apostila bombas 2011

AUTOR: PAULO CELSO THOMAZELLI – BOMBAS - NOÇÕES GERAIS 1/38

BOMBAS - NOÇÕES GERAIS

Autor: Paulo Celso Thomazelli


ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO 2 NORMAS

2.1 Bombas Rotativas: 2.2 Bombas Alternativas: 2.3 Bombas Centrífugas:

3 CLASSIFICAÇÃO 4 CARACTERÍSTICAS

4.1 Volumétricas 4.1.1 Alternativas: 4.1.2 Rotativas:

4.2 Dinâmicas (Cinéticas)

4.2.1 Centrífugas

ESTUDO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS 1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO

1.1 Características típicas 2 FATORES QUE ALTERAM A CURVA DE UM SISTEMA DE BOMB EIO

2.1 Sistema 2.2 Curva do Sistema 2.3 Fatores que modificam a Curva do Sistema

2.2.a Natureza do líquido bombeado 2.2.b Temperatura do líquido bombeado 2.2.c Nível do líquido (altura estática de sucção e descarga) 2.2.d Pressões dos reservatórios de sucção e descar ga 2.2.e Alterações nas linhas de sucção e descarga

3 DESEMPENHO DA BOMBA CENTRÍFUGA

3.1 Curvas da bomba

3.1.1 Curva do Head ou Carga (H) x Vazão (Q), 3.1.2 Curva de Potência Absorvida (Potabs) x Vazão (Q) 3.1.3 Curva do Rendimento Total ( ηηηη) x Vazão (Q) 3.1.4 Curva NPSHr x Vazão

3.2 Fatores que modificam as Curvas Características das Bombas

3.2.1 Alteração da Rotação 3.2.2 Mudança do diâmetro externo do impelidor 3.2.3 Natureza do líquido

3.3 Determinação do Ponto de Trabalho 3.4 Modificação do Ponto de Trabalho

3.4.1 Variação da Curva do Sistema 3.4.2 Variação das Curvas da Bomba 3.4.3 Recirculação normal (externa)

4 CONCEITO DE CAVITAÇÃO E NPSH

4.1 Cavitação: 4.2 NPSH:

4.2.1 Vazão máxima permissível de uma bomba em um s istema em função do NPSH: 4.2.2 Como alterar o NPSH disponível: 4.2.3 Como alterar o NPSH requerido:

4.2.3.1 Usando o indutor 4.2.3.2 Diminuindo a rotação

5 ASSOCIAÇÕES DE BOMBAS

5.1 Associações de bombas em série 5.2 Associações em Paralelo


6 PROBLEMAS OPERACIONAIS

6.1 CONCEITO DE VIBRAÇÃO 7 COMPONENTES DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

7.1 Carcaça 7.2 Impelidor (rotor) 7.3 Anéis de desgaste 7.4 Eixo 7.5 Mancais

7.5.1 Mancais de deslizamento 7.5.2 Mancais de rolamento

8 LUBRIFICAÇÃO

8.1 Lubrificação por Circulação Forçada (qualquer t ipo de mancal) 8.2 Lubrificação por Banho de Óleo (qualquer tipo d e mancal) 8.3 Temperatura dos mancais em operação 8.4 Orientações Básicas de Lubrificação

9 - ACOPLAMENTOS

9.1 Rígidos 9.2 Flexíveis

10 - VEDAÇÕES

10.1 Juntas 10.2 Retentores 10.3 Anéis “O” 10.4 Labirintos

11 - SELAGENS

11.1 Gaxeta 11.2 Selo mecânico

11.2.1 Dispositivos Auxiliares para Selos Mecânicos

11.2.1.1 Flushing 11.2.1.2 Quenching

11.3 Características típicas operacionais de um sel o mecânico

12 - PARTIDAS E PARADAS DE UMA BOMBA CENTRIFUGA

12.1 Partida 12.2 Parada

13 - MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA PARA BOMBAS I NDUSTRIAIS

13.1 Ferro Fundido 13.2 Aço Carbono 13.3 Aço Inoxidável 13.4 Bronze 13.5 Ligas de Níquel 13.6 Liga Níquel-Molibdênio (Hastelloys)

14 - MATERIAIS MAIS USUAIS

14.1 Carcaça 14.2 Impelidor e Anéis de Desgaste 14.3 Eixo

15 - DETERIORAÇÃO E DANOS EM BOMBAS

15.1 Corrosão 15.2 Deficiências de Projeto e Fabricação 15.3 Erosão 15.4 Cavitação


1 INTRODUÇÃO Bombas são máquinas operatrizes hidráulicas que conferem energia ao líquido com a finalidade de transportá-lo de um ponto para outro obedecendo às condições do processo. Elas recebem energia de uma fonte motora qualquer e cedem parte desta energia ao líquido sob a forma de energia de pressão, cinética, ou ambas. Isto é, aumentam a pressão, a velocidade, ou ambas. A relação da energia cedida pela bomba ao líquido e a energia que foi recebida da fonte motora, fornece o rendimento da bomba. As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que a energia é cedida ao líquido. 2 NORMAS 2.1 Bombas Rotativas: - API 676 - Bombas de Deslocamento Positivo - Rotativas. 2.2 Bombas Alternativas: - API 674 - Bombas de Deslocamento Positivo - Alternativas. - API 675 - Bombas de Deslocamento Positivo - Volume Controlado. 2.3 Bombas Centrífugas : - API 610 - aplicável para as bombas usadas nas indústrias de processo (petróleo, petroquímica e fertilizantes). As bombas projetadas e construídas atendendo a essa norma são chamadas de bombas de serviço pesado, por causa do rigor da norma e da qualidade obtida no projeto final. - ANSI B 73.1- cobre as bombas da indústria química, farmacêutica e alimentícia. Caracteriza-se pelo alto grau de padronização das dimensões, permitindo que uma peça de reposição de um fabricante possa ser instalada no equipamento de outro. São conhecidas como bombas de serviço médio. - DIN 24.256 - é a norma alemã similar à ANSI B 71.3. - ISO 2858 - é uma versão mais completa da DIN 24.256. 3 CLASSIFICAÇÃO As bombas são geralmente classificadas segundo o modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica ou seja pelo recurso utilizado para ceder energia ao líquido. A classificação mais usual é a seguinte:

Pistão

Êmbolo Bombas

Alternativas Diafragma

Engrenagens

Lóbulos

Parafusos

Volumétricas

ou

Deslocamento Positivo

Bombas rotativas

Palhetas Deslizantes

O modo pelo qual é feita a transformação do trabalho em energia hidráulica e o recurso para cedê-la ao líquido aumentando a sua pressão e ou sua velocidade permitem que elas se classifiquem em: bombas de deslocamento positivo, turbobombas e bombas especiais. Dentre as classificações de turbobombas e de deslocamento positivo podemos enumerar algumas das mais importantes subdivisões destas bombas, como mostra a tabela ao lado.

Puras ou radiais Bombas

centrífugas Tipo Francis

Bombas de fluxo misto

Bombas de fluxo axial

Dinâmicas (cinéticas)

ou

Turbobombas Bombas periféricas ou

regenerativas

As bombas podem ser classificadas pela sua aplicação ou pela forma com que a energia é cedida ao fluído. Normalmente, existe uma relação estreita entre a aplicação e a característica da bomba que, por sua vez, está intimamente ligada à forma de cessão de energia ao fluido.


4 CARACTERÍSTICAS 4.1 Volumétricas São aquelas que a energia é fornecida ao líquido já sob a forma de pressão, não havendo, portanto a necessidade de transformação como no caso das bombas centrífugas. A movimentação do líquido é diretamente causada pela movimentação de um órgão mecânico da bomba, que obriga o líquido a executar o mesmo movimento que está animado. O líquido, sucessivamente, enche e depois é expulso de espaços com volume determinado no interior da bomba. Uma das características mais importantes destas bombas é o fato de manterem a vazão média praticamente constante, independentemente do sistema onde elas atuam desde que mantida a rotação. 4.1.1 Alternativas: As bombas alternativas são especificadas para serviços onde se requer alta pressão e baixa vazão. A peça que produz movimento do líquido pode ser um pistão ou êmbolo que se desloca com movimento alternativo dentro de um cilindro; ou um diafragma, onde uma haste age sobre um fluído, geralmente óleo, que por sua vez atua na membrana.

4.1.2 Rotativas: As bombas rotativas são especificadas para serviços onde se requer alta pressão e baixa vazão, porém com vazão mais elevada que as bombas alternativas. Consiste de duas rodas dentadas, ou dois lóbulos, ou dois fusos roscados, ou por uma roda com um jogo de palhetas que trabalham dentro de uma caixa com folgas muito pequenas. Com o movimento, o fluído é aprisionado entre os vazios e forçado a sair do outro lado. Novos espaços se formam sendo preenchidos de líquidos, e assim sucessivamente.


4.2 Dinâmicas (Cinéticas) São aquelas em que a energia fornecida ao líquido é do tipo cinética sedo posteriormente convertida grande parte em energia de pressão. 4.2.1 Centrífugas: São máquinas nas quais a movimentação do líquido é produzida por forças que se desenvolvem na massa líquida, em conseqüência da rotação de um impelidor com um certo número de pás especiais. A distinção entre os diversos tipos é feita fundamentalmente em função da forma como o impelidor cede energia ao líquido bem como pela orientação do líquido ao sair do impelidor. A conversão da energia cinética em energia de pressão é realizada fazendo com que o líquido ao sair do impelidor passe por um conduto da área crescente.

Simples Estágio Múltiplos Estagios

ESTUDO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS 1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO Para funcionar é necessário que a carcaça esteja completamente cheia de líquido e, portanto, que o impelidor esteja mergulhado no líquido. Seu funcionamento baseia-se praticamente na criação de uma zona de baixa pressão e uma de alta pressão. A criação da zona de baixa pressão decorre do fato de que, o líquido recebendo através das pás o movimento de rotação do impelidor, fica sujeito à força centrífuga fazendo as partículas do líquido se desloquem em direção à periferia do impelidor. Este deslocamento acarreta a criação de um vazio (baixa pressão) na região central, vazio este que será preenchido por igual quantidade de líquido proveniente da fonte, estabelecendo-se assim a primeira condição para o funcionamento que é um fluxo continuo (regime permanente). A criação da zona de alta pressão na periferia, alta pressão esta que é responsável pela possibilidade de transporte do líquido e atendimento das condições finais do processo, deve-se ao fato de que o líquido que parte para a periferia, sob a ação da força centrífuga, vai encontrar um aumento progressivo na área de escoamento que causará queda de velocidade e aumento de pressão. O que ocorre é, o impelidor fornecendo energia ao líquido, sendo em seguida parte da energia cinética transformada em energia de pressão devido ao aumento progressivo da área da carcaça na região de difusão após o líquido atravessar a voluta. A voluta não tem por finalidade direta aumentar a pressão, mas acomodar a corrente líquida. Na realidade, tendo em vista as quantidades crescentes de líquido a serem acomodadas no sentido do fluxo, através da voluta, o perfil em voluta é projetado objetivando um equilíbrio axial. Assim sendo, o aumento de pressão é, em verdade, obtido na parte difusora da carcaça, após o líquido ter passado pela voluta.


