Bombas e Turbinas.pdf

COOPERATIVA DOS PROFISSIONAIS DE ENGENHARIA EM INTEGRIDADE DE EQUIPAMENTOS LTDA.

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Curso: Inspeo de Equipamentos e Instalaes Petrobrs / UN-Rio

BOMBAS E TURBINAS

Instrutor: GETLIO VARGAS Engenheiro Mecnico

Ano: 2004



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ndice

A) BOMBAS

1 INTRODUO............................................................................................................................2 2- CLASSIFICAO DE BOMBAS.................................................................................................2 3 - BOMBA DINMICA OU TURBO BOMBA..............................................................................3

3.1 Classificao API...........................................................................................................4 3.2 Resumo...........................................................................................................................5

4 - BOMBA CENTRFUGA..............................................................................................................5 4.1 Resumo...........................................................................................................................6

4.2- Aplicaes tpicas............................................................................................................6 4.3- Cavitao..........................................................................................................................7 4.4 - Recirculao interna........................................................................................................9 4.5- Entrada de gases.............................................................................................................12 4.6 - Bombas operando em paralelo.......................................................................................13 4.7 - Bombas operando em srie.............................................................................................13 4.8 Lubrificao...................................................................................................................14 4.9 - Seleo de bombas.........................................................................................................24 4.10 - Anlise de problemas de bombas centrfugas..............................................................25 4.11 - Dados prticos.............................................................................................................40

5 BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO OU VOLUMTRICAS............................ ....50 5.1- Bombas alternativas......................................................................................................51 5.2 - Bombas rotativas................................................................................................... ......54

6- BOMBAS CENTRFUGAS ESPECIAIS................................................................................. ..61 7- BIBLIOGRAFIA.........................................................................................................................61 B) TURBINAS 1- Turbina a Vapor...........................................................................................................................62 2- Turbina a Gs...............................................................................................................................71



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1 - INTRODUO Bombas so mquinas destinadas transferncia de lquidos de um ponto para outro. importante conhecer o equipamento para sabermos como operar e fazer manuteno. Este

conhecimento facilita tambm a identificao de falhas e o modo de san-las. Para realizar a movimentao do lquido, as bombas cedem energia ao mesmo sob a forma

de presso e de velocidade. As bombas podem ser classificadas em duas grandes famlias principais: - bombas dinmicas ou turbo bombas - bombas de deslocamento positivo ou volumtricas. Para seu funcionamento, a bomba necessita receber energia de um acionador. Os principais

acionadores usados nas bombas so: - motores eltricos; - turbinas a vapor; - motores de combusto interna. O acionamento das bombas realizado, principalmente, por motores eltricos, devido ao

custo de aquisio e de operao serem inferiores aos das turbinas e dos motores de combusto interna, alm de seu alto rendimento (90% contra cerca de 30%).

2- CLASSIFICAO DE BOMBAS Existe uma variedade muito grande de bombas no mercado. Podemos classific-las, baseado no seu funcionamento, em dois tipos principais:

CLASSIFICAO DE BOMBAS

Radial Centrfuga Tipo Francis

Fluxo axial Fluxo misto

Bombas Dinmicas

ou Turbobombas

Perifrica ou Regenerativa

Pisto mbolo

Alternativa

Diafragma

Engrenagens Parafusos Lbulos Palhetas Peristltica Cavidades Progressivas

Bombas Volumtricas ou de

Deslocamento Positivo

Rotativa



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A bomba dinmica ou turbobomba se caracteriza por fornecer energia ao lquido atravs da

rotao de um impelidor. A orientao do lquido ao sair do impelidor, determina, juntamente com a forma que a energia cedida, o tipo da turbobomba.

A bomba volumtrica ou de deslocamento positivo se caracteriza por executar seu trabalho atravs do aprisionamento de um certo volume do lquido na regio de suco e posterior deslocamento deste volume para a descarga. Seus nomes provem da forma como a energia transferida ao lquido: pisto, diafragma, engrenagens, palhetas, etc.

3 - BOMBA DINMICA OU TURBO BOMBA A turbo bomba, que trabalha cedendo energia ao lquido atravs de um impelidor, dividida

em 4 tipos, conforme descritos a seguir. 1 - Bomba centrfuga Podem ser do tipo radial ou tipo Francis. A bomba centrfuga radial ou centrfuga pura a

que possui as ps do impelidor com a curvatura em um s plano. Neste tipo de bomba, o fluxo sai do impelidor perpendicularmente ao eixo. O impelidor cede energia ao lquido atravs da fora centrfuga enquanto que a bomba centrfuga tipo Francis possui as ps do impelidor com curvatura em dois planos. Neste tipo, a energia cedida ao lquido pela fora centrfuga e de arrasto. O lquido sai do impelidor perpendicular ao eixo.

2 - Bomba de fluxo axial a bomba em que a energia cedida ao lquido sob a forma de arrasto. O fluxo do lquido

caminha paralelamente ao eixo. Seu impelidor lembra uma hlice de barco ou de um ventilador. 3 - Bomba de fluxo misto Esta bomba intermediria entre a centrfuga e axial. O fluxo sai do impelidor inclinado em

relao ao eixo. A energia transmitida pelo impelidor sob a forma centrfuga e de arrasto. 4 - Bomba perifrica ou regenerativa Tambm chamada de turbina regenerativa. Nestas bombas, as ps ficam situadas na

periferia do impelidor. A carcaa forma uma cmara em forma de anel (corte A-A). Em uma volta, o lquido entra e sai entre e sai diversas vezes nesta cmara e entre as ps do impelidor. Em cada entrada ganha um novo impulso, por isto, estas bombas costumam ter uma presso alta de descarga para o dimetro do impelidor. O lquido segue uma trajetria helicoidal. Na regio de descarga, a cmara se estreita para impedir o retorno do lquido para a regio de suco (corte B-B).



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Figura 1 Turbo-bombas com os 3 tipos de fluxo

Figura 2 Bomba regenerativa e seu impelidor

3.1 Classificao API O Cdigo API 610, norma pela qual so adquiridas a maioria das bombas centrfugas de

uma refinaria, sugere uma classificao e numerao em funo do tipo da bomba, fazendo uma diviso principal entre 3 modelos, baseados na posio do impelidor em relao aos mancais:

- bombas em balano (Overhung) - denominadas OH - bombas entre mancais (Between Bearings) - BB - bombas verticalmente suspensas (Vertically Suspended) - VS Estes modelos so subdivididos em vrios tipos. Cada tipo recebe uma designao iniciada

pelas letras acima, seguida de um nmero. A bomba centrfuga o tipo mais usado, principalmente devido a sua versatilidade. Ela faz

parte de um conjunto mais geral que denominamos turbobombas, que alm da centrfuga incluem a bomba axial e a de fluxo misto. Normalmente, so englobadas com o nome genrico de bombas centrfugas, embora a bomba axial, nada tenha de centrfuga.

Uma das vantagens da bomba centrfuga poder trabalhar com grandes variaes de vazo sem alterar a rotao, o que as bombas de deslocamento positivo geralmente no permitem.



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3.2 - Resumo As bombas dinmicas ou turbobombas podem ser classificadas em funo da orientao do

fluxo que sai das mesmas, em: radial, axial, mista e regenerativa. O API divide as bombas em 3 tipos de acordo com a posio do impelidor em relao aos

mancais: - OH (Overhung) em balano - BB (Between Bearing) entre mancais - VS (Vertically Suspended) verticalmente suspensas. A estas letras so acrescentados nmeros para identificar os modelos. A bomba centrfuga permite fcil controle de vazo. 4 - Bomba centrfuga.

Se colocssemos gotculas de lquido sobre um disco, ao girar o disco com uma rotao N,

as gotculas seriam expelidas para a periferia pelo efeito da fora centrfuga.

Figura 3 - Disco girando com gotas de lquido. A bomba centrfuga usa este mesmo princpio para funcionar, ou seja, faz uso da fora

centrfuga, advindo da o seu nome. Na bomba, esta energia cedida pelo impelidor, o qual orienta o fluxo do lquido pelos seus canais formados pelas ps e discos.

Para uma bomba centrfuga funcionar adequadamente h necessidade que a carcaa da mesma esteja cheia de lquido. Temos de substituir o ar do seu interior por lquido. Esta operao de encher a bomba chamada de escorva da bomba.

Figura 4 Esquema de funcionamento de uma bomba centrfuga



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O impelidor ao girar, transmite uma fora centrfuga que acelera o lquido que est no seu

interior, regies 3, 4 e 5, fazendo com que este lquido caminhe para a rea de sada do impelidor, sendo descarregado na voluta (6). O lquido entra com um movimento de rotao na voluta e orientado pela lingeta (8) para o cone de sada da carcaa (7). O lquido ao ser deslocado no interior do impelidor cria uma regio de menor presso, que preenchido pelo lquido que est imediatamente antes, na regio 2. A regio 2 ser preenchida pelo lquido que est em 1, e assim, sucessivamente. O impelidor ao girar, vai estabelecendo um fluxo contnuo de lquido da linha de suco para a descarga.

Se no tivssemos escorvado a bomba, em vez de lquido, teramos no seu interior ar ou gases e, nesta situao, o vcuo criado pelo impelidor ao girar, no seria suficiente para que o lquido imediatamente antes se deslocasse. Impedindo o funcionamento contnuo da bomba.

