Comprendre la durée de vie d’un actionneur (et pourquoi vous devez vous en préoccuper)

Un « cycle d’actionnement » est défini comme le résultat de l’actionnement d’un actionneur pour ouvrir puis fermer une vanne dans un environnement de processus installé. Le nombre total de fois que l’actionneur peut ouvrir/fermer une vanne donnée dans des conditions idéales est la durée de vie du cycle de l’actionneur. La durée de vie d’un actionneur n’est toutefois pas fixe et varie considérablement en fonction des conditions de fonctionnement de la vanne reliée à l’actionneur. D’autres facteurs, tels que le cycle d’utilisation, l’environnement et les caractéristiques nominales du boîtier, l’alimentation électrique et le signal de commande, le dimensionnement approprié de l’actionneur et la fréquence d’utilisation, peuvent tous influencer la durée de vie du cycle de l’actionneur.

Les fabricants conçoivent les actionneurs comme des solutions robustes et durables pour le fonctionnement automatisé des vannes. Les environnements dans lesquels les actionneurs sont utilisés peuvent varier considérablement, y compris les processus intérieurs et extérieurs. Le fonctionnement de l’actionneur peut aller de la simple tâche de manœuvrer des vannes à boule ou des vannes papillon quart de tour à des opérations multi-tours plus avancées que l’on trouve sur les vannes à diaphragme ou les vannes à guillotine. Quelle que soit l’application ou l’environnement, vous devez toujours vous assurer qu’un actionneur est capable d’ouvrir et de fermer une vanne de manière répétée.

Nous aborderons deux types principaux d’actionneurs : les actionneurs pneumatiques et les actionneurs électriques, qui offrent tous deux des avantages distincts en termes de performances dans des applications spécifiques. L’actionnement est choisi en fonction du coût, de la disponibilité des ressources et de la capacité à commander manuellement la vanne en position ouverte ou fermée en cas de perte de puissance.

Les actionneurs ne sont pas de taille unique ; ils sont idéalement associés à des vannes qui répondent aux exigences de taille et de couple appropriées. En règle générale, un actionneur doit pouvoir fournir un couple de sortie disponible supérieur d’environ 25 % aux exigences de la vanne qu’il actionne. Ce tampon garantit un fonctionnement fiable dans toute la gamme des conditions dans lesquelles le robinet doit fonctionner. Examinons maintenant de plus près les éléments qui devraient influencer votre choix entre un actionneur pneumatique et un actionneur électrique.

Les actionneurs pneumatiques constituent également une excellente solution pour de nombreux besoins en matière d’automatisation des vannes. Ils peuvent être fournis en simple effet (air pour ouvrir, ressort pour fermer) ou en double effet (air pour ouvrir, air pour fermer), et sont disponibles en version crémaillère. En outre, les actionneurs pneumatiques sont dotés d’une interface solénoïde NAMUR pour l’acheminement de l’alimentation en air et d’une interface de montage d’interrupteur de fin de course NAMUR. Comme un actionneur pneumatique nécessite de l’air comprimé pour fonctionner, un compresseur et un système de tuyauterie d’air comprimé doivent être installés et entretenus, en plus des exigences électriques pour le solénoïde qui actionne l’actionneur. La plupart des actionneurs pneumatiques ne sont pas équipés en standard d’une commande manuelle débrayable. Les actionneurs pneumatiques sont bien adaptés aux cycles d’ouverture/fermeture rapides et répétés de la vanne et ne posent pas de problème de cycle de fonctionnement.

