Análise de falhas em Bombas de Vácuo de Anel Líquido

1. Introdução

O objetivo desta postagem é descrever e propor soluções para evitar a maioria das falhas em bombas de vácuo do tipo anel líquido. A abordagem do assunto é geral e os casos particulares podem ser consultados em manuais específicos de cada modelo de bomba.

A figura abaixo mostra, em linhas gerais, um corte típico deste equipamento, com os seus componentes funcionais:

1. Rotor
2. Cubo do Rotor
3. Carcaça
4. Porta de Sucção
5. Anel de Selagem
6. Entada de Fluido de Selagem
7. Porta de Descarga 

Figura 1 – Corte esquemático de uma Bomba de Vácuo de Anel Líquido

Embora o princípio de funcionamento seja o mesmo para todos os tipos de bomba de vácuo de anel líquido, suas configurações de projeto não são as mesmas. Como exemplo podemos citar 2 bombas de vácuo de anel líquido fabricadas pela OMEL (Figura 2 e Figura 3), mas cujas concepções de projeto são diferentes.

Senão vejamos: a bomba da Figura 2, modelo BLN, possui as portas de sucção e descarga instaladas em placas nas laterais da bomba; enquanto na bomba da Figura 3, modelo “K”, tanto a aspiração e descarga são feitas por um conjunto de cones internos deslizantes (conical control ports), que se comunicam com os bocais de sucção e descarga, que se projetam na parte externa da bomba.

Portanto, no tocante a falhas de funcionamento, esta disposição diferente dos gases aspirados e expulsos, pode dar origem também a problemas diferentes, isto será abordado mais detalhadamente no item 7 do presente artigo. 

Quanto a outros modelos de fabricação da OMEL, que são bombas menores, com um único estágio, seu projeto é semelhante à da bomba da Figura 2, no tocante à sucção e descarga dos gases; embora tenham suas particularidades, não serão mostrados aqui, pois no geral apresentam os mesmos problemas operacionais, descritos abaixo.

Figura 2 – Bomba de Vácuo Modelo BLN da OMEL

Figura 3 – Bomba LRVP-6K da OMEL

2. Instalação

Uma porcentagem significativa das falhas em operação das bombas de vácuo é devida a uma instalação inadequada do Sistema de Vácuo, bem como, de seus equipamentos auxiliares. Enumeramos a seguir certos procedimentos que evitarão futuros erros de instalação.

2.1. Linhas de Processo e Linha de Selagem

A Figura 4 mostra como deve ser feita a instalação das linhas principais de processo de sucção e descarga. Uma instalação incorreta, é mostrada como exemplo para uma bomba OMEL, modelo BVM 250.

Embora a figura represente uma bomba de vácuo monobloco da OMEL, a configuração das linhas é que merece destaque. Notar que o uso de sifões deve ser categoricamente vedado, com as linhas de sucção e descarga as mais retas possíveis.

Falhas durante o funcionamento da bomba poderão ocorrer, caso este esquema de instalação não for seguido.

Instalação Correta

Instalação Incorreta

Figura 4 – Instalação correta e incorreta das linhas de sucção e descarga em bomba de vácuo

Alguns pontos de atenção básicos deverão ser observados, para as linhas acima mencionadas, bem como, para a linha de selagem conforme Figura 5, abaixo:

LINHA DE DESCARGA – Posição “A” da Figura 5

• A altura entre o flange de descarga da bomba e o flange de admissão no vaso separador não deverá ser superior a 600 mm.
• A linha de descarga deverá estar livre e com o menor número de acidentes possíveis (curvas, tes, reduções e demais acessórios de tubulação).
• Se houver contrapressão após o flange de descarga do vaso separador, topo do vaso, este fato deverá ser levado em conta no dimensionamento da bomba de vácuo.

A = Linha de sucção
B = Linha de sucção
C = Linha do líquido de serviço

Figura 5 – Instalação – Linhas de Sucção e Descarga e Fluido de Selagem (fluido de serviço)

LINHA DE SUCÇÃO – Posição “B” da Figura 5

• Notar que esta linha vem do processo, que está em vácuo, portanto a instalação de uma válvula de retenção, antes do flange de sucção da bomba, torna-se obrigatória. Esta válvula evitará fluxo reverso, caso haja desligamento da bomba.

