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CAVITAÇÃO EM VÁLVULAS DE CONTROLE
Cavitação:
Formação de cavidades com vapor do próprio liquido, provocada pelo efeito do aumento
velocidade de escoamento do fluido ao passar por um orifício de passagem reduzido. Com o aumento
da velocidade a pressão diminui, como comprova o teorema de Bernoulli. Em determinadas situações,
esta pressão fica a baixo da pressão de vapor do fluido para a temperatura de trabalho, provocando a
cavitação. Logo apos passar pela região de vena contracta (menor pressão) a pressão tende a recuperar,
é quando estas cavidades são implodidas.
E muito importante lembrar que um fluido não precisa estar aquecido para cavitar, isto
depende da temperatura de formação de vapor do fluido para determinada pressão , velocidade e do
fator de recuperação de pressão da válvula de controle utilizada. Fotos mostram de experimento em
laboratório onde uma hélice cavitando ao girar a 3500 rpm imersa em água a 20 graus Celsius em um
Becker.
Estas cavidades não causam nenhum efeito maléfico à válvula, o grande problema são as
sucessivas implosões destas bolhas que dissipam uma grande quantidade de energia (ondas de choque
localizadas que podem chegar a 10.000 PSI) causando corrosão muito peculiar fig. 1 (pitins profundos,
ásperos e porosos muito conhecido visualmente). Danificando não somente os internos como também
o corpo da válvula, este fenômeno ocorre também em bombas e rotores de turbinas hidroelétricas.
Os danos provocados pela cavitação dependem da intensidade da cavitação, ao tempo de
exposição à cavitação, da dureza do material utilizado e do tipo de válvula.
As válvulas de controle de deslocamento rotativo como borboleta, esfera, esfera segmentada
possuem um alto fator recuperação de pressão e por conseqüência um baixo coeficiente de cavitação
Kc (resistência a cavitação), Já as válvulas tipo globo possuem um Kc mais elevado , logo estão
menos sujeitas a cavitação.
COEFICIENTES DE CAVITAÇÃO Kc
ESFERA BORBOLETA OBTURADOR EXCENTRICO GLOBO Conv GLOBO Gaiola
0,28 900 0,31 0,37 fluxo fecha 0,68 fluxo fecha 0,63 fluxo fecha
700 0,30 0,61 fluxo abre 0,65 fluxo abre 0,65 fluxo abre
0,80 obturad em V
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Um outro problema provocado pela cavitação em válvulas e o ruído hidrodinâmico e
vibrações que além de tornar o ambiente de trabalho degradante, atrapalha o desempenho do controle
do processo.
Flashing: Quando a pressão a jusante não recupera a um ponto acima da formação de vapor, o
fluido permanece no estado gasoso, dando origem ao fenômeno flashing. A corrosão provocada pelo
flashing tem uma outra aparência, obturador fica totalmente polido com rasgo ou sulco provocado por
erosão aerodinâmica. Apesar de os danos provocados por flashing ser relativamente menores do que o
pela cavitação este é também e muito mais difícil de ser evitado.
Como Evitar a cavitação: 1- O Primeiro passo especificar uma válvula com coeficiente de
cavitação Kc maior. (maior oposição a cavitação).
2- Uma maneira muito simples de se evitar à cavitação é a
instalação de um orifício de restrição calibrado a jusante da válvula de controle. Porém esta medida
dependendo da intensidade da cavitação e em baixas vazões, quando a área de passagem da válvula
fica menor que a área do orifício, este não consegue cumprir a sua função que é a de aumentar a
pressão na região de vena contracta da válvula (nas proximidades da sede) evitando a cavitação.
3- Outra alternativa além a de utilizar materiais mais duros e a de
utilização de válvulas com bitola maior com internos reduzidos, com o objetivo de distanciar as
implosões do corpo da válvula.
4- A utilização de internos especiais. Existem diversos tipos de
internos adequados para a mais diversa condição de cavitação, desde a que utiliza uma gaiola de um
único estagio com múltiplos orifícios, a gaiolas que utilizam dois ou mais estágios de múltiplos
orifícios, com um espaço para expansão entre os estágios. Casos mais severos internos especiais que
utilizam corpos de válvulas mais altos para permitir internos com a combinação de expansão maiores
seguidas de orifícios..
5- Para que não haja cavitação o coeficiente de cavitação do
processo Kcp deve ser menor que o coeficiente de cavitação da válvula Kc. A comparação destes
coeficientes ( Kcp e Kc) determina a medida ou o conjunto de medidas a serem tomadas para se evitar
ou contornar os efeitos provocados pela cavitação. Existem casos que é necessário, a associação de
dois ou mais métodos descritos para se evitar a cavitação.
NOTA: Embora a norma ISA S39 ou suas sucessoras não tenham regulamentado o uso do
coeficiente de cavitação da válvula Kc. A sua utilização de maneira “análoga” ao coeficiente de
Thoma (utilizado para determinação do NPSH requerido para bombas), tem se mostrado um método
simples e eficiente ao mostrar o inicio da cavitação, e determinar o tipo de válvula a ser especificada
para se evitar a cavitação.
Autor: Fernando Souza Sampaio E-mail: [email protected]
Bibliografia: Introdução à Mecânica dos Fluidos- Robert W. Fox & Alan T. McDonald
Manual Hidráulica - Azevedo Neto. J.M.
Elementos Mecânica Fluidos - Garcez, L. N.
Curso Hidráulica Geral - Pimenta. C. F.
Apostila - Roberto Luiz Barallobre.
Manual e catálogos de Fabricantes de válvulas de controle.
Anexo: Fotos de casos críticos onde internos mesmo sendo anti cavitante, ou indicados para altas
quedas de pressão, mostram corrosão por cavitação.
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Foto acima, mostra que apesar dos internos anticavitante de um estagio, a válvula continuou cavitando
(corrosões características na sede). Notar que lá em baixo no corpo , já havia sido enchido com solda
para conter danos por cavitação no corpo (válvula instalada em uma termoelétrica que ficava ligada em
stand-by na época do apagão elétrico).
Foto acima mostra danos por cavitação em obturador tipo cascata, indicado para alta queda de pressão
, utilizado em uma válvula de recirculação em uma bomba de alimentação de caldeira de uma usina
termoelétrica.