4.1 Resumo

O impelidor cede energia ao lquido sob a forma de velocidade. No prprio impelidor, parte

desta energia vai sendo transformada em energia de presso. No cone de sada da carcaa, temos uma transformao final de energia de velocidade para presso. Os difusores tambm transformam energia de velocidade em presso.

4.2- Aplicaes tpicas Bomba centrfuga um tipo de bomba bastante verstil. Da seu grande emprego na

indstria. Comportam desde pequenas bombas para bombeamento de gua residencial, bombas com

1/8 hp, at bombas de potncias bastante altas, que podem chegar a milhares de hp. Este tipo de bomba usado praticamente em todos os tipos de indstrias, como no caso das unidades de uma refinaria, na explorao de petrleo, no transporte de lquidos (oleodutos), nas indstrias qumicas, no abastecimento de gua das cidades, em irrigao de lavouras, em termoeltricas, na indstria de papel e celulose, nas aciarias e nas demais indstrias.

Tanto na explorao como no refino e no transporte de produtos (oleodutos), a bomba centrfuga possui larga aplicao, abrangendo praticamente todas as reas. mais fcil citar as condies em que no so empregadas.

- Quando vazo muito pequena (inferior a 5 m3/h), embora existam bombas menores. - Quando a viscosidade do fluido elevada pois, as bombas centrfugas tem grande perda de

rendimento nesta condio. - No bombeamento de leo lubrificante de grandes mquinas, embora algumas mquinas

utilizem bombas centrfugas neste tipo de servio, mais freqente o uso de bombas de parafusos ou de engrenagens.

Nas demais aplicaes usual a adoo de bombas centrfugas.



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4.3- Cavitao Quando a vaporizao do lquido no interior da bomba atinge uma certa intensidade, ocorre

um forte rudo como se a mesma estivesse bombeando pedras. A vibrao da bomba fica elevada e os ponteiros dos manmetros de suco e de descarga oscilam. A presso de descarga e a vazo ficam prejudicadas. Os impelidores podem sofrer danos. Nos casos mais severos, a bomba pode perder a escorva e deixar de bombear.

Este tipo de problema quase sempre diagnosticado como cavitao clssica da bomba, o que nem sempre verdade. Como veremos, estes mesmos sintomas, tambm, podem ser decorrentes da recirculao interna ou entrada de gases no lquido, cujos sintomas so bastante semelhantes. Entretanto, as solues destes problemas so bem distintas.

Quando vamos reduzindo a presso de um lquido numa dada temperatura, ao atingir a sua presso de vapor, temos incio vaporizao. Ocorrendo a vaporizao do lquido no interior da bomba, teremos a formao de bolhas de vapor. Elas iro se chocar e crescer de tamanho. Se a quantidade vaporizada de lquido for muito pequena, provvel que no notemos nenhum rudo e nem perda de desempenho da bomba. Por outro lado, se a quantidade vaporizada for muito elevada, as bolhas formadas ocuparo o espao que deveria ser do lquido, prejudicando a passagem do mesmo pelo impelidor, reduzindo o desempenho da bomba, fazendo com que a vazo e a presso de descarga sejam prejudicadas ou at inviabilizadas.

As bolhas de vapor formadas so impulsionadas pelo impelidor e tambm arrastadas pelo lquido, atingindo regies com maior presso. Ao atingir estas regies, as bolhas entraro em colapso, retornando fase lquida. A presso interna da bolha de vapor a prpria presso de vapor. Quando a presso externa for superior, ela retornar fase lquida.

O rudo e a vibrao que ouvimos no so decorrentes da vaporizao do lquido, mas sim do retorno do vapor fase lquida. Este retorno denominado de imploso das bolhas. Esta mudana sbita de fase gera ondas de choques que se transformam em vibrao.

Figura 5 Imploso das bolhas de vapor com arrancamento do material

Quando as bolhas de vapor retornam fase lquida, o volume ocupado pelo lquido muito

inferior ao do vapor. Instantaneamente fica um vazio que ser preenchido pelo lquido, criando um jato de lquido. Se estas bolhas esto no meio da corrente lquida, no acarretam danos, mas se estiverem prximas das paredes metlicas da bomba, face a no existncia de lquido junto s paredes para preencher a bolha, o jato ser formado no sentido da parede, atingindo a superfcie metlica com alta velocidade e presso. Com a bomba operando na condio de cavitao, so formadas milhares e milhares de pequenas bolhas continuamente, que acabam implodindo. como



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se tivssemos um martelamento contnuo na superfcie metlica, ocasionando fadiga (*) do material, com o posterior arrancamento de partculas do metal.

(*) Fadiga o fenmeno que devido a esforos repetitivos reduz a resistncia de um material, como no caso de

um arame que acaba partindo quando ficamos dobrando-o para um lado e para o outro seguidamente na mesma seo. A regio de imploso das bolhas costuma ser logo aps o incio das ps. Nesta regio, o

lquido j est recebendo energia do impelidor, portanto, aumentando a presso. Quando esta presso ultrapassa a presso de vapor temos o colapso das bolhas. Na regio da imploso que ocorre o arrancamento do material.

Quando um lquido vaporiza temos um aumento considervel de volume e quando ele condensa, temos o inverso, uma reduo considervel do volume. A seguir mostramos uma tabela com o volume especfico (*) da gua saturada e do vapor em equilbrio para diversas temperaturas.

(*) Volume especfico volume por unidade de massa, no caso da tabela, quantos cm3 so necessrios para formar a massa de uma grama do lquido ou do vapor saturado.

Temperatura oC gua (a) cm3/g Vapor (b) cm3/g Aumento de volume b/a

40 1,0078 19.550,3 19.398 70 1,0225 5.045,4 4.934 100 1,0434 1.672,52 1.603 200 1,1568 127,1 110

Tabela 1 Volumes especficos da gua e do vapor Pela tabela vemos que, cada grama de gua vaporizada na temperatura de 200oC ter seu

volume aumentado em 110 vezes. J na temperatura de 40oC, o aumento ser bem maior, chegando a 19.398 vezes. Por isto, quanto mais frio o lquido, maior ser a severidade do problema de cavitao. Os produtos de petrleo apresentam um aumento de volume bem inferior ao da gua ao vaporizarem. Por isto, a cavitao menos intensa comparativamente, o que no quer dizer que no resultem em danos considerveis.

A vaporizao uma transformao que necessita de calor para sua realizao. No caso da vaporizao no interior da bomba, este calor retirado do prprio lquido, fazendo com que ocorra um resfriamento nas proximidades do ponto em que ocorreu a vaporizao.

A cavitao gera vibrao, forte rudo, oscilao dos manmetros de suco e de descarga, perda de desempenho (vazo e presso) alm do desgaste da bomba, principalmente do impelidor, pelo arrancamento de partculas metlicas.

Agora que entendemos o que ocorre no interior da bomba, podemos dizer que cavitao o fenmeno de formao de bolhas de vapor por insuficincia de energia na suco da bomba, crescimento destas bolhas e seu retorno fase lquida (imploso), trazendo todos os inconvenientes j citados. Chamamos esta cavitao de clssica para no confundir com outras cavitaes que podem ocorrer na bomba, como a decorrente da recirculao interna, que ser vista a seguir.

Figura 6 Impelidores com desgaste devido cavitao.

O nome de cavitao vem de cavidade, que significa vazio. No caso das bombas devido ao

vazio formado na imploso das bolhas de vapor.



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Resumidamente temos que cavitao o fenmeno que ocorre quando temos a vaporizao do lquido bombeado, o crescimento das bolhas e a sua imploso, sendo que o rudo e a vibrao no so provenientes da vaporizao, mas da imploso destas bolhas. A cavitao causa um rudo acentuado, desgaste no impelidor, vibrao, oscilao das presses, perda de vazo e de presso.

O desgaste no impelidor na parte visvel da suco, logo no incio das ps. Estes mesmos fenmenos acontecem quando temos recirculao interna e entrada de gases

na bomba. A principal soluo para a cavitao aumentar a presso de suco. 4.4 - Recirculao interna No item anterior, vimos que a cavitao, devido formao e imploso das bolhas, faz com

que a bomba trabalhe com um rudo semelhante ao de bombear pedras, forte vibrao, oscilao dos ponteiros dos manmetros e perda de vazo e de presso. Na realidade existem 3 fenmenos que podem levar a estes sintomas: a cavitao clssica, a recirculao interna e a entrada de gases na suco da bomba. Vamos entender como cada um deles ocorre.

Toda bomba centrfuga projetada para trabalhar com uma vazo determinada. Quando a bomba trabalha nesta vazo seu rendimento mximo. Nesta condio, o lquido entra alinhado com as ps do impelidor, tangenciando-as, causando o mnimo de turbulncia. medida que vamos reduzindo a vazo, o ngulo de incidncia comea a ficar desfavorvel. Se continuarmos reduzindo a vazo, chegar a um ponto em que ocasionar um descolamento do lquido da parede da p do impelidor, criando um vazio, uma regio de baixa presso, que como vimos, proporciona a vaporizao do lquido e tambm, favorecer a formao de vrtices (redemoinhos). As bolhas formadas pela vaporizao deslocar-se-o para regies de maior presso e retornaro fase lquida (imploso), causando danos similares aos da cavitao clssica.