Les actionneurs électriques constituent une excellente solution pour de nombreux besoins en matière d’automatisation des vannes. Les actionneurs électriques sont disponibles dans une variété de tensions d’entrée et comprennent généralement en standard des commandes manuelles débrayables intégrées. Ils sont calibrés sur des butées ouvertes/fermées et comprennent un temps de cycle fixe de 90 degrés. Parmi les autres caractéristiques, citons la classification du boîtier en fonction de l’environnement, les indicateurs visuels de position et le séquençage de confirmation de position vers un automate programmable. Les actionneurs électriques sont idéaux pour les applications intérieures, car ils peuvent être utilisés partout où une source d’énergie est disponible. Les actionneurs de type électrique ont également besoin d’un temps de repos pour limiter l’accumulation de chaleur interne, ce qui se traduit par un cycle de travail nominal qui tient compte du temps de refroidissement nécessaire pour éviter la surchauffe du moteur. Ces actionneurs sont disponibles en version ouverte/fermée, modulante, à sécurité positive ou modulante à sécurité positive, pour répondre aux différentes exigences des applications.

Le rapport cyclique s’applique exclusivement aux actionneurs électriques. Il s’agit d’un équilibre entre le pourcentage de temps pendant lequel le moteur de l’actionneur fonctionne et le temps pendant lequel l’actionneur est au repos. Le rapport cyclique peut être exprimé par la formule ci-dessous :

Le respect d’un cycle de fonctionnement nominal empêche le moteur de surchauffer, ce qui prolonge la durée de vie de l’actionneur en lui donnant un temps de refroidissement. Des facteurs tels que le respect de la règle générale du « couple nominal de sortie de la vanne plus 25 % » contribuent également à garantir que l’actionneur reste dans la plage nominale du cycle d’utilisation. En outre, la température et l’humidité ambiantes peuvent affecter négativement la capacité des actionneurs à dissiper la chaleur, réduisant ainsi la capacité à maintenir le cycle de fonctionnement nominal.

L’environnement de fonctionnement de l’actionneur peut avoir un impact négatif sur sa durée de vie. Les actionneurs électriques préfèrent, dans la mesure du possible, les environnements secs et peu humides. Les actionneurs pneumatiques sont moins sensibles à ces effets négatifs et peuvent être utilisés dans certains des environnements les plus difficiles et les plus exigeants.

Le classement des boîtiers concerne principalement les actionneurs électriques, mais il peut également s’appliquer aux actionneurs pneumatiques. Lorsqu’un interrupteur de fin de course, un solénoïde ou un positionneur est ajouté à la vanne et à l’actionneur, chaque accessoire possède son propre indice de protection électrique. La norme NEMA Enclosure Ratings est indiquée ci-dessous à titre de référence :

D’une manière générale, les classements NEMA Type 4 et NEMA Type 4X avec une résistance accrue à la corrosion (pour les emplacements généraux) sont les cibles les plus courantes de la conception des boîtiers. Ils offrent une bonne gamme d’environnements de travail, à condition qu’un emplacement dangereux ne soit pas envisagé pour l’actionneur. Certains actionneurs peuvent être classés NEMA Type 6 pour une immersion temporaire ; cependant, un actionneur pneumatique avec un solénoïde monté à distance est une bien meilleure solution pour les environnements d’immersion temporaire, car il permet d’augmenter la durée de vie du produit.

Les actionneurs pneumatiques et électriques nécessitent une alimentation électrique et un signal de commande commutable pour faire fonctionner la vanne actionnée (et, comme indiqué précédemment, les actionneurs pneumatiques nécessitent également un système d’air comprimé). Les actionneurs électriques ont besoin d’une alimentation électrique régulière, exempte de pointes de tension, de surtensions ou de croisements. Lors de la mise en place d’un groupe d’actionneurs électriques à moteur inversé et à condensateur, chaque actionneur nécessite son propre interrupteur ou ses propres contacts de relais afin d’éviter toute alimentation croisée entre les actionneurs. Ce phénomène entraînerait l’alimentation des deux enroulements, ce qui créerait une lutte d’énergie interne et générerait une chaleur extrême dans le moteur. Les actionneurs pneumatiques n’ont pas ce problème car leur solénoïde peut être monté en batterie et alimenté collectivement. Les cas d’alimentation croisée peuvent réduire considérablement la durée de vie d’un actionneur électrique. Il est donc essentiel de les éviter pour garantir la fiabilité, la précision de l’arrêt de la position et la prévisibilité des performances.

