APOSTILA PETROBRAS BOMBAS

PROGRAMA DE ATUALIZAÇÃO PARA MECÂNICOS DE EQUIPAMENTOS DE PROCESSO

Manutenção e Reparo de Bombas

PETROBRAS ABASTECIMENTO A LAN K ARD EC P I NTO GERENTE EXECUTIVO DE ABASTECIMENTO – R EFI NO

R ONALDO U RURAHY H EYDER BORBA GERENTE GERAL DE EQUI PAM ENTOS E SE RVIÇ OS DO ABASTECIM ENTO

M ANOEL M ARQUES S IMÕES GERENTE DE TECNOLOGIA DE EQU IPAM ENTOS

R OGÉRIO

DA

S ILVA C AMPOS

CONSULTOR SÊNIOR – TECNOLOGIA DE EQUIPAM ENTOS DINÂMICOS

I VANILDO DE ALMEIDA SILVA GERENTE DE RE CURSOS HU MANOS DO ABASTECIMENTO

Rio de Janeiro 2006

Manutenção e Reparo de Bombas © 2006 Getúlio V. Drummond Todos os direitos reservados PETROBRAS Petróleo Brasileiro S. A. Avenida Chile, 65 – 20º andar 20035-900 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (21) 3224-6013 http://www.petrobras.com.br

A publicação desta série é uma edição da PETROBRAS PETROBRAS Diretoria de Abastecimento

PROGRAMA DE ATUALIZAÇÃO PARA MECÂNICOS DE EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS Alinhamento de Máquinas Compressores Mancais e Rolamentos Manutenção e Reparo de Bombas Purgadores Redutores Industriais Selagem de Bombas Turbinas a Vapor Válvulas Industriais

Pense e Anote

Sumário

Lista de figuras

7

Lista de tabelas

13 15

Apresentação Introdução

17

Unidades e suas conversões, propriedades dos líquidos e tabelas 19 Comprimento – l 19 Massa – m 21 Tempo – t 21 Temperatura – T 22 Área – A 23 Volume – V 24 Velocidade linear – v 25 Velocidade angular – w 27 Vazão volumétrica – Q 28 Aceleração – a 29 Força – F 31 Trabalho ou energia – T 33 Torque – Tq 34 Potência – Pot 35 Massa específica – ␳ 36 Peso específico – ␥ 38 Densidade 40 Pressão 40 Viscosidade – ␮ ou ␷ 51 Pressão de vapor 54 Rendimento – ␩ 56 Equação da continuidade 57 Teorema de Bernouille 58 Tabela de tubos 61 Letras gregas 62 Prefixos 62 PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

5

Bombas

Pense e Anote

67

Recebimento da bomba Preservação

71

73 75

Instalação e teste de partida Classificação de bombas

83

Bomba dinâmica ou turbobomba 85 Princípio de funcionamento da bomba centrífuga 91 Aplicações típicas 95 Partes componentes e suas funções 96 Impelidores 100 Carcaças 104 Altura manométrica total (AMT), carga ou head 107 Cavitação, NPSH disponível e NPSH requerido 117 Recirculação interna 135 Entrada de gases 142 Curva do sistema e ponto de trabalho da bomba 144 Curvas características de bombas centrífugas 152 Curvas características para bombas de fluxos misto e axial Influência do diâmetro do impelidor no desempenho da bomba centrífuga 162 Influência da rotação N da bomba no desempenho da bomba centrífuga 165 Forças radiais e axiais no impelidor 170 Bombas operando em paralelo 177 Bombas operando em série 184 Correção para líquidos viscosos 187 Lubrificação 191 Acoplamento 206 Seleção de bombas 210 Análise de problemas de bombas centrífugas 213 Dados práticos 235 Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas Bombas alternativas 259 Bombas rotativas 263

273

Bombas centrífugas especiais Bomba auto-escorvante 274 Bomba submersa 274 Bomba tipo “vortex” 274 Referências bibliográficas

6

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

275

161

257

Pense e Anote

Lista de figuras

FIGURA 1

– Escala de temperaturas Celsius e Fahrenheit

FIGURA 2

– Áreas de figuras geométricas

FIGURA 3

– Volume dos sólidos

FIGURA 4

– Velocidade de deslocamento de um líquido

22

23

24 26

27 FIGURA 6 – Vazão numa tubulação 28 FIGURA 7 – Aceleração centrífuga 30 FIGURA 8 – Força centrífuga 32 FIGURA 9 – Trabalho realizado 33 FIGURA 10 – Torque 34 FIGURA 11 – Massa específica do cubo 37 FIGURA 12 – Peso específico 38 FIGURA 13 – Penetração do prego 41 FIGURA 14 – Macaco hidráulico 41 FIGURA 15 – Pressão atmosférica 43 FIGURA 5

– Velocidade angular

44

FIGURA 16

– Pressão absoluta e pressão relativa (manométrica)

FIGURA 17

– Pressão exercida por uma coluna de líquido

FIGURA 18

– Vasos com formatos e áreas de base diferentes e com pressão igual na base

45

46 47 48

FIGURA 19

– Coluna de Hg

FIGURA 20

– Tubo em U

FIGURA 21

– Coluna máxima de água com vácuo

FIGURA 22

– Diferenças de viscosidades

FIGURA 23

– Pressão de vapor

FIGURA 24

– Curva da pressão de vapor

FIGURA 25

– Pressão de vapor em função da temperatura

FIGURA 26

– Escoamento de um líquido numa tubulação

FIGURA 27

– Teorema de Bernouille

50

52

54 55 55 57

59 PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

7

Pense e Anote

60

FIGURA 28

– Energia cedida pela bomba

FIGURA 29

– Grauteamento de uma base de bomba

FIGURA 30

– Chumbador e luva

FIGURA 31

– Nivelamento transversal da base na área

75

76

do motor e longitudinal da bomba

77 78

FIGURA 32

– Chanfro de 45º na base de concreto e no graute

FIGURA 33

– Turbobomba com os três tipos de fluxo

FIGURA 34

– Bomba regenerativa e seu impelidor

FIGURA 35

– Tipos de bombas centrífugas segundo a norma API 610

FIGURA 36

– Disco girando com gotas de líquido

FIGURA 37

– Esquema de funcionamento de uma

86 86 87

91

91

bomba centrífuga

92

FIGURA 38

– Variação de pressão e velocidade

FIGURA 39

– Variação da pressão e da velocidade no interior da bomba

FIGURA 40

– Difusor

FIGURA 41

– Corte de uma bomba centrífuga tipo em balanço – KSB

FIGURA 42

– Partes do impelidor

FIGURA 43

– Classificação do impelidor quanto ao projeto

94 96

100

– Velocidade específica

101

FIGURA 44

– Classificação dos impelidores quanto à inclinação das pás

FIGURA 45

– Classificação dos impelidores quanto ao tipo de construção

FIGURA 46

– Classificação dos impelidores quanto à sucção

FIGURA 47

– Tipos de carcaças

FIGURA 48 –

93

103 103

104

105

Bomba com carcaça partida axialmente (BB1) e verticalmente (tipo barril – BB5)

106

FIGURA 49 – Bombas com carcaças partidas verticalmente (BB2) –

Com indutor de NPSH e de multissegmentos (BB4)

106

108

FIGURA 50

– Curva característica de AMT x vazão

FIGURA 51

– Levantamento da AMT

FIGURA 52

– AMT igual a H, desprezando perdas

FIGURA 53

– AMT de 80m fornecida pela bomba para a vazão de 90m3/h

FIGURA 54

– Perda de AMT devido ao desgaste interno da bomba

109 113

118 FIGURA 56 – Curva de NPSH requerido pela bomba 119 FIGURA 57 – Cálculo do NPSH disponível 121 FIGURA 55

– Curva de pressão de vapor d´água

FIGURA 58

– Curva de NPSH disponibilizado pelo sistema

8

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

122

115

114

Pense e Anote FIGURA 58A FIGURA 59

123

– Bomba operando sem e com vaporização

– Cavitação – NPSH disponível e NPSH requerido para uma dada vazão

125 128

FIGURA 60

– Curva de AMT x vazão de uma bomba cavitando

FIGURA 61

– Determinação do NPSH requerido

FIGURA 62

– Vazão máxima em função do NPSH

FIGURA 63

– Implosão das bolhas de vapor com arrancamento do material

FIGURA 64

– Impelidores com desgaste devido à cavitação

FIGURA 65

– Teste de recirculação interna realizado numa bancada de teste

FIGURA 66

– Recirculação interna na sucção

FIGURA 67

– Variação da pressão de sucção e da descarga com recirculação

FIGURA 68

– Vazão mínima do API 610 em função da vibração

FIGURA 69

– Região de danos no impelidor

FIGURA 69A

129 130 133 135

137 138

139

140 141

– Determinação da vazão mínima de recirculação

FIGURA 70

– Entrada de ar e formação de vórtices por baixa submergência

FIGURA 71

– Curva do sistema

FIGURA 72

– Ponto de trabalho

FIGURA 73

– Recirculação da descarga para a sucção

FIGURA 74

– Variação do ponto de trabalho por válvula de controle

FIGURA 75

– Variação da curva da bomba com o diâmetro do impelidor

143

144 145 146 147

148

ou com a rotação FIGURA 76

131

– Modificação do ponto de trabalho por meio de orifício restrição no flange de descarga

149 150

FIGURA 77

– Variação de vazão ligando e desligando bombas

FIGURA 78

– Controle de capacidade por cavitação

FIGURA 79

– Curva típica de AMT x vazão de uma bomba centrífuga

FIGURA 80

– Curva de rendimento de uma bomba centrífuga

FIGURA 81

– Curva de potência de uma bomba centrífuga

FIGURA 82

– Curva característica de NPSH requerido x vazão

FIGURA 83

– Cálculo de NPSH disponível

FIGURA 84

– Curvas características por tipo de bomba

FIGURA 85

– Variação do NPSH requerido em função do diâmetro do impelidor

151 153

154 155 158

159 161

163

FIGURA 86

– Novo ponto de trabalho com mudança de diâmetro

FIGURA 87

– Pontos homólogos obtidos com a mudança de rotação

FIGURA 88

– Curva de AMT x vazão

165 167

167 PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

9

Pense e Anote

169

FIGURA 89

– Curvas AMT x vazão para diversas rotações

FIGURA 90

– Esforço radial com voluta simples

FIGURA 91

– Esforço radial com dupla voluta

FIGURA 92

– Força axial no impelidor sem anel de desgaste

FIGURA 93

– Esforço axial em um impelidor de simples sucção em balanço

170 171 171

172 173

FIGURA 94

– Impelidor com pás traseiras

FIGURA 95

– Impelidores em oposição cancelando o esforço axial

FIGURA 96

– Equilíbrio axial com tambor de balanceamento

FIGURA 97

– Balanceamento axial por meio de disco

FIGURA 98

– Disco e tambor de balanceamento

FIGURA 99

– Esquema de bombas em paralelo

174 174

175 176 178 178

FIGURA 100

– Curva de operação em paralelo

FIGURA 101

– Variação da vazão com diferentes curvas do sistema

FIGURA 102

– Duas bombas com curvas diferentes operando em paralelo

FIGURA 103

– Curva de AMT ascendente/descendente e curvas planas

FIGURA 104

– Curva da bomba com orifício de restrição

179 180 182

183

184 FIGURA 106 – Bombas iguais operando em série 184 FIGURA 107 – Bombas com curvas diferentes em série 185 FIGURA 108 – Aumento de vazão com operação em série 186 FIGURA 109 – Influência da viscosidade nas curvas das bombas 187 FIGURA 110 – Carta de correção de viscosidade 191 FIGURA 111 – Filme lubrificante separando duas superfícies 192 FIGURA 112 – Posição do eixo no mancal de deslizamento 193 FIGURA 113A – Lubrificação por nível normal e com anel pescador 196 FIGURA 113B – Lubrificação com anel salpicador 196 FIGURA 114 – Sistema de geração e de distribuição de névoa 198 FIGURA 115 – Névoa pura para bombas API antigas e novas 198 FIGURA 116 – Tipos de reclassificadores 199 FIGURA 117 – Utilização do reclassificador direcional 200 FIGURA 118 – Névoa de purga 200 FIGURA 119 – Bombas canned e de acoplamento magnético 201 FIGURA 120 – Vida relativa dos rolamentos versus teor de água no óleo 204 FIGURA 121 – Vida do óleo em função da temperatura de trabalho 204 FIGURA 122 – Tipos de acoplamentos 206 FIGURA 105

10

– Esquema de bombas em série

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

– Carta de seleção de tamanhos

FIGURA 124

– Curvas da bomba 40-315

FIGURA 125

– Diagrama para determinação de problemas de vazão ou de baixa

215

pressão de descarga em bombas centrífugas

218 FIGURA 127 – Medida da tensão dos flanges 224 FIGURA 128 – Válvula de fluxo mínimo 228 FIGURA 126

– Pressão de vapor e NPSH

FIGURA 129

– Folga mínima externa do impelidor com a voluta e com o difusor

FIGURA 130 FIGURA 131

228 230

– Rolamento de contato angular

– Concentricidades, excentricidades e perpendicularidades do acionador vertical

238

FIGURA 132

– Concentricidade e perpendicularidade da caixa de selagem

FIGURA 133

– Excentricidade e folgas máximas usadas na RPBC

239

240

para bombas OH FIGURA 134

– Região do encosto dos rolamentos no eixo

FIGURA 135

– Balanceamento em 1 ou 2 planos

FIGURA 136

– Parafuso quebra-junta

FIGURA 137

– Corte do diâmetro do impelidor

241

242

244 247

FIGURA 138 – Aumento de AMT por meio da redução da

espessura da pá

248

249 FIGURA 140 – Ganho de vazão e de rendimento 249 FIGURA 141 – Anel pescador de óleo 250 FIGURA 142 – Métodos de aquecimento do rolamento 252 FIGURA 139

– Ganho de AMT e de NPSH

FIGURA 143

– Tipos de montagem de rolamentos de contato angulares aos pares e com as designações usadas

FIGURA 144

– Folga do mancal de deslizamento

FIGURA 145 –

255

– Posição da válvula de alívio externamente à bomba e antes de qualquer bloqueio

FIGURA 148

254

– Posição errada de válvula na sucção para impelidor de dupla sucção

FIGURA 147

253

Posição da redução excêntrica e das curvas na tubulação de sucção

FIGURA 146

252

258

– Bomba alternativa de pistão, de simples efeito, acionada por sistema de biela/manivela

259 PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

11

Pense e Anote

211 212

FIGURA 123

FIGURA 149

– Bomba alternativa simplex, de duplo efeito, acionada a vapor

Pense e Anote

260 260

FIGURA 150

– Válvulas corrediças de distribuição de vapor

FIGURA 151

– Bombas de diafragma acionadas por pistão e por outro diafragma

262

FIGURA 152

– Vazão ao longo do tempo da bomba alternativa

FIGURA 153

– Vazão x ⌬P para bombas rotativas

FIGURA 154

– Bomba de engrenagens externas e internas

FIGURA 155

– Bomba de 3 fusos e de simples sucção

FIGURA 156

– Bomba de 2 fusos e de dupla sucção

FIGURA 157

– Bombas de palhetas

FIGURA 158

– Bomba de cavidades progressivas

FIGURA 159

– Bombas com 1, 2, 3 e 5 lóbulos

FIGURA 160

– Bomba peristáltica

FIGURA 161

– Esquema da variação de vazão da bomba

264 264 266 266

267 268 268

269

alternativa de pistões axiais

269

FIGURA 162

– Bomba de pistão axial com ajuste da vazão

FIGURA 163

– Bombas de palheta externa, de pás flexíveis e de came com pistão

FIGURA 164

12

263

270

271

– Bomba auto-escorvante, submersa e tipo “vortex”

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

273

Pense e Anote

Lista de tabelas

TABELA 1

– Conversão de unidades de comprimento usuais em mecânica

TABELA 2

– Conversão de unidades de massa mais usuais na área de mecânica

20

21 21

TABELA 3

– Conversão de unidades de tempo

TABELA 4

– Conversão de áreas

TABELA 5

– Conversão de unidades de volume mais usadas em mecânica

TABELA 6

– Conversão de velocidades

23 25

26

29 TABELA 8 – Conversão de unidades de força 33 TABELA 9 – Conversão de trabalho ou energia 34 TABELA 10 – Conversão de unidades de torque 35 TABELA 11 – Conversão de unidades de potência 36 TABELA 12 – Relação entre massas específicas 38 TABELA 13 – Pesos específicos 39 TABELA 14 – Relação entre pesos específicos 39 TABELA 15 – Conversão da unidade de pressão 48 TABELA 16 – Conversão de viscosidades dinâmicas 52 TABELA 17 – Conversão de viscosidades cinemáticas 53 TABELA 18 – Dados sobre tubos 61 TABELA 19 – Letras gregas 62 TABELA 20 – Prefixos 62 TABELA 21 – Torque a ser aplicado nos chumbadores 78 TABELA 22 – Conversão de velocidade específica 102 TABELA 23 – Volumes específicos da água e do vapor 132 TABELA 24 – Pontos da curva de AMt x vazão 168 TABELA 25 – Pontos de trabalho para diferentes rotações 168 TABELA 26 – Dados do acoplamento 208 TABELA 7

– Conversão de unidades de vazão

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

13

Pense e Anote

TABELA 27

– Rendimento e fator de potência dos motores elétricos

TABELA 28

– Freqüência de vibração para diferentes tipos de acoplamentos

TABELA 29

221

223

– Tolerâncias recomendadas

235 ␮m

236 TABELA 31 – Excentricidades LTI de bombas BB recomendadas pelo API 237 TABELA 32 – Folgas mínimas de trabalho 245 TABELA 30

14

– Ajustes ISO utilizados em bombas – Valores em

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Apresentação

O

funcionamento adequado e com qualidade dos processos indus-

triais depende fortemente dos equipamentos utilizados para: a movimentação dos fluidos; a geração de energia; o aumento ou a redução de velocidades; a limpeza de correntes líquidas ou gasosas; e outras funções de processo. É preciso, portanto, manter os equipamentos no nível e nas condições de funcionamento que garantam a continuidade dos processos. Esse é o dia-a-dia do profissional mecânico responsável por equipamentos de processo: mantê-los nas condições que atendam as necessidades de segurança e confiabilidade das unidades operacionais. Este curso tem por base os requisitos do PNQC (Programa Nacional de Qualificação e Certificação de Profissionais de Mecânica) e destina-se aos mecânicos das 14 Unidades de Negócio da Petrobras localizadas em nove estados do Brasil: AM, BA, CE, SE, PR, SP, MG, RJ e RS. Ele visa facilitar o compartilhamento dos conhecimentos adquiridos por esses profissionais ao longo de sua experiência nas diversas Unidades de Negócio da Petrobras. A variação da complexidade do trabalho realizado, devido às características regionais e/ou nível tecnológico de cada Unidade, indica a necessidade desse compartilhamento de forma que a heterogeneidade do grupo de profissionais na empresa seja reduzida. Com isso, teremos ganhos na identificação das condições operacionais dos equipamentos, no diagnóstico de causas e soluções de problemas, nas montagens e alinhamentos e no teste dos equipamentos. Assim, o curso de Atualização para Mecânicos de Equipamentos de Processos fornece o conhecimento teórico básico para a compreensão dos problemas práticos enfrentados no dia-a-dia de uma unidade industrial, visando desenvolver nos participantes uma visão crítica e o auto-aprendizado.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

15

Introdução Pense e Anote

É

impossível imaginar uma refinaria de petróleo operando sem bom-

bas, pois não há como transportar fluidos de e para as unidades de processo e entre seus equipamentos principais. Algumas instalações, favorecidas por geografia peculiar, permitem o uso da energia da gravidade para realizar o escoamento. Mas, certamente, refluxos em colunas de destilação e outras aplicações são impraticáveis sem as bombas. Sem elas, a composição de bateladas torna-se uma operação complexa. No preparo de gasolinas, por exemplo, não há como homogeneizar completamente a mistura das diversas naftas componentes durante o seu recebimento em tanques de armazenamento. A razão disso é que as cargas de energia hidráulica potencial (estática) não variam e, dessa forma, tornam obrigatória a circulação (dinâmica) de massa. Para transportar produtos para terminais a quilômetros de distância das refinarias, usam-se oleodutos. Além das distâncias, há por vezes que vencer montanhas para entregar derivados nas bases de provimento das distribuidoras. A energia usada para realizar essa tarefa vem das bombas de transferência, máquinas enormes que fornecem altas vazões e pressões. Para dosar o inibidor de corrosão no sistema de topo (linhas, condensadores, válvulas de controle e segurança) de uma coluna de destilação atmosférica, bombas dosadoras são fundamentais. Elas provêm a energia para elevar o fluido até o ponto de aplicação. Pela própria natureza da tarefa, o controle de vazão é fundamental e, praticamente, quem o faz já é a própria bomba, máquina de pequeníssimo porte com baixíssima vazão e (a pressão da descarga pode ser alta) pressão. Enfim, para todos esses e outros serviços, usam-se intensa e extensivamente as bombas. Para que elas estejam disponíveis, existem os mecânicos de manutenção. A atividade de mecânica faz parte de uma atividade mais ampla e rotineira das unidades industriais: a manutenção. Até há bem pouco tempo, o conceito predominante era de que a missão da manutenção consistia em restabelecer as condições normais dos equipamentos/sistemas, corrigindo seus defeitos ou falhas. Hoje, a missão da manutenção é apresentada dentro de uma idéia mais ampla: PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

17

Pense e Anote

Garantir a disponibilidade da função dos equipamentos e instalações de modo a atender ao processo de produção com confiabilidade, segurança, preservação do meio ambiente e custo adequados.

Deseja-se que a manutenção contribua para maior disponibilidade confiável ao menor custo. A função do mecânico de manutenção é prestar um serviço – prover disponibilidade confiável de máquinas rotativas – para que os técnicos da operação realizem a produção com qualidade e segurança. Você, mecânico, quando executa seu trabalho, deve se preocupar com a produção e a segurança das pessoas que usarão as máquinas. Assim, estará contribuindo para que acidentes e perdas sejam evitados. Pense nisso! Você, como parte de uma equipe, é imprescindível para a rentabilidade e a segurança no seu local de trabalho, mesmo depois de ter ido embora! Você não está mais lá, mas o seu serviço está...

18

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

O

s líquidos, assim como os gases e os sólidos, possuem diversas pro-

priedades que os caracterizam. Faremos a seguir uma rápida recordação de algumas de suas propriedades e de grandezas físicas necessárias para que se possa compreender mais facilmente o funcionamento das bombas. Devido à existência de muitos equipamentos de origem americana e inglesa no sistema Petrobras, nos itens a seguir, quando tratarmos de conversão de unidades, incluiremos também as principais unidades usadas naqueles países.

Comprimento

l

O metro com seus múltiplos e submúltiplos é a principal unidade utilizada na medição de comprimento. Em mecânica, usamos muito o milímetro (mm), que é a milésima parte do metro, o centésimo de milímetro (0,01mm) e o mícron (
m), que é a milionésima parte do milímetro.

O plural de mícron é mícrones e mícrons, portanto, dizemos: 1 mícron, 2 mícrons, 3 mícrons, etc.

No sistema inglês, as principais unidades usadas são: pés (ft); polegada (in); e (mils) milésimos de polegadas.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

19

Pense e Anote

Unidades e suas conversões, propriedades dos líquidos e tabelas

A conversão entre as unidades mais usadas pode ser realizada conforme a Tabela 1:

Pense e Anote

TABELA 1

CONVERSÃO DE UNIDADES DE COMPRIMENTO USUAIS EM MECÂNICA m

mm

0.01mm


m

ft

in

mils

1m

=

1

1.000

100.000

1.000.000

3,28

39,37

39.370

1mm

=

0,001

1

100

1.000

0,00328

0,03937

39,37

0,01mm =

0,00001

0,01

1

10

3,28 x 10 -6

0,0003937

0,3937

0,001

0,1

1

3,28 x 10 -7

0,0000394

0,03937

304,80

30.480

304.800

1

12

12.000

25,4

2.540

25.400

0,0833

1

1.000

0,001

1

1
m

=

1ft

=

0,3048

1in

=

0,0254

1mil

=

1 x 10-6

2,54 x 10

-5

0,0254

2,54

25,4

-5

8,33x 10

Ainda no sistema inglês, temos a jarda (yd) e a milha (mi), as quais são pouco usadas em mecânica, que correspondem a: 1yd = 3ft = 0,9144m

1mi = 1760yd = 1,609km = 1.609m

PROBLEMA 1

Quantos metros equivalem a 2 pés? Entrando na Tabela 1 na linha correspondente a 1ft e indo até a coluna de metros (m), achamos 0,3048. Portanto: 1ft = 0,3048m Logo 2ft = 2 x 0,3048 = 0,6096m

PROBLEMA 2

A folga de catálogo de um mancal de deslizamento é de 5mils. De quanto seria esta folga em centésimos de milímetro? Da Tabela 1 1mil = 2,54 centésimos de mm 5mils = 2,54 x 5 = 12,7 centésimos de mm

20

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

por 2,54.

Massa m O quilograma (kg), seu submúltiplo, o grama (g) (atenção, a palavra é do gênero masculino), e o múltiplo, a tonelada, são as unidades de massa mais usadas em mecânica. Em unidades inglesas temos: a libra massa (lbm); a onça avdp (oz); a tonelada curta (short ton) e a longa (long ton). TABELA 2

CONVERSÃO DE UNIDADES DE MASSA MAIS USUAIS NA ÁREA DE MECÂNICA kg 1kg

=

Ton métrica

g 1

1.000

lbm

0,001

Ton curta Ton longa (EUA) (Inglaterra)

Oz (avdp)

2,2

35,274

0,001102

0,0022

0,03527

–

1

2.204,6

35.274

1,102

-6

0,000984

=

0,001

1 ton métr =

1.000

=

0,4536

454

0,000454

1

16

0,0005

1 oz (avpd) =

0,0283

28,35

–

0,0625

1

–

–

1 ton curta =

907,18

–

0,907

2000

32.000

1

0,892857

1ton longa =

1016

–

1,016

2240

35.840

1,12

1

1g

1lbm

Tempo

1

1 x 10

1 x 10 6

– 0,9842 4,46 x 10 -4

t

As principais unidades de tempo usadas em mecânica são: segundo (s), minuto (min), hora (h), dia (d) e ano. A conversão entre essas unidades é dada por: TABELA 3

CONVERSÃO DE UNIDADES DE TEMPO Ano 1 ano

=

1 dia

=

1 hora 1 minuto

Dia 1

Hora

Minuto

Segundo

365

8760

525.600

31.536.000

2,74 x 10 -3

1

24

1440

86.400

=

1,142 x 10 -4

0,04167

1

60

3.600

=

1,903 x 10 -6

6,944 x 10-4

0,01667

1

60

1 segundo =

3,171 x 10 -8

1,157 x 10-5

2,778 x 10-4

0,01667

1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

21

Pense e Anote

Para converter mils para centésimos de milímetro, basta multiplicar

Temperatura T As unidades de temperatura mais usadas são:

Pense e Anote

Graus Celsius (oC) no sistema métrico. Graus Fahrenheit (oF) no sistema inglês. Temos também as escalas absolutas: graus Kelvin (K) e graus Rankine (R). K = 273 + oC

R = oF + 460

Podemos fazer a conversão entre as escalas Celsius e a Fahrenheit baseando-nos nas temperaturas de fusão do gelo, na temperatura de ebulição da água na pressão correspondente ao nível do mar (Patm = 1,033kgf/cm2). FIGURA 1

ESCALA DE TEMPERATURAS CELSIUS E FAHRENHEIT

100 oC

100 o C

212 o F

Temperatura de ebulição da água o

180 o F

0oC

32 o F

C=

5 o ( F – 32) 9

Temperatura de fusão do gelo

PROBLEMA 3

Qual seria a temperatura em graus Celsius equivalente a 302oF? Aplicando a fórmula de conversão, temos:

C = 5 (oF – 32) = 5 (302 – 32) = 5 (270) = 150 9 9 9

o

302oF = 150oC

A temperatura de 302oF = 150oC. PROBLEMA 4

Qual a temperatura em oF equivalente a 40oC?

o

C=

5 o ( F – 32) 9

40 =

5 (F – 32) 9

F = 72 + 32 = 104

22

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

40 x 9 = (F – 32) 5

40oC = 104oF

Pense e Anote Área A É a medida da superfície ocupada por uma figura. É sempre um produto de duas dimensões: base x altura (b x h) ou de raio x raio (r 2 ), ou ainda de diâmetro x diâmetro (D 2 ). FIGURA 2

ÁREAS DE FIGURAS GEOMÉTRICAS Quadrado

Retângulo

Paralelogramo

h

a

h

b

a

b

A = a2

A=bxh

A=bxh

Trapézio

Triângulo

Círculo

h

b1

A=

D

b

b1 + b 2

xh

A=

2

bx h

A =  r2 =

2

 D2 4

PROBLEMA 5

Qual a área de um triângulo com 20mm de base e 15mm de altura? A equivalência e a conversão entre as unidades de área

bxh 20 x 15 300 = = = 150mm2 2 2 2

A=

podem ser obtidas conforme se vê na Tabela 4.

TABELA 4

CONVERSÃO DE ÁREAS m2 1m2 1cm

2

1mm 1ft2 1in

2

2

cm2

mm2

ft2

in2

=

1

10.000

1.000.000

10,764

1550

=

0,0001

1

100

0,001076

0,155

0,01

1

0,0000108

0,00155

=

1x 10-6

=

0,0929

929,03

92903

1

144

=

0,00064516

6,4516

645,16

0,00694

1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

23

PROBLEMA 6

Qual a área em m2 equivalente a 10ft2? Da Tabela 4, temos que 1ft2 = 0,0929m2

Pense e Anote

10ft2 = 10 x 0,0929 = 0,929m2

Volume V É a medida do espaço ocupado por um corpo. É sempre um produto de três dimensões. FIGURA 3

VOLUME DOS SÓLIDOS Cubo

Paralelepípedo

Cilindro

h

a

h B a

a a

A = a3

B

b

V=Bxh=axbxh

r

V = B x h =  x r2 x h

Cone

Esfera

h r B

V=

Bxh 3

r

=

 x r2 x h 3

V=

4  r3 3

PROBLEMA 7

Qual o volume de um cone com uma base de 3cm de raio e altura de 5cm?

V=

24

PETROBRAS

 .r 2 .h 3

=

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

3,14 . 32 . 5 = 47,1cm3 3

Pense e Anote

PROBLEMA 8

Qual o volume de uma esfera de 5cm de raio?

4 4  .r3 = . x 3,14 x 53 = 130,8cm3 3 3

V=

A equivalência e a conversão entre unidades de volume podem ser obtidas conforme a Tabela 5. TABELA 5

CONVERSÃO DE UNIDADES DE VOLUME MAIS USADAS EM MECÂNICA m3 1m3

Litro = dm3

ft 3

in3

Galão (EUA)

Galão imperial

Barril

=

1

1.000

35,315

61.023,7

264,172

220

6,289

1litro

=

0,001

1

0,0353

61,024

0,264

0,22

0,00629

3

=

0,001

1

0,0353

61,024

0,264

0,22

0,00629

=

0,0283

28,317

1

1728

7,48

6,229

0,1781

1dm 1ft

3

1in

3

= 1,639 x 10

-5

-4

0,0164

5,79 x 10

1

0,00433

0,003605

0,0001031

1gal (EUA) =

0,00379

3,785

0,1337

231

1

0,8327

0,02381

* 1gal imp =

0,004546

4,546

0,1605

277,4

1,201

1

0,02859

0,159

159

5,614

9702

42

34,97

1

1barril

=

Galão imperial é mais usado nos países do Reino Unido

(UK).

PROBLEMA 9

Qual o volume em litros de um tanque de óleo com 1.000 galões de capacidade? Se o equipamento for de origem americana, verificando na tabela, temos que: 1 galão USA = 3,785 litros. Capacidade do tanque em litros = 1.000 x 3,785 = 3.785 litros. Se o equipamento for de origem inglesa, da Tabela 5, tiramos: 1 galão imperial = 4,546 litros. Capacidade do tanque em litros = 1.000 x 4,546 = 4.546 litros.

v

Velocidade linear

Velocidade é a distância percorrida na unidade de tempo.

V=

D t

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

25

Quando dizemos que a velocidade média de deslocamento de um líquido em uma tubulação é de 2m/s, estamos informando que, na média,

Pense e Anote

a cada segundo as partículas do líquido se deslocam 2 metros. Falamos em velocidade média porque, devido ao atrito, ela é menor junto às paredes do tubo do que no centro. FIGURA 4

VELOCIDADE DE DESLOCAMENTO DE UM LÍQUIDO

As unidades usuais para expressar velocidade são:

m/s in/s

mm/s ft/s

km/h milha/h

TABELA 6

CONVERSÃO DE VELOCIDADES m/s 1m/s

mm/s 1

1mm/s

1.000

km/h

in/s

3,6 -6

ft/s

milha/h

39,37

3,28

2,237

0,03937

0,00328

0,002237

0,001

1

10

1km/h

0,2778

277,8

1

10,936

0,9113

0,6214

1in/s

0,0254

25,4

0,09144

1

0,08333

0,05681

1ft/s

0,3048

304,8

1,097

12

1

0,6818

1mi/h

0,4470

447,04

1,609

17,6

1,467

1

É muito comum medirmos uma vibração baseada na velocidade. A unidade mais usual é mm/s. Alguns aparelhos de origem americana utilizam

pol/s (in/sec). A conversão é dada por: 1 in/sec = 25,4mm/s

26

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Velocidade angular w Velocidade angular é o ângulo percorrido na unidade de tempo. FIGURA 5

VELOCIDADE ANGULAR

N A

Os ângulos podem ser medidos em graus ou radianos. Cada volta na circunferência significa que um corpo percorreu um ângulo A de 360o ou de 2 rd. Se um objeto percorrer duas voltas por minuto, terá a velocidade de 2 x 2 rd/min = 4 rd/min. Se estiver girando numa rotação N (rpm), terá uma velocidade angular de N x 2 rd/min. w = 2  N rd/min

Radiano é o ângulo central correspondente a um arco igual ao raio.

Para passar de rd/min para rd/s, basta dividir por 60. Temos então:

Velocidade angular

W = 2

N N = rd/s 60 30

com N em rpm.

PROBLEMA 10

Qual a velocidade angular de uma peça girando a 1.200rpm?

W=

. N 30

=

1200 = 3,14 x 40 = 125,6rd/s 30

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

27

Vazão volumétrica Q Vazão volumétrica é o volume de líquido que passa numa determinada

Pense e Anote

seção do tubo na unidade de tempo.

Q=

Vol t

FIGURA 6

VAZÃO NUMA TUBULAÇÃO V = velocidade média

D

Vazão = velocidade média x área

A vazão numa tubulação é igual à velocidade média V multiplicada pela área A.

Q=VxA=

V  D2 4

Uma bomba com vazão de 100m3/h significa que, no seu flange de descarga (e no de sucção), passam em cada hora 100m3 do líquido. Sabendo a vazão Q e o diâmetro interno D, podemos determinar a velocidade média de deslocamento do líquido na tubulação. PROBLEMA 11

Qual seria a velocidade do líquido em uma linha de 10"sch 40 (Dint = 0,254m), sabendo que por ela passa uma vazão de 314m3/h? Substituindo na fórmula e usando unidades coerentes, teremos:

Q=

V=

28

V. .D2 4

314

314 x 4 m = 6.200 2 3,14 x 0,254 h

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

m3 V x 3,14 x 0,2542 m2 = h 4

Como 1h = 3.600s

V=

6.200 m = 1,72 s 3.600

Pense e Anote Conforme calculado, o líquido estaria deslocando-se a 6.200m/h ou a 1,72m/s.

As unidades de vazão mais usadas em bombas centrífugas são: m3/h e gpm (galão por minuto). Para bombas dosadoras, é usual l/min ou l/h. Já no caso de unidades de processamento, prevalece m3/dia ou barris/dia (bbl/d).

TABELA 7

CONVERSÃO DE UNIDADES DE VAZÃO m3/h

m3/d

l/h

l/min

l/s

gpm (EUA)

gpm (Ingl.)

bbl/dia

1m3/h

=

1

24

1000

16,667

0,2778

4,403

3,666

150,96

1m3/d

=

0,0417

1

41,67

0,6944

0,01157

0,1834

0,1528

6,29

1 l/h

=

0,001

0,024

1

0,01667

0,000278

0,004403

0,00366

0,151

1 l/min

=

0,06

1,44

60

1

0,01667

0,264

0,22

9,057

1 l/s

=

3,6

86,4

3.600

60

1

15,85

13,2

543,4

1gpm (EUA) =

0,227

5,45

227,1

3,785

0,06309

1

0,833

34,286

1gpm (Ingl.) =

0,273

6,546

272,76

4,546

0,07577

1,2

1

41,175

0,00663

0,159

6,624

0,1104

0,00184

0,0292

0,0243

1

1bbl/dia

=

bbl = barril.

PROBLEMA 12

Qual a vazão de equivalente em m3/h de uma bomba com 200gpm EUA? Da Tabela 7, temos que 1gpm (EUA) = 0,227m3/h 0,227m3/h

➜

200gpm = 0,227 x 200 = 45,4m3/h

Aceleração a É a variação da velocidade no intervalo de tempo.

a=

v2 – v1 t2 – t1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

29

PROBLEMA 13

Qual a aceleração em m/s2 de um carro que leva 10 segundos para ir de 0 a 90km/h?

Pense e Anote

a=

=

v2 – v1 90km/h – 0km/h 90km/h km/h = = =9 t2 – t1 10s – 0s 10s s

9.000m/h 9.000m/s 2,5m/s m = = = 2,5 2 s 3.600s s s

A aceleração ou variação de velocidade do carro foi de 9km/h para cada segundo, o que é equivalente a 2,5m/s para cada segundo ou, ainda, a 2,5m/s2.

Uma aceleração bastante utilizada é a aceleração da gravidade “g”, decorrente da atração da Terra sobre os corpos. No nível do mar, esta aceleração é de 9,81m/s2. Nos locais mais altos, o valor de “g” é menor. Esta aceleração é responsável pelo peso dos corpos, conforme será visto no item sobre força, a seguir.

Ao girar, um corpo fica submetido a um outro tipo de aceleração. É a denominada “aceleração centrífuga”, expressa pela fórmula: FIGURA 7

ACELERAÇÃO CENTRÍFUGA

ac N

r

a c = W 2. r

onde:

W=

 N rd 30

s

W = Velocidade angular N = Rotações por minuto (rpm) r = Raio de giro

30

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

com o raio de giro. PROBLEMA 14

Qual a aceleração centrífuga de um corpo girando a 300rpm num raio de 0,10m? A velocidade angular seria:

w=

N 30

=

 . 300 30

= 31,4rd/s

A aceleração centrífuga seria: ac = w2 x r = 31,42 (rd/s)2 x 0,10m = 98,6m/s2

Força F Força é o produto da massa pela aceleração: F=mxa

Quando levantamos um peso ou empurramos um carrinho, estamos exercendo uma força. Quando subimos em uma balança para pesar, estamos medindo uma força, ou seja, o peso é uma força. Uma bomba centrífuga, que através de seu impelidor impulsiona o líquido, está exercendo sobre ele uma força. Neste caso, devido ao fato de a força ser aplicada por meio de um movimento de rotação, ela recebe o nome de força centrífuga. O peso, como qualquer força, é o produto de uma massa pela aceleração, a qual, neste caso, é a aceleração da gravidade.

Peso = m x g m = massa g = aceleração da gravidade Usando m ➜ kg e g ➜ m/s2, o valor da força (peso) será expresso em N (Newton). Se utilizarmos um sistema de unidades no qual esta equação seja dividida por uma constante igual a 9,81, teremos:

Peso =

mxg 9,81

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

31

Pense e Anote

A aceleração centrífuga varia com o quadrado da rpm e diretamente

Como, ao nível do mar, a aceleração da gravidade é de g = 9,81m/s2, este valor simplificaria o denominador, ficando o peso e a massa expres-

Pense e Anote

sos pelo mesmo número. Este sistema é bastante utilizado deP=

mxg

m x 9,81

=

9,81

vido à facilidade da conversão entre

=m

9,81

massa e peso. Dizemos, por exemplo, que a massa de uma peça é de 10kg e

dizemos também que seu peso é de 10kg, o que é uma simplificação, visto que massa e peso são distintos. Como vimos, peso é uma força. Portanto, é o produto da massa pela aceleração. Estes valores seriam iguais somente ao nível do mar. Num local mais alto, a massa permaneceria com o mesmo valor, mas o peso seria menor porque a aceleração da gravidade local seria menor. Para distinguir quando estamos falando de massa ou de peso, o correto seria dizer que a massa é de 10 quilogramas massa (10kgm) e o peso é de 10 quilogramas força (kgf) ou 10kg. A força centrífuga também é o produto de uma massa por uma aceleração, só que, neste caso, a aceleração é a centrífuga.

Fc = m x aC = m x w2 x r m = massa w = velocidade angular r = raio de giro aC = aceleração centrífuga

Como

 N rd/s w= 30

➜

Fc = m . ac = m .

2

( ) N 30

.r

A força centrífuga varia com o quadrado da rotação (N) e diretamente com a massa e o raio de giro. Portanto, ao dobrar a rotação, a força centrífuga fica multiplicada por 4. Se dobrar o raio, a força fica multiplicada por 2. FIGURA 8

FORÇA CENTRÍFUGA F

F

Parado

32

PETROBRAS

c

c

Baixa rotação

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Alta rotação

articulada, ao aumentarmos a rotação, aumentamos também o raio de giro. Ambos os efeitos contribuem para o aumento da força centrífuga. A conversão de unidades de força pode ser tirada da Tabela 8: TABELA 8

CONVERSÃO DE UNIDADES DE FORÇA kgf

Ton força

N

dina

lbf

1kgf

=

1

0,001

9,806

980.665

2,2

1ton f

=

1.000

1

9806

980.665.000

2.204

1N

=

0,102

0,000102

1

100.000

0,225

0,00001

1

1,02x10-6

1 dina = 1lbf

=

1,02x10 -9

0,454

0,00454

2,25x 10 -6

4,45x 105

4,45

1

PROBLEMA 15

A que força centrífuga estaria submetida uma massa de 0,200kg, se girasse a 300rpm e com um raio de 0,10m? No problema 14, de aceleração, visto anteriormente, calculamos que para e

N = 300rpm

r = 0,10m

➜

ac = 98,6m/s2

Se usarmos a massa em kg e a aceleração em m/s2, a força será expressa em N. Fc = m x ac = 0,200 x 98,6 = 19,72N Da Tabela 8: 1 N = 0,102kgf

➜

Fc = 19,72N = 19,72 x 0,102 = 2,01kgf

Trabalho ou energia T Trabalho é realizado quando uma força atua sobre uma massa para fazê-la percorrer deter-

FIGURA 9

TRABALHO REALIZADO

minada distância. A quantidade de trabalho é definida como sendo o produto dessa força por essa distância percorrida. Para realizar esse trabalho, foi

F 1

2 d T=Fxd

gasta uma energia. Energia e trabalho são equivalentes. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

33

Pense e Anote

No caso da peça mostrada na Figura 8, devido ao fato de a massa ser

Se usarmos uma força F para deslocar o bloco da posição 1 para a 2, percorrendo a distância d, o trabalho realizado será definido como:

Pense e Anote

T=Fxd F → kgf

e

d→m

➜

F→N

e

d→m

➜

T → kgf .m T → N .m = J (Joule)

A conversão das unidades de trabalho pode ser retirada da Tabela 9: TABELA 9

CONVERSÃO DE TRABALHO OU ENERGIA kgf.m 1kgf.m

J = N.m

=

1

9,8

1J = 1N.m =

0,102

1

3,67 x 105

3,6 x 106

KW.h 2,72 x10

BTU -6

2,77 x10 -7

cal

lbf.ft

0,00929

2,34

7,23

9,48 x10-4

0,239

0,738

8,6 x 10 5

2,655x10 6

1kW.h

=

1BTU

=

108

1055,06

2,93 x10 -4

1

252

778

1cal

=

0,427

4,187

1,16 x10 -6

0,00397

1

3,09

1lbf.ft

=

0,138

1,36

3,77 x10 -7

0,001285

0,324

1

1

3.412

British Thermal Uni Unitt e cal (caloria) são unidades de calor equivalentes à energia.

A conta que pagamos de energia elétrica em nossas casas é baseada no consumo de kWh, o que é equivalente ao consumo de uma potência (kW) por um determinado tempo (h), ou seja, é energia mesmo.

Torque Tq Torque é o produto de uma força pela distância a um eixo de rotação. Como podemos no-

FIGURA 10

tar, o torque e o traba-

TORQUE

lho são o produto de uma força por uma distância. Embora te-

T=Fxd Força aplicada

nham significados distintos, podem ser expressos pelas mesmas unidades.

d Raio de giro

Para apertar uma porca com uma chave, temos de exercer um torque na porca.

34

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote F → kgf

e

d→m

➜

Tq → kgf.m

F→N

e

d→m

➜

Tq → N.m

F → lbf

e

d → ft

➜

Tq → lbf.ft

A conversão entre as unidades de torque é fornecida na Tabela 10 a seguir: TABELA 10

CONVERSÃO DE UNIDADES DE TORQUE 1kgf.m

1lbf. ft

1lbf. in

1

9,8

7,233

86,8

9,8 x 10 7

=

0,102

1

0,738

8,85

1 x 10 7

1lbf.ft =

0,138

1,356

1

12

1 ,36 x 10 7

1lbf.in =

0,0115

1kgf.m = 1N.m

1dina.cm

1,02 x 10

1N. m

0,113 -8

1 x 10

0,0833 -7

7,38 x 10

1 dina . cm

1,13 x 106

1

-8

8,85 x 10

-7

1

PROBLEMA 16

Que a força em kgf devemos aplicar a uma chave com 0,50m de comprimento para dar um torque recomendado de 100 lbf.ft? Vamos calcular primeiro qual o torque em kgf.m. Da tabela acima, temos: 1 lbf .ft = 0,138kgf .m Como Tq = F x d

➜

➜

100 lbf . ft = 100 x 0,138 = 13,8kgf . m

13,8kgf . m = F x 0,50m


F=

13,8 = 27,6kgf 0,50

Portanto, com uma chave de 0,50m, teríamos de fazer uma força de 27,6kgf para obter o torque de 100 lbf/ft.

Potência Pot Potência é o trabalho realizado na unidade de tempo.

Pot =

T → J = N.m

e

t→s

T t

➜

Pot→ → W (Watt)

Em bombas, é comum expressar a potência em hp ou kW (que é um múltiplo do W) ou, ainda, em CV. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

35

A conversão entre as unidades de potência é dada por: TABELA 11

CONVERSÃO DE UNIDADES DE POTÊNCIA W = J/s

Pense e Anote

KW

hp

cv

1W =

1

0,001

0,00134

0,00136

1kW =

1.000

1

1,341

1,36

1hp =

745,7

0,7457

1

1,014

1cv =

735,5

0,7355

0,986

1

PROBLEMA 17

Qual a potência equivalente em hp de um motor cuja plaqueta indica 100kW? Da Tabela 11 de conversão de potência, temos: 1kW = 1,341hp

➜

100kW = 100 x 1,341hp = 134,1hp

A potência consumida por uma bomba é dada por:

. Q . H 274 . 