Figura 7 Recirculao interna na suco

Os vrtices formados se propagaro para a suco, ocasionando um fluxo contrrio ao

normal no interior da bomba. A recirculao, inicialmente, fica restrita a suco da bomba, da receber o nome de recirculao da suco. Se a vazo continuar a cair, o fenmeno aumenta de intensidade fazendo com que os vrtices atinjam a descarga da bomba e passaremos a ter a recirculao interna na descarga, tambm.



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Figura 8 Variao da presso de suco e da descarga com recirculao

A bomba centrfuga tem uma vazo abaixo da qual este fenmeno de recirculao interna

ocorrer. Nas bombas de baixa energia (baixa potncia) a recirculao interna no causa grande preocupao, mas nas bombas de alta energia os danos podem ser severos.

Existem diversas vazes mnimas numa bomba centrfuga. Nas folhas de dados mais antigas, com mais de 20 anos, geralmente, a vazo mnima citada era a vazo mnima trmica. Trabalhando com a vazo baixa, o rendimento da bomba reduzido, ou seja, maior percentual da energia cedida pelo acionador ir virar calor, o que aumenta a temperatura do lquido, podendo fazer com que o mesmo vaporize. Nas bombas que trabalham prximo da linha de equilbrio de fases, um pequeno acrscimo de temperatura pode levar vaporizao. As bombas de gua de alimentao de caldeira esto neste caso. Por isto, costumam possuir uma vlvula de fluxo mnimo ou ter uma linha dotada de orifcio de restrio que interliga a descarga com o desaerador, garantindo assim uma vazo mnima para a bomba. Esta vazo mnima que evita a vaporizao pelo aquecimento do lquido no interior da bomba, recebe o nome de vazo mnima trmica.

Recentemente, com o aumento da preocupao com a recirculao interna, as folhas de dados das bombas passaram a exigir do fabricante o fornecimento da vazo mnima de recirculao interna ou vazo mnima de operao estvel, que costuma ser superior a vazo mnima trmica.

O API 610 define a vazo mnima estvel em funo da vibrao. a menor vazo que a bomba pode operar sem ultrapassar o limite de vibrao estipulado pela norma, que para bombas horizontais de 3,9 mm/s RMS. Isto no quer dizer que toda bomba que trabalhe com vibrao acima deste nvel esteja com problemas de recirculao interna, uma vez que desalinhamento e desbalanceamento entre outros, tambm, podem contribuir para a vibrao da bomba. Neste caso, o API est se referindo s vibraes de origem hidrulica, como o caso da recirculao interna. Teoricamente, a menor vibrao de origem hidrulica ocorre com a bomba trabalhando prxima da sua vazo de projeto (BEP). Quanto mais afastada a vazo do BEP, seja para cima ou para baixo, mais desfavorvel o ngulo de entrada do lquido no impelidor, provocando choques que tendem a aumentar a vibrao.



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Figura 9 Vazo mnima do API 610 em funo da vibrao

Examinando um impelidor com sinais de arrancamento de material poderemos identificar se

o problema foi ocasionado por cavitao clssica ou por recirculao interna. Quando temos cavitao, examinado o olhal do impelidor, o desgaste tem incio na parte visvel das ps (regio convexa). Quando temos recirculao interna na suco, o desgaste tem incio na parte no visvel da p, regio cncava (prximo da regio onde ocorre a vaporizao do lquido), sendo necessrio um pequeno espelho para ser vista. Quando a recirculao interna na descarga, o desgaste aparece na juno da sada das ps com as laterais do impelidor, neste caso, sendo visvel. Esta regio fica cheia de poros devido ao arrancamento de material. Quando os danos so na parte central de sada da p, o desgaste costuma ser decorrente da proximidade das ps do impelidor com a lingeta da voluta ou com o difusor.

Figura 10 Regio de danos no impelidor

Alguns autores afirmam que o rudo provocado pela cavitao mais estvel e repetitivo,

enquanto o provocado pela recirculao interna aleatrio e mais alto. Dependendo da severidade da cavitao ou da recirculao interna, os danos no ficam

limitados apenas ao impelidor, podem atingir carcaa ou ao difusor. A regio da carcaa prxima a lingeta de alta velocidade, logo, de baixa presso, podendo

portanto vir a cavitar. Figura 40 a Determinao da vazo mnima de recirculao



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Resumidamente, recirculao interna um fenmeno que ocorre quando a bomba est trabalhando com baixa vazo. Temos 2 tipos: a recirculao interna na suco e a na descarga. A recirculao na descarga ocorre numa vazo mais baixa do que a da suco, os sintomas deste fenmeno so semelhantes ao da cavitao: rudo, vibrao, oscilao das presses, desgaste do impelidor.

O desgaste no impelidor ocorre na rea da suco no lado invisvel da p (necessita de um pequeno espelho para ser visto quando est na fase inicial). Na rea da descarga, o desgaste na lateral das ps, na juno com os discos, na parte visvel das mesmas.

O percentual em relao a vazo do BEP, com o qual a bomba inicia a recirculao, est bastante ligado a velocidade especfica e a velocidade especfica de suco da bomba. Quanto maior estes valores, mais estreita a faixa de operao da bomba.

Uma das principais causas da recirculao interna o descolamento do fluxo do lquido, que ocorre, quando a ngulo de sua entrada na p do impelidor fica desfavorvel.

A soluo para a recirculao interna o aumento de vazo.

4.5- Entrada de gases A entrada de ar ou gases misturado com o lquido no interior da bomba, a partir de um certo

percentual, gera os mesmos fenmenos ocasionados pela cavitao e pela recirculao interna, ou seja, rudo, perda de desempenho, vibrao, oscilao dos manmetros. A diferena que as bolhas no so formadas por vaporizao no interior da bomba, mas j entram com o lquido.

Um dos problemas da entrada de gs junto com o lquido devido separao que ocorre pela centrifugao. O ar tende a ficar junto ao olhal do impelidor, prejudicando o fluxo.

Existem controvrsias sobre os danos causados pela entrada de ar. Quanto a perda de desempenho, todos concordam. Quanto aos danos no impelidor alguns autores afirmam que a entrada de gases no causa danos significativos s bombas, simplesmente reduzem o desempenho pelo espao ocupado pelos gases. Outros autores afirmam que os danos so semelhantes ao da cavitao.

Os gases podem j vir dissolvidos no lquido ou penetrar na tubulao de suco pelas juntas dos flanges, quando a presso de suco negativa. Outros pontos de entrada de ar so na selagem por gaxetas e na tomada da linha de suco. Esta ltima, se no tiver a submergncia adequada, pode ocasionar a formao de vrtices (redemoinhos).

Figura 11 Entrada de ar e formao de vrtices por baixa submergncia

Os casos mostrados na figura acima so decorrentes de erro de projeto. Na figura da

esquerda, deveria existir uma chicana no reservatrio para evitar que o fluxo de lquido fosse lanado diretamente para a suco da bomba. Uma outra soluo seria utilizar uma curva e



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mergulhar o tubo de chegada no reservatrio. Para o caso da direita, uma soluo seria aumentar a submergncia do tubo de suco ou colocar grades horizontais flutuantes na superfcie, em torno do tubo, para evitar a formao dos vrtices (redemoinhos).

Em percentuais bem pequenos, os gases ou o ar podem at ser benficos quando a bomba trabalhar cavitando. O ar forma um colcho de amortecimento, atenuando os efeitos da imploso das bolhas, reduzindo o rudo e a vibrao.

4.6 - Bombas operando em paralelo A operao de duas ou mais bombas em paralelo, objetiva normalmente o aumento de

vazo. comum ouvir afirmaes de que a vazo de duas bombas operando em paralelo o dobro

da que teramos com uma bomba operando apenas. Como veremos a seguir, isto no ocorre.

Figura 12 Esquema de bombas em paralelo

Na figura acima temos um esquema de duas bombas operando em paralelo (bombas A e B).

usual neste tipo de operao a existncia de uma vlvula de reteno na descarga de cada bomba, evitando que a mesma venha girar ao contrrio. Sempre que existir a possibilidade de ocorrer um fluxo inverso pela bomba, h necessidade do uso de uma vlvula de reteno. Interessante observar que as presses nos pontos X e Y so iguais para as duas bombas, caracterizando o arranjo em paralelo.

A vazo com duas bombas operando em paralelo no o dobro pois, na prtica ocorre perda de carga crescente assim que as tubulaes apresentam o aumento de vazo. Quanto maior perda de carga na linha, menor ser o aumento de vazo ao acrescentar bombas em paralelo.

Se as 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 vazo maior.

Resumidamente, duas bombas operando em paralelo no fornecem o dobro da vazo do que teria uma bomba apenas operando.

4.7 - Bombas operando em srie Geralmente, quando usamos bombas em srie, estamos querendo aumentar a presso

fornecida pelas mesmas. Mas, em algumas situaes, este tipo de operao usado para aumentar a vazo.



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Figura 13 Esquema de bombas em srie

Pelo esquema da figura acima vemos que a vazo que passa pela bomba A a mesma que

passa pela bomba B. A operao em srie muito usada quando o presso de suco disponvel muito baixa. Neste caso, escolhe-se a primeira bomba com baixa rotao, o que resulta em uma presso de suco requerida menor. Como a primeira bomba eleva a presso do lquido, a presso de suco requerida disponvel para a segunda fica bastante confortvel. Esta segunda bomba a que costuma ser a grande responsvel pela parcela de presso do sistema. Quando usado este sistema, a primeira bomba recebe o nome booster.

