Die Vibration des Steuerventils

Die Vibration des Steuerventils bezieht sich auf das schnelle Öffnen und Schließen des Ventils während des Betriebs, was darauf hinweist, dass das Steuerventil nicht stabil eine geeignete Position beibehalten kann, um die vorgegebenen Prozessbedingungen aufrechtzuerhalten. Dieser Zustand führt dazu, dass die Prozessvariablen im geschlossenen Regelkreis um ihre Sollwerte schwanken.

Mögliche Ursachen für Vibrationen sind unter anderem:

• Controller-Probleme: Falsche Reglereinstellungen oder der Ausfall interner Komponenten können zu instabilen Steuersignalen führen, die wiederum Ventilvibrationen verursachen.
• Defekte Steuerventilkomponenten: Auch Verschleiß oder Schäden an bestimmten Ventilteilen (z. B. Kegel, Sitz oder Stellantrieb) können zu Vibrationen führen.
• Auswirkungen der Betriebsmethoden: In manchen Fällen können auch ohne Hardwaredefekte ungeeignete Betriebsabläufe oder ein schlechtes Prozessdesign zu Vibrationen führen.

Anhaltende Ventilvibrationen beeinträchtigen nicht nur die Leistung der Stopfbuchsendichtung, sondern können auch zu erheblichen Abweichungen von den erforderlichen Sollwerten führen, was sich auf die Produktionseffizienz und die Produktqualität auswirkt. Daher ist es wichtig, die Grundursache der Vibration genau zu identifizieren, um die erforderlichen Korrekturmaßnahmen umzusetzen, das Vibrationsproblem zu beheben und die Gesamtleistung des Regelkreises zu verbessern.

Dieses Papier bietet eine ausführliche Diskussion der verschiedenen potenziellen Faktoren, die Ventilvibrationen verursachen, und ihrer Diagnosemethoden. Ziel ist es, den Lesern zu helfen, dieses häufige, aber komplexe industrielle Steuerungsproblem besser zu verstehen und anzugehen. Mit diesem Wissen können Ingenieure und Techniker ihre Steuerungssysteme effektiver warten und optimieren, um einen reibungslosen Betrieb der Produktionsprozesse sicherzustellen.

Was verursacht Ventilvibrationen?

1. Probleme mit dem Regelkreis

Schalten Sie die Steuerung vom automatischen in den manuellen Modus um und bewerten Sie die Reaktion mithilfe von Standardverfahren, um festzustellen, ob das Problem innerhalb der Schleife liegt.

Wenn die Schwingung aufhört, liegt der Fehler im Regelkreis. Solche Probleme treten typischerweise bei nichtlinearen Prozessen auf. Aufgrund der Hysterese kann es auch zu Pendelbewegungen kommen, die zu einer langsamen Reaktion der Prozessschleife führen.

Die Controller-Konfiguration kann dieses mechanische Problem nicht lösen. Durch Schleifenprobleme verursachtes Ventilklemmen kann durch die richtige Einstellung des Reglers behoben werden. Wenn dies nicht im Handbuch dokumentiert ist, können andere Ursachen vorliegen, wie z. B. tatsächliche Schwankungen der Prozessvariablen, Ventildimensionierung usw.

2. Dimensionierung des Steuerventils

Die Steuerbarkeit eines Ventils wird maßgeblich von der Größe des Steuerventils beeinflusst. Der Durchflusskoeffizient (Cv) bezieht sich auf das Wasservolumen bei 600 °F, das bei einem Druckabfall von 1 psi durch ein vollständig geöffnetes Ventil fließen kann.

Cv wird durch die Ventilkonstruktion bestimmt und bleibt konstant. Regelventile gleicher Größe können unterschiedliche Cv-Werte haben, wenn sie unterschiedliche Gehäuseformen oder Innengarnituren haben. Probleme mit der Dimensionierung des Regelventils treten auf, wenn die Gesamtprozessverstärkung entweder zu niedrig oder zu hoch ist. Regelventile sind oft so dimensioniert, dass sie künftige Durchflusssteigerungen bewältigen können, was dazu führen kann, dass das Ventil etwas größer ist als für die aktuelle Anwendung erforderlich, wodurch die Regelgenauigkeit beeinträchtigt wird.

