IT202000017689A1 - Sistema per la diagnostica delle perdite per trafilamento tra sede e otturatore di una valvola - Google Patents

Description

SISTEMA PER LA DIAGNOSTICA DELLE PERDITE PER TRAFILAMENTO

TRA SEDE E OTTURATORE DI UNA VALVOLA

DESCRIZIONE

Settore tecnico dell?invenzione

La presente invenzione ha per oggetto un sistema ed il relativo metodo per la diagnostica delle perdite tra sede e otturatore di una valvola, legate all?inevitabile trafilamento esistente tra i due componenti. In particolare, il sistema ed il metodo, secondo la presente invenzione, consentono anche l?analisi predittiva del trafilamento di una valvola.

Tecnica nota

Com?? noto, il trafilamento ? una perdita interna ad una valvola che si origina dall?interfaccia sede-otturatore. Idealmente, quando una valvola ? chiusa si ha una tenuta perfetta, ovvero la portata del fluido di processo tra sede e otturatore della valvola risulta pari a zero. Nella realt?, una perdita ? sempre esistente e le valvole sono classificate secondo il massimo trafilamento accettabile in condizione di valvola chiusa. Tale trafilamento ? suddiviso in classi secondo normativa ANSI B16.104. L?entit? del trafilamento dipende da molteplici parametri come, ad esempio, il design della valvola, i materiali che costituiscono il gruppo sede/otturatore, la qualit? delle superfici, la forza con la quale l?otturatore ? premuto sulla sede, forza che tipicamente viene fornita da un attuatore montato sulla valvola. Inoltre, durante la vita utile di una valvola, quindi anche nel caso di specifico interesse di una valvola di controllo, il trafilamento del fluido di processo pu? aumentare con il trascorrere del tempo. L?aumento del trafilamento ? dovuto a molteplici fattori, ad esempio, il degrado progressivo dell?otturatore e della sede in seguito a fenomeni di cavitazione, usura, deformazione, presenza di particolato nel fluido di processo, ecc? L?incremento del trafilamento pu? dunque comportare la perdita di efficienza dell?impianto e, di conseguenza, perdite economiche, problemi di sicurezza (e.g. in caso di trafilamento di fluidi tossici e/o infiammabili), oltre che un maggior del degrado della sede e dell?otturatore.

Secondo la tecnica nota, gli interventi di manutenzione si effettuano soltanto a seguito del mal funzionamento del sistema, ad esempio quando si evidenzia una marcata perdita di efficienza dell?impianto dovuta al trafilamento di una valvola. In questi casi, quando la perdita per trafilamento diventa individuabile, ci si trova gi? in presenza di perdite importanti che non sono preventivabili con sufficiente anticipo.

Inoltre, sempre secondo la tecnica nota, ? diffusa l?abitudine di generare sulla valvola chiusa la forza massima realizzabile dall?attuatore, o comunque un valore elevato e costante di forza, allo scopo di serrare maggiormente sede e otturatore della valvola. Questa procedura, se da un lato all?inizio della vita operativa della valvola scongiura situazioni di incipiente trafilamento, dall?altro lato crea una pressione di contatto tra sede e otturatore che sollecita pi? del dovuto la resistenza meccanica dei componenti, provocando l?usura anticipata dei due componenti medesimi.

Non sono tuttavia noti allo stato della tecnica sistemi e relativi metodi che consentano di eseguire una diagnostica in tempo reale, nonch? una diagnostica predittiva delle perdite per trafilamento di una valvola, ossia che siano in grado di calcolare in anticipo, l?andamento in funzione del tempo delle perdite per trafilamento della valvola, in modo da intervenire tempestivamente con opportuna manutenzione. In questo modo, sarebbe anche possibile non sovradimensionare la forza erogata dall?attuatore e quindi sollecitare meno sede e otturatore della valvola.

Esiste pertanto l?esigenza di definire un sistema ed il relativo metodo per la diagnostica in tempo reale e predittiva delle perdite per trafilamento tra sede e otturatore di una valvola che consenta di ottenere i vantaggi sopra menzionati.

Sintesi dell?invenzione

Oggetto della presente invenzione ? quindi un sistema applicato ad una valvola per l?esecuzione di una diagnostica in tempo reale nonch? predittiva delle perdite per trafilamento della valvola, comprendente un attuatore, un posizionatore montato sull?attuatore, un sensore montato sulla valvola ed un controllore. La valvola, che pu? essere di una qualsiasi tipologia, comprende, com?? noto, un otturatore e una sede di tenuta e non fa parte della presente invenzione, ma ne rappresenta la sua naturale applicazione.