Pot =

Pot = Potência em hp

 = Peso específico em gf/cm3 (igual à densidade) P = Potência em hp Q = Vazão em m3/h H = Altura manométrica total em metros

 = Rendimento (Ex. 70% → usar 0,70)



Massa específica

É a relação entre a massa de uma substância e seu volume, ou seja, é a massa de cada unidade de volume.

 = massa

volume

Na temperatura ambiente, o mercúrio, usado em manômetros e termômetros, possui uma massa específica de 13,6g/cm3, ou seja, cada centímetro cúbico de mercúrio tem uma massa de 13,6g. 36

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Qual seria a massa específica de um cubo de 2cm de aresta, sabendo que sua massa é de 40 gramas? FIGURA 11

MASSA ESPECÍFICA DO CUBO

2

2 2

Volume = a3 = 23 = 8cm3

massa = 40g

massa específica  =

massa 40g = = 5gcm3 volume 8cm3

Quando aquecemos um material, seu volume aumenta com a temperatura, mas sua massa permanece constante. Logo, se aquecermos um produto, estaremos aumentando o denominador no cálculo da massa específica (volume), mantendo o numerador (massa) constante, o que levaria à redução da massa específica. Quanto maior a temperatura de um material, menor a sua massa específica. Por esse motivo, é necessário citar a temperatura a que estamos nos referindo quando informamos a massa específica de um produto. A massa de 1cm3 de água na temperatura de 20oC é de 0,998g; logo, sua massa específica é 0,998g/cm3. É usual adotar o valor de 1g/cm3 na temperatura ambiente. No caso de bombas, é mais usual o emprego do peso específico, cuja definição veremos em seguida, do que da massa específica. A transformação entre unidades de massa específica pode ser obtida por: PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

37

Pense e Anote

PROBLEMA 18

TABELA 12

RELAÇÃO ENTRE MASSAS ESPECÍFICAS

Pense e Anote

g / cm3 1g / cm3 = 3

kg / m3

lb /ft3

1

1.000

62,43

lb / in3” 0,0361 3,61 x 10 -5

1kg / m

=

0,001

1

0,0624

1lb /ft3

=

0,016

16,02

1

0,0005787

1lb / in3 =

27,68

27680

1728

1

Peso específico  É a relação entre o peso de uma substância e seu volume.

=

peso volume

Para determinar o peso específico de qualquer material, basta pesá-lo, medir seu volume e fazer a divisão. PROBLEMA 19

Calcular o peso específico da água, sabendo que um reservatório completamente cheio, em forma de cubo, com cada lado medindo internamente 5cm, apresentou um peso líquido de 125 gramas força (já descontando o peso do recipiente). FIGURA 12

PESO ESPECÍFICO

Volume = 5 x 5 x 5 = 125cm3 Peso = 125gf 5cm

Peso específico = 5cm

peso 125gf = 1gf/cm3 = volume 125cm

5cm

Na temperatura ambiente, o peso específico da água pode ser considerado como de 1gf/cm3. 38

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

o peso do cm3 de água cai para 0,865gf. Podemos afirmar então que o peso específico da água a 80oC é de 0,971gf/cm3 e a 200oC é de 0,865gf/cm3. O peso específico é usado tanto para sólidos como para líquidos. Na temperatura de 20oC, temos os seguintes pesos específicos: TABELA 13

PESOS ESPECÍFICOS Peso específico (gf/cm3)

Produto

Peso específico (gf/cm3)

Produto

Água

1

GLP

Aço-carbono

7,8

Gasolina

0,68 a 0,78

Aço inox AISI 316

8,02

Querosene

0,78 a 0,82

Alumínio

2,8

Diesel

0,82 a 088

Chumbo

11,2

Gasóleo

0,85 a 0,89

Óleo lubrificante

0,86 a 0,94

Petróleo

0,70 a 0,94

Cobre

8,94

Mercúrio

13,6

0,5

Analisando a Tabela 13, acima, vemos que o aço-carbono pesa 7,8 vezes mais do que o mesmo volume de água. Como peso específico é uma relação entre peso e volume, podem ser usadas outras unidades diferentes de gf/cm3 para sua definição, como kgf/ m3 ou lbf/in3. A conversão entre as unidades mais usadas para pesos específicos pode ser obtida por: TABELA 14

RELAÇÃO ENTRE PESOS ESPECÍFICOS gf/cm3 1gf/cm3 =

kgf/m3

lbf/ft3

lbf/in3 0,0361

1

1.000

62,43

=

0,001

1

0,0624

3,61 x 10 -5

=

0,016

16,02

1

5,787x 10 -4

1lbf/in3 =

27,68

27680

1728

1kgf/m

3

1lbf/ft3

1

PROBLEMA 20

Qual o peso específico em gf/cm3 equivalente a 2.500kgf/m3? Da Tabela 14 de conversão, temos que: 1kgf/m3 = 0,001gf/cm3

➜

2.500kgf/m3 = 2.500 x 0,001gf/cm3 = 2,5gf/cm3 PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

39

Pense e Anote

O peso específico varia com a temperatura, uma vez que o volume é modificado. Por exemplo, 1cm3 de água a 80oC pesa 0,971gf. A 200oC,

Densidade Densidade de um líquido ou de um sólido é a relação entre a massa espe-

Pense e Anote

cífica deste material e a da água. Para gases, o padrão de comparação adotado é o ar.

d=

massa específica do produto massa específica da água

A norma ISO recomenda que a massa específica da água seja tomada a o

20 C. Nessa temperatura, 1cm3 de água tem uma massa ligeiramente menor do que 1 grama (0,998g). Outras fontes adotam outras temperaturas. No cálculo da densidade, ao usarmos o numerador e o denominador com as mesmas unidades, por exemplo, g/cm3, elas se cancelam, ficando a densidade como adimensional, ou seja, expressa por um número sem dimensão.

Para calcular a densidade de um líquido ou sólido, vamos dividir a massa específica desse material pela da água, que é de aproximadamente 1g/cm3. Daí, podemos dizer que a densidade é numericamente igual à massa específica quando expressa em g/cm3. Na temperatura ambiente, a densidade também é numericamente igual ao peso específico em gf/cm3. A densidade da água na temperatura ambiente, como não poderia deixar de ser, é igual a 1, já que estamos dividindo a massa específica da água por ela mesmo. Na temperatura ambiente, a densidade da gasolina fica em torno de 0,74 e a do GLP, em torno de 0,5.

Pressão Pressão, por definição, é a força dividida pela área em que esta atua.

P=

F A

Estão representados na Figura 13 um prego (com ponta) e um saca-pino (sem ponta), ambos com o mesmo diâmetro de corpo. Ao bater com o martelo, o prego penetra na madeira. Se batermos com a mesma força no sacapino, possivelmente ele só fará uma mossa na madeira. Por que isso ocorre? 40

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote FIGURA 13

PENETRAÇÃO DO PREGO 1

2

Vamos supor que o martelo, ao bater no prego, exerça uma força de 10kgf e que a área da ponta do prego seja de 0,01cm2 e a do saca-pino, de 0,2cm2. As pressões exercidas na madeira serão:

Prego → P =

F 10 = = 1.000kgf/cm2 A 0,01

Saca-pino → P =

F A

=

10

= 50kgf/cm2

0,2

Vemos que a pressão exercida pelo prego na madeira foi 20 vezes maior do que a do saca-pino. Por esse motivo, o prego penetrou, enquanto o saca-pino só deformou a madeira. Uma aplicação bastante usada de pressão é o macaco hidráulico. FIGURA 14

MACACO HIDRÁULICO

F Peso = 2.000kg

diâmetro do cilindro = 2cm

diâmetro do cilindro = 25cm

Óleo Manômetro

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

41

PROBLEMA 21

Qual seria a pressão de óleo necessária para levantar um carro de 2.000kgf de peso no macaco hidráulico da Figura 14? Qual seria a força necessária a ser exercida no pistão menor para gerar esta pressão no óleo? Desprezar a

Pense e Anote

diferença de pressão devido à coluna de óleo dentro do reservatório. Dados: Peso = 2.000kgf

Dia. cil. menor = 2cm

Área cil. 1 =

Área cil. 2 =

 D2 4

 D2 4

3,14 x 22

=

=

4

Dia. cil. maior = 25cm

= 3,14cm2

3,14 x 252 = 490,6cm2 4

Pressão necessária para levantar o carro:

P=

F A

=

2.000kgf = 4,08kgf/cm2 490,6cm2

Para termos uma pressão de 4,08kgf/cm2 no óleo, será necessário aplicar no pistão menor a força de:

P=

F A


F = P x A = 4,08

kgf cm2

x 3,14cm 2 = 12,81kgf

Com o auxílio da pressão, com uma força de apenas 12,81kgf, conseguiremos levantar um carro com 2.000kgf. O pistão menor terá de deslocar-se de 156,2cm para cada centímetro do pistão maior. Podemos calcular esta relação sabendo que o volume deslocado pelos dois cilindros tem de ser igual. V = A1 x h1 = A2 x h2

➜ h1 A1 490,6 = = = 156,2 h2 A2 3,14

42

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Vejamos agora o significado da pressão atmosférica. O ar que envolve nosso planeta tem um peso. A coluna de ar correspondente a 1cm2 da superfície da Terra medida ao nível do mar pesa 1,033kgf. Logo, a pressão exercida por esta coluna será de 1,033kgf/cm2. Este valor é denominado pressão atmosférica. Quando subimos numa montanha, a coluna de ar fica reduzida, o que reduz a pressão atmosférica local. Por exemplo, a 3.000m de altura, a coluna de ar pesa 0,710kgf, então, a pressão atmosférica nessa altitude será de 0,71kg/cm2. FIGURA 15

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

Pressão x Altitude Peso = 1,033kgf

Coluna de ar

Pressão – kgf/cm 2

1cm 2 Terra

Altitude – metros

A cidade de São Paulo está situada a uma altitude de 700m, possuindo, por isso, uma pressão atmosférica em torno de 0,95kgf/cm2.

Essa pressão, decorrente da coluna de ar, permite que, ao medir uma pressão, tenhamos dois modos de expressá-la: ➜ PRESSÃO ABSOLUTA Medida a partir da pressão zero absoluto. ➜ PRESSÃO RELATIVA OU MANOMÉTRICA Medida a partir da pressão atmosférica local. O valor da pressão absoluta será igual ao valor da pressão atmosférica local, somado ao valor da pressão relativa ou manométrica. Pressão absoluta = Pressão manométrica + Pressão atmosférica local

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

43

Pense e Anote

A pressão atmosférica

Os manômetros são normalmente calibrados para indicarem pressão relativa, ou seja, a medição é realizada a partir da pressão atmosférica local.

Pense e Anote

Daí os valores medidos serem chamados de pressão manométrica ou relativa. Quando a pressão está acima da pressão atmosférica, ela é considerada positiva e, quando abaixo, é negativa. A pressão negativa é chamada também de vácuo. Para obter a pressão zero absoluto teríamos de retirar toda a coluna de ar existente sobre o corpo. FIGURA 16

PRESSÃO ABSOLUTA E PRESSÃO RELATIVA (MANOMÉTRICA)

Pressão manométrica ou relativa

Pressão

P1

P man = 1,5kg/cm2

+

1atm Pressão atm. local = 1kgf/cm2

P abs = 2,5kg/cm2

–

P man = – 0,4kg/cm2 P2

P atm 1,033kg/cm2 (nível do mar)

P abs = 0,6 kg/cm2

+

0 abs Pressão absoluta

P abs = P atm + P man

Na Figura16, representamos uma pressão acima da atmosférica, P1, e uma outra pressão abaixo da atmosférica, P2. Vamos supor que P1 e P2 estejam sendo medidas num local onde a pressão atmosférica seja de 1,0kgf/cm2. Se a pressão P1 fosse de 2,5kgf/cm2 absoluta, a medida em valor manométrico seria de 1,5kgf/cm2. Este valor é resultante da composição com a pressão atmosférica local. P1abs = P1man + Patm

➜

2,5 = P1man + 1,0

➜

P1man = 2,5 – 1,0 = 1,5kg/cm2

Se a pressão P2, abaixo da atmosfera, fosse de 0,6kgf/cm2 absoluta, seria equivalente a dizer que é de - 0,4kgf/cm2 manométrica. Podemos dizer também que esta pressão P2 é um vácuo de 0,4kgf/cm2. As pressões negativas são usualmente expressas em mm de Hg (milímetro de mercúrio). P2abs = P2man + Patm

44

➜

PETROBRAS

0,6 = P2man + 1,0 ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

➜

P 2man = 0,6 – 1,0 = – 0,4kg/cm2

adicionar uma letra após a unidade. Usa-se M ou m para pressão manométrica, e A ou a para pressão absoluta. Exemplo:

Pressão absoluta 3,2kgf/cm2 A 4,26kgf/cm2 a Pressão relativa

8,0kgf/cm2 M 12,9kgf/cm2 m

Em unidades inglesas, a pressão é usualmente medida em psi, que significa pound per square inch, ou seja, libra por polegada quadrada. Para diferenciar, são usados psig e psia. O g vem da palavra gauge, que significa manômetro, e a é de absolute. Portanto, psig quer dizer pressão manométrica, e psia é a pressão absoluta. Para transformar a pressão de psig para psia, no nível do mar, basta somar a pressão atmosférica, que é igual a 14,7psi: Pressão psia = Pressão psig + 14,7

Vejamos qual seria a pressão exercida na base por uma coluna de líquido. É fácil notar que o peso do líquido será o responsável pela força exercida. FIGURA 17

PRESSÃO EXERCIDA POR UMA COLUNA DE LÍQUIDO

A

Volume = A x H H

O volume do líquido contido na coluna é: Vol = área da base x altura = A x H PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

45

Pense e Anote

Para não confundir a pressão manométrica com a absoluta, é comum

O peso do líquido da coluna é de: Peso = Vol x peso específico = Vol x  = A . H . 

Pense e Anote

Como a pressão é a relação entre força (neste caso, entre peso) e área, temos:

Pressão =

Força Área

=

Peso

=

A .H .

Área

A

Simplificando o termo A da área que temos no numerador e no denominador, ficamos com: Pressão =  x H Esta fórmula expressa em unidades usuais se apresenta da seguinte forma: onde: P=

P = pressão em kg/cm2 H = coluna em metros

Hx 10

 = peso específico em gf/cm3 Notar que, na dedução da fórmula da pressão da coluna de líquido, a área foi cancelada. Portanto, a “forma” da área não interfere na pressão, tanto faz ser um círculo, um quadrado ou qualquer outro formato. Não importa também se a área é pequena ou grande, a pressão será função apenas da altura da coluna e do peso específico do líquido. Na Figura 18, a seguir, colocamos diversos formatos de vasos, com diferentes áreas de base. Se o líquido (mesmo peso específico ) e a altura H forem iguais, as pressões nas bases serão iguais. FIGURA 18

VASOS COM FORMATOS E ÁREAS DE BASE DIFERENTES E COM PRESSÃO IGUAL NA BASE

P=H

H

H

46

PETROBRAS

H

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

H

Pense e Anote PROBLEMA 22

Qual seria a pressão se tivéssemos uma coluna de 10 metros de água na temperatura ambiente? Peso específico da água na T ambiente:

 (água) = 1gf/cm3 Altura H da coluna de líquido = 10m. Usando a fórmula preparada para as unidades usuais, temos:

P=

.H

=

10

1 x 10 = 1kgf/cm2M 10

Para cada 10 metros de altura de coluna de água fria equivale uma pressão de 1kgf/cm2. Se calcularmos a pressão para uma coluna de 25 metros de água, acharemos 2,5kgf/cm2. PROBLEMA 23

Qual seria a pressão no fundo de um vaso com uma coluna de 20m de gasolina com densidade de 0,74? Lembrando que densidade é igual ao peso específico em gf/cm3, temos que:

 gasolina = 0,74gf/cm3

P=

xH 10

=

e

H = 20m

0,74 x 20 = 1,48kgf/cm2M 10

PROBLEMA 24

Qual seria a coluna de mercúrio ( = 13,6kgf/cm3) necessária para obter a pressão de 1,033kgf/cm2 A (pressão atmosférica ao nível do mar)? FIGURA 19

COLUNA DE HG

H

Hg

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

47

xH

P=

10


Pense e Anote

H=

10 P



10 x 1,033 = 0,760m = 760mm Hg 13,6

=

A coluna de um líquido é um método para expressar uma pressão. É comum usar metros, milímetros ou polegadas de colunas de água ou de mercúrio para definir essas pressões. Existem manômetros de tubos transparentes que utilizam esse princípio. Esses tubos foram os primeiros manômetros inventados. TABELA 15

CONVERSÃO DA UNIDADE DE PRESSÃO Kgf/cm2 1kgf/cm

2

psi

bar

mmHg

m H20

atm

kPa

MPa

=

1

0,9807

14,22

735,6

10

0,9678

98,07

0,09807

1bar

=

1,02

1

14,5

750,1

10,2

0,9869

100

0,1

1psi

=

0,07031

0,06895

1

51,72

0,7031

0,06805

6,895

1mmHg

=

0,00136

1,33x10 -3

0,01934

1

0,0136

1,32x10 -3

0,133

1m H2O

=

0,1

1,422

73,56

1

0,09678

9,807

9,81x10 -3

1Pa

=

1,02x10-5

1x10-5

1,45x10 -4

7,50x10-3

1,02x10-4

9,87x0 -6

0,001

1x10-6

1kPa

=

0,0102

0,01

0,145

7,501

0,102

9,87x10 -3

1

0,001

1Mpa

=

10,2

10

145

7501

102

9,869

1000

1

1atm

=

1,033

1,013

14,7

760

10,33

1

101,3

0,1013

0,09807

6,89x10 -3 0,000133

PROBLEMA 25

Um tubo em U, contendo água, indica a pressão de descarga de um ventilador, conforme mostra a Figura 20. Qual o valor da pressão reinante? A pressão no duto é diferença de alturas entre os dois lados do tubo em U. A

FIGURA 20

TUBO EM U

Figura 20 mostra 70 – 20 = cm H2O

= 50cm de água. Se quisermos saber o

80

valor dessa pressão em

60

H

outras unidades, basta usar a Tabela 15 de conversão, mostrada anteriormente. Para passar para kgf/cm2, temos: 48

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

40 20

H = 70 – 20 = 50cm

0

1m H2O = 0,1kgf/cm2

50cm H2O = 0,50m H2O = 50 x 0,1kgf /cm2 = 0,5kgf/cm2

A ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas –, seguindo recomendação da ISO, organização internacional de padronização, definiu como unidade de pressão no Brasil o Pascal (Pa), admitindo, numa fase de transição, o uso do bar. Portanto, é bom começar a ter uma noção da pressão em Pa, já que com o passar do tempo deverá ser cada vez mais utilizada. Como o Pascal é uma unidade muito pequena, os valores usuais de pressão seriam altos. Por isso, são mais utilizados seus múltiplos MPa (mega Pascal = 1.000.000Pa) e kPa (quilo Pascal = 1.000Pa).

A conversão de Pascal para bar é fácil se memorizarmos que: para passar de kPa para bar, basta dividir o valor por 100. Para passar de MPa para

bar, basta multiplicar por 10. PROBLEMA 26

Qual a pressão em kgf/cm2 correspondente a 100psig? Da Tabela 15 temos que: 1psi = 0,07031kgf/cm2

➜

100psi = 100 x 0,07031 = 7,031kgf/cm2

Como a pressão foi dada em psig, a pressão é manométrica: 100psig = 7,031kgf/cm2 M

A pressão atmosférica ao nível do mar pode ser dada por: 1atm = 1,033kgf/cm2 = 10,33m = 760mm Hg = 1,013bar = = 0,1013MPa = 101,3kPa = 14,7 psi = 29,92in Hg

Como podemos ver, a pressão atmosférica ao nível do mar equivale a uma coluna de 10,33m de água. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

49

Pense e Anote

Da Tabela 15 temos que:

PROBLEMA 27

Qual seria a coluna de água que teríamos num tubo mergulhado em um re-

Pense e Anote

servatório de água ao nível do mar se retirássemos todo o ar do tubo fazendo um vácuo perfeito? FIGURA 21

COLUNA MÁXIMA DE ÁGUA COM VÁCUO

COM AR NO TUBO 3 Pman = 0

Pressão atmosférica 1,033kg/cm 2 A

1

2

SEM AR NO TUBO Pman = –1,033kg/cm 2

Vácuo 3 Pressão atmosférica 1,033kg/cm 2A

H máx. = ? 1

2

Inicialmente, vamos colocar o tubo dentro do reservatório com a válvula situada na parte superior aberta para a atmosfera. A água entrará no tubo, ficando no mesmo nível do reservatório. Como os pontos 1 e 2 estão no mesmo nível, suas pressões P1 e P2 serão sempre iguais e, no caso, igual à pressão atmosférica local de 1,033kgf/cm2 absoluta ou 0kgf/cm2 manométrica. Vamos conectar a válvula da parte superior do tubo a uma bomba de vácuo e começar a retirar o ar do interior dele. A pressão no tubo P3 começará a cair, e a pressão atmosférica forçará a água para o interior do tubo, fazendo seu nível subir. Esta coluna de água compensará a pressão negativa da parte superior do tubo P3, mantendo sempre a pressão no ponto 1 igual à pressão atmosférica local P2. 50

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

tirar todo o ar do interior do tubo, a pressão absoluta seria igual a zero, ou, o que é a mesma coisa, a pressão manométrica seria = –1,033kgf/cm2. Neste caso, a coluna seria:

P=

xH
1xP
H = 10,33m 1,033 = 10

10

Esta seria a coluna máxima que poderia ser conseguida para água. Se, no lugar de água, tivéssemos gasolina (g gasolina = 0,75gf/cm3), a coluna máxima seria:

P=

xH 10


1,033 =

0,75 x H 10,33
H= = 13,77m 10 0,75

Como podemos notar, para cada líquido, em função do seu peso específico, teremos uma coluna máxima. No caso de querer retirar água de um poço com uma bomba colocada na superfície, ficaremos limitados à profundidade teórica de 10,33m. Na prática, este valor é bem inferior pelas seguintes razões: Uma bomba centrífuga jamais conseguirá fazer um vácuo perfeito. As bombas possuem necessidade de uma energia mínima na sucção (NPSH disponível – que será visto posteriormente). Há perdas de carga por atritos, choques e mudanças de direção do líquido na tubulação de sucção.

Por isso, o máximo que se consegue aspirar com uma bomba centrífuga fica em torno de 7 ou 8 metros quando trabalhando com água. Notar também que os 10,33m ocorreriam ao nível do mar, onde a pressão atmosférica é maior. Num local de maior altitude, como a pressão atmosférica é menor, a coluna seria menor. Esta coluna é também influenciada pelo peso específico do líquido (). Quanto menor o , maior a coluna H de líquido (ver fórmula usada anteriormente).

Viscosidade


ou



A viscosidade pode ser definida como a resistência do fluido ao escoamento. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

51

Pense e Anote

Se, por hipótese, conseguíssemos fazer um vácuo absoluto, ou seja, re-

Suponhamos dois vasilhames, um com óleo de massa específica igual à da água, porém mais viscoso, e outro com água. Ao tentar girar uma pá

Pense e Anote

para movimentar os líquidos, notaríamos uma resistência maior no óleo do que na água. Isso é devido à maior viscosidade do óleo, comparada com a da água. FIGURA 22

DIFERENÇAS DE VISCOSIDADES

Óleo

Água

Existem dois modos de expressar a viscosidade: dinâmica (
) e cine-

mática ().

A viscosidade dinâmica (
) é a propriedade do líquido que expressa

sua resistência ao deslocamento de suas camadas. Quanto maior a viscosidade dinâmica, maior a resistência ao deslocamento. A principal unidade para medir viscosidade dinâmica é o poise (pronuncia-se “poase”). Normalmente, é usado um submúltiplo 100 vezes menor, o centipoise (cP). 1cP = 0,01poise A viscosidade de um líquido varia inversamente com a temperatura. Quanto maior a temperatura, menor a viscosidade. TABELA 16

CONVERSÃO DE VISCOSIDADES DINÂMICAS Poise

1Poise

52

cP

Pa.s

lbm / ft.s

=

1

100

0,1

0,0672

1cP (centipoise) =

0,01

1

0,001

0,000672

1Pa.s

=

10

1.000

1

0,672

1 lbm/ft.s

=

14,88

1488

1,488

1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote A viscosidade cinemática () é a relação entre a viscosidade dinâmica (
) e a massa específica ().

=




As unidades mais usadas são: stoke (St); centistoke (cSt); e SSU:

1St = 1cm2/s

1cSt = 0,01St = 1mm2/s

Na lubrificação das bombas da Petrobras é comum utilizar o óleo Marbrax TR-68, que possui uma viscosidade de 63,9cST a 40o e de 8,64cST a 100oC. A conversão pode ser feita por: TABELA 17

CONVERSÃO DE VISCOSIDADES CINEMÁTICAS SSU – segundos saybolt universal

SSF – segundos saybolt furol

cSt centistokes

Graus Engler

31

–

1

1,00

35

–

2,56

1,16

40

–

4,30

1,31

50

–

7,40

1,58

60

–

10,3

1,88

70

12,95

13,1

2,17

80

13,70

15,7

2,45

90

14,44

18,2

2,73

100

15,24

20,6

3,02

150

19,30

32,1

4,48

200

23,5

43,2

5,92

250

28,0

54,0

7,35

300

32,5

65,0

8,79

400

41,9

87,60

11,70

500

51,6

110

14,60

600

61,4

132

17,50

700

71,1

154

20,45

800

81,0

176

23,35

900

91,0

198

26,30

1.000

100,7

220

29,20

2.000

200

440

58,40

3.000

300

660

87,60

4.000

400

880

117,0

5.000

500

1.100

146

10.000

1.000

2.200

292

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

53

A viscosidade cinemática é bem mais utilizada no estudo de bombas do que a dinâmica. Podemos converter a viscosidade dinâmica em centistokes para viscosidade cinemática em centipoise, usando a fórmula:

Pense e Anote

 (cSt) =
(cP)3  (g/cm )

=


(cP) densidade

PROBLEMA 28

Qual seria a viscosidade em centistokes de um óleo cuja densidade é de 0,9 e a viscosidade dinâmica de 900cP?

 (cSt) =


(cP) densidade

=

900 0,9

= 1.000

Pressão de vapor Para cada temperatura de um líquido, existirá uma pressão na qual teremos um equilíbrio entre as fases vapor e líquida. Então, dizemos que o líquido se encontra saturado. À pressão exercida nas paredes do recipiente pela fase vapor denominamos pressão do vapor deste líquido para esta temperatura. Suponhamos um vaso com um líquido volátil, como GLP ou gasolina. FIGURA 23

PRESSÃO DE VAPOR

Manômetro

Fase vapor

Termômetro

Fase líquida

Pv = Pman + Patm

A pressão de vapor é a pressão medida na fase gasosa e é expressa em valores de pressão absoluta. A pressão de vapor aumenta com o aumento de temperatura. 54

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 24

CURVA DA PRESSÃO DE VAPOR

Pressão absoluta

Líquido

Curva da pressão de vapor

PV1

Vapor

T1 Temperatura (oC)

Para uma dada temperatura T1, se a pressão do fluido for superior à pressão de vapor PV1, o fluido estará na fase líquida. Se a pressão for inferior, estará na fase vapor. Para uma pressão de vapor PV1, se a temperatura for inferior a T1, o fluido estará na fase líquida. Se a temperatura for maior, estará na fase vapor. A pressão de vapor é sempre expressa em valores absolutos como, por exemplo, 4,6kg/cm2A. FIGURA 25

PRESSÃO DE VAPOR EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA

Pressão absoluta (bar)

Temperatura (o C) 1. Acetona 2. Álcool etílico 3. Ácido fórmico 4. Amônia 5. Anilina 6. Etano 7.

8. Etileno 9. Etileno glicol 10. Gasolina 11. Benzeno 12. Clorobenzeno 13. Dietil-éter 14. Difenil

15. Downtherm A 16. Ácido Acético 17. Glicerina 18. Isobutano 19. Hexano 20. Querosene 21. Álcool metílico

PETROBRAS

22. 23. 24. 25. 26.

Naftaleno Propano Propileno Tolueno Água

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

55

PROBLEMA 29

Qual a pressão de vapor do propano na temperatura de 60oC?

Pense e Anote

Na Figura 25, o propano corresponde à linha 23. Entrando no eixo de temperatura com 60oC e seguindo até a linha 23, temos 20barA. Ao nível do mar, se colocarmos uma panela aberta com água no fogão e começarmos a aquecê-la, a pressão de vapor subirá com a temperatura da água até atingir a pressão reinante no ambiente que, nesse caso, é a pressão atmosférica (1,033kgf/cm2A). Nesse momento, a água começará a vaporizar (ferver). Nessa pressão, a temperatura da água será de 100oC. A temperatura não ultrapassará esse valor por mais que aumentemos a chama do fogão. Isso porque a pressão que está reinando sobre a panela, no caso, a pressão atmosférica, não se modificará. Caso queiramos cozinhar mais rapidamente o alimento, teremos de aumentar a temperatura da água, e isso só será possível se aumentarmos a pressão no interior da panela, ou seja, fazendo com que a pressão de vapor aumente. Este é o princípio da panela de pressão, a qual possui uma válvula de segurança, que só permite o escape dos vapores da água após atingir uma certa pressão. Para cozinhar com água a 150ºC, a pressão da panela teria de ser de aproximadamente 5barA (ver valor aproximado na Figura 25 – curva 26 – o valor correto é de 4,76barA), ou seja, cerca de 4barM. Para cozinhar com 200oC, seria necessário 15,55barA. Essas pressões correspondem às pressões de vapor da água para as temperaturas citadas. Alguns líquidos, como o propano, possuem a pressão de vapor na temperatura ambiente superior à pressão atmosférica. Por isso, se colocarmos propano num vaso aberto, ele irá vaporizar-se. Quando estamos bombeando, precisamos que o líquido esteja sempre numa pressão acima da pressão de vapor para evitar que haja vaporização no interior da bomba, fenômeno que é conhecido como cavitação e que veremos com mais detalhes na parte em que falaremos de bombas.

Rendimento  Rendimento de uma máquina é a relação entre as energias recebidas e cedidas por essa máquina. No caso de uma bomba, a energia é recebida através do eixo de acionamento. A energia é cedida ao líquido pelo impelidor, sob a forma de pressão e de velocidade.

=

56

PETROBRAS

Energia cedida Energia recebida

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Qual seria o rendimento de uma bomba cujo motor entrega 40hp no eixo e a bomba cede ao líquido 20hp?

=

Energia recebida 40 = = 0,50 ou 50% Energia cedida 20

Nesse caso, a bomba estaria transformando em calor, por atrito e por outras ineficiências, metade da energia recebida.

Equação da continuidade Considerando um fluido como incompressível, pelo esquema da Figura 26, podemos afirmar que, desde que não tenhamos nenhuma saída ou entrada de líquido entre as seções 1 e 2, a vazão Q1 na seção 1 é igual à vazão Q2 na seção 2. FIGURA 26

ESCOAMENTO DE UM LÍQUIDO NUMA TUBULAÇÃO

2

1

Q1

Q2

Q1 = Q 2 = V 1 x A 1 = V 2 x A 2

Como a vazão é o produto da velocidade pela área, teremos: Vazão na seção 1 = v1 x A1

Vazão na seção 2 = v2 x A2

Como as vazões são iguais nas duas seções, teremos: v 1 x A 1 = v2 x A2

v1 = v 2 x

A2 A1

a

v1 = v 2 x

2

( ) D2 D1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

57

Pense e Anote

PROBLEMA 30

onde:

Pense e Anote

v1 = Velocidade média de escoamento na seção 1. v2 = Velocidade média de escoamento na seção 2. D1 = Diâmetro interno da tubulação na seção 1. D2 = Diâmetro interno da tubulação na seção 2. Dobrando a área de uma seção da tubulação, a velocidade média cairá para a metade. Se dobrarmos o diâmetro, a área aumenta quatro ve-

A área varia com o quadrado do diâmetro

área =

zes e a velocidade média cairá para 1/4.

 D2 4

PROBLEMA 31

Temos uma velocidade média de escoamento de 3m/s numa tubulação de 4"sch 40. Qual será a velocidade de escoamento num outro trecho da linha com tubo de 6"sch 40? Da tabela de tubos (ver Tabela 18) tiramos: → A2 = 82,1cm2 Área interna do tubo 4"shd 40’→ → A1= 186,4cm2 6"sch 40’→

v 1 = v2 x

A2 A1

=3x

82,1 186,4

= 1,32m/s

Teorema de Bernouille Um fluido escoando numa tubulação possui três formas de energia: Energia potencial ou de altura. Energia de pressão. Energia de velocidade ou cinética. A energia potencial é a que temos quando o líquido se encontra a uma determinada altura, como nos casos de barragens de usinas hidrelétricas. A água, ao escoar da cota em que se encontra até as turbinas hidráulicas, localizadas num nível mais baixo, tem capacidade de acionar uma turbina acoplada a um gerador de eletricidade. Essa capacidade é chamada de energia potencial. Para uma mesma massa, quanto maior a altura, maior a energia contida. A energia sob a forma de pressão é a que, por exemplo, permite a realização de um trabalho como o deslocamento de um pistão numa prensa hidráulica. Outro exemplo é o de um macaco hidráulico que levanta um peso. 58

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote A energia de velocidade, também chamada de energia cinética, é a decorrente da velocidade de escoamento. Um exemplo de uso da energia cinética são os geradores eólicos (movidos pelo vento). FIGURA 27

TEOREMA DE BERNOUILLE Seção 2

V2

Z2

Seção 1 V1 Z1

Linha de referência

As energias no ponto 1 e no ponto 2 da tubulação mostrada no esquema acima, expressas em dimensões de coluna de líquido, seriam:

E1 =

P1



+

V12 2g

+ Z1

E2 =

P2



+

V22 2g

+ Z2

Pelo princípio de conservação de energia, no qual afirmamos que energia não se perde nem se cria, apenas se transforma, a energia no ponto 1 é igual à energia no ponto 2. Temos então que: P1



+

V 12 2g

+ Z1 =

P2



+

V 22 2g

+ Z2 = constante

Teorema de Bernouille

Onde os termos representam:

P



= Energia de pressão

V2 = Energia de velocidade 2g Z = Energia potencial

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

59

A equação anterior é válida apenas teoricamente, já que, na prática, temos algumas perdas de energia entre os pontos 1 e 2 decorrentes de atritos, choques etc., ficando a equação como: E1 = E2 + perdas de carga

Pense e Anote P1



+

V12

+ Z1 =

2g

P2



+

V 22

+ Z2 + perdas

2g

Essas perdas recebem o nome de perda de carga entre o ponto 1 e o ponto 2. Pela equação anterior, também podemos calcular a energia fornecida por uma bomba para uma determinada vazão. No caso da bomba, não temos perda, mas ganho de energia. Medindo a energia no flange de descarga (E2) e no flange de sucção (E1) da bomba, a diferença entre essas energias é a fornecida pela bomba para aquela vazão. FIGURA 28

ENERGIA CEDIDA PELA BOMBA

P2 P1 V2 Z1

Z2

V1

Linha de referência

E2 – E1 = Energia cedida pela bomba

Energia cedida pela bomba = E2 – E1 =

P2 – P1



+

V22 – V12 2g

+ Z2 – Z1

Quando tratarmos das curvas características das bombas centrífugas, voltaremos a este assunto. 60

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

TABELA 18

DADOS SOBRE TUBOS Diâm. Diâm. Nominal ext. (mm) ½”

21

¾”

27

1"

33

2"

60

3"

89

4"

114

6"

168

8"

219

10"

273

12"

324

14"

356

16"

406

18"

457

20"

508

24"

610

Espessura Diâm. (mm) int. (mm)

Padrões Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS – XXS Std XS XXS – Std XS – – Std – XS – Std – XS – Std XS – Std XS – – Std XS – – Std XS – –

40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 160 – 40 80 – 160 40 60 80 160 – 40 – 80 30 40 – 80 30 40 80 – – 40 80 20 30 40 80 20 – 40 80

40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S 80S – – 40S – 80S – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –

2,77 3,73 4,75 7,47 2,87 3,91 5,54 7,82 2,87 3,91 6,35 9,09 3,91 5,54 8,71 11,07 5,48 7,62 11,1 15,2 6,02 8,56 13,5 17,1 7,11 10,97 18,2 21,9 8,18 12,7 22,2 23,0 9,27 12,7 15,1 28,6 9,52 10,3 12,7 17,4 9,52 11,1 12,7 19,0 9,52 12,7 21,4 9,52 12,7 14,3 23,8 9,52 12,7 15,1 26,2 9,52 12,7 17,4 30,9

15,8 13,8 11,8 6,4 20,9 18,8 15,6 11,0 26,6 24,3 20,7 15,2 52,5 49,2 42,9 38,2 77,9 73,6 66,7 58,4 102,3 97,2 87,3 80,1 154 146,3 131,8 124,4 202,2 193,7 174,6 173,1 254,5 247,6 242,9 215,9 304,8 303,2 298,4 288,9 336,5 333,4 330,2 317,5 387,3 351,0 363,6 438,1 431,8 428,6 409,6 488,9 482,6 477,9 455,6 590,5 584,2 574,7 547,7

PETROBRAS

Área int. cm2

Peso kgf/m

1,96 1,51 1,10 0,32 3,44 2,79 1,91 0,95 5,57 4,64 3,37 1,82 21,7 19,0 14,4 11,4 47,7 42,6 34,9 26,8 82,1 74,2 59,9 50,3 186,4 168,2 136,4 121,5 321,1 294,6 239,4 235,5 509,1 481,9 463,2 365,8 729,6 722,0 655,5 699,4 889,7 872,9 856,2 791,7 1.178,1 1.140,1 1038,1 1.507,8 1.464,3 1.443,3 1.3017,5 1.877,5 1.829,1 1.793,6 1.630,4 2742,1 2677,6 2593,7 2355,0

0,42 1,62 1,94 2,55 1,68 2,19 2,88 3,63 2,50 3,23 4,23 5,44 5,44 7,47 11,08 13,44 11,28 15,25 21,31 27,65 16,06 22,29 33,49 40,98 28,23 42,51 67,41 79,10 42,48 64,56 107,8 111,1 60,23 81,45 95,72 172,1 73,74 79,65 97,34 131,7 81,2 94,29 107,3 157,9 93,12 123,2 203,0 105,0 139,0 155,9 254,1 116,9 154,9 182,9 310,8 140,8 186,7 254,7 440,9

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

61

Pense e Anote

Tabela de tubos

Letras gregas Relação das letras gregas maiúsculas e minúsculas.

Pense e Anote

TABELA 19

LETRAS GREGAS   Alfa  

Beta





Eta



Teta



&

Ni



%$/0

Tau

.

Iota

"#

Csi

Ípsilon

Gama

Ômicron

,-(

Fi



Delta



Épsilon





Kapa



Lambda




Mi

!

Pi



Rô



Sigma

$+

Qui

)*

Psi

'(

Ômega

Zeta

Prefixos TABELA 20

PREFIXOS Múltiplo Prefixo Símbolo

10 18 10

15

10

12

E

exa

P

peta

Nome

Múltiplo Prefixo Símbolo

Nome

quintilhão

10 -18

atto

a

quintilionésimo

quadrilhão

10

-15

femto

f

quadrilionésimo

-12

pico

p

trilionésimo

tera

T

trilhão

10

10 9

giga

G

bilhão

10 -9

nano

n

bilionésimo

10 6

mega

M

milhão

10 -6

10

3

10

2

10

k

quilo

mil

micro




milionésimo

10

-3

mili

m

milésimo

-2

centi

c

centésimo

deci

d

décimo

hecto

H

cem

10

deca

da

dez

10 -1

Exemplos:


m = 10-6m = micrometro = milionésimo do metro cm = centímetro = 10-2m = centésimo do metro ml = mililitro = 10-3 litro = milésimo de litro kg = quilograma = 103 gramas = mil gramas MW = megawatt = 106 Watt = milhões de Watt Gb = gigabite = 109 bites = bilhão de bites

62

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Resumo ÁREA DE FIGURAS GEOMÉTRICAS

Quadrado

A = a2

Lado ao quadrado

Retângulo

A=b.h

Base x Altura

Paralelogramo

A=b.h

Base x Altura

Trapézio

A=

Triângulo

A=

h . (b1 + b2)

Base média x Altura

2 (b . h) 2

Base x Altura sobre 2 2

Círculo

A =  . r2 =  . D 4

Pi x Raio ao quadrado

VOLUME DOS SÓLIDOS

Cubo

V = a3

Paralelepípedo

V=a.b.h

Cilindro

V=B.h=.r .h

Área da base x Altura

Cone

V = B . h =  . r2 . h 3 3

Área da base x Altura sobre 3

Esfera

3 V=4..r 3

Quatro terços de Pi x Raio ao cubo

Lado ao cubo Largura x Profundidade x Altura 2

VELOCIDADE LINEAR

v=

D t

Distância percorrida sobre tempo

VELOCIDADE ANGULAR

w = 2

N N = rd/s 60 30

Pi x rpm sobre 30

VAZÃO

v. .r 2 Q = Vol = v x A = t 30

Volume sobre tempo

ACELERAÇÃO

a=

v2 – v 1

Variação da velocidade no tempo

t2 – t1

FORÇA

F=mxa

Peso = m x g

Massa x Aceleração

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

63

Resumo

Pense e Anote

TRABALHO

T=Fxd

Força x Distância

TORQUE

T=Fxd

Força x Raio de giro

POTÊNCIA

Pot = T t

Trabalho sobre tempo

MASSA ESPECÍFICA

=

Massa Volume

Massa sobre o volume

PESO ESPECÍFICO

=

Massa Volume

Peso sobre o volume

DENSIDADE

d=

Massa específica do produto Massa específica da água

Relação entre massa específica do líquido e da água

PRESSÃO

P=

F A

P=

xH  em gf/cm3 → H = m

p/ P em kgf/cm2

VISCOSIDADE DINÂMICA

 (cSt) =

Força sobre área ou peso específico x Altura sobre 10

10




E CINEMÁTICA


(Cp) Densidade



Viscosidade cinemática é a viscosidade dinâmica dividida pela densidade

RENDIMENTO

 = Energia cedida

Energia recebida

64

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

É a relação entre as energias cedida e a recebida

Pense e Anote Resumo EQU AÇÃO D A CO NTINUID ADE EQUAÇÃO DA CONTINUID NTINUIDADE

A2 A1

V1 = V2 x

V1 = V2 x

ou 2

( ) D2

Velocidade da seção 1 igual à velocidade da seção 2 x Relação entre as áreas 2 e 1 ou multiplicada pelas relações entre os quadrados dos diâmetros 2 e 1

D1

TEOREMA DE BERNOUILLE

P1  P2



+

V12 2g

+

V22 2g

+ Z1 = + Z2 + perdas

Pressão sobre peso específico + Velocidade ao quadrado sobre 2 x Aceleração da gravidade + Altura do manômetro na seção 1 igual à da seção 2 + Perdas

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

65

Pense e Anote

Bombas

B

ombas são máquinas destinadas à transferência de líquidos de um

ponto para outro. Para realizar essa movimentação, as bombas cedem energia ao líquido sob a forma de pressão e de velocidade, sendo a forma de pressão a predominante. É importante conhecer o funcionamento de um equipamento para que possamos realizar manutenção adequada. Esse conhecimento facilita a identificação de falhas e o modo de saná-las. O presente trabalho visa dar este conhecimento.

Os fabricantes disponibilizam uma grande variedade de bombas, que podem ser grupadas em duas famílias principais, cada uma delas com características que serão objeto de apreciação ao longo desse trabalho:

➜ Bombas dinâmicas ou turbobombas. ➜ Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas. Para funcionar, a bomba necessita receber energia de um acionador. Os principais acionadores usados nas bombas são:

➜ Motores elétricos. ➜ Turbinas a vapor. ➜ Motores de combustão interna.

Na indústria em geral, o acionamento das bombas é realizado, principalmente, por motores elétricos. Essa preferência é devido ao fato de os custos de aquisição e de operação serem inferiores aos das turbinas e dos PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

67

motores de combustão interna. Os motores elétricos possuem rendimento na casa dos 90% contra cerca de 30% dos dois outros acionadores citados.

Pense e Anote

Durante muito tempo, as turbinas possuíram uma vantagem sobre os motores elétricos, a saber, a possibilidade de variar a rotação. Hoje em dia, com o barateamento dos variadores de freqüência, é cada vez mais comum utilizar motores elétricos com rotação variável no acionamento de bombas. Os motores de combustão interna são pouco utilizados em refinarias, ficando seu uso restrito a casos excepcionais de segurança, como bombas reservas de água contra incêndios ou de produtos que, ao escoarem através de oleodutos, são passíveis de endurecimento caso cesse o bombeamento. Se não dispusermos de vapor nas instalações, isso é outro motivo que poderá levar à utilização de tal alternativa de acionamento. Esses motores, quando empregados, são geralmente movidos a óleo diesel. Além deles, existem algumas bombas alternativas que são acionadas por meio de cilindros a vapor. Em unidades novas, essa aplicação está ficando cada vez mais rara. Os motores pneumáticos, devido a sua baixa confiabilidade e ao seu alto custo operacional, não são utilizados em bombas de processo. São aplicados, principalmente, como acionadores de bombas portáteis de abastecimento de óleo lubrificante a partir de tambores. Sua vantagem é a de não causar riscos de explosão e de serem facilmente acionáveis devido à grande disponibilidade de pontos de alimentação de ar comprimido existentes nas unidades. Nos locais em que a falha da bomba possa ocasionar problema de segurança ou prejuízos elevados, é usual a adoção de bomba reserva de modo a não interromper o funcionamento da unidade. Visando aumentar a segurança operacional, é comum adotar duas fontes distintas de alimentação para os acionadores, reduzindo assim a possibilidade de parada do sistema para o qual a bomba trabalha. Quando ambas, a bomba principal e a reserva, são acionadas por motor elétrico, é comum a utilização de alimentadores elétricos (feeders) diferentes para cada uma delas. É comum também ter a bomba principal acionada por motor elétrico e a reserva por turbina a vapor, ou o contrário. A vantagem em ter o motor como reserva é a sua elevada aceleração, que faz com que a bomba entre em operação rapidamente, caso tenhamos uma falha do equipamento principal. Já a desvantagem é que, ao usar a turbina a vapor como principal, aumentamos o custo operacional devido ao fato de seu rendimento ser menor. O sistema de partida automático do motor elétrico é mais simples do que o da turbina. De modo geral, o fornecimento do vapor é mais confiável do que a energia elétrica. A escolha do tipo de acionador principal deverá levar em conta esses fatores. 68

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Com o intuito de aumentar a flexibilidade operacional, o que permite variar significativamente a vazão, algumas instalações adotam diversas bombas operando em paralelo; nesses casos, fica uma delas como reserva. Caso venha a falhar mais de uma bomba simultaneamente, o sistema ainda continuará sendo atendido, só que com uma vazão menor.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

69

Pense e Anote

Recebimento da bomba

A

o chegar ao almoxarifado, vinda do fabricante, uma bomba nova

deve ser submetida a uma inspeção de recebimento. Embora a maioria das bombas adquiridas pela Petrobras seja inspecionada durante sua fase de fabricação e de testes, podem ocorrer danos entre a saída da fábrica e a chegada ao almoxarifado da refinaria usuária. Normalmente, as bombas são embaladas pelo fabricante em caixotes de madeira fechados por placas de compensado, ou em caixotes com ripas de madeira pregadas, do tipo engradado. No ato do recebimento, o primeiro passo é ler a pasta que contém a documentação de compra (pasta do PCM) para saber que itens deveriam ser fornecidos juntamente com a bomba. A inspeção de recebimento deve constar no mínimo de:

1. Verificação do estado do caixote de madeira. Caso ele tenha sido mal manuseado, como, por exemplo, ter caído durante o transporte, provavelmente a parte de madeira deverá estar danificada. Havendo danos, a inspeção deverá ser mais detalhada.

