Che cos'è la valvola di controllo?
La valvola di controllo è un componente importante delle industrie di controllo dei processi e viene impiegata per regolare il flusso di un fluido in movimento, la pressione e altri fattori in un sistema di controllo. In altre parole, è una parte critica di un circuito di controllo e l'elemento finale di un sistema di controllo che monitora e regola la portata di fluidi come gas, liquidi o vapore in base ai segnali di controllo. Lo scopo principale di una valvola di controllo è quello di controllare la variabile di processo al set point desiderato regolando lo stelo della valvola.
Le valvole di controllo sono applicate in quasi tutti i settori industriali, compresi quelli del petrolio e del gas, della lavorazione chimica, del trattamento delle acque e della generazione di energia. Sono indispensabili per il normale funzionamento e per raggiungere il miglior livello di gestione dei vari processi nei sistemi su larga scala, soprattutto in condizioni di severità delle condizioni di servizio. Ad esempio, una valvola di controllo mantiene costante la portata in caso di spostamento del carico o di variazione del carico del processo. Grazie alla loro struttura e al tipo di applicazione generale, le valvole di controllo possono essere utilizzate in diversi processi, anche in condizioni di servizio gravose.
In altre parole, l'uso e la comprensione corretti delle valvole di controllo sono fondamentali per il funzionamento sicuro e corretto dei sistemi industriali e per la loro efficienza. La domanda su come funzionano le valvole di controllo ci porta spesso a esaminare il loro funzionamento in modo più dettagliato, cosa che faremo nella prossima sezione.
Il principio di funzionamento della valvola di controllo spiegato
Una valvola di controllo è un tipo di valvola che funziona in modo da controllare il flusso di un fluido in una tubazione per raggiungere una specifica condizione di processo, come la portata, la pressione o la temperatura del livello del liquido. Ciò avviene grazie alla sincronizzazione di sensori e controllori. Di seguito viene illustrato passo per passo il funzionamento di una valvola di controllo:
| Passo | Descrizione | Esempio di applicazione |
| Sensori | Raccogliere dati in tempo reale su variabili di processo quali portata, pressione e temperatura. | Un sensore della conduttura del vapore misura i livelli di flusso e di pressione per garantire un funzionamento sicuro. |
| Sistema di controllo | Confronta i valori misurati con i set point desiderati e determina le regolazioni necessarie. | Un PLC regola la posizione della valvola se la pressione scende al di sotto del livello richiesto. |
| Attuatore | Converte il segnale di controllo in movimento meccanico per regolare la posizione dello stelo della valvola. | Un attuatore pneumatico riduce l'apertura della valvola da 50% a 30% per diminuire la portata in risposta ai segnali di feedback. |
| Ciclo di feedback | Monitora le nuove variabili di processo dopo la regolazione della valvola per garantire il mantenimento dei set point desiderati. | Il monitoraggio continuo del flusso assicura la stabilità del sistema anche in condizioni di carico variabili. |
I sensori raccolgono dati in tempo reale
Si inizia con l'installazione di sensori delle variabili di processo nella tubazione, che aiutano a stimare i parametri chiave del processo, come le portate, le pressioni o la temperatura. Ad esempio, in un sistema che eroga vapore ad alta pressione, gli interruttori controllano più frequentemente se la portata e le pressioni rientrano nelle specifiche corrette.
Il sistema di controllo è confrontato con i set point
Il sistema di controllo coinvolge strutture come il Sistema di Controllo Distribuito (DCS) o l'importante hardware Controllore Logico Programmabile (PLC), per ottenere dati dai sistemi elettronici e dai sensori. Misura il valore ottenuto e lo confronta con un valore impostato dal programmatore. Se si verifica una deviazione - ad esempio si nota che la pressione è inferiore al set point - il sistema di controllo calcola l'azione correttiva necessaria.
Segnale inviato all'attuatore
L'attuatore regola la valvola
Che altera la posizione dello stelo della valvola modificando il segnale di controllo che l'attuatore trasforma in movimento meccanico. Questo movimento modifica il passaggio del flusso all'interno della valvola:
Se il sistema necessita di una portata inferiore, l'attuatore ruota l'asta della valvola per ridurre le dimensioni della via di passaggio.
Se è necessario un flusso maggiore, l'attuatore ruota lo stelo in una direzione che apre la valvola.
Ad esempio, cambiando l'apertura di una valvola da 50% a 30% in un'applicazione iniziale per tubazioni di liquidi, si scala anche la portata, facilitando il controllo del flusso di conseguenza.
