Diagnostica ed eliminazione di picchi e oscillazioni delle valvole di controllo

1. Descrizione del problema e ambito di applicazione

Il presente manuale è destinato alla diagnosi e alla risoluzione dei problemi relativi a picchi o oscillazioni delle valvole di controllo nei sistemi industriali. Il pompaggio della valvola è il movimento irregolare, spesso ciclico, dello stelo della valvola causato da malfunzionamenti interni della valvola/posizionatore o dall'interazione del processo. Le oscillazioni sono cambiamenti rapidi, spesso irregolari, nella posizione della valvola. Quello che puoi fare è:

• Usura significativa dei componenti interni della valvola, delle guarnizioni e dell'attuatore.
• Perdita di controllo sul processo tecnologico, che influisce sulla qualità del prodotto e sull'efficienza produttiva.
• Aumento del consumo di energia a causa di una regolamentazione inefficiente.
• Danni alle apparecchiature associate (pompe, compressori, tubazioni) dovuti a shock idraulici o variazioni di pressione.
• Aumento dei rischi di situazioni di emergenza.

Tipi di apparecchiature interessate: tutti i tipi di valvole di controllo, comprese valvole a sfera, a diaframma, a saracinesca, a farfalla e a saracinesca, utilizzate nei settori petrolifero e del gas, chimico, alimentare ed energetico.

Classificazione della gravità:

• Critico: un aumento incontrollato che porta a un arresto di emergenza della produzione o a una minaccia diretta alla sicurezza. L’intervento immediato è fondamentale.
• Significativo: aumento o fluttuazione costante che si traduce in una significativa diminuzione della qualità del prodotto, un aumento del consumo di risorse e un'usura accelerata delle apparecchiature. Richiede attenzione immediata.
• Minori: fluttuazioni intermittenti o piccole che causano piccole deviazioni nel processo ma non minacciano la sicurezza o l'arresto. Richiede la pianificazione di azioni correttive.

2. Precauzioni

🛡 ⚠ AVVERTENZA DI SICUREZZA ⚠ 🛡
Prima di iniziare qualsiasi intervento sulle valvole di controllo, è necessario eseguire le seguenti operazioni:

• Blocco e marcatura (LOTO): Isolare la valvola dalle fonti di energia (elettrica, pneumatica, idraulica) e bloccarla in una posizione sicura in conformità con le procedure interne dell'azienda e i requisiti della DSTU EN ISO 14118.
• Dispositivi di protezione individuale (DPI): utilizzare sempre DPI adeguati, inclusi occhiali di sicurezza, guanti, elmetto e indumenti protettivi.
• Energia immagazzinata: fai attenzione alle molle di trasmissione e ad altri oggetti che contengono energia immagazzinata. Seguire le istruzioni del produttore per uno smontaggio e un montaggio sicuri.
• Decompressione del sistema: assicurarsi che il sistema in cui è installata la valvola sia completamente depressurizzato e drenato per evitare il rilascio di sostanze pericolose o lesioni dovute all'alta pressione.
• Sostanze pericolose: controllare il tipo di liquido/gas trasportato e adottare ulteriori precauzioni se è corrosivo, tossico, infiammabile o presenta una temperatura elevata.

La mancata osservanza di queste istruzioni potrebbe provocare lesioni gravi o mortali.

3. Strumenti diagnostici necessari

4. Lista di controllo della valutazione iniziale

Prima di iniziare una diagnosi dettagliata, è necessario raccogliere le seguenti informazioni ed effettuare un'ispezione visiva. Ciò aiuterà a localizzare il problema e ad accelerare ulteriori analisi.