2. Caso a bomba tenha vindo num caixote fechado, abri-lo para verificar sua plaqueta de identificação e a do acionador para assegurar-se de que a bomba é mesmo a encomendada.

3. Análise dos estados da base metálica; da bomba; do acionador; do acoplamento e da sua proteção; das linhas de refrigeração e de selagem; do sistema de lubrificação e dos parafusos de nivelamento.

4. Verificação dos sobressalentes encomendados: se foram fornecidos com as especificações e as quantidades corretas.

5. Conferência da documentação, tal como manuais e desenhos: se vieram junto com a bomba (em alguns casos eles são fornecidos com antecedência e, em outros, somente após a entrega). Verificar se a documentação está de acordo com a quantidade solicitada. O manual da bomba deve conter no mínimo:

• Folhas de dados da bomba e do acionador (se este último fizer parte do fornecimento). PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

71

• Dados dos testes efetuados na fábrica (desempenho, vibração, NPSH etc.).

Pense e Anote

• Instruções de manutenção e de operação da bomba. • Desenho de corte da bomba com todos os itens identificados. • Lista das peças relacionadas no desenho de corte da bomba com as referências comerciais, os materiais de fabricação e as quantidades empregadas na bomba.

• Desenho do conjunto da bomba, mostrando a base, a bomba, seu acionador, acoplamento e as respectivas cotas.

• Desenho da selagem. No caso do uso de selo mecânico, devem constar: plano de selagem; corte do selo; lista de peças com identificação das referências comerciais; material de fabricação e quantidade empregada. Caso a selagem seja feita por meio de gaxetas, deverá ter a especificação do tipo, do tamanho e do número de anéis utilizados, além de um corte da caixa de selagem, mostrando o posicionamento das gaxetas em relação ao anel de distribuição (anel de lanterna).

• Desenhos de corte do acionador, com lista de peças, referências comerciais e materiais e quantidades utilizadas.

6. Descrição da preservação realizada pelo fabricante da bomba. 7. Verificação de todas as suas entradas (flanges, furos que comunicam com o interior da carcaça, caixa de mancais e de selagem): se estão protegidas para evitar a entrada de umidade e de objetos estranhos. Estando tudo correto, pode ser dado o aceite da bomba no pedido de verificação de material.

Resumo Na inspeção de recebimento de uma bomba, deve-se verificar: Se ocorreram danos durante o transporte. Se a documentação da bomba e de seus componentes foi fornecida. Se os bocais e os furos roscados estão protegidos.

72

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Preservação

A

té a partida efetiva, ou seja, durante o período em que permane-

cer estocada e mesmo após ser montada na base, um plano de preservação deve ser obedecido. É usual o fabricante fazer alguns pontos de preservação na fábrica, o que costuma ser eficaz para um período de 6 meses, findos os quais eles devem ser renovados. Um dos principais cuidados que devemos ter é o de impedir a queda de algum objeto no interior da bomba. Para tal, os flanges devem ser protegidos com uma tampa plástica ou uma chapa metálica com junta. Esse material só deve ser retirado na fase de colocação das tubulações. As aberturas roscadas devem todas ser protegidas com um plugue (bujão) roscado de plástico ou metálico. Bombas que vão ser lubrificadas por sistema de névoa podem ser preservadas por esse sistema. Nesse caso, deve ser feita uma linha adicional para a carcaça da bomba. Logicamente, para tal preservação, o sistema de geração de névoa terá de ser instalado com antecedência. Caso não exista o sistema de névoa, passado o período de preservação recomendado pelo fabricante, a bomba deve ser cheia com um líquido de proteção adequado, devendo ser girada algumas voltas e drenada. Esse líquido costuma ser um óleo com alto teor de antioxidante. Recomenda-se colocar na caixa de mancais o mesmo óleo de preservação. Na falta deste, usar um óleo tipo turbina, por exemplo, Marbrax 68, com nível até a parte inferior do eixo. Em seguida, girar manualmente algumas voltas. O copo nivelador deve ser retirado e guardado num local seguro até pouco antes da partida da bomba. Na sua furação, colocar um plugue roscado. Evitar que o peso da parte rotativa recaia sempre sobre o mesmo ponto do rolamento, ocasionando a corrosão localizada e o desgaste (brinnelling). Para evitar que isso ocorra, girar periodicamente o eixo da bomba e do acionador (de 15 em 15 dias é um bom prazo) no sentido indicado pela plaqueta de rotação, de 1 volta + 1/4 de volta. Para essa operação de giro, se não for possível fazê-lo com a mão, usar uma chave de cinta no acoplamento ou no eixo. Não utilizar chave de grifo para não danificar nem o eixo, PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

73

nem o acoplamento. Fazer uma marca com tinta ou marcatudo no acoplamento para acompanhar a posição de parada do eixo.

Pense e Anote

As superfícies usinadas da base metálica que ficarem expostas, como a região de apoio do acionador e da bomba, devem ser preservadas com graxa ou parafina para evitar sua oxidação. O óleo colocado na caixa de mancais deve ser trocado a cada 6 meses se o ambiente for medianamente agressivo como, por exemplo, regiões próximas ao mar ou de elevada umidade.

Resumo A preservação deve ser renovada a cada 6 meses. Girar o eixo da bomba a cada 15 dias de 1+1/4 de volta no sentido da rotação.

74

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Instalação e teste de partida

E

nganos cometidos nesta etapa ocasionam problemas futuros difí-

ceis de serem reparados. Podemos dividir esta fase em três outras, enumeradas a seguir:

1. Nivelamento/grauteamento. 2. Conexão com os flanges. 3. Alinhamento. O grauteamento é a operação de colocar uma massa adequada entre a base de concreto e a base metálica da bomba, fazendo uma união efetiva entre elas, com o objetivo de aumentar a rigidez da base e a massa do conjunto. Assim, as forças que atuam na bomba terão seus efeitos atenuados, sejam estas forças de tensão da tubulação nos flanges da bomba, sejam de desbalanceamento. Uma bomba bem grauteada vibrará muito menos do que uma outra submetida aos mesmos esforços com graute inadequado. FIGURA 29

GRAUTEAMENTO DE UMA BASE DE BOMBA

Bases de apoio do motor que podem ser usadas para nivelamento

Base de apoio da bomba que pode ser usada para nivelamento

25mm mínimo

Chumbador

Parafuso de nivelamento com placa Graute

Parafuso de nivelamento com placa

Chumbador

Base de concreto

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Forma de madeira para conter o graute

75

Antigamente, o graute era realizado com uma massa de cimento rala. Hoje em dia, são empregados cimentos próprios, que curam bem mais

Pense e Anote

rápido. Os especialistas consideram como o melhor material para graute um epóxi específico para esse fim. Como seu custo é bem superior ao do cimento, esse fator acaba sendo um inibidor para uso generalizado. O API 610 (bombas centrífugas) e o API 686 (montagem de máquinas) recomendam o uso de epóxi no grauteamento das bombas. Na montagem da bomba, os seguintes passos devem ser seguidos, supondo que a base de concreto esteja pronta e curada. A cura completa do concreto só ocorre 28 dias após sua fundição.

1. Verificar se o posicionamento dos chumbadores na base de concreto está compatível com os furos existentes da base metálica da bomba. Hoje em dia, é raro o uso de chumbador tipo L. Isso pode ser feito pelo desenho da base da bomba, ou se a bomba já estiver na planta, observar diretamente a base metálica.

2. Verificar se os chumbadores foram montados dentro de uma luva com diâmetro interno de 2 a 3 vezes o diâmetro do chumbador e no mínimo 150mm de comprimento. O espaço entre essa luva e o chumbador deve ter sido preenchido com um material não endurecível como, por exemplo, espuma de poliuretano, usada em isolamento de tubulação ou RTV (borracha de silicone), evitando, assim, a entrada de concreto ou do graute. Isso permitirá o alongamento do chumbador ao ser apertado e também admitirá pequenos deslocamentos para casar com a furação da base metálica. FIGURA 30

CHUMBADOR E LUVA

D Graute 25mm mínimo

Vedante

150mm (mínimo)

Luva com dia. interno > 2D Prender com material que não endureça, impedindo a entrada de concreto ou de graute

Ponto de solda

3. Picotar a base de concreto, retirando a camada lisa de cimento que fica na parte superior dela. Deve ser retirada uma espessura de cerca de 25mm da base. Não é recomendado o uso de marteletes pneumáticos nessa tarefa. Utilizar uma pequena marreta e uma ponteira. Esse 76

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

base de concreto de modo a deixá-lo áspero e irregular, o que irá facilitar a aderência e aumentar a área de contato com o graute.

4. Limpar bem a base de concreto de detritos e poeiras. Soprar, com ar isento de óleo, já que o ar comprimido de compressores de campo costuma ter óleo. Evitar a presença de óleo e graxa, pois estas substâncias impedem a aderência do graute.

5. Colocar a base da bomba sobre a de concreto de modo que a parte inferior da base metálica fique no mínimo 25mm acima da base de concreto. As bases das bombas adquiridas pela Petrobras são fornecidas com parafusos “macaquinhos” para efeito de nivelamento. Colocar sobre o concreto, na direção dos parafusos de nivelamento, um pedaço de chapa com cerca de 12,7mm (1/2") de espessura. Verificar no projeto se a altura da base está correta e se a elevação dos flanges encontra-se de acordo com o desenho de tubulação. Ajustar, se necessário.

6. Nivelar a base através dos macaquinhos no sentido transversal e longitudinal na região do motor, e depois na região da bomba, usando um nível de bolha apoiado em superfícies usinadas da base. FIGURA 31

NIVELAMENTO TRANSVERSAL DA BASE NA ÁREA DO MOTOR E LONGITUDINAL DA BOMBA

Furos para colocação de graute

A norma API 686 recomenda o limite de 0,2mm por metro, tanto para o nivelamento transversal quanto para o longitudinal. É recomendável realizar uma aferição do nível que será utilizado. Para tal, fazer uma leitura com o nível e depois girá-lo 180º, repetindo a leitura. As duas têm de ser iguais. Após nivelar a base, colocar os calços de latão ou aço inoxidável sobre os apoios, apertar as porcas dos chumbadores e tornar a verificar o nível. O torque de aperto deve seguir o recomendado pelo fabricante. Na falta da recomendação, usar os valores da Tabela do API, transcrita a seguir: PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

77

Pense e Anote

desbaste tem por objetivo remover o cimento liso que sobrenadou na

TABELA 21

TORQUE A SER APLICADO NOS CHUMBADORES

Pense e Anote

⵰ Ch Fios/pol

Torque

⵰ Ch Fios/pol

Torque

⵰ Ch

Torque

pol

–

N.m

kgf.m

pol

–

N.m

Kgf.m

–

N.m

Kgf.m

1/2

13

40,7

4,15

1¼

8

678

69,1

–

–

–

5/8

11

81,4

8,3

1½

8

1085

111

M12

31

3,16

3/4

10

136

13,8

1¾

8

2034

207

M16

110

11,2

7/8

9

217

22,1

2

8

2983

304

M24

363

37

1

8

332

33,9

2¼

8

4312

440

M30

1157

118

1 1/8

8

481

49,1

2¾

8

8026

818

M52

3815

389

7. Preparar as formas em torno da base para o grauteamento. Vedar as formas, principalmente junto ao concreto, para evitar vazamentos.

8. Passar um antiaderente nas partes em que não se deseja que o graute tenha aderência. São elas: as formas de madeira, os parafusos macaquinhos e as porcas de fixação da proteção do acoplamento. Não é recomendado o uso de óleo ou graxa nesta atividade, e sim três camadas de uma pasta à base de parafina.

9. Para evitar quebras, a base de concreto e a camada de graute não devem ter cantos vivos. Fazer um acabamento com um chanfro de 45º, conforme mostra a Figura 32. FIGURA 32

CHANFRO DE 45º NA BASE DE CONCRETO E NO GRAUTE

Base metálica Graute

Chanfros

Concreto

10. Verter o graute. As bases costumam ter furos nas chapas para este fim (ver Figura 31). O ideal é que exista um suspiro (vent) do lado oposto do furo de colocação do graute para permitir a saída do ar. Se a bomba e o acionador prejudicarem o acesso para a colocação do graute, eles devem ser retirados da base. Durante a fase de grauteamento, todas as tubulações devem estar desconectadas. Existem cimentos apropriados para graute. Não é aconselhável o uso de vibrador. Utilizar para 78

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote esse fim um pedaço de madeira para ir socando o graute. Não deve ser exercida muita força para evitar a deformação da chapa superior da base metálica. Devem ser preenchidos todos os vazios da base.

11. Após a cura do graute, verificar, com auxílio de um pequeno martelo, batendo na chapa superior da base, se ficou alguma região vazia. Havendo, faça dois furos nas extremidades opostas do vazio, um para introduzir massa epóxi, comum, e outro para saída do ar. O reparo deve ser realizado com epóxi mesmo que tenha sido grauteado com cimento.

12. Após a operação anterior, retirar as formas e os parafusos de nivelamento.

13. Se fizer parte do projeto, montar as tubulações auxiliares de refrigeração, de selagem e de lubrificação.

14. Somente após a cura do graute, devem ser conectadas as linhas de sucção e de descarga. Os flanges das tubulações devem estar concêntricos e paralelos com os da bomba. Todos os parafusos devem ser colocados com a mão nos furos, sem necessidade de forçar os flanges.

15. Verificar a tensão introduzida pelas linhas. Para tal, coloque dois relógios comparadores com os ponteiros apoiados no cubo do acoplamento, um na direção horizontal e o outro na vertical. Zere os relógios. Aperte os parafusos do flange de sucção com a junta de vedação no local. Os dois relógios devem indicar menos de 0,05mm. Torne a zerar os relógios e aperte agora o flange de descarga. Os relógios também devem indicar menos de 0,05mm. Se, no aperto de alguma das tubulações, for excedido esse valor de deslocamento, afrouxar os flanges dessa linha nas imediações da bomba (das válvulas de bloqueio, dos filtros, das válvulas de retenção etc.) e começar apertando-os a partir do flange mais próximo da bomba. Os desalinhamentos angulares podem ser corrigidos com o aquecimento localizado em alguma curva. Um outro recurso que pode ser usado é aquecer ao rubro uma seção completa da tubulação com os flanges da bomba apertados. O aquecimento reduz a resistência da tubulação, fazendo com que o material deforme, o que diminui a tensão introduzida pela linha. Lembrar que alguns tipos de aço usados em tubulações, se aquecidos, podem necessitar de tratamento térmico posterior. Portanto, consulte antes o responsável pela montagem da tubulação. Se, depois de tudo, não for possível enquadrar os valores, cortar a tubulação e refazer a solda da linha.

16. Verificar se o sentido de giro do acionador está coerente com a bomba antes de acoplá-la. No caso de motor elétrico, se não estiver correto, peça para inverter as fases de alimentação elétrica.

17. Alinhar a bomba com o acionador. O alinhamento que vem do fabricante é apenas um pré-alinhamento. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

79

Caso a bomba fique inativa por período prolongado, é recomendável girar o eixo de 1 volta completa + 1/4 a cada 15 dias de modo que promova a lubrificação completa dos rolamentos e altere a esfera sob carga, bem como o local de apoio na pista do rolamento, evitando desgaste localizado.

Pense e Anote

Antes da primeira partida e logo depois dela, verificar: a

Se a bomba, o acionador e o acoplamento estão adequadamente lubrificados.

b

Se a proteção do acoplamento encontra-se no lugar.

c

Se o sentido de giro do acionador está correto. Caso tenha dúvida, desacople a bomba e teste. Algumas bombas podem ser giradas ao contrário. Nesse caso, ela pode ser ligada e desligada rapidamente só para sair da inércia e verificar o sentido de giro. Bombas verticais, na maioria dos casos, não podem girar ao contrário, sob pena de soltarem partes fixadas por roscas, principalmente eixos e impelidores;

d

Se as válvulas das linhas de refrigeração e de selagem (flushing e quenching) estão abertas.

e

Se a bomba está escorvada. Para tal, abra a válvula de sucção e o suspiro (vent) da carcaça. Quando pararem de sair borbulhas de ar, a bomba estará cheia de líquido. Fechar o suspiro.

f

Se a válvula de descarga está fechada e descolada da sede. Válvulas de descarga de diâmetros grandes e com pressão de descarga alta geram uma força na gaveta que dificulta sua abertura. Nessa situação, é interessante partir a bomba com a gaveta da válvula ligeiramente descolada da sede (cerca de 1/4 de volta do volante).

g

Partir a bomba.

h

Logo após a partida, abrir a válvula de descarga.

Durante a fase de aceleração da bomba, a corrente do motor elétrico atinge 5 a 6 vezes o valor da corrente nominal. Se a partida for demorada, ocorrerá o aquecimento excessivo do motor, o que reduz a vida útil de seu isolamento. A corrente alta também pode atuar o sistema de proteção elétrico, desarmando o motor. Por esse motivo, as bombas devem partir na condição de menor potência exigida. Como nas bombas centrífugas a potência cresce com a vazão, elas devem partir com a descarga fechada. Já nas bombas de fluxo axial, a menor potência ocorre com alta vazão. Portanto, devem partir com a descarga totalmente aberta. As bombas de fluxo misto, para efeito de partida, devem seguir as centrífugas. No capítulo sobre as Curvas Características das Bombas, serão analisadas as suas curvas de potência.

80

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

a

Vibração da bomba e do acionador. É interessante fazer espectros das vibrações dos mancais da bomba e do acionador para servir como referência futura.

b

Barulhos anormais.

c

Temperatura dos mancais (pode levar até 3 horas para estabilizar). A norma API 610 limita em 82ºC a temperatura dos mancais ou 40ºC de acréscimo em relação à temperatura ambiente.

d

Vazamentos pela selagem.

e

Se os manômetros da sucção e da descarga estão estáveis. Manômetros oscilando muito demonstram problemas de cavitação ou recirculação, o que pode ser verificado e confirmado pelo ruído característico.

f

Havendo possibilidade, medir a corrente do motor elétrico, observando se o valor está dentro do esperado.

Resumo Após a cura da base de concreto, picotá-la, rebaixando-a cerca de 25mm. Limpar bem o concreto e colocar a base metálica da bomba. Nivelar a base lateral e longitudinalmente no limite de 0,2mm para cada metro de dimensão, mantendo-a cerca de 25mm acima do concreto. Proteger os chumbadores e grautear a base. Alinhar, verificar sentido de giro do acionador e acoplar. Testar a bomba, verificando vibração, ruídos anormais e vazamentos e, se necessário, desempenho.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

81

Pense e Anote

Após a partida da bomba, devem ser verificados e acompanhados:

Pense e Anote

Classificação de bombas

E

xiste uma variedade muito grande de bombas disponíveis no mer-

cado. Podemos classificá-las, baseados no modo do seu funcionamento, em dois tipos principais:

Classificação de bombas Radial Centrífuga Fluxo axial Fluxo misto

Bombas dinâmicas ou turbobombas

Tipo Francis

PERIFÉRICA OU REGENERATIVA

Alternativa Bombas volumétricas ou de deslocamento positivo Rotativa

Pistão Êmbolo Diafragma

Engrenagens Parafusos Lóbulos Palhetas Peristática Cavidades progressivas

A bomba dinâmica ou turbobomba se caracteriza por fornecer energia ao líquido pela rotação de um impelidor. A orientação do líquido ao sair do impelidor determina, juntamente com a forma como a energia é cedida, o tipo da turbobomba. A bomba volumétrica ou de deslocamento positivo se caracteriza por executar seu trabalho por meio do aprisionamento de um certo volume do líquido na região de sucção e posterior deslocamento desse volume para a descarga. Seus nomes provêem da forma como a energia é transferida ao líquido: pistão, diafragma, engrenagens, palhetas etc. Nos próximos capítulos, analisaremos mais detalhadamente cada tipo. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

83

Pense e Anote

Bomba dinâmica ou turbobomba

A

turbobomba que trabalha cedendo energia ao líquido por meio

de um impelidor pode ser classificada em quatro tipos diferentes, de acordo com a forma de cessão de energia ao fluido. BOMBA CENTRÍFUGA Pode ser do tipo radial ou tipo Francis. A bomba centrífuga radial ou centrífuga pura é a que possui as pás do impelidor com a curvatura em um só plano. Nesse tipo de bomba, o fluxo sai do impelidor perpendicularmente ao eixo. O impelidor cede energia ao líquido por meio da força centrífuga. A bomba centrífuga tipo Francis possui as pás do impelidor com curvatura em dois planos. Nesse tipo, a energia é cedida ao líquido pela força centrífuga e de arrasto. O líquido sai do impelidor perpendicular ao eixo. BOMBA DE FLUXO AXIAL É a bomba na qual a energia é cedida ao líquido sob a forma de arrasto. O fluxo do líquido caminha paralelamente ao eixo. Seu impelidor lembra uma hélice de barco ou de ventilador. BOMBA DE FLUXO MISTO Esta bomba é intermediária entre a centrífuga e a axial. O fluxo sai do impelidor inclinado em relação ao eixo. A energia transmitida pelo impelidor é sob a forma centrífuga e de arrasto. BOMBA PERIFÉRICA OU REGENERATIVA Esta bomba também é chamada de turbina regenerativa. Nela, as pás ficam situadas na periferia do impelidor. A carcaça forma uma câmara em forma de anel (corte A-A da Figura 34). Em uma volta, o líquido entra e sai diversas vezes nesta câmara e entre as pás do impelidor. Em cada entrada, ele ganha um novo impulso e, por isso, estas bombas costumam ter uma pressão alta de descarga para o diâmetro do impelidor. O líquido segue uma trajetória helicoidal. Na região de descarga, a câmara se estreita para impedir o retorno do líquido para a região de sucção (corte B-B da Figura 34). PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

85

FIGURA 33

TURBOBOMBA COM OS TRÊS TIPOS DE FLUXO

Pense e Anote

Fluxo radial

Fluxo misto

Fluxo axial

FIGURA 34

BOMBA REGENERATIVA E SEU IMPELIDOR

P4 > P3 > P2 > P1

P4

P3

P1 A

A

P2

Corte A–A

B

B

Corte B–B

86

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 35

TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS SEGUNDO A NORMA API 610 Tipo básico (impelidor) Em balanço ( Overhung)

Acoplamento flexível

Tipo

Características

Horizontal

Apoiada por pés

Classificação

Figura

OH1

1 Estágio

Apoiada na linha de centro

OH2

1 Estágio

Acoplamento rígido

Vertical in-line com caixa de mancais separada

1 Estágio

OH3

Vertical in-line

1 Estágio

OH4

Vertical in-line

1 Estágio

OH5

Alta velocidade

Montagem vertical ou horizontal

OH6

Impelidor montado no eixo do acionador

Eixo da bomba sem acoplamento

Multiplicador integral

1 Estágio

Acoplamento entre multiplicador e acionador Continua

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

87

FIGURA 35 Continuação

TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS SEGUNDO A NORMA API 610

Pense e Anote

Tipo básico (impelidor) Entre mancais (between bearings )

Tipo

1e2 Estágios

Multiestágios

Carcaça simples

Classificação

Partida axialmente

BB1

Partida radialmente

BB2

Partida axialmente

BB3

Partida radialmente

Verticalmente suspensas

Características

Descarga através da coluna

Carcaça simples com multisegmentos

BB4

Carcaça dupla (tipo barril)

BB5

Difusor

VS1

Figura

Continua

88

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote FIGURA 35 Continuação

TIPOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS SEGUNDO A NORMA API 610 Tipo básico (impelidor) Verticalmente suspensas

Carga simples

Tipo

Características

Classificação

Descarga através da coluna

Voluta

VS2

Fluxo axial

VS3

Eixo com mancais

VS4

Impelidor em balanço

VS5

Descarga separada

Carcaça dupla (poço)

Difusor

VS6

Voluta

VS7

PETROBRAS

Figura

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

89

A norma API 610, na qual é especificada e adquirida a maioria das bombas centrífugas de uma refinaria, sugere uma classificação e uma numeração em função do tipo da bomba, fazendo uma divisão principal entre três modelos, baseados na posição do impelidor em relação aos mancais:

Pense e Anote

Em balanço (overhung)

– Denominadas OH

Entre mancais (between bearings)

– Denominadas BB

Verticalmente suspensas (vertically suspended)

– Denominadas VS

Estes modelos são subdivididos em vários tipos. Cada tipo recebe uma designação iniciada pelas letras acima, seguida de um número. De modo a facilitar essa identificação, a Figura 35 mostra um quadro com um croqui para cada tipo. A bomba centrífuga é o tipo mais usado, principalmente devido a sua versatilidade. Ela faz parte de um conjunto mais geral denominado turbobombas, que, além da centrífuga, inclui a bomba axial e a de fluxo misto. Normalmente, são englobadas com o nome genérico de bombas centrífugas, embora a bomba axial nada tenha de centrífuga. Uma das vantagens da bomba centrífuga é poder trabalhar com grandes variações de vazão sem alterar a rotação, o que as bombas de deslocamento positivo geralmente não permitem. Para garantir o funcionamento adequado de uma bomba, proporcionando uma campanha longa, ela deve ser bem especificada, bem selecionada, bem fabricada, bem montada, bem operada e bem mantida. Alguns enganos cometidos em qualquer dessas etapas podem ser contornados; outros, dificilmente o serão, e teremos uma bomba com campanhas sempre inferiores às esperadas.

Resumo As bombas dinâmicas ou turbobombas podem ser classificadas em função da orientação do fluxo de saída: radial, axial, mista e regenerativa. A norma API divide as bombas em três tipos de acordo com a posição do impelidor em relação aos mancais: OH (overhung) – em balanço BB (between bearing) – entre mancais VS (vertically suspende) – verticalmente suspensas A essas letras são acrescentados números para identificar os modelos. A bomba centrífuga permite fácil controle de vazão.

90

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Se colocássemos gotículas de líquido sobre um disco, ao girá-lo com uma rotação N, as gotículas seriam expelidas para a periferia pelo efeito da força centrífuga. FIGURA 36

Pense e Anote

Princípio de funcionamento da bomba centrífuga

DISCO GIRANDO COM GOTAS DE LÍQUIDO Fc

Fc

Fc

Fc Fc

Fc

N

A bomba centrífuga utiliza este mesmo princípio para funcionar. Faz uso da força centrífuga, advindo daí o seu nome. Na bomba, esta energia é cedida pelo impelidor, o qual orienta o fluxo do líquido pelos seus canais formados pelas pás e discos. Para uma bomba centrífuga funcionar adequadamente, há necessidade de que sua carcaça esteja cheia de líquido. Temos de substituir o ar preexistente em seu interior por líquido. Esta operação de encher a bomba é chamada de escorva da bomba. Use a Figura 37 para acompanhar as explicações sobre o funcionamento da bomba centrífuga. FIGURA 37

ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

7

1

7

2

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

5 6 5 4 3

6 3 4

8 6

6

6

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

91

Tubulação de sucção Flange de sucção Olhal do impelidor Entrada das pás Saída do impelidor Voluta (dupla) Cone de saída da carcaça Lingüeta

O impelidor, ao girar, transmite uma determinada força centrífuga que acelera o líquido presente no seu interior (regiões 3, 4 e 5), fazendo com que este líquido caminhe para a área de saída do impelidor, sendo des-

Pense e Anote

carregado na voluta (6). O líquido passa pela voluta e é orientado pela lingüeta (8) para o cone de saída da carcaça (7). Ao ser deslocado no interior do impelidor, ele cria uma região de menor pressão, que é preenchida pelo líquido que está imediatamente antes, na região 2. Esta será preenchida pelo líquido que está em 1, e assim sucessivamente. O impelidor, ao girar, estabelece um fluxo contínuo de líquido da linha de sucção para a descarga. Se não tivéssemos escorvado a bomba, em vez de líquido, teríamos no seu interior ar ou gases e, nessa situação, o vazio criado pelo impelidor, ao girar, não seria suficiente para que o líquido presente na tubulação de sucção fluisse para o impelidor, inviabilizando assim o bombeamento do fluido. Na Figura 38, é mostrada a variação da pressão e da velocidade no interior da bomba centrífuga para uma determinada vazão. FIGURA 38

VARIAÇÃO DE PRESSÃO E VELOCIDADE 7 1

2 6 5

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tubulação de sucção Flange de sucção Olhal do impelidor Entrada das pás Saída do impelidor Voluta (no caso dupla) Cone de saída da carcaça

4 3

5

6

6

Velocidade

Pressão

Região

92

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

tes, tais como curvas, válvulas, reduções, filtros etc., a pressão vai caindo conforme o fluido se desloca pela linha de sucção da bomba (1). Na junção do flange da tubulação com a sucção da bomba (2), podemos ter uma pequena perda localizada devido à não-coincidência perfeita entre os diâmetros internos dos flanges da tubulação e o da bomba, que normalmente é fundido. A pressão continua caindo lentamente até o olhal do impelidor (3). Logo após o olhal, região 4, temos uma redução da área de escoamento devido ao cubo do impelidor, o que provoca um aumento de velocidade de escoamento e, conseqüentemente, uma queda de pressão, conforme vimos quando falamos no Teorema de Bernouille (Parte 1). Nessa região, o fluxo fica mais turbulento pela influência da vazão que retorna pelo anel de desgaste dianteiro e pelos furos de balanceamento do impelidor. Pelos motivos expostos, a região 4, logo após o olhal e antes de chegar às pás do impelidor (o líquido ainda não recebeu energia dele), é que apresenta a pressão mais baixa no interior da bomba. FIGURA 39

VARIAÇÃO DA PRESSÃO E DA VELOCIDADE NO INTERIOR DA BOMBA 7 1

2 6 5 4 3

5

6

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tubulação de sucção Flange de sucção Olhal do impelidor Entrada das pás Saída do impelidor Voluta (no caso dupla) Cone de saída da carcaça

6

Velocidade

Pressão

Região

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

93

Pense e Anote

Devido ao atrito e aos choques nas paredes da tubulação e aos aciden-

A partir da região 4, o líquido começa a receber energia cedida pelas pás do impelidor, que acelera o líquido, aumentando sua velocidade (energia

Pense e Anote

cinética). Esta energia vai sendo transformada parcialmente em energia de pressão devido ao aumento da área entre as duas pás consecutivas (canal de escoamento) à medida que o líquido vai avançando no impelidor. Ao sair do impelidor, o fluxo passa pela voluta. A área da voluta é crescente (ver Figura 37), mas o impelidor, ao girar, descarrega mais líquido de modo que o aumento de vazão é compensado pelo aumento da área, permanecendo estável a velocidade de escoamento e a pressão (válido para a vazão de projeto da bomba). Por último, na saída da carcaça, região cônica 7, temos a transformação final da energia de velocidade em energia de pressão. Como geralmente o flange de descarga da bomba centrífuga é menor do que o flange de sucção, a velocidade na descarga é ligeiramente maior do que na sucção. Logo, nem toda a energia cedida ao líquido pela bomba é transformada em energia de pressão, permanecendo uma parcela como energia de velocidade. Como as velocidades de sucção e de descarga são relativamente baixas, a energia cedida sob a forma de velocidade é relativamente pequena em bombas centrífugas. De modo geral, a grande parcela de energia cedida é sob a forma de pressão. Somente nas bombas de baixo diferencial de pressão como, por exemplo, nas bombas axiais, a parcela de energia de velocidade pode ser significativa. Nas bombas centrífugas que utilizam difusor em vez de voluta, a transformação de velocidade em pressão ocorre no impelidor e no difusor. As áreas dos canais do difusor são crescentes. Logo, a velocidade de escoamento será reduzida e a energia será transformada em pressão. O difusor é mais empregado nas bombas de múltiplos estágios, sejam elas horizontais, sejam verticais. Nas bombas horizontais, o difusor costuma ser uma peça independente. Nas bombas verticais, geralmente ele faz parte da carcaça (ver Figura 35 – bomba verticalmente suspensa tipo VS1). FIGURA 40

DIFUSOR

94

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Resumo O impelidor cede energia ao líquido sob a forma de velocidade. No próprio impelidor, parte dessa energia vai sendo transformada em energia de pressão. No cone de saída da carcaça, temos uma transformação final de energia de velocidade para pressão. Os difusores também transformam energia de velocidade em pressão.

Aplicações típicas Bomba centrífuga é um tipo de bomba bastante versátil, daí seu grande emprego na indústria. Suporta desde serviços leves, como o bombeamento de água residencial, feito com bombas pequenas com 1/8hp, até bombas com consumo de potências bastante altas, que podem chegar a milhares de hp. Este tipo de bomba é usado praticamente em todas as indústrias, caso das unidades de uma refinaria, na exploração de petróleo, no transporte de líquidos (oleodutos), nas indústrias químicas, no abastecimento de água das cidades, em irrigação de lavouras, em termoelétricas, na indústria de papel e celulose, nas aciarias e nas demais indústrias. Uma das grandes vantagens da bomba centrífuga é sua capacidade de variar a vazão. As bombas pequenas podem operar de 10% a 120% da vazão de projeto. Nas bombas maiores, essa faixa de vazão costuma ser mais reduzida, como veremos mais adiante. Em boa parte dos processos que necessitam um controle de vazão, é utilizada uma válvula de controle na linha de descarga da bomba centrífuga. Conforme sua abertura seja aumentada ou reduzida, a perda de carga será alterada, modificando, como conseqüência, a vazão da bomba. Podemos usar também a rotação para variar a vazão. Existem bombas centrífugas projetadas para poucos m3/h de vazão, enquanto outras são para milhares de m3/h. As bombas de baixa vazão costumam ter um rendimento inferior ao das bombas de vazão mais elevada. As pressões fornecidas por esse tipo de bomba podem ir de alguns kgf/cm2 até centenas de kgf/cm2. Quando as pressões são muitos altas, as bombas centrífugas são projetadas com vários estágios (impelidores) em série. As bombas de processo utilizadas na indústria de petróleo seguem a norma API 610 (American Petroleum Institute). Atualmente, essa norma está em fase de junção com a ISO (International Organization for Standardization) para formarem uma norma comum. Tanto na exploração, quanto na produção de petróleo, como no refino e no transporte de produtos (oleodutos), a bomba centrífuga possui larga PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

95

aplicação, abrangendo praticamente todas as áreas, sendo mais fácil citar as condições em que não são empregadas. Senão vejamos: A VAZÃO É MUITO PEQUENA

Pense e Anote

Quando a vazão é inferior a 5m3/h, embora existam bombas menores. QUANDO A VISCOSIDADE DO FLUIDO É ELEVADA A bomba centrífuga tem grande perda de rendimento nesta condição. NO BOMBEAMENTO DE ÓLEO LUBRIFICANTE DE GRANDES MÁQUINAS Embora algumas máquinas utilizem bombas centrífugas, nesse tipo de serviço, é mais freqüente o uso de bombas de parafusos ou de engrenagens. Nas demais aplicações, é usual a adoção de bombas centrífugas.

Partes componentes e suas funções Vejamos as principais partes de uma bomba centrífuga e as funções que exercem, os danos que eventualmente apresentam e as recuperações empregadas para restabelecer a condição normal de funcionamento. FIGURA 41

CORTE DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA TIPO EM BALANÇO – KSB

Carcaça com voluta

Na lubrificação por névoa não são necessários copo nivelador nem anel salpicador e, geralmente, o ventilador é dispensável

Bucha de fundo/ Caixa de selagem Dissipador de calor/defletor Parafuso extrator

Impelidor

Entrada para lubrificação por névoa

Sobreposta

Mancais de ancora

Mancal radial

Selagem da caixa de mancais

Câmara de selagem Anti-rotacional Selo

Anel de desgaste Caixa de selagem Junta da carcaça/ caixa de selagem

Eixo Anel salpicador

Dreno

Luva do eixo

96

Copo do nivelador de óleo

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Ventilador para refrigeração Caixa de mancais

Aletas para resfriamento Mancal triplo para alta pressão de sucção

Pela definição da norma API, rotor é o conjunto de todas as peças girantes, exceto os selos e rolamentos. O rotor é composto por eixo, impelidor, porcas de fixação, luvas do eixo e defletores. É prática comum chamar o impelidor de rotor, inclusive alguns fabricantes de bombas utilizam indevidamente esse nome. IMPELIDOR

Sua função é a de fornecer energia ao líquido sob a forma de pressão e de velocidade. O impelidor raramente é recuperado, a não ser que seja de grande tamanho, sendo quase sempre substituído por um novo quando está desgastado. CARCAÇA

Sua função principal é a de conter o líquido. No caso de carcaça em voluta, esta serve também para transformar energia de velocidade em pressão na região do cone de saída. Não é usual necessitar reparos, a não ser nas bombas utilizadas com líquidos abrasivos ou corrosivos e nas que trabalham sob cavitação ou recirculação interna. Como, geralmente, não existem em estoque carcaças reservas, quando se danificam, costumam ser recuperadas por soldagem com posterior usinagem ou esmerilhamento. Em alguns casos, podem ser recuperadas por meio de deposição de resinas especiais, como as do tipo epóxi. CAIXA DE SELAGEM

Também chamada de tampa da carcaça e de caixa de gaxetas. Juntamente com a carcaça, envolve o impelidor contendo o líquido. É através desta peça que o eixo sai para o exterior da bomba. Possui uma câmara que serve para instalar a selagem da bomba. Sua recuperação é semelhante à da carcaça. EIXO

Sua função é a de transmitir o torque do acionador ao impelidor, o qual lhe é fixado. Quando apresenta algum tipo de desgaste, é geralmente substituído. PORCA DO IMPELIDOR

Tem a função de fixar o impelidor no eixo. LUVA DO EIXO

Serve para proteger o eixo. Em vez de trocá-lo, que é uma peça cara, trocase a luva, que é mais barata. Nos selos tipo cartucho, a luva permite que o selo seja todo montado externamente, antes de ser colocado na caixa de selagem. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

97

Pense e Anote

ROTOR OU CONJUNTO ROTATIVO

MANCAIS

Sua função é a de sustentar o eixo gerando pouco atrito. A maioria das

Pense e Anote

bombas utiliza mancais de rolamentos. Quando as condições operacionais (rotação e esforços) acarretam uma vida curta dos rolamentos, os projetistas das bombas os substituem por mancais de deslizamento (metal patente). Nas bombas verticais, é comum a utilização de mancais guias para o eixo, que são usualmente fabricados de bronze ou outro material macio, como o carvão ou Teflon impregnado. CAIXA DE MANCAIS

Sua função é a de sustentar os mancais e criar uma região propícia para sua lubrificação. Raramente se danificam. Caso a pista externa do rolamento venha a girar na caixa, ela pode ser recuperada por meio de embuchamento. Cuidados devem ser tomados para garantir as concentricidades entre as regiões dos rolamentos e da guia, que é a responsável pela centralização da caixa de selagem. As caixas de mancais das bombas antigas eram de ferro fundido. Como esse material é frágil, podendo quebrar no caso do trancamento de um rolamento, o que levaria a um vazamento pela selagem, a norma API passou a recomendar que as caixas de mancais sejam fabricadas em aço-carbono quando o líquido bombeado for inflamável ou perigoso. SELAGEM DA BOMBA

Sua função é a de evitar que o líquido vaze para o exterior pela região onde o eixo sai da carcaça. As bombas antigas usavam tanto gaxetas como selos mecânicos. Atualmente, devido às restrições de poluição ambiental, as gaxetas são utilizadas somente para produtos que não ocasionam problemas ao meio ambiente, caso venham a vazar. As gaxetas estão sendo utilizadas praticamente para água. Mesmo assim, o selo mecânico vem ganhando terreno nestas aplicações. Recentemente, surgiram no mercado gaxetas injetáveis, que estão sendo empregadas com sucesso. SOBREPOSTA

No caso de selagem por gaxetas, recebe também o nome de preme-gaxetas. Nesse caso, é usual utilizarem uma bucha de bronze na região que pode vir a ter contato com o eixo. Na selagem por selo mecânico, serve de apoio para uma das sedes. Nesse caso, como são normalmente fabricadas de material nobre, quase sempre AISI 316, raramente necessitam de recuperação. SELAGEM DA CAIXA DE MANCAIS

Sua função é a de evitar ou reduzir a entrada de sólidos (poeiras, catalisadores etc.), líquidos (água e o próprio produto bombeado) e vapores no interior da caixa de mancais, além de impedir que o óleo lubrificante ou a graxa va98

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

de borracha ou labirintos. O retentor realizava sua função quando novo, mas, após alguns meses de funcionamento, os lábios endureciam, podiam surgir trincas ou acabavam por riscar o eixo, perdendo sua capacidade de vedação. Por isso, a norma API 610 passou a recomendar o uso de selos mais sofisticados que permanecem aptos a realizar sua função por tempo mais prolongado. Existe uma grande variedade desses selos, alguns vedam por meio de anel “O” e labirintos, enquanto outros são semelhantes a um selo mecânico, com uma face fixa e outra giratória provendo a vedação principal. Esses selos usam molas ou magnetismo para manter as sedes em contato. DEFLETOR

É um disco, geralmente fixado ao eixo, colocado na frente da selagem da caixa de mancais com a finalidade de evitar que jatos de líquidos ou vapores atinjam diretamente a região de selagem, dificultando a entrada de corpos estranhos nas caixas de mancais. ANEL PESCADOR

Sua função é carregar o óleo do reservatório para o eixo, fluindo daí para o mancal. O anel pescador é acionado pela rotação do eixo. ANEL SALPICADOR

É um anel fixado no eixo e que gira com ele, tendo por função salpicar o óleo lubrificante, lançando-o nas canaletas que levam aos rolamentos. ANÉIS DE DESGASTE

Possuem diversas funções. A primeira é de ser uma peça de sacrifício, permitindo usar folgas menores entre o impelidor e a carcaça. Com folgas pequenas, o fluxo que passa da descarga para a sucção pode ser reduzido, aumentando a eficiência da bomba. Se não houvesse anéis de desgaste e ocorresse um “roçamento” das peças, teríamos de substituir ou recuperar o impelidor e/ou a carcaça, que são peças mais caras. Com o uso dos anéis, fica mais barato e rápido trocá-las. O seu diâmetro também serve para equilibrar os esforços axiais. Outra função dos anéis de desgaste é a de trabalhar como mancal, aumentando a rigidez do rotor. Quando suas folgas aumentam, esta função fica prejudicada e temos o aumento de vibração da bomba. Esta situação é crítica nas bombas com dois estágios em balanço. BUCHA DE FUNDO DA CAIXA DE SELAGEM

Esta bucha é que separa a câmara de selagem do interior da bomba. No caso de bombas que utilizam selo mecânico, sua folga é importante porque vai ajudar a controlar a pressão e a vazão do líquido de refrigeração do selo, evitando que ele venha a vaporizar. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

99

Pense e Anote

zem para o exterior. As bombas mais antigas usavam retentores com lábios

BUCHA DA SOBREPOSTA

Sua função é a de restringir o vazamento entre a luva e a sobreposta.

Pense e Anote

ACOPLAMENTO

Sua função é a de transmitir o torque do acionador para a bomba, absorvendo pequenos desalinhamentos entre os eixos, sem ocasionar aumentos consideráveis da vibração. VENTILADOR

É empregado como um meio de refrigerar a caixa de mancais. A maioria das bombas utiliza em seu lugar uma câmara de resfriamento com água nesta função. As bombas dotadas de lubrificação por névoa, na maioria dos casos, dispensam o uso de refrigeração nos mancais. ANTI-ROTACIONAL

Sua função é de orientar o líquido para o impelidor, evitando que ele entre girando.

Impelidores Abaixo são mostradas as partes de um impelidor. FIGURA 42

PARTES DO IMPELIDOR Parede dianteira Região do anel de desgaste dianteiro Olhal

Parede traseira Região do anel de desgaste traseiro Furo de balanceamento

Cubo Pá

Furo de balanceamento

Os impelidores utilizados nas bombas centrífugas podem ser classificados quanto:

Ao projeto ou geometria do impelidor Existe um índice que correlaciona a rotação, a vazão e a Altura Manométrica Total (AMT) de um impelidor e que determina a sua geometria. Este índice é denominado de velocidade específica (Ns). 100

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote FIGURA 43

CLASSIFICAÇÃO DO IMPELIDOR QUANTO AO PROJETO – VELOCIDADE ESPECÍFICA

Velocidade específica – Ns (unidades métricas – rpm, m3/s, m)

(unidades inglesas – rpm, gpm, ft)

D2 Eixo de

D1 Pás radiais

D2

D2

>4

D1

Ns =

Tipo Francis

Fluxo misto

D2

= 1,5 a 2

AMT

0,75

Sistema

Inglês

rotação

D2

< 1,5

D1

D1

N Q

Axial

=1

D1

Métrico 1

Métrico 2

N – Rotação

rpm

rpm

rpm

Q – Vazão

gpm

m3/s

m3/h

AMT

ft

m

m

Sabendo-se a velocidade específica, identificamos o formato do impelidor. No cálculo da velocidade específica, existem algumas considerações: A AMT e a vazão são as correspondentes ao impelidor de maior diâmetro que a bomba comporta e no ponto de máxima eficiência (BEP). A altura manométrica considerada é por estágio. No caso de bombas de vários estágios, se todos os impelidores forem do mesmo diâmetro, basta dividir a AMT da bomba pelo número de estágios. Para bombas de dupla sucção, a vazão deve ser dividida por dois. Teoricamente, pela fórmula, a velocidade específica é um número adimensional (sem unidades). Por conveniência, são empregadas unidades usuais que não se cancelam matematicamente (por análise dimensional), daí ser necessário saber as que foram utilizadas no seu cálculo de modo a permitir sua interpretação. Como a literatura disponível sobre bombas é predominantemente americana, ainda é comum a velocidade específica ser expressa no sistema inglês de unidades. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

101

Para converter a velocidade específica, Ns: TABELA 22

CONVERSÃO DE VELOCIDADE ESPECÍFICA

Pense e Anote

De: ↓

Para →

rpm, gpm, ft

rpm, m3/s, m

rpm, m3/h, m

rpm, gpm, ft

➜ ➜ ➜

1

0,019

1,16

51,65

1

60

0,86

0,0167

1

rpm, m 3/s, m 3

rpm, m /h, m

Por exemplo, para saber o equivalente de um Ns =100, calculado com rpm, m3/s e m, basta multiplicar por 60 para passar para Ns expresso em rpm, m3/h e m. PROBLEMA 1

Determinar o tipo de impelidor de uma bomba de um estágio que gira a 1.750rpm com impelidor de dupla sucção cujo diâmetro máximo é de 500mm e fornece uma vazão 900m3/h e AMT = 150m no BEP – Ponto de Máxima Eficiência. Dados: Q = 900m3/h (dupla sucção)

N = 1.750rpm

AMT = 150m

A unidade de vazão utilizada na Figura 43 é em m3/s. Portanto, teremos de fazer a conversão. Como o impelidor é de dupla sucção, teremos de dividir a vazão por 2 para o cálculo da velocidade específica e por 3.600 para transformá-la de m3/h para m3/s:

Q’ =

Q 900 m3 450m3 1h m3 = = = = = 0,125 2 2 h h 3.600s 5

Cálculo da velocidade específica:

Ns =

N Q AMT

0,75

=

1.750 0,125 150

0,75

=

1.750 x 0,354 42,86

= Ns = 14,4

Pela Figura 43, com NS = 14,4 em unidades métricas, vemos que o impelidor é do tipo radial. Como é de dupla sucção, seria equivalente a 2 impelidores, um contra o outro.

