Alguns Equívocos sobre a Seleção e Aplicação de Bombas Centrífugas

A aquisição de uma bomba centrífuga de alta-qualidade que atenda aos padrões de fabricação é apenas o ponto de partida, e não o objetivo final, para garantir uma operação do sistema-livre de problemas-a longo prazo. Se o equipamento não for projetado para ser compatível com cenários de aplicação específicos, mesmo os parâmetros de desempenho mais impressionantes levarão inevitavelmente a problemas de adaptação ao ambiente real. Cada bomba centrífuga tem seu ponto operacional ideal predefinido e faixa operacional permitida. Quando as condições reais de operação se desviarem dos limites do projeto,-seja em termos de vazão, altura manométrica de sucção positiva líquida (NPSH), características do meio ou métodos de inicialização-e desligamento-, isso ameaçará diretamente a estabilidade hidráulica, a confiabilidade mecânica e a vida útil da unidade de bomba.

Este artigo irá, com base na experiência prática de engenharia, explicar e esclarecer alguns equívocos comuns na seleção e aplicação de bombas centrífugas para evitar que os usuários tomem decisões inadequadas de seleção de produtos e aplicações.

 

 

• Alguns equívocos comuns na seleção de produtos

 

Quanto maior a eficiência, melhor

A “Eficiência” é o principal indicador para medir o desempenho hidráulico de uma bomba e é também o ponto de partida mais direto para os utilizadores se concentrarem nos custos de consumo de energia. No entanto, se o objetivo de maximizar a eficiência da bomba for perseguido unilateralmente, muitas vezes será necessário fazer vários compromissos na fase de projeto, o que pode afetar a robustez do equipamento e a confiabilidade de sua operação-de longo prazo.

A alta eficiência, que naturalmente se traduz em menor consumo de energia operacional, é uma expectativa comum dos usuários e a principal força motriz por trás da inovação contínua para os fabricantes de bombas. Ela é considerada uma "meta" porque em condições operacionais críticas que exigem operação contínua-de longo prazo, como energia nuclear, energia térmica e usinas petroquímicas, a segurança e a estabilidade (ou seja, confiabilidade) das unidades de bombeamento são sempre fundamentais.

Alcançar um projeto de alta{0}}eficiência normalmente envolve vários recursos técnicos: folgas operacionais menores (anéis de desgaste, mecanismos de balanceamento etc.), eixos de bomba mais longos e flexíveis, requisitos de tolerância rigorosos e o perfil de caminho de fluxo mais suave possível. Embora esses projetos melhorem até certo ponto a eficiência hidráulica, eles também tornam o equipamento mais sensível à limpeza do meio, às flutuações nas condições operacionais e ao alinhamento da instalação, aumentando assim a frequência de manutenção, levantando barreiras técnicas e aumentando os custos de peças de reposição para os usuários.

Os fabricantes, com base em diferentes posicionamentos de mercado e estratégias de produtos, têm focos diferentes em suas filosofias de projeto de bombas: alguns priorizam a eficiência energética, alguns consideram a confiabilidade como um princípio fundamental e outros buscam uma vida útil ultra{0}}longa sob condições operacionais extremas. Na década de 1980, o mercado de geração de energia térmica da China desenvolveu-se rapidamente, atraindo vários fornecedores de bombas para usinas de renome internacional. A maioria dos fabricantes utilizou a segurança e a confiabilidade como barreiras técnicas, mas uma empresa estrangeira entrou no mercado com “a maior eficiência do setor” como vantagem diferenciadora. Embora a sua eficiência medida inicialmente fosse de facto 1% a 2% superior à dos seus concorrentes, sofreu frequentemente acidentes de quebra de veios após a colocação em funcionamento e acabou por ser expulso do mercado de energia chinês. Este caso ilustra profundamente que as bombas centrífugas não são necessariamente melhores quanto maior for a eficiência; uma estratégia de design que sacrifique a confiabilidade pela eficiência equivale a beber veneno para matar a sede em condições operacionais críticas.