1.1 Características típicas: a) Máquinas que fornecem energia ao líquido por meio de força centrífuga, b) Bomba centrífuga transforma o trabalho mecânico proveniente de fonte externa em energias cinética e de pressão, c) Equipamentos que trabalham com uma relação entre Head (carga) e vazão, d) Equipamentos que para desempenhar bem sua função, tem que trabalhar próximo do ponto ideal da curva de projeto, 2 FATORES QUE ALTERAM A CURVA DE UM SISTEMA DE BOMB EIO 2.1 Sistema A curva de Carga X Vazão diz claramente a energia por unidade de peso que a bomba é capaz de fornecer ao líquido em função da vazão. Entretanto, para que possamos determinar o ponto de trabalho, torna-se necessário determinar qual a energia por unidade de peso que o sistema solicitará de uma bomba em função da vazão. Esta característica chama-se “Altura Manométrica”. Esta energia por unidade de peso solicitada pelo sistema é então, para cada vazão, função da altura da elevação do líquido, da diferença de pressões entre a sucção e descarga e das perdas existentes no circuito. Assim sendo, para uma determinada vazão, a bomba deve fornecer uma carga suficiente para compensar a altura manométrica do sistema, ou seja: a) Compensar a altura geométrica, b) Compensar a diferença de pressões, c) Compensar as perdas na sucção e descarga. 2.2 Curva do Sistema Denominamos Curva do Sistema uma curva que mostra a variação da altura manométrica com a vazão, ou seja, mostra a variação da energia por unidade de peso que o sistema solicita em função da vazão. Estabelecemos varias vazões para o sistema, entre elas a vazão zero e a que desejamos que o sistema opere e calculamos a altura manométrica para cada vazão. De posse dos pares de valores constituímos a Curva do Sistema, conforme a semelhança da figura abaixo: 2.3 - Fatores que modificam a Curva do Sistema a) Natureza do líquido bombeado b) Temperatura do líquido bombeado c) Nível de líquido (alturas estáticas de sucção e descarga, d) Pressões dos reservatórios (sucção e descarga) e) Características das tubulações e acessórios das linhas de sucção e descarga Consideremos a formula abaixo:

a) H = carga ou head b) Pd = pressão manométrica de descarga c) Ps = pressão manométrica de sucção

)()( hfshfdZsZdPsPd

H ++−+−=γ


d) γ = peso específico e) Zd = altura estática de descarga f) Zs = altura estática de sucção g) hfd = perda de carga na linha e acessórios de descarga h) hfs = perda de carga na linha e acessórios de sucção 2.2.a Natureza do líquido bombeado Naturalmente este fator não pode ser considerado como fator de controle da vazão bombeada, visto que ninguém substituiria o líquido bombeado para modificar a vazão. Entretanto, tendo em vista que, eventualmente, um mesmo sistema pode ser usado para diferentes tipos de líquido, torna-se necessário frisar que, alterando o peso específico (γ) e massa específica (µ), que influencia na perda de carga, implica na necessidade de levantamento de nova curva do sistema. 2.2.b Temperatura do líquido bombeado De forma análoga ao item anterior, não é fator de controle da vazão. Entretanto, implica na necessidade de levantamento de nova curva do sistema pela influencia exercida no peso específico (γ) e massa específica (µ). 2.2.c Nível do líquido (altura estática de sucção e descarga) Raramente alguém modificaria as alturas estáticas de sucção e descarga para modificar a vazão do sistema. Mas observe a figura abaixo: Neste caso, três situações podem ser caracterizadas: a) Inicio da operação ⇒ (Zd – Zs) mínimo = Zd mínimo – Zs máximo b) Final da operação ⇒ (Zd – Zs) máximo = Zd máximo – Zs mínimo c) Situação intermediária ⇒ (Zd – Zs) médio O gráfico abaixo ilustra as curvas do sistema para os três casos, visto que a alteração se faz apenas no H estático. Vemos as faixas operacionais decorrentes de Curvas Características que interceptassem as Curvas do Sistema nos três casos considerados como base uma vazão desejada “Q”.

Para a bomba de curva característica B1, a faixa operacional teria “Q” como vazão mínima no final da operação e “Q4” como vazão máxima no inicio. Para a bomba de Curva Característica B2, teríamos “Q2” como vazão mínima no final, “Q3” como vazão máxima no inicio e “Q” como vazão intermediária. Para a bomba de Curva Característica B3, teríamos “Q1” como vazão mínima final e “Q” como vazão máxima no inicio da operação.


Uma análise como esta é, muitas vezes, desejável na definição da bomba ou da rotação mais adequada tendo em vista a influência desta variável na Curva Característica de uma bomba, bem como para a análise da vazão máxima permissível do ponto de vista de cavitação. 2.2.d Pressões dos reservatórios de sucção e descar ga Muito embora modificações consideráveis no nível de pressão dos reservatórios de sucção e ou descarga não sejam usuais, a influência desta possibilidade seria facilmente analisada pela variação do H estático. 2.2.e Alterações nas linhas de sucção e descarga A alteração mais usual da Curva do Sistema é realizada através do fechamento parcial da válvula de descarga; com isto aumenta-se a perda de carga, fazendo com que a Curva do Sistema seja deslocada para a esquerda, conforme figura abaixo: Se neste caso o fechamento fosse total, a Curva do Sistema resultaria vertical e, naturalmente, teríamos vazão nula. O mesmo efeito seria obtido com o fechamento parcial da válvula de sucção; entretanto, este procedimento não deve ser usado pela influência indesejável nas condições de sucção. As demais alterações possíveis no sistema não são encaradas como fator de controle de vazão, como: a) Mudança do diâmetro das linhas, b) Mudança na elevação dos reservatórios de sucção e descarga, c) Inclusão ou exclusão de acessórios na linha, d) Modificação de layout das linhas.

3 DESEMPENHO DA BOMBA CENTRÍFUGA A determinação do ponto de trabalho, isto é, vazão, carga, potência consumida e rendimento de uma bomba operando em um sistema, é função das características da bomba e do sistema. Assim sendo, torna-se necessário conhecer as Curvas Características da bomba. Estas curvas são fornecidas pelo fabricante e normalmente traduzem o desempenho da bomba, conforme modelo abaixo. 3.1 Curvas da bomba 3.1.1 Curva do Head ou Carga (H) x Vazão (Q), Head ou carga de uma bomba é definida como energia por unidade de massa ou energia por unidade de peso que a bomba tem condições de fornecer ao líquido para uma determinada vazão. Se a vazão aumenta, a carga ou head diminui; se a vazão diminui a carga ou head aumenta. 3.1.2 Curva de Potência Absorvida (Potabs) x Vazão (Q) De modo geral, a preocupação é com a potência absorvida pela bomba, pois esta é a potência requerida do acionador e usada na sua seleção. Se a vazão aumenta, a potência requerida aumenta; se a vazão diminui, a potência requerida diminui. Normalmente os acionadores possuem capacidade para fornecer potência acima do requerido pela bomba.


3.1.3 Curva do Rendimento Total ( ηηηη) x Vazão (Q) A curva representa a variação da vazão com relação à variação da rotação. Com rotação zero, conseqüentemente a vazão será zero. A vazão vai aumentando à medida que a rotação aumenta, até chegar a um valor máximo de vazão. A partir deste ponto, se continuarmos a aumentar a rotação, a vazão começara a diminuir, pois a bomba começará a perder eficiência. 3.1.4 Curva NPSHr x Vazão Para que a bomba não cavite é necessário uma pressão mínima na entrada do impelidor. Esta pressão recebe o nome de NPSH (Net positive Suction Head). Para calcular o NPSH requerido, leva-se em consideração a velocidade com que o fluído entra no impelidor e, conseqüentemente, para uma mesma bomba, se aumentarmos a vazão, aumentara o NPSH requerido. Se aumentarmos a vazão de uma bomba, devemos aumentar a pressão de sucção para que esta não cavite. 3.2 Fatores que modificam as Curvas Características das Bombas As variáveis N (rotação), D (diâmetro externo do impelidor), ρ (massa específica do fluído) e µ (viscosidade do fluído) influem nas características de desempenho das bombas, quais sejam: Q (vazão), H (carga) e Pot. (potência) modificando as Curvas Características do equipamento. 3.2.1 Alteração da Rotação Considerando um dado fluído e mantido o diâmetro externo do impelidor constante, existe uma proporcionalidade entre os valores de Q, H, e Pot, com a rotação. Assim sendo, sempre que alterarmos a rotação haverá em conseqüência alteração nas Curvas Características da bomba, sendo a correção para a nova rotação (N2) feita através das seguintes proporções: e) A vazão é proporcional à rotação

1

2

1

2

N

N

Q

Q=

f) Head ou carga da bomba varia com o quadrado da rotação

2

1

2

1

2 )(N

N

H

H =

g) A potência absorvida varia com o cubo da rotação

3

1

2

1

2 )(N

N

Pot

Pot = ou seja, 3

1

2

1

2

1

2

1

2

Pot

Pot

H

H

Q

Q

N

N===


Desta forma, quando alteramos a rotação devemos corrigir as curvas características para determinar um novo ponto de trabalho. 3.2.2 Mudança do diâmetro externo do impelidor Quando reduzimos ou aumentamos o diâmetro do impelidor para modificar o ponto de trabalho da bomba (considerando a redução do diâmetro externo através do corte do impelidor e o aumento com a troca do impelidor), com um dado líquido e rotação constante, a influência da variação do diâmetro externo do impelidor (D), nas curvas características é:

1

2

1

2

D

D

Q

Q = 2

1

2

1

2 )(D

D

H

H = 3

1

2

1

2 )(D

D

Pot

Pot = ou seja,

3

1

2

1

2

1

2

1

2

Pot

Pot

H

H

Q

Q

D

D ===

Comparando as equações conclui-se que a vazão, carga e potência variam com o diâmetro, na mesma proporção que com a rotação. Deve-se, entretanto, que existe uma faixa de diâmetro que uma determinada bomba pode possuir. Estes limites são devidos aos seguintes fatores:


a) Impelidor máximo – limitado pelo tamanho da carcaça b) Impelidor mínimo – limitado porque menores valores diminuem muito a eficiência da bomba, aumentando a recirculação INTERNA. 3.2.3 Natureza do líquido A natureza do líquido influencia as curvas características através das propriedades ρ (massa específica) e µ (viscosidade). Sabemos que enquanto a vazão e a carga da bomba independem da massa específica, a potência absorvida é diretamente proporcional a esta propriedade. A impossibilidade de uma bomba centrifuga operar sem estar cheia de líquido, embora a carga (H) não depender da massa específica do fluído bombeado, é pelo fato da pressão desenvolvida ser insuficiente para promover o bombeamento, visto que:

HP .γ= P = pressão γ = peso específico H = energia por unidade de peso 3.3 Determinação do Ponto de Trabalho Se juntarmos à Curva do Sistema as Curvas Características da Bomba, obtemos o ponto ideal de trabalho conforme abaixo:

Então, a bomba teria como Ponto Ideal de Trabalho: • Vazão (QT) • Carga ou head (HT) • Potência absorvida (PotT) • Rendimento (ηT)


3.4 Modificação do Ponto de Trabalho Os objetivos da modificação do ponto de trabalho variam em função de estarmos analisando uma situação de seleção de bomba ou uma situação concreta de variar o ponto de trabalho de uma bomba que esteja em funcionamento. Assim sendo, na seleção, a análise das possibilidades de alteração do ponto de trabalho objetivam proporcionar flexibilidade ao futuro sistema. Por outro lado, para uma bomba já em operação, a alteração objetiva o atendimento de uma nova necessidade operacional. A modificação do ponto de trabalho pode ser obtida através dos seguintes procedimentos:

• Variação da Curva do Sistema • Variação da Curva da Bomba • Recirculação

3.4.1 Variação da Curva do Sistema A alteração mais usual é o fechamento parcial da válvula de bloqueio da descarga proporcionando uma diminuição de vazão. As demais alterações, inclusive aquelas que poderiam proporcionar aumento de vazão, por exemplo, diminuir o H estático, apesar de possíveis do ponto de vista teórico, não são normalmente passíveis de execução na prática. 3.4.2 Variação das Curvas da Bomba Os procedimentos usuais para variação das curvas das bombas são a variação da rotação e alteração do diâmetro externo do impelidor. O novo ponto de trabalho é, então, obtida pela interseção da curva (H x Q) do sistema, que permanece inalterada, com a nova curva (H x Q) da bomba. Cabe ressaltar que a variação da rotação é uma forma muito utilizada para a alteração da vazão, sendo particularmente praticada nos casos de bombas acionadas por turbina a vapor. 3.4.3 Recirculação normal (externa) Recirculação consiste basicamente em desviar para o sistema de sucção parte do líquido bombeado. O retorno da linha de recirculação deve acontecer o mais afastado possível do flange de sucção, preferencialmente no reservatório de sucção, para evitar que a temperatura mais elevada do líquido recirculado influencie nas condições de sucção, conforme figura abaixo. Cabe aqui ressaltar que, embora simples de executar, a recirculação é uma forma ineficiente de diminuir a vazão, pois, toda energia cedida ao líquido recirculado é desperdiçada. Desta forma este procedimento não é recomendável para a redução da vazão por períodos longos. A grande aplicação deste procedimento é para evitar que a bomba opere abaixo da vazão mínima permissível. a) Vantagem: Permite que a bomba opere acima da vazão mínima permissível, b) Desvantagens:Toda energia cedida ao líquido recirculado é desperdiçada. Aumenta a temperatura do líquido recirculado influenciando na condição de sucção.