À inclinação das pás Retas 102

PETROBRAS

Para frente ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Para trás

Pense e Anote

FIGURA 44

CLASSIFICAÇÃO DOS IMPELIDORES QUANTO À INCLINAÇÃO DAS PÁS

Pás retas

Pás para frente

Pás para trás

Embora seja viável a operação com o impelidor de pás para frente, as bombas centrífugas não o utilizam por gerarem curvas instáveis. A maioria dos impelidores de bombas centrífugas é projetada com pás para trás. As bombas de alta rotação costumam utilizar impelidores de pás retas. Nos ventiladores, as pás para frente são usadas com alguma freqüência.

Ao tipo de construção do impelidor Fechado Semifechado ou semi-aberto Parcialmente fechado Aberto Os impelidores abertos e semi-abertos são empregados quando o líquido bombeado pode conter sólidos, que teriam dificuldade em passar pelos canais de um impelidor fechado. Na indústria de petróleo, não é muito comum esta situação, excetuando-se o caso de parafinas ou de bombas de esgotamentos. Por isso, os impelidores são predominantemente do tipo fechado. FIGURA 45

CLASSIFICAÇÃO DOS IMPELIDORES QUANTO AO TIPO DE CONSTRUÇÃO

Abertos

Aberto com parede parcial

Semi-aberto ou semi-fechado

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Fechado

103

Quanto ao tipo de sucção

Pense e Anote

• Simples • Dupla sucção FIGURA 46

CLASSIFICAÇÃO DOS IMPELIDORES QUANTO À SUCÇÃO

Simples sucção

Dupla sucção

Resumo A velocidade específica, Ns, caracteriza o formato do impelidor. Os valores mais baixos de Ns correspondem ao impelidores radiais, e os mais altos, aos axiais, ficando os de fluxo misto com os valores intermediários. Os impelidores podem ser classificados pelo sentido das pás, pela construção e quanto ao tipo de sucção.

Carcaças As carcaças das bombas centrífugas podem ser classificadas sob diversas formas. Quanto aos tipos: Voluta Dupla voluta Difusor Concêntrica ou circular Mista (raramente utilizada) 104

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 47

TIPOS DE CARCAÇAS

Simples voluta

Dupla voluta

Difusor

Concêntrica

A carcaça em voluta, que pode ser simples ou dupla, é a mais usada em bombas industriais. Devido à dificuldade de fundição, nas bombas menores, de até 4" na descarga, as carcaças são normalmente de simples voluta. Somente as bombas de 6" e maiores são projetadas com dupla voluta. Comparando com a de simples voluta, a carcaça de dupla voluta reduz significativamente o esforço radial. A carcaça com difusor é mais empregada em bombas de multi-estágios. É também bastante usada em bombas verticais. Este tipo de carcaça proporciona uma baixa carga radial. A carcaça concêntrica ou circular é utilizada apenas em bombas pequenas. Alguns fabricantes, nas bombas menores, usam a carcaça circular e deslocam o impelidor, obtendo assim um esforço radial menor do que com voluta simples quando trabalha fora do ponto de projeto. A carcaça mista é composta de pás difusoras e voluta em série. Raramente é utilizada. As carcaças também podem ser classificadas quanto ao tipo da partição: Partida horizontalmente ou axialmente. Partida verticalmente ou radialmente. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

105

FIGURA 48

BOMBA COM CARCAÇA PARTIDA AXIALMENTE (BB1) E VERTICALMENTE (TIPO BARRIL – BB5)

Pense e Anote

BB5

BB1

FIGURA 49

BOMBAS COM CARCAÇAS PARTIDAS VERTICALMENTE (BB2) – COM INDUTOR DE NPSH E DE MULTISSEGMENTOS (BB4)

BB2

Partida verticalmente

Introdutor de NPSH BB4 Carcaça Impelidor

Difusor

106

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote As carcaças podem ser simples (exemplos: OH1; BB1; VS2) ou duplas (exemplos: BB5, VS5, VS6) (ver Figura 35).

Resumo As carcaças podem ser do tipo de simples voluta, dupla voluta, difusor, concêntrica e mista. Podem ser partidas axialmente ou radialmente.

Altura manométrica total (AMT), carga ou head A Altura Manométrica Total (AMT) é também conhecida pelos nomes de carga da bomba, head (em inglês), ou ainda MCL (Metros de Coluna de Líquido). A definição clássica de AMT é a energia cedida pela bomba por unidade de massa do líquido bombeado. Mas usualmente é usada como energia cedida por unidade de peso. Por esta definição, a AMT é representada por uma unidade de comprimento, em geral metros no nosso sistema de unidades, ou pés (ft) no sistema inglês.

AMT =

Energia Peso

=

Força x distância Peso

=

kg/f x m

=m

kg/f

Por simplificação, passaremos a usar apenas “energia” por unidade de peso do “líquido bombeado” para a AMT. Podemos entender a AMT como a energia fornecida pela bomba expressa sob a forma de altura de coluna de líquido, daí receber também o nome de metros de coluna de líquido. Para cada vazão, a bomba centrífuga fornece uma AMT. Na seleção de bombas centrífugas é mais comum usar AMT do que a pressão, isto porque a AMT é fixa, independe do líquido bombeado, enquanto a pressão irá variar de acordo com o líquido. Nas bombas de deslocamento positivo não se usa AMT e sim a pressão, que é dada pelo sistema. Como a AMT é a energia cedida por uma bomba para uma determinada vazão, podemos calculá-la pela diferença de energias existentes entre a descarga e a sucção da bomba. Altura manométrica total

=

Altura manométrica da descarga

–

PETROBRAS

Altura manométrica da sucção

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

107

Se medirmos a AMT fornecida por uma bomba centrífuga para algumas vazões diferentes (5 é um bom número) e plotarmos estes pontos em um gráfico e os unirmos com uma linha, obteremos o gráfico de AMT x vazão desta bomba. O aspecto seria semelhante ao mostrado na Figura 50, que

Pense e Anote

pertence a uma bomba centrífuga radial. Se alterarmos o diâmetro do impelidor ou a rotação, a curva se modificará. Por isso, é usual registrar no gráfico esses valores. FIGURA 50

CURVA CARACTERÍSTICA DE AMT X VAZÃO

AMT x vazão AMT ou H – metros

Vazão – m 3/h Modelo 3 x 2 x 8

Dia = 200mm

3.550rpm

Se a mesma bomba puder usar diversos modelos de impelidores, eles também deverão ser identificados no gráfico.

Alguns fabricantes identificam o tamanho da bomba pelas dimensões do flange de sucção, flange de descarga e o tamanho máximo do impelidor. Esses valores podem ser expressos em polegadas ou em milímetros, como, por exemplo: 3x2x8, ou o equivalente 75x50x200. Normalmente, esse conjunto de números vem precedido do modelo da bomba: XYZ 3x2x8.

Uma bomba em boas condições de conservação trabalhará com o ponto de operação sempre sobre essa curva, descontando, logicamente, pequenos desvios devido à imprecisão nas medições e às decorrentes da variação nas partes fundidas (impelidor e a carcaça) que ocorrem de uma peça para outra. 108

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

da energia de três parcelas: da energia de pressão, da energia cinética (ou de velocidade) e da energia potencial (de altura) em relação a um plano horizontal. A expressão dessas energias, em metros, é dada por: ENERGIA DE VELOCIDADE – EV

V– Velocidade de escoamento (m/s) g – Aceleração da gravidade 9,81m/s2 (no nível do mar) ENERGIA DE PRESSÃO – EP

EV =

Ep =

P – Pressão em kgf/cm2

V2 2g

10P





– Peso específico do líquido em gf/cm3 (igual à densidade) ENERGIA POTENCIAL – EPOT Altura do líquido em relação a um plano horizontal de referência (hd e hs), em metros.

Epot = h

ENERGIA TOTAL = EV + EP + EPOT FIGURA 51

LEVANTAMENTO DA AMT FI

Medidor de vazão

Pd

Ps

Vd

hd hs L.C. Vs

A AMT é sempre calculada nos flanges da bomba e é usual adotar como plano horizontal de referência o que passa pela linha de centro do impelidor para bombas horizontais e, para bombas verticais, o usual é a linha que passa pelos centros dos flanges. Por esse motivo, as pressões devem ser corrigidas para a linha de centro através da adição das cotas hs e hd. Caso os manômetros estejam abaixo da L.C., os valores devem ser subtraídos. Na realidade, o plano de referência poderia ser qualquer um, pois não alteraria o resultado porque estaríamos alterando igualmente a altura de sucção e de descarga. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

109

Pense e Anote

A energia por unidade de peso de um líquido escoando (ou altura manométrica) em um determinado ponto da tubulação é composta pela soma

Usando as unidades apropriadas, podemos expressar as alturas manométricas como:

Pense e Anote

Altura manométrica de sucção EQUAÇÃO 1

AMS (m) =

10 x PS




+

VS2 2g

+h

s

Altura manométrica de descarga EQUAÇÃO 2

AMD (m) =

10 x PD




+

VD2 2g

+ hd

A energia cedida pela bomba (AMT) para a vazão em questão será igual à diferença entre as energias na descarga e na sucção.

EQUAÇÃO 3

AMT = AMD – AMS =

10 x (Pd – Ps)




+

Vd2 – VS2 2g

+ (hd – hs)

AMT – Altura manométrica total em metros AMD – Altura manométrica (energia) na descarga AMS – Altura manométrica (energia) na sucção Ps – Pressão de sucção no flange da bomba em kgf/cm2 Pd – Pressão de descarga no flange da bomba em kgf/cm2 Vs – Velocidade média de escoamento na linha de sucção em m/s Vd – Velocidade média de escoamento na linha de descarga em m/s




– Peso específico do líquido bombeado em gf/cm3 (numericamente igual à densidade) – Aceleração da gravidade local em m/s2. Ao nível do mar g = 9,8m/s2

g hs

– Altura do manômetro de sucção em relação a um plano de referência em metros

hd

– Altura do manômetro de descarga em relação a um plano de referência em metros

110

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

que foi medida a pressão (ver Obs. 3). 2. Os valores de hs ou hd, altura dos manômetros, devem ter seus sinais invertidos nas fórmulas se estiverem abaixo da linha de centro da bomba. 3. Embora falemos em energia nos flanges da bomba para definir a AMT, as pressões e as velocidades são usualmente medidas um pouco antes do flange de sucção e um pouco depois do flange de descarga da bomba. As perdas de carga entre esses pontos de medição e os flanges da bomba são consideradas desprezíveis. Lembramos que manômetros muito próximos a acidentes de tubulação, tais como curvas, válvulas, ou a própria bomba, tendem a fornecer leituras falsas devido ao turbilhonamento provocado no líquido. O ideal é que os manômetros estejam afastados pelo menos 5 diâmetros dos acidentes da tubulação. 4. Os termos hd e hs são correspondentes à correção da pressão para a linha de centro da bomba.

As velocidades usuais de escoamento na sucção e na descarga das bombas costumam ser inferiores a 3m/s. Estas velocidades podem ser facilmente obtidas, dividindo-se a vazão pela área interna da respectiva tubulação. Os valores dessas áreas estão listados na Tabela 18.

EQUAÇÃO 4

V=

Q A

Vs =

2,78 x Q 3,54 x Q = As Ds

Vd =

2,78 x Q 3,54 x Q = Ad Dd

Vs Vd Q As Ad Ds

– Velocidade média de escoamento na sucção em m/s – Velocidade média de escoamento na descarga em m/s – Vazão em m3/h – Área interna da tubulação de sucção em cm2 – Área interna da tubulação de descarga em cm2 – Diâmetro interno da linha de sucção em cm Dd – Diâmetro interno da linha de descarga em cm 2,78 e 3,54 – Fatores para compatibilizar as unidades empregadas

Quando queremos obter um valor de AMT com precisão, usamos a fórmula da equação 3. Nos casos em que a diferença entre a pressão de descarga e a de sucção ultrapassa os 3kg/cm2, as parcelas de energia de PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

111

Pense e Anote

1. As velocidades devem ser calculadas na mesma seção da tubulação em

velocidade e as referentes à diferença das cotas hs e hd, geralmente da ordem de 0,30 ou 0,40m, ficam pequenas em relação à parcela da energia de

Pense e Anote

pressão. Portanto, numa primeira aproximação, elas podem ser desconsideradas para efeito de avaliação rápida de campo, ficando a AMT como:

EQU AÇÃO 5 EQUAÇÃO

AMT =

Pd e Ps – kgf/cm2

10 X (Pd – Ps)





– gf/cm3 (ou densidade)

AMT – m

Para levantar a AMT, de acordo com a equação simplificada 5, só é necessário saber o peso específico
(ou a densidade) do líquido que está sendo bombeado e dispormos de dois manômetros confiáveis, um na sucção (Ps) e outro na descarga da bomba (Pd). A curva da Figura 50 mostra que, para cada vazão, temos uma AMT correspondente e, à medida que a vazão vai aumentando, a AMT vai sendo reduzida. Essa curva é típica de uma bomba centrífuga radial ou tipo Francis. De posse dessa curva, calculando a AMT, podemos estimar a vazão, ou o inverso: sabendo a vazão, podemos obter a AMT. Se, no sistema em que a bomba estiver instalada, tivermos um instrumento que indique a vazão, calculando a AMT, podemos avaliar se a bomba está em bom estado, ou seja, com o desempenho em conformidade com a curva original. Caso não esteja, se as medições efetuadas forem confiáveis, é provável que a bomba esteja desgastada. Perda de carga são as perdas de energia (pressão) que ocorrem devido aos atritos, mudanças de direção e choques que acontecem quando um líquido escoa numa tubulação. Essas perdas crescem quando aumentamos a velocidade de escoamento, ou seja, quando aumentamos a vazão para um mesmo diâmetro de linha. Se, num trecho de linha horizontal, para uma determinada vazão, temos em seu início uma pressão de 8kgf/cm2 e no final uma pressão de 7kgf/cm2, dizemos que a perda de carga no trecho foi de 1kgf/cm2, ou, o que é equivalente, de 10m de coluna de água. A perda de carga irá variar com a vazão. Quanto maior a vazão, maior a perda. A AMT pode ser considerada como uma coluna de líquido que a bomba fornece para a vazão em questão. Daí a AMT ser também chamada de MCL (Metros de Coluna de Líquido). A bomba, cuja curva está representada na Figura 50, na vazão de 70m3/h, forneceria uma coluna de 86 metros 112

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote do líquido bombeado. Essa coluna de líquido é somada à coluna já existente na sucção, que pode ser positiva, nula ou negativa (bombas trabalhando com a sucção sob vácuo). FIGURA 52

AMT IGUAL A H, DESPREZANDO PERDAS

H

Reservatório 2 Bomba

Reservatório 1

H Reservatório 2

Reservatório 1

Bomba

Na Figura 52, se desprezarmos as perdas de carga na tubulação, a diferença de altura H entre os níveis dos dois reservatórios seria equivalente à AMT fornecida pela bomba. À medida que elevássemos o reservatório 2 (aumentando o H ou a AMT), a vazão da bomba seria reduzida. Existe uma altura, a partir da qual a bomba não mais conseguirá bombear, passando sua vazão a ser nula. Na Figura 50, o ponto de vazão nula mostrado corresponde a uma AMT de 90m. Esse valor é conhecido como AMT de vazão nula, ou, em inglês, como shutoff da bomba. Quando fechamos completamente a válvula de descarga de uma bomba centrífuga, estamos nessa condição. Notar que não definimos qual era o líquido quando falamos da curva AMT x vazão. Essa curva é válida para qualquer fluido (líquido ou gás), seja ele água, GLP, gasolina ou ar. A bomba representada pela curva da Figura PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

113

50, trabalhando com qualquer dos fluidos citados, para uma vazão de 90m3/h, forneceria 80 metros de AMT ou de MCL. Essa curva caracteriza a bomba, daí seu nome de curva característica. A exceção de seguir esta curva fica por conta dos líquidos com viscosidade alta que, por terem um atrito muito elevado, necessitam de fatores de correções, os quais

Pense e Anote

modificam a curva. A altura da coluna de líquido que a bomba fornece é igual para os fluidos citados, mas esta coluna representa uma pressão diferente para cada um deles em função da modificação do peso específico (ou densidade). FIGURA 53

AMT DE 80M FORNECIDA PELA BOMBA PARA A VAZÃO DE 90M3/H

P=


xH 10

P – kgf/cm2 g – gf/cm3 H–m

H = 80m

PI

PI

PI

PI

Fluido

Água fria

GLP

Gasolina

Ar

AMT ou H – m

80

80

80

80

1

0,5

0,75

0,0013

Peso espec.
– gf/cm/3 Pressão P – kgf/cm P=


xH

2

P=

1 x 80

= 8,0

10

P=

0,5 x 80

= 4,0

10

P=

0,75 x 80

= 6,0

10

P=

0,0013 x 80

= 0,01

10

10

A bomba da curva da Figura 50, com 90m3/h de vazão, teria AMT = 80m, que seria igual para os quatro fluidos: água, GLP, gasolina e ar. Desprezando a variação de velocidade entre a sucção e a descarga, ou seja, considerando toda a energia cedida sendo transformada em pressão, teríamos os valores mostrados na Figura 53. Como cada fluido possui um peso específico diferente, a coluna de líquido de 80m fornecida pela bomba corresponderá a um acréscimo de pressão diferente para cada um deles. No caso de estar bombeando água na vazão acima, o acréscimo de pressão seria de 8kgf/cm2. Bombeando GLP, daria 4,0kgf/cm2, e com gasolina daria 6,0kgf/cm2 de acréscimo. Se estivéssemos bombeando ar, daria apenas 0,01kgf/cm2, valor esse que seria tão baixo que nem seria notado no manômetro normal de uma bomba. 114

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

afastada da curva prevista. Assim, se o sistema tiver um medidor de vazão e com o uso de manômetros aferidos, um na sucção e outro na descarga, podemos fazer uma avaliação do seu estado. Não há necessidade de levantar toda a curva, basta um ponto. Quando não temos instrumento para indicar a vazão, ou ele não é confiável, é usual medir a pressão na condição de vazão nula (shutoff), ou seja, com a válvula de descarga fechada. Nesse tipo de teste, temos de tomar cuidado para evitar que o líquido no interior da bomba venha a aquecer e acabe vaporizando. Portanto, esse teste deve ser bem rápido. No caso de produtos com condições próximas da vaporização, não é aconselhável esse tipo de teste. FIGURA 54

PERDA DE AMT DEVIDO AO DESGASTE INTERNO DA BOMBA

AMT x vazão

AMT ou H – metros

Em boas condições Com desgaste

Modelo 3 x 2 x 8

Vazão – m 3 /h Dia = 200mm 3.550rpm

PROBLEMA 2

Uma bomba centrífuga, cuja curva característica de AMT está representada na Figura 50, bombeando gasolina (
= 0,75gf/cm3) com a vazão de 70m3/h, apresenta na sucção a pressão de 1,4kg/cm2 e na descarga, 7,8kgf/cm2. Avaliar se a bomba está em bom estado. Calculando a AMT pela equação 5, temos: EQUAÇÃO 5

AMT =

10 . (Pd – Ps)




=

10 . 7,8 – 1,4 = 85,3m 0,75

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

115

Pense e Anote

Quanto maior o desgaste da bomba, mais a curva de AMT x vazão fica

Pela Figura 50, entrando com a vazão de 70m3/h, encontramos 86m para AMT, valor bem próximo dos 85,3m verificados.

Pense e Anote

Logo, a bomba pode ser considerada em bom estado. PROBLEMA 3

Estimar a vazão de uma bomba cuja curva característica de AMT está representada na Figura 50. Considerar que ela se encontra em bom estado e bombeando um líquido com as pressões de 2,5kgf/cm2 na sucção e de 8,9kgf/cm2 na descarga. A densidade do líquido é de 0,8 e sua viscosidade é baixa. Sabemos que a densidade é igual ao peso específico quando expresso em gf/cm3 (
= 0,8 gf/cm3). Cálculo da AMT fornecida pela bomba: EQUAÇÃO 5

AMT =

10 X (Pd – Ps)




=

10 X (8,9 – 2,5) = 80m 0,8

Entrando na curva da Figura 50 com a AMT = 80m, obtemos a vazão Q = 90m3/h. A bomba em bom estado, nas condições dadas no problema, teria uma vazão de 90m3/h. Se estivesse desgastada, a vazão ficaria dependente das folgas dos anéis de desgaste, do estado do impelidor e da carcaça. Com o desgaste equivalente ao mostrado na Figura 54, para esta mesma AMT de 80m, a vazão seria reduzida de 90m3/h para 78m3/h.

Resumo Altura manométrica total (AMT) ou head ou carga ou metros de coluna de líquido (MCL) é a energia cedida pela bomba por unidade de peso. É expressa em metros ou pés. Para cada vazão, a bomba cede uma AMT, independente do líquido que esteja sendo bombeado. Com a mudança de líquido, a pressão de descarga é que irá variar.

116

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Podemos calcular a AMT, de forma simplificada, pela fórmula:

AMT =

10 X (Pd – Ps)




AMT em metros

Pd e Ps – Pressão de descarga e de sucção em kgf/cm2


– Peso específico em gf/cm3 ou densidade Uma bomba em boas condições terá seu ponto de trabalho sobre sua curva de AMT x vazão. Portanto, a AMT é um excelente método para avaliar se uma bomba está desgastada.

Cavitação, NPSH disponível e NPSH requerido Quando a vaporização do líquido no interior da bomba atinge uma certa intensidade, ocorre um forte ruído, como se ela estivesse bombeando pedras. A vibração da bomba fica elevada e os ponteiros dos manômetros de sucção e de descarga oscilam. A pressão de descarga e a vazão ficam prejudicadas. Os impelidores podem sofrer danos. Nos casos mais severos, a bomba pode perder a escorva e deixar de bombear. Esse tipo de problema quase sempre é diagnosticado como cavitação clássica da bomba, o que nem sempre é verdade. Como veremos, esses mesmos sintomas também podem ser decorrentes da recirculação interna ou da entrada de gases no líquido, cujos sintomas são bastante semelhantes. Entretanto, as soluções desses problemas são bem distintas. Quando a pressão de um líquido numa dada temperatura atinge a sua pressão de vapor, tem início a vaporização. Na Figura 55, temos um gráfico representando a pressão de vapor da água em função da temperatura. Os pontos situados acima da linha de equilíbrio, parte branca, estão na fase líquida e os abaixo, parte cinza, estão na fase vapor. Sobre a linha, temos as duas fases, líquido e vapor, convivendo em equilíbrio. Um líquido pode atingir a pressão de vapor mantendo-se a temperatura constante e reduzindo-se a pressão (1– 2). Podemos também manter a pressão constante e aumentar apenas a temperatura (1– 4), ou alterar a pressão e a temperatura simultaneamente (1– 3 ou 1– 5). A vaporização também pode ocorrer com a redução da temperatura, como mostrado em (1– 6). Numa bomba centrífuga até a entrada das pás do impelidor, o líquido ainda não recebeu energia, logo, ainda não aqueceu. Se vaporizar nessa região, será numa temperatura próxima da de sucção da bomba; portanto, deve ser pelo processo 1– 2 da Figura 55, em que só a queda de pressão contribui. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

117

FIGURA 55

CURVA DE PRESSÃO DE VAPOR D’ÁGUA

Pense e Anote

Pressão de vapor – kgf/cm 2 A

Pressão de vapor d’água

Líquido

Linha de equilíbrio

Vapor FI

Temperatura ( o C)

A pressão de vapor de um líquido é sempre expressa em valores de pressão absoluta: por exemplo, kgf/cm2A, barA, psia etc. Para sabermos se um líquido está na eminência de vaporizar, temos de comparar a pressão de vapor com a pressão absoluta do líquido e não com sua pressão manométrica. A pressão absoluta é obtida somando-se a pressão indicada pelo manômetro (pressão relativa ou manométrica) à pressão atmosférica local. Pabs = Pman + Patm local

Na Figura 38, vimos que existe uma perda de carga (queda de pressão) entre o flange da bomba e a entrada das pás do impelidor. Imediatamente antes das pás, temos a região de menor pressão. Então, caso ocorra vaporização por problema de pressão no interior da bomba, este é um dos locais mais prováveis. Para cada vazão, a bomba irá requerer uma energia mínima por unidade de peso do líquido bombeado no flange de sucção (pressão e velocidade) para evitar que a pressão interna do líquido caia abaixo da pressão de vapor, provocando a vaporização no seu interior. Essa energia no flange de sucção recebe o nome de NPSH requerido pela bomba. Os fabricantes, por meio de cálculos e de testes de bancada, fornecem a curva do NPSH requerido versus vazão, cujo formato é mostrado na Figura 56. O NPSH requerido é sempre determinado para água fria, expresso em metros de coluna d’água, e crescente com a vazão. Cabe notar que sua curva não se estende até a vazão nula, parando antes. Abaixo dessa vazão, passa 118

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote a predominar um outro fenômeno, chamado de recirculação interna, que será visto mais adiante. Portanto, não podemos extrapolar o valor do NPSH para vazões inferiores à fornecida pela curva do fabricante (Q1). Na realidade, nessa região, os valores de NPSH requeridos aumentam significativamente. Esses valores não são plotados pelos fabricantes por serem influenciados pelo sistema. FIGURA 56

CURVA DE NPSH REQUERIDO PELA BOMBA

NPSH disp

NPSH disp

Curva real

Curva do fabricante

Q1

Vazão

Q1

Vazão

O sistema no qual a bomba se encontra instalada irá disponibilizar para cada vazão uma energia no flange de sucção da bomba. Essa energia sob a forma de energia absoluta (com pressão absoluta e velocidade), disponibilizada no flange de sucção da bomba, acima da pressão de vapor, é denominada NPSH disponível. É sempre expresso em metros ou em pés de coluna de líquido bombeado.

NPSH vem de Net Positive Suction Head, que significa o valor da altura manométrica de sucção positiva líquida. O termo “net = líquida” corresponde à diferença entre a energia disponível e a da pressão de vapor. O termo “positiva” indica que essa diferença tem de ser positiva, senão o líquido vaporizará. O termo “líquida” é o mesmo que usamos para cargas quando falamos em peso bruto e peso líquido. O NPSH é equivalente a uma AMT head ou carga.

O NPSH disponível é função apenas do sistema no qual a bomba se encontra instalada. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

119

Por definição, o NPSH é calculado no flange de sucção da bomba com referência a um plano horizontal. No caso das bombas horizontais, o plano é o que passa pela linha de centro do impelidor. Nas bombas in-line e nas verticais, o plano é na linha de centro do flange de sucção.

Pense e Anote

O NPSH disponível pode ser calculado pela fórmula:

EQUAÇÃO 6

NPSH disp =

10 x (Ps + Patm – Pvap)




+

V S2 2g

+ hs

com EQUAÇÃO 4

Vs =

2,78 x Q 3,54 x Q = A Ds

Ps – Pressão manométrica no flange de sucção da bomba em kgf/cm2 Patm – Pressão atmosférica local em kgf/cm2 Pvap – Pressão de vapor do líquido em kgf/cm2A




– Peso específico do líquido em gf/cm3 (numericamente igual à densidade)

Vs Q A hs Ds

– Velocidade de escoamento do líquido em m/s – Vazão da bomba em m3/h – Área da seção interna da tubulação em cm2 – Correção da altura do manômetro em m – Diâmetro interno da linha de sucção em cm

Devido à dificuldade de medir a pressão no flange de sucção, em geral, ela é medida um pouco antes. A velocidade de escoamento deve ser calculada no mesmo ponto de medida de pressão. Considera-se que a perda de carga entre este ponto e o flange é desprezível.

120

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 57

CÁLCULO DO NPSH DISPONÍVEL

Ps

hs

Linha de centro Vs

A equação 6 de cálculo do NPSH disponível é composta por três parcelas de energia: Energia de pressão na sucção acima da pressão de vapor

10 x (Ps + Patm – Pvap)


Energia de velocidade na sucção VS2 2g

hs – É simplesmente uma correção da pressão de sucção, como se ela estivesse sendo medida na linha de centro que passa pelo impelidor (para bomba horizontal). Para uma mesma instalação, pela equação do NPSH disponível, equação 6, vemos que, ao variar a vazão, apenas dois itens serão alterados, a pressão de sucção e a velocidade de sucção. Os demais permanecem constantes. Quando aumentamos a vazão, aumentamos a velocidade de escoamento Vs na linha de sucção. O aumento da velocidade eleva a perda de carga entre o vaso de sucção e a bomba, reduzindo a pressão de sucção Ps. A perda de energia com a redução de Ps é maior do que o ganho com Vs. Portanto, o NPSH disponível cai com o aumento da vazão. Se colocarmos num gráfico os valores do NPSH disponível versus a vazão da bomba, teremos uma curva semelhante à mostrada na Figura 58. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

121

FIGURA 58

CURVA DE NPSH DISPONIBILIZADO PELO SISTEMA

Pense e Anote

NPSH disp

Perdas

Q1

Vazão

Ps hs

NPSH disp =

Ps + Patm – Pvap




+

V S2 2g

+ hs

Para uma bomba funcionar sem vaporizar o produto internamente, devemos ter sempre o NPSH disponível maior do que o NPSH requerido, para a vazão desejada. Quando ocorre a vaporização, temos como conseqüência a cavitação. Podemos saber a vazão máxima para trabalhar sem cavitar se plotarmos as curvas do NPSH requerido x vazão (Figura 56) e a de NPSH disponível x vazão (Figura 58) num mesmo gráfico (ver Figura 62). Para melhor compreender o que vem a ser o NPSH, vamos examinar como se comporta a pressão no interior de uma bomba centrífuga. Para tal utilizaremos a Figura 38. Vamos tornar a representar estas pressões no interior da bomba usando pressões absolutas (pressão manométrica + pressão atmosférica local) para que possamos comparar com a pressão de vapor, também mostrada no gráfico, que sempre é expressa desta forma. Todas as pressões desta figura estarão sob a forma de coluna de líquido. Se a pressão interna da bomba for sempre superior à pressão de vapor do líquido bombeado na temperatura de bombeamento, não teremos vaporização (Figura 58A – lado esquerdo). Ao contrário, se, em algum ponto do interior da bomba, tivermos uma pressão inferior à pressão de vapor, teremos a vaporização, que resultará na cavitação (Figura 58A – lado direito). 122

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

BOMBA OPERANDO SEM E COM VAPORIZAÇÃO

7

1

2

3 5 4

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Tubulação de sucção Flange de sucção Olhal do impelidor Entrada das pás Saída do impelidor Voluta Cone de saída

6

Bomba sem cavitação Pressão absoluta em coluna de líquido

Pdesc abs

Pabs Pvap

Regiões

Bomba com cavitação Pressão absoluta em coluna de líquido

Pabs Pvap

Pressão absoluta

a

Pdesc abs

b

Regiões

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

123

Pense e Anote

FIGURA 58A

Como já havíamos chamado a atenção, a região de menor pressão é a imediatamente antes das pás do impelidor, região 4. No ponto “a” (Figura

Pense e Anote

58A – lado direito) a pressão interna passa a ser menor do que a pressão de vapor, o que levará à vaporização do líquido. Logo após as pás, o líquido recebe energia do impelidor e a pressão interna aumenta, voltando a superar a pressão de vapor, ponto “b”. A partir deste ponto, o vapor retornará à fase líquida. No bombeamento com vaporização, quase sempre a vaporização é parcial, ou seja, só uma parte do líquido é vaporizada. Vários pontos da região 4 não terão a pressão inferior à pressão de vapor. Se a vaporização fosse total, a bomba ficaria completamente cheia de vapor, perderia a escorva e deixaria de bombear totalmente. Vejamos agora, de acordo com a Figura 59, montada a partir das Figuras 38 e 58A, como representaríamos na figura o NPSH disponível e o NPSH requerido. Nesta figura, reproduzimos as energias de pressão absoluta (pressão manométrica + atmosfética local) e de velocidade, já explicadas na Figura 38, e a energia total (energia de pressão + energia de velocidade) no flange de sucção (região 2), para uma determinada vazão. As energias estão representadas por colunas de líquido. NPSH requerido, para uma determinada vazão, por definição, é a energia mínima total (pressão + velocidade) por unidade de peso que temos de ter no flange de sucção da bomba para que não ocorra vaporização no seu interior. Dispondo desta energia mínima, nenhum ponto no interior da bomba estará com pressão abaixo da pressão de vapor. Como o ponto de menor pressão é o 4 (antes das pás), o NPSH requerido será a diferença entre a energia total na sucção (pressão + velocidade) e o valor da pressão nesse ponto. Podemos dizer também que o NPSH requerido para uma vazão é a soma da perda de carga entre o flange de sucção e o ponto 4 (P da Figura 59) com a energia de velocidade no flange de sucção (v2/2g). Para uma mesma vazão, se aumentarmos ou reduzirmos a pressão de sucção da bomba, a curva da pressão total subirá ou descerá paralelamente à indicada na figura, não alterando o valor do NPSH requerido, uma vez que a perda de carga P e a velocidade só dependem da vazão. O NPSH requerido é uma característica apenas da bomba. NPSH disponível por definição, para uma determinada vazão, é a energia total (de pressão + de velocidade) por unidade de peso que o sistema disponibiliza no flange de sucção da bomba acima da pressão de vapor (ver Figura 59). É uma característica do sistema no qual a bomba trabalha e da pressão de vapor do produto na temperatura de trabalho. Na Figura 59, estão representados dois casos. Do lado esquerdo, o NPSH disponível é maior do que o NPSH requerido. Nesse caso, nenhum ponto do interior da bomba fica com a pressão abaixo da de vapor; logo, não te124

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote mos vaporização. Do lado direito, o NPSH disponível é menor do que o requerido, permitindo então que a pressão na região 4 fique abaixo da pressão de vapor, o que levará à vaporização de parte do produto bombeado. FIGURA 59

CAVITAÇÃO, NPSH DISPONÍVEL E NPSH REQUERIDO PARA UMA DADA VAZÃO

7 Energia de pressão = 1

2

10 x Pabs

3 5 4

6

Energia de velocidade =




V2 2g

Energia em m Pabs – pman + Patm em kgf/cm2
– Peso específico em gf/cm3 ou densidade V – Velocidade média em m/s g – Aceleração da gravidade = 9,8 m/s2 no nível do mar

P = perda de carga entre pt2 e pt4

Bomba sem cavitação NPSH disp > NPSH req Pressão absoluta e velocidade em coluna de líquido

Energia total = Epres + Evel

Pressão absoluta

Pdesc abs

NPSH disp

v2 2g

NPSH req

Velocidade

Pabs P

Pvap

2

v 2g

Vsuc

Vdesc Regiões

Bomba com cavitação NPSH disp < NPSH req Pressão absoluta e velocidade em coluna de líquido

Energia total = Epres + Evel NPSH disp v2 2g

NPSH req

Pressão absoluta

Pdesc abs

Velocidade

Pabs Pvap

v2 2g

P

Vsuc

Vdesc Regiões

O líquido só irá vaporizar se a linha de pressão absoluta cair abaixo da pressão de vapor

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

125

A condição para que ocorra a vaporização é que o NPSH disponível seja menor do que o NPSH requerido. É o que dá origem à cavitação clássica. Uma pergunta que alguns se fazem: Por que a velocidade de escoamento do líquido entra no cálculo do NPSH disponível se um líquido para vapo-

Pense e Anote

rizar só depende de sua pressão estática? A resposta a esta pergunta está na Figura 59. O termo de velocidade no flange de sucção, v2/2g, na realidade, não influi; ele é matematicamente cancelado, uma vez que entra no NPSH requerido e no disponível. Para evitar a vaporização, o que nos interessa é a diferença entre os NPSHs. PROBLEMA 4

Uma bomba trabalhando ao nível do mar com a vazão de 60m3/h bombeia água a 70ºC (
água = 0,98gf/cm3). A pressão indicada no manômetro de sucção é negativa de 0,5kgf/cm2. O manômetro está 30cm acima da linha de centro do impelidor. A tubulação em que está situado o manômetro é de 4"sch 40. O fabricante informa que, para a vazão de 60m3/h, o NPSH requerido é 2,5m. Analisar se teremos vaporização do líquido no interior da bomba.

Dados: Ps = – 0,5kgf/cm2

NPSH requerido = 2,5m

h = 30cm = 0,30m

Patm = 1,033kgf/cm2 (nível do mar)


água = 0,98gf/cm3

NPSH disponível = ?

Q = 60m3/h T = 70ºC Tub = 4"sch 40

Para sabermos se haverá vaporização, devemos comparar o NPSH disponível com o NPSH requerido. Para determinação da pressão de vapor do líquido é desejável dispor de uma tabela. Podemos obter um valor aproximado pela Figura 25, na qual temos para água (linha 26) com 70ºC (Pvap = 0,3bar). (a pressão de vapor correta para água a 70ºC é 0,312barA). Na Tabela 15, temos também que: 1bar = 1,02kgf/cm2

Pv = 0,3barA x

1,02kgf/cm2 bar

= 0,306kgf/cm2 A

Da Tabela 18, com as dimensões de tubos, temos para 4"sch 40 (área = 82cm2). 126

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Cálculo da velocidade de escoamento EQUAÇÃO 4

Vs =

2,78 x Q A

=

2,78 x 60 82

= 2,03m/s

Cálculo do NPSH disponível EQUAÇÃO 6

NPSHdisp =

=

NPSHdisp =

10 x (Ps + Patm – Pvap)




+

Vs2 +h= 2g

10 x (– 0,5 + 1,033 – 0,306) 2,032 + 0,30 + 0,98 2 x 9,81

10 x 0,227 4,12 + + 0,30 = 2,27 + 0,21 + 0,30 = 2,78 ~ 2,8 m 1 19,62

O NPSH disponível = 2,8m está maior do que o NPSH requerido = 2,5m, indicando teoricamente que não haverá vaporização. Mas, como a margem de NPSH (NPSHdisp – NPSHreq) está muito pequena, apenas 0,30m, é possível que tenhamos problemas. Para bombeamento de água, seria interessante dispor de uma margem maior. A Figura 60 mostra as curvas de AMT x vazão de uma bomba operando normalmente no encontro de sua curva com a curva do sistema (ponto 1), que corresponde à vazão Q1 e AMT1. Se começasse a cavitar, dependendo da intensidade, passaria a trabalhar no ponto 2, por exemplo, com a vazão Q2 e AMT2. A bomba perdeu em vazão e em AMT devido às bolhas de vapor formadas no impelidor. A queda de AMT é abrupta, quando a cavitação é significativa. As normas utilizam essa queda de AMT para determinar o NPSH requerido, o qual pode ser determinado por meio do NPSH disponível. O API 610, que na parte hidráulica segue o Hydraulic Institute, define o valor do NPSH requerido para uma determinada vazão como o que leva a uma redução de 3% na AMT, bombeando água fria. Esse levantamento pode ser realizado em uma bancada de teste. Colocamos entre parênteses os dados correspondentes à Figura 61 para facilitar o entendimento das explicações. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

127

FIGURA 60

CURVA DE AMT X VAZÃO DE UMA BOMBA CAVITANDO

Pense e Anote

AMT  Curva Rend x Vazão cavitando na vazão Q2 Curva Rend x Vazão sem cavitação

Queda de AMT p/ vazão Q2

1 2

Curva do sistema

Curva AMT x Vazão sem cavitação Curva Rend x Vazão cavitando na vazão Q2

Q2

Q1

Vazão

Inicialmente, a bancada de teste é ajustada para a vazão na qual queremos calcular o NPSH (suponhamos 200m3/h) e com uma pressão de sucção que resulte num NPSH disponível alto (pt 1 = 9m), bem superior ao NPSH requerido esperado (em torno de 6m), ou seja, a bomba estará operando sem cavitar. Determina-se a AMT fornecida pela bomba para esta vazão (50m). Inicia-se então a redução do NPSH disponível (8m, 7m, 6m, 5,5m etc.). A cada redução, a vazão vai sendo ajustada para permanecer constante (200m3/h) e torna-se a medir a AMT (em torno de 50m). Os valores de AMT versus NPSH disponível podem ir sendo plotados em um gráfico. Com a redução gradativa do NPSH disponível, teremos um valor (NPSH disp=5,5m) em que a cavitação da bomba faz com que ela tenha uma perda acentuada da AMT (46m). Calculamos então a média das AMTs dos pontos medidos antes de a bomba iniciar a queda da AMT (no caso, os valores com NPSH disp > 6m – AMTmédia = 50m). Traçamos no gráfico uma linha com a queda de 3% desse valor médio da AMT [(3/100) x 50 =1,5m]. Determinamos o NPSH disponível (5,6m) como o correspondente ao ponto de encontro dessa linha com a curva traçada. O valor do NPSH disponível assim obtido é o NPSH requerido pela bomba testada na vazão de 200m3/h. Repetindo o teste para outras vazões, podemos traçar a curva de NPSH requerido versus vazão da bomba. 128

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 61

DETERMINAÇÃO DO NPSH REQUERIDO

Determinação do NPSH requerido p/ 200 m3/h AMT (m) Média AMT Pt 4

0,3 X 50 = 1,5

Pt 8

Pt 3

Pt 2

Pt 1

NPSH req

NPSH disponível (m)

EQUAÇÃO 6

NPSH disp =

10 x (Ps + Patm – Pvap)




+

V S2 2g

+ hs

Examinando a equação 6, podemos alterar, numa bancada de teste, o valor do NPSH disponível por meio de mudanças em Ps, Pvap ou
. A velocidade de sucção Vs está amarrada, uma vez que estamos testando o NPSH para uma vazão fixa. A pressão atmosférica e o valor da aceleração da gravidade são características do local onde se encontra a bancada. O hs é simplesmente a correção da cota do manômetro; portanto, sua altura não modificará o NPSH a ser calculado. Usualmente, a redução do NPSH disponível é realizada pela redução da pressão na sucção. As bancadas de teste utilizam três métodos: a

Restringindo a válvula de sucção.

b

Reduzindo o nível do reservatório de sucção.

c

Aumentando o vácuo no vaso de sucção (válido, somente, quando o teste é realizado em circuito fechado). Um outro modo de baixar o NPSH disponível seria aumentar a tempe-

ratura do líquido na sucção, o que elevaria a pressão de vapor Pvap e, conseqüentemente, reduziria o NPSH disponível. Variando a temperatura, modificaríamos, além da Pvap, o peso específico
do líquido. Esse método não é muito usado, prevalecendo o da redução de pressão na sucção. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

129

É interessante chamar a atenção para o fato de que, na determinação do NPSH requerido, a bomba já está perdendo em desempenho, ou seja,

Pense e Anote

3% de AMT. Logo, a bomba já está cavitando. Na realidade, o líquido começa a vaporizar bem antes, com um NPSH disponível acima do requerido, mas não notamos perda de desempenho. É o que chamamos de cavitação incipiente, a qual já pode estar causando danos ao impelidor. Isso acontece bastante no bombeamento de água fria. A conclusão é que, com o NPSHdisp = NPSHreq, a bomba já estará cavitando, embora com pequena intensidade. Por esse motivo, é sempre desejável manter uma margem de NPSH, que alguns definem como diferença (NPSHdisp – NPSHreq) e outros, como a relação (NPSHdisp/NPSHreq). Quanto maior o crescimento do volume do líquido ao vaporizar, maior deverá ser essa margem. A água fria é um dos piores produtos no que concerne a esse aspecto, como veremos adiante. Como na vaporização os produtos de petróleo crescem bem menos de volume do que a água, alguns estudos sugerem reduções para seus valores de NPSH requeridos. A norma API não aceita essas reduções, permanecendo os mesmos valores válidos para água. Colocando as curvas de NPSH disponível e do requerido num mesmo gráfico, Figura 62, vemos que o NPSH disponível no flange da bomba cai com o aumento de vazão, enquanto o NPSH requerido aumenta com a vazão. Logo, quanto maior a vazão, menor a margem de NPSH. O ponto de cruzamento das duas curvas fornece a vazão máxima teórica com que a bomba pode trabalhar sem cavitar. FIGURA 62

VAZÃO MÁXIMA EM FUNÇÃO DO NPSH

NPSH (m) NPSH requerido Característica da bomba

NPSH disponível Característica do sistema

Margem de NPSH

Vazão Q

Qmax

Ocorrendo a vaporização do líquido no interior da bomba, teremos a formação de bolhas de vapor. Elas se chocarão e crescerão de tamanho. Se a quantidade vaporizada de líquido for muito pequena, é provável que não notemos nenhum ruído, nem perda de desempenho da bomba. Por outro 130

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote lado, se a quantidade vaporizada for muito elevada, as bolhas formadas ocuparão o espaço que deveria ser do líquido, prejudicando sua passagem pelo impelidor, reduzindo o desempenho da bomba e fazendo com que a vazão e a pressão de descarga sejam prejudicadas ou até inviabilizadas. As bolhas de vapor formadas são impulsionadas pelo impelidor e também arrastadas pelo líquido, atingindo regiões com maior pressão (ver Figura 59). Ao atingir essas regiões, as bolhas entrarão em colapso, retornando à fase líquida. A pressão interna da bolha de vapor é a própria pressão de vapor. Quando a pressão externa for superior, ela retornará à fase líquida. O ruído e a vibração que ouvimos não são decorrentes da vaporização do líquido, mas sim do retorno do vapor à fase líquida. Esse retorno é denominado de implosão das bolhas (implosão é o oposto de explosão). Essa mudança súbita de fase gera ondas de choques que se transformam em vibração. FIGURA 63

IMPLOSÃO DAS BOLHAS DE VAPOR COM ARRANCAMENTO DO MATERIAL

Implosão das bolhas Pext

Pv

Pv

Bolha inicial

Início do colapso Microjato

Pv

Pv

Formação do microjato

Arrancamento de material

Quando as bolhas de vapor retornam à fase líquida, o volume ocupado pelo líquido é muito inferior ao do vapor. Instantaneamente, fica um vazio que será preenchido pelo líquido, criando um jato de líquido, conforme mostrado na Figura 63. Se estas bolhas estiverem no meio da corrente líquida, não acarretarão danos, mas se estiverem próximas das paredes metálicas da bomba, em face da não-existência de líquido junto às paredes para preencher a bolha, o jato será formado no sentido da parede, atingindo a superfície metálica com alta velocidade e pressão. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

131

Com a bomba operando na condição de cavitação, são formadas milhares e milhares de pequenas bolhas continuamente, que acabam implodindo. É como se tivéssemos um martelamento contínuo na superfície metálica, ocasionando fadiga do material com o posterior arrancamento

Pense e Anote

de partículas do metal.

Fadiga é o fenômeno da redução da resistência de um material devido a esforços repetitivos, como no caso de um arame que acaba partindo quando ficamos dobrando-o para um lado e para o outro seguidamente na mesma seção.

A região de implosão das bolhas costuma ser logo após o início das pás. Nessa região, o líquido já está recebendo energia do impelidor e, portanto, aumentando a pressão. Quando essa pressão ultrapassa a pressão de vapor, temos o colapso das bolhas. Na região da implosão, é que ocorre o arrancamento do material. Quando um líquido vaporiza, temos um aumento considerável de volume, e quando ele condensa, temos o inverso, uma redução considerável do volume. A seguir, mostramos uma tabela com o volume específico da água saturada e do vapor em equilíbrio para diversas temperaturas.

