Análise da cavitação do rotor da bomba centrífuga

1. A natureza da cavitação
A cavitação, um processo destrutivo físico-químico combinado, ocorre em três estágios:

Vaporização local: Quando a pressão local na entrada do impulsor ou na zona de baixa pressão cai abaixo da pressão de vapor saturado do líquido em sua temperatura de operação, o líquido entra em ebulição, gerando numerosas bolhas de vapor (cavidades).

Colapso e Danos das Bolhas: Essas bolhas são transportadas pelo fluxo para a zona de alta pressão do impulsor, onde a pressão ao redor aumenta drasticamente, fazendo com que implodam quase instantaneamente. Esse colapso gera ondas de choque intensas e microjatos com pressão localizada que atinge centenas de megapascais, atuando em microssegundos e em áreas de escala micrométrica.

Fadiga e erosão do material: Essas ondas de choque atingem repetidamente a superfície metálica do impulsor (milhares de vezes por segundo), induzindo fadiga mecânica e por corrosão. Isso desloca progressivamente os grãos de metal, levando à formação de erosão com aspecto de pitting, favo de mel ou esponjosa na superfície.

2. Riscos específicos da cavitação para bombas

Degradação do desempenho: Bolhas de vapor obstruem os canais de fluxo, interrompem a continuidade do fluido e causam uma queda significativa na vazão, altura manométrica e eficiência da bomba, muitas vezes criando uma quebra abrupta na curva de desempenho.

Vibração e ruído: A formação e o colapso violentos das bolhas causam vibrações severas na bomba e ruídos característicos de estalo ou chiado, comprometendo a estabilidade e o ambiente de trabalho.

Danos no impulsor:

Erosão por pite mecânica: cria a erosão característica em forma de favo de mel.

Corrosão eletroquímica: A energia liberada durante o colapso destrói a camada passiva protetora do impulsor (especialmente crítica para o aço inoxidável), acelerando a corrosão química. O ataque combinado leva a uma perda de material extremamente rápida.

Em casos graves, pode ocorrer perfuração do impulsor e falha completa da bomba.

Vida útil reduzida: Danos no impulsor, juntamente com o desgaste acelerado dos rolamentos e vedações devido à vibração, reduzem drasticamente os intervalos de manutenção e a vida útil geral da bomba.

3. Identificação e diagnóstico

Som: Um ruído persistente de estalos, crepitações, estalos ou chiados vindos da bomba, semelhante ao som de bombeamento de cascalho.

Desempenho: Sob velocidade e posição da válvula constantes, observa-se uma queda repentina ou gradual no fluxo, na pressão de descarga (altura manométrica) e na corrente do motor (consumo de energia).

Vibração: Leituras de vibração da bomba anormalmente altas, especialmente na direção axial.

Inspeção visual: A desmontagem pós-operação revela a característica corrosão em forma de favo de mel na parte traseira das bordas de entrada das pás (zona de baixa pressão).

4. Causas Primárias (em Sistemas de Circulação de Água)

Níveis insuficientes de NPSH disponível (NPSHa): a causa principal.

Elevação excessiva da bomba: A bomba está instalada muito acima do nível do líquido de alimentação.

Perdas excessivas na linha de sucção: Tubulações de sucção muito longas, estreitas, com muitas curvas ou com filtros/coadores/válvulas de pé obstruídos aumentam a perda de pressão.

Alta temperatura do líquido: A troca de calor deficiente ou a alta carga térmica no sistema elevam a temperatura da água e sua pressão de vapor, reduzindo o NPSHa.

Baixa pressão do sistema: Flutuações de pressão ou quantidade insuficiente de água de reposição em sistemas fechados reduzem a pressão do vaso de sucção.

NPSH elevado necessário para a bomba (NPSHr):

Projeto intrínseco inadequado da bomba ou geometria desfavorável da entrada do impulsor/alta velocidade de entrada.

Desgaste ou entupimento do impulsor, o que compromete o projeto hidráulico original.

5. Prevenção e Soluções

Otimizar o projeto do sistema (aumentar o NPSHa):

Reduza a altura de instalação da bomba; utilize sucção inundada (nível do líquido acima da linha central da bomba) sempre que possível.

Otimize a tubulação de sucção: reduza o comprimento, aumente o diâmetro, minimize as conexões/válvulas e limpe os filtros/coadores regularmente.

Controle da temperatura do líquido: Garanta o funcionamento eficiente de torres de resfriamento, trocadores de calor, etc.

Estabilizar a pressão do sistema: Manter a pressurização e a reposição de pressão adequadas em sistemas fechados.

Seleção e modificação adequadas (reduzir NPSHr):

Selecione bombas com ampla margem: Garanta que o NPSHa > NPSHr tenha uma margem de segurança suficiente (normalmente ≥ 0,5-1,0 m).

Escolha bombas resistentes à cavitação: modelos com rotores de dupla sucção (menor velocidade de entrada) ou palhetas indutoras.

Modificação do impulsor: Substitua o impulsor padrão por um modelo anticavitação (com bordas de entrada mais espessas e perfis aerodinâmicos especiais) ou remodele/rebaixe profissionalmente a entrada do impulsor padrão para um perfil mais fino e afiado.

Operação e manutenção:

Revestimento/Pintura Dura: Aplique materiais resistentes à cavitação (por exemplo, ligas à base de cobalto, carboneto de tungstênio) por meio de revestimento a laser, aspersão de plasma ou revestimento por soldagem.

Revestimentos de polímero: Utilize revestimentos epóxi de alto desempenho para aplicações menos críticas.

Impulsores danificados devem ser reparados ou substituídos imediatamente.

Evite operar com baixo fluxo: A recirculação interna em baixos fluxos promove a cavitação. Opere dentro da faixa de operação preferencial da bomba (BEP).

Utilize inversores de frequência (VFD): Reduzir a velocidade da bomba diminui significativamente seu NPSHr (proporcional ao quadrado da velocidade), uma solução eficaz.

Proteção e Reparo de Superfícies:

Resumo
A cavitação do rotor em bombas centrífugas é um problema sistêmico decorrente do desequilíbrio entre a Altura Líquida de Sucção Positiva Disponível (NPSHa) do sistema e a Altura Líquida de Sucção Requerida (NPSHr) da bomba. A solução reside em uma abordagem dupla: aumentar a oferta e reduzir a demanda, melhorando a NPSHa do sistema e reduzindo a NPSHr da bomba. Por meio de projeto, seleção, operação e manutenção sistemáticos, a cavitação pode ser efetivamente prevenida e controlada.