LINHA DE FLUIDO DE SELAGEM ou LÍQUIDO DE SERVIÇO, Posição “C” da Figura 5

• A função principal e única desta linha é prover a bomba com fluido de selagem, na maioria dos casos água, notar que outros fluidos também podem ser empregados. Fluidos de selagem, diferentes da água, deverão ser empregados toda vez que houver incompatibilidades entre os gases a serem aspirados e a água.
• Para um bom desempenho da bomba, convém instalar nesta linha 3 válvulas e um filtro, como mostra a Figura 5.
• A válvula solenoide só abre após a partida da bomba, permitindo que o fluido de selagem não entre na bomba repentinamente, desarmando o motor. Após a abertura da válvula solenoide, a vazão de água a ser alimentada, pode ser determinada mais precisamente pela válvula de ajuste. Esta pode ser lacrada aberta, assim toda vez que for necessária uma nova partida, basta abrir a válvula de bloqueio. 

2.2. Fundações e Nivelamento

Geralmente, as bombas de vácuo em si não apresentam vibrações, a base que receberá a bomba, deverá ser nivelada e presa firmemente. As bombas maiores (acima de 40 HP) deverão ser colocadas sobre uma base de concreto aproximadamente 50/60 mm maior do que a base metálica da bomba. O emprego de graute, embora não necessário, se feito aumentará a rigidez do conjunto e pode reduzir vibrações. Todas as conexões de tubulações, com flange ou roscadas deverão ser monitoradas antes da partida, para localização de vazamentos.

2.3. Alinhamento com Acoplamento Direto

Os conjuntos completos (motor e bomba) costumam ser devidamente alinhados antes da entrega. No entanto, é aconselhável controlar o alinhamento antes de colocar a bomba em operação. As tolerâncias de alinhamento devem ser checadas e devem ter os valores máximos abaixo indicados:

• Radial: Max. 0,05 mm de desalinhamento do eixo (0,1 mm em um giro do eixo).
• Axial: Max. 0,05 mm em um giro do eixo, porém preferível 0,03 mm a uma distância r =100 mm do centro do eixo. No caso de outras distâncias a tolerância deverá ser calculada em proporção.

Estes alinhamentos podem ser feitos com relógio comparador ou a Laser, ver Figura 6.

Figura 6 – Alinhamento Radial com Relógio Comparador

2.4. Alinhamento para Acionamento por Correias

Para bombas acionadas por correias, as polias deverão ser adequadamente instaladas e alinhadas antes de se esticar as correias. Para verificar o alinhamento das polias, deverá ser utilizada uma régua de aço contra as polias, ela deve tocar nos pontos A, B, C e D em uma linha reta. A correta posição da régua e tensão das correias são mostradas na Figura 7.

Atualmente, o alinhamento das polias motora e movida pode ser feito, mais precisamente, com equipamentos alinhadores a Laser.

Figura 7 – Alinhamento das Polias com Régua Rígida e Tensão correta das Correias

3. Vácuo Insuficiente

Para assegurar que seja feito vácuo pela bomba de anel líquido, a pressão de vapor do fluido de selagem deve ser menor do que a pressão absoluta de vácuo, requerida pelo processo. Isto implica que a temperatura do fluido de selagem deva ser suficientemente baixa para que sua pressão de vapor possibilite o vácuo, no caso da água, como fluido de selagem, esta temperatura oscila em torno de 15ºC. Para temperatura maiores, embora o vácuo seja perfeitamente possível, deverão ser usados gráficos de correção.

O fenômeno de cavitação, descrito no item 4, pode também comprometer o nível de vácuo a ser exigido da bomba.

Outro fator que limita bastante a vazão da bomba para um determinado nível de vácuo, são as impurezas que podem ser arrastadas pelo fluxo de gás, entrando na bomba pelo bocal de sucção ou originárias do próprio fluido de selagem. Estas impurezas se acumulam na periferia dos alvéolos do rotor, ou nas cavidades das tampas laterais, roubando espaço destinado ao gás a ser aspirado. Ver Figura 8. A solução para este tipo de problema é instalar um filtro especial na entrada da bomba ou controlar o grau de pureza do fluido de selagem.