5. Diagnostica sistematica (schema decisionale)

1. Sintomo: la valvola di controllo batte o oscilla.
   1. Controllo del posizionatore:
      1. Il posizionatore è calibrato?
         • NO: Eseguire una calibrazione completa del posizionatore utilizzando un calibratore.
         • SÌ: vai al passaggio successivo.
      2. Le impostazioni del posizionatore (GAIN, DAMPING, FILTER) corrispondono alle condizioni del processo?
         • NO: ottimizza le impostazioni. Ridurre gradualmente il GAIN, aumentare il DAMPING, se necessario, aumentare il tempo di filtraggio.
         • SI: Controllare le condizioni meccaniche del posizionatore.
      3. Does the positioner work correctly (no backlash, leaks, dirt)?
         • NO: Consider repairing or replacing the positioner.
         • SI: Vai al controllo di guida.
   2. Controllo dell'attuatore:
      1. Le dimensioni dell'attuatore corrispondono ai requisiti della valvola e del processo (forza/coppia richiesta)?
         • NO: Eseguire il calcolo e, se necessario, sostituire l'attuatore con un attuatore di dimensioni adeguate.
         • SÌ: vai al passaggio successivo.
      2. La membrana o la guarnizione dell'attuatore sono intatte e senza perdite?
         • NO: Sostituire la membrana/guarnizione.
         • SI: Controllare le molle dell'attuatore.
      3. Le molle di trascinamento hanno la rigidità corretta e non sono danneggiate?
         • NO: Sostituire le molle.
         • SÌ: Vai al controllo dell'attrito della valvola.
   3. Diagnosi attrito valvole:
      1. C'è un attrito eccessivo nel premistoppa o nelle guide dello stelo?
         • NO: Vai al passaggio successivo.
         • ТАК: Commenta la salsiccia (che può essere senza vino) o la salvietta набивання/кільця. Controllare e, se necessario, sostituire le guide.
      2. Sono presenti prove di corrosione, depositi o danni meccanici allo stelo/stantuffo della valvola?
         • NO: Vai all'analisi dell'interazione del processo.
         • SÌ: riparare o sostituire le parti interne della valvola.
   4. Analisi dell'interazione con il processo:
      1. I parametri del controller PID sono regolati in modo ottimale per questo circuito?
         • NO: Risintonizzare il controller PID, iniziando con valori bassi dei coefficienti, aumentandoli gradualmente fino al raggiungimento della stabilità.
         • SI: Controlla le dinamiche del processo.
      2. C'è instabilità derivante dal processo stesso (ad esempio pulsazioni, cambiamento di fase del fluido, flussometro instabile)?
         • NO: Considerare una combinazione di diverse cause minori o malfunzionamenti del sensore.
         • SÌ: risolvere il problema a livello di processo o prendere in considerazione l'utilizzo di algoritmi di controllo più sofisticati (ad esempio, PID adattivo).

6. Matrice delle cause del malfunzionamento

7. Analisi delle cause profonde dei malfunzionamenti

7.1. Impostazione del posizionatore errata

Perché ciò accade: i posizionatori hanno parametri come GAIN, DAMPING e FILTER. Una loro errata impostazione può portare ad una sensibilità eccessiva (alto GAIN) o ad una risposta troppo lenta (alto DAMPING). Impostazioni aggressive portano a movimenti rapidi e incontrollati (pompaggio), mentre uno smorzamento eccessivo può mascherare altri problemi.

Come verificare: utilizzare un calibratore del posizionatore o un software dedicato (ad esempio ValveLink™) per verificare le impostazioni. Eseguire il test del gradino del segnale e analizzare la risposta della valvola (superamento, tempo di assestamento, stabilità).

Danni se non riparati: Usura accelerata di guarnizioni, stelo, stantuffo e sedi delle valvole a causa del movimento costante. Il rumore e le vibrazioni sono in aumento. Potrebbe causare danni ai componenti interni e perdite.

7.2. Attrito eccessivo nel gruppo premistoppa o nell'asta di guida

Perché ciò accade: nel corso del tempo, il premistoppa può usurarsi, indurirsi o essere serrato eccessivamente. Sullo stelo e sulle guide possono accumularsi anche sporco, depositi cristallini o corrosione. Ciò crea un attrito variabile difficile da compensare per il posizionatore, con conseguente instabilità e sovratensione.

Come verificare: dopo aver isolato e decompresso la valvola, scollegare l'attuatore dallo stelo e provare a spostare manualmente lo stelo. Qualsiasi legame, resistenza irregolare o sforzo significativo indica un problema di attrito. Utilizzare un dinamometro per quantificare la forza di attrito. L'attrito consentito solitamente non supera il 10-15% della forza nominale dell'azionamento.

Danni, se non eliminati: Usura accelerata di stelo, premistoppa, boccole di guida. Aumenta la probabilità di perdite attraverso il premistoppa. La precisione della regolazione diminuisce.

7.3. Dimensioni dell'azionamento (attuatore) non corrette

Perché ciò accade: l'attuatore potrebbe essere troppo piccolo o troppo grande per la valvola e le condizioni del processo. Un attuatore troppo piccolo non può fornire una forza sufficiente per superare le forze di attrito e la caduta di pressione. Un azionamento troppo grande può essere troppo sensibile o creare troppo slancio, contribuendo a sovratensioni, soprattutto con un'impostazione del posizionatore non ottimale.