L?attuatore determina con la forza generata la posizione dell?otturatore della valvola e, in condizioni di valvola chiusa, la forza esercitata dall?otturatore della valvola sulla sua sede. L?attuatore, a titolo esemplificativo, pu? essere a doppio effetto (bilanciamento tra due camere in pressione) come nella forma di attuazione dell?invenzione di seguito presentata. Con le opportune considerazioni su pressioni e forze, tale descrizione pu? essere estesa anche ad attuatori a singolo effetto (bilanciamento tra una forza legata alla pressione in una camera e una forza resistente, ad esempio una forza elastica).

Il posizionatore, come altres? noto, ? un componente che, collegato all?attuatore tramite feedback meccanico della posizione, ? in grado di variare la pressione nelle camere dell?attuatore al fine di posizionare dove richiesto l?otturatore della valvola. Nel caso di valvola chiusa, quindi nel caso in cui l?otturatore sia in contatto con la sede, il posizionatore pu? modulare la forza di contatto sede/otturatore variando la pressione nelle camere.

Il sensore, che ? un normale sensore di feedback secondo la tecnica nota, ? in grado di rilevare l?entit? del trafilamento direttamente o indirettamente per mezzo di una grandezza dipendente dal trafilamento della sede della valvola stessa. Tale grandezza pu? variare a seconda della tipologia di sensore impiegato.

Il controllore, mediante utilizzo di un software che implementa un idoneo algoritmo di controllo, correla i dati forniti dal sensore con quelli forniti dal posizionatore, ossia, rispettivamente la grandezza misurata sulla valvola (funzione della tenuta della sede della valvola) e la forza di contatto sede/otturatore normalmente dedotta dalla/e pressione/i nelle camere dell?attuatore. In altre parole, ? quindi possibile mettere in relazione il grado di tenuta o di perdita della sede della valvola con la forza impressa dall?attuatore sulla sede stessa. Vantaggiosamente, il controllore pu? essere integrato nel posizionatore medesimo.

Vantaggiosamente, la coppia sede/otturatore non viene sollecitata inutilmente, ma la forza ? limitata da quella generata dal posizionatore e sufficiente a garantire la tenuta, ovvero una soglia limite di trafilamento accettabile, perci? la coppia sede/otturatore risulta sottoposta ad una minore sollecitazione nell?arco della sua vita operativa, traducendosi verosimilmente in un prolungamento della vita operativa stessa.

Vantaggiosamente, a valvola chiusa, poich? l?attuatore genera una forza inferiore alla sua capacit? massima, ? possibile aprire la valvola in tempi ridotti, ossia con tempistiche minori rispetto a quelle necessarie secondo la tecnica nota, in quando si beneficia di un tempo morto (tempo necessario al distacco tra otturatore e sede) inferiore.

Pertanto, ? oggetto della presente invenzione un sistema applicato ad una valvola per l?esecuzione di una diagnostica in tempo reale nonch? predittiva delle perdite per trafilamento della valvola medesima, come specificato nella rivendicazione indipendente di sistema annessa.

Secondo un altro scopo, la presente invenzione consiste anche in un metodo per attuare la diagnostica predittiva delle perdite per trafilamento di una valvola, come specificato nella rivendicazione indipendente di metodo annessa.

Le rivendicazioni dipendenti delineano particolari e ulteriormente vantaggiosi aspetti dell?invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Questi ed altri vantaggi dell?invenzione saranno ora descritti in modo dettagliato, con riferimento alle Figure allegate, che rappresentano una forma di attuazione esemplificativa dell?invenzione, in cui:

- la Figura 1 mostra uno schema del sistema oggetto della presente invenzione; - la Figura 2 ? un grafico relativo all?andamento nel tempo della forza Fact esercitata dall?attuatore per garantire la tenuta tra otturatore e sede della valvola, durante il normale funzionamento, rispetto alla forza di riferimento Fset necessaria per garantire una tenuta ottimale di una valvola e al suo range di tolleranza;

- la Figura 3 ? un grafico come quello di figura 2 e presenta inoltre una proiezione futura dei valori della forza dell?attuatore Fact, anche al di fuori dal range di tolleranza considerato;

- la Figura 4 mostra un grafico nel tempo dei test di tenuta per ottenere una correlazione tra il parametro misurato dal sensore e la forza dell?attuatore Fact.