Feedback continuo e messa a punto
Uno degli elementi più importanti della valvola di controllo è il segnale di feedback. Il sistema di controllo verifica costantemente le nuove variabili di processo dopo la regolazione della valvola. Se la variabile di processo, ad esempio la portata, non è ancora nel set point della condizione di processo desiderata, che si basa sul sensore della condizione di processo, il sistema di controllo invia un segnale correttivo e altri segnali per regolare la posizione della valvola. In questo modo, si ottiene un controllo dinamico per mantenere i set point delle condizioni di processo con una stabilità ragionevole e limiti di errore minimi.
In sintesi, una valvola di controllo controlla la quantità di fluidi che fluiscono attraverso i tubi modificando la sua area di apertura nel tempo sotto la direzione di sensori e segnali. L'integrazione di sensori, attuatori e sistemi di controllo rende il controllo del processo accurato, affidabile ed efficace, fornendo un controllo preciso dei parametri del sistema. È fondamentale che questo principio sia ben compreso perché possa essere un fattore utilizzato per migliorare il funzionamento dei sistemi industriali e per raggiungere la stabilità del sistema.
Componenti chiave di un sistema di valvole di controllo
Esistono diversi componenti fondamentali di un sistema di valvole di controllo e tutti sono molto importanti per il funzionamento del sistema di valvole di controllo che aiuta a gestire il flusso dei fluidi. Tutti questi componenti forniscono una sinergia perfetta che supporta l'efficacia dei processi. Di seguito una spiegazione dettagliata:
Corpo valvola
Il corpo della valvola è la parte principale della valvola di controllo e comprende il passaggio del flusso e le parti interne di lavoro. Deve essere realizzato per resistere a situazioni di utilizzo gravose, come alta pressione, temperature elevate e soluzioni dannose. Per ottenere una lunga durata e per evitare l'abrasione, vengono adottati molti substrati, come l'acciaio inossidabile o l'acciaio al carbonio.
Stelo della valvola
Lo stelo della valvola collega l'attuatore, che esegue i comandi impartiti dal cliente, con il sistema di controllo del flusso interno. È destinato a elevate perdite di carico e sollecitazioni termiche e generalmente è fabbricato con materiali che non si corrodono rapidamente.
Attuatore
L'attuatore aziona lo stelo della valvola per regolare il passaggio del flusso. Esistono quattro tipi principali di attuatori:
Attuatori manuali: Sono costituiti da un volantino o da una leva che viene azionata da una sola persona e sono utilizzati principalmente in situazioni di emergenza o di basso livello in cui non è necessario l'uso del controllo automatico.
Attuatori pneumatici: Sono azionati ad aria e sono preferiti per la loro affidabilità e per la manutenzione poco costosa nelle industrie.
Attuatori elettrici: Forniscono una regolazione accurata e automatica e sono utilizzati nella maggior parte dei sistemi di controllo attuali in cui la precisione è fondamentale.
Attuatori idraulici: Utilizzando un liquido compresso, sono adatti per applicazioni che richiedono una forza elevata, come l'apertura di grandi valvole nelle condutture.
Tutti i tipi di attuatori hanno i loro vantaggi e vengono scelti in base alle caratteristiche del processo.
Posizionatore
Il posizionatore assicura che la valvola raggiunga la posizione corretta richiesta dal segnale di controllo. Regola costantemente l'attuatore per eliminare le variazioni che possono essere causate da interferenze del sistema, stick-slip o isteresi e fornisce una regolazione accurata del flusso in ambienti difficili.
Componenti ausiliari
I componenti di isolamento, come la guarnizione, la tenuta e il premistoppa, garantiscono l'assenza di perdite di fluido nel sistema. Questi componenti hanno l'importante funzione di rendere la valvola adatta al servizio ad alta pressione o ad alta temperatura.
Ciascuno di questi componenti deve funzionare in modo efficace affinché la valvola di controllo sia un elemento di controllo finale fondamentale nei contesti industriali. La loro corretta selezione in base ai requisiti operativi e ambientali è la porta d'accesso a un controllo affidabile ed efficace dei fluidi.
I diversi tipi di valvole di controllo e le loro applicazioni
Le valvole di controllo sono classificate in base al loro metodo di azionamento. Esistono quattro tipi: manuale, elettrica, pneumatica e idraulica. Ogni tipo è utilizzato per scopi industriali diversi e ognuno ha i suoi vantaggi e i suoi usi.