Para operao em srie os cuidados devero ser de: - verificar se o flange de suco e o selo da segunda bomba suportam a presso de descarga

da primeira bomba. - as vazes das bombas devem ser compatveis, ou seja, no podemos colocar uma bomba

capaz de bombear muito mais do que a outra. A vazo vai ficar limitada pela bomba de menor capacidade e, neste caso, a de maior vazo poder ter problema de recirculao interna.

Resumidamente, comum a colocao de bombas em srie quando temos baixa presso de suco disponvel. A primeira bomba normalmente escolhida com baixa rotao. A segunda bomba como ter na suco a presses de descarga da primeira, no dever ter mais problema. A primeira bomba recebe o nome de bomba booster.

4.8 - Lubrificao A lubrificao adequada fundamental para proporcionar campanhas longas para as

bombas. O objetivo da lubrificao de uma bomba, como a de qualquer outro equipamento, o de reduzir o atrito e o desgaste. Para tal, necessrio manter um filme de lubrificante separando as superfcies metlicas que possam entrar em contato.

Figura 14 Filme lubrificante separando duas superfcies

Ampliando uma superfcie metlica usinada, ou mesmo retificada, veremos que formada por picos e vales. Havendo um deslizamento entre duas destas superfcies, os picos se chocaro e quebraro, formando novos picos, que com a continuao do movimento, tambm sero quebrados e, assim sucessivamente. Este arrancamento de pequenas partculas levar a um desgaste do material.



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Colocando entre estas superfcies uma pelcula lubrificante, como por exemplo um leo que mantenha os picos afastados, os mesmos no mais se tocaro e no teremos mais desgaste. Alm de reduzir ou eliminar o desgaste, ocorrendo a formao deste filme lubrificante, teremos uma reduo do atrito, uma vez que necessitaremos de menos fora para cisalhar o lubrificante do que para quebrar os picos do material metlico.

A finalidade da lubrificao a de manter um filme de uma espessura adequada, atravs de um produto com caractersticas lubrificantes, evitando o contato metlico entre as duas superfcies. Sempre que a espessura deste filme for inferior a altura dos picos, teremos contato de metal contra metal e, conseqentemente, desgaste. Para tanto, a propriedade mais importante do lubrificante para garantir este filme de leo a viscosidade.

So dois os tipos de mancais utilizados em bombas: mancal de rolamento e mancal de deslizamento. Algumas bombas utilizam os dois tipos simultaneamente. Vejamos como funcionam.

Figura 15 Posio do eixo no mancal de deslizamento

Os mancais de deslizamento quando o eixo est parado, apiam-se na parte inferior do mancal, ocasionando um contato metlico. Ao iniciar a rotao, a tendncia do eixo subir no mancal. Mas, ao comear a girar, o eixo bombeia o leo lubrificante que se encontra entre ele e o mancal, criando uma presso de leo. Esta presso ir gerar uma fora, que elevar o eixo ligeiramente do mancal. Devido ao formato da curva de presso criada, a tendncia do eixo de deslocar-se para o lado oposto de seu movimento inicial. Se o filme de leo formado for mais espesso que as irregularidades da superfcie do eixo, s teremos desgaste na partida da mquina. Se o filme de leo romper-se, teremos contato metal com metal. Para evitar danos no eixo, a maioria destes mancais utiliza uma cobertura de metal bastante macio, chamada metal patente. Devido ao formato que o leo assume no interior do mancal, usual falar em cunha de leo.

J nos mancais de rolamento temos que a esfera de um rolamento possui uma rea de apoio muito reduzida, praticamente um ponto. Qualquer fora atuando numa rea reduzida gera uma

presso muito elevada

=

rea Fora Presso . Com estes esforos, ocorre uma deformao tanto na

esfera quanto na pista, mas dentro do limite elstico, ou seja, uma vez cessada a fora, a deformao deixa de existir. Esta deformao aumenta a rea de contato, reduzindo a presso. O leo lubrificante bombeado pelas esferas formando um filme de leo, separando as esferas das pistas do rolamento. O leo possui uma propriedade bastante interessante que a de aumentar a viscosidade com o aumento da presso. Nos rolamentos, o lubrificante fica submetido a presses to altas, que fica praticamente slido, o que evita o rompimento do filme de leo formado. Pelos motivos explicados, este tipo denominado de lubrificao elastohidrodinmica. Um rolamento



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submetido a uma carga, como o peso prprio do conjunto rotativo, somente as esferas inferiores absorvero os esforos. As esferas na parte superior do rolamento estaro sem carga. Como as esferas giram, ora estaro com carga, ora sem carga, o que pode levar falha por fadiga, que um dos principais modos de falha dos rolamentos.

As bombas centrfugas horizontais utilizam, com freqncia, mancais de rolamentos. Caso as condies de rotao juntamente com a carga, levem a uma vida curta dos rolamentos, empregam-se mancais de deslizamento. O API 610 fixa a vida mnima em 3 anos.

Nas bombas verticais so utilizados principalmente mancais guias (buchas) para manter o eixo centrado na coluna. Para sustentao do conjunto rotativo, algumas bombas utilizam mancal prprio, enquanto outras, so 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 que deveriam. Portanto, os mancais (com sua lubrificao) e a selagem so os itens que merecem mais ateno nas bombas. Sendo bem tratados e acompanhados podem proporcionar muitos ganhos.

A falha catastrfica dos mancais muito grave nas bombas, uma vez que leva a falha do selo mecnico, com o conseqente vazamento do lquido bombeado. Leva tambm, a movimentos relativos que podem gerar fascas, o que, dependendo do produto bombeado, pode gerar um incndio. Normalmente, uma bomba quando chega a fundir os mancais, no mnimo, ir ter uma manuteno de alto custo e de tempo prolongado.

Os principais produtos utilizados na lubrificao das bombas so:

- graxa

- leo lubrificante - por nvel

- forada (ou pressurizada)

- por nvoa de leo

- prprio produto bombeado.

A Lubrificao por graxa no muito usada em mancais de bombas centrfugas 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 eltricos predomina a utilizao da graxa na lubrificao dos rolamentos. Nas indstrias onde o ambiente tem ps em suspenso, usual o emprego da graxa. Com graxa, as rotaes mximas admissveis nos rolamentos so menores do que com leo. Por exemplo, o rolamento de contato angular 7316B pode trabalhar at 3200 RPM com graxa ou at 4300 RPM com leo. As caixas de mancais lubrificadas por graxa, devem ser preenchidas, no mximo, at 2/3 do seu volume. Os fabricantes das bombas, na sua maioria, recomendam usar graxa base de sabo de ltio e de consistncia 2.

Os leos lubrificantes so os principais produtos utilizados na lubrificao de bombas centrfugas horizontais. Existem trs tipos principais de lubrificao com leo.

1. Lubrificao por nvel usada com leo lubrificante. O nvel de leo na caixa de mancais mantido atravs de um copo nivelador. O nvel ficar sempre na linha mais alta do chanfro do copo nivelador. Para mancais de rolamento, o nvel deve ficar situado no centro da esfera inferior, nvel este, medido com a bomba parada. Para garantir a lubrificao, usual dotar o eixo de anel salpicador de leo. Algumas caixas de mancal de rolamentos usam anel pescador. Este anel trabalha apoiado no eixo da bomba e arrastado pelo seu giro. Como fica parcialmente mergulhado no leo, ao girar, arrasta o leo pela sua superfcie interna,



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depositando no eixo, seguindo da para o mancal, que pode ser de rolamento ou de deslizamento. O leo empregado na lubrificao de bombas geralmente um leo tipo turbina com viscosidade ISO 68.

Figura 16 Lubrificao por nvel normal e com anel pescador

2. Lubrificao forada ou pressurizada este tipo de lubrificao somente utilizado para mancais de deslizamento. Este sistema utilizado quando a gerao de calor no mancal alta, seja devido carga ou rotao. O sistema de lubrificao forado necessita, no mnimo, de: uma bomba para circular o leo, um filtro de leo (geralmente duplo), um resfriador e uma vlvula de segurana. Alguns sistemas utilizam apenas uma bomba de leo lubrificante, acionada pelo eixo da bomba principal. Neste caso, necessitam um anel pescador nos mancais para garantir a lubrificao durante a partida e parada da bomba. Os sistemas mais sofisticados podem ter uma lubrificao segundo o API 614, onde temos 2 bombas de lubrificao, 2 resfriadores de leo, 2 filtros, 2 vlvulas de alvio, sistema de controle de presso do leo lubrificante, alarmes e cortes por presso de leo e por temperatura dos mancais, entre outros dispositivos.