Descrizione dettagliata

Con riferimento alla Figura 1 allegata, secondo una realizzazione del presente trovato assolutamente non limitativa, ? mostrato un sistema 100 applicato ad una valvola 1, di tipo noto e comprendente un otturatore ed una sede di tenuta. Il sistema 100 comprende un attuatore 2, un posizionatore 3, almeno un sensore 4 e un controllore 5 provvisto di un software di analisi. Il controllore 5 pu? essere un componente ?stand alone?, cos? come pu? essere integrato nel posizionatore 3.

L?attuatore 2, a titolo esemplificativo e non limitativo, ? a doppio effetto. Com?? noto, ci? significa che lo stelo di comando dell?attuatore, l?organo che imprime una forza all?otturatore della valvola, ? immerso tra due camere in cui le pressioni relative si bilanciano e sullo stelo di comando agisce una forza netta che ? trasmessa all?otturatore della valvola. Naturalmente, con opportune considerazioni su pressioni e forze, l?invenzione pu? essere implementata anche con attuatori a singolo effetto, presentanti una sola camera di pressione e laddove il bilanciamento delle forze avviene tra una forza legata alla pressione nella camera di pressione e una forza resistente, ad esempio una forza elastica.

Il posizionatore 3 ? un componente che determina il ?comportamento? dell?attuatore 2 in quanto ne regola la pressione agente nelle camere di pressione dell?attuatore 2 medesimo. Il collegamento logico con l?attuatore 2 ? realizzato per tramite di feedback meccanico della posizione dell?attuatore stesso. In base al feedback sulla posizione dell?attuatore 2, il posizionatore 3 ? in grado di variare la pressione nelle camere dell?attuatore 2 al fine di posizionare dove richiesto l?otturatore della valvola 1. Nel caso in cui la valvola 1 ? chiusa, quindi nel caso in cui l?otturatore sia in contatto con la sede, il posizionatore 3 pu? modulare la forza di contatto sede/otturatore variando la pressione nelle camere dell?attuatore 2.

Il sensore 4 ? un normale sensore di feedback in grado di rilevare l?entit? del trafilamento direttamente o indirettamente per mezzo di una grandezza dipendente dal trafilamento della sede della valvola 1 stessa. Tale grandezza pu? variare a seconda della tipologia di sensore impiegato.

I sensori impiegati possono essere, a titolo puramente esemplificativo e non limitativo, un rilevatore di temperatura (ad esempio, un termometro a raggi infrarossi), un rilevatore di portata (ad esempio, un flussimetro), un rilevatore acustico (ad esempio, un microfono ad ultrasuoni) o una combinazione di essi.

La modulazione della forza di contatto sede/otturatore variando la pressione nelle camere dell?attuatore 2 ? realizzata attraverso il controllore 5 che implementa un controllo in loop chiuso (trafilamento->pressione->forza->trafilamento), dove la grandezza regolata ? la perdita per trafilamento attraverso la sede della valvola, desunta direttamente o indirettamente dal sensore 4 e la grandezza regolante ? la pressione che agisce in una o in entrambe le camere di pressione dell?attuatore 2. In altre parole, il controllore 5 (o direttamente il posizionatore 3, qualora integri il controllore 5) ? in grado di mettere in relazione la forza sede/otturatore della valvola 1 e il grado di trafilamento della valvola 1 nell?arco del tempo.

La disponibilit? di tali dati permette quindi di ottenere:

- un dato immediato e facilmente confrontabile con i valori di progetto: il valore di forza necessaria per il contatto sede/otturatore (con tale dato si pu? quindi verificare sin da subito se la valvola 1 sta operando nei limiti progettuali);

- un dato emergente da analisi storica (relazione tra forza e trafilamento nel tempo), ovvero la curva di degrado della tenuta sede/otturatore, che permette quindi una diagnostica predittiva tramite estrapolazione della curva stessa.

Inoltre, lavorando in loop chiuso (trafilamento->pressione->forza->trafilamento), ? possibile regolare il posizionatore 3 per la generazione della sola forza necessaria per ottenere la tenuta desiderata tra sede e otturatore, pi? un margine desiderato.

