バルブアクチュエータのサイジング: 信頼性の高い動作のための完全なステップバイステップのエンジニアリング ガイド

バルブアクチュエータのサイジングが実際に意味するもの

「バルブ アクチュエータの大きさはどのくらいにすべきですか?」に対する正しい答えは次のとおりです。方法は簡単です。アクチュエータは、ストロークの最悪点、保証できる最低供給条件で、バルブが要求する以上のトルクを供給する必要があります。適切なサイジング方法はどれも、その 1 つの条件を証明するための構造化された方法にすぎません。標準的な産業の出発点は、 最小トルク安全マージン 25% バルブメーカーが公表している最大ブレーキトルクを超えています。

アクチュエータのサイズが小さすぎると、バルブがエンドストップに到達する前に失速し、バルブが部分的に開いたり閉じたりしたままになり、過剰な電流が流れ、最終的には過熱または継続的な失速によって故障します。アクチュエータのサイズが大きすぎると、バルブがシートに叩きつけられ、ステムが曲がり、トリムに過度のストレスがかかり、正確な制御が困難になります。したがって、サイジングは、見つけられる最大のアクチュエータを選択することではありません。それは、アクチュエーター曲線の最低点がバルブトルク曲線の最高点よりも上にあることを証明することです。

結論: 過小なサイズ設定は動作不良の原因となり、無謀な過大サイズは機械的損傷の原因となります。文書化されたトルク計算によりバルブとアクチュエータの両方が保護され、プロセス条件が変化したときにプロジェクト チームが再確認できる記録が得られます。

あらゆるサイジング計算の基礎となるトルク値

サイジングはバルブメーカーからのトルクデータから始まります。 1/4 回転バルブの場合、設計差圧でのブレーキ トルク、ランニング トルク、エンド トルク、最大遮断トルクの 4 つの値が必要です。リニアバルブの場合は、同等の推力値が必要です。このデータシートがなければ、アクチュエータの選択は推測になります。

1/4 回転バルブ: ブレーキ、ランニング、エンドトルク

• 破壊トルク 回転を開始し、ボール、バタフライ ディスク、またはプラグを外すのに必要なトルクです。これは、通常、特に弁座が閉鎖部材を掴む弾性弁座の場合、サイクル内の最高値です。
• ランニングトルク バルブを動かし続けるために必要なトルクです。これは主に、ディスクまたはボールに作用するパッキン摩擦、ベアリング摩擦、および流動トルクで構成されます。
• 終了トルク シートの圧縮、移動停止、および一部の設計では閉鎖部材にかかるプロセス圧力負荷によって、完全に開いた位置または完全に閉じた位置で発生します。

リニアバルブ: シート荷重、パッキン摩擦、アンバランス

• シート荷重 必要な遮断クラスを達成するために、プラグまたはゲートをシートに押し込むのに必要な力です。多くの場合、ソフトシート バルブよりもメタルシート バルブの方が高くなります。
• パッキン摩擦 ステムが梱包箱を滑り抜ける抵抗です。パッキンが古くなるにつれて上昇し、バルブが数サイクル使用された後は常に高くなります。
• 油圧アンバランス は、有効プラグ領域に作用するプロセス圧力からの力です。高圧降下のサービスにおける単座グローブ バルブの場合、この項が推力の計算に影響を与える可能性があります。

段階的なバルブアクチュエータのサイズ設定手順

新しいバルブと改造プロジェクトの両方にこの手順を使用してください。これは空圧式、油圧式、電気式のアクチュエータで動作し、テクノロジ間で異なるのはトルク供給の計算のみです。