Valvole manuali
Le valvole manuali sono le meno complicate e vengono azionate manualmente. Sono più economiche e affidabili e quindi ideali per applicazioni a basso ciclo, come l'approvvigionamento idrico o l'isolamento di emergenza. Sebbene siano relativamente facili da usare e non richiedano molta manutenzione, non sono automatizzate e non sono sufficientemente precise per i sistemi odierni che possono richiedere una regolazione costante o fine.
Valvole di controllo elettriche
Gli attuatori motorizzati sono utilizzati nelle valvole di controllo elettrico per controllare il flusso, la pressione o la temperatura. Grazie alla loro precisione, sono adatti all'impiego in settori in cui è necessario un controllo preciso e automatico di determinati processi, come la produzione di farmaci, il controllo della temperatura negli edifici e gli impianti di depurazione dell'acqua. Le valvole elettriche possono fornire una precisione di controllo fino a ±0,1% per la maggior parte delle applicazioni, ideale per processi precisi. Sono efficienti dal punto di vista energetico, poco rumorose e compatibili con sistemi di controllo sofisticati, ma possono avere un tempo di reazione più lento rispetto alle valvole pneumatiche. Tuttavia, le loro caratteristiche di automazione e le ridotte esigenze di manutenzione le rendono preziose nelle applicazioni pulite o nei sistemi che richiedono tolleranze ristrette.
Valvole di controllo pneumatiche
Le valvole di controllo ad azionamento pneumatico sono molto diffuse nei settori petrolifero e del gas, petrolchimico e della produzione di energia. Hanno tempi di risposta brevi e possono funzionare a basse e alte temperature (da -40°C a 200°C), il che le rende ideali per l'uso ad alta frequenza e in aree pericolose dove le apparecchiature elettriche rappresentano un pericolo. Le valvole pneumatiche sono leggermente meno precise di quelle elettriche, ma sono semplici, durevoli e affidabili. Sono tuttavia necessari sistemi di aria compressa, che possono aumentare i costi di installazione, ma la rapidità di risposta e l'affidabilità del sistema ne valgono di solito la pena.
Valvole di controllo idraulico
Le valvole di controllo idrauliche funzionano grazie all'uso di fluidi sotto pressione e sono quindi adatte per applicazioni ad alta forza come l'estrazione mineraria o la perforazione offshore. Sono particolarmente adatte per pressioni elevate, superiori a 300 bar, ma sono soggette a perdite e richiedono quindi una manutenzione frequente. A causa dei loro tempi di risposta più lenti, sono meno adatti per le applicazioni che richiedono cambi frequenti.
Le valvole elettriche sono le più adatte per la precisione e l'automazione, mentre le valvole pneumatiche sono adatte per la velocità e la durata. La conoscenza dei requisiti del sistema consente agli ingegneri di selezionare la valvola di controllo più appropriata per ottenere prestazioni ottimali.
Fattori da considerare nella scelta della giusta valvola di controllo
La scelta della valvola di controllo appropriata è quindi molto importante per ottenere le migliori prestazioni, durata ed efficacia del sistema. È necessario valutare attentamente i seguenti fattori chiave:
Condizioni di servizio
Riconoscere le condizioni specifiche del processo, in relazione alla temperatura, alla pressione e al tipo di fluido, sia esso acqua, vapore o prodotto chimico. Ad esempio, gli acidi e gli alcali richiedono valvole con membrana in PTFE o valvole con corpo e finiture in acciaio inox, mentre per servizi superiori a 100 bar possono essere necessarie valvole a globo di costruzione robusta.
Caratteristiche del flusso
Determinare la portata necessaria, la caduta di pressione e la precisione di controllo del flusso richiesta. Le valvole a globo e le valvole ad angolo sono utilizzate per le applicazioni che richiedono un funzionamento regolare per diversi valori di perdita di carico, mentre un flusso elevato con una perdita di carico modesta richiede valvole a sfera o a farfalla, mentre le valvole di ritegno aiutano a prevenire il riflusso nel sistema. La progettazione delle valvole è fatta per soddisfare le richieste di flusso per una varietà di applicazioni di processo, per evitare qualsiasi forma di spreco e per garantire che la valvola funzioni come previsto.
Compatibilità dei materiali
Assicurarsi che i materiali utilizzati per la creazione della valvola siano in grado di resistere alle proprietà chimiche e fisiche del fluido di processo. Ad esempio, si può utilizzare l'Hastelloy o il titanio se l'applicazione è in una zona altamente corrosiva, mentre la ghisa o l'ottone vanno bene per un'applicazione meno corrosiva.
