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Actionneurs de vanne construits pour la longévité

janvier 10, 2024  By Jeff Elliott


Les actionneurs à cycle élevé sont souvent considérés comme ayant une courte durée de vie, avec des besoins d’installation et de maintenance coûteux. Cependant, de nombreux transformateurs de premier plan se rendent compte que des actionneurs bien conçus peuvent offrir des performances fiables pendant des années avec un minimum d’entretien ou de réparation.

Dans les usines de produits alimentaires, de pâte à papier, de produits pharmaceutiques et de produits chimiques, les transformateurs travaillent souvent 24 heures sur 24 pour produire des produits chimiques, des peintures, des résines, des lubrifiants, des ingrédients et d’autres matières premières. Pour fabriquer ces produits, les actionneurs à grande vitesse et à cycle élevé ouvrent, ferment ou étranglent les vannes pour réguler, diriger ou contrôler le flux de gaz, de liquides, de solides fluidifiés ou de boues.

De nombreux transformateurs se sont habitués à l’idée que les actionneurs à cycle élevé ont une durée de vie courte et nécessitent une maintenance régulière pour remplacer les pièces sujettes à l’usure, telles que les joints toriques, les ressorts, les cylindres et autres. Dans certaines installations, cette tâche peut absorber la totalité du temps de travail d’un technicien.

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Toutefois, de nombreux transformateurs de premier plan commencent à reconsidérer cette attente, compte tenu des coûts élevés d’installation et d’entretien.

En réalité, un actionneur bien conçu doit pouvoir fournir des performances fiables pendant de nombreuses années au-delà de la période de garantie. Si une maintenance ou une réparation est nécessaire, elle doit être peu fréquente et suffisamment simple pour qu’un seul technicien puisse la réaliser à l’aide d’outils courants. Pour l’entretien ou la réparation, l’actionneur doit être facilement accessible sans qu’il soit nécessaire de le démonter de la vanne. Il s’agit d’un facteur crucial, car les fabricants de vannes annuleront les garanties si l’actionneur est détaché de son support.

Exigences élevées en matière d’actionneurs

L’utilisation et le stress des actionneurs sont souvent liés à la fréquence des cycles d’ouverture et de fermeture des vannes. Le nombre de cycles varie souvent en fonction de l’environnement ou de l’application. Certains actionneurs sont rarement utilisés, tandis que d’autres fonctionnent régulièrement. Les actionneurs de vannes à cycle élevé et à grande vitesse – que l’on trouve souvent dans les opérations de traitement – peuvent s’ouvrir rapidement et de manière répétée plusieurs fois par heure, sans interruption tout au long de l’année.

Le problème principal réside dans l’utilisation élevée et la demande placée sur l’actionneur.

Les actionneurs se présentent sous différentes formes en fonction de l’action mécanique requise, par exemple linéaire ou rotative, mais tous impliquent des pièces mobiles qui subissent une force, une usure et des contraintes considérables. Dans les usines de transformation, les actionneurs sont également installés dans des environnements industriels hautement corrosifs. De nombreuses conceptions ne tiennent pas compte de ces facteurs et sont mal conçues, ce qui entraîne des charges latérales excessives, l’usure de pièces non soumises à l’usure et divers autres problèmes.

La haute fiabilité est un autre facteur crucial pour Scott Howard de NewGen Products, un spécialiste de l’automatisation des vannes. Nombre de ses clients travaillent dans l’industrie aérospatiale, où des vannes équipées d’actionneurs régulent le flux de gaz cryogéniques pour les opérations de ravitaillement et de stockage.

Pour des applications critiques comme celles-ci, Howard recommande souvent un actionneur haut de gamme, spécialement conçu pour l’application. Bien que le coût initial puisse être plus élevé, ces actionneurs sont conçus pour fonctionner de manière fiable dans des environnements difficiles. Toutefois, même dans cette catégorie, de nombreux actionneurs ne sont pas censés durer. «De nombreux actionneurs haut de gamme sont remis en état tous les trois ou quatre ans», explique M. Howard.