Volume específico é volume por unidade de massa. Na Tabela 23, mostramos quantos cm3 são necessários para formar a massa de uma grama do líquido ou do vapor.

TABELA 23

VOLUMES ESPECÍFICOS DA ÁGUA E DO VAPOR Temperatura (oC)

Água (a)cm3/g

Vapor (b) cm3/g

Aumento de volume b/a

40

1,0078

19.550,3

19.398

132

70

1,0225

5.045,4

4.934

100

1,0434

1.672,52

1.603

200

1,1568

127,1

110

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

tura de 200ºC terá seu volume aumentado em 110 vezes. Já na temperatura de 40ºC, o aumento será bem maior, chegando a 19.398 vezes. Por isso, quanto mais frio o líquido, maior a severidade do problema de cavitação. Os produtos de petróleo apresentam um aumento de volume bem inferior ao da água ao vaporizarem. Por isso, a cavitação é menos intensa comparativamente, o que não quer dizer que não resultem em danos consideráveis. A vaporização é uma transformação que necessita de calor para sua realização. No caso da vaporização no interior da bomba, esse calor é retirado do próprio líquido, fazendo com que ocorra um resfriamento nas proximidades do ponto em que houve a vaporização. A perda de temperatura reduz a pressão de vapor Pv, o que aumenta o NPSH disponível (ver Figura 55 e equação 6). Se não houvesse esse resfriamento, a intensidade da cavitação seria maior. O resfriamento causado pela passagem de um líquido para vapor fica evidente quando abrimos para a atmosfera um vent de uma linha contendo GLP. Nesse caso, a temperatura cai tanto que condensa a umidade do ar atmosférico, formando gelo. A cavitação gera vibração, forte ruído, oscilação dos manômetros de sucção e de descarga, perda de desempenho (vazão e pressão), além do desgaste da bomba, principalmente do impelidor, pelo arrancamento de partículas metálicas. Agora que entendemos o que ocorre no interior da bomba, podemos dizer que cavitação é o fenômeno de formação de bolhas de vapor por insuficiência de energia na sucção da bomba (NPSHdisp< NPSHreq), crescimento dessas bolhas e seu retorno à fase líquida (implosão), trazendo todos os inconvenientes já citados. Chamamos essa cavitação de clássica para não confundir com outras cavitações que podem ocorrer na bomba, como a decorrente da recirculação interna, que será vista a seguir. FIGURA 64

IMPELIDORES COM DESGASTE DEVIDO À CAVITAÇÃO

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

133

Pense e Anote

Pela Tabela 23, vemos que cada grama de água vaporizada na tempera-

O nome de cavitação vem de cavidade, que significa vazio. No caso das bombas, a cavitação se deve ao vazio formado na implosão das bolhas de vapor.

Pense e Anote

Resumo Temos dois NPSHs (Net Positive Suction Head) que são expressos em metros ou em pés. Um é o NPSH requerido: a energia mínima que a bomba necessita ter em seu flange de sucção para cada vazão. O outro é o NPSH disponível: a energia que o sistema disponibiliza no flange de sucção da bomba para cada vazão. Para que não haja cavitação, temos que ter NPSHdisp > NPSHreq. Cavitação é o fenômeno que ocorre quando temos a vaporização do líquido bombeado, o crescimento das bolhas e a sua implosão. O ruído e a vibração não são provenientes da vaporização, mas da implosão das bolhas. A cavitação causa um ruído acentuado, desgaste no impelidor, vibração, oscilação das pressões, perda de vazão e de pressão. O desgaste no impelidor é na parte visível da sucção, logo no início das pás. Esses mesmos fenômenos acontecem quando temos recirculação interna e entrada de gases na bomba. A principal solução para a cavitação é aumentar a pressão de sucção, ou seja, aumentar o NPSH disponível. O NPSH disponível pode ser calculado por: EQUAÇÃO 6

NPSHdisp =

10 x (Ps + Patm – Pvap)




+

VS2 2g

+ hs

EQUAÇÃO 4

Vs =

2,78 x Q

=

A

3,54 x Q D2

NPSHdisp em m Ps – Pressão de sucção kgf/cm2


– Peso específico em gf/cm3 ou densidade Patm – Pressão atmosférica em kgf/cm2 Pvap – Pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento em kgf/cm2A Vs – Velocidade de escoamento na sucção em m/s hs – Altura do manômetro em relação à linha de centro da bomba em m Q – Vazão em m3/h A – Área interna da tubulação em cm2 D – Diâmetro interno da tubulação de sucção

134

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

No item anterior, vimos que a cavitação, devido à formação e à implosão das bolhas, faz com que a bomba trabalhe com um ruído semelhante ao de bombear pedras, forte vibração, oscilação dos ponteiros dos manômetros e perda de vazão e de pressão. Na realidade existem três fenômenos que podem levar a esses sintomas: a cavitação clássica, a recirculação interna e a entrada de gases na sucção da bomba. Vamos entender como cada um deles ocorre. Já vimos o que é a cavitação clássica. Vamos entender agora o que vem a ser recirculação interna. Há algumas décadas, um fabricante de bombas preparou uma experiência nos Estados Unidos. Colocou uma bomba centrífuga numa bancada de teste e convidou diversos interessados e especialistas em bombas, inclusive concorrentes, para assistirem ao experimento. Para facilitar a observação, as tubulações de sucção e de descarga foram feitas de um material transparente chamado “plexiglass”. Na linha de sucção, afastado alguns metros do flange, foi colocado um pequeno tubo que permitia injetar o corante azul de metileno (ver esquema na Figura 65). A bomba foi colocada em operação com a válvula de descarga totalmente aberta. Era então injetado um pouco de corante, e podiam ser vistos os veios coloridos de azul passar pela tubulação de sucção, entrar na bomba e sair pela descarga, conforme era esperado. A vazão foi sendo reduzida em etapas, por meio do fechamento gradativo da válvula de descarga da bomba. Em cada uma destas etapas, era realizada uma pequena injeção de corante. Quando foi atingida uma determinada vazão, as pessoas que estavam assistindo ficaram perplexas. As linhas azuis do corante iam até o interior da bomba e voltavam vários metros na sucção, tornavam a entrar na bomba e a voltar diversas vezes. Os presentes ao experimento estavam, naquele momento, tendo a oportunidade de ver o que passou a ser conhecido como recirculação interna na sucção da bomba. FIGURA 65

TESTE DE RECIRCULAÇÃO INTERNA REALIZADO NUMA BANCADA DE TESTE

Tubo para ejeção de corante

Tubo transparente

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

135

Pense e Anote

Recirculação interna

Esse fenômeno é bem conhecido hoje em dia, mas ainda não é perfeitamente equacionado e só começou a aparecer com muita freqüência a

Pense e Anote

partir da década de 1970. Os projetistas das unidades, para economizar em tubulações e fundações, começaram a projetar os vasos e as torres em cotas mais baixas. Com isso, passaram a especificar bombas com NPSH disponíveis menores. Para atender a essa solicitação, os fabricantes passaram a projetar bombas com NPSH requerido menor. Um dos modos de fazer essa redução é aumentando a área do olhal do impelidor, reduzindo a velocidade e, conseqüentemente, a perda de carga na sua entrada (P da Figura 59). Os novos projetos das bombas passaram a utilizar impelidores com as velocidades específicas de sucção mais altas, o que eleva à vazão em que tem início a recirculação. As bombas passaram a ter uma faixa operacional muito mais estreita, chegando a vazão mínima a ser, em alguns casos, de apenas 75% a 80% do BEP.

Velocidade específica de sucção é um número adimensional que caracteriza o projeto da entrada do impelidor. É semelhante à velocidade específica da bomba que caracteriza o impelidor como um todo. Por conveniência, são usadas unidades que não se cancelam, sendo, portanto, necessário especificar quais estão sendo utilizadas.

N Q

NSS =

NPSHreq

NSS – Velocidade específica de sucção Em unidades americanas N → rpm

Q → gpm

NPSHreq → ft

Em unidades métricas N → rpm

136

PETROBRAS

Q → m3/h ou m3/s

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

NPSHreq → m

Pense e Anote Valem as mesmas observações usadas na velocidade específica da bomba, ou seja, os valores de Q e NPSHreq são os do BEP – Ponto de Máxima Eficiência com o impelidor de diâmetro máximo. Bombas de dupla sucção devem ter sua vazão dividida por dois. Existe um trabalho que mostra que as bombas projetadas com velocidades específicas menores do que 11 mil (unidades americanas) falham bem menos do que as projetadas acima desse número. Toda bomba centrífuga é projetada para trabalhar com uma vazão e AMT determinadas. É o BEP da bomba. Quando a bomba trabalha nessa vazão, seu rendimento é máximo. Nessa condição, o líquido entra alinhado com as pás do impelidor, tangenciando-as e causando o mínimo de turbulência. À medida que vamos reduzindo a vazão, o ângulo de incidência começa a ficar desfavorável (ver Figura 66). Se continuarmos reduzindo a vazão, atingiremos um ponto em que haverá descolamento do líquido da parede da pá do impelidor, criando um vazio, uma região de baixa pressão que, como vimos, proporciona a vaporização do líquido e também favorece a formação de vórtices (redemoinhos). As bolhas formadas pela vaporização deslocar-se-ão para regiões de maior pressão e retornarão à fase líquida (implosão), causando danos similares aos da cavitação clássica. FIGURA 66

RECIRCULAÇÃO INTERNA NA SUCÇÃO

Pá do impelidor

Ângulo de incidência no BEP

Underfilled Overfilled Vórtices

Ângulo de incidência com baixa vazão

Rotação D1

D2

Fluxo de recirculação na sucção

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

137

Os vórtices formados se propagarão para a sucção, ocasionando um fluxo contrário ao normal no interior da bomba. A recirculação, inicialmente, fica restrita à sucção da bomba, daí receber o nome de recirculação da sucção (ver Figura 66, lado direito).

Pense e Anote

Se a vazão continuar a cair, o fenômeno aumentará de intensidade, fazendo com que os vórtices atinjam a descarga da bomba, e, nesse caso, passaremos a ter a recirculação interna na descarga, também. FIGURA 67

VARIAÇÃO DA PRESSÃO DE SUCÇÃO E DA DESCARGA COM RECIRCULAÇÃO

Pressão Pressão de descarga

Pressão de sucção

Vazão

Recirculação na sucção e início de recirculação na descarga

A bomba centrífuga tem uma vazão abaixo da qual esse fenômeno de recirculação interna ocorrerá. Nas bombas de baixa energia (baixa potência e baixa AMT), a recirculação interna não causa grande preocupação, mas nas bombas de alta energia os danos podem ser severos. Existem diversas vazões mínimas numa bomba centrífuga. Nas folhas de dados mais antigas, com mais de 20 anos, geralmente, a vazão mínima citada era a vazão mínima térmica. Trabalhando com a vazão baixa, o rendimento da bomba é reduzido, ou seja, maior percentual da energia cedida pelo acionador irá virar calor, o que aumenta a temperatura do líquido, podendo fazer com que vaporize. 138

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

um pequeno acréscimo de temperatura pode levar à vaporização (ver Figura 55). As bombas de água de alimentação de caldeira estão nesse caso. Por isso, costumam possuir uma válvula de fluxo mínimo (Figura 128), ou ter uma linha dotada de orifício de restrição que interliga a descarga com o desaerador, garantindo assim uma vazão mínima para a bomba.

Pense e Anote

Nas bombas que trabalham próximo da linha de equilíbrio de fases,

Essa vazão mínima que evita a vaporização pelo aquecimento do líquido no interior da bomba recebe o nome de vazão mínima térmica. Recentemente, com o aumento da preocupação com a recirculação interna, as folhas de dados das bombas passaram a exigir do fabricante o fornecimento da vazão mínima de recirculação interna ou vazão mínima de operação estável, que costuma ser superior à vazão mínima térmica. A norma API 610 define a vazão mínima estável em função da vibração. É a menor vazão que a bomba pode operar sem ultrapassar o limite de vibração estipulado pela norma, que para bombas horizontais é de 3,9mm/s RMS (Figura 68). Isto não quer dizer que toda bomba que trabalhe com vibração acima desse nível esteja com problemas de recirculação interna, uma vez que desalinhamento e desbalanceamento, entre outros, também podem contribuir para a vibração da bomba. Nesse caso, a norma API está se referindo às vibrações de origem hidráulica, como é o caso da recirculação interna. Teoricamente, a menor vibração de origem hidráulica ocorre com a bomba trabalhando próxima da sua vazão de projeto (BEP – Ponto de Máxima Eficiência). Quanto mais afastada a vazão do BEP, seja para cima ou para baixo, mais desfavorável o ângulo de entrada do líquido no impelidor, provocando choques que tendem a aumentar a vibração (Figura 68). FIGURA 68

VAZÃO MÍNIMA DO API 610 EM FUNÇÃO DA VIBRAÇÃO

1. Região permitida de operação limitada pela 1

vibração

2. Região preferida de operação 70% a 120% do BEP 3. Vibração máxima permitida nos limites de fluxo 

2 AMT

3,9mm/s RMS

BEP

4. Limite de vibração para bomba horizontal Pot N2 > N3 D1 > D2 > D3

Na Figura 75, temos a curva do sistema e três curvas da bomba correspondentes a rotações ou diâmetros diferentes. O ponto de operação será no encontro da curva do sistema com a curva da bomba. Os pontos de operação seriam: 148

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote N1 ou D1 – Q = 95m3/h e AMT = 79m N2 ou D2 – Q = 84m3/h e AMT = 63m N3 ou D3 – Q = 72m3/h e AMT = 50m

Com a bomba em outras rotações ou com outros diâmetros, novos pontos de operação poderiam ser obtidos. Posteriormente, o assunto será abordado com maior profundidade. O uso da placa de orifício junto ao seu flange de descarga (Figura 76), permite fazer com que uma curva plana passe a ter uma inclinação, facilitando o controle por meio de válvula. A placa de orifício é usada em bombas de baixa potência. Como a perda de carga no orifício aumenta com a vazão, à medida que a vazão aumenta, a curva da bomba vai ficando mais afastada da curva original. O orifício também pode ser usado para ajustar a AMT (pressão) de uma bomba que a tenha em excesso e esteja trabalhando próximo do final da curva. Se cortarmos o impelidor nesse caso, a vazão poderá não ser atendida. FIGURA 76

MODIFICAÇÃO DO PONTO DE TRABALHO POR MEIO DE ORIFÍCIO RESTRIÇÃO NO FLANGE DE DESCARGA

AMT Sem orifício AMT2 Com orifício AMT1

Perda de carga devido ao orifício Curva do sistema

Q1

Q2

Q

O método de ajuste das pás do impelidor é aplicado em bombas de fluxo misto ou axial de grandes dimensões, e o ganho de energia compensa o custo desse sistema. Nesse caso, as pás do impelidor são pivotadas no cubo do impelidor de modo que podem ser ajustadas, modificando a curva da bomba. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

149

O controle por pré-rotação é realizado por pás guias móveis que ficam situadas na frente do impelidor. As pás do impelidor se mantêm fixas. É um sistema semelhante aos usados em compressores, sendo utilizado apenas em bombas de fluxo misto ou axial de elevadas vazões.

Pense e Anote

Esses sistemas de controle, ajuste de pás do impelidor e controle de pré-rotação, não são normalmente empregados em bombas de refinarias.

Ligando e desligando bombas que operem em paralelo ou em série Esse método é usado quando a variação de vazão é muito elevada, como ocorre em unidades de processo que variam bastante a carga, como no abastecimento de água de uma cidade (durante a noite o consumo cai bastante), ou em alguns sistemas de água de refrigeração. Nesse caso, em vez de usar bombas de grande capacidade, são utilizadas bombas menores que vão sendo colocadas ou retiradas de operação de acordo com a demanda. FIGURA 77

VARIAÇÃO DE VAZÃO LIGANDO E DESLIGANDO BOMBAS

AMT (m)

Sistema

1 Bomba

2 Bombas 3 Bombas

4 Bombas

No exemplo da Figura 77, poderíamos ter as seguintes vazões:

140m3/h – 1 bomba funcionando 265m3/h – 2 bombas funcionando 370m3/h – 3 bombas funcionando 460m3/h – 4 bombas funcionando

150

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Esse método é empregado em pequenas bombas de condensado. Ele usa o fato de a cavitação reduzir a vazão da bomba para controlar o nível da bota do condensador. FIGURA 78

CONTROLE DE CAPACIDADE POR CAVITAÇÃO

AMT Pontos de operação com cavitação

Pontos de operação sem cavitação

Curva do sistema NPSHdisp NPSHreq

NPSH completa cavitação

Condensador Válvula aberta Bota h

Como a pressão no condensador é normalmente uma pressão muito baixa (alto vácuo), o NPSH é crítico nesse tipo de aplicação. O NPSH disponível é praticamente o valor da cota “h” do nível da bota em relação à bomba (Figura 78). Para entender como funciona o sistema, vamos partir de uma situação em equilíbrio, ou seja, a quantidade de condensado que chega à bota é igual à que a bomba retira, o que garante o nível constante. Nessa situação, a bomba estaria operando, por exemplo, no ponto A com cerca de 92% da vazão máxima e com uma ligeira cavitação. Suponhamos que o consumo de vapor da turbina caia, chegando menos condensado na bota. Como inicialmente a bomba continua com a mesma vazão, o nível h começará a cair e o NPSH disponível vai ser reduzido, fazendo com que aumente a cavitação e, como conseqüência, caia a vazão da bomba até o nível voltar a equilibrar-se no ponto B, 75% da vazão. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

151

Pense e Anote

Controlando por cavitação

Caso ocorra o contrário, ou seja, um aumento do consumo de vapor na turbina, teremos mais condensado chegando à bota e elevando seu

Pense e Anote

nível. Com isso, aumenta o NPSH disponível, aumentando a vazão da bomba até que seja atingida uma outra vazão de equilíbrio correspondente ao ponto C. Para usar esse sistema, o material da bomba tem que ser apropriado para suportar a cavitação, e a energia cedida em cada estágio da bomba deve ser baixa, ou seja, inferior a 50m, para não potencializar os danos. A grande vantagem desse sistema é a sua simplicidade, não exigindo todo o aparato de uma malha de controle de instrumentação.

Conjugação de dois dos métodos anteriores Por exemplo: cortando o impelidor e usando uma válvula de controle na descarga. Embora tenhamos visto os métodos usualmente praticados para modificar o ponto de trabalho, devemos ter em mente que toda bomba centrífuga possui limitações de vazão, tanto de vazão máxima, quanto de vazão mínima.

Resumo A curva do sistema indica o quanto de energia o sistema exigirá para cada vazão. Essa energia é composta pela diferença de níveis entre o vaso de sucção e o de descarga, a diferença de pressão entre esses dois vasos e a perda de carga para a vazão em questão. A bomba sempre irá trabalhar no ponto de encontro de sua curva de AMT x vazão com a curva de AMT x vazão do sistema. O método mais usado na indústria para controle de vazão é a utilização de uma válvula de controle na linha de descarga. O mais econômico, do ponto de vista de consumo de energia, é por meio da variação de rotação.

Curvas características de bombas centrífugas As curvas características de uma bomba recebem esse nome por serem as curvas que caracterizam seu desempenho. 152

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

As curvas características são: Altura manométrica total (AMT) x vazão Potência x vazão Rendimento () x vazão NPSH requerido x vazão A curva de potência muda com o produto bombeado em função do peso específico. As outras curvas características independem do fluido, desde que a viscosidade do mesmo seja baixa. As curvas características são fornecidas pelos fabricantes das bombas. Quando a bomba é importante para o funcionamento da unidade, para ter certeza do seu desempenho, é comum pagar ao fabricante para levantar as curvas de cada bomba na bancada de teste. A exceção fica por conta da curva de NPSH requerido, que só é solicitada quando a diferença é pequena em relação ao NPSH disponível (normalmente quando inferior a 1metro).

Curva de AMT x vazão A altura manométrica total é também conhecida pelos nomes de carga da bomba, head (em inglês), ou MCL (metros de coluna de líquido). A AMT representa a energia cedida pela bomba por unidade de peso do líquido bombeado. FIGURA 79

CURVA TÍPICA DE AMT X VAZÃO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

AMT x vazão AMT ou H – metros

Vazão m 3 /h Modelo 3 x 2 x 8

dia 200mm

3.550rpm

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

153

Curva de rendimento x vazão Rendimento ou eficiência de uma bomba é a relação entre a potência que

Pense e Anote

ela fornece ao líquido e a potência recebida do acionador.

Rendimento

=

Potência fornecida ao líqudo Potência recebida do acionador

Por exemplo, a bomba está recebendo no seu eixo uma potência de 100hp. Se ela estiver cedendo ao líquido 60hp, seu rendimento será de 0,6 ou 60%. Nesse caso, os 40% restantes do rendimento, correspondentes a 40hp, estão sendo consumidos pelos atritos (dos mancais e do líquido), choques e mudanças de direção do líquido no interior da bomba. Toda essa perda de energia é transformada em calor. Parte desse calor aquece o líquido bombeado e outra parte é transmitida para a atmosfera. O rendimento da bomba é calculado com base na potência recebida pelo seu eixo, não importando a potência de placa do acionador. Na Figura 80, temos uma curva característica do rendimento de uma bomba centrífuga que mostra sua variação com a vazão. FIGURA 80

CURVA DE RENDIMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Rendimento x vazão Rendimento % BEP

Vazão m 3/h

O rendimento cresce com a vazão até um determinado ponto, passa por um valor máximo e começa a cair. Na curva mostrada, na figura acima, esse valor máximo de rendimento da bomba ocorre na vazão de 80m3/h. 154

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Tal ponto é o ponto de máxima eficiência, usualmente chamado de BEP – Ponto de Máxima Eficiência (best efficiency point) da bomba. A vazão do BEP é a vazão para a qual a bomba foi projetada. O rendimento é máximo porque o líquido entra no impelidor com o ângulo mais favorável em relação às pás, praticamente sem choques (ver Figura 66). Por esse motivo, as bombas apresentam valores menores de vibrações quando trabalham próximas desse ponto (ver Figura 68). A curva de rendimento é válida para qualquer líquido, desde que a viscosidade não seja alta. Sendo alta, deverá ser corrigida por meio de um fator apropriado (ver Figura 110).

Curva de potência x vazão Na Figura 81, temos uma curva característica de potência x vazão de uma bomba centrífuga. FIGURA 81

CURVA DE POTÊNCIA DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA

Potência x vazão Potência em hp

Vazão m 3/h Curva para água
1gf/cm 3

Modelo 3x2x8 3.550rpm

Nos catálogos gerais dos fabricantes, a curva fornecida é para água fria e necessita ser corrigida se o líquido tiver peso específico diferente. Nos catálogos próprios da bomba, a curva mostrada geralmente já está corrigida. Pela Figura 81, para a vazão de 90m3/h, temos que a potência consumida pela bomba é de 38hp. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

155

A potência consumida por uma bomba pode ser obtida pela fórmula:

EQU AÇÃO 7 EQUAÇÃO

Pense e Anote Pot =


.H.Q 274 

Pot – Potência em hp




– Peso específico em gf/cm3 ou densidade

H Q

– AMT em metros



– Rendimento

– Vazão em m3/h

Como vemos, a potência é diretamente proporcional ao peso específico
. Se ele cair pela metade, a potência cairá também pela metade. Como essa curva é feita para água (g = 1gf/cm3), para saber a potência consumida por outro líquido, basta multiplicar o valor achado para a curva para água pelo valor do peso específico ou densidade do novo líquido. Se o líquido for viscoso, H, Q e  sofrerão correções e, conseqüentemente, a potência mudará (Figura 110). PROBLEMA 5

Calcular a potência consumida por uma bomba que possui as curvas características de AMT e de rendimento, segundo as Figuras 79 e 80, bombeando água fria (
=1,0gf/cm3) na vazão de 90m3/h. Da Figura 79, temos para 90m3/h: AMT = H = 80m

Da Figura 80, temos para 90m3/h:

 = 70% = 0,70 De acordo com a equação 7, para água temos:

Pot =

156

PETROBRAS


.H.Q 274 

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

=

1 x 80 x 90 = 37,54hp 274 x 0,70

poderia ser lida diretamente a partir da vazão. Se nossa bomba estivesse trabalhando com GLP (
= 0,5gf/cm3) nessa mesma vazão, a única variável da fórmula que mudaria em relação à água seria o peso específico (já vimos que a AMT ou H não dependem do fluido). Portanto, a potência seria:

Para GLP

Pot =


.H.Q 274 

=

0,5 x 80 x 90 274 x 0,70

= 18,77hp

Como era esperado, devido ao peso específico (ou densidade) do GLP ser a metade do peso específico da água, a potência para GLP foi exatamente a metade da potência para água. Modificando o líquido bombeado e mantendo a mesma vazão, alteramos a potência e a pressão de descarga da bomba. Temos de tomar cuidado quando a bomba de um produto vai bombear outro, como no caso de lavagem de uma unidade, onde é comum o bombeio de água pelas bombas. Se a bomba tiver sido selecionada para um líquido leve e for trabalhar com água, que possui


= 1gf/cm3, a potência consumida para a

mesma vazão aumentará. O acréscimo de pressão fornecido pela bomba também aumentará. Portanto, temos de avaliar se os equipamentos existentes na descarga suportam essa nova pressão e se o motor da bomba está dimensionado para essa nova condição. No gráfico da Figura 81, note que a potência é crescente com a vazão, o que é próprio da bomba centrífuga radial. Mais adiante, veremos que isso não ocorre com as bombas axiais. A corrente de partida de um motor elétrico pode atingir até seis vezes a corrente nominal. Por esse motivo, devemos partir a bomba centrífuga, exigindo a menor potência possível do motor, ou seja, com a menor vazão, que corresponde à descarga fechada. Assim, teremos uma aceleração mais rápida, evitando que o motor fique submetido muito tempo a uma corrente alta, o que, além de encurtar a vida do enrolamento elétrico, pode levar à atuação do sistema de proteção, desarmando o motor. Existem alguns casos especiais de bombas com partida automática, que no projeto já são especificados motores dimensionados para partir a bomba centrífuga com a descarga aberta. Nessa situação, não há necessidade de preocupação com a partida no que se refere ao aspecto de corrente. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

157

Pense e Anote

Caso tenhamos a curva de potência, mostrada na Figura 81, a potência

Curva de NPSH requerido O NPSH requerido pela bomba é fornecido pelo fabricante. A curva mos-

Pense e Anote

tra a energia mínima requerida no flange de sucção da bomba para as diversas vazões, energia esta expressa sob a forma de metros ou de pés de coluna de líquido. Essa energia no flange de sucção deve ser tal que garanta que não ocorrerá a vaporização do líquido bombeado no ponto de menor pressão no interior da bomba (ver Figura 58A). O fabricante informa o NPSH requerido para a bomba trabalhando com água fria. Não há problema na comparação deste NPSH com o disponível, que é calculado para o líquido bombeado, uma vez que a pressão de vapor é subtraída (ver equação 6). FIGURA 82

CURVA CARACTERÍSTICA DE NPSH REQUERIDO X VAZÃO

NPSH x vazão NPSH req (m)

Vazão m 3/h

O NPSH disponível deve ser sempre maior do que o NPSH requerido. Caso contrário, teremos vaporização de produto no interior da bomba (cavitação). O NPSH requerido é sempre crescente com a vazão. PROBLEMA 6

Uma bomba cuja curva de NPSH requerido é representada pela Figura 82, instalada ao nível do mar, está bombeando álcool etílico na vazão de 80m 3/h e na temperatura de 55ºC (
= 0,76gf/cm3). A pressão de sucção é de – 0,50kg/cm 2M (pressão negativa) medida com um manovacuômetro colocado a 20cm acima da linha de centro. A linha de sucção, onde foi medida a pressão, é de 4”sch 40. Avaliar essa bomba quanto à cavitação. 158

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 83

CÁLCULO DE NPSH DISPONÍVEL

Medidor de vazão FI

Dados Pd

Fluido: álcool etílico Q = 80m3 /h T = 55oC Ps = –0,5kgf/cm 2M hs = 0,20m Patm = 1,033kgf/cm2
= 076gf/cm3

Vd

Ps hs L.C. Vs 4”sch 40

Inicialmente, vamos calcular a velocidade no local do manômetro e obter a pressão de vapor do líquido na temperatura de bombeamento. Com esses dados e a pressão de sucção, podemos calcular o NPSH disponível. Da tabela de tubos (Tabela 18), temos:

Área interna do tubo D= 4"sch 40 Ai = 82,1cm2

Velocidade no local do manômetro: EQUAÇÃO 4

Vs =

2,78 x Q 2,78 x 80 = = 2,7m/s As 82,1

Pressão de vapor:

Figura 25 Álcool etílico a 55ºC (curva 2) Pvap = 0,35barA

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

159

Da Tabela 15, temos que 1 bar = 1,02kgf/cm2. 1 bar = 1,02kgf/cm2

Pense e Anote

1,02kgf/cm 2 = 0,357kgf/cm2 A ~ 0,36kgf/cm2 A bar

Pvap = 0,35barA x

Usando a equação 6, podemos calcular o NPSH disponível:

NPSHdisp =

=

10 x (Ps + Patm – Pvapor)




+

Vs2 2g

+ hs =

2,72 10 x (– 0,5 + 1,033 – 0,36) + + 0,20 = 2 x 9,8 0,76

= 2,31 + 0,37 + 0,20 = 2,88 ⬵ 2,9m

Para a vazão de 80m3/h, a Figura 82 fornece um NPSH requerido de 3m. Como o NPSH disponível é de 2,9m, temos o NPSHdisp rpm1

AMT 2 x Q

C1

AMT1 x Q

Q (m 3/h)

PROBLEMA 8

Sabendo que a curva de AMT de uma bomba centrífuga gira a 3.550rpm e está representada na Figura 88, traçar a curva de AMT para a rotação de 3.000rpm. FIGURA 88

CURVA DE AMT X VAZÃO

AMT ou H – metros

Vazão m 3/h Modelo 3 x 2 x 8

dia 200mm

3.550rpm

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

167

Temos: N1= 3.550rpm

Pense e Anote

N2 = 3.000rpm

Vamos obter da curva da Figura 88 as AMTs para 4 pontos de vazões diferentes: TABELA 24

PONTOS DA CURVA DE AMT X VAZÃO Ponto

Vazão – m3/h

AMT – m

1

0

90

2

60

86

3

80

83

4

110

72

Aplicando a equação 9 nos pontos da Tabela 24, teremos: Ponto 4 para 3.000rpm: Q2 Q1

=

N2 N1

⬖

Q2 100

=

3.000 ⬖ 110 x 3.000 Q2 = = 93,0 3.550 3.550

e AMT2 AMT1

=

2

( ) N2 N1

⬖

AMT2 72

2

=

( ) 3.000 3.550

⬖ AMT2 = 72 x 0,8452 = 51,4

Repetindo estes cálculos para os pontos 1, 2 e 3, teremos: TABELA 25

PONTOS DE TRABALHO PARA DIFERENTES ROTAÇÕES N1 = 3.550rpm

N2 = 3.000rpm

Ponto

Q1

AMT 1

Q2

AMT 2

1

0

90

0,0

64,3

2

60

87

50,7

62,1

3

80

83

67,6

59,3

4

110

74

93,0

52,4

Plotando os pontos em um gráfico, obtemos a curva para a rotação em questão. 168

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 89

CURVAS AMT X VAZÃO PARA DIVERSAS ROTAÇÕES

AMT (m) Pt 1

Pt1’

N 1 = 3.550rpm

N2 = 3.000rpm

Pt 2

Sistema

Pt 3

Pt 4 Pt2’ Pt3’ Pt 4’

m 3/h

Os novos pontos de operação serão sempre no encontro das novas curvas de AMT da bomba com a curva de AMT do sistema. Se a curva do sistema fosse igual à mostrada na Figura 89, os pontos de operação seriam:

Pt A

N1 = 3.550rpm

Q1 = 98m3/h

AMT1 = 77m

Pt B

N2 = 3.000rpm

Q2 = 80m3/h

AMT2 = 55m

O controle da vazão pela variação da rotação é o melhor método do ponto de vista da economia de energia. Do mesmo modo que calculamos a curva para 3.000rpm, podemos calcular para diversas rotações e plotá-las num mesmo gráfico.

Resumo A variação com a rotação N é dada por: EQUAÇÃO 8

Q2 Q1

=

N2

AMT2

N1

AMT1

=

2

( ) N2 N1

Pot2 Pot1

PETROBRAS

=

3

( ) N2

NPSHreq2

N1

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

NPSHreq1

169

=

2

() N2 N1

Forças radiais e axiais no impelidor Sempre que uma pressão atua numa área, o resultado é uma força.

Pense e Anote

Como as áreas do impelidor de uma bomba ficam submetidas a diferentes pressões, serão criados esforços, tanto no sentido radial quanto axial. Os mancais é que são os responsáveis por absorver estes esforços.

Esforços radiais As bombas que possuem voluta simples, quando trabalham na sua vazão de projeto (BEP), possuem ao longo de toda a voluta aproximadamente a mesma pressão (ver Figura 90). Com isso, as forças radiais que atuam na largura do impelidor se cancelam e a resultante radial é praticamente nula. À medida que reduzimos ou aumentamos a vazão, a pressão ao longo do impelidor já não será constante e, quanto mais nos afastamos do ponto de projeto, maior a resultante da força radial. Quanto maior essa força, mais o eixo irá fletir, facilitando a ocorrência de roçamentos internos e de vibrações. FIGURA 90

ESFORÇO RADIAL COM VOLUTA SIMPLES

Força radial

Vazão Vazão de projeto

Vazão diferente da de projeto

Vazão de projeto

Quando é utilizada a dupla voluta, temos uma resultante para cada voluta. Como elas são aproximadamente iguais, as resultantes também serão parecidas. Devido à oposição das volutas (ver Figura 91), a tendência é cancelar essas resultantes, mesmo que a bomba venha a operar fora do ponto de projeto. Por isso, a força resultante final é pequena em qualquer faixa de vazão. Na Figura 91, é mostrado um gráfico comparativo dos esforços radiais em função do tipo da carcaça. 170

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 91

ESFORÇO RADIAL COM DUPLA VOLUTA

Fr

Carga radial BEP Concêntrica Simples voluta Dupla voluta Vazão

Fr

As bombas de menor porte, até 4 polegadas de flange de descarga, são quase sempre de simples voluta. Somente a partir de 6 polegadas na descarga, é que os fabricantes passam a oferecer bombas projetadas com dupla voluta. Embora existam bombas de simples voluta com bons projetos de mancais, havendo opção entre os dois tipos, as bombas de dupla voluta devem ser tecnicamente preferidas devido ao seu menor esforço radial. O uso de difusor em vez da voluta também anula os esforços radiais, uma vez que a pressão em volta do impelidor passa a ser sempre igual.

Esforços axiais A Figura 92, correspondente a um impelidor em balanço, mostra as áreas e as pressões que nelas atuam, resultando em forças axiais. FIGURA 92

FORÇA AXIAL NO IMPELIDOR SEM ANEL DE DESGASTE Fa Pvol

P1 = P2 = P 3 = P 4

Pvol

Somente no BEP

Cancela

Psuc

Cancela Pvol

Pvol

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

171

Na parte externa ao olhal do impelidor, reina a pressão da voluta tanto na parte traseira quanto na dianteira. As forças geradas nessa área tendem a cancelar-se devido ao fato de a pressão ser a mesma de ambos os lados. Na

Pense e Anote

área do olhal, de um lado temos a pressão de sucção e, do outro, a pressão da voluta. Em bombas com impelidor em balanço, a área traseira é menor devido ao eixo. As diferenças de área, com as pressões atuando sobre elas, geram uma resultante axial que terá de ser suportada pelo mancal de escora. O contato do líquido contra os discos do impelidor girando tende a expulsá-lo para a periferia, o que leva à redução da pressão à medida que se aproxima do eixo. A pressão ao longo da voluta só é homogênea na vazão de projeto da bomba. Fora dessa vazão, a pressão é diferente em cada ponto. Para reduzir o esforço axial podem ser usados: ANEL DE DESGASTE TRASEIRO COM FURO DE BALANCEAMENTO NO IMPELIDOR FIGURA 93

ESFORÇO AXIAL EM UM IMPELIDOR DE SIMPLES SUCÇÃO EM BALANÇO

A1 = A2 = A3 = A4 =

 d1 2 4

(D2 – d12) 4

(d32 – d22) 4 (D2 – d32) 4

F1 = Ps x A1 F2 = Pvol x A2 F3 = Ps x A3

Fa

Pvol A2

F2 A1 Ps

F3

A4 A3 Ps

F1 d2 d3 D

D d1 F3

F4 = Pvol x A4 A2

Fa = F1 + F2 – F3 – F4

Pvol F4

F2 Pvol

A3 Ps

F4

A4 Pvol

A Figura 93 mostra as áreas de um impelidor de simples sucção e as pressões que atuam sobre elas. Na parte frontal do impelidor, temos a área interna ao anel de desgaste (A1), na qual atua a pressão de sucção (Ps), e a área externa ao anel de desgaste (A2), em que atua a pressão da voluta (Pvol). Na parte posterior do impelidor, a área compreendida entre o eixo e o anel de desgaste traseiro (A3) fica submetida a uma pressão próxima da de sucção

(Ps) e, na área externa ao anel de desgaste (A4), atua a pressão da voluta (Pvol). As pressões que atuam nessas áreas gerarão quatro forças, duas num sentido (F1 e F2) e duas no sentido inverso (F3 e F4). A resultante delas será a força axial que o mancal de escora terá de suportar. 172

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote O cálculo da força axial é complexo por não sabermos exatamente qual a pressão reinante em cada ponto dos discos do impelidor (pressão da voluta), conforme comentado anteriormente. Mesmo a pressão na parte interna do anel de desgaste traseiro não é igual à de sucção, é ligeiramente superior. Dependendo da vazão, a AMT se modifica e, conseqüentemente, a pressão da voluta é alterada, podendo modificar o sentido dos esforços axiais. Daí a necessidade de usar mancais de escora em ambas as direções. Bombas que trabalham com alta pressão de sucção costumam ter esforços axiais elevados. Os fabricantes costumam limitar a pressão máxima de sucção. Alguns projetos de bombas permitem o uso de três rolamentos, ficando dois em série, no sentido da resultante da carga axial, conforme pode ser visto na parte inferior da Figura 41. Bombas de alta pressão na sucção são candidatas a esse arranjo. O anel de desgaste na parte traseira do impelidor, conforme mostrado na Figura 93, é uma das formas de reduzir o esforço axial. Variando seu diâmetro, podemos alterar a resultante da força axial. PÁS TRASEIRAS NO IMPELIDOR As pás traseiras ou pás de bombeamento bombeiam o líquido da parte de trás do impelidor, reduzindo a pressão nesta região e, conseqüentemente, o esforço axial. O API 610 não permite que a redução de pressão pela ação das pás traseiras seja considerada no dimensionamento dos mancais. FIGURA 94

IMPELIDOR COM PÁS TRASEIRAS

Pás traseiras do impelidor Pvol

Pvol

Psuc

Redução de pressão devido às pás traseiras

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

173

IMPELIDORES MONTADOS EM OPOSIÇÃO Quando temos bombas multiestágios, cada impelidor gera um empuxo axial no mesmo sentido. Se os impelidores forem instalados em série, os esforços serão somados, resultando uma força considerável, a qual pode-

Pense e Anote

rá sobrecarregar o mancal. Para atenuar essa força axial, uma das soluções é inverter o sentido de metade dos impelidores. FIGURA 95

IMPELIDORES EM OPOSIÇÃO CANCELANDO O ESFORÇO AXIAL

F

F

F

F

F

F

Essa solução implica interligar o fluxo que sai do meio da bomba com a outra extremidade, tornando mais complexa a fundição da carcaça. TAMBOR DE BALANCEAMENTO FIGURA 96

EQUILÍBRIO AXIAL COM TAMBOR DE BALANCEAMENTO

Para sucção

Câmara de balanceamento (pressão primária da sucção)

Bucha do tambor

F

F

F

F

Pressão da descarga

174

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

F1

Tambor de balanceamento

bucha externa com folga bem justa. Temos sempre um vazamento da descarga para a câmara de balanceamento por essa folga. Como a câmara de balanceamento é ligada por uma linha à sucção da bomba, a pressão reinante nela fica próxima da de sucção. Assim, o tambor de balanceamento terá, de um lado, a pressão de descarga e, do outro, a pressão de sucção, gerando uma força axial, Ft, que é oposta às geradas pelos impelidores, reduzindo, dessa forma, o esforço a axial. DISCO DE BALANCEAMENTO Essa solução é semelhante à do tambor, só que, neste caso, é utilizado um disco com esse propósito. O líquido, sob a pressão de descarga, após o último impelidor, passa através de uma pequena folga axial, indo para uma câmara de balanceamento. Dessa câmara, sai uma linha para a sucção da bomba com um orifício de restrição. Por meio desse arranjo, a câmara de balanceamento mantém com uma pressão intermediária entre a pressão de sucção e a de descarga. O disco de balanceamento fica submetido, de um lado, à pressão de descarga e, do outro, à pressão da câmara de balanceamento. Essa diferença de pressões nos lados do disco gera uma força axial que se opõe à soma das forças geradas pelos impelidores, reduzindo significativamente o esforço axial. FIGURA 97

BALANCEAMENTO AXIAL POR MEIO DE DISCO

Orifício de restrição Câmara de balanceamento (pressão intermediária)

Recirculação para sucção

Folga axial Pressão de descarga

F imp

F disco

Disco de balanceamento

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

175

Pense e Anote

Com esse método, os impelidores são mantidos em série, sendo colocado um tambor de balanceamento após o último impelidor com uma

Vejamos como trabalha o disco. Devido à diferença de pressão e de áreas, o disco sempre irá gerar uma força no sentido da sucção para a

Pense e Anote

descarga. Suponhamos que o sistema esteja funcionando em equilíbrio. Num dado momento, ocorreu um aumento do esforço axial dos impelidores, deslocando o conjunto rotativo no sentido de reduzir a folga axial do disco. A passagem do líquido para a câmara de balanceamento será reduzida, caindo a pressão intermediária dessa câmara. Isso elevará a força de compensação do disco, restaurando a posição do conjunto rotativo. Ocorrendo o deslocamento do conjunto no sentido de aumentar a folga axial, a pressão da câmara aumentará, reduzindo a força de compensação do disco e retornando o conjunto ao equilíbrio. Para cada força gerada pelos impelidores, teremos uma folga axial no disco de escora, que a compensará. É fácil notar que, para esta solução funcionar, os mancais devem permitir a movimentação axial do eixo, o que não ocorre quando são utilizados mancais de rolamentos. Portanto, essa solução só é aplicada em bombas com mancais de deslizamento na escora. DISCO E TAMBOR DE BALANCEAMENTO CONJUGADOS Essa solução só é aplicada em bombas com vários impelidores em série e também exige, a exemplo do disco de balanceamento, a utilização de mancais de deslizamento. FIGURA 98

DISCO E TAMBOR DE BALANCEAMENTO

Orifício de restrição Para sucção Bucha Câmara de balanceamento Disco e tambor de balanceamento

F imp

F imp

F disco / tambor

Câmara intermediária

Temos, após o último impelidor, um tambor de balanceamento, seguido de um disco de balanceamento. Essa solução é uma soma das duas anteriores. 176

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

os mancais, bombas BB, o empuxo axial tenderá a compensar-se, ficando a resultante praticamente nula. Se esse impelidor for instalado em balanço, teremos o empuxo axial devido à não-compensação da área do eixo.

Resumo Quanto mais nos afastamos da vazão de projeto, maior o esforço radial numa bomba de simples voluta. Na de dupla voluta, os esforços são menores e não variam tanto com o afastamento da vazão de projeto. Nas bombas com difusor, o esforço radial é sempre compensado. Axialmente, os esforços podem ser reduzidos por: Anel de desgaste traseiro com furos de balanceamento. Pás traseiras. Impelidores montados em oposição. Tambor de balanceamento. Disco de balanceamento. Misto (tambor e disco de balanceamento).

Bombas operando em paralelo A operação de duas ou mais bombas em paralelo objetiva, normalmente, o aumento de vazão. É comum ouvir afirmações de que a vazão de duas bombas operando em paralelo é o dobro da que teríamos com apenas uma bomba em operação. Como veremos a seguir, isso não ocorre. Na Figura 99, temos um esquema de duas bombas operando em paralelo (bombas A e B). É usual nesse tipo de operação a existência de uma válvula de retenção na descarga de cada bomba, evitando que ela venha a girar ao contrário. Sempre que existir a possibilidade de ocorrer um fluxo reverso pela bomba, há necessidade do uso de uma válvula de retenção. As pressões nos pontos X e Y são iguais para as duas bombas. Podemos afirmar que as AMTs das duas bombas serão sempre iguais, desde que as perdas de carga nos ramais das bombas sejam também iguais. Para qualquer AMT, cada bomba irá contribuir com a sua vazão correspondente. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

177

Pense e Anote

Quando o impelidor da bomba é de dupla sucção e está instalado entre

FIGURA 99

ESQUEMA DE BOMBAS EM PARALELO

Pense e Anote

Para obter a curva das bombas operando em paralelo, basta somar as vazões delas para cada AMT. Vejamos na Figura 100 a obtenção da curva para esse tipo de operação. Escolhemos três AMTs e marcamos as vazões

“a”, “b” e “c”. Dobramos esses valores e passamos uma linha pelos novos pontos para obter a curva correspondente às duas bombas operando em paralelo. Se fossem três bombas em paralelo, marcaríamos três vezes o valor de “a”, de “b” e de “c”. Para quatro bombas, marcaríamos quatro vezes e assim sucessivamente para qualquer número de bombas. FIGURA 100

CURVA DE OPERAÇÃO EM PARALELO

AMT – m

a

a

a

b

Curva do sistema b

c

b

c 1 Bomba

c 2 Bombas

3 Bombas Vazão m 3/h

178

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote O ponto de trabalho, como sempre, será na intercessão da curva da bomba com a do sistema. Na Figura 100, a curva do sistema interceptará a curva para uma bomba na vazão de 28m3/h. Portanto, quando tivermos apenas uma bomba operando, a vazão será esta. Se duas bombas estiverem operando, o ponto de operação será de 52m3/h, cada bomba contribuindo com 26m3/h. Com três bombas em paralelo, a vazão seria de 66m3/h, ou seja, cada uma contribuindo com 22m3/h. A vazão com duas bombas em operação só seria o dobro se a curva do sistema fosse uma reta paralela ao eixo da vazão, o que na prática não ocorre devido à perda de carga crescente que as tubulações apresentam com o aumento de vazão. Quanto mais vertical a curva do sistema, ou seja, com maior perda de carga na linha, menor o aumento de vazão ao acrescentar bombas em paralelo, conforme pode ser visto na Figura 101. FIGURA 101

VARIAÇÃO DA VAZÃO COM DIFERENTES CURVAS DO SISTEMA

AMT – m Curva do sistema 2

Curva do sistema 1

1 Bomba

2 Bombas

3 Bombas Vazão m3 /h

Com a curva do sistema 2, a vazão com uma bomba seria de 25m3/h, com duas, seria de 37m3/h, e com três bombas, seria de 43m3/h. A operação da terceira bomba só acrescentaria 6m3/h de vazão ao conjunto. Se as curvas das bombas forem diferentes, como no caso de bombas de modelos distintos, ou se uma delas estiver desgastada, o que resultaria em um baixo desempenho, a bomba em melhor estado vai absorver uma vazão maior, conforme pode ser visto na Figura 102. Para obtenção dessa curva, marcamos em ambas curvas as AMTs para 150, 120, 90 e 60m e determinamos as respectivas vazões a1, a2, a3 e a4 para a bomba A e as vazões b1, b2, b3 e b4 (b1=0). Acima de 150m de AMT, apenas a bomba A terá vazão. A bomba B, mesmo no seu shutoff, não tem PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

179

como vencer a pressão de descarga da bomba A nessa região da curva. Abaixo de 150m de AMT, as duas bombas começam a trabalhar juntas. A Figura 102C mostra a soma das vazões das bombas A e B em paralelo. FIGURA 102

Pense e Anote

DUAS BOMBAS COM CURVAS DIFERENTES OPERANDO EM PARALELO

A

Bomba A

B

Bomba B

C

Bomba A + B

D

Bomba A + B + sistema A+B PtC

Pt1 A

PtD

180

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pt2

B

Pt3

de 36m3/h. A bomba B, também operando isoladamente, no ponto Pt2 com 33m3/h. As duas, operando em paralelo, no ponto Pt3 com 54m3/h. Nessa condição, a bomba A estaria contribuindo com 30m3/h (ponto C)e a bomba B com 24m3/h (ponto D). A pressão de descarga (AMT) da operação em paralelo é superior à pressão de cada bomba individualmente. Pela Figura 102, se a vazão das duas bombas operando em paralelo caísse para menos de 23m3/h, apenas a bomba A teria vazão.