1. バルブトルクシートをご請求ください。 最大差圧と最大温度でのブレーキ、運転、終了トルクの値を取得します。ステムドライブの寸法と取り付けフランジのサイズにも注意してください。
2. 安全係数を適用します。 公表されている最大のバルブ トルクに少なくとも 1.25 を掛けます。汚れ、研磨性、またはハイサイクルのサービスには、1.5 以上を使用してください。
3. フェールセーフ位置を定義します。 バルブをフェイルオープンするか、フェイルクローズするか、または電力や空気が失われた場合でも所定の位置に留まる必要があるかを決定します。これにより、アクチュエータのタイプとスプリング要件が決まります。
4. 供給条件を確認してください。 保証されている最低空気圧、油圧範囲、またはアクチュエータの設置場所で利用可能な電源電圧を記録します。
5. 試用アクチュエータを選択してください。 アクチュエータのカタログ記載の最低供給圧力時の出力トルクと安全率を含めた必要トルクを比較してください。
6. すべてのトルクポイントを確認します。 スプリングリターン式アクチュエータの場合は、エアスタートトルク、エアエンドトルク、スプリングスタートトルク、スプリングエンドトルクを確認してください。複動アクチュエータの場合は、両方向の最小供給圧力で出力を確認してください。
7. ストローク時間と付属品を確認してください。 アクチュエータがプロセス制限時間内にバルブをストロークすること、取り付けインターフェースが ISO 5211 の寸法と一致していること、およびポジショナ、リミット スイッチ、またはソレノイド パイロットがアクチュエータの出力に過負荷を与えていないことを確認します。

このシーケンスは単純に見えますが、サイジング エラーのほとんどが残るのは検証ステップです。スプリング リターン アクチュエータの購入を承認する前に、必ず 4 点トルク チェックを実行してください。

安全係数: トルクマージンはどれくらいあれば十分ですか

安全係数は、アクチュエータのサイジングにおいて最も単純で最も誤解されている部分です。より大きなモデルをランダムに選択することは許可されていません。これは、トルク測定公差、パッキンの経年劣化、シートの磨耗、設計外の差圧、プロセス媒体の汚れなど、実際のあらゆる設置に現れる不確実性を意図的に考慮したものです。これらのそれぞれは、新品のバルブのデータシートと比較して、バルブが実際に要求するトルクを増加させます。

選択した安全係数を技術仕様に書き込んで、次のエンジニアまたはバルブ パッケージ ベンダーが計算を正確に再現できるようにします。文書化されていないマージンについては、プロジェクト会議のたびに再交渉され、その結果、議論を解決するために不必要に大きなアクチュエータを購入することになることがよくあります。

スプリング リターン フェールセーフのサイジング: 4 つのポイント チェック

スプリングリターン アクチュエータは、アクチュエータがストロークするにつれてスプリングが圧縮されるため、各位置で異なるトルクを生成します。エアトルクは、アクチュエータが最初に動き始めるときに最も高く、スプリングが完全に圧縮されたときに最も低くなります。スプリングトルクは逆で、開位置で最も低くなり、閉位置で最も高くなります。このため、フェールセーフ アクチュエータには単一のトルク値では決して十分ではありません。

フェールクローズ スプリング リターン アクチュエータの場合は、次の 4 つの動作点を順番に確認します。

• エアスタート (バルブを閉じ、エアを供給): アクチュエータは空気圧でバルブ破壊トルクに打ち勝ち、開き始める必要があります。エアスタートトルクはブレーキトルクより大きくなければなりません。
• 空気端 (バルブが開き、スプリングが圧縮されている): エアトルクは最低点にあります。回転トルクよりも大きくなければなりません。そうしないと、バルブの速度が低下し、開位置に達する前に停止します。
• スプリングスタート (バルブが開き、空気が排出される): スプリングがバルブを押して閉じ始めます。スプリングスタートトルクはランニングトルクより高くなければなりません。そうしないとバルブがストローク途中で失速します。
• スプリングエンド (バルブが閉じ、スプリングが固定されている): スプリングトルクは最大値になります。スプリングエンドのトルクは、差圧に対してバルブを完全に固定するのに十分な大きさでなければなりません。

