Diagnose und Behebung von Schwingungen und Instabilität bei Regeldrosseln: Einstellung des Positionsreglers, Auswahl der Antriebsart, Diagnose des Reibungswiderstands

1. Beschreibung der Problemstellung und Anwendungsbereich

Schwingungen und Instabilität eines Regeldruckventils (Ventil „Hunting“) werden als kontinuierliche, zyklische Schwingungen der Stellkugel um den eingestellten Punkt definiert. Dieses Phänomen führt zu vorzeitigem Verschleiß der Dichtungen, Zerstörung des Kolbens und des Sitzes, Wasserhämmer in den Leitungen sowie erheblichem Verlust der Regelqualität technischer Parameter (Druck, Durchfluss, Temperatur, Niveau) auf ukrainischen industriellen Betrieben.

Dieses Handbuch umfasst pneumatische und elektropneumatische Regeldrosseln mit membranbetriebenen Feder- und Kolbenantrieben, die in Anlagen der Wärmeenergieerzeugung, der Petrochemie, des Warmwasserantriebs und des Schwerlastbaumaschinenbaus eingesetzt werden. Das Problem wird als kritisch klassifiziert, da es den technologischen Prozess destabilisiert, die Auslösung von Notabschaltungen verursacht und zu Ausfällen der Anlagen führt.

2. Sicherheitsmaßnahmen

GEFAHR: HOHER DRUCK UND GESCHLOSSEN ELEKTRISCHES SYSTEM
Vor der Durchführung der Diagnose und dem Demontage des Geräts muss die Lockout/Tagout (LOTO)-Prozedur durchgeführt werden. Schließen Sie die Schutzzuordnung vor und nach dem Regeldruckventil, entlasten Sie die Leitung auf 0 bar, entlasten Sie den Druckluftanschluss des Antriebs und entstromen Sie die elektrischen Steuerkreise vollständig (4-20 mA / 24 V DC). Verwenden Sie Schutzmaßnahmen (PPE): Schutzbrille, hitzebeständige Handschuhe, Schutzwear und Helm. Vermeiden Sie den Kontakt mit heißen Medien (Dampf, überhitztes Wasser) und toxischen technischen Flüssigkeiten.

3. Notwendige Diagnosegeräte

4. Anfangscheckliste zur Bewertung des Zustands

5. Systematische Diagnoseblockschaltbild

• SCHRITT 1: Prüfen Sie die Stabilität des Eingangssignals (4-20 mA) oder der digitalen Busleitung vom Controller (PLC/DCS).
  • Wenn das Signal mit dem Ventilkolben schwankt → Gehen Sie zu Abschnitt 7.1 (Regelkreisproblem / Unterregler).
  • Wenn der Eingangssignal stabil ist und der Kolben schwingt → Wechseln Sie zum Schritt 2.
• SCHRITT 2: Prüfen Sie die Druckwerte der komprimierten Luft am Eingang des pneumatischen Positionierers.
  • FALLS der Druck der Luft abfällt oder schwankt → Gehen Sie zu Abschnitt 7.2 (Problem der Luftversorgungsleitung).
  • Wenn der Druck stabil ist → Wechseln Sie zum Schritt 3.
• SCHRITT 3: Führen Sie eine Diagnose der Einstellungen des Positionsierers durch (Verstärkungsfaktoren, Dämpfungsdauer, Totzone).
  • Falls die Parameter zu hoch sind (zu hohe Empfindlichkeit) → Gehen Sie zu Abschnitt 7.3 (Fehler bei den Einstellungen des Positionsierers).
  • Wenn die Einstellungen im Normalbereich liegen → Zur Schritt 4 wechseln.
• SCHRITT 4: Messen Sie das mechanische Reibung und Spiel im Antrieb-Schaft-Plunger-Verbinder.
  • Falls Schmierstoffverschleiß, hohes Dichtungsreibung oder Verschleiß der Führungselemente festgestellt wird → Gehen Sie zu Abschnitt 7.4 (Mechanische Reibung und Verschleiß).
  • Wenn die Mechanik funktioniert → Wechseln Sie zum Schritt 5.
• SCHRITT 5: Analysieren Sie den Druckabfall am Ventil und die Parameter des Arbeitsmediums (Kavitation, Strömungsverlust).
  • Falls der Druckabfall den kritischen Wert überschreitet oder Kavitation auftritt → Gehen Sie zu Abschnitt 7.5 (Prozessinteraktion und Hydrodynamik).