 

Quanto menor for a altura manométrica de sucção positiva líquida (NPSH) necessária da bomba, melhor.

Para os usuários, quanto menor a altura manométrica líquida de sucção positiva (NPSHR) necessária da bomba, melhor, pois isso pode reduzir significativamente a altura da instalação (ou seja, a altura manométrica líquida de sucção positiva NPSHA) e reduzir efetivamente os custos de investimento.

Na maioria dos sistemas de bomba, o NPSHA tende a diminuir com o aumento da vazão, enquanto o NPSHR tende a aumentar com o aumento da vazão. Portanto, antes do projeto do sistema, as recomendações do fabricante da bomba e a experiência de aplicação devem ser consideradas, e uma margem de segurança suficiente deve ser fornecida dentro de todas as vazões operacionais esperadas. Ao mesmo tempo, ao determinar a altura manométrica de sucção positiva líquida, o comprador e o vendedor devem esclarecer a relação entre a vazão mínima contínua estável e a velocidade específica de sucção da bomba. Geralmente, a vazão estável mínima contínua da bomba aumenta com o aumento da velocidade específica de sucção... Ao selecionar a velocidade específica de sucção e a margem de segurança NPSH, os padrões industriais existentes e a experiência do fabricante devem ser considerados.

Na mesma velocidade e vazão, quanto menor o NPSHR, maior será a velocidade específica de sucção da bomba. Em comparação com projetos de bombas com velocidades específicas de sucção mais baixas, as bombas com velocidades específicas de sucção mais altas têm maior probabilidade de encontrar vibrações e ruídos indesejáveis, e a faixa operacional permitida também se torna mais estreita. Em relação ao impacto da velocidade específica de sucção na confiabilidade operacional das bombas centrífugas, os pares internacionais têm ampla experiência em aplicações de engenharia e forneceram limites máximos para a velocidade específica de sucção, que podem ser usados ​​como referência na seleção de bombas. Entre eles, o limite para velocidade específica de sucção especificado na UOP 5-11-7 [2] tem sido amplamente reconhecido e aplicado globalmente, e suas disposições são as seguintes: a velocidade específica de sucção da bomba não deve exceder 13.000 (m3/h, rpm m); quando o meio de bombeamento é água ou uma solução com teor de água superior a 50%, e a potência do impulsor de estágio único da bomba excede 75 kW, a velocidade específica de sucção não deve exceder 11.000 (m3/h, rpm, m). Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, hoje, sem aumentar o diâmetro de entrada do impulsor, existem muitas maneiras de melhorar o desempenho de sucção das bombas centrífugas, e o limite para a velocidade específica de sucção também foi aumentado em conformidade. Depois de estudar os produtos de muitas empresas multinacionais (como EBARA, KSB, ITT, etc.), o autor descobriu que o tipo BB2, projetado usando métodos de design modernos (em vez do método tradicional de aumentar o diâmetro de entrada do impulsor), pode atingir um limite de velocidade específico de sucção de aproximadamente 14.400 (m3/h, rpm, m).

Portanto, os usuários não devem buscar cegamente o "baixo NPSH3" sem considerar as condições reais de operação. Em vez disso, eles devem trabalhar com os fabricantes para deixar uma margem suficiente e razoável entre a altura manométrica líquida de sucção positiva da unidade (NPSHA) e a altura manométrica líquida positiva de sucção necessária da bomba (NPSH3), enquanto avaliam cuidadosamente os riscos de estabilidade operacional que podem ser causados ​​pelo projeto de alta velocidade específica de sucção.

 

Quanto mais distante a velocidade crítica da bomba estiver da sua velocidade real, melhor.