よくある失敗は、スプリングエンドトルクのみをチェックすることです。多くのスコッチヨーク設計では、エアトルクは開位置と閉位置の間で 30% ～ 50% 低下します。エアエンドトルクがランニングトルクを下回ると、通常の動作中にバルブが閉位置に向かってクリープし、ポジショナは一日中アクチュエータと戦うことになります。

実践例: バタフライ バルブ用の空気圧アクチュエータのサイズ設定

次の計算では例示的な値が使用されます。購入を決定する前に、特定のバルブ メーカーのトルク データに置き換えてください。

プロセス プラントでは、水を隔離するために 6 インチ (DN150) の弾性シート付きバタフライ バルブを自動化する必要があります。バルブメーカーは次の破壊トルクを指定しています。 200N・m 、ランニングトルクは 110N・m 、終了トルクは 90N・m 10バールの遮断差圧で。利用可能な空気圧供給は、 5.5バール 。空気が失われた場合、バルブは失敗して閉じなければなりません。

1. 必要最小出力＝200N・m×1.25＝ 250N・m .
2. フェールクローズとは、スプリングリターンアクチュエータが必要であり、スプリングエンドトルクが少なくとも 250 N·m である必要があることを意味します。
3. 候補となるスプリング リターン スコッチ ヨーク アクチュエータの性能は、エア開始 380 N·m、エア終了 300 N·m、スプリング スタート 160 N·m、スプリング エンド 275 N·m (すべて 5.5 bar 供給で測定) です。
4. 4 点の検証を以下の表にまとめます。

次に、供給圧力が低下した 4 bar で同じアクチュエータをチェックします。空気圧出力は圧力に比例して変化します。エア開始は 380 × 4 ÷ 5.5 = 276 N・m、エア終了は 218 N・m になります。バネ値は変わりません。開口マージンは 180 N・m から 76 N・m に縮小しますが、構成は依然として合格です。これは圧力チェックの正しい使用方法です。プラントの公称圧力ではなく、常に保証できる最小供給量で検証します。

高トルクおよび狭いスペースでの作業に適した油圧アクチュエータのサイジング

一般的なサイジング ガイドでは電気アクチュエータと空気圧アクチュエータが最も注目されていますが、油圧アクチュエータは 3 つのテクノロジーの中で最高の電力密度を提供します。油圧システムは通常、プラント空気の 3 ～ 8 bar ではなく 70 ～ 210 bar で動作するため、コンパクトな油圧シリンダは、はるかに大型の空気圧アクチュエータを必要とするトルクを生成できます。

油圧アクチュエータのサイズ決定手順

油圧アクチュエータのサイズを決定する場合、2 つの違いが重要になります。まず、最大出力はポンプの最大定格圧力ではなく、リリーフバルブの設定によって設定されます。次に、アクチュエータのトルクは、有効ピストン面積と動作時のピストン両端の差圧から計算されます。逆算して、トルクの上限を定義するため、最初にリリーフバルブの設定を選択し、次に必要なストローク時間に合わせて流路のサイズを決定し、次にポンプとモーターが流量を供給できることを確認します。

油圧ループを構成するコンポーネント

制御ループは、油圧サイジングの問題のほとんどが発生する場所です。標準のバルブアクチュエータパッケージでは、 油圧電磁弁 流れの方向を切り替えてアクチュエータを伸縮させます。あ パワーユニット調整弁 ストローク時間がプロセス限界内に収まるように流量を調整します。あ パワーユニットリリーフバルブ 最大システム圧力を制限することで、バルブ シートをトルク スパイクから保護します。

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油圧アクチュエータ パッケージのサイジング手順は簡単です。バルブのデータシートと安全率から必要なトルクを計算します。アクチュエータの有効面積とモーメントアームを使用して、トルクを必要な差圧に変換します。リリーフバルブをその圧力を十分に上回る値、通常は 10% ～ 20% 高い値に設定します。これにより、リリーフバルブが上昇することなくアクチュエータがフルトルクを発生できるようになります。次に、必要な時間内にバルブをストロークさせるのに十分な流量が得られるように、ポンプとモーターのサイズを決定します。最後に、電磁弁の流量係数が十分大きいことを確認し、調整弁でストローク速度を微調整してください。