3. Lubrificao por nvoa - este tipo de lubrificao trabalha com uma mistura de ar e leo, na proporo de aproximadamente 200.000 partes de ar para 1 parte de leo (5PPM). Esta mistura preparada em um gerador, onde empregado um sistema de vrtice para pulverizar o leo e o misturar com o ar. Do gerador saem as linhas de distribuio da nvoa, geralmente de 2 polegadas de dimetro. Elas possuem um pequeno caimento, de modo que qualquer condensao do leo que venha a ocorrer, retornar ao tanque do sistema gerador. A presso de distribuio bem baixa, geralmente de 50 mbar, que equivale a 0,05 kgf/cm2 ou 20 pol H2O. A nvoa gerada possui partculas de leo inferiores a 3 micra, sendo adequada para ser transportada, mas no boa para lubrificao. Prximo de cada equipamento sai pelo topo da linha de distribuio, uma linha de de dimetro, que desce at cerca de 1 metro de altura da bomba, onde instalado um distribuidor. O distribuidor possui uma vlvula de drenagem de leo condensado e 6 conexes roscadas, onde so instalados os reclassificadores. Para cada ponto a ser lubrificado corresponde um reclassificador. O reclassificador possui duas funes bsicas: a primeira dosar a quantidade de nvoa que ser fornecida e a segunda a de coalescer (reclassificar ou aumentar o tamanho) as partculas de leo para dimetros superiores a 3 micra, de modo que fiquem adequadas para lubrificao. A partir do reclassificador sai uma linha de inox de que vai at o ponto a ser lubrificado. Neste tipo de lubrificao, a caixa de mancal trabalha sem nvel de leo. O leo condensado e a nvoa residual saem pelo dreno da caixa



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de mancal da bomba, onde existe um coletor transparente, que permite avaliar visualmente o estado do leo. Na parte inferior deste coletor transparente, temos uma vlvula que permite drenar o leo. Na parte superior, temos uma tubulao de inox de 3/8 que vai ter a uma caixa de maior capacidade, cerca de 4 litros, denominado coletor ecolgico. Na tampa desta caixa temos uma linha de vent por onde sai a nvoa no condensada para a atmosfera ou para um sistema de recuperao de nvoa residual. O leo condensado fica na caixa ecolgica onde posteriormente retirado. As principais vantagens deste sistema so:

- aumento da vida dos rolamentos

- reduo da temperatura da caixa de mancais (em mdia 15%);

- os rolamentos trabalham com um leo sempre limpo;

- por ficar levemente pressurizada, no entra umidade nem ps na caixa de mancais;

- como o coeficiente de atrito menor, a potncia consumida pela bomba cai.

- na maioria dos casos pode ser eliminada gua de refrigerao da caixa de mancais;

- elimina o uso de copo nivelador, do cachimbo, anis salpicadores e pescadores (este ltimo s no caso de rolamentos).

Figura 17 Sistema de gerao e de distribuio de nvoa



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Figura 18 Nvoa pura para bombas API antigas e novas

Nas bombas API anteriores a 8a edio, a nvoa entra pelo centro da caixa de mancais e sai pelo centro. Nas novas, quando especificado que sero lubrificadas por nvoa, o fabricante j fornece entradas independentes para cada mancal, obrigando toda nvoa injetada passar pelos rolamentos.

O reclassificador mais usado o tipo nvoa. Somente este modelo montado no distribuidor. Os outros so montados prximo ao ponto a ser lubrificado. O reclassificador do tipo nvoa possui a numerao 501, 502, 503, 504 e 505. quanto maior o nmero maior a vazo de nvoa. O tipo spray forma uma nvoa mais densa e, usado, quando temos rolamentos de rolos. O direcional equivalente ao tipo nvoa, mas colocado diretamente sobre o mancal da bomba, ficando com seu furo de sada apontado para a esfera superior do rolamento. O tipo condensado forma gotculas maiores de leo e utilizado para engrenagens.

Figura 19 Tipos de reclassificadores



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Figura 20 Utilizao do reclassificador direcional

O sistema de nvoa at agora descrito denominado nvoa pura. Existe tambm o de nvoa de purga.

Figura 21 Nvoa de purga

Os mancais de deslizamento necessitam de leo para formao da cunha, que ir garantir a sustentao do eixo. Por isto, neste tipo de mancal adotado o sistema de nvoa de purga, sendo mantido o nvel de lubrificante original. Esta nvoa serve para pressurizar a caixa de mancal (evitar a entrada de umidade e ps) e para completar o nvel de leo.

A Lubrificao pelo prprio fluido muito usada em bombas verticais, onde o prprio fluido bombeado pode lubrificar os mancais guias. Nas bombas com acoplamento magntico e nas bombas canned (*), ambas sem selagem, tambm usual o lquido bombeado ser utilizado na lubrificao dos mancais. Nestas bombas o mancal costuma ser de carbeto de tungstnio ou carbeto de silcio.

* Obs: Bomba canned que significa enlatada em ingls, possui o impelidor montado no eixo do motor eltrico. As bobinas do motor ficam separadas do rotor por um cilindro de chapa, da seu nome.



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Figura 22 Bombas canned e de acoplamento magntico

As principais falhas dos mancais das bombas so por:

- montagem inadequada pancadas, sujeiras, etc.;

- entrada de fluidos estranhos na caixa de mancal - gua, produto bombeado, vapores e gases;

- entrada de slidos na caixa de mancal catalisadores, ps, etc.;

- nvel de leo ou quantidade de graxa inadequados nas caixas de mancais;

- esforos elevados - vibrao, desalinhamento entre bomba e acionador, desbalanceamento, esforos da tubulao, etc.;

- tolerncias incorretas dimetro do eixo, dimetro da caixa, raios de concordncia, etc.;

- desalinhamento entre os dois alojamentos dos rolamentos;

- qualidade dos rolamentos falsificao, produtos de 2. linha, estocagem inadequada, etc.;

- qualidade e limpeza do lubrificante viscosidade no adequada, abastecimento com funil ou regador sujo, etc.;

- aquecimento excessivo do lubrificante leva oxidao e reduo da vida do leo;

- operao da bomba fora do ponto de projeto cavitao, recirculao, etc.

A umidade no leo lubrificante um dos viles que levam o mesmo a falhar prematuramente por deficincia de lubrificao. Estudos dos fabricantes de rolamentos indicam que a vida de um rolamento cai pela metade quando o leo lubrificante possui 300 PPM(*) de gua. O fabricante do leo, j o fornece com 100 PPM de gua. Nestes nveis, a gua est dissolvida no leo e no percebida. Para identific-la s com testes especficos de laboratrio. Nem por centrifugao consegue ser separada quando est dissolvida, somente com vcuo ou com processos de transferncia de massa. Somente aps 350 PPM, nas temperaturas usuais da caixa de mancal, que a gua consegue ser detectada no leo, porque fica emulsionada. A principal fonte de gua no leo a proveniente da umidade do ar.

(*) Obs.: 300 ppm de teor de gua significa que temos 300 partes de gua em cada 1.000.000 de partes da

mistura gua/leo. Isto corresponde a 0,03% 100

0,03

10.000

3

1.000.000

300 ppm 300 ==== , o que como significa algumas

gotas numa caixa de mancais.



- -

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Na figura abaixo, temos um grfico com a vida relativa do rolamento em funo da umidade existente no leo. Com 100 PPM de gua, a vida do rolamento considerada normal, recebendo o valor de 100%. Se a umidade do leo baixasse em quatro vezes, ficando em 25 PPM, o rolamento teria uma vida relativa de 230%, o que significa que o rolamento aumentaria sua vida em 2,3 vezes. Se a falha ocorria a cada ano, passaria a ser a cada 2,3 anos. Vejamos agora o outro lado, se a umidade aumentar trs vezes, indo para 300 PPM, a vida ser reduzida para 45% da normal. O rolamento que tinha uma vida de 1 ano passaria para 0,45 anos ou pouco mais de 5 meses. Provavelmente, a maioria dos leos das caixas de mancais das bombas deve estar com mais de 300 PPM de gua, o que reduz significativamente sua vida.

Vida Relativa dos Rolamentos baseada em 100% para 100PPm de gua

0

50

100

150

200

250

0 500 1000 1500 2000

% d

a Vi

da R

elat

iva

PPM de gua no leo

Figura 23 Vida relativa dos rolamentos versus teor de gua no leo O grfico acima, mostra que o passar de 100 para 200 PPM, leva a uma reduo de quase

50% na vida. Depois dos 1.000 PPM, a queda passa a ser bem lenta. Nos percentuais mais baixos de gua, um pequeno acrscimo causa redues considerveis.

A temperatura de trabalho do leo um fator importante para sua vida e, como conseqncia, na do mancal. Quanto maior a temperatura, maior a oxidao, degradando rapidamente o leo. Os leos usados em lubrificao possuem aditivos antioxidantes, que so consumidos mais rapidamente medida que o mesmo trabalha em temperaturas altas. A figura abaixo mostra que um leo trabalhando na temperatura de 30oC dura 30 anos. O mesmo leo 100oC, dura apenas 3 meses.



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Figura 24 Vida do leo em funo da temperatura de trabalho

Resumidamente temos que os mancais das bombas so lubrificadas por: graxa; leo lubrificante ou pelo prprio produto bombeado.

A principal graxa utilizada nos rolamentos a base sabo de ltio e de consistncia 2. As caixas de mancais para graxa devem ser preenchidas apenas com 2/3 do seu volume.

Os leos lubrificantes usados nas bombas so normalmente tipo turbina com viscosidade ISO 68, como por exemplo, o Marbrax 68.

A lubrificao por leo pode ser por:

- lubrificao por nvel pode ser com ajuda de anel salpicador (fixo ao eixo) ou anel pescador (arrastado pelo giro do eixo);

- lubrificao forada a vazo e a presso de leo so fornecidas por uma bomba de lubrificao;

- lubrificao por nvoa a lubrificao realizada por uma mistura de ar com leo na proporo de 5 PPM de leo.

O nvel de leo normalmente no meio da esfera inferior do rolamento.

A temperatura do leo lubrificante e o teor de gua no mesmo so dois fatores que quando altos reduzem sensivelmente a vida dos lubrificantes e conseqentemente dos mancais.