A velocidade crítica refere-se à velocidade característica na qual um sistema de rotor ressoa, e seu valor depende da rigidez do rotor, da rigidez do suporte e da distribuição de massa. Em processos reais de licitação de engenharia, devido a uma evitação excessiva de riscos de ressonância, os compradores tendem a exigir que a velocidade crítica transversal de primeira{1}}ordem esteja o mais distante possível da velocidade nominal da bomba (por exemplo, os primeiros documentos de licitação para bombas convencionais de água de alimentação de ilha em usinas nucleares exigiam que "a primeira velocidade crítica do sistema de eixo da bomba na água deveria ser superior a 125% da velocidade correspondente ao seu ponto operacional nominal"). Alguns anos mais tarde, esta percentagem foi aumentada para 135% e, no concurso mais recente, foi mesmo exigido que atingisse os 150%, mantendo ainda os actuais padrões de eficiência energética.

 

Do ponto de vista dinâmico, aumentar a velocidade crítica para um ponto distante da faixa de velocidade operacional é totalmente viável – simplesmente aumentando o diâmetro do eixo, encurtando o vão ou aumentando a rigidez do suporte. No entanto, isto leva inevitavelmente ao aumento do peso do rotor, ao aumento da dificuldade de balanceamento e a um conflito direto com as metas de eficiência energética: nas mesmas condições, quanto maior a velocidade crítica, mais espesso o sistema de eixo e maior a perda por atrito mecânico e a perda por atrito do disco, o que significa menor eficiência da bomba.

 

Portanto, a seleção da velocidade crítica é essencialmente uma compensação-entre "segurança dinâmica" e "economia hidráulica". A relação entre a velocidade crítica e a velocidade nominal da bomba deve ser determinada racionalmente com base nos diferentes tipos de bombas e condições de operação.

 

As bombas centrífugas podem lidar com fluxo bifásico-de gás{0}}líquido.

A operação de gás dissolvido de bombas centrífugas envolve um fluxo bifásico-líquido-de gás altamente complexo, que tem sido extensivamente estudado por pesquisadores nacionais e internacionais. A experiência tem mostrado que com projetos de impulsor especiais (por exemplo, uma tampa traseira do impulsor sem{5}}aberta com um orifício de retorno próximo à entrada do impulsor no canal de fluxo do impulsor), as bombas centrífugas podem manter uma operação estável mesmo com um conteúdo de gás de 10% (por volume). As bombas centrífugas comuns podem lidar com líquidos contendo pequenas quantidades de gás (1% a 2% em volume). A presença de uma pequena quantidade de gás no líquido pode amortecer o impacto do colapso da bolha de cavitação e reduzir o ruído, a vibração e os danos associados à erosão. No entanto, quando o conteúdo de gás atinge 6%, as bombas centrífugas comuns podem sofrer fenômenos de cavitação e bloqueio de gás, levando a um declínio acentuado no desempenho (taxa de fluxo, altura manométrica e eficiência).

 

• Alguns equívocos na aplicação

 

Permite operação-de longo prazo abaixo da taxa mínima de fluxo estável contínuo

O padrão ANSI/API 610 define a vazão mínima contínua-em estado estacionário (MCSF) como a vazão mínima na qual uma bomba pode operar continuamente sem exceder os limites de vibração especificados na norma. Em outras palavras, se uma bomba operar abaixo dessa vazão por um longo período, ela desencadeará imediatamente uma série de processos físicos adversos, incluindo refluxo interno, cavitação, forças radiais adicionais (especialmente observadas em bombas de voluta única) e aumento da temperatura do líquido. Isso pode então induzir uma cadeia de modos de falha, como deflexão do eixo, desgaste do anel de desgaste, separação da face final do selo mecânico e superaquecimento anormal do rolamento. As consequências são um aumento significativo na vibração mecânica e no ruído, o que pode reduzir drasticamente a vida útil dos selos mecânicos e rolamentos, ou até mesmo levar à quebra do eixo e danos graves ao rotor e aos componentes correspondentes.