Les conceptions pneumatiques et électriques nécessitent un dimensionnement approprié de l’actionneur par rapport à la vanne qu’il actionne. Tous les actionneurs ont un couple de sortie nominal, tandis que toutes les vannes ont des exigences de couple pour l’ouverture et la fermeture. Pour maintenir la durée de vie souhaitée, il est essentiel de s’assurer qu’une vanne est initialement associée à un actionneur capable de fournir un couple supérieur à 25 % du couple de fonctionnement « le plus élevé possible » de la vanne. Qu’est-ce que le couple de fonctionnement « le plus élevé possible » et pourquoi cette exigence n’est-elle pas systématique ? Avec une vanne à boisseau sphérique, le couple est généralement stable tout au long de la rotation de 90 degrés entre l’ouverture et la fermeture ; cependant, une vanne papillon présente des considérations différentes. Les robinets à papillon ont des valeurs de couple supplémentaires : couple de rupture et couple d’assise. Ces valeurs sont bien plus importantes que le couple de fonctionnement lors de la rotation du disque entre les positions ouverte et fermée. Les valeurs du couple de rupture et du couple d’assise peuvent différer légèrement, c’est pourquoi Asahi considère le plus élevé des deux pour l’actionnement. Tout actionneur dont la puissance est insuffisante pour la vanne aura une durée de vie plus courte que celle d’un ensemble vanne et actionneur de taille appropriée.

La fréquence d’utilisation est un facteur à prendre en compte pour les actionneurs pneumatiques et électriques, les actionneurs pneumatiques étant les grands gagnants lorsqu’un actionnement rapide et fréquent de la vanne est nécessaire, grâce à l’avantage du cycle de service mentionné plus haut. Dans le premier épisode de ma duologie Cycle Life, j’ai examiné une application de remplissage de bouteilles et la fréquence d’actionnement de la vanne à boisseau sphérique utilisée pour remplir les bouteilles de produit. Dans cette application spécifique, la préférence va à l’actionnement pneumatique. Les actionneurs électriques ont besoin d’une pause pour se refroidir, mais les actionneurs pneumatiques s’ouvrent et se ferment rapidement et n’ont pas à se soucier du cycle d’utilisation, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant un actionnement répété. Inversement, l’inverse peut également être vrai. Une vanne qui reste en position fermée pendant une période prolongée a tendance à se figer. Il faut alors une plus grande force pour initier le cycle d’actionnement et ouvrir la vanne. Lorsque vous passez exclusivement de la position ouverte à la position fermée et vice-versa, le système pneumatique est plus rapide. Cependant, si vous effectuez simplement de petites modifications incrémentielles de la position d’une vanne actionnée, les actionneurs électriques sont généralement bien en deçà de leur plage de cycle de travail. Les actionneurs pneumatiques et électriques, lorsqu’ils sont équilibrés de manière adéquate en fonction de l’application, peuvent offrir une longue durée de vie.

Au cours de mes 35 années de carrière, il est souvent arrivé que des clients m’appellent pour me dire que leur actionneur était « usé » ou « brûlé » et qu’ils avaient l’intention de ne remplacer que l’actionneur. Si, dans certains cas, cela peut s’avérer avantageux, mon expérience m’a appris que cela ne permet jamais d’obtenir une durée de vie équivalente à celle de l’actionneur d’origine. Une vanne qui a été en service pendant un certain temps et qui a été soumise à des changements de température, à des produits chimiques, à des influences environnementales, à une exposition aux UV, etc., peut devenir collante ou se déformer intérieurement, fonctionnant généralement à un niveau de performance inférieur à celui qu’elle avait lorsqu’elle était neuve ou tombant complètement en panne. Lors de l’installation d’un nouvel actionneur, il est essentiel de vérifier le fonctionnement manuel de la vanne, les spécifications du fabricant (pour s’assurer que la vanne fonctionne dans le respect des exigences de couple) et de confirmer que la lubrification est toujours efficace. En tenant compte de ces facteurs et en veillant à ce que ces exigences soient respectées, vous obtiendrez un actionneur plus performant et une durée de vie plus longue.

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