Ein überdimensioniertes Ventil führt zu übermäßigem Öffnen oder Schließen, was zu Verklebungen, Schäden an der Packung und einer ungenauen Steuerung führt. Umgekehrt erfordert ein unterdimensioniertes Ventil einen größeren Druckabfall, um den ordnungsgemäßen Durchfluss aufrechtzuerhalten, es fehlt möglicherweise die erforderliche Kapazität, der Pumpendruck steigt und das Kavitationsrisiko steigt. Kavitation und Flashing sind Hauptursachen für Schäden an Regelventil-Innenteilen, die wiederum zu Schwankungen in der Prozesssteuerung führen.

3.Stellungsregler für Steuerventile

Der Ventilstellungsregler erreicht die von der Regelprozessgröße für den Regelventilantrieb geforderte Gleichgewichtsposition durch Anpassung des Luftdrucks.

Es enthält eine Spule zur Steuerung des Luftstroms. Langfristiger Betrieb oder Staubpartikel in der Luft können jedoch zu Verschleiß an der Spule führen, sodass diese an einer bestimmten Position festsitzt und es zu einem abnormalen Anstieg des Luftdrucks kommt. Sobald der Luftdruck ansteigt, wird die Spule aus der festsitzenden Position gelöst, was zu Überschwingen, instabiler Ventilposition, Verlust der effektiven Kontrolle über das Ventil und Abweichungen führt.

Der Stellungsregler kann aufgrund der Strahlungswärme der umgebenden Prozesstanks hohen Temperaturen ausgesetzt sein. Dies ist ein weiterer Faktor, der zum Festsitzen des Steuerventils führt und die Dichtungen und Leitungen des Stellungsreglers beschädigen kann. Der Stellungsregler erkennt die tatsächliche Ventilposition mithilfe einer Rückkopplungsverbindung, um seinen Ausgang anzupassen. Wenn die Rückkopplungsverbindung aufgrund von Flüssigkeitskräften, Reibung oder aus anderen Gründen ausfällt, funktioniert das Ventil möglicherweise nicht ordnungsgemäß. Moderne intelligente Positionierer verfügen über eine einzigartige Funktion, solche Abweichungen zu erkennen.

4. Statische Reibung während des Ventilhubs

Wenn ein Ventil auf Haftreibung (d. h. Haftreibung) trifft, stoppt es an einer bestimmten Position und erfordert für den Neustart zusätzliche Kraft. Dieses Phänomen kann durch eine verhärtete Stopfbuchspackung oder eine klebrige Strömung im Ventilkegel verursacht werden. Wenn die aufgebrachte Kraft ausreicht, um den Klemmpunkt zu überwinden, bewegt sich das Ventil in eine Überschwingposition, wodurch die Prozessvariable den Sollwert überschreitet. Ein solches Festkleben kann beobachtet werden, indem die Beziehung zwischen dem Reglerausgang und der Prozessvariablen überwacht wird.

Der Ventilantrieb sollte die richtige Größe haben und das Drehmoment der Stopfbuchsendichtung sollte in einem akzeptablen Bereich liegen, um ein Festkleben zu verhindern.

5. Hardwaredefekte

Darüber hinaus kann es durch Abnutzung im Inneren des Ventilkegels zum Festsitzen des Ventils kommen, sodass das Ventil nicht vollständig schließt. Eine Beschädigung des Ventilkegels führt dazu, dass das Steuerventil die Kontrolle über seinen hohen Betriebsbereich verliert.

Bei Regelventilen wird eine Stopfbuchspackung eingesetzt, um zu verhindern, dass Prozessmedium aus dem Ventilgehäuse austritt. Bei Beschädigung kann es zu Undichtigkeiten an der Motorhaube kommen, was eine Gefahr für die Sicherheit am Arbeitsplatz darstellt. Leckagen im Ventilantrieb sind ein weiterer Faktor, der zum Ventilstillstand führt.