これらはすべて、あなたが理解していることを前提としています 油圧システムの動作原理 特に、高速ストローク時のポンプ流量、バルブ応答、アクチュエータ変位がどのように相互作用するかが重要です。実際には、 油圧パワーユニットは機械式パワーユニットに比べて操作が比較的簡単です。 そのため、大口径の隔離バルブ、タンク ファーム ゲート、重量物運搬装置では油圧バルブの作動が一般的です。

現場での故障を引き起こす 7 つのサイジングの間違い

アクチュエータの故障のほとんどは、製品の欠陥によって引き起こされるものではありません。これらは、エンジニアリング段階での不完全な計算によって引き起こされます。これら 7 つの間違いは、現場報告書や試運転記録に何度も現れます。

1. ブレーキトルクではなくランニングトルクからサイジングします。 バルブは通常、最大差圧下で停止状態から始動するため、ブレーキトルクは小型のアクチュエータを失速させる値となります。
2. 公称供給圧力でのサイジング。 プラントの空気と油圧の供給は変動します。アクチュエータ出力が 5.5 bar で計算されているが、実際の最小値が 4 bar である場合、安全マージンが完全に消失する可能性があります。
3. 安全係数を 2 回加算します。 バルブ メーカーが公表しているブレーキ トルクにすでにマージンを含めている場合、さらに 25% を追加すると、選択サイズが 1 ～ 2 サイズ大きくなりすぎる可能性があります。
4. 安心のオーバーサイズ。 非常に大きなアクチュエーターはバルブをシートに叩きつけ、ステムを曲げ、制御を不安定にします。マージンは不確実性をカバーするためのものであり、乱暴な操作を吸収するためのものではありません。
5. スプリングリターンアクチュエータのスプリングエンドのみをチェックします。 スコッチヨーク設計のエアエンドトルクは 30% ～ 50% 低下する可能性があり、その低下点がバルブが開停止に到達しない理由になる可能性があります。
6. 取り付けインターフェイスは無視します。 アクチュエータのフランジがバルブ ステム ドライブの寸法と一致しない場合、正しいトルク計算は役に立ちません。試運転時ではなく、注文前にインターフェースを確認してください。
7. ストローク時間チェックをスキップします。 十分なトルクを備えたアクチュエータでも、緊急プロセス インターロックには遅すぎる可能性があります。パイロットバルブと供給ラインを含めた完全な移動時間を必ず確認してください。

事前注文サイズチェックリスト

注文書を完成させる前に、バルブのデータシートとアクチュエータのカタログを前にしてこのチェックリストを実行してください。いずれかの項目に対する否定的な回答は、サイジングが完了していないことを意味します。

• 最大差圧と最大動作温度でのバルブの破損、動作、および終了トルクを確認します。
• 文書化された少なくとも 1.25 の安全係数を適用し、それを仕様に記載します。
• フェールセーフ位置を定義し、スプリング リターン ユニットのスプリング エンド トルクとスプリング スタート トルクの両方を確認します。
• アクチュエータで利用可能な保証された最低供給圧力と、その値を使用したサイズを記録します。
• ISO 5211 取り付けフランジのサイズとステムドライブの寸法を確認してください。
• ソレノイドやラインの損失を含め、プロセス要件に照らして全ストローク時間を確認してください。
• すべての付属品を指定します: ポジショナー、リミット スイッチ、ソレノイド パイロット バルブ、マニュアル オーバーライド、およびローカル位置インジケーター。
• 注文を承認する前に、最小供給条件でトルク検証を最後にもう一度繰り返します。

アクチュエータを駆動するための油圧パワーユニットを構築している場合は、次の点を確認してください。 AC油圧パワーユニットバイヤーズガイド ポンプとモーターのサイズを決定する前に。アクチュエータからのトルク要件は、パワーユニットが提供しなければならない圧力と流量の要件になります。

FAQ: バルブ アクチュエータのサイジングに関するエンジニアからのよくある質問

アクチュエータのサイジングにおける 25% の安全率ルールとは何ですか?