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4.9 - Seleo de bombas

As bombas so escolhidas, principalmente, em funo das suas caractersticas. Algumas partes da especificao provm de normas, como no caso do API 610, que entre outras coisas, recomenda carcaa partida radialmente para os seguintes casos:

- temperatura do produto maior ou igual a 200oC; - lquidos inflamveis ou perigosos com densidade menor do que 0,7 na temperatura de bombeamento.

- lquidos inflamveis ou perigosos com presso de descarga acima de 100 bar. usual antes de fazer a especificao final, consultar alguns fabricantes para garantir a

existncia no mercado de bombas que atendam ao desejado. Uma vez escolhido o fabricante e o tipo da bomba a ser usada, entramos com a vazo e a

presso na carta de seleo para identificar o tamanho da bomba e a rotao de trabalho que ir atender ao especificado. Escolhido o tamanho da bomba, entramos na sua famlia de curvas e definimos o dimetro do impelidor, a presso de suco requerida requerida e o rendimento, o que permite o clculo da potncia consumida. Sempre que possvel, a bomba deve ser escolhida para trabalhar perto do seu BEP, evitando assim que venha a ter problemas de recirculao interna e esforos radiais maiores.

Resumidamente, depois de escolhido o tipo e o fabricante da bomba, entramos na carta de seleo com a vazo e a altura manomtrica desejadas e determinamos o tamanho da bomba e a rotao em que ser necessrio operar.

Com o tamanho escolhido, entramos na famlia de curvas de altura manomtrica x vazo desta bomba para escolher o tamanho do impelidor que ir atender ao especificado. Podemos retirar tambm o rendimento e a presso de suco requerida a partir da vazo desejada. .



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4.10 - Anlise de problemas de bombas centrfugas Toda bomba que deixa de atender ao processo ou apresenta algum sintoma que resulta em

risco operacional, como vazamento ou vibrao alta, necessita de manuteno.

Antes de abrir uma bomba que no esteja cumprindo seu papel adequadamente, devemos ter certeza de que o problema da bomba. Muitas vezes o problema est nas condies do processo ou no sistema e, neste caso, a abertura da bomba no a soluo para o caso.

Algumas situaes permitem um diagnstico preliminar da falha de imediato, como o vazamento pelo selo ou o travamento do conjunto rotativo, problemas estes visveis. Na abertura da bomba as peas devem ser examinadas para identificar o motivo da falha. Outros tipos de situaes necessitam de uma investigao para determinar sua causa.

No devemos apenas substituir as peas danificadas, mas tentar entender qual o motivo que levou falha e tomar as providncias para evitar sua repetio.

A seguir, analisaremos os problemas mais freqentes que ocorrem na operao de bombas centrfugas e que necessitam de investigao. Vamos dividi-los em 5 categorias principais:

a Bombas que no esto atendendo em vazo ou presso de descarga. b Bombas que apresentam vibrao ou rudo. c Bombas que esto exigindo potncia acima da esperada. d Bombas que apresentam aquecimento excessivo nos mancais e Bombas com vazamentos

Muitas vezes, o problema pode ser enquadrado em mais de uma das situaes acima. 4.10.1 - Bombas que no esto atendendo em vazo ou presso na descarga. Uma bomba, estando em boas condies, deve trabalhar sobre sua curva de potncia versus

vazo. Entende-se como em boas condies: 1) sem cavitao; 2) vazo acima da mnima de fluxo estvel (sem recirculao interna); 3) rotao correta; 4) impelidor no dimetro correto e sem problemas de desgaste ou obstruo interna; 5) carcaa ou difusores sem desgaste; 6) folgas de anis de desgaste e das buchas dentro de valores recomendados; 7) lquido dentro das condies de projeto (densidade e viscosidade). Pequenos desvios so aceitveis, seja pela impreciso do mtodo de medio no campo, seja

pela diferena de desempenho de um impelidor para outro, que por serem peas fundidas, sempre apresentam pequenas variaes.

No diagrama de bloco a seguir, procuramos fazer esta anlise partindo das verificaes mais fceis de serem executadas para as mais trabalhosas. Partimos do pressuposto que a bomba operava satisfatoriamente antes, ou seja, no um problema de projeto ou da seleo da bomba para a aplicao na qual est sendo utilizada.



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Figura 25 Diagrama para determinao de problemas de vazo ou de baixa presso de descarga em bombas centrfugas que antes

funcionavam bem.



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a.1) A bomba est cavitando ?

Comeamos com esta pergunta por ser a mais fcil de responder. A cavitao facilmente

identificvel pelo rudo caracterstico, parecido com o de bombeando de pedras, pela alta vibrao e pela oscilao das presses de suco e da descarga.

Cavitao ocorre, normalmente, quando a bomba est trabalhando com vazes altas.

Como a bomba est apresentando baixo desempenho, ou seja, no est conseguindo aumentar sua vazo, a recirculao interna, que decorrente de trabalhar com vazes baixas, no uma causa provvel. Nos casos de bombas com presso de suco negativa, convm verificar a possibilidade de estar entrando ar pela juntas dos flanges ou pela selagem.

Se a resposta pergunta sobre cavitao for positiva, uma das provveis causas o aumento da perda de carga na linha de suco (aumento da presso de suco), que pode ter sua origem em:

- Alguma obstruo parcial na linha de suco, como vlvula parcialmente fechada, filtro sujo, etc.;

- Bomba operando com vazo mais alta do que a de projeto. Vazo maior significa maior NPSH requerido e menor NPSH disponvel, portanto, mais sujeita cavitao;

- Aumento da viscosidade do lquido (caso de lquidos viscosos) que pode ocorrer pela reduo da temperatura de bombeamento. O aumento da viscosidade aumenta as perdas de carga, reduzindo a presso de suco e o NPSH disponvel.

Se for decorrente do desgaste da bomba (aumento do NPSH requerido), sua origem :

- Bomba com folgas internas altas, por exemplo, se os anis de desgaste ou a luva espaadora entre o primeiro e o segundo estgios (*) estiverem com folga excessiva, uma boa parte da vazo ir retornar internamente da descarga para a suco. Para efeito de cavitao, como se estivesse bombeando adicionalmente este acrscimo de vazo;

- Desgaste no impelidor, alterando suas caractersticas na regio de suco. Desgastes na regio da voluta no afetam o NPSH requerido.

(*) Cavitao s ocorre no primeiro estgio de bombas multiestgios.

Os meios de tirar uma bomba de cavitao, por ordem de facilidade, so:

a) Verificar a possibilidade de aumentar o nvel do lquido no vaso de suco. Alguns sistemas possuem controle de nvel neste vaso, bastando neste caso alterar o valor de controle (set point).

b) Reduzir a perda de carga na linha de suco, por exemplo, verificando se o filtro da suco est sujo ou se alguma vlvula est parcialmente fechada;

c) Limitar a vazo mxima da bomba em um valor em que no tenhamos rudo ou vibrao;

d) Resfriar o lquido (reduz a presso de vapor) desde que o mesmo no venha de um vaso fechado;

e) Verificar com o fabricante da bomba se existe outro modelo de impelidor com presso de suco requerida mais baixa para esta carcaa;

f) Verificar se o modelo da bomba permite a instalao de um indutor de presso; g) Avaliar se o aumento do dimetro da linha de suco, ou a simplificao do

encaminhamento da linha ou a eliminao de acessrios instalados na mesma, com a



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conseqente reduo da perda de carga, trar o ganho necessrio para evitar a cavitao;

h) Elevar o vaso de suco ou rebaixar a bomba; i) Alterar o material do impelidor para ao inoxidvel, que resiste mais cavitao.

Dentre estes materiais, o que apresenta menor desgaste o ASTM A-743 CA6NM que possui 12% de Cr. Esta soluo para conviver com a cavitao, aumentando apenas o tempo de falha do impelidor.

Caso a bomba no esteja cavitando, passamos ao questionamento seguinte.

a.2) A bomba est escorvada ?

A verificao pode ser feita com a bomba em funcionamento. Podemos abrir um pouco o

vent da carcaa. Se estiver saindo vapores sinal que no temos apenas lquido no interior da bomba, o que reduzir seu desempenho. As razes para isto podem ser:

a bomba pode no ter sido completamente cheia de lquido (escorvada) antes da partida; estar entrando ar pelas juntas da linha de suco ou pela gaxetas (somente no caso de

bomba com presso negativa na suco); a submergncia da linha de suco pode ser pequena, permitindo a formao de vrtice e a

conseqente entrada de ar; o lquido contm quantidade excessiva de gases dissolvidos.

Estando tudo correto, vamos ao passo seguinte.

a.3) A rotao est correta ?

Sabemos que a vazo varia diretamente com a rotao e a altura manomtrica com o quadrado. Portanto, se a rotao estiver mais baixa a bomba pode no atender ao processo. A soluo neste caso ajustar a rotao. Caso no consigamos devido potncia do acionador j ser a mxima, temos de diagnosticar se o problema da bomba que est exigindo maior potncia ou do acionador que apresenta alguma deficincia.

A rotao pode ser medida atravs de tacmetros com fita de reflexo ou por meio de aparelhos de vibrao que possuam filtros de freqncias. Tambm podem ser usados frequencmetros de lminas (tacmetros de Frahm), muito usadas nas turbinas mais antigas.