Plus de boîte à lunch

L’actionneur, qui tire son nom de son corps et de son cylindre en aluminium extrudé d’une seule pièce qui ressemble à une boîte à lunch, est populaire parce qu’il est compact, peu coûteux et qu’il fonctionne bien. Les actionneurs de boîte à lunch en aluminium ne sont pas très fiables et se cassent souvent, cependant, dans des environnements ou des applications plus exigeants.

Pour résoudre bon nombre de ces problèmes, QTRCO a conçu un actionneur doté d’un mécanisme interne de «crémaillère et d’engrenage» comme alternative à sa conception traditionnelle de crémaillère et de pignon.

Les actionneurs sont conçus avec des cylindres décalés qui alignent l’axe du piston sur le diamètre du cercle primitif du pignon, éliminant ainsi les forces en porte-à-faux et les frottements. L’entreprise a également remplacé les blocs de glissement, les patins d’usure et les bagues par des rouleaux spécialisés. Par conséquent, les actionneurs à crémaillère et à engrenage présentent un frottement interne extrêmement faible.

Remplacement fréquent

Avec un actionneur spécialement conçu pour des performances fiables et durables, les processeurs peuvent économiser les coûts associés à des remplacements plus fréquents.

Dans une usine de transformation qu’il a visitée, M. Howard explique que l’actionneur s’est déclenché deux fois par minute pendant toute l’année, ce qui représente plus d’un million de cycles par an. Compte tenu de l’utilisation, l’usine remplaçait l’actionneur chaque année lors d’arrêts planifiés.

Selon M. Howard, le remplacement d’un actionneur nécessite généralement une journée entière pour un seul technicien, souvent avec l’aide d’au moins deux autres personnes. Si l’actionneur est suffisamment grand, une grue est nécessaire. Si l’on tient compte des coûts potentiels de main-d’œuvre horaire et de location, une usine peut économiser des milliers d’euros chaque fois qu’elle élimine la nécessité de remplacer un actionneur.

«Si une usine n’a pas à changer d’actionneur chaque année, elle vient d’économiser une fortune», explique M. Howard.

Lorsqu’une maintenance préventive ou une réparation est nécessaire, elle doit pouvoir être effectuée facilement à l’aide d’outils courants et sans retirer l’actionneur de la vanne. Dans le cas des grands robinets à tournant sphérique à siège métallique, il est essentiel de monter l’actionneur avec une extrême précision. Un léger défaut d’alignement lors du montage peut endommager gravement une vanne dont le prix s’élève à plusieurs centaines de milliers de dollars. La connexion est tellement cruciale que la plupart des grands fabricants de vannes annuleront les garanties si l’actionneur est retiré.

Dans de rares cas, les actionneurs peuvent être facilement entretenus sans être démontés de la vanne. Cela permet de retirer et de remplacer facilement les embouts, les cylindres et les joints toriques, souvent sans outils spéciaux.

Sécurité

Selon Ross Evans, également chez NewGen Products, la sécurité est une autre préoccupation lors de la maintenance préventive et de la réparation. Les actionneurs de taille considérable peuvent nécessiter l’intervention de deux personnes pour les soulever et les déplacer.

«Imaginez que vous soyez dans une usine et que vous montiez six étages jusqu’à une passerelle pour entretenir un actionneur. Avec un tel poids, que faut-il pour mettre en place les grues et les gréements afin de retirer l’actionneur en toute sécurité ? Il faut retirer toutes les conduites pneumatiques, débrancher l’électricité et avoir deux mains pour le faire. Cela représente beaucoup de coûts, de temps et de risques», explique M. Evans.

«L’autre possibilité est d’effectuer la maintenance du robinet lorsqu’il est en place», ajoute M. Evans. «J’arrête l’unité, je l’étiquète, j’enlève le capuchon d’extrémité, j’inspecte le cylindre, j’enlève un joint torique, je le graisse et je le remets en place. En 10 minutes environ par bouteille, nous sommes de nouveau opérationnels.

