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Alcançando Confiabilidade Ótima de Atuação de Válvula

Para o controle ótimo de muitos processos, é crucial que uma válvula atinja uma determinada posição. O processo de mudança de uma posição para outra é governado pelo atuador da válvula, um tipo de unidade que é responsável por mover ou controlar.

Para aplicações críticas de segurança, a atuação da válvula (a capacidade do sistema para mover a válvula para uma condição segura em resposta à demanda) é de fundamental importância, assim como a confiabilidade da atuação da válvula.

Por Richard Harvey da IMI Precision Engineering

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Por Richard Harvey da IMI Precision Engineering

Por Richard Harvey da IMI Precision Engineering

Os atuadores pneumáticos ou hidráulicos são um meio bem comprovado de controle de tais válvulas e esses atuadores de potência de fluidos são, por sua vez, predominantemente operados usando uma válvula solenóide eletromagnética. Muitos solenóides operam dentro de sistemas que podem permanecer em uma posição por muitos anos, com uma vida útil geral de décadas.

Eles são freqüentemente usados ​​em sistemas que garantem segurança, por exemplo, para desligar, liberar ou distribuir fluidos. Como tal, sua confiabilidade é de suma importância. Nestas circunstâncias, qualquer falha na atuação pode ter resultados catastróficos, de modo que a confiabilidade não é negociável.

As válvulas solenóides têm muitas vantagens. Eles são flexíveis, sendo feitos em vários projetos com vários portos e caminhos fluidos. Quando escolhidos e usados ​​adequadamente, eles podem fornecer comutação, confiabilidade, durabilidade e resistência seguras em condições extremas, vida útil extensiva e design compacto.

No entanto, historicamente, muitas vezes foram vistos como o elo fraco na montagem do elemento final, pois são muitas vezes escolhidos com base no custo e não no design.

As válvulas solenóides devem ser adequadas para o ambiente em que a válvula funciona. A válvula deve poder resistir a corrosão, poeira, água e outras agressões ambientais, por muitos anos, e deve ter uma área de risco e certificação de segurança adequadas.

Mas quais qualidades e condições são necessárias para alcançar uma operação ótima? A resposta reside em uma combinação de design de unidade e gerenciamento de forças operacionais, como veremos.

Forças que atuam dentro de válvulas de solenóide

Condições ideais para uma melhor confiabilidade de atuação da válvula

A confiabilidade ou não de uma válvula solenóide é largamente ditada pelas forças que atuam dentro dela. O principal desses são as forças do fluxo magnético, retenção, fricção e força da mola.

Para que uma válvula solenóide seja confiável, os fatores ótimos quando se fecha, e aqueles que são ideais durante a abertura, são bastante diferentes. Os parâmetros ideais para o fechamento são uma relação de fricção de força elevada (FFR), ou seja, baixa fricção interna e força de mola de retorno alto e uma baixa taxa de falhas perigosas.

Na abertura, as condições ideais são:

  • Baixa fricção interna,
  • Fluxo magnético elevado à razão de força da mola, e
  • Uma baixa taxa de falha segura.

Compreensivelmente, esses parâmetros nem sempre são alcançados sem esforço e design cuidadoso.

Falhas perigosas

Uma falha perigosa é aquela que impede a válvula solenóide de realizar sua função de segurança quando necessário, sob demanda. Este tipo de falha ocorre frequentemente porque o atrito e a segurança aumentaram ao longo do tempo.

A carga que mantém a válvula na posição aberta aumenta até o ponto em que a força da mola não é mais suficiente para fechar a válvula. Ocorre uma falha perigosa quando a força da mola <fricção + retenção.

Para melhorar o desempenho contra falhas perigosas, é necessário melhorar o Ratio de fricção da força (FFR). Esta é a proporção da força da mola para o atrito e retenção dentro da válvula.