4 CONCEITO DE CAVITAÇÃO E NPSH 4.1 Cavitação: Se a pressão absoluta em qualquer ponto de um sistema de bombeamento atingir valor igual ou inferior à pressão de vapor do líquido, na temperatura de bombeamento, parte deste líquido se vaporizara. Supondo que as bolhas formadas continuem em trânsito com o líquido bombeado, quando esta mistura atingir alguma região onde a pressão absoluta for novamente maior que a pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento, haverá o colapso das bolhas com retorno à fase líquida. Entretanto, como o volume específico do líquido é inferior ao do vapor, o colapso das bolhas implicará na existência de um vazio, proporcionando o aparecimento de ondas de choque. No caso particular das bombas centrífugas, a região de mínima pressão, crítica para efeito de cavitação é a entrada do impelidor. Nesta região a pressão é mínima, pois o líquido ainda não recebeu nenhuma adição de energia por parte do impelidor e teve sua energia reduzida pelas perdas na linha de sucção e entrada do impelidor. É interessante observar que, na vaporização convencional, o aparecimento de bolhas é resultante do aumento da temperatura com pressão constante, enquanto que na cavitação o mesmo fato ocorre com redução de pressão, mantida a temperatura constante. Os principais inconvenientes da cavitação são: a) Ruído: Provocado pelo colapso das bolhas gasosas ao atingirem a zona de alta pressão, b) Vibração: Em conseqüência da agitação do líquido produzindo ondas de choque contra a parede do impelidor, c) Perda de sucção: Ocasionada pela presença de gases na sucção, d) Corrosão: Provocada pela liberação de oxigênio ou outros gases em solução no líquido, e) Erosão: Devida às compressões localizadas onde ocorre o colapso das bolhas. Para evitar ou reduzir os efeitos da cavitação podemos:

• Diminuir a perda de carga na linha de sucção, • Aumentar a pressão no vaso de sucção, • Esfriar o líquido de sucção, • Aumentar a distância vertical entre a bomba e o nível de líquido no vaso de sucção.

4.2 NPSH: Para que uma bomba não cavite é necessário uma pressão mínima de sucção, isto é, uma quantidade mínima de energia absoluta por unidade de peso acima da pressão de vapor. Esta pressão mínima recebe o nome de NPSH (Net Positive Suction Head). O NPSH requerido aumenta com o aumento da vazão da bomba, conforme abaixo.


4.2.1 Vazão máxima permissível de uma bomba em um s istema em função do NPSH: As perdas de NPSH disponível crescem com a vazão, isto é, à medida que aumentamos a vazão, os valores resultantes de HPSH disponível decrescem. O NPSH disponível é em função das perdas na linha de sucção e conseqüentemente da vazão bombeada. Assim sendo, se arbitrarmos valores de vazão e computarmos os correspondentes valores de NPSH disponível, tendo em vista que as perdas crescem com a vazão, os valores resultantes serão decrescentes com a mesma.

hfsPP

ZP

NPSH vas

sd −

−+±=

γγ

onde: • Zs = altura estática se sucção • hfs = perdas na linha de sucção • Pa = pressão atmosférica local • Pv = pressão de vapor na temperatura de bombeamento • Ps = pressão manométrica no reservatório de sucção Considerando que a curva de NPSH requerido versus vazão é crescente, a interseção destas curvas determinará a vazão máxima de uma bomba em um sistema. Esta é a vazão correspondente ao inicio da cavitação, conforme figura abaixo: 4.2.2 Como alterar o NPSH disponível: 4.2.2.1. Alterando a altura estática de sucção Variando a altura estática de sucção (Zs), variará o NPSH disponível. 4.2.2.2. Alterando a temperatura de bombeamento Quanto maior a temperatura maior a pressão de vapor, influenciando também no peso específico e na perda de carga através da viscosidade. 4.2.2.3. Alterando o tipo de líquido bombeado Eventualmente uma mesma instalação pode trabalhar com mais de um tipo de líquido. É necessário verificar o NPSH, analisando os valores da pressão de vapor, peso específico e viscosidade do novo líquido bombeado e traçar nova curva. 4.2.2.4. Alterando tubulações e acessórios Qualquer alteração nas características físicas da tubulação de sucção e acessórios, como traçado da linha e instalação de filtro, como exemplo, modificam o valor de NPSH disponível. 4.2.2.5. Alterando a vazão Naturalmente, alteração na vazão de operação implica alteração na perda de carga de sucção e conseqüentemente no NPSH disponível. 4.2.2.6. Alterando a pressão no reservatório de suc ção (Ps) Tem influência direta no valor de NPSH disponível.


4.2.3 Como alterar o NPSH requerido: 4.2.3.1 Usando o indutor O objetivo do indutor é funcionar como auxiliar do impelidor reduzindo o NPSH requerido pela bomba. 4.2.3.2 Diminuindo a rotação Diminuindo a rotação diminui a vazão e conseqüentemente o NPSH requerido. 5 ASSOCIAÇÕES DE BOMBAS As bombas podem ser associadas em série e em paralelo. A associação em série é uma opção quando, para a vazão desejada, a altura manométrica do sistema é elevada; acima dos limites alcançados por uma única bomba. A associação em paralelo é utilizada quando a vazão desejada excede os limites de capacidade da bomba em um determinado sistema. 5.1 Associações de bombas em série Quando a altura manométrica for elevada, devemos examinar a possibilidade de utilização de bomba em série. Esta solução, normalmente, só é utilizada quando o valor da altura manométrica ultrapassa os valores alcançados pelas bombas multiestágios. Neste caso, a descarga de uma bomba é conectada na sucção da seguinte, de modo que a vazão será a mesma em todas as bombas, enquanto que a pressão de descarga será a soma das pressões de cada uma das unidades. Assim sendo, quando associamos bombas em série, devemos verificar se a carcaça das bombas suportará a pressão desenvolvida. Da mesma forma o flange de sucção deve suportar a pressão desenvolvida pela bomba anterior. Vale a pena observar que, a bomba multiestágios é uma associação de impelidores em série.

A curva característica do conjunto é obtida a partir das curvas de cada um das bombas, somando-se as alturas manométricas correspondentes aos mesmos valores de vazão. No caso apresentado na figura abaixo, temos duas bombas semelhantes operando em série, razão porque, a curva série apresenta o dobro do valor da altura manométrica do que a da bomba, para uma mesma vazão.


5.2 Associações em Paralelo Este tipo de associação é utilizado quando a vazão exigida for elevada ou quando a vazão exigida variar de forma definida. No primeiro caso o uso de bomba em paralelo dá, com certa vantagem, a segurança operacional, pois no caso de falha de uma das bombas, haveria apenas uma diminuição da vazão fornecida e não um colapso total no fornecimento. No segundo caso, a utilização da associação em paralelo da flexibilidade operacional, pois mediante a colocação ou retirada de funcionamento de bomba, conseguimos a vazão exigida com boa eficiência. A curva característica do conjunto é obtida a partir das curvas de cada uma das bombas, somando-se as vazões correspondentes a cada bomba. No caso apresentado na figura abaixo, temos duas bombas semelhantes operando em paralelo, razão porque a curva SOMA apresenta um valor de vazão maior (2Q). Neste caso, a figura permite as seguintes observações: • Vazão total quando operando em paralelo será 2Q com cada bomba operando no ponto correspondente à vazão Q/2. • O ponto de operação de qualquer das bombas quando operando sozinha será aquele correspondente à vazão Q. esta vazão é superior àquela em que opera a bomba em paralelo. • O NPSH disponível será menor e o requerido maior, para a situação da bomba operando sozinha. Esta, portanto será a situação mais desconfortável do ponto de vista de cavitação. • Supondo que as bombas operarão a maior parte do tempo em paralelo, a máxima eficiência deverá ser procurada para esta situação. • O motor devera ter potência suficiente para atender as duas condições. 6 PROBLEMAS OPERACIONAIS Os principais problemas operacionais que mais afetam o desempenho das bombas centrífugas são: Cavitação e Operação Fora da Faixa Ideal de Trabalho. Os sintomas da Cavitação são:

• Ruído • Perda de sucção • Corrosão • Erosão • Vibração

Os problemas causados pela Operação Fora da Faixa I deal de Trabalho são:

• Recirculação interna à bomba • Aquecimento • Perda de energia • Desgaste • Vibração


6.1 CONCEITO DE VIBRAÇÃO As bombas centrífugas são, geralmente, selecionadas para uma dada capacidade e altura manométrica total, quando operando na velocidade normal. Estas características são referidas às condições normais de serviço e com poucas exceções, representa as condições que a bomba operará a maior parte do tempo. A eficiência da bomba deverá ser máxima nestas condições e as bombas são assim selecionadas, sempre que possível. Freqüentemente, entretanto, necessita-se que bombas operem com capacidade e altura manométrica que diferem consideravelmente das condições normais. Este problema pode ser grave no caso de bombas trabalhando com fluxo reduzido ou com baixo NPSH requerido. A figura abaixo mostra o que a Centrifugal Pumps for Genaral Refinery Service diz através da norma API 610, 8a edição , sobre a vazão com que uma bomba deverá operar para que o nível de vibração de um equipamento fique dentro dos limites aceitáveis. A bomba deverá operar preferencialmente dentro da faixa entre 80% a 110% do ponto de máxima eficiência da bomba (BEP). Nesta região de operação, o nível de vibração do equipamento será considerado “BOM”. A operação nas faixas compreendidas entre 70% a 80% e, entre 110% a 120% do ponto de máxima eficiência da bomba, o nível de vibração será considerado “SATISFATÓRIO”. Operando abaixo de 70% ou acima de 120% do ponto de máxima eficiência da bomba, o nível de vibração será considerado “INSATISFATÓRIO” e até “INACEITÁVEL”. Convém observar que, para uma bomba operar com um valor mínimo de vibração, é necessário que opere dentro do ponto de máxima eficiência na relação Head versus Vazão. Devemos lembrar que, se a bomba opera com baixa vazão, o líquido recircula internamente à bomba e aquece. Se operar com uma vazão muito acima de seus limites, a bomba irá cavitar. .Conclusões • A bomba centrífuga, para desempenhar bem sua função , tem que operar próxima ao seu Ponto Ideal de Trabalho. • A bomba centrífuga, quando mal operada ou mal insta lada, cavita, vibra, consome energia, recircula, aquece, quebra, tem mau desempenho. 7 COMPONENTES DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA 7.1 Carcaça Quando o líquido deixa o impelidor de uma bomba centrífuga, sai dotado de alta velocidade. A principal função da carcaça é reduzir progressivamente esta velocidade, convertendo parte desta energia em energia de pressão. A carcaça em voluta, conforme figura abaixo, é o tipo mais usual, sendo utilizada predominantemente em bombas de simples estágio. A voluta tem por função coletar o líquido que sai da periferia do impelidor e orientar seu caminho até sair da bomba.


