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A cavitação em bombas é o fenômeno em que a pressão do líquido em uma bomba cai abaixo de seu ponto de ebulição. Isso leva à formação de bolhas de vapor que implodem por se deslocarem para regiões de maior pressão.
Esse fenômeno causa diversos problemas em bombas centrífugas e sistemas de caldeira, como redução da eficiência, aumento do consumo de energia, vibrações e redução da vida útil de componentes.
Por isso, é importante que os setores de manutenção conheçam as principais causas da cavitação e adotem medidas preventivas para garantir que ela não traga consequências negativas para a disponibilidade dos equipamentos.
No artigo de hoje, nossos especialistas em manutenção industrial, exploram as causas e efeitos desse fenômeno, bem como métodos para evitá-lo.
Vamos conferir?
Tipos de cavitação em sistemas de bombeamento
Os sistemas de bombeamento têm vários tipos de cavitação. Cada um tem características próprias. É importante entender essas diferenças para atuar na prevenção e solução do problema.
A primeira classificação que apresentamos é a mais simples e amplamente utilizada no campo de manutenção para discutir cavitação de maneira mais genérica.
Cavitação de sucção ocorre na entrada da bomba, quando a pressão na sucção é tão baixa que o líquido evapora, formando bolhas de vapor.
Cavitação de descarga ocorre na saída, quando há um aumento súbito de pressão que faz com que as bolhas de vapor colapsem, causando danos.
A segunda classificação, por sua vez, oferece uma visão mais técnica e detalhada dos mecanismos específicos por trás do fenômeno. Aqui cada tipo de cavitação reflete diferentes condições operacionais que levam à formação de bolhas de vapor e ao colapso dessas bolhas.
- Vaporização: A pressão do líquido cai abaixo do ponto de vapor, formando bolhas.
- Turbulência: Ocorre quando há um fluxo de líquido instável ou agitado, criando áreas de baixa pressão.
- Síndrome das palhetas: Está relacionada a problemas com as palhetas do rotor da bomba, que podem criar áreas de baixa pressão, gerando cavitação.
- Recirculação interna: Ocorre quando o líquido não flui corretamente e recircula dentro da bomba, criando áreas de baixa pressão.
- Cavitação por aspiração de ar: É causada pela entrada de ar no sistema, reduzindo a pressão do líquido e provocando cavitação.
Agora que você já sabe os tipos de cavitação, vamos ver seus efeitos e potenciais danos.
Efeitos e danos causados pela cavitação
Os efeitos e danos causados pela cavitação em bombas são significativos e podem impactar não apenas a eficiência do sistema, mas também a integridade dos componentes, resultando em aumento de manutenções corretivas, tempo de inatividade e altos custos de reparo.
Abaixo, detalhamos os principais danos causados pela cavitação:
1. Danos ao impelidor
O efeito mais comum da cavitação é o desgaste erosivo das palhetas do impelidor. As bolhas de vapor que se formam nas áreas de baixa pressão eventualmente colapsam nas regiões de alta pressão, criando choques localizados de alta intensidade. Esse processo repetido causa erosão e desgaste nas superfícies metálicas das palhetas, deixando-as irregularmente corroídas e com furos.
Com o desgaste progressivo do impelidor, a geometria original do rotor é comprometida, o que reduz a eficiência hidráulica da bomba. A bomba precisará de mais energia para fornecer o mesmo fluxo ou elevação de pressão, aumentando o consumo energético.
2. Vibrações excessivas
A formação e o colapso de bolhas de vapor criam desequilíbrios dinâmicos que resultam em vibrações excessivas na bomba e no sistema de tubulação. Essas vibrações podem gerar danos adicionais, como:
- Desgaste nos mancais.
- Desalinhamento do eixo da bomba.
- Aumento das forças radiais e axiais no eixo, o que pode provocar falhas prematuras nos rolamentos.
Vibrações contínuas também podem causar danos à fundação da bomba e à fixação da tubulação, gerando trincas ou rompimentos nas bases e suportes.
3. Ruído elevado
A cavitação gera ruídos característicos que lembram o som de cascalho ou pedras batendo dentro da bomba. Esse ruído é causado pelo colapso das bolhas de vapor e pela transferência de energia para as superfícies metálicas da bomba.
O ruído excessivo não é apenas um sinal de cavitação, mas também é indicativo de que o sistema está operando sob condições inadequadas, o que exige intervenção para evitar danos maiores.