 

Na operação real, surgem dois equívocos operacionais comuns: primeiro, alguns usuários, devido à falta de compreensão do manual de operação e manutenção durante o comissionamento, acreditam erroneamente que as bombas centrífugas podem operar por longos períodos sob quaisquer condições (inclusive abaixo da vazão mínima contínua estável ou até mesmo vazão zero). Segundo, alguns usuários, devido a um mal-entendido dos termos de garantia, tentam criar artificialmente condições operacionais extremas durante a fase de comissionamento para verificar a “resistência” do equipamento. Tais operações constituem testes destrutivos para bombas centrífugas, podendo causar não apenas mau funcionamento imediato, mas também o desenvolvimento de defeitos ocultos, como fissuras por fadiga, e devem ser estritamente proibidas.

 

Ligar a bomba com a válvula de saída totalmente aberta significa ligar a bomba quando a válvula de saída estiver totalmente aberta.

Em muitos sistemas que exigem operação contínua-de longo prazo (como sistemas de usinas de energia), as bombas de reserva normalmente são instaladas e estão sempre prontas para partida (a bomba é preenchida com meio; sistemas auxiliares, como vedações, água de resfriamento e óleo lubrificante, estão operacionais). Se a bomba principal falhar, a bomba de reserva será iniciada automaticamente. Portanto, a válvula de saída da bomba deve estar aberta, comumente conhecida como “partida de válvula aberta”.

 

Muitos compradores ou usuários têm uma ideia errada sobre o início da válvula aberta: eles acreditam que isso significa começar com a válvula de saída totalmente aberta. Isso está incorreto! "Início de válvula aberta" na verdade significa iniciar com a válvula de saída em uma vazão especificada (como a vazão nominal). Normalmente, a vazão que a válvula de saída da bomba em um sistema pode suportar é muito maior do que a vazão nominal da bomba. Se a válvula de saída estiver totalmente aberta, a bomba funcionará a uma vazão excessivamente alta, podendo causar uma série de problemas como cavitação, vibração, sobrecarga do motor ou falha na partida da unidade.

 

O procedimento correto é o seguinte:Com base na curva de desempenho da bomba e na curva de resistência do sistema, pré-ajuste a abertura da válvula de saída para uma posição próxima à vazão de trabalho correspondente e, em seguida, faça o-ajuste fino com base nas leituras do manômetro e do amperímetro após a partida da bomba.

 

A vedação da gaxeta pode ser substituída diretamente por uma vedação mecânica.

Tomando como exemplo a bomba centrífuga do tipo OH1/OH2, as diferenças entre os selos de gaxeta e os selos mecânicos residem não apenas no tipo de vedação, mas também nas diferenças fundamentais no layout estrutural geral. Para vedações de gaxeta, a fim de fornecer espaço axial suficiente para acomodar a gaxeta, os anéis de gaxeta, a gaxeta e uma área para fácil operação manual, os fabricantes de bombas precisam colocar o impulsor longe do rolamento, resultando em um aumento significativo na extensão do cantilever do impulsor L. Quando a bomba dá partida ou o eixo desvia devido à força radial máxima, a gaxeta, devido à sua certa rigidez de suporte radial, atua objetivamente como um rolamento auxiliar, tornando-se parte do sistema de rolamento e fornecendo suporte.

 

A simples remoção da vedação da gaxeta e sua substituição por uma vedação mecânica sem{0}}verificar novamente a dinâmica do rotor resultará nos seguintes riscos:

 

Falta de suporte:Os selos mecânicos não possuem a função de embalar os selos como “parte do sistema de suporte do eixo”. Uma vez que o amortecimento e a rigidez fornecidos pela gaxeta desaparecem, quando a bomba dá partida ou o eixo desvia, a deflexão da extremidade do eixo pode exceder a capacidade de seguimento do selo mecânico, levando inevitavelmente à separação da face do selo, vazamento e desgaste irregular. Isto reduz a vida útil dos componentes e pode até causar danos ou falhas no equipamento.