Der Ventilschaft wird zunächst durch den Ventilstellungsregler präzise positioniert. Aufgrund von Leckagen bewegt sich der Schaft jedoch kontinuierlich, was den Stellungsregler dazu zwingt, seinen Ausgang wiederholt anzupassen, wodurch eine endlose Suche nach der Schaftposition entsteht. Dies ist eines der häufigsten Pendelphänomene bei Steuerventilen bei stationären Steuersignalen.

Wie verhindert man Ventilvibrationen?

1.Analyse und Diagnose von Schwingungen

Schwingungen in Regelventilen können durch Schleifenprobleme oder andere Einflussfaktoren verursacht werden. Schalten Sie die Steuerung in den manuellen Modus und beobachten Sie, ob die Schwingung aufhört, um die Grundursache zu ermitteln. Wenn die Schwingung aufhört, deutet dies darauf hin, dass das Problem im Regelkreis selbst liegt und durch geeignete Einstellung behoben werden kann.

Interne Schwingungen können durch unsachgemäße Abstimmung oder Gerätefehlfunktionen verursacht werden. Wenn sich das Ventil im manuellen Modus immer noch instabil verhält, kann das Problem auf beschädigte Ventilkomponenten oder Änderungen der Prozessparameter zurückzuführen sein.

Haftreibung und Überschwingen des Stellungsreglers sind die häufigsten Ursachen für das Festsitzen von Regelventilen. Diagramme können die Reaktion des Ventilausgangs bei vorhandener Haftreibung deutlich veranschaulichen.

2.Was sind die Hauptursachen für das Festsitzen von Steuerventilen?

Um festzustellen, ob das Festsitzen des Steuerventils auf eine falsche Reglerabstimmung oder einen mechanischen Fehler des Ventils selbst zurückzuführen ist, wird empfohlen, den Reglerausgang vorübergehend zu überbrücken, dem Stellventilantrieb einen konstanten Druck zuzuführen und dessen Ausgangsreaktion zu beobachten.

Ein lineares Potentiometer (Positionsgeber) dient zur Erfassung der Spindelbewegung, während ein Drucksensor (intelligenter Stellungsregler) den Ausgangsdruck des Stellungsreglers misst. Durch den Anschluss dieser Sensoren an ein Datenerfassungssystem und die Visualisierung der Daten mit Überwachungssoftware (z. B. LabVIEW) kann ein Vergleichsdiagramm zwischen Ventilschaftweg und Reglerausgang erstellt werden.

3. Fehlerbehebung im Regelventilkreislauf

Der Mikrocontroller empfängt Eingangssignale von den Reglersollwert- und Drucksensoren. Wenn eine Druckabweichung vom Sollwert festgestellt wird und mehr als fünfmal auftritt, spricht man von einem Pendelverhalten.

In diesem Fall ist der Reglerausgang isoliert und der Strom-Druck-Wandler (IP-Wandler) erzeugt automatisch einen dem Sollwert entsprechenden Druck, der als Eingang dem Stellungsregler des Regelventils zugeführt wird. Überprüfen Sie die Abweichung nach einigen Sekunden erneut. Reduziert sich die Abweichung, funktionieren das Regelventil und seine Zubehörteile ordnungsgemäß.

Daher sind besondere Anpassungen am Regelkreis erforderlich. Wenn das Ventil immer noch Probleme aufweist, kann dies an einer Beschädigung interner Komponenten oder einem Festsitzen durch die Stopfbuchsdichtung liegen.

Ein Diagramm mit Totband kann die spezifische Klebeposition leicht lokalisieren. Wenn ein kontinuierliches Springen ohne Anzeichen einer Totzone auftritt, werden Vibrationen höchstwahrscheinlich durch eine Beschädigung von Komponenten wie dem Ventilkegel verursacht. Mit dieser Methode kann auch ermittelt werden, ob ein Pendeln im gesamten Regelbereich oder nur innerhalb bestimmter Betriebsintervalle vorliegt.