4. Falhas nos selos mecânicos e mancais
As vibrações e o aumento das forças radiais e axiais devido à cavitação aumentam o desgaste nos selos mecânicos e mancais. Como consequência, ocorrem vazamentos, aumento do atrito e falhas prematuras nos rolamentos.
O desgaste acelerado dos selos mecânicos pode permitir a entrada de contaminantes no fluido bombeado, comprometendo ainda mais a operação e a qualidade do fluido processado.
5. Perda de eficiência e aumento no consumo energético
Devido à redução na eficiência hidráulica causada pela cavitação, a bomba precisa trabalhar mais para fornecer a mesma quantidade de fluido ou pressão. Isso resulta em um aumento no consumo de energia, o que impacta diretamente nos custos operacionais.
Em muitos casos, a bomba operando sob cavitação também pode apresentar sobrecarga no motor, levando a falhas elétricas e a necessidade de trocas ou reparos no motor.
Os efeitos e danos da cavitação vão muito além do simples desgaste mecânico. O fenômeno compromete a eficiência do sistema, aumenta os custos operacionais e pode levar a falhas de grande magnitude.
A identificação precoce da cavitação, associada a práticas de manutenção preventiva, como o monitoramento contínuo de parâmetros operacionais (pressão, temperatura e vibração), é fundamental para mitigar os danos e garantir a longevidade das bombas e dos sistemas de bombeamento.
Causas principais da cavitação em bombas e medidas preventivas.
Para evitar e controlar a cavitação em bombas primeiro, é preciso entender o que causa a formação de bolhas de vapor. Só assim é possível agir para minimizar ou eliminar os principais fatores que levam à cavitação.
1. Pressão inadequada na sucção (NPSH disponível insuficiente)
A cavitação ocorre principalmente quando a pressão do fluido na entrada da bomba cai abaixo do seu ponto de vapor, o que leva à formação de bolhas. Esse problema geralmente está relacionado ao NPSH disponível ser insuficiente. Fatores que podem reduzir o NPSH disponível incluem:
Altura de sucção elevada: Quando a bomba está instalada muito acima do nível do fluido a ser bombeado, a pressão na entrada diminui, facilitando a vaporização do líquido.
Perdas de carga no sistema de sucção: Válvulas, filtros, curvas e tubulações de sucção mal dimensionadas ou obstruídas podem aumentar as perdas de carga, reduzindo a pressão na entrada da bomba.
Temperatura elevada do fluido: Quanto maior a temperatura do fluido, menor a pressão necessária para ele vaporizar. Se o fluido estiver muito quente, o risco de cavitação aumenta.
Ação preventiva:
– Utilizar medidores de pressão e temperatura na sucção para garantir que o NPSH disponível esteja sempre acima do NPSH requerido da bomba. Automatizar o monitoramento com sensores de pressão para alertar operadores em caso de variação.
– Reduzir a altura de sucção (elevação da bomba) ou elevar o nível do líquido no reservatório de alimentação para melhorar a pressão de entrada.
– Dimensionar adequadamente a tubulação de sucção, usando diâmetros maiores e reduzindo a quantidade de curvas e acessórios que criam resistência ao fluxo. Manter válvulas e filtros bem limpos e operacionais.
– Se a cavitação for causada por líquidos muito quentes, adicionar sistemas de resfriamento ou isolar termicamente a tubulação de sucção para evitar o aquecimento excessivo.
2. Alta velocidade do fluido na entrada
Um erro comum no projeto de sistemas de bombeamento é dimensionar tubulações de sucção com diâmetros insuficientes, o que resulta em velocidades excessivas do fluido na entrada da bomba.
Isso gera uma queda de pressão dinâmica significativa que pode levar à formação de bolhas de vapor. A velocidade do fluido na sucção deve ser cuidadosamente controlada para evitar esse tipo de problema.
Ação preventiva:
– Redimensionar a tubulação de sucção: Verificar a velocidade do fluido na entrada e, se estiver excessiva, aumentar o diâmetro da tubulação para reduzir a velocidade, o que minimiza a queda de pressão.
– Reduzir a perda de energia cinética: Garantir que a tubulação tenha trechos retos suficientes antes da entrada da bomba, de forma que o fluido chegue à bomba com fluxo laminar, evitando turbulências.