25% ルールは、アクチュエータの出力トルクがバルブの公表されている最大ブレーキ トルクの少なくとも 1.25 倍でなければならないことを意味します。測定の不確かさ、パッキンの経年劣化、テストされたバルブと納品されたバルブの間のわずかな違いについても説明します。ターゲットとしてではなく、フロアとして扱います。プロセスが汚れていたり、磨耗していたり​​、安全性が重要な場合は、この値を 1.5 以上に増やします。

スプリングリターンアクチュエータではなぜ 4 点のトルクチェックが必要なのでしょうか?

位置によってトルク出力が変化するためです。エアトルクはストロークの開始時に最も高く、スプリングが完全に圧縮されたときに最も低くなります。スプリングトルクが逆になります。単一のカタログ値では、バルブが完全に開くか、完全に閉じるか、ストローク全体を通じて位置を保持するかどうかを判断することはできません。これを行うことができるのは、エア開始、エア終了、スプリング開始、およびスプリング終了の値のみです。

アクチュエータの過大化は有害ですか?

はい。必要なブレーキトルクの約 2 倍を超えるマージンがあると、シートが設計範囲を超えて圧縮され、サイドロード設計でステムが曲がり、高速閉鎖中にウォーターハンマーが発生し、制御ループの調整が非常に困難になる可能性があります。目標は、カタログ内の最大のアクチュエータではなく、証明されたプラスのマージンです。

供給圧力はアクチュエータの出力トルクにどう影響しますか?

空気圧アクチュエータの場合、出力トルクは供給圧力にほぼ直線的に比例します。 5.5 bar で 380 N・m を発生するアクチュエータは、4 bar でわずか 276 N・m しか発揮できません。油圧アクチュエータの場合、トルクはピストン全体の差圧に応じて変化しますが、この差圧はリリーフバルブの設定によって制限されます。常に、システムが維持できる最小圧力でサイズを決定します。

バルブメーカーにどのようなトルクデータを要求すればよいですか?

両流れ方向の最大差圧と最大温度でのブレーキトルク、ランニングトルク、エンドトルクを求めます。リニアバルブの場合はシート荷重、パッキン摩擦、アンバランス面積をご請求ください。また、公開された値にすでに安全マージンが含まれているかどうかも確認し、その上に 2 番目のマージンを追加しないようにしてください。

どのような場合に、空気圧または電気ではなく油圧作動を選択する必要がありますか?

必要なトルクが非常に高い場合、設置スペースが狭い場合、プラントの空気が信頼できないか乾燥が不十分な場合、または空気供給の変動に関係なく一貫した力が必要な場合には、油圧作動を選択してください。油圧システムは、油圧源がすでに存在する大口径遮断弁、ホイスト、モバイル機器にも最適です。

最終的なサイジングのポイント

バルブ アクチュエータのサイジングは、単一のテーブル検索ではなく、検証ループです。バルブのサイズ、圧力クラス、プロセス媒体、または供給圧力が変化するたびに再実行します。すべての入力値 (ブレーキトルク値、安全係数、スプリングエンドトルク、実際に保証する最低供給圧力) を文書化し、そのファイルをバルブのデータシートと一緒に保管してください。

最小供給量で 4 つのトルク チェックすべてに合格し、必要なストローク時間を満たし、標準の取り付けフランジに適合し、文書化されたマージンを残しているアクチュエータが正しいアクチュエータです。これがすべての仕事です。適切に実行すると、バルブ システムの中で最も高価な故障モード、つまりアクチュエータがボルトで固定され、プロセスが実行された後にのみ発生する故障モードが防止されます。