Come verificare: Ricalcolare la forza/coppia richiesta dell'attuatore, tenendo conto della caduta di pressione massima, dell'attrito del paraolio e di altri carichi. Confrontare con lo sforzo nominale dell'azionamento installato. Controllare la pressione nelle camere dell'attuatore durante il funzionamento: se la pressione è instabile o fluttua eccessivamente, ciò potrebbe indicare una mancata corrispondenza.

Danni se non riparati: l'unità funziona al limite delle sue capacità, con conseguente usura accelerata. Il mancato raggiungimento o mantenimento della posizione impostata da parte di una valvola influisce sul controllo del processo.

7.4. Difetto del posizionatore

Perché ciò accade: Danni meccanici (usura delle leve, sensore di posizione), contaminazione dei canali pneumatici, perdite d'aria attraverso membrane o guarnizioni, guasti elettronici. Ciò si traduce in una determinazione errata della posizione della valvola o in un controllo impreciso della pressione dell'aria all'attuatore.

Come confermare: Effettuare una diagnosi completa del posizionatore con un calibratore, controllare tutte le sue funzioni, calibrazione, linearizzazione. Ispezionare visivamente eventuali perdite e usura. Controllare i segnali elettrici del sensore di posizione.

Danni se non riparati: perdita completa di controllo della valvola, movimento imprevedibile, elevata usura della valvola e dell'attuatore.

7.5. Instabilità del circuito di controllo (controller PID)

Perché ciò accade: Se i parametri del controller PID (proporzionale, integrale, differenziale) sono impostati in modo troppo aggressivo o non corrispondono alla dinamica del processo, il controller può reagire in modo eccessivo alle più piccole deviazioni, provocando il movimento costante della valvola e provocando oscillazioni nel circuito.

Come confermare: Analizzare l'andamento dei parametri tecnologici (PV - valore corrente, SP - valore impostato, OP - segnale di uscita del controller) durante un certo periodo. Le fluttuazioni del PV correlate all'OP indicano un problema con il controller PID. Eseguire un test del passo del segnale modificando SP o OP e valutare la risposta del sistema.

Danni se non riparati: diminuzione della qualità del prodotto, aumento del consumo di energia, usura accelerata della valvola e dell'attuatore a causa del funzionamento continuo.

8. Procedure dettagliate per la risoluzione dei problemi

8.1. Correzione delle impostazioni del posizionatore

1. Isolamento e sicurezza: eseguire la procedura LOTO, fornire l'accesso alla valvola.
2. Collegamento del calibratore: collegare un calibratore del posizionatore (ad esempio Beamex MC6) ai terminali del segnale e alle porte pneumatiche del posizionatore.
3. Calibrazione del punto zero e dell'intervallo: esegue la calibrazione automatica o manuale della corsa della valvola allo 0% e al 100%. Assicurarsi che la "zona morta" non sia superiore allo 0,2-0,5% della corsa completa.
4. Ottimizzazione del GAIN: inizia con il valore GAIN consigliato dal produttore o con un valore basso. Aumentare gradualmente il GAIN fino a quando compaiono leggere oscillazioni, quindi diminuirlo del 10-20% di questo valore.
5. Ottimizzazione DAMPING: inizia con il valore DAMPING consigliato dal produttore o un valore basso. Aumentare gradualmente il DAMPING per ridurre l'overshoot, ma evitare di rallentare troppo la risposta.
6. Impostazioni FILTER: applica il filtro (aumenta il tempo di filtro) solo se il segnale di ingresso della valvola è influenzato da rumori ad alta frequenza che causano piccole oscillazioni.
7. Controllo della linearizzazione: eseguire un test di linearizzazione verificando che il segnale di controllo corrisponda alla posizione effettiva dell'asta su tutta la gamma. La deviazione non deve superare ±1% della corsa completa.
8. Verifica: rimuovere il calibratore, riportare il sistema in condizioni di funzionamento (dopo aver rimosso il LOTO). Monitorare la stabilità della valvola e del processo.