La conception de l’actionneur peut également contribuer aux problèmes de sécurité. De nombreuses conceptions d’étrier Scotch comportent un piston unique sur un côté de l’unité. Le levage ou le gréage d’un piston unique déséquilibré est difficile en raison de son inclinaison importante d’un côté.

Pour les applications de traitement à grande vitesse et à cycle élevé, QTRCO recommande de dimensionner une version à deux pistons de sa conception à étrier plat. Les deux pistons équilibrent les forces des deux côtés de l’arbre, évitant ainsi l’usure des bagues. La conception comprend également l’ajout d’un deuxième module de force équilibrant le poids et la force, décalé en diagonale par rapport au premier.

En équilibrant les forces, il y a moins de frottement et d’usure et aucune force nette n’est appliquée aux bagues d’arbre. Le poids équilibré rend également le levage et la manipulation des actionneurs plus sûrs et plus faciles, tout en réduisant les contraintes sur le col du robinet qui peuvent se produire avec des actionneurs à arcade non équilibrés.

Un autre problème est le jeu de ressorts utilisé dans de nombreux actionneurs de boîtes à lunch, qui sont soumis à une charge et doivent être contrôlés en toute sécurité une fois que l’embout est retiré. Si le ressort se bloque et que le mécanisme qui le contient cède, la force exercée peut être équivalente à celle d’un fusil de chasse.

«Sur un actionneur, le capuchon d’extrémité s’est corrodé et s’est rompu. Le ressort de l’actionneur s’est déchargé à l’extérieur de l’atelier», explique M. Evans.

Il dit avoir personnellement observé des techniciens de terrain expérimentés qui travaillent régulièrement sur des actionneurs et qui se déplacent hors de la ligne du cylindre pour retirer le capuchon d’extrémité de l’actionneur.

«Toute personne ayant effectué une opération de maintenance sur un actionneur connaît l’énergie potentielle contenue dans le ressort», explique M. Evans.

Avec QTRCO, le ressort est entièrement capturé à l’aide d’une solide tige en acier inoxydable qui passe à travers les dispositifs de retenue du ressort et un collier de sécurité le bloque en place. Pour remplacer les ressorts, il suffit de retirer le capuchon d’extrémité et de remplacer la cartouche.

«Une fois qu’ils ont capturé ces ressorts, ils sont conçus pour ne plus jamais se démonter – ils restent capturés. Il s’agit d’un dispositif de sécurité important», explique M. Evans.

Une solution rentable pour les transformateurs

L’installation d’actionneurs conçus pour durer et nécessitant un minimum d’entretien ou de réparation apporte non seulement des avantages significatifs, mais s’avère également plus rentable à long terme, même si le coût initial de possession est plus élevé. Lorsque plusieurs actionneurs sont installés dans une usine de transformation, les économies peuvent s’accumuler.

«Si vous placez un actionneur bien conçu dans l’une de ces applications exigeantes et que vous devez rarement effectuer des opérations de maintenance ou le remplacer très rapidement, le coût total de possession est bien moindre», explique M. Evans.

«Si vous pouvez obtenir trois ou quatre années supplémentaires de fonctionnement d’un actionneur, vous venez de compenser la différence de coût que vous aviez sur le prix initial», note Evans, qui ajoute que cela ne prend même pas en compte le principal facteur de coût de l’usine : les temps d’arrêt.

Aujourd’hui, les progrès réalisés dans la conception d’actionneurs à grande vitesse et à cycle élevé permettent aux transformateurs de produits alimentaires, de pâtes et papiers, de produits pharmaceutiques et de produits chimiques de créer plus facilement des produits de haute qualité.

Avec un actionneur spécialement conçu pour des performances fiables et durables, les transformateurs peuvent réduire les coûts associés à un composant de fabrication à forte intensité de main-d’œuvre qui, aujourd’hui, nécessite trop souvent une maintenance, des réparations et des remplacements fréquents.

Jeff Elliott est un rédacteur technique basé à Torrance, en Californie. Il effectue des recherches et rédige des articles sur les technologies et les problèmes industriels depuis 20 ans.


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