Fünfundsiebzig Ventile mit unregelmäßigen Stellbewegungen: Die verrostete Positioniererfeder, mit der niemand gerechnet hatte

Eine Wartungsüberprüfung von Stellventilen auf Grundlage des Artikels „Erratic Stroking Control Valves Delaying the Shutdown Plant Restart“ auf instrumentationtools.com.

Warum verhielten sich 75 Stellventile während des Anlagenneustarts unregelmäßig?

Nach einem viermonatigen Stillstand einer Wasseraufbereitungsanlage aufgrund einer schweren Dürre bereiteten die Betreiber die Wiederinbetriebnahme vor. Als die Techniker die Feldgeräte zur Überprüfung der Betriebsbereitschaft ansteuerten, begannen sich etwa 75 Stellventile unregelmäßig zu bewegen. Trotz der Bemühungen erfahrener Instrumentierungsingenieure und qualifizierter Instandhaltungsteams konnten die Regelkreise durch standardmäßige Stellungsreglereinstellungen nicht stabilisiert werden.

Die erste Fehlersuche konzentrierte sich auf die erwarteten Fehlerstellen, vor allem beschädigte Eingangs- oder Ausgangsbälge. Die Anlagentelemetrie meldete jedoch saubere, ölfreie Instrumentenluft mit einem Auslegungstaupunkt von -40°C, und die externen Balgkomponenten sahen bei der Prüfung auf der Werkbank wie neu aus. Wenn saubere Hardware ein unvorhersehbares dynamisches Pendeln zeigt, müssen die Diagnoseverfahren vor Ort über eine oberflächliche Inspektion hinausgehen und das interne mechanische Gleichgewicht des Stellungsreglers untersuchen.

Welcher verborgene mechanische Fehler im Eingangsbalg verursachte das Pendeln des Ventils?

Die Demontage eines widerspenstigen Stellungsreglers brachte die unerwartete Ursache ans Licht: Im Inneren der Eingangsbalgbaugruppe befand sich eine kleine Rückstellfeder. Die Feder war stark korrodiert und zerfiel sofort unter leichtem Fingerdruck. Bei der anschließenden Demontage von drei weiteren unregelmäßig arbeitenden Stellungsreglern wurde eine identische Zersetzung der Federn festgestellt.

In pneumatischen und elektropneumatischen Kraftvergleichs-Stellungsreglern liefert diese interne Feder die notwendige Rückstellkraft, die dem Signaldruck entgegenwirkt. Wenn die Feder bricht, bricht das mechanische Gleichgewicht zusammen. Selbst wenn die 4-20-mA-Steuersignale eines Analogausgangsmoduls stabil sind und die Abstände zwischen Düse und Prallplatte korrekt erscheinen, pendelt der Ventilschaft, überschwingt oder klemmt. Da die mechanischen Komponenten die Spanne des Stellungsreglers bestimmen, kann eine elektronische Nullpunktneueinstellung die fehlende mechanische Gegenkraft nicht ausgleichen.

Wie überbrückte die Anlage die dreimonatige Lieferzeit des Lieferanten für Balgbausätze?

Der ausländische Ausrüstungslieferant weigerte sich nach der Kontaktaufnahme, einzelne Ersatzfedern zu liefern, und bot stattdessen komplette Eingangsbalgbaugruppen zu hohen Kosten mit einer dreimonatigen Versandverzögerung an. Eine derart lange Lieferzeit hätte die Verpflichtungen zur Wiederinbetriebnahme der Anlage lahmgelegt.

Der Leiter der Instandhaltung brachte ein intaktes Federexemplar zu einem örtlichen Präzisionsfederhersteller und gab innerhalb weniger Stunden eine erste Serie von 25 passenden Einheiten in Auftrag. Da aus Draht mit identischem Durchmesser und geeigneter Federqualität gewickelte Federn die ursprünglichen Kraft-Weg-Eigenschaften innerhalb der Fertigungstoleranzen reproduzieren, kann die Hubkalibrierung des Stellungsreglers geringfügige Abweichungen der Federrate problemlos ausgleichen. Sechs Testventile mit unterschiedlichen Hublängen zeigten eine sofortige, wiederholbare Kalibrierung ohne Hysterese. Nach diesem Erfolg stellte eine Bestellung von 60 zusätzlichen Federn die verbleibenden Ventile ohne betriebliche Verzögerung wieder her.

