Diagnóstico e eliminação de surtos e oscilações de válvulas de controle

1. Descrição do problema e âmbito de aplicação

Este manual destina-se ao diagnóstico e solução de problemas de surtos ou oscilações em válvulas de controle em sistemas industriais. O bombeamento da válvula é o movimento errático e muitas vezes cíclico da haste da válvula causado por mau funcionamento interno da válvula/posicionador ou interação do processo. As oscilações são mudanças rápidas e frequentemente irregulares na posição da válvula. Esses fenômenos podem levar a:

• Desgaste significativo dos componentes internos da válvula, vedações e atuador.
• Perda de controle sobre o processo tecnológico, o que afeta a qualidade do produto e a eficiência da produção.
• Aumento do consumo de energia devido a regulamentação ineficiente.
• Danos a equipamentos associados (bombas, compressores, tubulações) devido a choques hidráulicos ou mudanças de pressão.
• Aumentar os riscos de situações de emergência.

Tipos de equipamentos afetados: Todos os tipos de válvulas de controle, incluindo válvulas de esfera, diafragma, gaveta, borboleta e gaveta, usadas nas indústrias de petróleo e gás, química, alimentícia e de energia.

Classificação de gravidade:

• Crítico: um aumento descontrolado que leva a uma paralisação emergencial da produção ou a uma ameaça direta à segurança. A intervenção imediata é crítica.
• Significativo: aumento ou flutuação constante que resulta em uma diminuição significativa na qualidade do produto, aumento no consumo de recursos e desgaste acelerado do equipamento. Requer atenção imediata.
• Menor: flutuações intermitentes ou pequenas que causam pequenos desvios no processo, mas não ameaçam a segurança ou desligamento. Requer planejamento de ações corretivas.

2. Precauções

🛡 ⚠ AVISO DE SEGURANÇA ⚠ 🛡
Antes de iniciar qualquer trabalho nas válvulas de controle, devem ser executados os seguintes passos:

• Bloqueio e marcação (LOTO): Isole a válvula das fontes de energia (elétrica, pneumática, hidráulica) e trave-a em uma posição segura de acordo com os procedimentos internos da empresa e os requisitos da DSTU EN ISO 14118.
• Equipamento de proteção individual (EPI): Sempre use EPI apropriado, incluindo óculos de segurança, luvas, capacete e roupas de proteção.
• Energia Armazenada: Tenha cuidado com molas de transmissão e outros itens que contenham energia armazenada. Siga as instruções do fabricante para desmontagem e montagem seguras.
• Descompressão do sistema: Certifique-se de que o sistema no qual a válvula está instalada esteja completamente despressurizado e drenado para evitar a liberação de substâncias perigosas ou ferimentos devido à alta pressão.
• Substâncias perigosas: Verifique o tipo de líquido/gás que está sendo transportado e tome precauções extras se for corrosivo, tóxico, inflamável ou tiver alta temperatura.

O não cumprimento destas instruções pode resultar em ferimentos graves ou morte.

3. Ferramentas de diagnóstico necessárias

4. Lista de verificação de avaliação inicial

Antes de iniciar um diagnóstico detalhado, você deve coletar as seguintes informações e realizar uma inspeção visual. Isso ajudará a localizar o problema e acelerar análises posteriores.