É importante salientar que não é no entorno da voluta que a energia cinética é transformada em energia de pressão. A área crescente nos 360° da voluta objetiva a coleta e acomodação da crescente quantidade de líquido, posto que na seção A, por exemplo, precisamos acomodar o líquido coletado anteriormente e o líquido que esta saindo da periferia do impelidor nesta seção. Assim sendo, como a quantidade de líquido é crescente em torno da voluta na direção do escoamento, a área de passagem precisa ser crescente e computada de forma a manter a velocidade, e conseqüentemente a pressão. Este procedimento garante então um equilíbrio de forças radiais em torno dos 360º da voluta. Infelizmente este critério de projeto só garante o equilíbrio radial na vazão de projeto. À medida que nos afastamos da mesma, aparece um desequilíbrio de pressões que gera o impulso radial. As bombas mais modernas utilizam como artifício para atenuar o empuxo radial, a carcaça de dupla voluta, conforme figura abaixo. Este projeto consiste na simulação de duas volutas simples defasadas de 180º mediante uma chicana. Neste caso parte do líquido flui pelo canal interno e parte pelo canal externo numa tentativa de balanceamento do empuxo radial. As carcaças classificam quanto à bipartição em: • Bipartidas axialmente Usadas em bombas horizontais de múltiplos estágios com os mancais nas extremidades do eixo. Nestas carcaças, os bocais de sucção e descarga são localizados na metade inferior, para a facilidade de manutenção.


• Bipartidas radialmente Usadas em bombas horizontais, de simples estágio, com os dois mancais de um mesmo lado do impelidor (impelidor em balanço). Também utilizadas em bombas multiestágios com os mancais nas extremidades do eixo.

7.2 Impelidor (rotor) O impelidor tem a função de transferir para a massa líquida o movimento de rotação de que está dotado, cedendo energia. Nesta operação, a energia mecânica armazenada no impelidor é convertida em energia cinética, devido à força centrífuga. Basicamente um impelidor é projetado para fornecer uma vazão “Q”, contra uma altura manométrica “H”, girando a uma rotação “N”. O correto sentido de rotação de um impelidor é conforme figura. As palhetas estão com as extremidades periféricas voltadas para trás.

Os impelidores podem ser classificados segundo os critérios: • Quanto à admissão de líquido

� Impelidor de simples sucção � Impelidor de dupla sucção

• Quanto às paredes

� Impelidor aberto � Impelidor semiaberto � Impelidor fechado

• Quanto à direção da saída do líquido

� Impelidor de fluxo radial � Impelidor de fluxo axial � Impelidor de fluxo misto


7.3 Anéis de desgaste Numa bomba centrífuga em funcionamento, as pressões atuantes nas regiões de sucção e descarga do impelidor são diferentes. Na região do diâmetro externo do impelidor atua a pressão de descarga e no bocal do impelidor, pressão de sucção. Essa diferença de pressão da origem a uma recirculação de líquido que passa pela folga existente entre o bocal do impelidor e a carcaça da bomba. Então é necessário colocar uma folga mínima entre o bocal do impelidor e a carcaça da bomba para tornar mínima a fuga de líquido. Entretanto é impossível conservar esta folga original com a bomba em funcionamento porque ocorre um desgaste progressivo nas superfícies do bocal e da carcaça. A reconstituição da folga original torna-se necessária quando esta ultrapassar determinados valores, pois nestas condições, a quantidade de líquido recirculado afetará consideravelmente e eficiência da bomba. Instalam-se então, anéis especiais no impelidor ou na carcaça, ou em ambos, a fim de que o desgaste se verifique apenas nos anéis. Estes anéis são chamados de Anéis de Desgaste, porque podem ser facilmente substituídos quando gastos, em vez do impelidor ou da carcaça. Existem vários tipos de Anéis de desgaste, e sua seleção para um determinado tipo de serviço depende do líquido bombeado, da pressão diferencial, da velocidade circunferencial e do desenho específico da bomba. Em geral bomba de pequeno porte e destinadas a serviços leves, não vêm equipadas com anéis de Desgaste. 7.4 Eixo A função básica do eixo na bomba centrífuga é transmitir o torque e o movimento de rotação, fornecidos pelas máquinas acionadoras, assim como suportar o impelidor e outras partes rotativas, devendo trabalhar sempre com deflexão menor que a folga mínima entre as partes rotativas e estacionarias. Para o bom funcionamento da bomba, o eixo deverá ser confeccionado sem empeno e concêntrico em toda sua extensão para não causarem vibração, acelerar o desgaste de outras partes da bomba, como mancais, luvas, anéis de desgaste, selo mecânico. 7.5 Mancais Os mancais são os elementos de apoio do eixo. Tem por função manter o correto alinhamento do conjunto rotativo em relação às partes estacionarias. Podem ser de deslizamento e de rolamento. 7.5.1 Mancais de deslizamento Os mancais radiais de deslizamento são empregados quando as cargas transmitidas pelo munhão são elevadas e o eixo gira em alta rotação. Normalmente são bipartidos, entretanto, podemos encontrá-los em uma só peça, sendo denominado de bucha. No caso particular de mancal bipartido com espessura de parede muito delgado, é denominado casquilho. O mancal de deslizamento pode ser do tipo radial ou axial (escora). O mancal axial é constituído basicamente de um colar preso ao eixo e de varias sapatas pivotadas que se acomodam em diferentes inclinações de acordo com a película de óleo. Há sempre a necessidade de manter uma folga entre o mancal e o eixo para compensar a dilatação, introduzir e distribuir o óleo, neutralizar pequenos desalinhamentos e permitir a rotação livre do eixo.


Mancal radial Mancal axial (escora) para conter o deslocamento axial do eixo. 7.5.2 Mancais de rolamento Os rolamentos são mancais que tem como principio básico o movimento rolante de um elemento sobre o outro. Também são chamados de “Mancais antifricção”, devido ao baixo coeficiente de atrito de seus elementos rolantes. Os rolamentos são elementos de máquinas padronizados que o construtor de bombas não projeta, mas apenas escolhe o tipo mais adequado.

8 LUBRIFICAÇÃO A lubrificação tem por objetivo impedir o contato direto entre as superfícies em movimento relativo, reduzir o atrito, auxiliar na dissipação do calor gerado, fornecer proteção anticorrosiva e remover as partículas provenientes do desgaste das peças e outros materiais estranhos, que irão danificar os mancais. A lubrificação dos mancais pode ser realizada por banho de óleo ou forçada. 8.1 Lubrificação por Circulação Forçada (qualquer t ipo de mancal) Na lubrificação forçada, conforme figura abaixo, o óleo é bombeado, geralmente por uma bomba volumétrica, que passa por um permutador de calor para que chegue ao mancal com uma temperatura em torno de 40ºC. Em seguida é filtrado passando por uma válvula ou placa de orifício para regular a vazão e pressão de acordo com a necessidade de cada mancal. Após o óleo cumprir sua função, retorna ao reservatório para iniciar um novo ciclo.


8.2 Lubrificação por Banho de Óleo (qualquer tipo d e mancal) Usualmente, a aplicação de óleo para lubrificar os rolamentos se faz através de “banho” e por isso é importante manter o nível de óleo nos mancais, pois se o nível for abaixo do normal, implicará em lubrificação deficiente e desgaste prematuro, enquanto que acima do normal implicara em aquecimento, óleo espumando e consumo de potência. O nível de óleo deve atingir de 1/3 a 1/2 da esfera ou rolo inferior ro rolamento, com o equipamento parado, conforme figura abaixo. O nível de óleo já esta definido segundo levantamento do fabricante ou por ocasião da manutenção, quando as circunstâncias assim o exigirem, razão pela qual não devem ser trocados os copos repositores de óleo entre bombas. Se o nível de óleo for controlado por visor tipo “Olho de Boi”, o nível deve ser até a metade do visor. Se for por “Copo Repositor”, a reposição de nível é automática.

Lubrificação por Banho Lubrificação por Anel Pescador Para os mancais de deslizamento também é importante manter o nível de óleo, pois se o nível for abaixo ou acima do normal, implicará em lubrificação deficiente e desgaste prematuro do mesmo. Para esse tipo de mancal é instalado um anel chamado de Anel “Pescador”. Quando o eixo gira o anel gira também e, como sua parte inferior esta no óleo, o óleo é arrastado até a parte superior do mancal para que escorra e faça a lubrificação. Se o nível for baixo, a quantidade de óleo arrastado será pouco, e conseqüentemente teremos uma lubrificação deficiente. Se o nível for alto, o anel não irá girar na velocidade adequada devido ao atrito com o óleo e, a quantidade de óleo arrastado será pouco e também teremos lubrificação deficiente. Neste tipo de lubrificação é importante saber se o anel esta girando juntamente com o eixo. A parte inferior do anel deverá estar mergulhado no óleo de 12 a 20 milímetros, para que a lubrificação seja adequada, conforme figura.


8.3 Temperatura dos mancais em operação Os mancais de rolamentos geralmente operam na temperatura de até 65°C, mas podem chegar a 80°C. Neste caso, deverá ser analisada a causa, e parado se necessário. Os rolamentos normais são projetados e fabricados para suportar picos de temperatura de até 120°C. Apesar de projetados para suportar altas temperaturas, não é aconselhável que operem assim, pois a temperatura irá diminuir sua vida útil. Se os separadores de corpos girantes forem feitos de poliamida estas irão se degenerar pela ação da temperatura e lubrificante. Os mancais de deslizamento geralmente não ultrapassam 70°C. Se atingir 90°C, o equipamento deverá ser parado e inspecionado. O metal patente, matéria prima na confecção de mancais se funde a 125°C aproximadamente. 8.4 Orientações Básicas de Lubrificação • Não troque o copo repositor e o óleo entre bombas, eles podem ser diferentes, • Nível alto de óleo é tão prejudicial quanto nível baixo, • Para depósitos de óleo onde há indicadores de nível de coluna, o nível deve ser verificado com o equipamento em operação, • Para os depósitos de óleo em que os equipamentos ficaram parados por longo período, drenar a água que se acumula no reservatório antes de coloca-lo em operação, • Para as caixas com visor tipo “Olho de Boi”, o nível deve estar no meio do visor com o equipamento em operação, • Um óleo de viscosidade alta é tão prejudicial quanto um de viscosidade baixa, • Manter o frasco de óleo sempre fechado e junto ao equipamento, • Não use luvas ao repor óleo, pois poderá introduzir impurezas na caixa de mancais, • Reponha o óleo sempre pelo copo e não pelo respiro, • Aquecimento e espuma são sinônimos de nível alto de óleo, • Ruído pode ser sinônimo de nível baixo de óleo, 9 ACOPLAMENTOS Acoplamentos são elementos mecânicos de ligação entre o eixo da bomba e o eixo da máquina acionadora, e é através destes que a máquina acionadora transmite torque à bomba. Os acoplamentos não são feitos para compensar grandes desalinhamentos. São projetados para absorver desalinhamentos residuais e ou pequenas flutuações ocorridas durante o funcionamento das máquinas. Os acoplamentos podem ser rígidos ou flexíveis. Os flexíveis podem ser lubrificados ou não lubrificados. Contrariamente ao conceito popular, os acoplamentos flexíveis não devem suportar erros de alinhamentos. Qualquer desalinhamento é indesejável, não devendo ser tolerado permanentemente, pois aumenta os esforços, prejudica os mancais e conduz o equipamento a falhar. Também, não podemos confundir o máximo desalinhamento permissível ao conjunto com o máximo desalinhamento permissível ao acoplamento. O máximo desalinhamento permissível ao conjunto é para que ele opere bem, sem vibração, enquanto que o máximo desalinhamento permissível ao acoplamento é para que este não se danifique. 9.1 Rígidos São chamados rígidos quando não permitem nem movimentos laterais nem movimentos axiais relativos entre os eixos. Os eixos são ligados solidamente de tal forma a formarem um único eixo. É como se fosse uma união flangeada. Neste caso, os eixos deverão estar perfeitamente alinhados entre si para que não ocorra desgaste dos mancais e vibração.