Vantaggiosamente, quindi, secondo la metodologia esposta, la coppia sede/otturatore la coppia sede/otturatore ? sottoposta ad una minore sollecitazione nell?arco della sua vita operativa. Tale risultato ? ottenuto grazie al fatto che la forza applicata ? pari a quella generata dal posizionatore (ovvero la sola forza necessaria pi? un margine di sicurezza configurabile a piacere).

Vantaggiosamente, il fatto che a valvola chiusa l?attuatore generi una forza inferiore alla sua capacit? massima, permette di aprire la valvola in tempi ridotti e con tempi morti inferiori.

Impiegando tale sistema possono essere svolti svariati test. Quelli ritenuti di maggiore rilevanza per l?indagine della tenuta sulla sede valvola sono:

- il test on-line: per qualsiasi valvola ? nota la forza di riferimento Fset (utile a garantire la tenuta ottimale). Durante il normale funzionamento della valvola 1, ogniqualvolta essa raggiunge la posizione di chiusura, ? possibile registrare la forza Fact esercitata dall?attuatore 2 per garantire la tenuta della sede. Come mostrato in figura 2, i dati forniti dal posizionatore 3 possono essere collettati in un grafico. In particolare, il controllore 5 per mezzo del software di analisi pu? evincere da un?analisi storica (rapportando la forza e il trafilamento nel tempo) la curva di degrado della tenuta sede/otturatore permettendo diagnostica predittiva tramite estrapolazione della curva stessa.

In questo modo ? possibile ottenere, come mostrato in Figura 3, una proiezione grafica dei valori futuri della Fact al di fuori dal range di tolleranza considerato.

Il sensore 4 pu? inoltre essere impiegato per la definizione del range di tolleranza della forza Fset, in quanto pu? risultare utile come riscontro e verifica della perdita sulla sede durante la valutazione delle forze limite ammissibili UCL (upper control limit) e LCL (lower control limit), riportate sia in Figura 2 che in Figura 3. Evidentemente, il valore limite inferiore LCL ? il valore al di sotto del quale la valvola non tiene, ovvero il trafilamento diviene sensibile; il valore limite UCL ? quello al di sopra del quale si mette a rischi la resistenza meccanica dei componenti a contatto (otturatore e sede);

- il test di tenuta: in alcuni sistemi le valvole devono lavorare in chiusura per la maggior parte del tempo. Risulta quindi difficile svolgere i test durante la loro vita utile e analizzare il grado di tenuta della sede nel tempo. A tal proposito, il sistema 100 oggetto della presente invenzione, pu? essere utilizzato per svolgere test di tenuta periodici.

Durante il normale funzionamento della valvola 1, attraverso un segnale di comando al posizionatore 3, ? possibile variare la forza dell?attuatore 2 Fact fino alla comparsa di un trafilamento della sede della valvola 1, effettuando in tale circostanze molteplici misurazioni per mezzo del sensore 4. La registrazione dei dati ottenuti dal sensore 4 e dal posizionatore 3 viene effettuata dal controllore 5 per mezzo del software di analisi. Terminata tale fase, viene ripristinato il valore iniziale della forza Fact al fine di garantire nuovamente la tenuta ottimale sulla sede (il trafilamento del fluido di lavoro generato durante il test serve esclusivamente per la raccolta dei dati e bench? non comprometta la funzione di chiusura della valvola stessa, esso pu? comportare l?alterazione dello stato del sistema: risulta quindi necessario effettuare tale test con le dovute precauzioni, a seconda della tipologia di valvola indagata).

Come mostrato in Figura 4, il susseguirsi nel tempo dei test di tenuta porta all?ottenimento di una relazione tra il parametro misurato dal sensore 1 e la forza Fact dell?attuatore 2, identificando un range di tolleranza di tale parametro entro il quale la tenuta della sede valvola 1 ? considerata accettabile (si ottiene quindi come riferimento il range di tolleranza oltre a quello associato alla Fact).

Vantaggiosamente, il sistema 100 integrato pu? essere progettato in configurazioni pi? complesse in grado di registrare molteplici grandezze tramite l?utilizzo di una pluralit? di sensori. In questo modo, risulta quindi possibile aumentare il livello di diagnostica del sistema integrato e prevedere l?andamento della tenuta della sede valvola con pi? precisione. Quando una delle grandezze misurate tender? ad uscire dal rispettivo range di tolleranza definito durante il test, sar? dunque necessario intervenire con azioni di manutenzione preventiva.