6. Fehlermatrix und Ursachen

7. Detaillierter Ursachenanalyse (Root Cause Analysis)

7.1. Überschüssige Empfindlichkeit und Einstellungsfehler des Positionsierers

Warum das passiert: Digitale und elektropneumatische Positionierer (z. B. Serien Fisher FIELDVUE, Siemens SIPART, Foxboro) verfügen über interne PID-Regelalgorithmen zur Positionierung. Wenn der proportionaler Verstärkungsfaktor ($K_p$) zu hoch eingestellt ist und die Totzone (Deadband) zu schmal (weniger als 0,1–0,2 %), versucht der Positionierer kleinste Mikroverschiebungen zu korrigieren. Das pneumatische Relais beginnt kontinuierlich Druck in die Antriebskammern zu geben und abzuschalten.

Bestätigen: Verbinden Sie sich über das HART-Protokoll oder mit dem Hersteller-Service-Software. Lesen Sie die Werte der Parameter „Gain“, „Derivative time“, „Deadband“. Wenn „Deadband“ auf einem Wert von 0,05 % eingestellt ist, bestätigt dies den Grund.

Konsequenzen: Schnelle Verschleiß des Pilotventils des Positionsreglers, Verschleiß der Spulen der elektromagnetischen Ventile, Überhitzung der elektronischen Platine durch ständiges Schalten.

7.2. Probleme mit mechanischem Reibung (Stick-Slip-Effekt)

Warum das passiert: Hohe Reibung im Dichtungsanschluss (übermäßiges Anziehen der Dichtungsschraube, Inkompatibilität der Dichtung mit dem Arbeitsmedium, z. B. Teflon bei hohen Temperaturen) oder Ablagerungen (Kalk, Kristallisation des Mediums) am Kolben führen dazu, dass der Kolben „hängen bleibt“. Der Positionierer erhöht schrittweise den Druck im Antrieb, bis die Kraft die Reibungskraft überwindet. In diesem Moment löst sich der Kolben aus der Position und überspringt die vorgegebene Stelle. Der Positionierer reagiert in die entgegengesetzte Richtung und erzeugt einen Schwingungszyklus.

Wie bestätigen: Führen Sie einen Linearitätstest und einen Hysterese-Test durch. Zeichnen Sie den Diagramm „Gesetzte Position vs. Tatsächliche Position“. Die Anwesenheit von Stufen (Plattos) im Diagramm weist auf Schleifverhalten hin.

Konsequenzen: Mechanisches Versagen des Spindels, Abschneiden der Verbindungsschrauben, Auslaufen des Arbeitsmediums durch den Dichtung.

7.3. Nichtübereinstimmung der Antriebsauswahl und der Prozessdynamik

Warum das passiert: Der pneumatische Antrieb wurde ausgewählt, weil die effektive Fläche der Membran oder die Federkraft für den aktuellen Druckabfall am Ventil zu klein ist. Der Antrieb ist nicht in der Lage, den Kolben in einer stabilen Zwischenposition gegen hydrodynamische Strömungskräfte (besonders bei Schließventilen oder bei Medien mit hoher Geschwindigkeit) zu halten.

Wie bestätigen: Vergleichen Sie das berechnete Schließ-/Öffnungskraft gemäß ГОСТ/ДСТУ und EN 60534 mit dem tatsächlichen Luftdruck und den Federcharakteristiken.

Konsequenzen: Vollständige Verlust der Regelung der Durchflussmenge, Vibration der gesamten Armatur, Schäden an den Sitzflächen des Kolbens und des Sitzes.

8. Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Fehlerbehebung (Resolution Procedures)

8.1. Neustart des digitalen Positionsierers

1. Verbinden Sie einen HART-Communicator oder starten Sie das Service-Software auf dem Notebook.
2. Aktuelle Einstellungen des Positionierers im Konfigurationsdatei speichern.
3. Erhöhen Sie den Wert des Parameters Deadband (Mertva zona) von 0,05% auf 0,3% – 0,5% in Schritten von 0,1%.
4. Reduzieren Sie den Verstärkungsfaktor Gain um 15–20 %, falls die Schwingungen nicht aufgehört haben.
5. Starten Sie die automatische Kalibrierung (Auto-Tune / Auto-Calibration) bei vollständig geöffnetem Regelkreis gemäß der Herstelleranleitung.
6. Überprüfung: Geben Sie einen stufenweisen Signalwert von 0 % -> 50 % -> 100 % -> 50 % -> 0 % an. Stellen Sie sicher, dass der Übergangsvorgang innerhalb von 2–3 Sekunden abgeschlossen ist, ohne Überschwingen und Autokolben.

8.2. Wartung des Dichtungsbauelements und Beseitigung von Reibung

1. Führen Sie die LOTO-Prozedur durch, entlasten Sie den Druck und entleeren Sie das Medium aus dem Rohrabschnitt.
2. Entfernen Sie den Schutzschlauch und die Verbindung des Positionierers mit dem Stift.
3. Lockern Sie die Nippelmuttern. Prüfen Sie den Kolben auf Rissbildung, Schleifspuren und Korrosion mit einem Mikrometern. Erlaubte Kolbenstöße: < 0.05 мм.
4. Ersetzen Sie die Dichtungsringe (es wird empfohlen, Graphit oder PTFE mit Federelementen gemäß ISO 15848 zu verwenden).
5. Ziehen Sie den Dichtungsschutz auf und schrauben Sie die Schraube mit dem empfohlenen Drehmoment mit einem Drehmomentschlüssel (abhängig vom Gewinde-Durchmesser, z. B. Gewinde M16 — Drehmoment 25–30 Nm). Ziehen Sie nicht zu stark an!
6. Überprüfung: Führen Sie einen manuellen Kolbenlauf-Test mit einem manuellen Doppelstößel oder manuellem Luftdruck an. Das Kraftstoffverschiebungsmoment muss sich gleichmäßig über die gesamte Kolbenlänge verteilen.

8.3. Modernisierung der Luftversorgungsleitung

1. Prüfen Sie den Zustand des Luftfilters (FRL). Entleeren Sie den Kondensatbehälter.
2. Ersetzen Sie den Filterelement, wenn die Poren durch Schmiermittel oder Staub verstopft sind (der Filternominal muss nicht gröber als 5 Mikrometer sein gemäß ISO 8573-1 Klasse 3.4.3).
3. Installieren Sie einen zusätzlichen Druckluftspeicher (Volumen 5–10 l) direkt neben dem Antrieb, wenn der Durchmesser der Versorgungsleitung zu klein ist ($< 8$ mm im Licht) und Druckabfälle beim Auslösen großer Antriebe auftreten.
4. Überprüfung: Machen Sie einen schnellen Luftablass (schnellen Impuls). Der Druckabfall am Manometer nahe dem Positionierer darf nicht mehr als 0,2 bar überschreiten.

9. Schutzmaßnahmen (Preventive Measures)

10. Ersatzteile und Komponenten

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11. Verweisung

• DS TU EN 60534-1:2015 Armaturen für Rohrleitungen zur Prozesssteuerungssysteme. Teil 1. Begriffe und allgemeine Anforderungen.
• ISO 15848-1 Industrielle Armaturen. Messung, Prüfung und Qualifizierungsverfahren für vorhandene Leckagen.
• ISO 8573-1 Komprimiertes Luft. Teil 1: Verunreinigungen und Reinheitsklassen.
• Technische Betriebsanleitungen für Fisher FIELDVUE-Positionierer und Siemens SIPART.
• Handbuch für die Wartung der Armaturen UNITEC-D: Diagnose von Antrieben und Einstellung von Regelkreisen.