Flanges 9.2 Flexíveis Os acoplamentos são denominados flexíveis quando tem a capacidade de absorver os movimentos laterais e axiais entre os eixos, devido ao desalinhamento. São denominados lubrificados quando há a necessidade de, periodicamente, parar o equipamento para inspeção quanto ao desgaste e relubrificação; e não lubrificados quando não há esta necessidade.

10 VEDAÇÕES As vedações que podem existir em uma bomba centrífuga são: juntas, retentores, anéis “O”, labirintos. 10.1 Juntas São peças destinadas a vedar dois elementos mecânicos desprovidos de movimento relativo. São vedadores estáticos, instalados entre duas superfícies submetidas à compressão em decorrência do aperto de parafusos. Empregam-se os mais diferentes tipos de materiais para a confecção de juntas, desde o papelão até o aço maciço, a depender do fluído a vedar, da temperatura operacional e pressão atuante. 10.2 Retentores São vedadores dinâmicos destinados a assegurar vedação entre um elemento mecânico rotativo (eixo) e um elemento mecânico estacionário.


Consta de um anel labial de borracha montado em uma capa metálica. O anel ainda fica submetido à ação de uma mola que o pressiona quando estiver montado. As funções do retentor, dependendo do tipo, são: evitar a saída do lubrificante e impedir a entrada de sujeira. 10.3 Anéis “O” São peças moldadas em formato anelar com seção circular, destinadas a vedar dois elementos mecânicos. Normalmente é instalado em uma ranhura confeccionado em umas das peças a vedar. Quando é submetido a aperto se deforma e transmite essa pressão à superfície a vedar. A pressão de vedação que sofre o anel “O” é maior que a pressão a vedar. Geralmente são confeccionados de borracha. 10.4 Labirintos São elementos mecânicos dinâmicos de não contato, destinados a assegurar vedação entre um elemento mecânico rotativo (eixo) e um elemento mecânico estacionário. A vedação é realizada através de uma peça instalada no elemento estacionário e, através de uma folga mínima com o eixo, é realizada a vedação. O labirinto não impede a saída de lubrificante nem a entrada de sujeira, mas atenua. 11 SELAGENS As selagens que podem existir em uma bomba centrífuga são: gaxetas e selo mecânico. 11.1 Gaxeta Os anéis de gaxetas são elementos pré-formados e de estrutura mole empregados para vedar fluídos sob a compressão de uma sobreposta. Apesar da gaxeta ter a função primordial de impedir a saída de líquido em operação, seu objetivo prático é permitir um pequeno vazamento (30 a 60 gotas por minuto), restringindo o vazamento a limites aceitáveis de processo. Este vazamento tem a finalidade de refrigerar e lubrificar os anéis de gaxeta. A seleção da gaxeta se baseia nos seguintes fatores: líquido bombeado, temperatura de operação, pressão de descarga, rotação, e dimensões da caixa de gaxetas. Em função das condições operacionais, a caixa de gaxetas pode apresentar características especiais como bucha de garganta, conexão para líquido de selagem, anel de lanterna e câmara de refrigeração. Os materiais usados na fabricação de gaxetas são: algodão, asbesto, nylon, teflon, chumbo, alumínio, latão, etc. A esses materiais aglutinam-se sebo, óleo, parafina, graxa, silicone, grafite, mica, etc., com a finalidade de tornar a gaxeta autolubrificada. Uma grande desvantagem da gaxeta é o fato de necessitar de ajustes freqüentes. 11.2 Selo mecânico Em determinadas condições de serviço de uma bomba centrífuga, é impraticável o uso de gaxetas como elemento de vedação. Assim sendo, tornou-se necessário desenvolver um novo tipo de vedação, conhecido por selo mecânico. Os selos mecânicos incorporam princípios hidráulicos de reter os líquidos e os vazamentos normais que existem são invisíveis a olho nu. Embora eles possam diferir em vários aspectos físicos, todos os selos têm o mesmo principio de funcionamento. As superfícies de selagem são localizadas em um plano perpendicular ao eixo. Usualmente consiste de duas superfícies adjacentes altamente polidas: uma é ligada ao eixo e outra á parte estacionária da bomba, que são mantidas unidas em contato continuo por ação de molas, formando um selo fluído entre as partes rotativas e estacionárias com uma perda muito pequena por atrito. Quando o selo é novo, o vazamento é muito pequeno, podendo ser considerado como inexistente. Com o tempo o desgaste ocorre e pode aparecer o vazamento. Os selos mecânicos têm três regiões principais nas quais a selagem deve ser feita: • Entre o elemento estacionário e a carcaça que é realizado através de junta convencional ou anel “O”. • Entre o elemento rotativo e eixo ou luva de eixo que é realizado usando anéis “O”, cunha ou anéis em “V”. • Entre as superfícies de contato dos elementos de selagem onde o vazamento é controlado mediante a manutenção de um contato bem firme entre as partes devido à ação de molas e da pressão do fluído na caixa.


11.2.1 Dispositivos Auxiliares para Selos Mecânicos O selo mecânico não funciona a seco. A grande quantidade de calor gerada nas faces de vedação devido ao atrito da origem a falhas e desgastes prematuros. Os selos mecânicos necessitam para um adequado funcionamento, que uma película de filme do líquido bombeado seja formado entre as faces de vedação. Além disso, alta temperatura de bombeamento, presença de abrasivos, líquidos com tendência à formação de cristais e em serviços em que a bomba permanece muito tempo parada, são características negativas para o emprego de selos. Objetivando a atenuação destas limitações dispomos dos seguintes dispositivos auxiliares incorporados aos selos mecânicos: Flushing e Quenching . 11.2.1.1 Flushing Para que o movimento relativo entre as faces seladoras se efetue sem provocar desgastes acentuados e sem grande desprendimento de calor, faz-se circular pela caixa de gaxetas um líquido adequado com a finalidade de penetrar entre as faces seladores e mantê-las afastada entre si. Isto é, substitui o atrito sólido pelo atrito fluído, onde o líquido tem a função de lubrificar e resfriar o selo. A origem do líquido pode ser da descarga da própria bomba ou de fonte externa. Utiliza-se flushing da descarga da própria bomba quando o líquido bombeado não contém sólidos em suspensão, o produto bombeado não pode ser contaminado e aumentar a pressão na caixa de selagem. Utiliza-se flushing de fonte externa quando o líquido bombeado contém sólidos em suspensão. Neste caso o líquido injetado deve ser limpo e compatível com o produto bombeado e ter uma pressão de injeção de pelo menos 0.5 Kgf/cm 2 acima da pressão da caixa de selagem.


11.2.1.2 Quenching O vazamento do selo mecânico, dependendo da temperatura de operação da bomba, pode levar à formação de resíduos (carbonização) na saída do líquido das faces de selagens ou à formação de cristais. Consiste na injeção e posterior drenagem de um fluído, usualmente vapor d’água para limpeza ou água para refrigeração, com a finalidade de limpeza e evitar o acumulo de resíduos entre as faces de vedação e a luva que possam vir a travar o selo. Utiliza-se baixas vazões e pressões.

11.3 Características típicas operacionais de um sel o mecânico • Selo mecânico vaza, • Se não houver vazamento danifica-se, • O selo quando novo vaza pouco, • Vazamento anormal aparece se houver dano no selo (desgaste), • Vazamento anormal aparece se a pressão de selagem for muito alta, • Selo mecânico necessita, para funcionar bem, que uma película do líquido bombeado seja formada entre as faces de vedação, • Choque térmico danifica o selo, • Temperatura, abrasivos e líquidos com tendência à formação de cristais danificam o selo, • Bomba parada muito tempo também danifica o selo, • Falta de Flushing ou Quenching danifica o selo. 12 PARTIDAS E PARADAS DE UMA BOMBA CENTRIFUGA Antes de partir um equipamento devemos fazer uma inspeção preliminar quanto à limpeza, condições de segurança, nível de óleo e sistema de lubrificação e sistema auxiliares (flushing, quenching e água de refrigeração). A seqüência abaixo se refere a uma partida tradicional, porém, cada equipamento tem suas peculiaridades e podem diferir desta seqüência.


12.1 Partida • Fechar drenos, • Abrir válvula de sucção, • Fechar válvula de descarga, • Escorvar ou ventar bomba, • Alinhar sistema de refrigeração dos mancais e caixa de selagem, se houver, • Alinhar sistema de lubrificação, se houver, verificando o fluxo de óleo, • Se a bomba opera com selagem de fonte externa, alinhar o sistema. Exceto para as que operam com vácuo na sucção. Neste caso, abrir a válvula da linha se selagem após a bomba atingir velocidade nominal, • Se a bomba opera com produto quente, aquecer previamente para evitar expansões, • Abrir recirculação, se necessário, • Dar partida no motor, • Ao atingir velocidade nominal, abrir a válvula de descarga vagarosamente, • Fechar recirculação, se necessário, • Observar se há vazamentos (selagem, óleo, juntas, conexões), • Verificar temperatura dos mancais, • Observar o comportamento do conjunto quanto a ruído, vibração, cavitação ou qualquer outra anormalidade. 12.2 Parada • Abrir a recirculação, se necessário, • Fechar válvula de descarga, • Parar o acionador • Fechar sistema de refrigeração dos mancais e caixa de selagem, se houver, • Fechar sistema de selagem, • Fechar válvula de sucção, • Parar bomba de lubrificação, se houver, • Alinhar sistema de aquecimento, se necessário. 13 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA PARA BOMBAS IND USTRIAIS A seleção dos materiais empregados na construção dos componentes de bombas deve considerar não só os aspectos que predominarão na operação da máquina, bem como, analisar as características e o custo dos mesmos. As condições de serviço e as características do líquido bombeado são determinantes para o adequado projeto da bomba. Pressão, temperatura, velocidade, presença no líquido de gases dissolvidos ou sólidos em suspensão, corrosividade e toxidez do fluido também são contempladas. A característica dos materiais é outro fator importante. Não somente considerando a adequação das propriedades mecânicas do metal, mas também resistência à corrosão, à erosão, oxidação, etc. Cada material apresenta um desempenho diferente dependendo das condições de trabalho. Por exemplo, é importante conhecer a resistência dos materiais à corrosão, bem como sua susceptibilidade à corrosão galvânica, porque é comum o emprego conjunto de metais dissimilares em contato direto com um líquido de característica eletrolítica. Os metais assim utilizados, se afastados entre si na escala galvânica de potencial elétrico, formarão uma pilha eletrolítica com a corrosão do mais susceptível. São ordenados abaixo os metais mais utilizados na fabricação de bombas centrífugas quanto a susceptibilidade à corrosão galvânica. Os metais mais próximos do extremo anódico de potencial elétrico serão, preferencialmente, corroídos em relação aos metais do extremo catódico.