3. Altas rotações do impelidor
Bombas que operam em altas rotações podem criar zonas de baixa pressão nas extremidades das palhetas do impelidor. Em certos pontos do impelidor, a velocidade do fluido pode se tornar tão alta que a pressão local cai drasticamente, causando cavitação.
Ação corretiva:
– Se a bomba estiver operando em rotações muito altas e criando cavitação, considere o uso de variadores de frequência para controlar a velocidade de operação da bomba. Diminuir a velocidade do impelidor diminui o gradiente de pressão que gera a cavitação.
– Utilizar impelidores maiores ou com geometria otimizada para reduzir as zonas de baixa pressão. Consultar o fabricante para verificar se há melhorias no projeto do impelidor que possam ajudar a controlar a cavitação.
– Caso a aplicação permita, considerar o uso de uma bomba de múltiplos estágios que distribui a elevação do fluido entre diferentes impelidores, reduzindo a necessidade de alta rotação em cada estágio.
4. Entrada de ar no sistema
A presença de ar ou gases dissolvidos no fluido pode agravar o problema da cavitação. Pequenas quantidades de ar que entram no sistema (por vazamentos em juntas, conexões mal vedadas ou pelo próprio fluido) podem se expandir rapidamente na área de baixa pressão, formando bolhas que contribuem para o colapso cavitacional.
Medida preventiva:
– Verificar e manter as juntas, flanges e conexões bem vedadas para evitar vazamentos de ar. Qualquer entrada de ar pode ser catastrófica para o sistema de sucção.
– Instalar válvulas de alívio de ar ou dispositivos de eliminação de ar nas tubulações para remover bolhas de ar que possam se acumular no sistema.
– Utilizar detectores de ar dissolvido no fluido bombeado para identificar problemas antes que a cavitação ocorra.
5. Projeto inadequado do sistema de sucção
Erros no projeto da tubulação de sucção também são causas frequentes de cavitação. Conexões de tubulação mal alinhadas, ângulos de entrada muito fechados, ou o uso de válvulas de controle incorretas podem criar distúrbios de fluxo e turbilhonamento, que aumentam as chances de cavitação.
A tubulação de sucção deve ser projetada com transições suaves e um mínimo de curvas, de preferência com um diâmetro adequado para garantir um fluxo estável e laminar.
Medida preventiva:
– Certificar-se de que a tubulação de sucção esteja corretamente dimensionada e instalada, evitando curvas bruscas, conexões em ângulos fechados e longos trechos horizontais, que podem criar turbilhonamento e perdas de pressão.
– Utilizar válvulas de controle de fluxo que não causem grandes restrições ou distúrbios de fluxo na sucção. Evitar válvulas globo ou de borboleta que podem causar queda de pressão.
– Verificar o alinhamento da tubulação com a bomba para evitar qualquer desvio ou desalinhamento que possa gerar distúrbios no fluxo.
6. Variação brusca de pressão na descarga
Embora a maioria dos casos de cavitação ocorra na sucção, variações abruptas de pressão na descarga também podem levar à formação de bolhas. Quando o fluxo é recirculado internamente, ocorre cavitação no lado de alta pressão da bomba.
Esse fenômeno pode ser causado por obstruções ou válvulas de controle fechando muito rapidamente na linha de descarga.
Medida preventiva:
Controle gradual de válvulas de descarga: Implementar sistemas de controle automático de válvulas de descarga que fechem gradualmente, evitando variações bruscas de pressão. Válvulas de controle motorizadas com ajustes suaves podem ajudar a reduzir os impactos súbitos.
Instalação de amortecedores de pressão: Se houver variações abruptas de pressão na linha de descarga, considerar a instalação de amortecedores ou acumuladores para absorver esses picos de pressão e proteger o sistema de bombeamento.
Revisão do projeto de recirculação: Certificar-se de que a recirculação interna da bomba (se houver) esteja dimensionada para que o fluido circule adequadamente sem causar cavitação no lado de alta pressão da bomba.
7. Fluidos com propriedades voláteis
Certos fluidos com características voláteis (como solventes ou misturas de baixa densidade) têm uma tendência maior de entrar em cavitação devido à sua pressão de vapor relativamente baixa. Ao projetar sistemas para esses tipos de fluidos, é necessário prestar atenção redobrada ao controle de pressão e temperatura.