Tali test possono risultare utili per differenti scopi, come ad esempio il controllo di un parco valvole tramite un?analisi statistica dei dati raccolti su un impianto o su molteplici impianti. Inoltre, il monitoraggio in remoto di tali dati pu? risultare utile per generare un database riguardante la vita utile delle valvole indagate.

Anche se almeno una realizzazione esemplificativa ? stata presentata nella descrizione sommaria ed in quella dettagliata, deve essere compreso che esiste un grande numero di varianti rientranti nell?ambito di protezione dell?invenzione. Inoltre, deve essere inteso che la realizzazione o le realizzazioni presentate sono solamente esempi che non intendono limitare in alcun modo l?ambito di tutela dell?invenzione o la sua applicazione o le sue configurazioni. Piuttosto, la descrizione sommaria e quella dettagliata forniscono al tecnico esperto del settore una conveniente guida per implementare almeno una realizzazione esemplificativa, essendo ben chiaro che numerose varianti possono essere apportate nella funzione e nell?assemblaggio degli elementi quivi descritti, senza fuoriuscire dall?ambito di protezione dell?invenzione come stabilito dalle rivendicazioni allegate e dai loro equivalenti tecnico-legali.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Sistema (100) per l?esecuzione di una diagnostica in tempo reale e/o predittiva di perdite per trafilamento di una valvola (1), in cui la valvola (1) ? provvista di un otturatore e di una sede di tenuta, il sistema (100) comprendente un attuatore (2), un posizionatore (3) per la regolazione della pressione agente in almeno una camera di pressione dell?attuatore (2), almeno un sensore (4) in grado di rilevare una grandezza dipendente da una perdita per trafilamento della sede di tenuta della valvola (1) e un controllore (5) provvisto di un software di analisi, detto sistema (100) essendo caratterizzato dal fatto che il controllore (5) ? configurato per eseguire, tramite il software di analisi, un controllo ad anello chiuso, ove la grandezza regolata ? la perdita per trafilamento attraverso la sede della valvola (1) e la grandezza regolante ? la pressione che agisce in detta almeno una camera di pressione dell?attuatore (2).

2. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1, laddove il controllore (5) ? integrato nel posizionatore (3).

3. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, laddove l?attuatore (2) ? un attuatore a doppio effetto.

4. Sistema (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, laddove l?attuatore (2) ? un attuatore a singolo effetto.

5. Sistema (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, laddove l?almeno un sensore (4) ? un rilevatore di temperatura.

6. Sistema (100) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, laddove l?almeno un sensore (4) ? un rilevatore di portata.

7. Sistema (100) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 4, laddove l?almeno un sensore (4) ? un rilevatore acustico.

8. Sistema (100) secondo una delle rivendicazioni da 5 a 7, laddove l?almeno un sensore (4) ? una combinazione tra un rilevatore di temperatura, un rilevatore di portata e un rilevatore acustico.

9. Metodo di attuazione del sistema (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, il metodo comprendente le seguenti fasi:

a. definire il range di tolleranza di una forza di riferimento (Fset) predeterminata e idonea a garantire la tenuta ottimale tra sede e otturatore di una valvola (1) per mezzo di un sensore (4),

b1. registrare, a valvola (1) chiusa, per mezzo del sensore (4) una forza (Fact) esercitata da un attuatore (2) per garantire la tenuta della sede,

c. registrare i dati per mezzo di un controllore (5) e di un software di analisi implementato sul controllore (5),

d. ottenere la curva di degrado della forza (Fact) esercitata dall?attuatore (2) permettendo una diagnostica predittiva tramite estrapolazione della curva stessa.

10. Metodo di attuazione del sistema (100) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, il metodo comprendente le seguenti fasi:

a. definire il range di tolleranza di una forza di riferimento (Fset) predeterminata e idonea a garantire la tenuta ottimale tra sede e otturatore di una valvola (1) per mezzo di un sensore (4),

b2. variare la forza (Fact) esercitata dall?attuatore (2) fino alla comparsa di una perdita per trafilamento della sede della valvola (1) attraverso un segnale di comando ad un posizionatore (3).

c. registrare i dati per mezzo di un controllore (5) e di un software di analisi implementato sul controllore (5),

d. ottenere la curva di degrado della forza (Fact) esercitata dall?attuatore (2) permettendo una diagnostica predittiva tramite estrapolazione della curva stessa.