Ânodo (corroído) Zinco Ferro Ferro-Cromo Ferro-Cromo-Níquel Latão Bronze Ligas Cobre-Níquel Cobre

Catodo (protegido) Os aços inoxidáveis, de modo genérico, se encaixam no grupo Ferro-Cromo diante de eletrólitos fracos e a corrosão observada é quase desprezível. Outra característica também necessária é a resistência a erosão (desgaste localizado do material, na forma de sulcos e aspecto polido), provocada pela incidência de um fluxo bifásico em alta velocidade na superfície metálica. Geralmente, o fluxo bifásico é constituído por partículas em suspensão no líquido onde se aplicam materiais com elevada dureza superficial, como o aço inoxidável AISI 410. Quando, o fluido também apresenta características corrosivas, pode ocorrer a combinação dos dois mecanismos de deterioração no fenômeno denominado de corrosão-erosão. Nesse caso, o desgaste verificado é muito maior que o produzido pela corrosão ou pela erosão separadamente. A película de produtos de corrosão, formada no equipamento, é removida pelo ataque erosivo, expondo o metal a novo ataque corrosivo. A erosão, então, novamente remove a camada protetora formada, repetindo sucessivamente o fenômeno e agravando o desgaste. Também é importante considerar as seguintes características dos materiais: resistência mecânica, soldabilidade, facilidade de fundição, usinabilidade, tendência a apresentar falhas estruturais e custo. Os materiais mais empregados em bombas industriais e suas características são descritos a seguir: 13.1 Ferro Fundido Emprega-se mais comumente o Ferro Fundido Cinzento pelo baixo custo, facilidade de fundição, boa usinabilidade, resistência à compressão e grande capacidade de absorver vibrações. Contudo, é um material de baixa resistência mecânica, principalmente às solicitações de tração e flexão; apresenta grande fragilidade e baixa soldabilidade devido à presença de grafite na forma de veios em sua estrutura metalúrgica. A resistência à corrosão do Ferro Fundido em relação ao aço carbono é boa, podendo ser empregado em serviços com água doce, hidrocarbonetos, álcoois, benzeno, cetonas e ácidos minerais concentrados. Entretanto, nele pode ocorrer o fenômeno de corrosão grafítica quando trabalhar com soluções de ácidos diluídos ou soluções aciduladas. O Ferro Fundido Maleável, onde a grafita se encontra sob a forma de glóbulos, mostra maior resistência mecânica, é mais dúctil e mais resistente à tração. As propriedades de resistência à corrosão e a temperatura máxima de utilização são similares às do Ferro Fundido Cinzento. O Ferro Fundido Nodular, obtido a partir do Ferro Fundido Cinzento (através da adição de Cério ou Magnésio durante a fundição) apresenta a grafita precipitada na forma de nódulos ao invés de veios. Suas resistência mecânica, e a temperatura, são superiores as do Ferro Fundido Cinzento; a resistência à corrosão é praticamente amesma. Além desses, normalmente se utiliza de um ferro fundido especial, ligado ao Níquel, conhecido pelo nome comercial de Ni-Resist. Essa liga apresenta boa resistência mecânica, fácil usinabilidade e fundição, alta resistência a corrosão, a abrasão e baixa soldabilidade. É um material caro e que suporta bem os serviços em temperaturas altas e baixas, indicado para água salgada e soluções alcalinas. Não se recomenda usá-lo com ácido nítrico, ácido fosfórico, ácido sulfúrico quente entre outros. Sob a ação de compostos orgânicos sofre corrosão moderada; a intensidade do ataque é dependente do grau de aeração e da temperatura do fluido. 13.2 Aço Carbono É um material de boa resistência mecânica e fácil fundição que apresenta boas características de usinabilidade, trabalhabilidade, soldabilidade e ductilidade. Em relação aos ferros fundidos é um melhor material de construção mecânica , por isso, tem grande participação na construção de bombas, embora sua resistência à corrosão seja menor e seu custo mais alto que a dos ferros fundidos. Normalmente é utilizado em serviços com solventes orgânicos, hidrocarbonetos, água e condensado. O aço carbono não apresenta bom desempenho com ácidos fosfóricos ou nítricos em qualquer concentração e ácido sulfúrico diluído.


13.3 Aço Inoxidável Na construção de bombas, utilizam-se tanto os aços inoxidáveis austeníticos quanto os martensíticos. De modo geral, os aços inoxidáveis apresentam excelente resistência à corrosão, boa usinabilidade, conformação e propriedades mecânicas. São materiais de custo elevado e aplicáveis em serviços a temperaturas mais altas que as suportadas pelo aço carbono. Os aços inoxidáveis martensíticos apresentam maior resistência mecânica e menor soldabilidade que os austeníticos, o que não impossibilita seu uso, desde que procedimentos de soldagem corretos sejam utilizados. Entre suas aplicações características destacam-se os serviços com ácidos sulfúrico, nítrico, fosfórico, ácidos orgânicos e graxos, hidrocarbonetos, sais neutros e alcalinos. Seu emprego com cloretos, hipoclorito e soda cáustica não é recomendável devido ao risco de Corrosão Sob Tensão (CST). Os aços inoxidáveis mais usados são os tipos 304, 316, 410 e 420. 13.4 Bronze A resistência à corrosão do bronze é similar a do cobre comercial, mas sua resistência mecânica e propriedades a temperatura elevada são bem melhores, podendo trabalhar em serviços contínuos até 370o C, e em baixas temperaturas até -180o C. Os bronzes estão sujeitos a CST (corrosão sob tensão) em presença de amônia, aminas, sais minerais e mercúrio. Não se recomenda o seu uso com ácidos em geral, cloretos, fosfatos e soda cáustica. A aplicação do bronze abrange operação com água doce e salgada, acetona, álcoois, éter, hidrocarbonetos, solventes aromáticos e outros. 13.5 Ligas de Níquel São materiais com excelente resistência à corrosão e de elevado custo. As ligas mais usadas são o Monel, Inconel e Incoloy. O Monel resiste bem aos ácidos sulfúrico, clorídrico (dependendo de sua aeração e temperatura), fluorídrico, em qualquer concentração até a temperatura de ebulição, bem como a compostos orgânicos e álcalis. Porém, não deve ser empregado com hidróxido de amônio e hipocloritos. O Inconel e Incoloy servem para ácidos oxidantes, cromatos, nitratos e compostos alcalinos contendo enxofre. 13.6 Liga Níquel-Molibdênio (Hastelloys) São ligas de alto preço e de uso muito limitado. Dividem-se em Hastelloy B e C utilizadas em diferentes aplicações. O Hastelloy B é usado para ácido clorídrico em todas as concentrações e qualquer temperatura; para ácido sulfúrico, álcalis, soluções alcalinas, mas não deve ser utilizado para cloreto de ferro, de cobre e magnésio. O Hastelloy C suporta bem os ácidos fosfórico, nítrico e sulfuroso. 14 MATERIAIS MAIS USUAIS Na seleção de materiais para os componentes das bombas industriais, a maior preocupação é especificar os materiais da carcaça e do impelidor. Os demais componentes são especificados de modo a serem compatíveis com aqueles, salvo quando características especiais são necessárias. De um modo geral, os materiais comumente selecionados para os componentes das bombas são: 14.1 Carcaça O material mais preferido para bombas de menor responsabilidade é o ferro fundido, por seu baixo custo, boa resistência mecânica e fácil usinagem. Porém, em pressões elevadas (acima de 70 kgf / cm2) e altas temperaturas (acima de 175o C) raramente ele é utilizado, preferindo-se o aço fundido. Quando características de melhor resistência à corrosão são requeridas, há a necessidade de utilizar materiais mais nobres como os aços liga ou os aços inoxidáveis, mesmo em condições de pressão e temperatura moderadas. É importante considerar os seguintes aspectos na seleção do material das carcaças de bombas: - vazamentos em carcaças de aço podem ser reparados através de soldagem, enquanto nas carcaças de ferro fundido isso é muito difícil ou inviável, dada a baixa soldabilidade deste material; - carcaças de aço fundido são utilizadas até pressões de 140 kgf/cm2, a partir das quais se utiliza carcaças em aço forjado (tipo barril), que possui maior resistência mecânica; - o aço inoxidável é utilizado para líquidos muito corrosivos ou erosivos; - bronze é aplicado em casos onde o fluido é levemente corrosivo, como, por exemplo, água do mar; - porcelana e vidro somente são utilizados em casos especiais.


14.2 Impelidor e Anéis de Desgaste Normalmente, para o bombeamento dos líquidos comuns em condição de baixa responsabilidade, prefere-se o bronze devido a: fácil fundição de secções complicadas, facilidade de usinagem e bom acabamento superficial. Contudo rotores de bronze não devem ser usados em carcaças de ferro fundido quando o fluido de trabalho for um eletrólito forte, preferindo-se, nesse caso, material ferroso. O bronze também não é usado em temperaturas acima de 140o C, porque, quando aquecido, expande-se cerca de 40% mais do que o aço. A expansão dimensional acima de 140o C, poderia gerar folgas entre impelidor e eixo, uma vez que a montagem das partes, as folgas e interferências são calculadas com base na temperatura ambiente. Outro importante limitador é o efeito da velocidade periférica na dilatação do cubo do impelidor. Folgas excessivas apareceriam em bombas que operam com altas velocidades periféricas. Como alternativas ao bronze, existem o ferro fundido, aço fundido ou inoxidável, dependendo das condições de pressão, temperatura e corrosividade do líquido. Nos anéis de desgaste, normalmente utiliza-se o bronze pelas mesmas razões descritas no caso dos impelidores. Porém, também se utilizam anéis fabricados em ferro fundido, aço inoxidável ou Monel, a depender do serviço da bomba. 14.3 Eixo Os materiais utilizados na fabricação de eixos devem apresentar as seguintes características: resistência mecânica, boa usinabilidade, temperabilidade e dutilidade, resistência ao desgaste e à corrosão. Normalmente os materiais preferidos são os aços baixa liga, sendo o mais usual o tipo AISI 4140 - C. 0.40% Si. 0.25% Mn. 0.85% Cr. 1.00% Mo. 0.25%; contudo, freqüentemente são empregados eixos de aço inoxidável, bronze e Monel, dependendo do fluido bombeado. 15 DETERIORAÇÃO E DANOS EM BOMBAS De maneira geral, os problemas que se verificam nas bombas industriais não são graves e ocorrem após médios e longos períodos de operação. Entretanto, merecem atenção os equipamentos que bombeiam fluidos erosivos ou líquidos agressivos que intensificam os mecanismos de deterioração. Seguem, em resumo, os principais problemas de deterioração que as bombas enfrentam. 15.1 Corrosão Normalmente, a corrosão uniforme predomina nas carcaças de bomba, causando perda de espessura leve ou desprezível, dependendo do fluido bombeado. A corrosão alveolar não é comum. Os parafusos da carcaça (prisioneiros) podem se corroer localizadamente por oxidação na área coincidente com a fresta que se forma entre a carcaça e a tampa. O acúmulo de água da chuva ou da umidade atmosférica, bem como a oxidação acelerada por altas temperaturas provocam o desgaste dos filetes da rosca e a redução no diâmetro dos parafusos. Pode-se dizer que as partes de uma bomba mais susceptíveis à corrosão interna são os drenos, respiros (vent) e as tubulações de selagem. Esses componentes estão sujeitos a pressão desenvolvida no interior da bomba, por isso, uma falha pode gerar sérias conseqüências. Por serem peças fabricadas a partir de tubos de pequeno diâmetro, apresentam espessuras muito menores que as da carcaça fundida; logo, as tolerâncias quanto à corrosão admissível são menores. Para fabricá-los, utilizam-se tubos com diâmetro de 1 /2”, 3/4”, 1” até 1 1 /2”, cujas espessuras são 4,75; 5,54; 6,35 e 7,14, respectivamente. O dreno e o respiro funcionam esporadicamente (entrada em operação, na escorva ou liberação da carcaça), de forma que, durante o funcionamento da bomba, não existe fluxo de líquido em seu interior, expondo-os aos processos corrosivos que podem ocorrem em presença do líquido estagnado, de água decantada ou de vapores corrosivos. Nos drenos e respiros é comum ocorrer a corrosão uniforme, a alveolar e a uniforme com alvéolos dispersos. A intensidade da corrosão pode variar de leve a acentuada. Por ser a parte mais baixa da carcaça, no dreno é possível acumular resíduos e, em consequência, haver corrosão sob depósito, ou corrosão eletroquímica pela decantação de água emulsionada no líquido bombeado. As carcaças de bomba utilizadas na maioria das aplicações industriais são peças fundidas, onde é comum existirem defeitos de fundição como poros, porosidade, rechupes, inclusão de areia, trincas de contração, etc. Tais defeitos ocorrem de forma localizada, geralmente em regiões de grande espessura, variação de geometria ou coincidentes com as áreas da emenda dos moldes de fundição. Nas carcaças que contém porosidades e inclusões de escória e trabalham em elevadas temperaturas, os defeitos facilitam o vazamento do produto durante o bombeamento. As dilatações térmicas produzidas com a temperatura de operação acabam por interligar os defeitos próximos e abrem caminho para o vazamento.