5. Diagnóstico sistemático (esquema de tomada de decisão)

1. Sintoma: A válvula de controle oscila ou oscila.
   1. Verificação do posicionador:
      1. O posicionador está calibrado?
         • NÃO: Execute uma calibração completa do posicionador usando um calibrador.
         • SIM: vá para a próxima etapa.
      2. As configurações do posicionador (GANHO, AMORTECIMENTO, FILTRO) correspondem às condições do processo?
         • NÃO: Otimize as configurações. Reduza gradativamente o GAIN, aumente o DAMPING, se necessário aumente o tempo de filtragem.
         • SIM: Verifique a condição mecânica do posicionador.
      3. O posicionador funciona corretamente (sem folgas, vazamentos, sujeira)?
         • NÃO: Considere reparar ou substituir o posicionador.
         • SIM: vá para a verificação de direção.
   2. Verificação do atuador:
      1. O tamanho do atuador corresponde aos requisitos da válvula e do processo (força/torque necessários)?
         • NÃO: Execute o cálculo e, se necessário, substitua o atuador por um atuador de tamanho apropriado.
         • SIM: vá para a próxima etapa.
      2. O diafragma ou vedação do atuador está intacto e sem vazamentos?
         • NÃO: Substitua o diafragma/vedação.
         • SIM: Verifique as molas do atuador.
      3. As molas de acionamento têm a rigidez correta e não estão danificadas?
         • NÃO: Substitua as molas.
         • SIM: vá para a verificação de fricção da válvula.
   3. Diagnóstico de fricção da válvula:
      1. Há atrito excessivo na caixa de empanque ou nas guias da haste?
         • NÃO: Vá para a próxima etapa.
         • SIM: Reduza a tensão da caixa de empanque (se possível sem vazamento) ou substitua a caixa/anéis de empanque. Verifique e, se necessário, substitua as guias.
      2. Existe alguma evidência de corrosão, depósitos ou danos mecânicos na haste/êmbolo da válvula?
         • NÃO: Vá para a análise de interação do processo.
         • SIM: Repare ou substitua os componentes internos da válvula.
   4. Análise da interação com o processo:
      1. Os parâmetros do controlador PID estão ajustados de maneira ideal para este circuito?
         • NÃO: Ressintonize o controlador PID, começando com valores baixos dos coeficientes, aumentando-os gradativamente até que a estabilidade seja alcançada.
         • SIM: Verifique a dinâmica do processo.
      2. Há instabilidade decorrente do próprio processo (por exemplo, pulsações, mudança de fase do fluido, medidor de vazão instável)?
         • NÃO: Considere uma combinação de várias causas menores ou mau funcionamento do sensor.
         • SIM: Resolva o problema no nível do processo ou considere usar algoritmos de controle mais sofisticados (por exemplo, PID adaptativo).

6. Matriz de causa de mau funcionamento

7. Análise das causas raízes do mau funcionamento

7.1. Configuração incorreta do posicionador

Por que isso acontece: Os posicionadores possuem parâmetros como GAIN, DAMPING e FILTER. Ajustá-los incorretamente pode levar a uma sensibilidade excessiva (alto GAIN) ou a uma resposta muito lenta (alto DAMPING). Configurações agressivas levam a movimentos rápidos e descontrolados (bombeamento), enquanto o amortecimento excessivo pode mascarar outros problemas.

Como confirmar: Use um calibrador de posicionador ou software dedicado (por exemplo, ValveLink™) para verificar as configurações. Execute o teste de etapa do sinal e analise a resposta da válvula (ultrapassagem, tempo de estabilização, estabilidade).

Danos se não for reparado: Desgaste acelerado das vedações, haste, êmbolo e sedes das válvulas devido ao movimento constante. O ruído e a vibração estão aumentando. Pode causar danos e vazamentos nos componentes internos.

7.2. Atrito excessivo no conjunto da sobreposta ou na haste guia

Por que isso acontece: Com o tempo, a caixa de empanque pode desgastar-se, endurecer ou ficar demasiado apertada. Sujeira, depósitos cristalinos ou corrosão também podem se acumular na haste e nas guias. Isto cria atrito variável que é difícil de ser compensado pelo posicionador, levando à instabilidade e oscilação.

Como confirmar: Após isolar e descomprimir a válvula, desconecte o atuador da haste e tente mover manualmente a haste. Qualquer emperramento, resistência irregular ou esforço significativo indica um problema de atrito. Use um dinamômetro para quantificar a força de atrito. O atrito permitido geralmente não excede 10-15% da força nominal do acionamento.

Danos, se não forem eliminados: Desgaste acelerado da haste, caixa de empanque e buchas guia. A probabilidade de vazamentos pela caixa de empanque aumenta. A precisão do ajuste diminui.