Nesse caso, a bomba B ficaria operando em shutoff!!!

Para saber a contribuição da vazão de cada bomba quando estiverem operando em paralelo, basta conhecer a AMT dessa condição de operação. No caso da Figura 102 é de ~105m. Com esse valor de AMT, basta verificar na curva de cada bomba qual a vazão correspondente.

Devemos evitar o uso em paralelo de bombas que possuam os seguintes tipos de curvas: BOMB AS COM CUR VAS DIFERENTES BOMBAS CURV Pela Figura 102D podemos ver que a divisão de vazão é desigual e, dependendo da vazão total, uma das bombas pode ficar trabalhando com vazão nula ou com uma vazão muito baixa. BOMBAS COM CURVAS ASCENDENTES E DESCENDENTES (CURVAS INSTÁVEIS) Acompanhar pelas Figuras 103A e 99. Essas curvas passam por um valor máximo de AMT. Suponhamos que a bomba A esteja operando perto da AMT máxima (inferior a 30 m3/h). A sua pressão de descarga estará atuando externamente na válvula de retenção da bomba B (ver). Se partimos a bomba B, ao atingir sua rotação final, ela estará inicialmente com a pressão de shutoff, que é inferior à pressão da bomba A. Portanto, a PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

181

Pense e Anote

Supondo que a curva do sistema seja a mostrada na Figura 102D, a bomba A, operando isoladamente, trabalharia no ponto Pt1 com a vazão

válvula de retenção da bomba B não abrirá, funcionando o sistema apenas com a bomba A.

Pense e Anote

CURVAS PLANAS Acompanhar pela Figura 103B. Se uma das bombas estiver desgastada (bomba B mostrada), vai operar com vazão baixa ou até não bombear nada, trabalhando no shutoff. No caso mostrado, abaixo de 40m3/h de vazão, somente a bomba A irá contribuir no bombeamento. A bomba

B ficaria trabalhando no shutoff. A curva ideal de bombas para trabalho em paralelo é a que tem um caimento razoável e seja ascendente. FIGURA 103

CURVA DE AMT ASCENDENTE/DESCENDENTE E CURVAS PLANAS

CURVA ASCENDENTE/DESCENDENTE

A

AMT – m

Vazão m 3/h

CURVAS PLANAS

B

AMT – m A B

Vazão m 3/h

Caso seja necessário operar bombas de curvas planas em paralelo, um dos recursos que pode ser usado é o de utilizar um impelidor um pouco maior do que o necessário e colocar um orifício de restrição na descarga da bomba. O orifício irá gerar uma perda de carga crescente com a vazão. Com isso, a curva da bomba ficará inclinada (ver Figura 104). Do ponto de vista de gasto de energia esta solução não é boa. Por isto só é aplicada em bombas de pequena potência. 182

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 104

CURVA DA BOMBA COM ORIFÍCIO DE RESTRIÇÃO AMT (m) Curva sem orifício hs1 Curva com orifício

hs2 hs3

Vazão m 3/h

Placa de orifício

Resumo Para obtenção da curva de duas ou mais bombas em paralelo, basta somar as vazões correspondentes às mesmas alturas manométricas. Duas bombas que operem em paralelo não fornecem o dobro da vazão do que teria apenas uma bomba operando. Isso ocorre devido à inclinação da curva do sistema. Deve-se evitar operar em paralelo bombas com: Curvas muito diferentes de AMT x vazão. Curvas instáveis (ascendente/descendente). Curvas planas.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

183

Bombas operando em série Geralmente, quando usamos bombas em série, estamos querendo aumen-

Pense e Anote

tar a pressão fornecida ao sistema. Mas, em algumas situações, esse tipo de operação é usado para aumentar a vazão. FIGURA 105

ESQUEMA DE BOMBAS EM SÉRIE

Pelo esquema da Figura 105, vemos que a vazão que passa pela bomba A é a mesma que passa pela bomba B. A primeira bomba, A, fornece uma AMT para uma determinada vazão. A segunda bomba, B, acrescentará nessa mesma vazão sua AMT. Para elaborar a curva das bombas operando em série, basta somar as AMTs de cada bomba para a vazão em questão. É raro ter mais de duas bombas operando em série, mas, se ocorrer, basta somar suas AMTs. FIGURA 106

BOMBAS IGUAIS OPERANDO EM SÉRIE

AMT (m)

a b

1 Bomba a

b

2 Bombas

c c

184

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote FIGURA 107

BOMBAS COM CURVAS DIFERENTES EM SÉRIE

AMT (m)

Bomba A

a1

a2 a3

AMT (m)

m 3 /h

Bomba B

b1

b2 b3 m 3/h

AMT (m)

Bomba A + B em série

b1 b2 a1 a2

b3 a3

m 3 /h

A curva das bombas iguais operando em série, Figura 106, foi obtida dobrando os valores de AMT “a”, “b” e “c” correspondentes às vazões de 10, 25 e 40m3/h. A curva das bombas diferentes, Figura 107, foi obtida somando a AMT da bomba A (a1) com a AMT da bomba B (b1) para a vazão de 10m3/h. Usando o mesmo processo para outras vazões, no caso foram zero, 25 e 40m3/h, obtivemos outros pontos. Basta unir esses pontos e teremos a curva correspondente da operação em série. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

185

A operação em série é bastante usada quando o NPSH disponível é muito baixo. Nesse caso, escolhe-se a primeira bomba com baixa rotação, o que resulta em um NPSH requerido menor. Como a primeira bomba eleva a pressão do líquido, o NPSH disponível para a segunda fica bastante con-

Pense e Anote

fortável. Essa segunda bomba é a que costuma ser a grande responsável pela parcela de AMT do sistema (pressão). Quando usado este sistema, a segunda bomba recebe o nome de booster. As curvas planas são interessantes para operação em série, diferentemente do que ocorre para as bombas que operam em paralelo. Os ganhos obtidos em relação a uma bomba dependerão da inclinação da curva da bomba e também da inclinação da curva do sistema. Na Figura 108, são mostrados dois exemplos. Na esquerda, as curvas das bombas são bem inclinadas e a curva do sistema é relativamente plana. Na direita, temos o inverso, curvas das bombas são planas e do sistema, inclinadas. No primeiro caso, o ganho de vazão foi de 10m3/h e, no segundo, de 17m3/h. FIGURA 108

AUMENTO DE VAZÃO COM OPERAÇÃO EM SÉRIE

AMT (m)

AMT (m)

2 Bombas

1 Bomba

Sistema

Vazão m³/h

Vazão m³/h

Para operação de bombas em série, devem ser tomados os seguintes cuidados: Verificar se o flange de sucção e o selo da segunda bomba suportam a pressão de descarga da primeira bomba. As vazões das bombas devem ser compatíveis, ou seja, não podemos colocar uma bomba capaz de bombear muito mais do que a outra. A vazão ficará limitada pela bomba de menor capacidade e, nesse caso, a de maior vazão poderá ter problema de recirculação interna. 186

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Resumo Para obtenção da curva de duas bombas operando em série, basta somarmos as AMTs correspondentes a cada vazão das bombas. É comum a colocação de bombas em série quando temos baixo NPSH disponível. A primeira bomba normalmente é escolhida com baixa rotação, o que reduz o NPSH requerido. Como a segunda bomba terá na sucção a pressão de descarga da primeira, não deverá ter problema de NPSH.

Correção para líquidos viscosos As curvas características das bombas centrífugas são elaboradas para água, que possui uma viscosidade muito baixa. Quando utilizamos um líquido com viscosidade maior, os atritos do líquido no interior da bomba aumentam, restringindo o desempenho, sendo necessário corrigir as curvas elaboradas para água. FIGURA 109

INFLUÊNCIA DA VISCOSIDADE NAS CURVAS DAS BOMBAS H(m) 1cSt Bomba de centrífuga

120cSt 1.200cSt

Bomba de deslocamento positivo

Q (m³/h)

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

187

Pela Figura 109, vemos que, ao aumentar a viscosidade, as bombas centrífugas vão sendo mais afetadas no seu desempenho. Já as bombas

Pense e Anote

de deslocamento positivo são pouco influenciadas, chegando até a melhorar um pouco o desempenho com o aumento da viscosidade. O Hydraulic Institute (HI) fez testes com um grande número de bombas diferentes e elaborou uma carta (Figura 110) para determinar os fatores de correção para vazão, AMT e rendimento das bombas que trabalham com líquidos viscosos. Essa carta é seguida por todos para corrigir o efeito da viscosidade no desempenho das bombas centrífugas radiais. Ela não é válida para bombas de fluxo misto e axial. Embora a carta tenha sido elaborada para corrigir a curva da bomba como um todo, podemos usá-la para um ponto de trabalho apenas. Para determinar os fatores de correção, entrar com a vazão em m3/h pelo eixo inferior do gráfico. Se o impelidor for de dupla sucção, dividir a vazão por 2. Subir verticalmente até o valor da AMT por estágio (havendo mais de um estágio, dividir a AMT total pelo número deles). Deslocar horizontalmente até encontrar o valor da viscosidade. Subir verticalmente e ler os valores de correção: Ch, CQ e CH. São quatro curvas para CH.

Qoo corresponde à vazão do ponto de rendimento máximo (BEP – Ponto de Máxima Eficiência) da bomba. Logo, as curvas para obtenção do CH significam: ➜ 0,6Qoo seria para 60% da vazão do BEP – Ponto de Máxima Eficiência. ➜ 0,8Qoo seria para 80% da vazão do BEP – Ponto de Máxima Eficiência. ➜ 1,0Qoo seria para 100% da vazão do BEP – Ponto de Máxima Eficiência. ➜ 1,2Qoo seria para 120% da vazão do BEP – Ponto de Máxima Eficiência.

Quando não dispomos da curva original para saber a vazão no BEP, adotamos a curva média, que é a de 1,0Qoo. 188

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Qvisc = Qag x CQ

visc = ag x C

AMTvisc = AMTag x CH

Potvisc =

Qvisc x AMTvisc x
274 x visc

Q – Vazão (m3/h) AMT – Altura manométrica total (m)



– Rendimento

Pot visc ag CQ C CH

– Potência (hp) – Viscoso – Água – Fator de correção para vazão – Fator de correção para rendimento – Fator de correção para AMT. São quatro fatores: 0,60; 0,80; 1,00; e 1,2 do BEP.




– Peso específico em gf/cm3 (o valor numérico é igual ao da densidade)

PROBLEMA 9

Calcular a vazão, a AMT, o rendimento e a potência de uma bomba que bombeará um óleo com densidade 0,86 e com viscosidade de 72cSt, sabendo que, para água, esta bomba forneceria 130m3/h, AMT = 58m e um rendimento de 0,66 (66%). A vazão de maior rendimento da bomba é de 170m3/h.

Dados Água

Qag – 130 m3/h

AMTag – 58m

ag – 0,66

Óleo

Qoo – 170 m3/h

dens óleo – 0,86

visc – 72cSt

A vazão de 130m3/h corresponde a Q ag 130 = = 0,76 ou 76% do BEP 170 Q oo

Adotaremos 0,8Qoo. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

189

Pense e Anote

Para obter os valores corrigidos, aplicamos as fórmulas:

Entrando com esses dados na carta de viscosidade (Figura 110 – linha pontilhada), obteremos:

Pense e Anote

C = 0,80

CQ = 0,99

CH = 0,96 (p/ 0,8Qoo)

Cálculo do rendimento viscoso:

visc = ag x C = 0,66 x 0,80 = 0,53 Cálculo da vazão viscosa: Qvisc = Qag x CQ = 130 x 0,99 = 128,7m3/h Cálculo da AMT viscosa: AMTvisc = AMTag x CH = 58 x 0,96 = 55,7m Cálculo da potência viscosa:

Potvisc =

Qvisc x AMTvisc x
274 x visc

=

128,7 x 55,7 x 0,86

= 42,45hp

274 x 0,53

Resumo Quando a bomba trabalha com líquidos viscosos, a AMT, a eficiência e a vazão sofrem uma redução. O Hydraulic Institute publicou uma tabela na qual, em função da vazão, da AMT e da viscosidade, podemos obter os fatores de correção para as variáveis citadas. As curvas dos fatores de redução da AMT são mostradas para 4 vazões distintas, correspondentes a 60; 80; 100; e 120% da vazão de projeto (BEP – Ponto de Máxima Eficiência) da bomba. Os novos valores para os produtos viscosos são obtidos multiplicando-se os valores para desempenho da bomba para água pelos fatores de correção obtidos. Qvisc = Qag x CQ

AMTvisc = AMTag x CH

Potvisc =

190

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Qvisc x AMTvisc x
274 x visc

visc = ag x C

Pense e Anote FIGURA 110

CARTA DE CORREÇÃO DE VISCOSIDADE

Ch 0,6Qoo 0,8Qoo 1,0Qoo 1,2Qoo

Cq

Cn mm²/s = cSt 31

80

17

70

22

16

90

760

2

76

4

45,

350 4

0

5

12

91

61

6

30

45

4

5

8 22 0 19 2 15

11

60,

2

8

33,

21, 5

5

11,

16,

6,2

AMT (m)

420 300 220 160

60 50

120 100 80

40 30 25 20

15

6

10 8

4 ,5

2 ,5

3

2

1 ,5

200 150 100 80 60 40 30 25 20 15 10 8 6 4

Engler°

Lubrificação A lubrificação adequada é fundamental para proporcionar campanhas longas para as bombas. O objetivo da lubrificação de uma bomba, como a de qualquer outro equipamento, é o de reduzir o atrito e o desgaste. Para tal, é necessário manter um filme de lubrificante separando as superfícies metálicas que possam entrar em contato. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

191

FIGURA 111

FILME LUBRIFICANTE SEPARANDO DUAS SUPERFÍCIES

Pense e Anote

F F

Contato metálico

F F

Filme lubrificante

Ampliando uma superfície metálica usinada, ou mesmo retificada, veremos que ela é formada por picos e vales. São as rugosidades. Havendo um deslizamento entre duas dessas superfícies, os picos se chocarão e quebrarão, formando novos picos que, com a continuação do movimento, também serão quebrados, e assim sucessivamente. Esse arrancar de pequenas partículas levará ao desgaste do material. Colocando entre essas superfícies uma película lubrificante, um óleo que mantenha os picos afastados, eles não mais se tocarão e não haverá mais desgastes. Além de reduzir ou eliminar o desgaste, se houver a formação desse filme lubrificante, teremos uma redução do atrito, uma vez que necessitaremos de menor força para cisalhar o lubrificante do que para quebrar os picos do material metálico. A finalidade da lubrificação é a de manter um filme de uma espessura adequada através de um produto com características lubrificantes, evitando o contato metálico entre as duas superfícies. Sempre que a espessura desse filme for inferior à altura dos picos, teremos contato de metal contra metal e, conseqüentemente, desgaste. A propriedade mais importante do lubrificante para garantir esse filme de óleo é a viscosidade. São dois os tipos de mancais utilizados em bombas: mancal de rolamento e mancal de deslizamento. Algumas bombas usam os dois tipos simultaneamente. Vejamos como funcionam. 192

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 112

POSIÇÃO DO EIXO NO MANCAL DE DESLIZAMENTO

Óleo

Óleo

Óleo

Eixo

Eixo

Eixo

Eixo parado

Eixo partindo

Eixo girando

Óleo

Óleo

Eixo

Eixo

F

F Pressão de óleo Distribuição da pressão

MANCAL DE DESLIZAMENTO

Quando o eixo está parado, apóia-se na parte inferior do mancal, ocasionando um contato metálico. Ao iniciar a rotação, a tendência do eixo é subir no mancal. Mas, ao começar a girar, o eixo bombeia o óleo lubrificante que se encontra entre ele e o mancal, criando uma pressão de óleo. Essa pressão irá gerar uma força, que elevará o eixo ligeiramente do mancal. Devido ao formato da curva de pressão criada, a tendência do eixo é deslocar-se para o lado oposto de seu movimento inicial. Se o filme de óleo formado for mais espesso que as irregularidades da superfície do eixo, só teremos desgaste na partida da máquina. Se o filme de óleo romperse, teremos contato metal com metal. Para evitar danos no eixo, a maioria desses mancais utiliza uma cobertura de metal bastante macio, chamada metal patente. Devido ao formato que o óleo assume no interior do mancal, é usual falar em cunha de óleo. MANCAIS DE ROLAMENTO

A esfera de um rolamento possui uma área de apoio muito reduzida, praticamente um ponto. Qualquer força atuando numa área reduzida gera uma pressão muito elevada. Com esses esforços, ocorre uma deformação tanto na esfera quanto na pista, mas dentro do limite elástico, ou seja, PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

193

uma vez cessada a força, a deformação deixa de existir. Essa deformação aumenta a área de contato, reduzindo a pressão. O óleo lubrificante é

Pense e Anote

bombeado pelas esferas, formando um filme de óleo, que separa as esferas das pistas do rolamento. O óleo possui uma propriedade bastante interessante, que é a de aumentar a viscosidade com o aumento da pressão. Nos rolamentos, o lubrificante fica submetido a pressões tão altas que se torna praticamente sólido, o que evita o rompimento do filme de óleo formado. Pelos motivos explicados, esse tipo é denominado de lubrificação elasto-hidrodinâmica. Em um rolamento submetido a uma carga, como o peso próprio do conjunto rotativo, somente as esferas inferiores absorverão os esforços. As esferas na parte superior do rolamento estarão sem carga. Como as esferas giram, ora estarão com carga, ora sem carga, o que pode levar à falha por fadiga, que é um dos principais modos de falha dos rolamentos. As bombas centrífugas horizontais utilizam, com freqüência, mancais de rolamentos. Caso as condições de rotação, juntamente com a carga, levem a uma vida curta dos rolamentos, empregam-se mancais de deslizamento. O API 610 fixa a vida mínima em 3 anos. Nas bombas verticais, são utilizados principalmente mancais guias (buchas) para manter o eixo centrado na coluna. Para sustentação do conjunto rotativo, algumas bombas utilizam mancal próprio, enquanto outras são sustentadas pelo mancal do acionador. Os fabricantes de rolamentos afirmam que apenas 9% dos rolamentos atingem sua vida normal, ou seja, 91% falham antes do prazo esperado. Portanto, os mancais (com sua lubrificação) e a selagem são os itens que merecem mais atenção nas bombas. Sendo bem tratados e acompanhados, podem proporcionar muitos ganhos.

Total atenção com mancais e selagem prolonga o tempo de campanha do equipamento!!!

A falha catastrófica dos mancais é muito grave nas bombas, já que ocasiona a falha do selo mecânico, com o conseqüente vazamento do líquido bombeado. Leva também a roçamentos que podem gerar faíscas, o que, dependendo do produto bombeado, pode gerar um incêndio. Normalmente, uma bomba, quando chega a fundir os mancais, terá uma manutenção de alto custo e de tempo prolongado. 194

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Graxa. Óleo lubrificante.

• Por nível. • Forçada (ou pressurizada). • Por névoa de óleo. • Próprio produto bombeado, fazendo as vezes do lubrificante.

Lubrificação por graxa Não é muito usada em mancais de bombas centrífugas nas refinarias, ficando restrita a algumas bombas pequenas, bombas de deslocamento positivo e em alguns tipos de acoplamentos (de engrenagem e de grade). Nos motores elétricos, predomina a utilização da graxa na lubrificação dos rolamentos. Nas indústrias, em que o ambiente tem pós em suspensão, é usual o emprego da graxa. Com graxa, as rotações máximas admissíveis nos rolamentos são menores do que com óleo. Por exemplo, o rolamento de contato angular 7316B pode trabalhar até 3.200rpm com graxa, ou até 4.300rpm com óleo. As caixas de mancais lubrificadas por graxa devem ser preenchidas, no máximo, até 2/3 do seu volume. Os fabricantes das bombas, na sua maioria, recomendam usar graxa à base de sabão de lítio e de consistência 2.

Óleo lubrificante É o principal produto utilizado na lubrificação de bombas centrífugas horizontais. Existem três tipos principais de lubrificação com óleo.

Lubrificação por nível É usada com óleo lubrificante. O nível de óleo na caixa de mancais é mantido por meio de um copo nivelador. O nível ficará sempre na linha mais alta do chanfro do copo nivelador (Figura 113A). Para mancais de rolamento, o nível deve ficar situado no centro da esfera inferior, nível este que é medido com a bomba parada. Para garantir a lubrificação, é usual dotar o eixo de anel salpicador de óleo (ver Figura 113B). O anel salpicador fica parcialmente mergulhado no nível de óleo e, ao girar, lança o óleo contra a parede da caixa de mancais. Este óleo escorre e cai numa canaleta coletora, que o direciona para os rolamentos. No lado do rolamento radial, o furo E leva o óleo para a parte traseira do rolamento, passa pelo interior do mesmo, retornando ao depósito da caixa de mancais. Do lado do mancal de escora, o óleo passa pelo furo F e vai para a parte traseira dos rolamentos, passando parte dele por dentro dos rolamentos. Para evitar que o nível fique alto nesta região, existe um furo

G, que se comunica com o reservatório, garantindo que o nível máximo não será ultrapassado atrás do rolamento. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

195

Pense e Anote

Os principais produtos utilizados na lubrificação das bombas são:

FIGURA 113A

LUBRIFICAÇÃO POR NÍVEL NORMAL E COM ANEL PESCADOR

Pense e Anote

Oleadeira

Copo nivelador

Nível de óleo

Dreno

Oleadeira

Submergência

Dreno

Copo nivelador

Nível de óleo

FIGURA 113B

LUBRIFICAÇÃO COM ANEL SALPICADOR

Canaleta coletora de óleo B

E F

F G

Secção B-B

G B

Vista superior da caixa de mancais

Algumas caixas de mancal de rolamentos usam anel pescador. Esse anel trabalha apoiado no eixo da bomba e é arrastado pelo seu giro. Como fica parcialmente mergulhado no óleo, ao girar, arrasta o óleo pela sua superfície interna, depositando-o no eixo e seguindo daí para o mancal, que pode ser de rolamento ou de deslizamento. O óleo empregado na lubrificação de bombas é geralmente um tipo turbina com viscosidade ISO 68.

Lubrificação forçada ou pressurizada Esse tipo de lubrificação é utilizado somente para mancais de deslizamento. Esse sistema é empregado quando a geração de calor no mancal é alta, seja devido à carga, seja à rotação. O sistema de lubrificação forçado necessita, no mínimo, de: uma bomba para circular o óleo, um filtro de óleo 196

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote (geralmente duplo), um resfriador e uma válvula de segurança. Alguns sistemas adotam apenas uma bomba de óleo lubrificante, acionada pelo eixo da bomba principal. Nesse caso, necessitam de um anel pescador nos mancais para garantir a lubrificação durante a partida e a parada da bomba. Os sistemas mais sofisticados podem ter uma lubrificação segundo o API 614, em que temos duas bombas de lubrificação, dois resfriadores de óleo, dois filtros, duas válvulas de alívio, sistema de controle de pressão do óleo lubrificante, alarmes e cortes por pressão de óleo e por temperatura dos mancais, entre outros dispositivos.

Lubrificação por névoa Esse tipo de lubrificação trabalha com uma mistura de ar e óleo na proporção de 200 mil partes de ar para 1 parte de óleo (5ppm). Essa mistura é preparada em um gerador, no qual é empregado um sistema de vórtice para pulverizar o óleo e misturá-lo com o ar. Do gerador, saem as linhas de distribuição da névoa, geralmente de 2 polegadas de diâmetro. Elas possuem um pequeno caimento de modo que qualquer óleo condensado que venha a aparecer retornará ao tanque do sistema gerador. A pressão de distribuição é bem baixa, geralmente de 50mbar, o que equivale a 0,05kgf/cm2 ou 20pol H2O. A névoa gerada possui partículas de óleo inferiores a 3 mícrons, sendo adequada para ser transportada, mas não é boa para lubrificação. Próximo de cada equipamento, sai pelo topo da linha de distribuição uma linha de 3/4” de diâmetro, que desce até cerca de 1 metro de altura da bomba, onde é instalado um distribuidor. Este possui uma válvula de drenagem de óleo condensado e seis conexões roscadas, em que são instalados os reclassificadores. Para cada ponto a ser lubrificado, corresponde um reclassificador. O reclassificador possui duas funções básicas: a primeira é dosar a quantidade de névoa que será fornecida, e a segunda é a de coalescer (reclassificar ou aumentar o tamanho) as partículas de óleo para diâmetros superiores a 3 mícrons de modo que fiquem adequadas para lubrificação. A partir do reclassificador, sai uma linha de inox de 1/4” que vai até o ponto a ser lubrificado. Nesse tipo de lubrificação, a caixa de mancal trabalha sem nível de óleo. O óleo condensado e a névoa residual saem pelo dreno da caixa de mancal da bomba, onde existe um coletor transparente, que permite avaliar visualmente o estado do óleo. Na parte inferior desse coletor transparente, temos uma válvula que possibilita drenar o óleo. Na parte superior, temos uma tubulação de inox de 3/8” que vai até uma caixa com cerca de 4 litros, denominado coletor ecológico. Na tampa desta caixa temos uma linha de vent, pela qual sai a névoa não condensada para a atmosfera ou para um sistema de recuperação de névoa residual. O óleo condensado fica na caixa ecológica, da qual posteriormente retirado. As principais vantagens desse sistema são: Aumento da vida dos rolamentos. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

197

Redução da temperatura da caixa de mancais (em média 15%). Os rolamentos trabalham com um óleo sempre limpo. Por ficar levemente pressurizada, não entram umidade nem pós na caixa de mancais. Como o coeficiente de atrito é menor, a potência consumida pela bomba cai.

Pense e Anote

Na maioria dos casos, a água de resfriamento pode ser eliminada da caixa de mancais. Eliminação do uso de copo nivelador, do cachimbo, anéis salpicadores e pescadores (este último só no caso de rolamentos).

FIGURA 114

SISTEMA DE GERAÇÃO E DE DISTRIBUIÇÃO DE NÉVOA

Sistema de LubriMist ® Típico Motor elétrico

Tubo 3/4” Perna de dreno

Bomba

Tubulação principal 2”

Distribuidor

Reclassificador Distribuidor

Console gerador de névoa modelo IVT

Reclassificador

Coletor ecológico

Válvula de dreno

Baixada Distribuidor

Sistema de Distribuição

FIGURA 115

NÉVOA PURA PARA BOMBAS API ANTIGAS E NOVAS

Reclassificador Tubing 1/4”

Distribuidor

Coletor transparente

Vent

Tubing 3/8” Ladrão Dreno de cléo

Coletor ecológico

Névoa para bombas antigas

198

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Névoa para bombas API novas

da caixa de mancais e sai pelo centro. Nas novas, quando especificado que serão lubrificadas por névoa, o fabricante já fornece entradas independentes para cada mancal, obrigando toda névoa injetada a passar pelos rolamentos (Figura 115). O reclassificador mais usado é o tipo névoa (ver Figura 116). Somente este modelo é montado no distribuidor. Os outros são montados próximo ao ponto a ser lubrificado. O reclassificador do tipo névoa possui a numeração 501, 502, 503, 504 e 505. Quanto maior o número, maior a vazão de névoa. O tipo spray forma uma névoa mais densa e é usado quando temos rolamentos de rolos. O tipo condensado forma gotículas maiores de óleo e é utilizado para engrenagens. O reclassificador direcional é empregado principalmente em bombas BB, sendo roscado na caixa de mancal e com seu furo apontado para o centro da esfera do rolamento (ver Figura 117). Ele possui uma marca externa para orientar a posição do furo durante a montagem.

FIGURA 116

TIPOS DE RECLASSIFICADORES

Spray

Névoa

Condensado

Direcional

Furo

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

199

Pense e Anote

Nas bombas tipo API anteriores à 8a edição, a névoa entra pelo centro

FIGURA 117

UTILIZAÇÃO DO RECLASSIFICADOR DIRECIONAL

Pense e Anote

Reclassificador direcional Reclassificador direcional

Coletor ecológico

O sistema de névoa até agora descrito é denominado névoa pura. Existe também o de névoa de purga. FIGURA 118

NÉVOA DE PURGA

Reclassificador Distribuidor Válvula de dreno

Controle de nível Óleo

Para caixa coletora

Visor de acrílico

Os mancais de deslizamento necessitam de óleo para a formação da cunha que irá garantir a sustentação do eixo. Por isso, nesse tipo de mancal, é adotado o sistema de névoa de purga, sendo mantido o nível de lubrificante original. Essa névoa serve para pressurizar a caixa de mancal (evitar a entrada de umidade e pós) e para completar o nível de óleo. 200

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Muito usada em bombas verticais, nas quais o próprio fluido bombeado lubrifica os mancais guias. Nas bombas com acoplamento magnético e nas bombas canned, ambas sem selagem, também é usual o líquido bombeado ser utilizado na lubrificação dos mancais. Nessas bombas, o mancal costuma ser de carbeto de tungstênio ou carbeto de silício.

A bomba canned, que significa “enlatada” em inglês, possui o impelidor montado no eixo do motor elétrico. As bobinas do motor ficam separadas do rotor por um cilindro de chapa, daí seu nome.

FIGURA 119

BOMBAS CANNED E DE ACOPLAMENTO MAGNÉTICO

Bomba Canned Estator do motor Vendação dos cabos

Mancal Radial

Luva de eixo Impelidor Mancal de escora

Bomba de acoplamento magnético

Ímãs

Mancais Caixa de mancais convencional

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

201

Pense e Anote

Lubrificação pelo próprio fluido

As principais falhas dos mancais das bombas são devido: À MONTAGEM INADEQUADA

Pense e Anote

Pancadas, sujeiras etc. À ENTRADA DE FLUIDOS ESTRANHOS NA CAIXA DE MANCAL Água, produto bombeado, vapores e gases. À ENTRADA DE SÓLIDOS NA CAIXA DE MANCAL Catalisadores, pós etc. AO NÍVEL DE ÓLEO OU À QUANTIDADE DE GRAXA INADEQUADOS NAS CAIXAS DE MANCAIS AOS ESFORÇOS ELEVADOS Vibração, desalinhamento entre bomba e acionador, desbalanceamento, esforços da tubulação etc. ÀS TOLERÂNCIAS INCORRETAS Diâmetro do eixo, diâmetro da caixa, raios de concordância etc. AO DESALINHAMENTO ENTRE OS DOIS ALOJAMENTOS DOS ROLAMENTOS À QUALIDADE DOS ROLAMENTOS Falsificação, produtos de 2a linha, estocagem inadequada etc. À QUALIDADE E LIMPEZA DO LUBRIFICANTE Viscosidade não adequada, abastecimento com funil ou regador sujo etc. AO AQUECIMENTO EXCESSIVO DO LUBRIFICANTE Oxidação e redução da vida do óleo. À OPERAÇÃO DA BOMBA FORA DO PONTO DE PROJETO Cavitação, recirculação, aumento de esforços radiais e axiais. A umidade no óleo lubrificante é um dos vilões que o levam a falhar prematuramente por deficiência de lubrificação. Estudos dos fabricantes de rolamentos indicam que a vida de um rolamento cai para menos da metade quando o óleo lubrificante possui 300ppm de água. O fabricante do óleo já o fornece com 100ppm de água. Nesses níveis, a água está dissolvida no óleo e não é percebida. Para identificá-la, é necessária a realização de testes específicos de laboratório. Nem por centrifugação ela consegue ser separada porque está dissolvida. Somente com aplicação de vá202

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote cuo ou com processos de transferência de massa é conseguida a separação. Após 350ppm, nas temperaturas usuais da caixa de mancal, é que a água consegue ser detectada visualmente no óleo, porque fica emulsionada. A principal fonte de água no óleo é a umidade do ar.

300ppm de teor de água significa que temos 300 partes de água em cada 1.000.000 de partes da mistura água/óleo. Isto corresponde a

300 ppm =

300 1.000.000

=

3

=

10.000

0,03

= 0,03%

100

o que significa algumas gotas numa caixa de mancais.

Na Figura 120, temos um gráfico com a vida relativa do rolamento em função da umidade existente no óleo. Com 100ppm de água, a vida do rolamento é considerada normal, recebendo o valor de 100%. Se a umidade do óleo baixasse em quatro vezes, ficando em 25ppm, o rolamento teria uma vida relativa de 230%, o que significa que o rolamento aumentaria sua vida em 2,3 vezes. Se a falha ocorresse a cada ano, passaria a ser a cada 2,3 anos. Por outro lado, se a umidade aumentar três vezes, indo para 300ppm, a vida será reduzida para 45% da normal. O rolamento que teria vida útil de 1 ano passaria para 0,45 ano, ou pouco mais de 5 meses. Provavelmente, a maioria dos óleos das caixas de mancais das bombas deve estar com mais de 300ppm de água, o que reduz significativamente sua vida. A Figura 120 mostra que, ao passar de 100 para 200ppm, a redução é de quase 50% na vida útil. Depois dos 1.000ppm, a queda passa a ser bem lenta. Nos percentuais mais baixos de água, um pequeno aumento na concentração de água causa redução considerável. A temperatura de trabalho do óleo é um fator importante para sua vida e, como conseqüência, a do mancal. Quanto maior a temperatura, maior a oxidação, degradando rapidamente o óleo. Os óleos usados em lubrificação possuem aditivos antioxidantes que são consumidos mais rapidamente à medida que o trabalho é executado em temperaturas altas. Na Figura 121, a SKF mostra que um óleo trabalhando na temperatura de 30ºC dura 30 anos. O mesmo óleo a 100ºC dura apenas 3 meses. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

203

FIGURA 120

VIDA RELATIVA DOS ROLAMENTOS VERSUS TEOR DE ÁGUA NO ÓLEO

Vida relativa dos rolamentos baseada em 100% para 100ppm de água

Pense e Anote

% da vida relativa

ppm da água no óleo

FIGURA 121

VIDA DO ÓLEO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA DE TRABALHO

Vida do óleo Vida em anos

Temperatura (°C)

204

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Resumo Os mancais das bombas são lubrificados por: graxa, óleo lubrificante ou pelo próprio produto bombeado. A principal graxa utilizada nos rolamentos é à base de sabão de lítio e de consistência 2. As caixas de mancais para graxa devem ser preenchidas apenas com 2/3 do seu volume. Os óleos lubrificantes usados nas bombas são normalmente do tipo turbina com viscosidade ISO 68 como, por exemplo, o Marbrax 68. A lubrificação por óleo pode ser por: LUBRIFICAÇÃO POR NÍVEL Pode ser com ajuda de anel salpicador (fixo ao eixo), ou anel pescador (arrastado pelo giro do eixo). LUBRIFICAÇÃO FORÇADA A vazão e a pressão de óleo são fornecidas por uma bomba de lubrificação. LUBRIFICAÇÃO POR NÉVOA A lubrificação é realizada por uma mistura de ar com óleo na proporção de 5ppm de óleo. O nível de óleo normalmente é no meio da esfera inferior do rolamento. A temperatura do óleo lubrificante e o teor de água no óleo são dois fatores que, quando altos, reduzem sensivelmente a vida dos lubrificantes e, conseqüentemente, dos mancais.

Acoplamento A função básica do acoplamento é a de transmitir o torque do acionador para a bomba. Os acoplamentos flexíveis possuem como funções complementares: absorver desalinhamentos e amortecer vibrações que poderiam ser transmitidas de uma máquina para outra. Os acoplamentos rígidos não possuem essas funções. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

205

FIGURA 122

TIPOS DE ACOPLAMENTOS

Pense e Anote

A GRADES

B LÂMINAS

C GARRAS

D PINOS COM ELASTÔMEROS

E CORRENTES

F LÂMINAS COM ESPAÇADOR

FLEXÍVEIS

G GRADES COM EIXO H ENGRENAGENS FLUTUANTE

J RÍGIDO

I TIPO PNEU

K LÂMINAS COM ESPAÇADOR Furo máximo

Diâmetro máximo DBSE distância entre pontas de eixo

DE LÂMINAS FLEXÍVEIS

206

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

empregados são: Rígido. De lâminas ou discos flexíveis. De engrenagens. De garras com elastômero. Tipo pneu. De pinos amortecedores. De correntes. O acoplamento rígido é simplesmente uma conexão. É bastante usado em bombas verticais quando seu eixo é sustentado pelo mancal do acionador. Bombas horizontais não utilizam esse tipo de acoplamento. Para facilitar a desmontagem das bombas, é comum o uso de um espaçador no acoplamento. No caso de bombas em balanço, como as OH1 e OH2, é o espaçador que permite que elas sejam retiradas da base sem necessidade de movimentar o acionador e a sua carcaça. Em bombas com impelidor entre os mancais, tipo BB, é o espaçador que permite a troca do rolamento e do selo do lado acoplado sem grandes desmontagens. Quando a distância é muito grande entre as pontas de eixo, o emprego do espaçador pode levar a um peso excessivo no acoplamento. Nesses casos, podemos adotar o acoplamento com eixo flutuante. Consiste no uso de dois acoplamentos, um em cada extremidade, interligados por um eixo. Geralmente, os dois acoplamentos utilizados são híbridos, metade flexível e metade rígido. Atualmente, a preferência é pelos acoplamentos que não exigem lubrificação. Os lubrificados possuem as seguintes desvantagens: Necessidade de parar a bomba para sua lubrificação, o que ocorre a cada 6 meses. Necessidade de abrir o acoplamento para retirar a graxa antiga. Se lubrificarmos sem abrir o acoplamento, a graxa tomará caminhos preferenciais, realizando apenas uma renovação parcial. Custo da mão-de-obra e da graxa empregada na lubrificação. Na seleção de um acoplamento, devemos sempre utilizar o catálogo do fabricante. Os acoplamentos são dimensionados principalmente pelo torque. Temos sempre de verificar se a rotação máxima recomendada pelo fabricante atende à de trabalho do equipamento e se o furo máximo permitido comporta tanto o eixo da bomba quanto o do acionador. Este último costuma ter o diâmetro maior. Nos catálogos, são fornecidos coeficientes de segurança ou de serviço, FS, que são valores a serem multiplicados pela potência para a seleção. No caso de bombas centrífugas, os fabricantes quase sempre especificam PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

207

Pense e Anote

Existe uma grande diversidade de acoplamentos. Os principais tipos

FS = 1,0 . Entretanto, é aconselhável usar segurança adicional, principalmente nos acoplamentos de lâminas flexíveis, adotando, por

Pense e Anote

exemplo, FS = 1,1. Para efeito de dimensionamento, sempre utilizamos a potência de placa do acionador, embora saibamos que a bomba normalmente exige menos potência. Essa sobra fica como um fator de segurança adicional. PROBLEMA 10

Selecionar um acoplamento para uma bomba que gira a 3.550rpm e cujo motor possui a potência de 60hp. O diâmetro na região do acoplamento do eixo da bomba é de 60mm e do motor é de 70mm. A distância entre as pontas dos eixos é de 127mm (5"). Usar a tabela fornecida a seguir para acoplamento tipo M.

Dados: Potência – 60hp Rotação – 3.550rpm Diâmetro eixo bomba – 60mm Diâmetro eixo motor – 70mm

TABELA 26

DADOS DO ACOPLAMENTO rpm máximo

Máx. hp/ 1.000rpm

Furo máximo

Peso kg s/furo

4M

6.000

1,3

33

2,7

5M

6.000

2,2

38

3,6

6M

6.000

3,0

46

4,5

7M

6.000

5,9

56

6,8

8M

5.000

11,8

67

14,0

9M

4.500

17,7

71

16,0

10M

3.750

23,7

83

23,0

11M

3.600

34,0

91

27,0

Tamanho

Adotando o fator de segurança de 1,1, temos:

Potência para seleção = Pot. acionador x FS = 60 x 1,1 = 66hp

208

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Torque =

Pot Pot 66 66 = = = = 18,6 hp/1.000rpm Rot rpm/1.000 3.550/1000 3,55

A divisão da rpm por 1.000 é devido ao fato de a tabela de seleção estar baseada em hp/1000rpm. Esta unidade é bastante comum nos catálogos de seleção dos acoplamentos. Entrando na tabela com o valor imediatamente acima de 18,6, achamos 23,7hp/1.000rpm, o que corresponde ao acoplamento 10M. Sua rotação máxima admitida é de 3.750rpm (a da bomba é 3.550rpm) e o furo máximo admissível é de 83mm (bomba 60mm e motor 70mm). Portanto, o acoplamento escolhido atende e deverá ser de 10M com espaçador de 127mm. Se o furo máximo fosse inferior ao desejado, teríamos de selecionar um tamanho acima que comportasse o diâmetro do eixo. Se a rotação máxima permitida do acoplamento selecionado for inferior à desejada, poderemos consultar o fabricante do acoplamento sobre o novo limite de rotação, caso ele seja balanceado dinamicamente. Se ainda assim não atender, escolher um outro modelo de acoplamento que comporte a rotação desejada. Em alguns desenhos de equipamentos vindos do exterior, aparecem as letras DBSE com relação ao acoplamento. Essas letras são de Distance Between Shafts End, que significa “o afastamento entre as pontas dos eixos do acionador e do acionado”.

Resumo Há uma preferência por acoplamentos sem lubrificação em face da necessidade de parar as bombas para abrir o acoplamento a fim de realizar uma lubrificação adequada. Quando dimensionar um acoplamento para bombas, usar sempre um fator de serviço, FS, igual ou superior a 1,1. Os acoplamentos são dimensionados pela capacidade de transmitir torque (potência/rotação). Uma vez selecionado, há necessidade de verificar se ele comporta os diâmetros dos eixos da bomba e do acionador. Temos também de verificar se a rotação máxima especificada pelo fabricante do acoplamento atende à rotação da bomba.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

209

Pense e Anote

Cálculo do torque:

Seleção de bombas As bombas são escolhidas, principalmente, em função das suas caracte-

Pense e Anote

rísticas. Exemplificando, se o NPSH disponível pelo sistema for muito baixo, podemos especificar uma bomba de dupla sucção ou uma com indutor de NPSH, que possuem NPSH requerido mais baixo. Se, ainda assim, essas bombas não atenderem, podemos optar por uma bomba vertical com o comprimento adequado, de modo que teremos uma coluna de líquido sobre o impelidor, aumentando o NPSH disponível. Algumas partes da especificação provêm de normas, como no caso do API 610 que, entre outras coisas, recomenda carcaça partida radialmente para os seguintes casos: Temperatura do produto maior ou igual a 200ºC. Líquidos inflamáveis ou perigosos com densidade menor do que 0,7 na temperatura de bombeamento. Líquidos inflamáveis ou perigosos com pressão de descarga acima de 100bar. É usual, antes de fazer a especificação final, consultar alguns fabricantes para garantir a existência e a disponibilidade de bombas que atendam ao desejado. Uma vez escolhido o fabricante e o tipo da bomba a ser usada, entramos com a vazão e a AMT na carta de seleção para identificar o tamanho da bomba e a rotação de trabalho que irá atender ao especificado. Escolhido o tamanho da bomba, entramos na sua família de curvas e definimos o diâmetro do impelidor, o NPSH requerido e o rendimento, o que permite o cálculo da potência consumida. O NPSH requerido na vazão especificada terá de ser menor do que o NPSH disponível. Sempre que possível, a bomba deve ser escolhida para trabalhar perto do seu BEP – Ponto de Máxima Eficiência, evitando assim que venha a ter problemas de recirculação interna e esforços radiais maiores. Vamos a um exemplo de seleção de uma bomba. PROBLEMA 11

Determinar o modelo da bomba, o diâmetro do impelidor, o NPSH requerido e a potência para uma bomba que irá trabalhar nas seguintes condições:

Vazão – 50m3/h

Produto bombeado – querosene

Pressão de sucção – 0,6kg/cm2M

Densidade – 0,80

Pressão de descarga – 16,6kg/cm2M

Temperatura – 30ºC

AMT – 200m

Viscosidade – 1,55cSt

NPSHdisp – 10m

Pressão de vapor a 80ºC – 0,8kg/cm2A

210

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Com a vazão de 50m3/h e com a AMT = 200m, entramos na Figura 123 para bombas com 3.550rpm e determinamos a bomba 40-315. FIGURA 123

CARTA DE SELEÇÃO DE TAMANHOS

H (m) n = 3500 40 - 315

50 - 315

32 - 250

40 - 250

50 250

40 200

50 - 200

32 - 200

65 250

80 - 250

80 - 200 100 200

65 - 200 32 - 160

40 - 160

50 160

65 160 80 - 160

100 160

32 - 125 40 - 125

50 - 125 65 125

Q (m³/h)

Como a viscosidade do querosene é baixa, não necessitamos de fatores de correção. Entramos nas curvas da bomba 40-315, Figura 124, com a vazão e com a AMT, e marcamos o ponto de trabalho. Com esse ponto, obtemos o diâmetro do impelidor, o rendimento, o NPSH requerido e a potência para água. Diâmetro do impelidor = 322mm. Rendimento = 49% NPSHreq = 7m Potência = 76cv para água cuja densidade = 1 A potência varia diretamente com a densidade (ou peso específico). Para querosene com densidade de 0,8, a potência será de: Pot = 76 x 0,8 = 60,8cv

Da Tabela 11, temos: 1cv = 0,986hp

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

211

A potência consumida em hp será:

Pot = 60,8cv x 0,986

hp = 59,9hp cv

Pense e Anote Poderíamos também ter estimado a potência de uma forma mais precisa pela fórmula: EQUAÇÃO 7

Pot =

Q x AMT x
50 x 200 x 0,8 = = 59,6hp 274 x 0,49 274 

FIGURA 124

CURVAS DA BOMBA 40-315

212

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

devido à imprecisão do gráfico. Como o NPSH disponível é de 10m e o requerido é de 7m e, portanto, o NPSHdisp > NPSHreq, a bomba selecionada atende. Se o NPSH não atender, podemos tentar uma bomba de tamanho imediatamente acima ou uma outra com menor rotação, o que logicamente levaria a uma bomba maior.