As seguintes etapas podem melhorar o FFR:

  • Reduza o atrito na válvula minimizando o número de vedações dinâmicas. Os selos dinâmicos adicionam fricção ao projeto, portanto, usando uma válvula tipo popa em vez da válvula de carretel reduz o fricção herente
  • Aumente a força da mola. Isso requer um fluxo magnético melhorado, de modo que a eficiência magnética deve ser melhorada, pois a energia disponível normalmente é limitada pelo cartão de saída do PLC
Melhorando a Taxa de Falha Perigosa

Falhas seguras

Em sistemas relacionados à segurança, é importante testar periodicamente todos os elementos finais para provar que a função de segurança está trabalhando para o desempenho exigido. Isso significa que é essencial testar a válvula solenóide, além do atuador e da válvula de processo.

As falhas seguras são a maior preocupação quando as válvulas solenóides são testadas. Existem dois tipos de falha segura: a viagem espúria (que ocorre durante a operação normal); e a falta de operação sob demanda, o que causa uma viagem espúria durante o teste de AVC parcial (PST).

Um exemplo de uma viagem espúria poderia ser onde a bobina de solenóide queima, há uma perda de fluxo magnético e, assim, a válvula de processo se fecha.

A taxa de falha segura será melhorada se o burn-out puder ser evitado, caso em que se aplica o seguinte:

  • Reduza a temperatura de funcionamento da bobina.
  • Assegurar uma dissipação térmica eficiente.
  • Os tubos de núcleo reduzem a eficiência de resfriamento, de modo que uma construção integrada de núcleo, armadura e bobina também pode ajudar.

O segundo tipo de falha segura é quando as válvulas não conseguem abrir sob demanda, o que pode ser denominado falha de pull-in. Durante um período de tempo, o dano do cabo ou a corrosão por terminação podem causar um aumento de resistência que, subsequentemente, causa uma tensão reduzida na bobina da válvula de solenóide.

Sob tais circunstâncias, a tensão pode cair abaixo da tensão de tração necessária do solenóide. Durante um PST, a bobina do solenóide é desenergizada e depois re-energizada no final do teste. No entanto, enquanto a tensão da bobina era suficiente para segurar a válvula na posição aberta, não é suficiente para puxar (abrir) a válvula da sua posição fechada.

Como resultado, a válvula de processo se fecha completamente, causando uma viagem não desejada. Isso pode ser evitado verificando a tensão da bobina antes de iniciar um teste de curso parcial.

Uma maneira de melhorar as taxas de falhas seguras é melhorar o fluxo magnético, pois isso permite maior margem de fluxo sobre a força da mola. Felizmente, existem várias maneiras de promover o fluxo magnético ótimo. A maioria das válvulas de solenóide usam um arranjo de armadura molhada onde os componentes magnéticos internos estão expostos à mídia do instrumento. Portanto, um material resistente à corrosão deve ser usado.

Infelizmente, tais materiais magnéticos rígidos reduzem o fluxo magnético máximo e aumentam a retenção. Em contraste, uma armadura seca, onde os componentes magnéticos são isolados da mídia do instrumento, permite a utilização de materiais magnéticos macios que exibam um fluxo magnético máximo aumentado e uma retenção reduzida.

Ao procurar melhorar o fluxo magnético, o projeto do núcleo e, em particular, a integridade do caminho magnético, também devem ser considerados. Um projeto de tubo de núcleo vazamentos de fluxo magnético, pois existem aberturas de ar entre a bobina e o tubo, enquanto que um projeto integrado maximiza a força do fluxo.

Melhorando falhas seguras

Aplicações

Para resumir, otimizar o projeto da válvula solenóide e, em particular, garantir uma atuação confiável, é absolutamente crucial para garantir bons resultados tanto na PST (onde maximiza a cobertura diagnóstica e minimiza as viagens espúrias) como nas aplicações diárias. Na verdade, é no dia-a-dia que a atuação confiável torna-se mais importante, garantindo segurança, eficiência, qualidade do produto e produtividade.

IMI Precision Engineering rebranded de Norgren em 2015.

Informador de Indústria de Processos

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