Medida preventiva:
– Para líquidos com alta pressão de vapor (como solventes e produtos químicos), o NPSH disponível deve ser ajustado com maior margem de segurança. Consultar o fabricante da bomba sobre as melhores práticas para bombear esses tipos de fluidos.
– Se possível, utilizar bombas projetadas para lidar com fluidos voláteis, que têm impelidores e carcaças projetados para reduzir a cavitação. As bombas criogênicas ou de vedação magnética, por exemplo, são adequadas para esses fluidos.
– Manter o controle preciso da temperatura do fluido, garantindo que ele permaneça abaixo de seu ponto de ebulição durante toda a operação do sistema.
Alguns outros fatores também podem causar cavitação. Isso inclui distâncias grandes entre a bomba e o líquido e bombas em alturas baixas. Atentar para esses detalhes ajuda a evitar danos e manter o bombeamento eficiente.
Para garantir que a cavitação seja evitada, as equipes de manutenção devem adotar uma abordagem proativa que inclua tanto a manutenção preventiva quanto o monitoramento contínuo de parâmetros críticos como pressão, temperatura e velocidade do fluido.
Implementar sistemas de automação que detectam condições de cavitação incipiente e ajustar os parâmetros operacionais com rapidez também são práticas altamente recomendadas. Ao tomar essas medidas, as empresas não apenas prolongam a vida útil das bombas, mas também melhoram a eficiência energética e a confiabilidade de seus sistemas de bombeamento.
Sintomas e detecção de cavitação em bombas
É muito importante detectar a cavitação em bombas para evitar danos e manter o sistema funcionando bem. Fique de olho nos sinais que podem indicar que esse fenômeno está ocorrendo:
- Redução no fluxo ou pressão do sistema,
- Vibração em bombas fora do normal,
- Erosão visível no rotor,
- Falhas em vedações ou rolamentos,
- Aumento no consumo de energia,
- Ruído de cavitação (sons borbulhantes ou estalos).
Para encontrar esses sinais, é bom fazer inspeções regulares. Usar técnicas de monitoramento ajuda a detectar os problemas logo no início. Analisar vibração e temperatura pode mostrar problemas antes que se agravem.
| Método de detecção | Eficácia | Frequência recomendada |
| Inspeção visual | Média | Mensal |
| Análise de vibração | Alta | Semanal |
| Monitoramento de temperatura | Alta | Contínuo |
| Análise de ruído | Média | Diária |
Com essas práticas, você pode detectar a cavitação nos estágios iniciais, evitar danos maiores e diminuir os custos de manutenção.
Técnicas de manutenção para evitar a cavitação
As ações de manutenção são fundamentais para evitar a cavitação. Para isso, deve-se adotar um bom plano de manutenção e estratégias certas que visem a confiabilidade e disponibilidade das bombas.
Inspeções periódicas
É muito importante fazer inspeções regulares. Elas ajudam a encontrar problemas antes que eles se tornem grandes. Ao inspecionar, procure por sinais de desgaste ou danos nos componentes da bomba.
- Verifique o rotor e as pás quanto a erosão,
- Inspecione as vedações e rolamentos,
- Avalie a condição geral do sistema de bombeamento.
Monitoramento de vibração e ruído
Usar sensores para monitorar vibrações é uma boa ideia. Eles ajudam a detectar problemas antes que eles se tornem maiores. Isso pode indicar cavitação.
Análise de desempenho da bomba
É importante fazer análises regulares para ver como a bomba está funcionando. Compare os dados com o que o fabricante disse e com o que você viu antes. Se houver grandes diferenças, pode ser um sinal de problemas, como cavitação.
Com essas técnicas de manutenção, você pode evitar a cavitação. Isso mantém seu sistema de bombeamento funcionando bem. Lembre-se, prevenir é melhor que consertar.
Conclusão
A cavitação é um grande problema para os sistemas de bombeamento. É importante entender o que causa e o que ela faz. Isso ajuda a manter as bombas funcionando bem e a evitar danos caros.
Manter os sistemas de bombeamento em ordem é fundamental. Isso significa fazer inspeções regulares, monitorar a vibração e analisar como eles estão funcionando. Essas ações permitem encontrar problemas cedo e corrigi-los antes que a cavitação cause grandes danos.
Evitar a cavitação é bom para os equipamentos e para a eficiência do trabalho. Um sistema bem cuidado faz a empresa economizar e ser mais produtiva. Lembre-se, um bom sistema de bombeamento é a chave para o sucesso.