8.2. Eliminazione dell'attrito

1. Isolamento e sicurezza: eseguire la procedura LOTO, decompressione del sistema.
2. Scollegamento dell'attuatore: scollegare lo stelo della valvola dall'attuatore.
3. Stima dell'attrito: sposta manualmente lo stelo della valvola lungo tutta la sua corsa. Stimare lo sforzo richiesto (è possibile utilizzare un dinamometro). Attrito consentito: <10-15% della forza motrice nominale.
4. Sostituzione anello/guarnizione premistoppa: Se l'attrito è elevato, allentare con attenzione il gruppo premistoppa. Se il problema persiste, sostituire l'imbottitura/gli anelli secondo le istruzioni del produttore della valvola. Utilizzare materiali di alta qualità che soddisfino le condizioni operative (temperatura, ambiente).
5. Ispezione delle guide: ispezionare le boccole e l'asta della guida per verificare che non siano usurati, graffiati o corrosi. Sostituisci gli articoli danneggiati. Assicurarsi che ci siano spazi adeguati tra lo stelo e le guide.
6. Pulizia e lubrificazione: pulire lo stelo dai depositi, applicare il lubrificante appropriato consigliato dal produttore (se previsto).
7. Montaggio e verifica: Assemblare la valvola, collegare l'attuatore. Controllare il movimento dell'asta con l'attuatore. Ricontrollare il posizionatore.

8.3. Sostituzione dell'azionamento (attuatore)

1. Isolamento e sicurezza: eseguire la procedura LOTO, decompressione del sistema.
2. Determinazione della forza richiesta: in base alla caduta di pressione massima attraverso la valvola, all'attrito della guarnizione e ad altri fattori (utilizzando i dati del produttore), calcolare la forza o la coppia richiesta per l'attuatore.
3. Selezione dell'attuatore: scegli un attuatore con il margine di sforzo appropriato (margine consigliato del 25-50%) e la velocità di risposta. Prestare attenzione alla tipologia (pneumatica, elettrica, idraulica) e al tipo di azione (diretta, inversa).
4. Smontaggio del vecchio attuatore: Smontare con attenzione l'attuatore esistente, seguendo le istruzioni del produttore e tenendo conto dell'energia immagazzinata (molle).
5. Installazione del nuovo attuatore: installa il nuovo attuatore, assicurandoti che lo stelo della valvola e l'attuatore siano correttamente allineati. Stringere gli elementi di fissaggio alla coppia consigliata.
6. Collegamento e calibrazione: collegare il posizionatore al nuovo attuatore ed eseguire una calibrazione completa del posizionatore con la nuova gamma e caratteristiche.
7. Verifica: riporta il sistema allo stato funzionante (dopo aver rimosso LOTO). Controllare la stabilità del funzionamento della valvola su tutta la gamma.

8.4. Ottimizzazione delle impostazioni del controller PID

1. Analisi delle tendenze: raccogli dati sul comportamento del processo (PV, SP, OP) prima e durante le fluttuazioni.
2. Modalità manuale: imposta il controller in modalità manuale.
3. Regolazione del fattore proporzionale (P): Inizia con un valore basso di P. Aumenta gradualmente P osservando la risposta di PV al passaggio OP. Fermarsi quando il PV inizia a fluttuare. Ridurre P del 30-50% di questo valore.
4. Regolazione del tempo integrale (I): diminuire gradualmente I (aumentare l'azione integrale) per eliminare l'errore statico ma non causare oscillazioni lente.
5. Regolazione della temporizzazione differenziale (D): applicare D con attenzione per ridurre il superamento e accelerare la risposta, ma evitare di essere eccessivamente sensibili al rumore.
6. Verifica: dopo ogni passaggio, osservare la risposta del sistema alle modifiche dell'SP o ai disturbi esterni. Obiettivo per una configurazione rapida senza regolazioni eccessive o oscillazioni.

9. Precauzioni

10. Pezzi di ricambio e componenti

I pezzi di ricambio critici devono essere disponibili per una efficace risoluzione dei problemi e prevenzione. UNITEC-D GmbH offre una vasta gamma di componenti per valvole di controllo.

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11. Collegamenti

• DSTU EN ISO 9001:2018 Sistemi di gestione della qualità. Requisiti
• DSTU EN ISO 14118:2023 Sicurezza delle macchine. Prevenzione dell'avvio inaspettato.
• DSTU EN 60534-2-1:2020 Valvole di controllo industriali. Parte 2-1. Larghezza di banda.
• Manuali di funzionamento e manutenzione dei produttori di valvole (ad esempio Emerson, Samson, Fisher, KOSO).
• UNITEC-D: Altre guide di manutenzione.