Interferência Espacial:O diâmetro interno da caixa de empanque (cavidade de vedação) em uma vedação de gaxeta é normalmente menor que o tamanho da cavidade exigido pela vedação mecânica. Este espaço estreito é insuficiente para que o selo mecânico use a força centrífuga para expulsar as partículas sólidas da superfície de vedação e também não pode fornecer folga de resfriamento suficiente, levando ao superaquecimento, coqueamento ou falha prematura da superfície de vedação.

 

Portanto, para bombas centrífugas de sucção final, ao considerar a mudança para um selo mecânico, uma avaliação da dinâmica do rotor deve primeiro ser realizada para calcular a relação L³/D⁴. Aqui, L é a distância (polegadas ou milímetros) entre o centro do rolamento interno e o centro do impulsor; D é o diâmetro do eixo (polegadas ou milímetros) na bucha do selo mecânico. Este valor deve ser inferior a 60 (unidades dos EUA) ou inferior a 2,0 em unidades métricas, para ser considerado dentro da faixa aceitável para a deflexão da extremidade do eixo do selo mecânico.

 

Permitir reversão

Em muitas aplicações críticas de bombas centrífugas, os usuários normalmente exigem que a bomba possa suportar a rotação reversa de curto prazo-quando ocorrerem condições como falha da válvula de saída ou mau funcionamento da válvula de retenção, e que a velocidade reversa permitida atinja a velocidade nominal. Do ponto de vista da margem de torque da dinâmica do rotor, isso é teoricamente viável – desde que o diâmetro do eixo, a conexão da chaveta e a contraporca sejam verificados em relação ao pico de torque reverso. No entanto, em aplicações práticas de engenharia, devido a restrições de múltiplos fatores, como custo, eficiência energética, segurança e confiabilidade, sistemas de vedação mecânica e condições operacionais, muitas vezes é difícil alcançar simultaneamente um desempenho direto ideal e, ao mesmo tempo, fornecer ao equipamento uma forte tolerância reversa.

 

Além disso, a “reversão”, como condição típica de falha/acidente, muitas vezes não é um evento isolado, mas é frequentemente acompanhada por uma superposição de situações extremas:

Início automático de reversão "Power Slip"-:Quando o equipamento perde energia, a válvula de saída funciona simultaneamente e a bomba está em rotação reversa de alta-velocidade. Se a fonte de alimentação for restaurada repentinamente dentro de um curto período de tempo (ou seja, o motor acelera novamente), é equivalente a iniciar repentinamente a unidade da bomba durante o processo de rotação reversa. Neste momento, o rotor da bomba estará sujeito à superposição vetorial de torque positivo e torque inercial reverso, e enfrentará instantaneamente uma carga de impacto de quase o dobro do torque nominal, o que pode facilmente causar quebra do eixo ou rompimento do elemento elástico do acoplamento.

Falha na lavagem do selo mecânico:Para estruturas de selo mecânico equipadas com anéis de bombeamento (fluxo de vórtice), a direção de bombeamento é estritamente unidirecional. Sob operação reversa, o anel de bombeamento pode não conseguir estabelecer o fluxo de lavagem, ou até mesmo gerar diferencial de pressão reversa, levando à interrupção do fluido de lavagem do selo mecânico. Isto, por sua vez, provoca fricção seca e fissuras térmicas na superfície de vedação, encurtando significativamente a vida útil do selo mecânico. Portanto, uma vez que a bomba inverta, o selo mecânico deverá ser desmontado e inspecionado após o desligamento, e os anéis de vedação dinâmicos e estacionários deverão ser substituídos se necessário.