Baixa rotao s ocorre com turbinas a vapor, motores de combusto interna ou com motores eltricos que possam ter sua rotao modificada, como por exemplo, os que dispem de variador de freqncia. motores eltricos comuns trabalham sempre na rotao especificada, ou prximo delas devido a um pequeno escorregamento com o aumento da carga. Se no tiverem potncia suficiente para trabalhar na rotao especificada, iro atuar o sistema de proteo por alta corrente eltrica ou queimaro.



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a.4) O produto est com suas especificaes corretas ?

O aumento de viscosidade atua de dois modos negativos no desempenho da bomba.

Aumentam a perda de carga nas linhas de suco e de descarga, e afetam negativamente o desempenho da bomba, a vazo e o rendimento. Portanto, no devemos desprezar sua importncia no diagnstico das bombas que trabalham com lquidos viscosos.

A alterao da temperatura de bombeamento um dos principais responsveis pela alterao da viscosidade. Quanto menor a temperatura, maior a viscosidade. Quanto maior a viscosidade, menor a vazo e a presso de descarga numa bomba centrfuga.

A modificao da temperatura influencia tambm o peso especfico (ou a densidade) do produto. Na prtica, para um mesmo produto, estas variaes de densidade costumam ser pequenas, a no ser em casos de grandes variaes de temperaturas.

a.5) A bomba est operando em um ponto da sua curva de altura manomtrica x vazo ?

Se a bomba estiver com folgas internas excessivas nos anis de desgaste, nas buchas entre estgios ou ainda com o impelidor e/ou a carcaa desgastada ter seu desempenho alterado. Dependendo desta alterao poder no satisfazer as necessidades do processo. A viscosidade tambm altera a curva da bomba.

Necessitamos, portanto, de saber a vazo e a altura manomtrica da bomba e dispor da curva da mesma para esta verificao. Grande parte das bombas usadas em refinarias tem medidor de vazo. Caso no tenha, analisar se possvel calcular a mesma pela variao do nvel de um vaso ou tanque na suco ou na descarga. Existe a possibilidade de obter a vazo atravs de medidores externos adaptados a linha.

a.6) Verificar se a potncia est sobre a curva.

Quando a bomba acionada por motor eltrico, podemos avaliar grosseiramente a sua potncia atravs da medio da sua corrente, comparando com a da plaqueta usando uma proporcionalidade. Se a corrente estiver acima de 80% da nominal do motor, o erro ser pequeno. Caso queiramos saber a potncia com mais preciso, teremos de obter alm da corrente, a voltagem real, o fator de potncia (ou cos ) e o rendimento do motor. Os setores de eltrica possuem aparelhos que permitem estes levantamentos. O rendimento do motor tem de ser tirado de uma tabela ou de uma curva do fabricante.

Caso o acionador seja uma turbina a vapor, a avaliao da potncia mais difcil, a no ser que tenhamos a curva de potncia x consumo de vapor e a medio da vazo do vapor consumido. No caso de turbina acionando bombas, dificilmente dispomos deste dado. O que podemos verificar se a potncia mxima j foi atingida, tentando aumentar a rotao.

Os acionadores costumam ter uma folga de potncia em relao necessria para a bomba.



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Para motores eltricos o API 610 recomenda:

Pot < 30 hp - 125%

25 < Pot < 75 hp - 115%

Pot > 75 hp - 110%

Se a bomba estiver consumindo mais potncia para a vazo indicada porque o rendimento da bomba caiu. Esta afirmao s deve ser feita depois de eliminar as hipteses anteriores.

b Bombas que apresentam vibrao e/ou rudo. A vibrao numa bomba centrfuga, geralmente, ocasionada por um dos seguintes fatores:

1) desalinhamento entre a bomba e o acionador;

2) desbalanceamento dinmico do conjunto rotativo ou do acoplamento;

3) problemas de tenso provocada pelas linhas de suco e descarga;

4) tubulao prxima bomba no apoiada corretamente nos suportes;

5) p manco do motor ou da bomba;

6) ps do motor ou da bomba no apertados adequadamente.

7) chumbadores da base soltos;

8) base no grauteada adequadamente;

9) roamento interno;

10) cavitao;

11) vazo abaixo da de fluxo mnimo estvel (recirculao interna);

12) distncia da periferia do impelidor para a lingeta da voluta ou p/ difusor no adequada;

13) mancal de deslizamento com folga alta;

14) mancal de rolamento com desgaste;

15) folgas internas altas;

16) impelidor com um canal obstrudo (desbalanceamento hidrulico);

Para verificar qual destas causas ocasiona a vibrao, podemos realizar uma anlise de vibrao, determinando as freqncias envolvidas.

b.1) Desalinhamento entre a bomba e o acionador

uma das principais causas da vibrao juntamente com o desbalanceamento. Para

diagnosticar se o problema de desalinhamento, levantar as freqncias da vibrao. O



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desalinhamento pode causar vibrao nas freqncias de 1N, 2N, 3N, 4N e 6N. As mais usuais so 1 e 2N, onde N a freqncia de rotao. Quando a freqncia predominante de 2N a causa mais provvel desalinhamento.

Testes efetuados em laboratrio mostraram no ser real a afirmao de que desalinhamentos angulares se manifestam mais como vibrao axial e de que desalinhamento paralelo como vibrao radial. Mostraram tambm que desalinhamento vertical afeta a vibrao horizontal e vice versa. Este estudo mostrou as seguintes freqncias como as mais provveis para diagnosticar desalinhamentos em funo do tipo de acoplamento:

Tipo do acoplamento Resposta da vibrao ao desalinhamento

Melhor freqncia

Indicativa do desalinhamento

Grade (Falk) Boa resposta 4 N

Garras com elastmero (Lovejoy)

Boa resposta 3 N

Pneu (mega da Rexnord)

Boa na vertical

Pobre na horizontal

2N

Engrenagem de borracha (Woods)

Pobre 2 N

6 N

Lminas (Thomas) Muito pobre 6 N Obs1: N rotao da mquina Obs 2: No foi realizado teste com acoplamento metlico de engrenagens.

Tabela 2 - Freqncia de vibrao para diferentes tipos de acoplamentos.

A classificao de boa resposta vibrao significa que a amplitude de vibrao aumentava com aumento do desalinhamento angular ou com o paralelo. O de melhor resposta foi o de grade. O de pior resposta foi o de lminas.

b.2) Desbalanceamento dinmico

Como j foi dito uma das principais causas de vibrao em equipamentos mecnicos. No

desbalanceamento, a freqncia radial de 1N, porque a fora centrfuga, que a responsvel pela vibrao, ocorre na freqncia de rotao. Quando esta vibrao muito alta, provoca tambm vibrao axial, podendo ser confundida com desalinhamento. O desbalanceamento dinmico causado por uma distribuio desigual de massa, oriunda de desgastes ou de roamentos. Algumas vezes um balanceamento realizado no campo no acoplamento pode reduzir a vibrao, prolongando por algum tempo a vida da bomba, mas na maioria das vezes, necessrio abrir a bomba para correo.



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b.3) Tenso nos flanges da bomba provocado pelas linhas de suco ou de descarga.

Este tipo de esforo nos flanges da bomba, quando elevados, provocam uma toro na

carcaa, causando o desalinhamento entre os seus mancais. Quando exagerada esta tenso pode at causar roamento interno. O projeto da bomba em si, dos pedestais e das bases so os responsveis pela limitao das deformaes. O API 610 e os fabricantes das bombas fixam os valores dos esforos mximos que a tubulao pode transmitir para a bomba. A verificao se a tenso est aceitvel, pode ser feita com auxlio de 2 relgios comparadores colocados no flange do acoplamento, um na vertical e outro na horizontal. Zerar os relgios com os flanges soltos. Apertar o flange de suco e anotar as leituras dos relgios. Tornar a zerar os relgios e repetir a operao de aperto no flange de descarga. O ideal que no aperto de cada flange as leituras no ultrapassem 0,05 mm.

Figura 26 Medida da tenso dos flanges

Geralmente o problema maior costuma ser na tubulao de suco por possuir um dimetro maior do que a de descarga. A tenso ocasionada pelas tubulaes em bombas que trabalham com produtos quentes mais crtica do que as frias devido dilatao das linhas.

b.4) Tubulao com suporte no apoiado.

Quando a tubulao no est bem apoiada nos suportes prximos bomba, poder ocasionar

tenso nos flanges da bomba e gerar vibrao. Mesmo que o suporte esteja afastado da bomba, a linha pode vibrar e transmitir para a bomba. Nestes casos, a freqncia de vibrao costuma ser bem baixa. A soluo inspecionar as linhas, verificando se as mesmas esto encostando nos suportes. Nos suportes com molas teremos de ver se os mesmos esto com a tenso conforme especificado no projeto.

b.5) P manco

P manco ocorre quando os ps de uma mquina no esto no mesmo plano ou placas da

base que no esto no mesmo plano. Quando isto ocorre, ao apertar os parafusos de fixao torcemos o pedestal da mquina, desalinhando-a. mais freqente aparecer em motores eltricos.



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Durante o alinhamento das mquinas usual sua verificao. Coloca-se um relgio comparador sobre o pedestal e compara-se a indicao do relgio com ele solto e apertado. A variao de leitura deve ser inferior a 0,05mm.

b.6) Ps do motor ou da bomba no apertados adequadamente

No muito comum, a no ser nos casos de vibrao muito elevada, que podem levar ao

afrouxamento dos parafusos de fixao das mquinas. Pode ser verificado facilmente com auxlio de uma chave nos parafusos.

b.7) Chumbadores soltos.