15.2 Deficiências de Projeto e Fabricação Não só a corrosão representa uma causa de dano para as bombas. Um projeto deficiente e uma fabricação sem os cuidados necessários para assegurar o bom funcionamento do equipamento contribui muito para a ocorrência de falha. As partes mais afetadas por um projeto, fabricação e montagem deficientes são as tubulações de pequeno diâmetro da bomba. Tais aspectos produzem efeitos com frequência até maior que a própria corrosão, que, não raro, a ela se combinam e geram uma situação de baixa confiabilidade. As máquinas instaladas em plantas antigas são as que apresentam mais problemas nas tubulações auxiliares. Normalmente, o dreno e o respiro não eram fornecidos juntamente com a bomba, eram peças confeccionadas e montadas durante a instalação da carcaça. É certo que não dispunham de um projeto específico e nem recebiam os cuidados de fabricação e montagem cabíveis, daí a predominância de irregularidades. Como já se mencionou, as tubulações de pequeno diâmetro são menos robustas que a carcaça da bomba, e, por isso, estão sujeitas a uma condição de operação mais severa. É lógico, portanto, que esse fato justifique um tratamento mais rigoroso na fabricação dessas peças. A experiência mostra ser comum as peças apresentarem as seguintes anormalidades: - existência de inúmeros defeitos de soldagem nas soldas de ligação das conexões das TPD; - uso de materiais inadequados ou incompatíveis com o fluido de serviço ou o material da carcaça; - uso indiscriminado de ligações roscadas; - utilização de adaptadores ou peças de conexão inadequados; - aplicação de tubos com espessura inadequada, normalmente menor do que a necessária; - falta de suportação para os drenos e respiros; - utilização de vedante não especificado (Teflon) na ligação roscada de bombas que trabalham em elevadas temperaturas; - ligação roscada frouxa entre a TPD e a carcaça devido a pouco comprimento rosqueado; - rosca da TPD usinada com diâmetro menor que o da conexão na carcaça; - montagem da TPD de forma desalinhada em relação à conexão da carcaça, espanando a rosca. Os aspectos acima descritos são capazes de colocar o equipamento em condição insegura, mesmo que todos os cuidados para a boa fabricação das peças tenham sido observadas. As irregularidades nas TPD das bombas acontecem devido: - à falta de conhecimento do risco envolvido; - à falta de projeto específico e critérios de instalação; - à falta de acompanhamento durante a fabricação e montagem das peças; - em alguns casos, ao difícil acesso para instalar adequadamente as peças; - negligência para obter uma correta instalação; - facilidade de execução de ligações roscadas; - utilização de material inadequado disponível; 15.3 Erosão Fenômeno de desgaste na superfície interna dos componentes de uma bomba provocado pelo movimento de um fluxo bifásico (líquido e sólidos em suspensão). Os sólidos suspensos no fluido são os provenientes do próprio processo industrial, como catalisadores, argilas e resíduos, ou são os gerados pelo processo corrosivo existente no sistema; neste caso, são partículas (óxidos, sulfetos, etc) finamente divididas que acompanham o fluxo. Quando a máquina bombeia fluidos com sólidos suspensos, o desgaste observado tem caráter generalizado, ocorrendo em toda a extensão da superfície interna da carcaça, tampa, rotor e outros componentes. As partes da bomba mais danificadas pela erosão são a carcaça, tampa e o rotor. O desgaste que ocorre é diretamente proporcional à quantidade de sólidos suspensos e à velocidade do movimento. Nos casos em que a erosão é provocada por sólidos decorrentes da corrosão do sistema, ela se intensifica nas regiões internas da carcaça onde ocorre a recirculação do fluido bombeado, como atrás dos anéis de desgaste e na fresta formada na região de junção entre a carcaça e a tampa. É comum, também observar o desgaste da superfície metálica interna adjacente aos orifícios do dreno e do respiro. O impelidor pode apresentar desgaste, porém, ele não é observado com freqüência. A erosão pode agir associada à corrosão e resultar numa taxa de desgaste maior que a observada em cada um dos mecanismos de desgaste individualmente. De modo geral, todas as bombas podem estar submetidas à ocorrência de erosão-corrosão, mesmo a uma taxa desprezível, uma vez que nenhum fluido é definitivamente não corrosivo e em nenhum sistema circula um fluido inteiramente limpo.


15.4 Cavitação Fenômeno resultante de perturbações ocorridas no fluxo líquido cujos efeitos são barulho, vibração, perda de eficiência de bombeio e danos no material da carcaça e impelidor. A cavitação acontece devido à formação e implosão cíclica de bolhas de vapor no interior da massa líquida, produzindo jatos líquidos ou ondas de choque incidentes na superfície interna dos componentes da bomba. Existem duas teorias que explicam a cavitação, a primeira, mais antiga e tradicionalmente aceita; a segunda, decorrente de experimentos modernos, que analisa melhor os mecanismos de formação das cavidades no meio líquido. A explicação clássica para o fenômeno diz que, se a pressão absoluta num ponto qualquer do líquido atingir valores menores que o da respectiva pressão de vapor, na temperatura de bombeamento, parte dele vaporizará. Formam-se então, bolhas no meio da massa líquida por ela carreadas. Quando uma região cuja pressão absoluta for maior que a pressão de vapor do líquido é encontrada, a condensação do vapor acontece, seguida de colapso das bolhas. Como se sabe, o volume específico de um líquido é menor que o ocupado por ele quando em estado de vapor. A implosão das bolhas produz um vazio instantâneo no seio líquido que o fluido se apressa a ocupar originando uma onda de choque. O mecanismo de implosão das bolhas pode ser descrito pela seguinte seqüência de eventos: - as cavidades dispersas no líquido encontram uma zona de maior pressão, - as bolhas se deformam, criando uma depressão em seu formato, no lado de maior pressão, - a depressão aumenta de tamanho até atingir o lado oposto da bolha, - ao atingir o lado oposto, a depressão divide a cavidade em duas, - no ponto onde ocorre a divisão da bolha o líquido penetra e produz um microjato que incide na superfície metálica ou se dirige para a zona de baixa pressão, dentro do líquido. Quando o microjato ocorre na corrente líquida, o impacto se transmite por intermédio de ondas de choque, mas quando ele incide diretamente sobre a superfície metálica o impacto é mais intenso e, seus efeitos, mais severos. No caso das bombas centrífugas, a região onde ocorre a menor pressão é a entrada (olho) do impelidor, por causa das perdas de carga na tubulação de sucção e na entrada da bomba. Nesse ponto o líquido ainda não recebeu qualquer acréscimo de energia (pressão) pelo impelidor. Se bolhas aí aparecerem, o colapso ocorrerá na região onde a pressão for maior, provavelmente, no canal do impelidor ou depois dele, na entrada da voluta ou canal das pás difusoras, dependendo do tipo de bomba. A cavitação difere da vaporização. Na primeira, formam-se bolhas como efeito do abaixamento da pressão enquanto a temperatura permanece constante. Na segunda, a pressão não varia, enquanto a temperatura sobe. Estudos modernos mostraram que o fenômeno da cavitação é mais complexo, e existem outros aspectos que a teoria clássica, descrita acima, não considera. Para que uma cavidade se crie é necessário que o líquido se rompa localizadamente. Essa ação (ruptura do líquido) não é medida pela pressão de vapor, mas pela resistência do fluido à tensão, correlacionada à sua tensão superficial na temperatura de bombeamento. Experimentos práticos mencionados em literaturas comprovaram que líquidos puros e homogêneos resistiram a valores bastante altos de pressão negativa, sem cavitar. Se os processos industriais se realizassem apenas com líquidos puros e homogêneos, a cavitação seria um fenômeno raro, restrito a casos especiais onde houvesse altas temperaturas ou velocidades extremamente altas. Contudo, de modo geral, a cavitação ocorre quando, num ponto qualquer do líquido, a pressão atinge valores da ordem da pressão de vapor. Daí pode se concluir que a resistência do líquido à tensão é diminuída pela existência de impurezas em seu interior. Isso é corroborado pelo fato de que, na maioria dos casos práticos, os líquidos não se apresentam de forma pura, mas contendo gases ou sendo por eles contaminados. Portanto, quando a pressão atinge um valor próximo da pressão de vapor, há a oportunidade para o crescimento de bolhas já existentes no meio líquido. Assim, o fenômeno seria melhor definido como sendo o aparecimento de bolhas macroscópicas no meio líquido, a partir de bolhas microscópicas ou de núcleos (impurezas) existentes, quando a pressão atinge um valor crítico. Uma vez produzidas as bolhas, o fenômeno se desenvolve de acordo com o descrito anteriormente.