Falha do mecanismo anti{0}}afrouxamento:Se os fixadores do rotor (como porcas do impulsor e contraporcas do rolamento) não tiverem um projeto anti-afrouxamento confiável (por exemplo, baseando-se apenas no torque de fricção sem uma estrutura de travamento mecânico), o torque de impacto instantâneo gerado pela rotação reversa poderá fazer com que as peças se soltem, se desloquem ou até mesmo sejam danificadas.

 

• Resumir

Com base nos riscos acima, recomenda-se uma estratégia de controle em níveis: para condições operacionais não{0}críticas ou para cenários críticos onde a rotação reversa pode ser evitada por meio do intertravamento do processo, não é recomendado forçar as bombas a terem tolerância de rotação reversa; para bombas críticas que devem tolerar a rotação reversa, o índice de torque reverso deve ser claramente especificado na fase de projeto, e o fabricante deve realizar uma verificação especial da resistência do eixo e uma certificação anti{1}}afrouxamento do fixador para garantir a margem de segurança.

 

A racionalidade da seleção e aplicação da bomba centrífuga determina diretamente o custo do ciclo de vida-e a confiabilidade operacional do sistema de bomba. Com base na análise anterior, as principais conclusões são resumidas da seguinte forma:

• Maior eficiência nem sempre é melhor: projetos de alta-eficiência geralmente têm o custo de sacrificar a folga do anel de desgaste, a margem do diâmetro do eixo e a suavidade do canal de fluxo. A confiabilidade deve ser priorizada em condições operacionais críticas.
• O NPSH necessário mais baixo nem sempre é melhor – O NPSH3 baixo é geralmente acompanhado por uma velocidade específica de sucção alta, levando a uma faixa operacional mais estreita e a um risco aumentado de vibração. A seleção da bomba deve corresponder ao NPSH do sistema e a velocidade específica de sucção deve ser limitada de acordo com padrões como UOP e HI.
• A velocidade crítica deve ser definida de forma razoável e não aumentada cegamente – O aumento da velocidade crítica está negativamente correlacionado com a eficiência energética. A margem de velocidade crítica para rotores úmidos deve ser razoavelmente selecionada com base no tipo e nos padrões da bomba (como API 610) para evitar-projeto excessivo.
• As bombas centrífugas comuns têm tolerância extremamente baixa a meios gasosos – Somente bombas especialmente projetadas podem lidar com conteúdo de gás de 10%. As bombas convencionais apresentam degradação de desempenho acima de 2% e podem apresentar bloqueio de ar acima de 6%.
• A operação prolongada abaixo da vazão estável mínima contínua é estritamente proibida – medidas de proteção de vazão mínima (como válvulas de bypass ou de recirculação automática) devem ser configuradas.
• Arranque da válvula aberta- ≠ arranque total da válvula de saída- – o grau de abertura predefinido deve corresponder à taxa de fluxo nominal para evitar sobrecarga e cavitação. ● As vedações da gaxeta não podem ser substituídas diretamente por vedações mecânicas – devem ser realizados cálculos de deflexão do rotor (L³/D⁴) e avaliado o impacto dinâmico das alterações na estrutura de suporte.
• A rotação reversa deve ser feita com cautela – não é necessária a menos que seja absolutamente necessária; se necessário, verificações específicas de resistência e projetos anti{0}}afrouxamento devem ser realizados.
• A água purificada industrial não é adequada como meio de resfriamento para bombas-de alta temperatura. Recomenda-se água descalcificada ou vapor, e o gerenciamento e a manutenção da qualidade da água devem ser fortalecidos.

 

Somente abandonando a mentalidade de seleção isolada de "supremacia de parâmetros" e estabelecendo uma estrutura de tomada de decisão científica-de "adaptação do sistema, correspondência de condições operacionais e compensações-do ciclo de vida completo" os equívocos-mencionados acima podem ser fundamentalmente evitados e a operação eficiente, estável e{3}}de longa vida dos sistemas de bombas centrífugas pode ser alcançada.