Os chumbadores soltos costumam ocorrer em bombas que ficam muito tempo submetidas

vibraes altas. Neste caso o chumbador pode se soltar da base. Se ocorrer, deve ser removido e reinstalado com auxlio de massa epoxi apropriada para melhorar sua fixao. A vibrao deve ser diagnosticada e corrigida para evitar a repetio do problema com o chumbador.

b.8) Base inadequadamente grauteada

A importncia do grauteamento bem feito fundamental para o resultado de baixas

vibraes na bomba. Ele o responsvel por garantir a unio da base metlica da bomba base de concreto e aumenta a rigidez da base metlica. Como o bloco de concreto pesa cerca de 5 vezes mais que a bomba, fcil perceber a reduo de vibrao para uma mesma fora perturbadora que esta unio pode provocar. Batendo-se com um pequeno martelo na base metlica, podemos identificar se existem pontos vazios. A chapa no local do vazio deve receber 2 furos nas suas extremidades, um deles para sair o ar ao ser vertido epoxi, mesmo que o graute original seja de cimento. Quando o graute est muito danificado, a base metlica deve ser removida e refeito o grauteamento. Existem cimentos prprios para graute, mas o epoxi considerado superior, embora mais caro. O API 610 sugere a adoo de epxi para grauteamento, no lugar de cimento para melhorar a aderncia entre a base metlica e a fundao.

b.9) Roamento interno

O roamento interno ocorre geralmente nas partes de menor folga, como anis de desgaste e

buchas. Pode ser ocasionado por m qualidade da centragem das peas (guias), tenses exageradas nos flanges, vibraes excessivas, uso de folgas inadequadas ou a objetos estranhos no interior da bomba. As freqncias da vibrao costumam ser diversas devido ao efeito da excitao das velocidades crticas. Nem sempre o rudo causado pelo roamento audvel. Os roamentos severos causam desbalanceamento o que somado com o aumento das folgas, que reduzem o efeito de



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sustentao, fazem com que a vibrao cresa bastante. Como o roamento causa aquecimento localizado, uma termografia da bomba pode indicar o local do roamento.

b.10) Cavitao clssica

. O rudo caracterstico (como se estivesse bombeando pedras). Costuma gerar vibraes

altas juntamente com o rudo e oscilaes nas presses. A vibrao aparece numa ampla faixa de freqncias. usual excitar as freqncias naturais e diversas outras freqncias. Alguns autores afirmam que o espectro mostra uma ampla faixa prxima de 2.000 Hz. Muitas vezes a cavitao clssica confundida com recirculao interna, que tambm uma forma de cavitao. Os manmetros, tanto de suco quanto de descarga, ficam oscilando. Ver o item seguinte sobre fluxo mnimo.

b.11) Fluxo abaixo do mnimo estvel (recirculao interna)

Ocorre quando estamos trabalhando com vazes baixas.

O fenmeno muito parecido com a cavitao e com a entrada de gases. Um dos modos de distinguir qual dos problemas temos alterando a vazo em pelo menos 10%.

Aumentando a vazo da bomba se o problema for de fluxo mnimo, a vibrao e o rudo diminuiro.

se o problema for de cavitao clssica, a vibrao e o rudo aumentaro.

se no alterar a vibrao e o rudo o problema pode ser de entrada de gases.

Reduzindo a vazo da bomba se o problema for de fluxo mnimo, a vibrao e o rudo aumentaro.

se o problema for de cavitao clssica, a vibrao e o rudo diminuiro.

se no alterar a vibrao e o rudo o problema pode ser de entrada de gases

Ao tentar provocar a alterao de vazo para o teste, devemos ter certeza de que a vazo variou. Muitas vezes ao atuar na vlvula de descarga, fechando-a parcialmente para este fim, a vlvula de controle abre mais, mantendo a mesma vazo anterior.

A recirculao interna gera vibraes na freqncia de passagem das ps e em baixas freqncias, em torno de 5 HZ (300CPM). As freqncias naturais da bomba tambm so excitadas,

De uma maneira geral, podemos dizer que, a cavitao clssica um fenmeno que aparece com altas vazes e a recirculao interna com baixas vazes da bomba (embora existam bombas que com 75% da vazo do BEP j estejam recirculando). A soluo para o problema de recirculao interna aumentar a vazo. Existem vlvulas denominadas vlvulas de fluxo mnimo, que garantem que a bomba sempre trabalhar acima desta vazo crtica. Quando o sistema est com a vazo normal, o ramal de fluxo mnimo fica fechado. Se a vazo comear a cair, a ponto de causar problema de recirculao interna, a vlvula abre uma passagem e comea a complementar a vazo



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do sistema (figura do meio). Se o sistema no tiver vazo nenhuma, a vlvula de fluxo mnimo ir abrir o suficiente para garantir a operao da bomba acima da vazo mnima (figura da esquerda).

Figura 27 Vlvula de fluxo mnimo

b.12) Distncia mnima do impelidor

As ps do impelidor quando passam muito prximas da lingeta da voluta, geram um pulso

que se transforma em vibrao. O mesmo ocorre quando a distncia das ps para o difusor tambm pequena. Nas bombas ditas de alta energia (potncia por estgio maior do que 300 hp ou AMT maior do que 200m) esta vibrao bastante acentuada. Quando surgir vibrao com a freqncia igual ao nmero de ps do impelidor x rotao conveniente verificar se a folga radial superior a mnima recomendada, dada pela frmula a seguir:

Figura 28 Folga mnima externa do impelidor com a voluta e com o difusor



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R2 = raio da p do impelidor (no o raio das laterais do impelidor).

R3 = raio da voluta na regio da lingeta ou raio interno do difusor.

R2100 x R2) - (R3 % mnima Folga = p/ bomba com voluta folga min > 6 %

p/ bomba com difusor folga min > 3%

b.13) Folga alta do mancal de deslizamento

Todo mancal de deslizamento possui uma folga mnima e uma mxima de projeto. Quanto

menor esta folga, menor ser a vibrao da bomba. A folga mnima para garantir uma vazo mnima de leo necessria para retirar o calor gerado. Quando ultrapassamos a folga mxima, o mancal deixa de cumprir sua funo adequadamente, permitindo que a bomba vibre..

b.14) Mancais de rolamentos com danos

Quando esto danificados os rolamentos apresentam vibrao cuja freqncia varia de

acordo com a parte danificada: pista interna, pista externa, gaiola ou esferas. Os programas que acompanham os coletores de dados disponibilizam estas freqncias.

Figura 29 Rolamento de contato angular

Se o rolamento no for de contato angular, o ngulo zero.

Quando os danos dos rolamentos j esto acentuados, a vibrao ocorre tambm na freqncia de rotao.

b.15) Folgas internas altas

Quando os anis de desgaste ou as buchas ficam com folgas altas, estas partes deixam de

funcionar como mancais auxiliares, aumentando em muito a vibrao. As bombas com 2 estgios



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em balano so bastante suscetveis a este tipo de vibrao, mesmo quando o aumento das folgas pequeno.

b.16) Impelidor com canal obstrudo

Se o impelidor tiver um dos canais obstrudos, seja por uma falha de fundio ou pela

entrada de algum corpo estranho que fique preso na sua entrada, ao girar este canal ficar parcial ou totalmente vazio de lquido, dependendo do grau de obstruo. Isto resultar em uma distribuio de massa irregular no impelidor (desbalanceamento dinmico), causando vibraes elevadas na freqncia de 1N. Em impelidores pequenos a visualizao desta obstruo pode ser difcil. Caso tenha dvidas, passe um arame por dentro de cada canal ou examine com auxlio de uma lanterna.

c Bombas que esto exigindo potncia acima da esperada.

As causas mais freqentes de bombas com potncia acima da esperada esto listadas a seguir:

c.1) Vazo mais elevada do que a de projeto.

Como sabemos, a curva de potncia de uma bomba centrfuga radial cresce com a vazo.

Portanto, se a vazo estiver acima da especificada, a bomba exigir uma potncia maior.

c.2) Anis de desgaste ou buchas folgadas.

Com as folgas maiores, teremos uma quantidade maior de lquido passando da descarga para

a suco, ou de um estgio para outro nas bombas multiestgios. Esta vazo adicional consome uma potncia adicional.

c.3) Roamento severo

O atrito provocado pelo roamento consome uma potncia adicional. Quando ocorre roamento as vibraes ficam instveis. Um modo de determinar o roamento atravs de termografia.



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c.4) Aumento da viscosidade

Com o aumento da viscosidade o rendimento da bomba cai, aumentando a potncia

consumida para fornecimento de uma mesma vazo.

c.5) Aumento do peso especfico (densidade). Pela frmula da potncia, temos que a mesma varia linearmente com a densidade (ou peso

especfico ).

274 H Q Pot

x

xx=

c.6) Aumento da rotao

S pode ocorrer no caso de acionadores de velocidade varivel.

Como j vimos, a potncia varia com o cubo da rotao. Portanto uma variao de 5% na rotao aumenta em quase 16% a potncia (1,053= 1,16). Neste caso, a vazo tambm deveria ter sido alterada com a rotao.

d Bombas que apresentam aquecimento no mancal As principais causas de aquecimento dos mancais so:

d.1 - rolamentos danificados;

d-2 - contaminantes no leo, principalmente gua;

d-3 - desalinhamento entre os mancais da bomba ou entre o eixo da bomba e do acionador;

d-4 - foras hidrulicas radiais ou

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