Os fatores que podem gerar a cavitação são: - Altas temperaturas de bombeamento: quanto maior a temperatura, maior a pressão de vapor, influenciando também na variação do peso específico e da perda de carga através da viscosidade; - Tipo do líquido bombeado: quando uma instalação opera com vários líquidos diferentes, as diferenças dos fluidos, considerando, pressão de vapor, peso específico e viscosidade, acarretarão modificação no desempenho da bomba e das condições operacionais; - Tipo de entrada, diâmetro e acessórios na tubulação de sucção: qualquer alteração nas características físicas na tubulação de sucção ou seus acessórios modificam o NPSH disponível, implicando diretamente na ocorrência da cavitação; - Vazão: alteração na vazão de operação altera a perda de carga na sucção, podendo a pressão, nesse ponto, atingir valores da ordem da pressão de vapor do líquido; - Pressão no reservatório ou sistema de sucção: influencia diretamente a pressão no olho do impelidor. Além disso, a cavitação pode acontecer mesmo que todos os parâmetros de projeto e operação sejam observados. Isso é possível se condições anormais de operação existirem: - Distúrbios ou bloqueio parcial na tubulação de sucção ou na entrada da bomba: provocam perda de carga localizada. Exemplos: acúmulo de materiais estranhos na tubulação ou no filtro de sucção; fechamento parcial da válvula de sucção. - Vazamento excessivo através dos anéis de desgaste: a folga entre os anéis de desgaste do impelidor e da carcaça, na sucção, é controlada com o objetivo de limitar o vazamento entre a descarga do impelidor e a região de baixa pressão na sua entrada (olho). Normalmente a folga e o trajeto do líquido que recircula da descarga para a sucção são especificados para limitar o vazamento e sua velocidade de entrada na corrente normal de líquido succionando. Todavia, se a folga ultrapassar o valor máximo, a recirculação pode gerar vórtices na entrada da bomba e propiciar a cavitação. - Cavitação na voluta: a voluta é uma região de alta pressão, por isso é difícil imaginar que aí aconteça o problema. Contudo, a lingüeta da voluta pode ser considerada como uma pá localizada numa área de alta velocidade. Por isso, para vazões anormais, a turbulência gerada por um ângulo de incidência inadequado é capaz de provocar a cavitação. - Cavitação nas pás difusoras: as pás difusoras são uma série de pás guias na saída do impelidor. Nesse caso, a possibilidade de ocorrer o fenômeno é maior que no caso anterior, porque a perfeita adequação entre o fluxo na que sai do impelidor e entra nos canais formados pelas pás, só acontece na vazão de projeto. Quando a vazão muda, o fluxo nos canais do impelidor se torna não uniforme devido à variação da distribuição circunferencial de pressão em sua descarga. Em conseqüência, os fluxos vindos dos canais do rotor, podem provocar ângulos de incidência diferentes em uma mesma pá difusora. Ângulos de incidência inadequados podem produzir turbulência excessiva e, com isso, o aparecimento de cavitação. - Fluxo em sentido inverso na tubulação de sucção: nas bombas, devido ao movimento de rotação do impelidor, existe a tendência de se formar um fluxo inverso, partindo do olho do rotor para fora, superpondo-se ao fluxo principal. Isso acontece para as vazões abaixo da de projeto, e é contornado, dimensionando-se adequadamente a entrada do impelidor e fixando a vazão mínima de operação em 50 % da vazão de projeto. Esse fato também contribui para atenuar o aquecimento do fluido devido à operação em baixa eficiência. - Efeito da presença de impurezas no líquido bombeado: segundo a conceituação moderna de cavitação, são elas as principais responsáveis pelo aparecimento do fenômeno. Por isso, a determinação da presença de frações de componentes leves no líquido e da correta pressão de vapor do fluido são muito importantes para evitar o fenômeno. Os danos que ocorrem nos materiais devidos à cavitação dependem das características do material e da severidade do fenômeno. Como visto anteriormente, o colapso das bolhas, dependendo da posição em relação à superfície metálica, criará um microjato ou uma onda de choque que incidem na parede da bomba. A ação mecânica produzida pelo grande número de bolhas que colapsam em pequeno espaço de tempo é a principal responsável pelos danos provocados pela cavitação. Cada bolha tem um ciclo de milésimos de segundo entre


crescimento e implosão, e induz altíssimas pressões na região atingida. A literatura afirma que acontecem até 25.000 ciclos por segundo, com pressões de, aproximadamente, 1000 atm transmitidas às superfícies internas da carcaça e rotor. As ações mecânicas repetidas na superfície metálica ocasionam um aumento localizado de temperatura, cujos valores chegam a 800o C. Assim, as elevadas temperaturas facilitam os danos no material, pois diminuem sua resistência mecânica pelo aquecimento, e também podem provocar modificação estrutural do material. O desgaste metálico ocasionado pela cavitação nada tem em comum com a perda de material proveniente da corrosão ou da erosão. Contudo, nada impede que tais mecanismos de deterioração coexistam acelerando os danos no material. A possibilidade de falha dos materiais submetidos à cavitação está intimamente associada ao seu comportamento. As características mecânicas (limite de escoamento, de resistência, tenacidade), a resistência à fadiga e as características metalúrgicas (encruamento; tamanho, contorno e forma dos grãos; composição química e distribuição dos elementos de liga e impurezas) influenciam o desempenho dos materiais diante do problema. Comentam-se a seguir, alguns desses aspectos. Para amenizar os efeitos das altas temperaturas que ocorrem localizadamente quando a cavitação advém, a composição química é muito importante. Desse modo, devem ser utilizados materiais resistentes aos efeitos da altas temperaturas, como os aços inoxidáveis austeníticos. Assim, aços ligados ao Níquel, Vanádio e Molibdênio são mais resistentes à cavitação pois conferem aumento de resistência às elevadas temperaturas, bem como melhores propriedades mecânicas. A presença de impurezas como o Enxofre ou inclusões não metálicas, conduzem à queda da resistência, pois são núcleos susceptíveis a falha por fadiga. As características metalúrgicas do material também influenciam na resistência à cavitação. De forma genérica, elas aumentam a resistência através de: pequeno tamanho de grão (grãos finos); matriz austenítica; homogeneidade metalúrgica; estrutura lamelar; estrutura laminada ou forjada. E, ao contrário, diminuem a resistência quando aparecem: grãos grosseiros; microestrutura ferrítica; heterogeneidade; estrutura dendrítica; estrutura fundida. Considerando as propriedades mecânicas, o aumento da resistência à cavitação é conferido por dureza, tenacidade e dutilidade mais elevadas; bem como, a existência de tensões residuais de compressão. Ao contrário, dureza e dutilidade mais baixas, material frágil e tensões residuais de tração diminuem a resistência. Finalmente, os materiais com elevada resistência à corrosão, ou que apresentam superfície lisa e com baixa irregularidade são mais resistentes ao dano da cavitação.


16 TÉCNICAS DE INSPEÇÃO APLICÁVEIS NA AVALIAÇÃO DE BOMBAS E TURBINAS

16.1 Introdução As bombas, de modo geral, são equipamentos pouco complexos. A deterioração que nelas se verifica apresenta, ordinariamente, caráter corriqueiro e de pouca diversidade. Apesar disso, a boa prática de inspeção recomenda que o Técnico de Inspeção de Equipamentos conheça as características do processo industrial, a agressividade do fluido de trabalho, os mecanismos de falha possíveis e o histórico do equipamento. Tais informações viabilizam a avaliação confiável das máquinas. As turbinas, por outro lado, apresentam concepção mais complexa. Entretanto, os danos que podem ocorrer são conhecidos (erosão, alguma corrosão e vibração), e, normalmente, não dependem do fluido. Desse modo, a aplicação adequada das técnicas de inspeção disponíveis para avaliar as condições físicas das bombas e turbinas é muito importante para fornecer dados sobre a real condição dos equipamentos. 16.2 Inspeção visual Geralmente, os danos ou situações de risco nos componentes de bombas e turbinas são prontamente identificados através de cuidadoso exame visual. Os recursos mínimos para uma boa inspeção são: - adequada limpeza dos componentes e da carcaça, internamente, evitando que líquido ou detritos remanescentes encubram as regiões de interesse. Isto se aplica, particularmente, nas bombas, uma vez que as turbinas são, em sua grande maioria, equipamentos limpos; - iluminação adequada para a inspeção, principalmente nas partes internas (carcaça e componentes); - acesso visual a todas as partes visíveis; na maioria das vezes, facilitado por um espelho de bolso, lupa ou equipamentos como fibroscópios e boroscópios. 16.3 Inspeção sensitiva ou tátil Em algumas situações, o Técnico de Inspeção pode utilizar o tato para auxiliar na avaliação dos equipamentos e seus componentes. A inspeção tátil é importante recurso para complementar o que se visualiza. Ela permite perceber melhor o estado superficial da parte em exame, bem como as falhas existentes ou o desgaste ocorrido. Nas áreas de difícil acesso visual, auxilia a definir a presença de desgaste, sulcos, arestas, rugosidade superficial, e a estimar a profundidade, posição e dimensões das partes afetadas. Durante a operação das máquinas, sejam bombas ou turbinas, o toque ajuda a quantificar o nível das vibrações em tubulações de pequeno diâmetro, de forma a identificar as situações críticas (alta freqüência). 16.4 Teste de martelo ou de percussão Método de inspeção muito comum e eficaz para determinar a baixa espessura nos tubos de drenos, respiros, tubulações de selagem e outras tubulações de pequeno diâmetro conectadas à máquina. O martelamento dos tubos (normalmente com um martelo de bola de 300 gramas) é capaz de revelar a baixa espessura em locais onde houve perda de espessura devida a corrosão, erosão ou outro desgaste. Apesar de ser um método subjetivo de avaliação, a experiência permite ao Técnico identificar os locais e o grau da redução de espessura ocorrida, através da forma e extensão da deformação e do som resultantes do golpe do martelo. Nas bombas, é um teste que sempre deve ser utilizado na inspeção das tubulações de pequeno diâmetro, pela alta probabilidade de corrosão localizada que elas apresentam. Nas turbinas, o histórico determinará a necessidade e a extensão do teste. Em turbinas de condensação total, que se ligam a condensadores de superfície, especial atenção deve ser dada às tubulações de pequeno diâmetro em geral (drenagem, selagem, tomada de pressão, nível, vazão, etc), pois a ocorrência de vazamentos nessas tubulações implica na perda de eficiência da máquina. 16.5 Teste por pontos É uma importante ferramenta para determinar o material de componentes, principalmente nos casos em que a especificação de projeto não é conhecida ou necessita de confirmação. A utilização de reagentes químicos adequados produz reações conhecidas, específicas para um material ou elemento químico, presente na liga metálica. As características das reações e dos produtos de reação formados são previamente conhecidas e catalogadas, o que permite identificar os materiais pelo ataque químico.


16.6 Medição de espessura Sempre que existir desgaste ou perda de espessura perceptível num componente de uma bomba ou turbina, é aconselhável determinar a taxa de desgaste e verificar se a espessura residual está acima da mínima de projeto. Os valores de espessura das peças podem ser determinados através de medição por ultra-som ou por intermédio de outro dispositivo que permita quantificar a redução de espessura ocorrida, como relógios comparadores. Nesse caso, existem relógios comparadores apropriados, montados em pinças de forma a permitir a medição de espessura dessas regiões. Esses, instrumentos, normalmente apresentam pouca precisão, mas se prestam para medições grosseiras. Uma limitação para a medição de espessura por ultra-som é o fato de os materiais das carcaças de bombas e turbinas apresentarem granulação grosseira e superfície irregular. Isso pode acarretar erros na determinação dos valores devido a desvios do feixe sônico, e dificultar o acoplamento do cabeçote por causa da irregularidade superficial e das mudanças de geometria das peças. Entretanto, a medição de espessuras é um recurso que não deve ser dispensado para a avaliação dos equipamentos. 16.7 Inspeção com Partículas Magnéticas ou Líquido Penetrante São técnicas utilizadas tanto na avaliação de condições físicas, quanto no controle de qualidade de reparos de solda. Devem ser empregados para detectar ou confirmar a presença de trincas e defeitos de fundição superficiais e subsuperficiais (partícula magnéticas). Todos os reparos de solda executados na carcaça ou tubulações de pequeno diâmetro devem ser examinados por uma dessas modalidades de exame, desde que aplicável. 16.8 Teste Hidrostático A execução do teste hidrostático visa comprovar a resistência estrutural e atestar a integridade física do equipamento e das partes submetidas à pressão. É um teste obrigatório sempre que houverem reparos de solda. Além disso, o teste pode ser utilizado para detectar vazamentos ou confirmar a estanqueidade das partes pressurizadas. Ele pode ser realizado com fluidos diferentes de água como querosene ou óleo diesel, devido à melhor capilaridade desses produtos, ou como alternativa, quando a água não puder ser utilizada, ou presença de umidade não for tolerada. 16.9 Exame Radiográfico É aplicado para detectar ou confirmar a existência de defeitos no seio do material de peças fundidas (inclusão de areia, porosidade, etc) e como requisito de inspeção em partes soldadas. Funciona também para comprovar a sanidade do metal quando se deseja grande confiabilidade das peças. 16.10 Exame Metalográfico Importante recurso para investigar as condições metalúrgicas do material, principalmente quando o equipamento é submetido a condições de serviço que possibilitem a ocorrência de alterações microestruturais ao longo do tempo. É também aplicado na determinação do aspecto metalúrgico do material para auxiliar na análise de falhas de componentes. A avaliação metalográfica pode ser realizada através de micrografia, microscopia de campo ou coleta de réplica metalográfica.

apostila bombas 2011

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