Desgaste das principais partes de uma bomba centrífuga

A figura 2 contém a foto de um rotor desgastado e foi extraída do volume 11 do ASM Handbook, o qual se intitula Análise e Prevenção de Falhas.

¨Se a cavitação ocorrer em uma bomba centrífuga, o dano geralmente surgirá na parte de trás das pás do rotor na mesma localização próxima à entrada do fluido e terá uma morfologia rugosa e pontiaguda. O dano por erosão, por outro lado será defronte as mesmas pás do rotor ou no lado de maior pressão e geralmente será constituído por uma morfologia ranhurada¨. ASM Handbook, 2002, v.11, p.854.

Figura 2. Desgaste por cavitação e erosão por partículas sólidas na superfície

de maior pressão da pá de um rotor de uma bomba centrífuga, conforme ASM Handbook, 2002, v.11, p.2183

“Cavitação é a remoção de material de uma superfície pela formação e rápido colapso de bolhas de gás ou vapor em um líquido adjacente. O pite de cavitação é causado pelo movimento rápido, repetitivo e relativo entre o metal e o líquido. Quando a pressão local é reduzida, como quando o metal e o líquido se movem momentaneamente em sentidos opostos, formam-se pequenas cavidades no líquido na interface com o metal nas regiões de baixa-pressão. Tais cavidades de gás ou vapor se formam quando a pressão local cai abaixo da pressão de vapor do líquido ou gás dissolvido. Então, quando o metal e o líquido se movem em vai-e-vem, um em relação ao outro, as cavidades na interface implodem, ou colapsam, sobre a superfície do metal, causando tensões de contato localizadas muito elevadas.” ASM Handbook, 2002, v.11, p.854.

Segundo Charles Zanini Miranda – 2007 - as tensões localizadas podem atingir pressões na ordem de 1Gpa.

O ASM Handbook, volume 18, intitula-se Tecnologia do Atrito,

Lubrificação e Desgaste. As páginas 1226-7 (versão eletrônica), lê-se:

“Cavitation is probably the most common cause of rapid component

erosion and wear in hydraulic machinery. The usual measure of likelihood of cavitation is the net positive suction head (NPSH), which is the difference between the static pressure (Ps) and the vapor pressure (Pv) of the liquid at the pump inlet flange, expressed in meters:

(1)

onde:

Ps = pressão estática atuante no flange de entrada da bomba ( em Pa) Pv = pressão de vapor do líquido (Pa)

Ɣ = peso específico (kgf/dm³) G = aceleração gravitacional

Um valor de NPSHr, é determinado pelo fabricante da bomba com base na ocorrência da formação de bolhas suficiente para produzir queda de 3% na pressão da bomba. NPSH disponível do sistema, ou NPSHd, deve ser pelo menos igual a esse valor. Caso não seja, outra bomba com menor exigência na sucção deve ser selecionada ou alguns meios devem ser encontrados para aumentar o NPSHd, tal como um reforço a montante ou, em uma bomba centrífuga, a utilização de um indutor axial. Uma abordagem útil para avaliar o potencial de danos devido à cavitação em bombas centrífugas é o conceito de velocidade específica de sucção, desenvolvida por Karassik:

(2)

Com o aumento do valor de S, maior será a probabilidade de danos devido à cavitação, mesmo que a queda da pressão atenda o limite de 3% valor da pressão. Caso a queda da pressão ultrapasse o valor de 3% a ocorrência de danos será mais grave. Cavitação em bombas sem indutores provavelmente haverá aumento do valor de S além da faixa de 13.300 a 16.000, onde NPSH será em pés e fluxo em gpm.

Uma causa indireta, mas importante de cavitação é a recirculação na sucção e descarga, que ocorre quando a bomba opera com fluxo muito abaixo do projetado para tal, e os ângulos de fluxo de entrada ou de saída não coincidir com os ãngulos das palhetas. Isto leva a turbilhões de fluxo secundário localizados sobre o lado de alta pressão da lâmina. O aumento da velocidade local nesses vórtices pode diminuir a pressão de

aspiração local, o suficiente para causar a cavitação e danos subsequentes. Este dano é normalmente distinguível de cavitação direta, porque geralmente ocorre no lado da pressão da lâmina. A cavitação directa ocorre geralmente quando a pressão estática no escoamento é baixo no fluxo primário – isto é, na superfície de sucção das lâminas, geralmente perto da entrada.

A Figura 3 contém uma foto de uma bomba com evidência de desgaste por cavitação direta, de acordo com o ASM Handbook, 2002, v.18, p.1228.

Figura 3. Estágios iniciais de dano e desgaste por cavitação direta em bomba

centrífuga. - ASM Handbook, 2002, v.18, p.1228

Alguns fabricantes de bombas cuja atuação é globalizada e, assim, integra o grupo dos chamados fabricantes de bombas em alta escala, têm publicado artigos na rede mundial sobre materiais de bombas resistentes ao desgaste. As figuras 4 e 5 integram um White paper da Flygt, 2013 sobre esse assunto. A relevância da dureza do material é um destaque quando se aborda severidade de uso da bomba para lamas erosivas: um rotor de ferro fundido

cinzento (“grey iron.”, dureza 196HB, 13 HRC) tem a sua resistência triplicada quando é revestido com filme duro e é recozida, dureza 37 HRC (“hard iron, annealed”) é uma maior ordem de grandeza quando é revestido com filme duro e é temperado, dureza 60 HRC (“hard iron, hardened”). No que concerne à resistência à corrosão, esse fabricante apresenta a importância de se considerar os íons cloretos no processo de seleção dos materiais da bomba, sugerindo materiais que se adequam às solicitações mais comumente encontradas em campo.

Figura 4. Dureza de materiais de partes de uma bomba bombeando lama (água

contendo 20% de pó de granito) após um trabalho comparativo da Resistência ao desgaste de vários materiais utilizados em bombas, de acordo com Flygt, 2.013.

Figura 5. Relevância do teor de íons cloreto presentes no fluido de bombeamento

sobre a resistência ao desgaste e à corrosão na seleção dos materiais de partes de uma bomba, de acordo com Flygt, 2013.