Figura 8 – Impurezas acumuladas nos internos da bomba

Outro fator de suma importância são os vazamentos na linha de sucção da bomba (leakage), ar falso penetra principalmente em conexões roscadas ou através das juntas nos flanges, comprometendo o nível de vácuo a ser exigido.

Portanto, testes de vazamento nas linhas de sucção deverão ser feitos durante a partida da bomba, ou nos sistemas de vácuo.

4. Falhas devido à cavitação

O processo de cavitação é o processo de produção de bolhas e quebra de bolhas do fluido de selagem  do anel líquido, o que causa danos às partes de passagem do fluxo. Na bomba de vácuo de anel líquido, a cavitação não só danificará as peças em contato com o fluido, mas também produzirá ruído e vibração, o que levará à redução do desempenho da bomba.

Em casos graves, o anel líquido será interrompido e a bomba não poderá funcionar normalmente.( para maiores detalhes vide postagem na Escola de Bombas OMEL: Introdução ao Fenômeno de Cavitação )

Quando em cavitação, corrosão localizada (pitting) ocorre na superfície do metal e o danos  se assemelham a um favo de mel.Se houver uma grande tensão residual, na parte onde há cavitação, isso causará liberação de tensão e rachaduras. Devido à implosão repentina de bolhas, na área de alta pressão durante a cavitação  e também devido ao ruído, pode-se ouvir o som de milho de pipoca estourando. Se as bolhas acima implodirem na superfície do metal, ele sofrerá golpe de aríete contínuo, o suficiente para produzir marcas. No caso, os grãos de metal se soltarão e descascarão, ou mesmo poderá haver perfuração. Além da ação mecânica, o dano por cavitação é acompanhado por muitas ações complexas, como eletrólise e corrosão química. O efeito real do dano mostra que o local do mesmo por cavitação é exatamente onde a bolha implode.

A Figura 9 mostra um trecho de rotor sujeito a uma cavitação severa. A bomba de vácuo precisa de líquido como meio de trabalho.Cada líquido tem uma pressão de vapor saturado correspondente a uma determinada temperatura. Quando a pressão absoluta na área de sucção está mais próxima da pressão de vapor  do líquido de selagem, este líquido está mais próximo do estado de ebulição. Neste momento, haverá formação de um grande número de bolhas na superfície do líquido de selagem, na área de sucção. Como o vapor, gerado pelo líquido de selagem,irá ocupar parte do espaço da cavidade de trabalho, a vazão de sucção externa da bomba de vácuo será reduzida.

Se o fluido de trabalho for água, quanto mais alta for a temperatura da água, mais diminuirá o desempenho da bomba em fazer vácuo. A temperatura da água da bomba de vácuo de anel líquido tem uma grande influência em seu desempenho, e as curvas de desempenho da bomba de vácuo de anel líquido são todas medidas sob a temperatura da água de 15 ℃, portanto, a taxa de bombeamento da bomba de vácuo de anel líquido deve ser corrigida, para cada bomba  selecionada.

Existem gráficos de correção, que levam em consideração a temperatura da água de selagem e o nível de vácuo desejado.

Para sanar boa parte deste problema, várias medidas podem ser adotadas:

• O limite mínimo de pressão de vácuo deve ser pelo menos duas vezes a pressão de vapor do líquido de selagem, na temperatura deste líquido.
• A vazão volumétrica da bomba selecionada, devidamente corrigida, deve ser maior do que aquela requerida pelo processo.
• Instalação de válvula quebra-vácuo e ou bico spray na tubulação de entrada, permitindo a entrada de gases inertes e recomposição do anel líquido de selagem, no interior da bomba.
• Abaixar a temperatura da água de alimentação do anel de selagem, por meio de um trocador de calor externo, por exemplo.
• Empregar materiais com maiores graus de dureza, como os aços ligas e aços inox, por exemplo. A cavitação não irá diminuir, pois é um fenômeno físico ligado ao vácuo e pressão de vapor do líquido de selagem, mas a resistência à formação de trincas e cavidades irá aumentar.