4. Wartungsverfahren für das Steuerventil

Zeigt ein Stellventil im Betrieb ein Hängenbleiben, sind die Schritte zur Fehlerbehebung relativ aufwändig. Um eine sichere und effiziente Systemwiederherstellung zu gewährleisten, wird empfohlen, das folgende strukturierte Wartungsverfahren zu befolgen:

1. Vorläufige Diagnose und Sicherheit

Isolierung Schalten Sie das Steuerventil in den manuellen Modus oder den Bypass-Betrieb, um sicherzustellen, dass es keine Auswirkungen auf den Prozessablauf hat. Unterbrechen Sie die Luftzufuhr, die Stromversorgung und die Signalquelle, machen Sie den Antrieb drucklos und verriegeln Sie ihn gemäß den LOTO-Verfahren (Lockout/Tagout). Machen Sie Fotos von der Ventilposition, der Instrumentenverkabelung, den Luftanschlüssen usw., um den Zusammenbau zu erleichtern.

2. Externe Inspektion und Funktionsprüfung

Überprüfen Sie den stabilen Ausgangsdruck des IP-Wandlers und stellen Sie sicher, dass sich im Filterdruckregler keine Verstopfungen oder Wasseransammlungen bilden. Verwenden Sie einen Handbediener oder eine analoge Signalquelle, um 4–20 mA einzugeben, und beobachten Sie die gleichmäßige Bewegung des Ventilschafts. Stellen Sie sicher, dass die mechanischen Getriebekomponenten keine Lockerheit, Verformung oder Korrosion aufweisen.

3. Demontage und interne Inspektion

Trennen Sie den Stellantrieb vorsichtig vom Ventilgehäuse, um eine Beschädigung des Ventilschaftgewindes zu vermeiden. Messen Sie die Geradheit des Ventilschafts (Unrundheit ≤ 0,05 mm). Überprüfen Sie, ob die Packung zu dicht, verkohlt oder verunreinigt ist. Überprüfen Sie, ob die Stopfbuchse falsch ausgerichtet ist und einseitige Reibung verursacht.

Überprüfen Sie die internen Komponenten: Ventilkegel und Ventilsitz auf Erosion, Korrosion, Verkokung oder Verstopfung durch Fremdkörper; Führungshülse auf Verschleiß oder Verschmutzung; Bei Drehventilen (z. B. Kugelhähnen, Absperrklappen) Lager oder Buchsen auf Fressen prüfen.

4.Gezielte Behandlung

Verunreinigungen mit fusselfreiem Tuch und geeigneten Lösungsmitteln (z. B. Alkohol, Spezialreiniger) reinigen und Hochtemperaturfett (z. B. Klüberpaste) auf den Ventilschaft auftragen; Ersetzen Sie abgenutzte Stopfen, veraltete Packungen, gerissene O-Ringe usw. durch Original- oder gleichwertige Ersatzteile. Ziehen Sie beim Wiedereinbau der Packung die Packung gleichmäßig und schrittweise an, um einen mäßigen Widerstand gegen die Bewegung des Ventilschafts zu gewährleisten (typischerweise Betriebsdrehmoment ≤ 70 % des Nennwerts).

5. Zusammenbau und Kalibrierung

Stellen Sie alle Verbindungen anhand der vor der Demontage aufgenommenen Fotos wieder her. Führen Sie mit dem Stellungsregler eine Nullpunkt- (0 %), Bereichs- (100 %) und Linearitätskalibrierung durch. Schrittsignale eingeben (z. B. 50 % → 75 % → 25 %) und stabile Reaktion beobachten; Zeichnen Sie die Rückkopplungskurve der Ventilposition auf und prüfen Sie, ob Totzone, Sprünge oder Hysterese vorhanden sind. Wenn weiterhin Schwankungen auftreten, analysieren Sie eine fehlerhafte Steuerungsabstimmung oder ein lokales Hängenbleiben des Ventils in Kombination mit historischen Trends.

6. Inbetriebnahme und Überwachung

Arbeiten Sie zunächst im manuellen Trimmmodus und schalten Sie dann wieder auf automatisch um, nachdem Sie festgestellt haben, dass keine Anomalien vorliegen. Überwachung der Ventilpositionsschwankung, der Abweichungshäufigkeit und der Prozessparameterstabilität; Zeichnen Sie Fehlersymptome, Korrekturmaßnahmen und ausgetauschte Teile für die anschließende Zuverlässigkeitsanalyse auf.