7.3. Tamanho incorreto da unidade (atuador)

Por que isso acontece: O atuador pode ser muito pequeno ou muito grande para a válvula e as condições do processo. Um atuador muito pequeno não pode fornecer força suficiente para superar as forças de atrito e a queda de pressão. Um inversor muito grande pode ser muito sensível ou criar muito impulso, contribuindo para o surto, especialmente com uma configuração de posicionador abaixo do ideal.

Como confirmar: Recalcule a força/torque necessário do atuador, levando em consideração a queda máxima de pressão, o atrito do retentor de óleo e outras cargas. Compare com o esforço nominal do inversor instalado. Verifique a pressão nas câmaras do atuador durante a operação - se a pressão estiver instável ou flutuar excessivamente, isso pode indicar uma incompatibilidade.

Dano se não for reparado: A unidade está funcionando no limite de sua capacidade, resultando em desgaste acelerado. Falha de uma válvula em atingir ou manter uma posição definida afetando o controle do processo.

7.4. Defeito do posicionador

Por que isso acontece: Danos mecânicos (desgaste de alavancas, sensor de posição), contaminação de canais pneumáticos, vazamentos de ar através de membranas ou vedações, falhas eletrônicas. Isto resulta na determinação incorreta da posição da válvula ou no controle impreciso da pressão do ar para o atuador.

Como confirmar: Faça um diagnóstico completo do posicionador com um calibrador, verifique todas as suas funções, calibração, linearização. Inspecione visualmente quanto a vazamentos e desgaste. Verifique os sinais elétricos do sensor de posição.

Dano se não for reparado: Perda total de controle da válvula, movimento imprevisível, alto desgaste na válvula e no atuador.

7.5. Instabilidade da malha de controle (controlador PID)

Por que isso acontece: Se os parâmetros do controlador PID (proporcional, integral, diferencial) forem definidos de forma muito agressiva ou não corresponderem à dinâmica do processo, o controlador pode reagir exageradamente aos menores desvios, fazendo com que a válvula se mova constantemente e causando oscilações no circuito.

Como confirmar: Analise as tendências dos parâmetros tecnológicos (PV - valor atual, SP - valor definido, OP - sinal de saída do controlador) durante um determinado período. Flutuações no PV correlacionadas ao OP indicam um problema com o controlador PID. Execute um teste de etapa de sinal alterando SP ou OP e avalie a resposta do sistema.

Dano se não for reparado: Diminuição da qualidade do produto, aumento do consumo de energia, desgaste acelerado da válvula e do atuador devido à operação contínua.

8. Procedimentos passo a passo para solução de problemas

8.1. Correção das configurações do posicionador

1. Isolamento e Segurança: Execute o procedimento LOTO, forneça acesso à válvula.
2. Conexão do calibrador: Conecte um calibrador do posicionador (por exemplo, Beamex MC6) aos terminais de sinal e às portas pneumáticas do posicionador.
3. Calibração de ponto zero e amplitude: execute calibração automática ou manual de 0% e 100% do deslocamento da válvula. Certifique-se de que a "zona morta" não seja superior a 0,2-0,5% do curso completo.
4. Otimizando GANHO: Comece com o valor de GANHO recomendado pelo fabricante ou um valor baixo. Aumente gradativamente o GANHO até aparecerem leves oscilações, depois diminua em 10-20% deste valor.
5. Otimizando DAMPING: Comece com o valor de DAMPING recomendado pelo fabricante ou um valor baixo. Aumente gradualmente o DAMPING para reduzir o overshoot, mas evite desacelerar muito a resposta.
6. Configurações de FILTRO: Aplique o filtro (aumente o tempo de filtro) somente se o sinal de entrada da válvula for afetado por ruídos de alta frequência que causam pequenas oscilações.
7. Verificação de linearização: Execute um teste de linearização verificando se o sinal de controle corresponde à posição real da haste em toda a faixa. O desvio não deve exceder ±1% do curso completo.
8. Verificação: Remova o calibrador, retorne o sistema à condição de funcionamento (após remover o LOTO). Monitore a estabilidade da válvula e do processo.