Metodo di azionamento
Il metodo di attuazione determina l'accuratezza del controllo, il tempo di risposta e il consumo energetico.
Il metodo di azionamento influisce in modo particolare sulla precisione del controllo, sul tempo di risposta e sull'efficienza energetica. Ogni metodo ha i suoi vantaggi che corrispondono a determinate condizioni operative.
Attuatori pneumatici: Gli attuatori pneumatici sono noti per l'elevata velocità di risposta e sono quindi adatti ad applicazioni che richiedono operazioni frequenti con regolazione fine. Grazie alla loro semplicità di progettazione e costruzione, sono molto efficienti dal punto di vista energetico nelle applicazioni in cui l'aria compressa è facilmente accessibile. Tuttavia, la necessità di un sistema di alimentazione dell'aria può aumentare i costi dell'infrastruttura. Gli attuatori pneumatici forniscono una precisione di controllo di circa ± 1% , che è adeguata per la maggior parte dei processi industriali.
Attuatori elettrici: Gli attuatori elettrici sono particolarmente adatti per le applicazioni che richiedono un controllo accurato e autonomo, con una precisione possibile di ±0,1%. Ciò li rende perfetti per l'impiego in sistemi che richiedono una regolazione regolare e fine per ottenere costantemente il valore desiderato, ad esempio nella produzione di farmaci o nella purificazione dell'acqua. Inoltre, sono caratterizzati da un notevole risparmio energetico e da una ridotta dissipazione di energia durante l'uso. Tuttavia, il loro tempo di risposta è relativamente più lento rispetto agli attuatori pneumatici e questo può essere uno svantaggio nelle applicazioni che richiedono un controllo ad alta velocità.
Attuatori idraulici: Fornendo una forza elevata, gli attuatori idraulici sono ideali per le applicazioni che richiedono una forza elevata, come l'estrazione mineraria o la perforazione offshore. Offrono un controllo costante in presenza di pressioni elevate e carichi fluttuanti, ma sono relativamente lenti a causa del fluido coinvolto. Le perdite richiedono inoltre una manutenzione frequente per essere risolte, poiché influiscono anche sull'efficienza dell'energia utilizzata.
Manutenzione e risoluzione dei problemi delle valvole di controllo
Le valvole di controllo richiedono un piano di manutenzione efficace per migliorarne l'affidabilità e aumentarne le prestazioni e la durata. I controlli regolari devono riguardare parti vitali come il corpo della valvola, lo stelo, le guarnizioni e gli attuatori per garantirne il corretto funzionamento. Per questo motivo, è necessario prendere in considerazione i seguenti suggerimenti per la manutenzione e la risoluzione dei problemi:
Ispezioni di routine
È necessario effettuare un esame approfondito del corpo valvola e delle guarnizioni per verificare la presenza di eventuali perdite, corrosione o danni fisici, soprattutto in condizioni di lavoro estremamente gravose.
Diventa essenziale tracciare le caratteristiche degli attuatori e la loro reattività ai segnali di controllo per gestire i primi segnali di guasto.
Cercare eventuali segni di disallineamento dello stelo della valvola o danni che potrebbero causare l'inceppamento o un funzionamento inefficiente della valvola.
Risoluzione dei problemi
Il guasto di uno o più azionamenti dell'attuatore o gli errori degli azionamenti slave sono associati a malfunzionamenti del segnale di controllo che possono impedire l'instaurazione del controllo. Tali errori sono generalmente dovuti a errori di calibrazione, attrito eccessivo o danni fisici.
I problemi che si verificano a livello meccanico richiedono un'attenzione immediata. Questi possono includere incongruenze nell'alimentazione dell'aria (pneumatica), malfunzionamenti dell'attuatore (elettrico) o la mancata alimentazione dell'interruttore.
La posizione della valvola può essere influenzata da disturbi del carico o da detriti che si accumulano intorno alla valvola.
Uso corretto
Per evitare sollecitazioni eccessive e un'usura eccessiva, utilizzare le valvole in base alle specifiche progettuali, ad esempio in situazioni di alta pressione o alta temperatura.
La conoscenza del principio di funzionamento, degli elementi strutturali e dei limiti di lavoro della valvola di controllo è di grande importanza nelle attività di manutenzione. Grazie a controlli periodici e riparazioni rapide, le valvole di controllo possono fornire prestazioni affidabili e costanti anche in applicazioni industriali estreme.
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