Resumo Depois de escolhidos o tipo e o fabricante da bomba, entramos na carta de seleção com a vazão e a AMT desejadas e determinamos o tamanho da bomba e a rotação em que será necessário operar. Com o tamanho escolhido, entramos na família de curvas de AMT x vazão dessa bomba para escolher o tamanho do impelidor que irá atender ao especificado. Podemos retirar também o rendimento e o NPSH requerido a partir da vazão desejada. Verificamos então se o NPSH requerido é inferior ao NPSH disponível do sistema. A potência para água pode ser obtida diretamente do gráfico, devendo ser corrigida para a densidade (ou peso específico) do líquido que será bombeado. Podemos também calcular a potência pela sua fórmula (equação 7).

Análise de problemas de bombas centrífugas Toda bomba que deixa de atender ao processo ou apresenta algum sintoma que resulta em risco operacional, como vazamento ou vibração alta, necessita de análise para determinar as ações a serem tomadas. Antes de abrir uma bomba que não esteja cumprindo seu papel adequadamente, devemos ter certeza de que o problema é da bomba. Muitas vezes o problema está nas condições do processo ou no sistema e, nesse caso, a abertura da bomba não é a solução para o caso. Algumas situações permitem um diagnóstico imediato da falha, como o vazamento pelo selo ou o travamento do conjunto rotativo, problemas PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

213

Pense e Anote

A pequena diferença de potência encontrada pelos dois métodos é

estes que são visíveis. Na abertura da bomba, as peças devem ser examinadas para identificar o motivo da falha. Outros tipos de situações neces-

Pense e Anote

sitam de uma investigação para determinar sua causa. Não devemos apenas substituir as peças danificadas, mas tentar entender que motivo levou à falha e tomar as providências para evitar sua repetição. A seguir, analisaremos os problemas mais freqüentes que ocorrem na operação de bombas centrífugas e que necessitam de investigação. Vamos dividi-los em cinco categorias principais: Bombas que não estão atendendo em vazão ou pressão de descarga. Bombas que apresentam vibração ou ruído. Bombas que estão exigindo potência acima da esperada. Bombas que apresentam aquecimento excessivo nos mancais. Bombas com vazamentos. Muitas vezes, o problema pode ser enquadrado em mais de uma das situações acima.

Bombas que não estão atendendo em vazão ou pressão na descarga Uma bomba, estando em boas condições, deve trabalhar sobre suas curvas de AMT e de potência versus vazão. Entende-se como em boas condições:

1. NPSH disponível acima do requerido (sem cavitação). 2. Vazão acima da mínima de fluxo estável (sem recirculação interna). 3. Rotação correta. 4. Impelidor no diâmetro correto e sem problemas de desgaste ou obstrução interna.

5. Carcaça ou difusores sem desgaste. 6. Folgas de anéis de desgaste e das buchas dentro de valores recomendados.

7. Líquido dentro das condições de projeto (densidade e viscosidade). Pequenos desvios em relação aos pontos das curvas são aceitáveis, seja pela imprecisão do método de medição no campo, seja pela diferença de desempenho de um impelidor para outro que, por serem peças fundidas, sempre apresentam pequenas variações na forma. No diagrama de bloco a seguir, Figura 125, procuramos fazer essa análise partindo das verificações mais fáceis de serem executadas para as mais trabalhosas. Partimos do pressuposto de que a bomba operava satisfatoriamente antes, ou seja, não é um problema de projeto ou da seleção da bomba para a aplicação na qual está sendo utilizada. 214

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 125

DIAGRAMA PARA DETERMINAÇÃO DE PROBLEMAS DE VAZÃO OU BAIXA PRESSÃO DE DESCARGA EM BOMBAS CENTRÍFUGAS

Problema de baixa vazão ou pressão na descarga INÍCIO

Bomba opera cavitando?

N

S

N

Bomba está escorvada?

S

N

Vazão > projeto?

N

Rotação correta?

S

Corrigir rotação

S

Viscosidade e densidade normais?

Corrigir a vazão

S

Pressão de sucção normal?

Verificar abrindo vent da carcaça (cuidado se a bomba tiver vácuo na sucção)

N

Solicitar correção para operação

S

N

Ponto AMT x Q igual da curva?

N

Desgaste interno

S

Desgaste interno

Ponto POT x q igual da curva?

N

Desgaste interno

S

Verificar motivo do aumento da perda de carga na sucção

Bomba em bom estado

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

215

A BOMB A ESTÁ CA VIT ANDO? BOMBA CAVIT VITANDO? Começamos com esta pergunta por ser a mais fácil de responder. A cavita-

Pense e Anote

ção é facilmente identificável pelo ruído característico, parecido com o de “batida de pedras” na carcaça, pela alta vibração e pela oscilação das pressões de sucção e da descarga. Cavitação ocorre, normalmente, quando a bomba está trabalhando com vazões altas, tornando o NPSH disponível inferior ao NPSH requerido. Como a bomba está apresentando baixo desempenho, ou seja, não está conseguindo aumentar sua vazão, a recirculação interna, que ocorre quando trabalhamos com vazões baixas, não é uma causa provável. Nos casos de bombas com pressão de sucção negativa, convém verificar a possibilidade de estar entrando ar pelas juntas dos flanges ou pela selagem. Se a resposta à pergunta sobre cavitação for positiva, uma das prováveis causas é o aumento da perda de carga na linha de sucção (redução do NPSH disponível), que pode ter sua origem em:

✔Alguma obstrução parcial na linha de sucção, como válvula parcialmente fechada, filtro sujo etc.

✔Bomba operando com vazão mais alta do que a de projeto. Vazão maior significa maior NPSH requerido e menor NPSH disponível, portanto, mais propício à cavitação.

✔Aumento da viscosidade do líquido (caso de líquidos viscosos), que pode ocorrer pela redução da temperatura de bombeamento. O aumento da viscosidade aumenta as perdas de carga, reduzindo a pressão de sucção e o NPSH disponível. Se for decorrente do desgaste da bomba (aumento do NPSH requerido), sua origem é:

✔Bomba com folgas internas altas; por exemplo, se os anéis de desgaste ou a luva espaçadora entre o primeiro e o segundo estágios estiverem com folga excessiva, uma boa parte da vazão irá retornar internamente da descarga para a sucção. Para efeito de cavitação, é como se estivesse bombeando adicionalmente esse acréscimo de vazão.

✔Desgaste no impelidor, alterando suas características na região de sucção. Desgastes na região da voluta não afetam o NPSH requerido.

Cavitação só ocorre no primeiro estágio de bombas multi-estágios. No segundo estágio, o NPSH disponível já é alto.

216

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Os meios de tirar uma bomba da condição de cavitação, por ordem de facilidade, são:

1. Verificar a possibilidade de aumentar o nível do líquido no vaso de sucção. Alguns sistemas possuem controle de nível nesse vaso, bastando, nesse caso, alterar o valor de controle (set point).

2. Reduzir a perda de carga na linha de sucção, por exemplo, verificando se o filtro da sucção está sujo ou se alguma válvula está parcialmente fechada.

3. Limitar a vazão máxima da bomba em um valor em que não tenhamos ruído ou vibração.

4. Resfriar o líquido (reduz a pressão de vapor), desde que as condições demandadas pelo processo (antes e depois da bomba) o permitam.

5. Verificar com o fabricante da bomba se existe outro modelo de impelidor que atende a necessidade do processo e com NPSH requerido mais baixo para essa carcaça.

6. Verificar se o modelo da bomba permite a instalação de um indutor de NPSH.

7. Avaliar se o aumento do diâmetro da linha de sucção, ou a simplificação do encaminhamento da linha, ou a eliminação de acessórios instalados nela, com a conseqüente redução da perda de carga, trará o ganho necessário para evitar a cavitação.

8. Elevar o vaso de sucção ou rebaixar a bomba. 9. Alterar o material do impelidor para aço inoxidável, o qual resiste mais à cavitação. Dentre os materiais usuais, o que apresenta menor desgaste é o ASTM A-743 CA6NM, que possui 12% de Cr. Essa solução tenta atenuar o efeito da cavitação. É usada para conviver com o problema, aumentando apenas o tempo de falha do impelidor.

Quando a bomba succiona de um vaso fechado, em que temos equilíbrio entre as fases líquidas e de vapor (ver Figura 126), o NPSH disponível para uma determinada vazão irá depender apenas do nível da coluna do líquido e da perda de carga entre o vaso e a bomba. A pressão de vapor acaba se cancelando, uma vez que a ela é somada para aumentar a pressão na sucção Ps, mas depois ela é subtraída para obter o NPSH disponível. Portanto, alterar a temperatura do líquido para mudar a pressão de vapor no caso de vasos fechados não resolverá o problema. O melhor meio de aumentar o NPSH disponível é aumentar a altura da coluna de líquido (nível do vaso), ou reduzir as perdas de carga na linha de sucção.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

217

FIGURA 126

PRESSÃO DE VAPOR E NPSH

Pense e Anote Pvap

Altura da coluna do líquido

Ps h

Ps = P vapor + P col líq – perdas de carga NPSHdisp =

Ps + Patm – Pvap

␥

+

V2 +h 2g

Caso a bomba não esteja cavitando, passamos ao seguinte questionamento: A BOMBA ESTÁ ESCORVADA? A verificação pode ser feita com a bomba em funcionamento. Podemos abrir um pouco o vent da carcaça. Se vapores saírem, é sinal de que não temos apenas líquido no interior da bomba, o que reduzirá seu desempenho. As razões para isso podem ser:

✔A bomba pode não ter sido completamente cheia de líquido (escorvada) antes da partida.

✔Entrada de ar pelas juntas da linha de sucção ou pelas gaxetas (somente no caso de bomba com pressão negativa na sucção).

✔A submersão da linha de sucção pode ser pequena, permitindo a formação de vórtice e, conseqüentemente, entrada de ar ou de gases.

✔O líquido contém quantidade excessiva de gases dissolvidos. Se tudo estiver correto, vamos ao passo seguinte. A ROTAÇÃO ESTÁ CORRETA?

Sabemos que a vazão varia diretamente com a rotação e a AMT com o seu quadrado. Portanto, se a rotação estiver mais baixa, a bomba pode não atender ao processo. A solução, nesse caso, é ajustar a rotação. Caso não consigamos devido ao fato de a potência do acionador já ser a máxima, temos de diagnosticar se o problema é da bomba, que está exigindo maior potência ou do acionador, que apresenta alguma deficiência. 218

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

cias. Podem também ser usados freqüencímetros de lâminas (tacômetros de Frahm), muito empregadas nas turbinas mais antigas. Baixa rotação só ocorre em turbinas a vapor, motores de combustão interna, ou com motores elétricos que possam ter sua rotação modificada. Motores elétricos comuns trabalham sempre na rotação especificada, ou próximo a ela, devido a um pequeno aumento da carga. Se não tiverem potência suficiente para trabalhar na rotação especificada, irão atuar o sistema de proteção por alta corrente elétrica ou queimarão. O PRODUTO ESTÁ COM SUAS ESPECIFICAÇÕES CORRETAS? O aumento de viscosidade atua de dois modos negativos no desempenho da bomba: aumenta a perda de carga nas linhas de sucção e de descarga, exigindo da bomba para a mesma vazão AMT maior; e afeta negativamente o desempenho da bomba, reduzindo a AMT, a vazão e o rendimento. Portanto, não devemos desprezar sua importância no diagnóstico de problemas nas bombas que trabalham com líquidos viscosos. A alteração da temperatura de bombeamento é uma das principais responsáveis pela alteração da viscosidade. Quanto menor a temperatura, maior a viscosidade. Quanto maior a viscosidade, menor a vazão e a pressão de descarga numa bomba centrífuga. A modificação da temperatura influencia também o peso específico (ou a densidade) do produto. Na prática, para um mesmo produto, essas variações de densidade costumam ser pequenas, a não ser em casos de grandes variações de temperaturas. Ocorrendo modificação do peso específico (␥), temos alteração das pressões e da potência. A AMT (head) fornecida pela bomba centrífuga para uma determinada vazão é sempre a mesma. Se o peso específico ␥ for reduzido, a pressão também será reduzida na mesma proporção. A potência também irá variar diretamente com o peso específico. A BOMBA ESTÁ OPERANDO EM UM PONTO DA SUA CURVA DE AMT X VAZÃO? De posse da AMT e da vazão da bomba, podemos verificar se está trabalhando sobre sua curva original. Se a bomba estiver com folgas internas excessivas nos anéis de desgaste, nas buchas entre estágios ou, ainda, com o impelidor e/ou a carcaça desgastada, ela terá seu desempenho alterado. Dependendo dessa alteração, ela poderá não atender às necessidades do processo. A viscosidade também altera a curva da bomba. Necessitamos, portanto, saber a vazão e a AMT da bomba e dispor de sua curva para essa verificação. Grande parte das bombas usadas em refiPETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

219

Pense e Anote

A rotação pode ser medida por meio de tacômetros com fita de reflexão ou por meio de aparelhos de vibração que possuam filtros de freqüên-

narias tem medidor de vazão. Caso ele não exista, analisar se é possível calcular a vazão pela variação do nível de um vaso ou tanque na sucção

Pense e Anote

ou na descarga. Existe a possibilidade de obter a vazão por meio de medidores externos adaptados à linha. A AMT pode ser calculada simplificadamente com um manômetro na sucção e outro na descarga.

AMT =

10 x (Pd – Ps)

␥

AMT – Altura manométrica total em m Pd – Pressão de descarga em kg/cm2 Ps – Pressão próxima ao flange de sucção em kg/cm2

␥

– Peso específico do líquido na temperatura de bombeamento em gf/cm3, valor que é numericamente igual à densidade

Nem sempre a bomba dispõe de um manômetro na sucção. Nesse caso, podemos adaptar um dreno ou vent próximo da bomba. É desejável ter uma válvula de bloqueio antes do manômetro, que pode servir para amortecer pulsações da pressão. Em último caso, normalmente no flange de sucção da bomba, costuma ter um orifício de 1/4”, que pode servir para adaptar o manômetro. Nessa região, costumam ocorrer pulsações, o que dificulta a medição. Manômetros próximos de curvas ou de qualquer acidente, como válvulas, oscilam muito e falseiam as pressões lidas. Se os manômetros estiverem muito afastados da linha de centro da bomba, corrigir os valores da pressão. Quando não dispomos de indicação de vazão, é usual levantar a AMT com vazão nula (shutoff). Cuidados devem ser tomados com a duração do teste devido à possibilidade de vaporização do líquido bombeado. Comparamos o ponto de AMT levantado com o da curva da bomba para a mesma vazão. Se o desvio for pequeno, a bomba está boa. O problema então deve ser do sistema ou do líquido bombeado. Anteriormente, pelo roteiro, já verificamos o NPSH, a escorva, a rotação e as condições do produto (a densidade e a viscosidade), estando todos dentro dos valores considerados normais. Caso o ponto levantado esteja fora da curva da bomba, o problema é da bomba. Na maioria das vezes, ela necessita ser aberta para verificar internamente qual é o problema. 220

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Essa verificação é feita para complementar o diagnóstico. Quando a bomba é acionada por motor elétrico, podemos avaliar grosseiramente a sua potência, medindo a sua corrente e comparando-a com a da plaqueta, usando uma proporcionalidade. Se a corrente estiver acima de 80% da nominal do motor, o erro será pequeno. Caso queiramos saber a potência do motor elétrico com mais precisão, teremos de obter, além da corrente, a voltagem real, o fator de potência e o rendimento do motor. Os setores de elétrica possuem aparelhos que permitem esses levantamentos. O rendimento do motor tem de ser tirado de uma tabela ou de uma curva do fabricante. A potência fornecida por um motor elétrico é dada por:

Pot =

3 x V x I x ␩ x FP 745,7

Para sistemas trifásicos

Pot V I FP

– Potência em hp

␩

– Rendimento do motor. Ex.: 90% – usar 0,90

– Voltagem em V – Corrente em A – Fator de potência

745,7 – Fator de conversão de Watt para hp

Segue uma tabela de motores da WEG com exemplos de alguns valores de rendimento e FP para motores de 2 pólos e 60Hz (~3.550rpm), com 220V, trifásicos com grau de proteção IP55. Esses valores variam conforme o fabricante e o tipo de motor. Embora a tabela seja para 220V, os valores são válidos para 440V também. TABELA 27

RENDIMENTO E FATOR DE POTÊNCIA DOS MOTORES ELÉTRICOS Potência (cv)

␸) Fator de potência (cos␸

Rendimento % 50% carga

75% carga 100% carga 50% carga

75% carga 100% carga

25

89,5

90,5

90,5

0,78

0,85

0,88

50

89

91,1

92,2

0,86

0,88

0,90

75

89

91,3

92,5

0,85

0,88

0,90

100

90

92,1

93,1

0,85

0,90

0,91

150

89

91,4

92,7

0,82

0,86

0,88

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

221

Pense e Anote

VERIFICAR SE A POTÊNCIA ESTÁ SOBRE A CURVA

Caso o acionador seja uma turbina a vapor, a avaliação da potência é mais difícil, a não ser que tenhamos a curva de potência x consumo de va-

Pense e Anote

por e a medição da vazão do vapor consumido. No caso de turbina acionando bombas, dificilmente dispomos desse dado. O que podemos verificar é se a potência máxima já foi atingida, tentando aumentar a rotação. Os acionadores costumam ter uma folga de potência em relação à necessária para a bomba. Para motores elétricos, o API 610 recomenda: Pot < 30hp

–

125%

25 < Pot < 75hp

–

115%

Pot > 75hp

–

110%

Se a bomba estiver consumindo mais potência para a vazão indicada, é porque o rendimento dela caiu, ou seja, está com algum problema interno. Essa afirmação só deve ser feita depois de eliminarmos as hipóteses anteriores.

Bombas que apresentam vibração e/ou ruído A vibração numa bomba centrífuga, geralmente, é ocasionada por um dos seguintes fatores: Desalinhamento entre a bomba e o acionador. Desbalanceamento dinâmico do conjunto rotativo ou do acoplamento. Problemas de tensão provocada pelas linhas de sucção e descarga. Tubulação próxima à bomba não apoiada corretamente nos suportes. “Pé manco” (apoio desigual) do motor ou da bomba. Pés do motor ou da bomba não apertados adequadamente. Chumbadores da base soltos. Base não grauteada adequadamente. Roçamento interno. Cavitação. Vazão abaixo da de fluxo mínimo estável (recirculação interna). Distância da periferia do impelidor para a lingüeta da voluta ou para difusor não adequada. Mancal de deslizamento com folga alta. Mancal de rolamento com desgaste. Folgas internas altas. Impelidor com um canal obstruído (desbalanceamento hidráulico). Para verificar qual dessas causas ocasiona a vibração, podemos realizar uma análise de vibração, determinando as freqüências envolvidas. 222

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Desalinhamento entre a bomba e o acionador É uma das principais causas da vibração, juntamente com o desbalanceamento. Para diagnosticar se o problema é de desalinhamento, levantar as freqüências da vibração. O desalinhamento pode causar vibração nas freqüências de 1N, 2N, 3N, 4N e 6N. As mais usuais são 1 e 2N, onde N é a freqüência de rotação. Quando a freqüência predominante é de 2N, a causa mais provável é desalinhamento. Testes efetuados em laboratório mostraram não ser verdadeira a afirmação de que desalinhamentos angulares se manifestam mais como vibração axial e de que desalinhamentos paralelos se manifestam mais como vibração radial. Esses testes também mostraram que desalinhamento vertical afeta a vibração horizontal e vice-versa. Esse estudo mostrou as seguintes freqüências como as mais prováveis para diagnosticar desalinhamentos em função do tipo de acoplamento: TABELA 28

FREQÜÊNCIA DE VIBRAÇÃO PARA DIFERENTES TIPOS DE ACOPLAMENTOS Tipo do acoplamento

Resposta da vibração ao desalinhamento

Melhor freqüência indicativa do desalinhamento

Grade (Falk)

Boa

4N

Garras com elastômero (Lovejoy)

Boa

3N

Boa na vertical Pobre na horizontal

2N 2N

Pobre

6N

Muito pobre

6N

Pneu (Ômega da Rexnord)

Engrenagem de borracha (Woods) Lâminas (Thomas)

N – rotação da máquina. Não foi realizado teste com acoplamento de engrenagens metálico.

A classificação de boa resposta à vibração significa que a amplitude de vibração aumentava com o aumento do desalinhamento angular, ou com o paralelo. O de melhor resposta foi o de grade, e o de pior resposta foi o de lâminas.

Desbalanceamento dinâmico É uma das principais causas de vibração em equipamentos mecânicos. No desbalanceamento, a freqüência radial é de 1N porque a força centrífuga, responsável pela vibração, ocorre na freqüência de rotação. Quando essa vibração é muito alta, provoca também vibração axial, podendo PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

223

ser confundida com desalinhamento. O desbalanceamento dinâmico é causado por uma distribuição desigual de massa, oriunda de desgastes ou de roçamentos. Algumas vezes, um balanceamento realizado no campo no acoplamento pode reduzir a vibração, prolongando por algum

Pense e Anote

tempo a vida da bomba, mas, na maioria das vezes, é necessário abrir a bomba para correção.

Tensão nos flanges da bomba provocada pelas linhas de sucção ou de descarga Esse tipo de esforço nos flanges da bomba, quando elevados, provocam uma torção na carcaça, causando o desalinhamento entre os seus mancais. Quando exagerada, essa tensão pode até causar roçamento interno. O projeto da bomba em si, dos pedestais e das bases são os responsáveis pela limitação das deformações. A norma API 610 e os fabricantes das bombas fixam os valores dos esforços máximos que a tubulação pode transmitir para a bomba. A verificação da tensão pode ser feita com auxílio de dois relógios comparadores colocados no flange do acoplamento, um na vertical e outro na horizontal. Ver Figura 127. Zerar os relógios com os flanges soltos. Apertar o flange de sucção e anotar as leituras dos relógios. Tornar a zerar os relógios e repetir a operação de aperto no flange de descarga. O ideal é que no aperto de cada flange as leituras não ultrapassem 0,05mm. FIGURA 127

MEDIDA DA TENSÃO DOS FLANGES

224

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

por esta possuir um diâmetro maior do que o de descarga. A tensão ocasionada pelas tubulações em bombas que trabalham com produtos quentes é mais crítica do que a de serviço frio devido à dilatação das linhas ao se aquecerem.

Tubulação com suporte não apoiado Quando a tubulação não está bem apoiada nos suportes próximos à bomba, poderá ocasionar tensão nos flanges da bomba e gerar vibração. Mesmo que o suporte esteja afastado da bomba, a linha pode vibrar e transmitir para a bomba. Nesses casos, a freqüência de vibração costuma ser bem baixa. A solução é inspecionar as linhas, verificando se elas estão encostando nos suportes. Nos suportes com molas, teremos de ver se eles estão com a mesma tensão que foi especificada no projeto.

Pé manco (apoio desigual) Pé manco ocorre quando os pés de uma máquina não estão no mesmo plano e/ou as placas da base é que não estão no mesmo plano. Quando isso ocorre, ao apertar os parafusos de fixação, torcemos o pedestal da máquina, desalinhando-a. É mais freqüente aparecer em motores elétricos. Durante o alinhamento das máquinas, é usual sua verificação. Coloca-se um relógio comparador sobre o pedestal e compara-se a indicação do relógio com ele solto e apertado. A variação de leitura deve ser inferior a 0,05mm.

Pés do motor ou da bomba não apertados adequadamente Não é muito comum, a não ser nos casos de vibração muito elevada que podem levar ao afrouxamento dos parafusos de fixação das máquinas. Pode ser verificado facilmente com auxílio de uma chave nos parafusos.

Chumbadores soltos Os chumbadores soltos costumam ocorrer em bombas que ficam muito tempo submetidas a vibrações altas. Nesse caso, o chumbador pode se soltar da base. Se ocorrer, deve ser removido e reinstalado com auxílio de massa epóxi, que é apropriada para melhorar sua fixação. A vibração deve ser diagnosticada e corrigida para evitar a repetição do problema com o chumbador. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

225

Pense e Anote

Geralmente o problema maior costuma ser na tubulação de sucção

Base inadequadamente grauteada A importância do grauteamento bem feito é fundamental para o resul-

Pense e Anote

tado de baixas vibrações na bomba. Ele é o responsável por garantir a união da base metálica da bomba à base de concreto e pelo aumento da rigidez da base metálica. Como o bloco de concreto pesa cerca de 5 vezes mais que a bomba, é fácil perceber a redução de vibração para uma mesma força perturbadora que essa união pode provocar. Batendo-se com um pequeno martelo na base metálica, pode-se identificar se existem pontos vazios. A chapa no local do vazio deve receber dois furos nas suas extremidades, um deles para colocar a massa epóxi e o outro para sair o ar, mesmo que o graute original seja de cimento. Quando o graute está muito danificado, a base metálica deve ser removida e refeito o grauteamento. Existem cimentos próprios para graute, mas o epóxi é considerado superior, embora mais caro. A norma API 610 sugere a adoção de epóxi para grauteamento, no lugar de cimento, para melhorar a aderência entre a base metálica e a fundação.

Roçamento interno O roçamento interno ocorre geralmente nas partes de menor folga, como anéis de desgaste e buchas. Pode ser ocasionado por má qualidade da centralização das peças (guias), tensões exageradas nos flanges, vibrações excessivas, uso de folgas inadequadas, ou por objetos estranhos no interior da bomba. As freqüências da vibração costumam ser diversas devido ao efeito da excitação das velocidades críticas. Nem sempre o ruído causado pelo roçamento é audível. Os roçamentos severos provocam desbalanceamento, o que somado com o aumento das folgas, que reduzem o efeito de sustentação, fazem com que a vibração cresça bastante. Como o roçamento causa aquecimento localizado, uma termografia da bomba pode indicar o local do roçamento se o mesmo for severo e próximo da carcaça.

Cavitação clássica Ocorre quando temos o NPSH disponível inferior ao requerido. O ruído é característico (como se estivesse bombeando pedras). Costuma gerar vibrações altas juntamente com o ruído e oscilações nas pressões. A vibração aparece numa ampla faixa de freqüências. É usual excitar as freqüências naturais e diversas outras freqüências. Alguns autores afirmam que o espectro mostra uma ampla faixa próxima de 2.000Hz. Muitas vezes a cavitação clássica é confundida com recirculação interna, também uma forma de cavitação. Os manômetros, tanto de sucção quanto de descarga, ficam oscilando. Ver o item seguinte sobre fluxo mínimo. 226

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Ocorre quando estamos trabalhando com vazões baixas. O fenômeno é muito parecido com a cavitação e com a entrada de gases. Um dos modos de distinguir qual dos problemas está ocorrendo é alterar a vazão em pelo menos 10%. AUMENTO DA VAZÃO DA BOMBA Se o problema for de fluxo mínimo, a vibração e o ruído diminuirão. Se o problema for de cavitação clássica, a vibração e o ruído aumentarão. Se não alterar a vibração e o ruído, o problema pode ser de entrada de gases.

REDUÇÃO DA VAZÃO DA BOMBA Se o problema for de fluxo mínimo, a vibração e o ruído aumentarão. Se o problema for de cavitação clássica, a vibração e o ruído diminuirão. Se não alterar a vibração e o ruído, o problema pode ser de entrada de gases. Ao tentar provocar a alteração de vazão para o teste, devemos ter certeza de que a vazão variou. Muitas vezes, ao atuar na válvula de descarga, fechando-a parcialmente para esse fim, a válvula de controle abre mais, mantendo a mesma vazão anterior. A recirculação interna gera vibrações na freqüência de passagem das pás e em baixas freqüências, em torno de 5Hz (300CPM). As freqüências naturais da bomba também são excitadas. De uma maneira geral, podemos dizer que a cavitação clássica é um fenômeno que aparece com altas vazões e a recirculação interna, com baixas vazões da bomba (embora existam bombas que com 75% da vazão do BEP já estejam recirculando). A solução para o problema de recirculação interna é aumentar a vazão. Existem válvulas denominadas “válvulas de fluxo mínimo” que garantem que a bomba sempre trabalhará acima dessa vazão crítica. Quando o sistema está com a vazão normal, o ramal de fluxo mínimo fica fechado (Figura 128). Se a vazão começar a cair, a ponto de causar problema de recirculação interna, a válvula abre uma passagem e começa a complementar a vazão do sistema (Figura 128B). Se o sistema não tiver vazão nenhuma, a válvula de fluxo mínimo irá abrir o suficiente para garantir a operação da bomba acima da vazão mínima, como pode ser verificado na Figura 128A. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

227

Pense e Anote

Fluxo abaixo do mínimo estável (recirculação interna)

FIGURA 128

VÁLVULA DE FLUXO MÍNIMO

Pense e Anote

Fluxo principal fechado

Fluxo principal e recirculação

Recirculação fechada

A

B

C

Distância mínima do impelidor As pás do impelidor, quando passam muito próximas da lingüeta da voluta, geram um pulso que se transforma em vibração. O mesmo ocorre quando a distância das pás para o difusor também é pequena. Nas bombas ditas de alta energia (potência por estágio maior do que 300hp ou AMT maior do que 200m), esta vibração pode ser bastante acentuada. Quando surgir vibração com a freqüência igual ao número de pás do impelidor x rotação, é conveniente verificar se a folga radial é superior à mínima recomendada, dada pela fórmula a seguir: FIGURA 129

FOLGA MÍNIMA EXTERNA DO IMPELIDOR COM A VOLUTA E COM O DIFUSOR

R3 R3 R2

228

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

R2

Pense e Anote R2 – Raio da pá do impelidor (não é o raio das laterais do impelidor). R3 – Raio da voluta na região da lingüeta, ou raio interno do difusor.

Folga mínima % =

(R3 – R2) x 100 R2

Para bomba com voluta – folga mín. > 6 % Para bomba com difusor – folga mín. > 3% PROBLEMA 12

Uma bomba com impelidor de 300mm trabalha com um raio de 160mm na lingüeta. Calcular se podemos ter problemas de freqüência de passagem das pás do impelidor.

Dados: R3 = 160mm R2 = 300/2 = 150mm

Folga mínima % =

(R3 – R2) x 100 (160 – 150) x 100 1.000 = = = 6,25% R2 160 160

Como estamos com mais de 6% de folga, não devemos ter problemas. O raio R3 nas bombas bipartidas e nas com difusor é fácil de ser medido. Nas bombas OH é um pouco complicado porque temos de determinar a linha de centro do eixo da bomba na voluta. Num torno, fica fácil, basta centrar pela guia da carcaça, que possui a mesma linha de centro do eixo. Exemplificando, uma bomba com impelidor de cinco pás, girando a 3.550rpm, terá freqüência de vibração de:

Freqüência de vibração = número de pás x rotação = = 5 x 3.550 = 17.750CPM = 17.750/60 = 296CPS ou Hz ou 5N.

Para aumentar a distância e solucionar o problema, usinar internamente o difusor ou esmerilhar um pouco a lingüeta da voluta. A redução do diâmetro do impelidor seria uma outra solução, desde que não comprometesse o desempenho da bomba. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

229

A freqüência correspondente à passagem das pás ocorre também quando temos recirculação interna na descarga e cavitação clássica.

Pense e Anote

Folga alta do mancal de deslizamento Todo mancal de deslizamento possui uma folga mínima e uma máxima de projeto. Quanto menor essa folga, menor a vibração da bomba. A folga mínima é para garantir uma vazão mínima de óleo necessária para retirar o calor gerado. Quando ultrapassamos a folga máxima, o mancal deixa de cumprir sua função adequadamente, permitindo que a bomba vibre. Na falta da folga do fabricante, usar os valores recomendados no item Dados Práticos.

Mancais de rolamentos com danos Quando estão danificados, os rolamentos apresentam vibração cuja freqüência varia de acordo com a parte danificada: pista interna, pista externa, gaiola ou esferas. Os programas que acompanham os coletores de dados costumam disponibilizar estas freqüências. FIGURA 130

ROLAMENTO DE CONTATO ANGULAR

n – Número de esferas ou rolos

Ângulo de contato ␤

fR – Rotação por segundo

Diâmetro da esfera (BD)

␤ – Ângulo de contato da esfera BD – Diâmetro da esfera PD – Diâmetro do círculo das esferas

Pitch Diâmetro (PD)

As partes danificadas também podem ser identificadas pelas fórmulas: Defeito na pista externa

f (Hz) =

230

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

n BD fR (1 – cos ␤) 2 PD

Pense e Anote

Defeito na pista interna

f (Hz) =

n BD fR (1 + cos ␤) 2 PD

Defeito na esfera

f (Hz) =

n 2

[(

fR

1–

BD PD

)] 2

cos ␤)

Se o rolamento não for de contato angular, o ângulo ␤ é zero. Quando os danos dos rolamentos já estão acentuados, a vibração ocorre também na freqüência de rotação.

Folgas internas altas Quando os anéis de desgaste ou as buchas ficam com folgas altas, essas partes deixam de funcionar como mancais auxiliares, aumentando em muito a vibração. As bombas com dois estágios em balanço são bastante suscetíveis a esse tipo de vibração, mesmo quando o aumento das folgas é pequeno.

Impelidor com canal obstruído Se o impelidor tiver um dos canais obstruídos, seja por uma falha de fundição, seja pela entrada de algum corpo estranho que fique preso na sua entrada, ao girar, esse canal ficará parcial ou totalmente vazio de líquido, dependendo do grau de obstrução. Isso resultará em uma distribuição de massa irregular no impelidor (desbalanceamento dinâmico), causando vibrações elevadas na freqüência de 1N. Em impelidores pequenos, a visualização dessa obstrução pode ser difícil. Caso tenha dúvidas, passe um arame por dentro de cada canal, ou examine-os com o auxílio de uma lanterna. Neste caso, a verificação do balanceamento na balanceadora não resolverá o problema, uma vez que só irá aparecer quando estiver com líquido.

Bombas que estão exigindo potência acima da esperada As causas mais freqüentes de bombas com potência acima da esperada estão listadas a seguir: PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

231

Vazão mais elevada do que a de projeto A curva de potência de uma bomba centrífuga radial cresce com a vazão.

Pense e Anote

Portanto, se a vazão estiver acima da especificada, a bomba exigirá potência maior. Na bomba de fluxo axial a potência cai com a vazão, e na de fluxo misto a potência tende a se estabilizar nas vazões mais altas; portanto, não deverá ocorre exigência de potências excessivas.

Anéis de desgaste ou buchas folgadas Com as folgas maiores, teremos uma quantidade maior de líquido passando da descarga para a sucção, ou de um estágio para outro nas bombas multi-estágios. Essa vazão adicional consome uma potência adicional.

Roçamento severo O atrito provocado pelo roçamento consome uma potência adicional. Quando ocorre roçamento, as vibrações ficam instáveis.

Aumento da viscosidade Com o aumento da viscosidade, o rendimento da bomba cai, aumentando a potência consumida para fornecimento de uma mesma vazão.

Aumento do peso específico (densidade) A potência varia linearmente com a densidade (ou peso específico ␥).

Pot =

QxHx␥ 274 x ␩

Desgaste interno O desgaste do impelidor ou da carcaça reduz o rendimento da bomba, elevando a potência consumida.

Aumento da rotação Só pode ocorrer no caso de acionadores de velocidade variável. A potência varia com o cubo da rotação. Portanto, uma variação de 5% na rotação aumenta em quase 16% a potência (1,053= 1,16). Nesse caso, a vazão também deveria ter sido alterada com a rotação. 232

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

As principais causas de aquecimento dos mancais são:

✔Rolamentos danificados. ✔Contaminantes no óleo, principalmente água. ✔Desalinhamento entre os mancais da bomba, ou entre o eixo da bomba e do acionador.

✔Forças hidráulicas radiais, ou axiais elevadas. ✔Nível alto de óleo nos rolamentos. ✔Quantidade de óleo insuficiente chegando aos mancais. ✔Óleo com viscosidade inadequada. ✔Graxa em excesso na caixa de mancais. ✔Carga demasiadamente baixa no rolamento. ✔Bomba operando com alta vibração. ✔Tolerâncias do eixo ou da caixa fora do recomendado. ✔Linha de sucção não adequada no caso de bombas de dupla sucção, que irão gerar esforços axiais elevados (ver Figura 154). As razões anteriores são óbvias. O aumento dos esforços, ou do coeficiente de atrito, irá aumentar a geração de calor, elevando, conseqüentemente, a temperatura dos mancais. Se a quantidade de óleo que chega aos mancais for inadequada, o óleo e os mancais aquecerão porque será retirado menos calor do que o gerado. Se o nível de óleo estiver alto, as esferas do rolamento passam a bombear uma quantidade maior de óleo, aquecendo-o mais. Portanto, o óleo deve ser na quantidade adequada em função do sistema de lubrificação que está sendo usado. Quando a lubrificação é por névoa, o tamanho das partículas de óleo garante a lubrificação, mas mesmo assim elas devem estar dosadas na quantidade adequada. Os rolamentos radiais de esferas com folga interna maior do que a normal reduzem a temperatura de trabalho da caixa de mancal. Por outro lado, devido à sua folga maior, aumentam ligeiramente a vibração. Quanto maior a temperatura, mais rápida a oxidação do óleo. A oxidação dá origem a lamas, gomas e vernizes. Quanto mais oxidado, mais escuro o óleo. Quanto mais frio o óleo, maior a sua vida. Ver Figuras 120 e 121. A norma API 610 limita a temperatura do óleo lubrificante nos mancais, com anel pescador ou com anel salpicador, em 82ºC ou 40ºC acima da temperatura ambiente. Se a temperatura ambiente for de 30ºC, a temperatura máxima do óleo será de 70ºC. Quando o rolamento trabalha sem carga ou com carga baixa, as esferas tendem a deslizar em vez de rolar. Isso provoca o rompimento do filme de óleo, levando a esfera a ter contato com a pista, o que aquece e encurta a vida do rolamento. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

233

Pense e Anote

Bombas que apresentam aquecimento no mancal

Bombas que apresentam pressão elevada na sucção são sempre candidatas a elevados esforços axiais e, conseqüentemente, altas temperaturas

Pense e Anote

nos mancais. Alterando o diâmetro dos anéis de desgaste, podemos reduzir o esforço axial e reduzir a temperatura, desde que seja o empuxo axial o responsável pelo aquecimento. As bombas de carcaça que operam com simples voluta e fora da vazão de projeto (BEP) também podem ter problemas de temperatura nos mancais devido ao aumento dos esforços radiais. As bombas que utilizam impelidor com dupla sucção, caso tenham uma curva na tubulação de sucção próxima à bomba, devem ter essa curva perpendicular ao eixo. Se a curva ficar paralela ao eixo, a força centrífuga fará com que o líquido preferencialmente vá mais para o lado externo, o que provoca diferença de vazões em cada lado do impelidor, afetando o balanceamento axial (Figura 145). Algumas vezes, esse esforço axial é tão grande que dá para observar visualmente a movimentação de alguns milímetros do eixo da bomba, juntamente com seu mancal.

Bombas com vazamentos O vazamento, se visível, é facilmente identificado.

O local mais comum de ocorrer vazamento do produto é pela selagem. Podemos também ter vazamento pela junta da carcaça, embora menos comum. Na selagem por gaxetas, é normal um pequeno vazamento. Esse vazamento serve para lubrificar e refrigerar as gaxetas. Nos selos mecânicos, o local mais comum de vazamento é pelas sedes. Quando o vazamento é entre a luva e o eixo, se a luva prolongar-se além da sobreposta, como ocorre nos selos tipo cartucho, fica fácil sua determinação. Uma vez iniciado o vazamento do selo mecânico, raramente este volta a ficar estanque. A exceção fica por conta de alguns produtos leves que, durante a partida, vazam um pouco e, posteriormente, as sedes se acomodam, ou o processo passa a trabalhar em condições mais favoráveis e o vazamento cessa. Temos também alguns selos que começam a vazar e estabilizam o vazamento, trabalhando muito tempo sem evolução. Quando o vazamento vai aumentando progressivamente, temos de abrir o selo para reparo.

234

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Dados práticos Apresentamos a seguir algumas recomendações relativas à manutenção das bombas.

Folgas e excentricidades permitidas Na montagem de uma bomba horizontal em balanço (OH1 e OH2), sempre que possível, monte a caixa de selagem na caixa de mancais com o eixo na posição vertical. Vale o mesmo para a montagem da carcaça. Montando na posição horizontal, as folgas das guias ficarão sempre do mesmo lado, facilitando um possível roçamento.

A RPBC (Refinaria Presidente Bernardes – Cubatão) recomenda os seguintes ajustes de montagem: TABELA 29

TOLERÂNCIAS RECOMENDADAS Local

Ajuste

Acoplamento/eixo

H7 / j6

Impelidor/eixo

H7 /g6

Luva do eixo (selo)/eixo

H7 / g6

Luva espaçadora/eixo

H7 / g6

Rolamento/eixo

– / k6

Alojamento rolamento/rolamento

H6 / –

Guia da carcaça/caixa de selagem

H7 / f7

Guia caixa selagem/caixa de mancais

H7 / f7

Anéis de desgaste do impelidor/carcaça

H6 / –

As tolerâncias dos diâmetros internos são dadas por letras maiúsculas, e as do diâmetro externo por letras minúsculas.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

235

TABELA 30

AJUSTES ISO UTILIZADOS EM BOMBAS – VALORES EM ␮m Diâmetro (mm)

Pense e Anote

>10 a 18

>18 a 30

>30 a 50

>50 a 80

>80 a 120

>120 a 180

>180 a 250

>250 a 315

>315 a 400

>400 a 500

H6

H7

f7

g6

h6

j6

k6

m6

Máx.

+11

+18

–16

–6

0

+8

+12

+18

Mín.

0

0

–34

–17

–11

–3

+1

+7

Máx.

+30

+21

–20

–7

0

+9

+15

+21

Mín.

0

0

–41

–20

–13

–4

+2

+8

Máx.

+16

+25

–25

–9

0

+11

+18

+25

Mín.

0

0

–50

–25

–16

–5

+2

+9

Máx.

+19

+30

–30

–10

0

+12

+21

+30

Mín.

0

0

–60

–29

–19

–7

+2

+11

Máx.

+22

+35

–36

–12

0

+13

+25

+35

Mín.

0

0

–71

–34

–22

–9

+3

+13

Máx.

+25

+40

–43

–14

0

+14

+28

+40

Mín.

0

0

–83

–39

–25

–11

+3

+15

Máx.

+29

+46

–50

–15

0

+16

+33

+46

Mín.

0

0

–96

–44

–29

–13

+4

+17

Máx.

+32

+52

–56

–17

0

+16

+36

+52

Mín.

0

0

–108

–49

–32

–16

+4

+20

Máx.

+36

+57

–62

–18

0

+18

+40

+57

Mín.

0

0

–119

–54

–36

–18

+4

+21

Máx.

+40

+63

–68

–20

0

+20

+45

+63

Mín.

0

0

–131

–60

–40

–20

+5

+23

PROBLEMA 13

Que diâmetro devemos usar em um eixo com um rolamento de 49,999mm de diâmetro interno?

Pela Tabela 29 – ajuste recomendado entre eixo/rolamento – k6. Da Tabela 30, para k6: Diâmetros > 30 a 50mm temos Máx. + 18 e Mín. + 2 O diâmetro do eixo deverá ficar entre: 49,999 + 0,018 e 49,999 + 0,002

236

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

➜

Máx. = 50,017 e Mín. = 50,00mm

Que valor devemos adotar para diâmetro interno da luva se o eixo possui 75mm diâmetro?

Pela Tabela 29 – ajuste recomendado entre “luva do eixo/eixo” é de H7/g6 Da Tabela 30, para H7: Diâmetros > 50 a 80mm

Máx. + 30 e Mín. 0

➜

75,000 a 75,030mm

A norma API 610 recomenda as seguintes excentricidades (runout) para bombas centrífugas:

1. Para bombas apoiadas entre mancais BB: TABELA 31

EXCENTRICIDADES LTI DE BOMBAS BB RECOMENDADAS PELO API Fator de flexibilidade F = L 4/D 2 em mm2 Excentricidade do eixo permitida LTI Componente no eixo com Excentricidade das peças LTI

␮m

>1 ,9 x 109

1 ,9 x 10 9

40

25

␮m Folga

Interferência

Folga

Interferência

90

60

75

50

L em mm – é a distância entre os mancais das bombas BB. D em mm – é o diâmetro do eixo na região do impelidor da bomba BB. A excentricidade das peças é para o cubo do impelidor, para o tambor de balanceamento e para as luvas.

Os fabricantes de selos mecânicos recomendam que a leitura total indicada (LTI) do relógio sobre a luva do selo seja inferior a 0,05mm.

O API permite para bombas BB com eixos rígidos

(F < 1,9 x 109) as excentricidades de 0,05mm para peças montadas no eixo com interferência e 0,075mm para peças montadas com folga

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

237

Pense e Anote

PROBLEMA 14

PROBLEMA 15

Qual deve ser a excentricidade máxima recomendada pelo API para um

Pense e Anote

conjunto rotativo de uma bomba tipo BB cujas peças são montadas com interferência? O eixo é de 60mm de diâmetro e tem a distância entre mancais de 1.500mm.

Fator de L4 1.500 4 5,0625 12 flexibilidade = = = = 1,406 x 109 < 1,9 x 109 D2 60 2 3.600

Coluna da direita da Tabela 31. Para montagem com interferência, a excentricidade máxima é de

Eixo < 0,025mm

Peças < 0,05mm

2. Para o eixo das bombas verticais, da VS-1 até a VS-7, o API recomenda que a excentricidade máxima seja de 40␮m por metro de comprimen-

to do eixo até o máximo de 80␮m de LTI.

A face do acoplamento das bombas verticalmente suspensas deve ficar perpendicular ao eixo com 0,1␮m /mm de diâmetro da face, ou com 13␮m, valendo o que for maior. Para acionadores verticais a norma API recomenda: FIGURA 131

CONCENTRICIDADES, EXCENTRICIDADES E PERPENDICULARIDADES DO ACIONADOR VERTICAL LTI – Leitura total indicada

1

2

3 4

5

1. Planicidade da face de apoio do acionador e perpendicularidade 2. 3. 4. 5.

em relação ao eixo Concentricidade entre eixo e a guia do suporte do acionador Excentricidade máxima com o rotor girando livremente Passeio axial máximo Perpendicularismo do eixo com cubo do acoplamento (vale o maior dos dois)

238

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

máx. 0,025mm LTI máx. 0,100mm LTI máx. 0,025mm LTI máx. 0,125mm LTI 0,1 m/mm ou 13  m

Pense e Anote

3. Para todas as bombas na caixa de selagem FIGURA 132

CONCENTRICIDADE E PERPENDICULARIDADE DA CAIXA DE SELAGEM

1

Concentricidade diâmetro externo LTI < 0,125mm

2

Concentricidade diâmetro interno LTI < 0,125mm

3

Perpendicularidade da face LTI < 0,125mm

Se a sobreposta for guiada externamente, medir em 1. Se for guiada internamente, medir em 2.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

239

A RPBC utiliza as folgas e excentricidades da Figura 133 para bombas OH. FIGURA 133

Pense e Anote

EXCENTRICIDADE E FOLGAS MÁXIMAS USADAS NA RPBC PARA BOMBAS OH

1 2

4

3

1 = 0,07mm

3 = 0,05mm

2 = 0,07mm

4 = 0,05mm

Passeio radial

8 6

Passeio 7 axial

5

5 = 0,03mm

7 = 0,01 a 0,10mm

6 = 0,03mm

8 = 0,07mm

As concentricidades e os empenos dos eixos devem ser limitados aos valores anteriormente mencionados. O melhor modo de verificá-los é colocar o rotor apoiado pela região dos mancais em blocos em V ou sobre roletes, como os usados em máquinas de balanceamento. O torno não é um bom lugar devido ao problema de centralização. Os ressaltos do eixo, no qual os rolamentos se apóiam, devem ser perpendiculares ao eixo e com um raio de concordância menor do que o do rolamento para garantir que ocorra o encosto no ressalto. A altura desse ressalto deve se situar entre um mínimo para dar uma boa área de apoio ao rolamento e um máximo, que permita a aplicação de dispositivos extratores dos rolamentos. Os catálogos dos rolamentos publicam os raios e as alturas dos ressaltos recomendados para os eixos. 240

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote FIGURA 134

REGIÃO DO ENCOSTO DOS ROLAMENTOS NO EIXO

Pista externa do rolamento Eixo

ra < r h

r

ra

mín.

rg < r h

r mín.

r

rg

mín.

t

r mín. b

Eixo usinado

Eixo retificado

Teste hidrostático Quando a carcaça ou a caixa de selagem necessitarem de teste hidrostático para confirmar sua resistência, ele deve ser realizado com 1,5 vez a pressão de projeto. A pressão de trabalho não é considerada para esses casos. Verificar se a classe de pressão do flange de sucção pode ser submetida a essa pressão de teste. A pressão de projeto da carcaça pode ser obtida na folha de dados da bomba.