Figura 9 – Trecho de rotor erodido por cavitação

5. Falhas devido à corrosão

Toda vez que a bomba de vácuo aspira vapores ou gases corrosivos, incompatíveis quimicamente com os materiais da bomba (internos e carcaça), haverá ataque químico destes materiais, resultando em corrosão dos mesmos, como mostra a Figura 10.

Figura 10 – Corrosão provocada por gases ou vapores no corpo e internos da bomba

Esta corrosão pode causar diversas falhas operacionais durante o funcionamento da bomba, tais como, travamento de eixo, entupimento das portas de admissão e descarga dos gases, ataque às pás do rotor e consequente comprometimento da performance da bomba.

Isto pode ser resolvido selecionando-se materiais que resistam à corrosão destes gases ou vapores.

6. Falhas devido a excesso de fluido de selagem (flooding)

O nível de água de selagem necessário a uma boa performance da bomba deve ser coincidente com a linha de centro da bomba. Toda vez que este nível for ultrapassado, haverá maior demanda de potência absorvida pela bomba, bem como, carga excessiva nas pás do rotor.

Para prevenir que isto ocorra, a maioria das bombas de vácuo está equipada com uma válvula de retenção, localizada na linha de centro da bomba.

 Esta válvula alivia qualquer excesso de água que ultrapasse o nível recomendado e ao mesmo tempo impede a entrada de ar falso externo, para o interior da bomba que está em vácuo.

A Figura 11 mostra um rotor totalmente deformado de uma bomba de vácuo, que operou muito tempo na condição de nível alto do fluido de selagem, com consequente sobre carga nas suas pás.

Figura 11 – Sobre carga nas pás do rotor por excesso de fluido de selagem (flooding)

7. Travamento do Eixo

O travamento do eixo pode ser devido a inúmeros problemas, tais como:

• Acúmulo de impurezas já discutido no item 3, anterior.
• Entrada de algum corpo estranho, provindo do processo ou montagem, que fique alojado entre as pás do rotor e carcaça da bomba. Este tipo de ocorrência é relativamente frequente, principalmente em bombas sem filtro na tubulação de sucção.
• Para as bombas onde as portas de sucção e descarga são do tipo cone, corpos estranhos podem se alojar entre as partes fixas e móveis destes cones, provocando o travamento do eixo.
  Ver Figura 12, onde os cones estão em verde.

Figura 12 – Bomba LRVP-6K da OMEL, mostrando as portas tipo cone da bomba, em verde

• A corrosão ou formação de depósitos pode ser proveniente da água de selagem, quando a bomba fica inativa por muito tempo. Neste caso, a probabilidade de travamento do eixo, durante a partida, deve ser considerada.

8. Falhas de Mancal

Os mancais da maioria das bombas de vácuo são do tipo de rolamentos, ver Figura 13.

A lubrificação é na maioria das vezes feita por graxa, através de pinos graxeiros. Falhas na rotina de lubrificação podem danificar os mesmos, dando origem a ruídos e vibrações.

Desalinhamentos entre bomba e motor e desbalanceamento dos rotores também podem afetar os mancais, dando origem a vibrações e comprometendo a performance da bomba.

Embora o nível de vibrações em bombas de vácuo de anel líquido seja pequeno, convém medir periodicamente a amplitude da velocidade de vibrações nos mancais da bomba, por meio de um acelerômetro.

Na ausência de um analisador de espectro mais sofisticado (FFT), pode-se usar um medidor de vibrações que indique somente o nível global de vibrações nos mancais, cujos valores estão em mm/s RMS. Comparar estes valores aos previstos pela norma VDI 2056 (“Verein Deutscher Ingenuere”).

Uma consulta ao fabricante dos rolamentos, em casos repetitivos de falhas, também é indispensável.

Figura 13 – Corte de uma bomba modelo BLN da OMEL mostrando Mancais e Selo Mecânico

9. Falhas nas vedações do eixo

A maioria das vedações das bombas de vácuo são do tipo anéis de gaxeta, com lubrificação pelo próprio fluido de selagem, ver Figura 14.

