8) Выберите малошумные клапаны
Малошумные клапаны работают за счет постепенного замедления жидкости при ее прохождении через извилистый путь потока (многоканальный, многоканавочный) заглушки и седла клапана, тем самым предотвращая сверхзвуковой поток в любой точке пути потока. На выбор доступны различные типы и конструкции малошумных клапанов (в том числе специально разработанные для конкретных систем). Если уровень шума не особенно высок, следует выбирать малошумящие шаровые клапаны, поскольку они могут снизить шум на 10–20 децибел и представляют собой наиболее экономичный вариант.

Неисправности позиционеров клапанов
Обычные позиционеры работают по принципу баланса механических сил, в частности, с использованием технологии диафрагмы и заслонки, и подвержены следующим типам неисправностей:
(1) Поскольку они работают по принципу баланса механических сил, они содержат множество движущихся частей, которые подвержены воздействию температуры и вибрации, что приводит к колебаниям регулирующего клапана;
(2) При использовании технологии заслонки отверстия очень малы и могут легко засориться пылью или примесями в системе подачи воздуха, что препятствует правильной работе позиционера;
(3) При работе по принципу баланса сил коэффициент упругости пружины может изменяться в жестких полевых условиях, вызывая нелинейность в регулирующем клапане и приводя к снижению качества управления.
(4) Интеллектуальные позиционеры состоят из таких компонентов, как микропроцессор (ЦП), аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи; принцип их работы полностью отличается от принципа работы обычных позиционеров, поскольку сравнение заданного значения с фактическим представляет собой исключительно электрический сигнал, а не баланс сил. Следовательно, они способны преодолеть недостатки механизма балансировки сил, присущие обычным позиционерам. Однако при использовании в системах аварийного отключения, таких как аварийные запорные клапаны или аварийные выпускные клапаны, эти клапаны должны оставаться неподвижными в определенном положении и должны надежно работать только при возникновении чрезвычайной ситуации. Длительное удержание в одном положении может легко привести к потере управления электрическим преобразователем, создавая опасную ситуацию, когда клапан не реагирует на небольшие сигналы. Кроме того, потенциометры, определяющие положение, используемые в клапанах, работают в полевых условиях, где значения сопротивления подвержены колебаниям, что создает риск бездействия в ответ на слабые сигналы или полного открытия в ответ на сильные сигналы. Следовательно, чтобы обеспечить надежность и доступность интеллектуальных позиционеров, их необходимо часто тестировать.