Welcher Diagnose- und Reparaturablauf wird für unregelmäßig arbeitende Stellungsregler vor Ort empfohlen?

Bei weit verbreiteten Problemen mit Ventilbewegungen nach einem Anlagenstillstand sollte das folgende systematische Verfahren durchgeführt werden:

• Luftqualität am Entnahmeort überprüfen: Taupunkt und Ölgehalt direkt an den Feldventil-Verteilern messen, statt sich ausschließlich auf die Messwerte der zentralen Kompressorsammelleitung zu verlassen.
• Elektrische Befehle vom mechanischen Rückführsignal isolieren: Ein bekanntes Prüfsignal direkt an den Stellungsregler legen oder mit einem intelligenten Ventilregler vergleichen, um festzustellen, ob das Pendeln durch die Regelkreiseinstellung oder die mechanische Rückführung verursacht wird.
• Interne mechanische Komponenten überprüfen: Den Eingangsbalg ausbauen und sicherstellen, dass die Rückstellfedern frei von Korrosion, Spannungsrissen und Spannungsverlust sind.
• Bei gerechtfertigtem Bedarf präzise lokale Ersatzteile fertigen: Drahtstärke, Anzahl der aktiven Windungen und Metallurgie nachbilden und die Lieferantenzertifikate für die Instandhaltungsunterlagen dokumentieren.
• Korrosionsschutz auftragen: Ersatzfedern in eine schützende Korrosionsschutzgrundierung tauchen und vor dem Einbau vollständig trocknen lassen.
• Umfassende Hubkalibrierung durchführen: Nullpunkt-, Spannweiten- und Linearitätsprüfungen bei 0 %, 25 %, 50 %, 75 % und 100 % Hub durchführen und die Ausgangskennlinien des Hubs protokollieren.

Wie können Instandhaltungsteams Korrosion an Stellungsreglern und Ausfälle des Luftsystems verhindern?

Korrosion im Inneren abgedichteter Bälge entsteht typischerweise durch nicht überwachte Taupunktüberschreitungen während Störungen an Kompressoren oder der Regeneration von Trockenmitteln. Ein einziger unentdeckter Feuchtigkeitseinbruch kann Dutzende empfindlicher Federn in der gesamten Anlage oxidieren.

Um ein erneutes Auftreten zu verhindern, sollten Instrumentierungsteams automatische Alarme für die Temperaturen und Taupunkte am Ausgang der Lufttrockner konfigurieren und jede Überschreitung der Spezifikation als anlagenweites Instandhaltungsereignis behandeln. Darüber hinaus sollten Anlagen, die Emerson-Fisher- oder ähnliche pilotgesteuerte Stellungsregler einsetzen, kritische Reparatursätze für Unterbaugruppen vorrätig halten und qualifizierte lokale Fertigungspartner ermitteln, bevor es zu Unterbrechungen der Lieferkette kommt. Eine langfristige Nachbeobachtung in der Anlage bestätigte, dass die lokal gefertigten Federn mehr als fünfzehn Jahre lang zuverlässig und ausfallfrei arbeiteten.

Welche wichtigsten Erkenntnisse ergeben sich für die Zuverlässigkeit von Leitsystemen?

Unregelmäßiges Pendeln von Ventilen nach einer Anlagenrevision ist häufig mechanischer und nicht elektronischer Natur. Die Luftqualität am Ventil sollte stets überprüft, die mechanischen Rückstellkräfte in den Baugruppen des Stellungsreglers sollten kontrolliert und präzise Reparaturen durch eine konsequente Kalibrierung validiert werden.

Autor: Yuan Tianyu ist ein Ingenieur für industrielle Automatisierung mit über 10 Jahren Erfahrung in PLC-, DCS- und Leitsystemen.