Vários são os problemas que podem comprometer este tipo de vedação:

• Aperto excessivo, podendo ocasionar a queima por atrito destes anéis, além disso danificar o eixo.
• No manual de cada tipo de bomba está indicado o aperto adequado dos parafusos do preme-gaxeta.
• Observar também a montagem correta do Anel de Lanterna para o conjunto inteiro de vedação.
• Material não apropriado para este tipo de serviço, ou seja, certos tipos de fluido de selagem, podem requerer materiais diferentes para os anéis de gaxeta.
• Alimentação inadequada com falta de água de arrefecimento, proveniente da água de selagem.

Finalmente, toda vez que uma desmontagem de eixo ou rotor for necessária, trocar todos os anéis de gaxeta das vedações.

Para as vedações, tipo selo mecânico, os principais problemas e falhas, uma vez detectados, devem ser resolvidos pelo fabricante do selo. Ver Figura 13 anterior.

Em geral, o selo deve ser alimentado com água proveniente da selagem da bomba.

O emprego de selos mecânicos ao invés de gaxetas é devido a dois fatores fundamentais: tamanho da bomba, implicando em potências transmitidas muito elevadas e/ou exigências do processo.

Figura 14 – Corte transversal de uma bomba modelo BLN da OMEL mostrando Vedação por Gaxeta

10. Falhas no acionamento

Geralmente o acionamento da bomba de vácuo é por motor elétrico trifásico, com acoplamento direto ou por polias e correias.

Como visto anteriormente, a principal causa de desarme do motor elétrico é causada por excesso do fluido de selagem, isto pode ser evitado controlando corretamente o nível de água dentro da bomba.

O desarme do motor pode também ser provocado pela altura excessiva da tubulação de descarga da bomba, que pode estar cheia de água. Portanto, o arranjo de tubulação de descarga deve ser um ponto de atenção.

Como visto anteriormente, corpos estranhos e impurezas, que entram na bomba, podem causar travamento do eixo e consequente bloqueio do motor.

11. Sistema de Vácuo

O sistema abaixo, Figura 15, fornecido pela OMEL, para uma determinada aplicação de vácuo, mostra um arranjo que poderá prevenir futuros problemas operacionais. (troubleshooting)

Todos os componentes de cada sistema estão descritos na Lista de Peças, abaixo do arranjo geral.

Como pontos de realce podemos citar:

• -Distância curta e reta da tubulação de descarga, item 16
• Instalação de válvula quebra-vácuo, item 06 e bico spray na tubulação de sucção, evitando vácuo excessivo no interior da bomba, que pode dar origem à possível cavitação no fluido de selagem.
• Instalação de válvula globo, filtro e válvula gaveta itens 26, 25 e 24 na tubulação de alimentação de água de selagem, regulando desta maneira o fluxo de água para a bomba.
• Instalação de mano vacuômetro, com sua válvula de bloqueio, itens 20 e 21 na tubulação de alimentação de água de selagem, para verificar a pressão de água na linha de alimentação.
• Instalação de base única com trilhos de apoio para o motor, permitindo o alinhamento lateral e nivelamento do mesmo em relação à bomba. 

Lista de Componentes do Sistema de Vácuo acima

Figura 15 – Esquema de um Sistema de Vácuo,Bomba de vácuo BLN 380/400, fornecido pela OMEL

• Notar que neste esquema ainda faltam componentes que não estão representados, tais como válvula de retenção na linha de sucção e alguma instrumentação.
• Notar também que este é um sistema aberto, ou seja, a água proveniente do tanque separador não retorna à bomba, isto não é um sistema em recirculação.
• Nos sistemas que envolvem recirculação de fluido de selagem, um trocador de calor é instalado na tubulação de recirculação que aproveita a água de selagem do fundo do tambor separador.
• Neste caso, o trocador é geralmente do tipo placas e envolve, no circuito secundário do trocador, água a uma temperatura bem mais baixa do que a água de selagem, provinda do tambor e aspirada pela bomba, fechando o circuito. Problemas podem ser evitados, monitorando a temperatura e o grau de impurezas desta água de circulação, por exemplo limpando as placas do trocador, toda vez que houver perda de carga excessiva.

O Sistema abaixo, em imagem real, Figura 16 é constituído pelos mesmos componentes do sistema anterior, só que com instalação em paralelo das bombas.

Figura 16 – Imagem real do Sistema da Figura 15, operando em paralelo, fornecido pela OMEL