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.

Actionneurs pneumatiques constituent une excellente solution pour de nombreux besoins en matière d’automatisation des vannes. Ils peuvent être fournis en version à simple effet (ouverture par air comprimé, fermeture par ressort) ou à double effet (ouverture et fermeture par air comprimé), et sont disponibles dans une conception à crémaillère et pignon. De plus, les actionneurs pneumatiques sont équipés d’une interface solénoïde NAMUR pour le raccordement de l’alimentation en air et d’une interface de montage pour interrupteur de fin de course NAMUR. Étant donné qu’un actionneur pneumatique nécessite de l’air comprimé pour fonctionner, il est nécessaire d’installer et d’entretenir un compresseur ainsi qu’un réseau de tuyauterie d’air comprimé, en plus des équipements électriques requis pour le fonctionnement du solénoïde actionnant l’actionneur. La plupart des actionneurs pneumatiques ne sont pas équipés de série d’une commande manuelle débrayable. Les actionneurs pneumatiques sont particulièrement adaptés aux cycles d’ouverture/fermeture rapides et répétés de la vanne et ne posent aucun problème lié au cycle de service.

Actionneurs électriques constituent une excellente solution pour de nombreux besoins en matière d’automatisation des vannes. Les actionneurs électriques sont disponibles dans une large gamme de tensions d’alimentation et intègrent généralement, de série, un système de commande manuelle débrayable. Ils sont calibrés pour des butées d’ouverture et de fermeture, et présentent un temps de cycle fixe de 90 degrés. Parmi leurs autres caractéristiques, on peut citer un indice de protection adapté à l’environnement d’installation, des indicateurs visuels de position et un séquencement de confirmation de position renvoyé vers un automate programmable (PLC). Les actionneurs électriques sont idéaux pour les applications en intérieur, car ils peuvent être utilisés partout où une source d’alimentation est disponible. Les actionneurs électriques nécessitent également un temps de repos afin de limiter l’accumulation de chaleur interne, ce qui se traduit par un cycle de service nominal tenant compte du temps de refroidissement nécessaire pour éviter la surchauffe du moteur. Ces actionneurs sont disponibles en versions « Ouvert/Fermé », « Modulante », « À sécurité intégrée » ou « Modulante à sécurité intégrée », adaptées à diverses exigences d’application.

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 modèles pneumatiques comme les modèles électriques nécessitent dimensionnement adéquat de l’actionneur à la vanne qu’ils actionnent. 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 garantir 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 maximal » de la vanne. Qu’est-ce que le « couple de fonctionnement maximal » et pourquoi ne s’agit-il pas d’une exigence constante ? Sur une vanne à bille, le couple reste généralement stable tout au long de la rotation de 90 degrés, de la position ouverte à la position fermée ; en revanche, une vanne papillon présente des particularités différentes. Les vannes papillon présentent une ou plusieurs valeurs de couple supplémentaires : couple de rupture et couple de serrage. Ces valeurs sont nettement supérieures au couple de fonctionnement lorsque le disque est en position intermédiaire entre les positions ouverte et fermée. Les valeurs de couple de démarrage et de mise en place pouvant varier légèrement, Asahi prend en compte la plus élevée des deux pour l’évaluation de l’actionnement. Tout actionneur dont la puissance est insuffisante pour la vanne aura une durée de vie plus courte qu’un ensemble vanne-actionneur correctement dimensionné.

Fréquence d’utilisation C’est un critère à prendre en compte tant pour les actionneurs pneumatiques que pour les actionneurs électriques, les premiers s’imposant clairement lorsque l’actionnement rapide et fréquent d’une vanne est requis, grâce à l’avantage susmentionné en matière de cycle de service. Dans le premier volet de ma série en deux parties consacrée à la durée de vie, j’ai examiné une application de remplissage de bouteilles et la fréquence d’actionnement de la vanne à bille utilisée pour remplir les bouteilles de produit. Dans cette application spécifique, l’actionnement pneumatique serait préférable. Les actionneurs électriques ont besoin d’une pause pour refroidir, tandis que les actionneurs pneumatiques s’ouvrent et se ferment rapidement et ne posent aucun problème de cycle de service, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant des actionnements répétés. À l’inverse, le contraire peut également être vrai. Une vanne qui reste en position fermée pendant une période prolongée a tendance à se bloquer. Il faut alors une force plus importante pour déclencher le cycle d’actionnement et ouvrir la vanne. Lorsqu’il s’agit exclusivement de passer de la position ouverte à la position fermée et inversement, le système pneumatique est plus rapide. Toutefois, si vous effectuez simplement de petits changements de position progressifs sur une vanne actionnée, les actionneurs électriques restent généralement largement dans les limites de leur plage de cycle de service. Les actionneurs pneumatiques comme les actionneurs électriques, lorsqu’ils sont correctement adaptés à 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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