8.2. Eliminação de atrito

1. Isolamento e Segurança: Realize o procedimento LOTO, descompressão do sistema.
2. Desconectando o atuador: Desconecte a haste da válvula do atuador.
3. Estimativa de atrito: Mova manualmente a haste da válvula por toda a sua faixa de deslocamento. Estime o esforço necessário (pode ser usado um dinamômetro). Atrito permitido: <10-15% da força motriz nominal.
4. Substituição da gaxeta/anel: Se o atrito for alto, afrouxe cuidadosamente o conjunto da gaxeta. Se isto não ajudar, substitua os vedantes/anéis de acordo com as instruções do fabricante da válvula. Utilize materiais de alta qualidade que atendam às condições de operação (temperatura, ambiente).
5. Inspeção das guias: Inspecione as buchas e a haste da guia quanto a desgaste, arranhões e corrosão. Substitua os itens danificados. Garanta folgas adequadas entre a haste e as guias.
6. Limpeza e Lubrificação: Limpe a haste de depósitos, aplique o lubrificante apropriado recomendado pelo fabricante (se fornecido).
7. Montagem e verificação: Monte a válvula, conecte o atuador. Verifique o movimento da haste com o atuador. Verifique novamente o posicionador.

8.3. Substituindo a unidade (atuador)

1. Isolamento e Segurança: Realize o procedimento LOTO, descompressão do sistema.
2. Determinação da força necessária: Com base na queda de pressão máxima na válvula, no atrito da gaxeta e em outros fatores (usando os dados do fabricante), calcule a força ou torque necessário para o atuador.
3. Seleção do atuador: Escolha um atuador com margem de esforço apropriada (margem de 25-50% recomendada) e velocidade de resposta. Preste atenção ao tipo (pneumático, elétrico, hidráulico) e tipo de ação (direta, reversa).
4. Desmontagem do atuador antigo: Desmonte cuidadosamente o atuador existente, seguindo as instruções do fabricante e levando em consideração a energia armazenada (molas).
5. Instalação do novo atuador: Instale o novo atuador, certificando-se de que a haste da válvula e o atuador estejam devidamente alinhados. Aperte os fixadores com o torque recomendado.
6. Conexão e calibração: Conecte o posicionador ao novo atuador e execute uma calibração completa do posicionador com a nova faixa e características.
7. Verificação: Retorne o sistema ao estado de funcionamento (após remover o LOTO). Verifique a estabilidade da operação da válvula em toda a faixa.

8.4. Otimização das configurações do controlador PID

1. Análise de tendências: Colete dados de comportamento do processo (PV, SP, OP) antes e durante as flutuações.
2. Modo manual: Coloque o controlador no modo manual.
3. Ajustando o fator proporcional (P): Comece com um valor baixo de P. Aumente P gradualmente observando a resposta de PV ao passo OP. Pare quando o PV começar a flutuar. Reduza P em 30-50% deste valor.
4. Ajuste do Tempo Integral (I): Diminua gradualmente I (aumente a ação integral) para eliminar o erro estático, mas não causar oscilações lentas.
5. Ajuste do tempo diferencial (D): aplique D com cuidado para reduzir o overshoot e acelerar a resposta, mas evite ser excessivamente sensível ao ruído.
6. Verificação: após cada etapa, observe a resposta do sistema às alterações de SP ou distúrbios externos. Procure uma configuração rápida sem ajustes excessivos ou oscilações.

9. Precauções

10. Peças sobressalentes e componentes

Peças sobressalentes críticas devem estar disponíveis para solução de problemas e prevenção eficazes. A UNITEC-D GmbH oferece uma ampla gama de componentes para válvulas de controle.

Procure esses e outros componentes em nosso Catálogo Online UNITEC-D.

11. Links

• DSTU EN ISO 9001:2018 Sistemas de gestão da qualidade. Requisitos
• DSTU EN ISO 14118:2023 Segurança de máquinas. Prevenção de início inesperado.
• DSTU EN 60534-2-1:2020 Válvulas de controle industrial. Parte 2-1. Largura de banda.
• Manuais de operação e manutenção de fabricantes de válvulas (por exemplo, Emerson, Samson, Fisher, KOSO).
• UNITEC-D: Outros guias de manutenção.