Balanceamento O API 610 – 9a edição recomenda balancear os componentes (impelidor, tambor de balanceamento, indutor de NPSH e partes rotativas maiores) com grau 2.5 da ISO 1940-1 ou com desbalanceamento residual de 7gmm, o que for maior. Os valores do desbalanceamento residual podem ser calculados por:

desbalanceamento (g) =

10.000 x G x M NxR

G – Grau de balanceamento M – Massa da peça em kg N – Rotação em rpm R – Raio de correção da massa em mm PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

241

PROBLEMA 16

Que desbalanceamento residual pode ser admitido para um impelidor com massa de 10kg que trabalha com 1.800rpm e cujo diâmetro é de 200mm?

M – 10kg

Pense e Anote

G – 2,5 pelo API N – 1.800rpm D – 200mm R – D = 200 = 100mm 2

desbalanceamento (g) =

2

10.000 x G x M 10.000 x 2,5 x 10 = = 1,388 ⬵ 1,4 g NxR 1.800 x 100

O desbalanceamento admissível seria de 1,4 grama na periferia do impelidor. A norma API 610 recomenda balancear em dois planos as peças cuja relação entre o diâmetro e a largura seja menor do que 6. As peças com a relação maior ou igual a 6 podem ser balanceadas em um plano apenas. FIGURA 135

BALANCEAMENTO EM 1 OU 2 PLANOS

B D

B

B

D

D

B D

Impelidor de simples sucção

Impelidor de dupla sucção

Colar de escora

D  6 Balancear em 1 plano B

D B

242

PETROBRAS



6 Balancear em 2 planos

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Tambor de balanceamento

Pense e Anote

No balanceamento dos conjuntos rotativos, usar: GRAU G-2.5

Bombas abaixo de 3.800rpm ou acima de 3.800rpm e com peças montadas com folga. GRAU G-1.0

Bombas acima de 3.800rpm e com peças montadas com interferência.

O grau G-1.0 não é repetitivo se o conjunto rotativo for desmontado após o balanceamento para montagem.

No balanceamento do conjunto rotativo, evitar corrigir no acoplamento. Isso porque, se necessitar ser substituído no campo, a bomba ficará desbalanceada. Como o cubo do acoplamento é uma peça simétrica, normalmente o desbalanceamento no seu plano é devido à não-compensação dos rasgos de chavetas do eixo e do cubo do acoplamento. Portanto, tente ajustar a chaveta para que cubra o rasgo do eixo e do acoplamento adequadamente, utilizando uma chaveta coroada (concordando com o eixo) na região externa ao cubo.

Guias A caixa de selagem é montada guiada na carcaça. Com o passar do tempo, ocorre um envelhecimento dos materiais fundidos, ocasionando um relaxamento de tensões, o que gera deformações nas guias. É comum ver solicitações para recuperação dos diâmetros dessas guias, onde normalmente são colocados 3 ou 4 pingos de solda, que são usinados para “recuperar” a folga recomendada. Na maioria das vezes, essa correção é desnecessária, sendo resultado de medições não consistentes devido às deformações. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

243

FIGURA 136

PARAFUSO QUEBRA-JUNTA

Pense e Anote

Carcaça

Caixa de selagem

Parafuso quebra-junta NÃO ADEQUADO

CORRETO

CORRETO

Ao apertar o parafuso quebra-juntas para soltar as guias, danificamos a superfície em que ocorre o encosto do parafuso. Esses danos impedem o assentamento de tais superfícies posteriormente. Para evitar esse problema, é recomendável fazer um pequeno rebaixo em uma das superfícies, conforme mostrado na Figura 136.

Anéis de desgaste Usar preferencialmente nos anéis de desgaste as folgas recomendadas pelos fabricantes. Na falta delas, a norma API 610 – 9a edição, recomenda como folga mínima entre partes girantes os seguintes valores: 244

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

FOLGAS MÍNIMAS DE TRABALHO Diâmetro da parte rotativa no local da folga (mm)

Folga mínima diametral (mm)

Diâmetro da parte rotativa no local da folga (mm)

Folga mínima diametral (mm)

< 50

0,25

300 até 324,99

0,60

50 até 64,99

0,28

325 até 349,99

0,63

65 até 79,99

0,30

350 até 374,99

0,65

80 até 89,99

0,33

375 até 399,99

0,68

90 até 99,99

0,35

400 até 424,99

0,70

100 até 114,99

0,38

425 até 449,99

0,73

115 até 124,89

0,40

450 até 474,99

0,75

125 até 149,99

0,43

475 até 499,99

0,78

150 até 174,99

0,45

500 até 524,99

0,80

175 até 199,99

0,48

525 até 549,99

0,83

200 até 224,99

0,50

550 até 574,99

0,85

225 até 249,89

0,53

575 até 599,99

0,88

250 até 274,89

0,55

600 até 624,99

0,90

275 até 299,99

0,58

625 até 649,99

0,95

1. Para diâmetros superiores a 650mm, adotar a folga: Folga (mm) = 0,95 + (D – 650) x 0,001

D – Diâmetro do anel em mm.

2. Para ferro fundido, bronze, aço inoxidável martensítico endurecido (série 400, como o AISI 410 e AISI 420) e materiais similares com pouca tendência de agarramento (galling), usar as folgas da tabela. Acrescentar 0,12mm às folgas diametrais da tabela para materiais com alta tendência de agarramento e para todos os materiais trabalhando em temperatura acima de 260ºC. Os aços inoxidáveis austeníticos (série 300, como o AISI 304 e AISI 316) são materiais que apresentam alta tendência de agarramento.

3. Essas folgas mostradas não são válidas para tambores de balanceamento ou componentes que trabalhem como mancais internos lubrificados pelo produto, caso das buchas das bombas verticais. Para materiais não metálicos (por exemplo, PEEK), com baixa ou nenhuma tendência de agarramento, os fornecedores poderão propor folgas inferiores às citadas na Tabela 32. Nesse tipo de aplicação, normalmente, um dos anéis é não metálico e o outro de AISI 410/420 endurecido, ou de PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

245

Pense e Anote

TABELA 32

AISI 316 revestido de material duro. De modo geral, a folga com esse material costuma ser de 50% da folga mínima recomendada pelo API.

Pense e Anote

Galling é a tendência que alguns materiais apresentam de agarramento (trancamento, travamento) ao serem movimentados com contato entre suas superfícies. Os materiais diferentes e os de alta dureza possuem menor tendência de agarramento. Por causa dessa tendência, quando os anéis de desgaste da bomba são de AISI 304 ou de AISI 316, é usual escolher um deles e fazer um revestimento de algum material endurecido como carbeto de tungstênio, Stellite, ou Colmonoy com uma profundidade de 0,8mm na superfície que eventualmente possa ter contato. O ideal é revestir a superfície do anel estacionário por ser o mais difícil de substituir, deixando o anel rotativo (o do impelidor) com o material básico. Se isso não for possível, aumentar as folgas para evitar o contato desses materiais. A diferença de dureza entre as superfícies de contato deve ser no mínimo de 50BHN, a menos que ambas as superfícies, a estacionária e a rotativa, tenham dureza superior a 400BHN. A fixação do anel de desgaste pode ser por interferência com pinos de travamento, parafusos axiais ou radiais, ou pontos de solda. Embora a norma API 610 considere essas folgas mínimas para separar as superfícies rotativas das estacionárias, as folgas entre o tambor de balanceamento e de sua bucha costumam ter valores inferiores aos da tabela. Nesse caso, seguir a recomendação do fabricante. A folga máxima admissível para os anéis de desgaste é normalmente de 1,5 a 2 vezes a folga citada pelo API. Em alguns tipos de bomba, como no caso das de dois estágios em balanço (OH), o dobro da folga pode levar a vibrações altas. Temos também que folgas grandes aumentam a fuga de líquido da descarga para a sucção, o que leva a um gasto maior de energia. PROBLEMA 17

Calcular a folga mínima do anel de desgaste de uma bomba que trabalha nas seguintes condições:

Diâmetro do anel na área de contato – 300mm Material – AISI 316 sem revestimento Temperatura – 300ºC

Da Tabela 32, temos: Folga diametral = 0,60mm

246

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Como o material AISI 316 sem revestimento tem tendência ao agarramento, acrescentar 0,12mm. Como a temperatura de bombeamento é maior que 260ºC, acrescentar 0,12mm. Folga final = 0,60 + 0,12 + 0,12 = 0,84mm

Impelidor Para reduzir estoques, é usual adquirir os impelidores no seu diâmetro máximo. Nesse caso, pode ser necessário adequar seu diâmetro na hora da substituição. Na Figura 137, são mostradas algumas recomendações básicas sobre o corte do impelidor. Nas bombas com difusor, o corte do impelidor deve ser realizado somente nas pás, deixando intactas suas laterais (Figura 137 C). Assim, o líquido que sai do impelidor fica guiado até a entrada da voluta. Nas bombas com carcaça em voluta, não há ganho com esse tipo de corte; portanto, ele deve ser total tanto nos discos como nas pás (Figura 137 A e B). Alguns fabricantes utilizam o corte oblíquo do impelidor em bombas com difusor ou de dupla sucção. Nesse caso, para efeito de cálculos, usar o diâmetro médio do corte do diâmetro D (ver Figura 137 D e E). Quando o fabricante envia o rotor com esse tipo de corte, ele deve ser mantido porque leva a uma maior estabilidade da curva da bomba. Com a utilização de uma ponta montada, podemos desbastar o impelidor e ganhar em algumas características interessantes no funcionamento da bomba. FIGURA 137

CORTE DO DIÂMETRO DO IMPELIDOR

D2

D2

D1 D2

Redução diâmetro pás e discos

Redução diâmetro pás e discos

Redução diâmetro pás

A

B

C

D2

D1

D1

D2

D1

D

D

D1

D=

D1 + D2 2

Redução oblíqua das pás

Redução oblíqua das pás

D

E

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

247

Quanto mais lisas as superfícies internas do impelidor, maior o seu rendimento, o que pode ser obtido por meio do esmerilhamento das irregularidades da fundição nos impelidores de maior porte. Nos de tamanho reduzido, esse acabamento fica mais difícil pela falta de acesso.

Pense e Anote Melhoria de desempenho da bomba Por meio do esmerilhamento do impelidor, tornando-o mais liso, afinando suas paredes ou modificando o perfil da lingüeta da voluta, é possível obter ganhos de rendimento, de vazão e da AMT. FIGURA 138

AUMENTO DE AMT POR MEIO DA REDUÇÃO DA ESPESSURA DA PÁ

Espessura original

Espessura normal Esmerilhar

Largura original de saída

Largura nova

Estreitamento máximo Deixar no mínimo 2mm

Aumento da área de saída do impelidor pelo estreitamento

AMT ou head e rendimento

Com estreitamento

Sem estreitamento

Ponto de maior eficiência (BEP)

Vazão

248

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

gar a passagem de saída do impelidor por meio da redução da espessura das pás. Manter uma espessura mínima para evitar que a pá venha a quebrar. Junto com o aumento de AMT, a vazão e o rendimento da bomba aumentarão e o BEP será deslocado um pouco para a direita, conforme pode ser visto na Figura 138. FIGURA 139

GANHO DE AMT E DE NPSH

Melhorar AMT

Melhorar NPSH

Arredondar e aumentar a área de entrada do impelidor Aguçar e dar bom acabamento à entrada das palhetas Remover as imperfeições de fundição Uniformizar a área entre as pás

FIGURA 140

GANHO DE VAZÃO E DE RENDIMENTO

MELHORAR A VAZÃO

Esmerilhar a lingüeta da carcaça

MELHORAR A VAZÃO E O RENDIMENTO

Esmerilhar a lingüeta da carcaça de ambos os lados

PETROBRAS

Esmerilhar internamente as paredes do impelidor

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

249

Pense e Anote

Para aumentar a AMT (pressão de descarga) em até 5%, podemos alar-

Anel pescador É importante que seja fabricado com material que não solte limalhas, uma

Pense e Anote

vez que pode roçar lateralmente. Se estiver ovalizado, pode não girar com o eixo e prejudicar a lubrificação. Se o nível de óleo estiver muito alto, pode impedir a rotação do anel e, se estiver baixo, pode não arrastar a quantidade de óleo necessária para a lubrificação adequada do mancal. Devemos seguir a recomendação do fabricante. É comum as caixas de mancais com anel pescador possuírem sobre ele uma oleadeira ou um bujão roscado que, uma vez aberto, permite verificar se o anel está girando com o eixo. Devemos ter cuidado com equipamentos que ficam na reserva girando em baixa rotação, como no caso de turbinas a vapor e de bombas acionadas por elas, uma vez que, abaixo de 400/500rpm, geralmente, os anéis não giram, o que levaria à falha do mancal. Nesse caso, é interessante determinar a rotação mínima que garanta o giro do anel pescador, colocar cerca de 100rpm adicionais, fixando esta rotação como a mínima de operação. FIGURA 141

ANEL PESCADOR DE ÓLEO

Mancais de rolamentos Durante a montagem, se necessário, use um martelo macio (de bronze ou de uretano) para bater no eixo. Como a área de apoio de uma esfera é mínima, qualquer força exercida gerará uma pressão elevada (Pressão = Força/Área) e, como não temos lubrificação, marcará a pista do rolamento, abreviando sua vida consideravelmente. 250

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

O consultor Heinz Bloch costuma avaliar a qualidade da manutenção de uma unidade examinando as mossas nos acoplamentos e nas pontas de eixo. Quanto maior a quantidade de mossas, pior a qualidade.

A norma API 610 recomenda:

1. Os rolamentos de contato angular devem ter um ângulo de contato de 40º, ser montados aos pares, costas com costas (back to back) e possuir espaçadores de bronze usinado. Espaçadores não metálicos não devem ser usados. Os de aço prensado podem ser utilizados, desde que o usuário aceite.

2. Os rolamentos de esferas de uma carreira devem ser de pistas profundas, com folga interna maior do que a normal (grupo 3 – antigo C3). Os rolamentos de uma e de duas carreiras de esferas devem ser do tipo Conrad (sem rebaixo na pista para entrada das esferas). O rebaixo na pista permite montar uma quantidade maior de esferas e de diâmetros maiores, o que aumenta a capacidade de carga do rolamento. Em compensação, essa região do rebaixo é, geralmente, o local inicial do processo de falha. Como os rolamentos radiais das bombas não costumam ser limitantes, do ponto de vista de cargas, é preferível utilizar rolamentos sem rebaixo. O rolamento deve ser aquecido para sua montagem no eixo. Os métodos mais recomendados de aquecimento são por meio de uma chapa térmica ou do aquecimento por indução. O aquecimento por meio de banho de óleo possui alguns inconvenientes, como a oxidação do óleo usado no aquecimento e os pós que caem dentro do aquecedor, podendo vir a prejudicar a vida do rolamento. O rolamento é projetado para ter um ajuste entre as esferas e as pistas. Ao ser montado no eixo, geralmente com interferência, a folga é reduzida a um valor ideal para o seu funcionamento. Se a tolerância do diâmetro do eixo estiver no valor máximo e a da pista interna do rolamento estiver no valor mínimo, a interferência aumentará, reduzindo a folga interna, o que aumentará a temperatura de funcionamento. Quando os furos da caixa de mancais estão desalinhados, a folga interna do rolamento pode não ser suficiente para absorver o desalinhamento, o que levará as esferas a entrarem em contato com as pistas, desgastar o espaçador e gerar aquecimento. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

251

FIGURA 142

MÉTODOS DE AQUECIMENTO DO ROLAMENTO

Pense e Anote

Chapa térmica

Aquecedor por indução

FIGURA 143

TIPOS DE MONTAGEM DE ROLAMENTOS DE CONTATO ANGULARES AOS PARES E COM AS DESIGNAÇÕES USADAS

Costa a costa Back to back Disposição O Disposição DB

Faca a face Face to face Disposição X Disposição DF

Em série Tandem Disposição DT

Quando resfriamos a caixa de mancal com câmaras de água sobre os rolamentos, podemos deformar a pista externa deles, reduzindo sua folga. Os especialistas recomendam resfriar o óleo e não a caixa. Devido aos motivos relacionados, a norma API 610 recomenda usar folga do Grupo 3, que é um pouco maior do que a normal para os rolamentos radiais (os de contato angular devem ter sua folga normal). As bombas horizontais do tipo API utilizam rolamentos de contato angular, projetados para serem montados aos pares, na disposição costa com costa. Esses rolamentos possuem as faces das pistas lapidadas 252

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote de modo que, ao encostar um rolamento no outro, somente as pistas externas se tocam, ficando uma folga pequena entre as pistas internas. Esta folga só é eliminada com o aperto da porca do rolamento. Nessa condição, a folga das esferas nas pistas assume o valor ideal para suportar a carga axial e radial.

Mancais de deslizamento As folgas dos mancais de deslizamento são fornecidas nos catálogos dos fabricantes, ou como folgas radiais ou como diametrais. As folgas diametrais são o dobro das radiais. O melhor método de medição de folga nesse tipo de mancal é o com uso de Plastigage. Trata-se de um filamento plástico que, ao ser deformado, adquire uma largura proporcional à folga. Depois de deformado, basta comparar sua espessura com uma escala na própria embalagem para saber a folga. Nunca devemos passar lixa em mancais de deslizamento. A areia penetra no metal patente e funciona como uma ferramenta de usinagem para o eixo. Se necessitar remover alguma parte riscada ou danificada, utilize uma rasquete. FIGURA 144

FOLGA DO MANCAL DE DESLIZAMENTO

Folga radial

Folga diametral

Quando a folga do fabricante não estiver disponível, utilizar os seguintes valores: mm Folga diametral normal dos mancais =

In

0,07 + 0,001x D(mm) 0,003 + 0,001 x D (in)

Folga máxima admissível = 1,5 folga normal

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

253

EXEMPLO

Eixo com 80mm de diâmetro: Folga diametral normal = 0,07 + 0,001 x 80 = 0,15mm

Pense e Anote

Folga máxima = 1,5 x 0,15 = 0,22mm

Tubulação de sucção A tubulação de sucção deve ser projetada para evitar pontos altos que possam acumular gases no seu interior, o que prejudica o fluxo do líquido. A bolha acumulada também pode soltar-se repentinamente, causando problemas no bombeamento. Por esse motivo, a tubulação de sucção deve sempre ser ascendente ou descendente. Pelo mesmo motivo citado, as reduções devem ser excêntricas. A posição do lado plano vai depender da orientação da tubulação de sucção. Caso a mesma venha reta, ou da parte de baixo da bomba, o lado plano deve ficar para cima. Caso a tubulação venha de cima, o lado plano deve ficar na parte inferior. FIGURA 145

POSIÇÃO DA REDUÇÃO EXCÊNTRICA E DAS CURVAS NA TUBULAÇÃO DE SUCÇÃO

A

B

C

Plana no topo

Plana na parte inferior

Nas bombas com impelidor de dupla sucção, caso tenhamos uma curva próxima à bomba, ela deve ser perpendicular ao eixo, conforme pode ser verificado nas Figuras 145A e 145B. Se for paralela, teremos fluxo preferencial para um dos lados do impelidor devido à força centrífuga na curva (ver Figura 145C), gerando um elevado empuxo axial, o que leva à falha prematura do mancal. 254

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

FIGURA 146

POSIÇÃO ERRADA DE VÁLVULA NA SUCÇÃO PARA IMPELIDOR DE DUPLA SUCÇÃO

L

 7D

D Zona de vórtices

Em bombas com impelidores de dupla sucção, a válvula na linha de entrada deve ficar afastada mais do que 7D do flange da bomba. A Figura 146 mostra uma posição da válvula que poderá induzir fluxo preferencial para um dos lados do impelidor, gerando empuxo axial alto. Caso não exista espaço, girar a válvula de 90º de modo que sua haste fique perpendicular ao eixo. Assim, as perturbações do fluxo serão igualmente divididas para os dois lados do impelidor.

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

255

A

s bombas de deslocamento positivo trabalham aprisionando um

volume de líquido numa câmara na sucção, deslocam esse volume até a descarga e, nessa região, reduzem o volume da câmara, empurrando o líquido para fora da bomba. Os nomes dessas bombas, de deslocamento positivo ou volumétrica, são decorrentes desse seu modo de trabalhar. Nas bombas de deslocamento positivo, a energia é cedida ao líquido pelo deslocamento de um êmbolo, pistão, diafragma ou pela rotação de uma peça. Nas bombas centrífugas, tanto a vazão quanto a pressão de descarga são dadas pelo sistema juntamente com a bomba (ela trabalha no ponto de encontro da sua curva de AMT x vazão com a curva do sistema). Já na bomba de deslocamento positivo, para uma mesma rotação, o volume de líquido empurrado para a descarga é sempre o mesmo, ou seja, a vazão é constante, não depende do sistema. Quanto maior a resistência ao escoamento na linha de descarga, maior a pressão. Podemos afirmar então que, na operação da bomba de deslocamento positivo, a bomba é a responsável pela vazão e o sistema é o responsável pela pressão de descarga. Na realidade, ocorre uma ligeira queda de vazão com o aumento de pressão, devido à fuga do líquido pelas folgas. Se a bomba estiver em bom estado, com as folgas adequadas, esta fuga pode ser considerada desprezível. Ocorrendo uma restrição grande na descarga, a pressão pode chegar a valores muito altos, já que a bomba volumétrica continuará a fornecer sua vazão. Por esse motivo, essas bombas devem possuir uma válvula de alívio na descarga, evitando que a pressão ultrapasse a de projeto da bomba. Essa válvula de alívio pode fazer parte do projeto da bomba, sendo interna, ou pode ser colocada na linha de descarga, externamente à bomba. Neste caso, por razões de segurança, deve ser instalada antes de qualquer outra válvula na descarga. Ela pode aliviar para a sucção da bomba ou para um vaso (o que é melhor). PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

257

Pense e Anote

Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas

TABELA 147

POSIÇÃO DA VÁLVULA DE ALÍVIO EXTERNAMENTE A BOMBA E ANTES DE QUALQUER BLOQUEIO

Pense e Anote

Válvula de segurança

Bomba volumétrica

Quando tratamos de bombas centrífugas, usamos por conveniência o termo AMT ou head em vez de pressão, porque esse tipo de bomba fornece uma mesma AMT para qualquer fluido. Como na bomba de deslocamento positivo isso não ocorre, e é o sistema que comanda a pressão, não se usa AMT e sim a própria pressão, ou o diferencial de pressão (diferença entre a pressão de descarga e a de sucção). As bombas volumétricas, ao contrário das bombas centrífugas, são sempre auto-escorvantes, ou seja, conseguem bombear o ar do seu interior e criar um vazio que será preenchido pelo líquido. Existem também bombas centrífugas com um projeto especial de uma câmara de líquido junto da carcaça, que as tornam auto-escorvantes. Mesmo sendo autoescorvantes, as bombas de deslocamento positivo devem ser cheias de líquido antes de partir, evitando assim o desgaste que ocorre quando funcionam secas. Com líquidos de viscosidade alta, as bombas centrífugas perdem muito em rendimento e, conseqüentemente, aumentam a potência para o bombeamento. Por isso, para líquidos acima de 1.000SSU (200cSt), raramente são usadas bombas centrífugas. As bombas de deslocamento positivo, por não serem afetadas pela viscosidade, são mais indicadas para esses casos. A maioria das bombas de deslocamento positivo pode trabalhar como motores hidráulicos. Para tal, basta que sejam alimentadas com líquido pressurizado pela descarga, deixando-o sair pela sucção da bomba. As bombas centrífugas também se adaptam a esse tipo de trabalho, sendo chamadas, neste caso, de turbinas de recuperação hidráulica. As bombas de deslocamento positivo podem sofrer problemas de vaporização na sucção. Devemos sempre ter o NPSH disponível maior do que o requerido. Nas bombas alternativas, como a vazão varia ao longo do curso 258

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

la de energia correspondente à aceleração do líquido, subtraindo-a. Como muitas bombas de deslocamento positivo trabalham com pressões negativas na sucção, devemos ter cuidado com a entrada de ar pelas juntas da tubulação de sucção, o que leva a uma perda de desempenho.

Bombas alternativas As bombas alternativas fornecem a energia ao líquido por meio do deslocamento linear de um pistão, de um êmbolo ou de um diafragma. Essas bombas são ditas de simples efeito quando bombeiam apenas num dos sentidos do curso, e de duplo efeito quando bombeiam nos dois sentidos.

Bombas de pistão ou de êmbolo Uma bomba é dita de pistão quando possui uma peça (o pistão) que é fixada na haste; a bomba de êmbolo é formada por uma única peça (a própria haste), responsável por deslocar o líquido. Elas podem ser acionadas diretamente por um acionador de movimento linear, como um cilindro a vapor ou um diafragma com ar comprimido, ou podem utilizar um acionador rotativo, como um motor elétrico. Nesse caso, necessitam de um sistema biela/manivela para transformar o movimento rotativo em alternativo. Existem disponíveis bombas de um cilindro ou com vários cilindros em paralelo. As que possuem um único cilindro são denominadas simplex, as de dois cilindros são as duplex, as de três são as triplex e as de cinco são as quintuplex. FIGURA 148

BOMBA ALTERNATIVA DE PISTÃO, DE SIMPLES EFEITO, ACIONADA POR SISTEMA DE BIELA/MANIVELA

9

6

10

5

4

3

2 1. Carter 2. Eixo de manivela 3. Biela 4. Cruzela 5. Haste 6. Camisa 7. Cilindro 8. Pistão 9. Válvula 10. Anel de vedação

8

7 1

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

259

Pense e Anote

do pistão, temos de levar em conta no cálculo do NPSH disponível a parce-

FIGURA 149

BOMBA ALTERNATIVA SIMPLEX, DE DUPLO EFEITO, ACIONADA A VAPOR

Pense e Anote

Lado do vapor

Lado do produto

Válvula corrediça

FIGURA 150

VÁLVULAS CORREDIÇAS DE DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR

Exaustão Válvula distribuidora de vapor

Câmara de entrada de vapor

Exaustão de vapor

Entrada de vapor

Pistão Sentido do movimento de êmbolo Exaustão Válvula distribuidora de vapor

Exaustão de vapor

Entrada de vapor

Sentido do movimento de êmbolo Pistão

260

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote A bomba alternativa acionada a vapor possui dois cilindros em linha. Um é o cilindro de vapor, que é o acionador. O outro é o cilindro do produto que será bombeado. Esses cilindros possuem seus pistões interligados por hastes, movendo-os solidários. O cilindro de vapor possui uma válvula corrediça de distribuição de vapor, comandada por um sistema de alavancas interligadas à haste da bomba. Vamos acompanhar o funcionamento pelas Figuras 149 e 150. Inicialmente, a válvula corrediça alimenta de vapor o lado esquerdo do cilindro e abre o lado direito para a exaustão, fazendo com que o pistão e a haste se desloquem para a direita. Quando o pistão de vapor chega ao final do curso, a válvula corrediça está na posição da figura da direita, fazendo a inversão das aberturas, e passa a admitir vapor do lado direito do cilindro e a fazer a exaustão no lado esquerdo. Com isso, o pistão irá mover-se para a esquerda. Ao chegar ao final desse curso, torna a inverter o movimento. Assim, o vapor gera um movimento contínuo alternativo. O pistão da bomba, que está interligado ao de vapor, aspira o produto de um dos lados e empurra o produto pela válvula de descarga do outro. Ao chegar ao final do curso, ele inverte. O cilindro mostrado é de duplo efeito e trabalha nos dois sentidos. Tanto as válvulas de sucção quanto as válvulas de descarga trabalham com molas. A sua abertura é realizada pelo diferencial de pressão. Para controlar a vazão na bomba acionada a vapor, temos de controlar a quantidade de vapor admitida na bomba. Quanto maior a vazão de vapor, maior a velocidade de deslocamento do pistão, ou seja, maior o número de ciclos executados por minuto. Devemos sempre garantir que esteja chegando líquido na admissão da bomba alternativa acionada a vapor. Se ocorrer falta de produto na sucção ou a sua vaporização, a bomba tenderá a disparar, já que a quantidade de vapor fornecida será a mesma de quando a bomba estava com carga. A bomba, em vez de líquido, estará bombeando ar ou gases, os quais demandam bem menos potência. Essa situação, geralmente, leva a bomba a disparar, com vibrações que acabam por afrouxar partes roscadas, podendo vir a quebrar a bomba.

Bombas de diafragma As bombas de diafragma disponíveis podem ter diversas configurações. Vejamos o funcionamento da bomba de diafragma, lado esquerdo da Figura 151. Temos dois ciclos: admissão e descarga. Inicialmente, o ar comprimido é admitido na parte inferior do pistão, fazendo com que ele suba, levando junto o diafragma. O vácuo então formado na câmara abre a válvula de sucção e fecha a de descarga do produto. À medida que o diafragma vai subindo, o líquido vai enchendo a câmara da bomba. Ao atingir o ponto superior, termina o ciclo de admissão e começa o de descarga. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

261

Assim que o líquido parar de ser admitido, a esfera da válvula cai e bloqueia a sucção. O ar comprimido que era direcionado para o cilindro é desviado para a parte superior do diafragma. O diafragma começa a descer, arrastando com ele o pistão. O líquido começa a ser pressurizado e a

Pense e Anote

deslocar-se, abrindo a válvula de descarga e permitindo o escoamento do produto. Quando o diafragma chegar ao seu ponto inferior, termina o ciclo de descarga e tem início um novo ciclo de admissão. A bomba de diafragma descrita é acionada por um cilindro de ar, mas existem outros modelos acionados por outros sistemas, como o de biela/manivela. FIGURA 151

BOMBAS DE DIAFRAGMA ACIONADAS POR PISTÃO E POR OUTRO DIAFRAGMA

Bomba de diafragma A

B

Pistão

Válvula de descarga

Câmara

Válvula de sucção

Duplo diafragma

A bomba de duplo diafragma possui duas câmaras com diafragmas interligados por uma haste. Uma das câmaras é a acionadora, movida a ar comprimido, e a outra é a do produto que será bombeado. O funcionamento da bomba é semelhante ao descrito anteriormente. Algumas bombas alternativas possuem dispositivos que permitem alterar a vazão. Quando a bomba é acionada pelo sistema de biela/manivela, podemos modificar a vazão, variando a rotação ou o curso do pistão. Para variar o curso, modificamos o raio da manivela. As bombas dosadoras costumam ser do tipo alternativa e utilizam êmbolo ou diafragma. 262

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

fragmas em série com óleo entre eles, evitando assim que ocorra contaminação caso o diafragma venha a romper. A vazão fornecida pelas bombas de deslocamento positivo é pulsante. Ela é máxima, quando o cilindro está no meio do curso, e mínima (zero), quando está no início ou final do curso. Variando a vazão, a pressão também sofrerá variação. Para uma mesma rotação, quanto maior o número de cilindros, menor a pulsação de pressão e de vazão. Quando a pulsação puder trazer algum problema, é usual colocar um amortecedor de pulsação na linha de descarga da bomba alternativa. Esses amortecedores podem ser de diafragma, de bexiga ou de pistão. FIGURA 152

VAZÃO AO LONGO DO TEMPO DA BOMBA ALTERNATIVA

Vazão Vazão da bomba alternativa simplex Tempo de simples efeito Vazão Vazão da bomba alternativa simplex Tempo de duplo efeito

Bombas rotativas As bombas rotativas fornecem energia ao líquido por meio de um elemento rotativo. A rotação visa apenas deslocar o líquido e não acelerá-lo. Como toda bomba de deslocamento positivo, as rotativas também aprisionam o líquido em uma câmara na região de sucção e, por meio de rotação, empurram o líquido para a descarga. Esse tipo de bomba não necessita de válvulas para o seu funcionamento. Nas alternativas puras, é indispensável o uso de válvulas na entrada e na descarga da bomba. As bombas rotativas possuem folgas entre o elemento girante e o estacionário, de modo que sempre temos um pequeno vazamento interno. Se não tivéssemos as fugas, a vazão seria sempre a mesma, independente da pressão (caso teórico). No caso real, quanto maior o diferencial de pressão da bomba (⌬P), maior esse vazamento e, conseqüentemente, um pouco menor a vazão fornecida ao sistema. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

263

Pense e Anote

Algumas bombas, que trabalham com fluidos agressivos, usam dois dia-

FIGURA 153

VAZÃO X ⌬P PARA BOMBAS ROTATIVAS

Pense e Anote

⌬P

⌬P

Vazamento interno

Vazão

Vazão

Teórico

Teórico

Quanto maior a viscosidade do líquido bombeado, menor as fugas, o que aumenta ligeiramente a vazão da bomba. Os principais tipos de bombas rotativas usadas são: de engrenagens (externas e internas); de fusos (1, 2 ou 3 fusos); de palhetas e de lóbulos.

Bomba de engrenagens As bombas de engrenagem podem ser de dois tipos: engrenagens internas e externas. As de engrenagens internas podem ser com crescente ou sem crescente. FIGURA 154

BOMBA DE ENGRENAGENS EXTERNAS E INTERNAS

3

3 4

2 1

1 2 Engrenagens externas

Engrenagens internas com crescente

264

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Engrenagens internas sem crescente

Acompanhar o funcionamento pela Figura 154. Ao girar, as engrenagens aprisionam o líquido que está na entrada da bomba, região 1, entre dois dentes consecutivos e a carcaça, levando-o para a região 2. Esse volume de líquido bloqueado vai sendo levado pelo giro das engrenagens até chegar à região 3, onde é liberado, seja qual for a pressão reinante na descarga. A engrenagem continuará girando e chegará à região 4, onde os dentes se engrenam, impedindo o retorno do líquido para a sucção. As duas engrenagens, cada uma girando num sentido, bombeiam simultaneamente. BOMBAS DE ENGRENAGENS INTERNAS COM CRESCENTE Ambas as engrenagens aprisionam os volumes entre seus dentes e o crescente. Antes do crescente, fica a região de sucção. Depois dele, a região de descarga. Ao chegar à parte superior, os dentes se engrenam, fazendo a vedação e impedindo o retorno do líquido bombeado. BOMBAS DE ENGRENAGENS INTERNAS SEM CRESCENTE O bombeamento é similar ao de engrenagens externas. Devido ao elevado número de dentes e à rotação, a vazão e a pressão fornecidas pelas bombas de engrenagens não são consideradas pulsantes. Para ter um bom desempenho, as engrenagens têm de estar bem ajustadas entre si, como também devem estar na carcaça ou no crescente. Os dentes e as partes responsáveis pelo aprisionamento dos volumes não devem ter marcas nem arranhões, do contrário, haverá perdas no volume bombeado.

Bomba de fusos ou de parafusos Essas bombas podem ter os fusos arrastados por um fuso motriz ou disporem de engrenagens de sincronismo. Podem succionar de um lado apenas ou dos dois lados. Neste caso, descarregam pelo centro da carcaça. A bomba de parafusos, mostrada na Figura 155, possui um fuso motriz e dois conduzidos. Como existe um diferencial de pressão nas faces dos fusos, há necessidade de um sistema de balanceamento axial. Por isso, possui nos mancais do lado da sucção uma linha ligada à descarga. Na bomba da Figura 156, a entrada do líquido é realizada pelas duas extremidades, e a descarga ocorre pelo centro da bomba, o que equilibra o esforço axial nos fusos. Essa bomba possui engrenagens de sincronismo para acionar o fuso conduzido. O bombeamento é realizado por meio do volume de líquido aprisionado entre os fusos e a carcaça. No caso de três fusos, temos também um volume entre os fusos laterais e o central. À medida que o fuso PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

265

Pense e Anote

BOMBA DE ENGRENAGENS EXTERNAS

vai girando, o líquido vai sendo deslocado axialmente, da sucção para a descarga. Os fusos se engrenam vedando e impedindo o retorno do

Pense e Anote

líquido. A vazão é contínua, logo, não temos pulsação de pressão. Algumas dessas bombas possuem uma válvula de alívio (segurança) interna. FIGURA 155

BOMBA DE 3 FUSOS E DE SIMPLES SUCÇÃO

Entrada

Saída

Eixo motriz

Mancal externo Selagem

Fusos temperados

Pistão de balanço Tampa do balanço Camisa dos rotores Câmara de empuxo ligada à descarga

FIGURA 156

BOMBA DE 2 FUSOS E DE DUPLA SUCÇÃO

Fuso conduzido

Saída

Selagem

Mancal

Engrenagens de sincronismo

Fuso motor

Entrada

266

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote Bombas de palhetas A bomba de palhetas, Figura 157, possui um rotor que gira excentricamente com a carcaça. Nesse rotor, ficam alojadas diversas palhetas que, pela força centrífuga ou por meio de molas, são expelidas, mantendo contato com a carcaça. Na região de sucção, a carcaça possui um rebaixo para permitir a entrada do líquido. Como o rotor é montado excêntrico com a carcaça, na sucção, as pás consecutivas formam uma câmara com a carcaça, onde cabe um determinado volume. O rotor, ao girar, bloqueia o líquido nessas câmaras, deslocando-o até chegar à região da descarga. Devido à excentricidade do rotor, o volume da câmara fica praticamente nulo nessa região, obrigando o líquido a sair pela descarga da bomba. Com rotação alta, esse tipo de bomba não apresenta pulsação de vazão nem de pressão. FIGURA 157

BOMBAS DE PALHETAS

Bomba de cavidade progressiva Essa bomba é constituída por um rotor e um estator, o qual normalmente é construído de um material elástico, como Buna N e Viton. O líquido fica preso nas cavidades entre o rotor e o estator e vai sendo deslocado pelo giro do rotor, da sucção para a descarga. A pressão que esta bomba fornece não é muito alta, aproximadamente de 6kg/cm2. Quando se desejam pressões maiores, são utilizadas bombas em série. PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

267

FIGURA 158

BOMBA DE CAVIDADES PROGRESSIVAS

Pense e Anote

Selagem

Rotor

Estator

Caixa de mancais

Bomba de lóbulos As bombas de lóbulos possuem dois rotores que giram em sentido contrário dentro da carcaça. Pelo seu formato, ao girarem, aprisionam na sucção um volume de líquido entre seus lóbulos e a carcaça, volume esse que é deslocado e liberado na descarga. Os rotores estão sempre em contato na parte central, fazendo a vedação. Existem bombas de um, dois, três e cinco lóbulos. FIGURA 159

BOMBAS COM 1, 2, 3 E 5 LÓBULOS

268

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Essa bomba é formada por um tubo flexível, montado sob a forma de U. Um ou mais roletes giratórios ou excêntricos passam espremendo o tubo, deslocando o líquido da sucção para a descarga. É uma bomba bastante simples e que não precisa de selagem. A única parte que entra em contato com o líquido é o tubo flexível. Seu principal desgaste ocorre no tubo flexível.

Pense e Anote

Bomba peristáltica

FIGURA 160

BOMBA PERISTÁLTICA

Tubo em U flexível

Excêntrico giratório

Bombas de pistão rotativo As bombas de pistões axiais variam a vazão pela alteração da inclinação de um disco que aciona os pistões. Quanto mais inclinado o disco, maior o curso dos pistões, portanto, maior a vazão. O disco é montado sobre o eixo por meio de uma junta esférica, não mostrado na figura, que permite sua oscilação. FIGURA 161

ESQUEMA DA VARIAÇÃO DE VAZÃO DA BOMBA ALTERNATIVA DE PISTÕES AXIAIS Curso do pistão

Ângulo máximo significa curso máximo do pistão e máxima vazão

Curso zero

Redução do ângulo significa curso reduzido e vazão reduzida PETROBRAS

Ângulo zero significa curso zero (pistão não se move) e vazão nula

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

269

FIGURA 162

BOMBA DE PISTÃO AXIAL COM AJUSTE DA VAZÃO

Pense e Anote

Pistão de ajuste do curso

Porta de enchimento

Dispositivo de retorno com mola

Prato da válvula

Saída Bucha Mola

Entrada

Bloco do Pistão cilindro

Placa oscilante

As principais partes da bomba de vazão variável de pistão axial são: BLOCO DO CILINDRO

Peça que gira junto com o eixo e possui diversos furos em que se alojarão os pistões axiais. É conectado ao eixo através de estrias. PISTÕES

Cada furo do bloco do cilindro comporta um pistão. Um lado do pistão é esférico e se conecta com a placa oscilante. PLACA OSCILANTE

Ela pode oscilar em torno do eixo sobre uma junta esférica. Os pistões são articulados com essa placa. DISPOSITIVO DE RETORNO COM MOLA

Serve para empurrar a placa oscilante contra o pistão de ajuste. EIXO

É acoplado ao bloco de cilindros por meio de estrias. O eixo é assentado por intermédio de um rolamento na carcaça e de uma bucha no prato da válvula. 270

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Peça estática, na qual se localizam as conexões de entrada e saída do produto. Junta esférica, sapata da placa, mancal tipo bucha, mola e a caixa também fazem parte da bomba.

Princípio de funcionamento O eixo, a placa oscilante e o bloco do cilindro, juntamente com os pistões, giram solidários. A placa oscilante permanece com uma determinada inclinação ajustada e é livre girar no seu plano. À medida que o bloco de cilindros gira com o eixo, os pistões fazem um movimento alternativo nos seus furos. As portas de entrada e de saída do líquido são arranjadas de tal modo que os pistões passam na entrada quando estão sendo recolhidos e passam na saída quando estão sendo empurrados. O volume deslocado depende do diâmetro, do número de pistões e do seu curso. O curso depende do ângulo de ajuste da placa oscilante. A variação do curso do pistão é possível pela mudança do ângulo da placa oscilante. Isso é feito por meio de um dispositivo de posicionamento angular da placa. O ângulo pode ser modificado manualmente por meio de um parafuso de ajuste ou de uma linha-piloto (linha pressurizada). Batentes são providos para as posições de curso máximo e mínimo.

Outros tipos de bombas rotativas de deslocamento positivo A variedade de bombas de deslocamento positivo rotativas é muito grande. Na Figura 163, mostramos alguns outros modelos que são utilizados. FIGURA 163

BOMBAS DE PALHETA EXTERNA, DE PÁS FLEXÍVEIS E DE CAME COM PISTÃO

Bomba de palheta externa

Bomba de pás flexíveis

PETROBRAS

Bomba com came e pistão

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

271

Pense e Anote

PRA TO D A VÁL VUL PRAT DA VÁLVUL VULA VULA

A bomba de palheta externa possui uma peça rotativa elítica, que é a

Pense e Anote

responsável pelo bombeamento, juntamente com uma palheta que faz a vedação. O líquido fica aprisionado entre a parte elítica e a câmara circular e, com o giro, vai sendo deslocado da sucção para a descarga. A palheta impede o retorno do líquido para a sucção, obrigando-o a sair pela descarga. A bomba de pás flexíveis usa a deformação das pás para realizar o bombeamento. A bomba de came e pistão funciona pelo movimento de um cilindro que gira excentricamente e em contato com um cilindro maior. O cilindro menor é guiado por uma haste cilíndrica (pistão) que trabalha numa bucha esférica.

272

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Pense e Anote

Bombas centrífugas especiais

A

lém das bombas centrífugas já citadas, existem algumas com ca-

racterísticas específicas. Entre estas temos: FIGURA 164

BOMBA AUTO-ESCORVANTE, SUBMERSA E TIPO “VORTEX”

Auto-escovante

Submersa

Vortex

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

273

Bomba auto-escorvante Essa bomba possui na frente de seu impelidor uma câmara com uma vál-

Pense e Anote

vula de retenção. Quando a bomba é desligada, o líquido fica retido nessa câmara. Na próxima partida, não será necessário escorvá-la.

Bomba submersa É uma bomba centrífuga tipo canned. A maioria das vezes esse tipo de bomba é montado com mangueiras flexíveis. É muito usada para esgotamentos de poços e de valas.

Bomba tipo “vortex” Esse tipo de bomba possui um impelidor aberto, que fica recuado em relação à descarga da bomba. Ao girar, o impelidor faz um turbilhonamento do líquido dentro da carcaça. Esse turbilhonamento provoca o arraste do líquido que está adjacente. É muito usada quando temos materiais em suspensão que poderiam obstruir o impelidor. Seu rendimento é baixo.

274

PETROBRAS

ABASTECIMENTO

Manutenção e Reparo de Bombas

Referências bibliográficas 0 : centrifugal pumps for petroAMERICAN PETROLEUM INSTITUTE. API 610 leum, petrochemical and natural gas industries. 9.ed. Washington: 2003. MATTOS, E. E.; FALCO R. Bombas industriais. 2.ed. Rio de Janeiro: Interciência, 1998. NELSON, W. E. Understanding pump cavitation. Chemical Processing. fev. de 1997. NSK. NSK Rolamentos - Motion Control NSK. São Paulo: 2002. SKF. Catálogo 4000P Reg. 47-6100-1990-09. Torino: 1990. SULZER BROTHERS LTD. Centrifugal pumps handbook. Winterthur: 1989. WORTHINGTON. PSI pump selection for industry. Nova York: [19 —]

SENAI / RJ PRODUZIDO

PELA

DIRETORIA

DE

EDUCAÇÃO

Coordenador de formação, capacitação e certificação de abastecimento M AURÍCIO L IMA Diretora de educação

ANDRÉA MARINHO F RANCO

Elaboração

GETÚLIO V. DR UM MOND

Gerente de educação profissional

L UIS R OBERTO ARRUDA

Gerência de educação profissional

A NA P AULA

DE

B ARROS L EITE

R ICARDO G OMES R ODRIGUES R OSEMARY LOM ELI NO

DE

SOUZA XAVIER

R OSILENE F ERREIRA MENEZES Revisão técnico-metodológica

E RNESTO F ERREIRA M ARTINS S ÉRGIO MOLINA M ICAELO

Revisão gramatical

L OURDES S ETTE

Revisão editorial

R ITA G ODOY

Projeto gráfico, programação visual e diagramação

I N -F ÓLIO – P RODUÇÃO EDITORIAL , GRÁFICA E P ROGRAMAÇÃO VISUAL