Cavitação em Bombas Industriais: O Que É, Como Identificar e Como Evitar

1. O que é cavitação

Cavitação é a formação de bolhas de vapor dentro do líquido onde a pressão local cai abaixo da pressão de vapor na temperatura de operação, seguida do colapso dessas bolhas quando elas chegam a uma região de pressão maior. Na centrífuga, a pressão cai quando o líquido acelera para dentro do rotor; o Hydraulic Institute descreve o colapso erodindo as passagens do rotor e a vibração danificando selos e rolamentos.

O dano vem do colapso junto à parede. Segundo Brennen (Cavitation and Bubble Dynamics, §3.6), cada colapso perto de uma superfície sólida produz ondas de choque e microjatos; as tensões locais e transitórias se repetem, fadigam a superfície e destacam pedaços de material. Por isso a região cavitada tem aspecto áspero e cristalino, diferente do desgaste mais liso causado por partículas sólidas. Em ferro e aço, a corrosão agrava o dano.

No campo, "cavitar" é o verbo desse regime: a bomba cavita quando a pressão em algum ponto da entrada cai abaixo da pressão de vapor, e deixa de cavitar quando a causa é corrigida, seja reduzindo as perdas na sucção, subindo o nível, baixando a temperatura ou trazendo a vazão de volta à faixa da curva. Em serviço contínuo, cavitar não é característica aceitável do sistema: aponta para instalação, seleção ou operação fora do previsto.

A bolha de cavitação não é ar: é vapor do próprio líquido, que nasce em núcleos microscópicos, como microbolhas de gás ou partículas, quando a pressão local cruza a pressão de vapor (Brennen, cap. 1). Ela cresce na zona de baixa pressão e colapsa ao reencontrar pressão maior. Perto de uma parede, o colapso é assimétrico e lança um microjato contra ela (§3.5); o livro cita choques de cerca de 100 bar na parede (§3.2).

Disso decorrem dois pontos práticos. Primeiro, na bomba a cavitação nasce do lado da sucção, onde a pressão é mínima, e o dano se concentra logo adiante, na entrada do rotor da centrífuga. Segundo, ar arrastado não é cavitação: quando bolhas de gás crescem na zona de baixa pressão sem que ela chegue à pressão de vapor, Brennen chama o fenômeno de pseudocavitação (§1.16). Os sintomas se parecem, mas a causa e a correção são outras.

2. Como identificar cavitação no campo

Cinco sinais apontam para cavitação: (1) estalos que o guia do DOE com o Hydraulic Institute compara a bolinhas de gude passando pela bomba; (2) vibração crescente, medida com instrumento no mancal, nunca com a mão; (3) queda de altura, vazão ou pressão; (4) erosão áspera e cristalina na entrada do rotor, diferente do desgaste liso por partículas; (5) desgaste acelerado de selos e rolamentos (DOE, p.14 e p.20).

Nenhum desses sinais é exclusivo de cavitação: entrada de ar, desalinhamento, rolamento gasto ou recirculação produzem sintomas parecidos. Compare ruído, vibração medida, vazão e pressões com a condição normal registrada da bomba. Inspecione peças internas somente com o equipamento parado, isolado e liberado pelo procedimento da instalação, e não use o contato da mão com partes quentes ou em movimento como método de diagnóstico.

3. As 7 causas reais de cavitação

Sete condições cobrem as causas a investigar numa instalação industrial. A lista organiza o diagnóstico e não é estatística de falhas da FB Bombas: cada item reduz o NPSH disponível, aumenta o requerido ou produz sintomas parecidos com os da cavitação.

• Altura de sucção excessiva: com a bomba acima do nível do líquido, a diferença de cota consome parte da pressão atmosférica, e o nível mínimo do reservatório é o que vale no cálculo.
• Perdas na sucção: tubo menor que o bocal, excesso de acessórios, válvula parcialmente fechada, bolsões de ar ou tubo incrustado (DOE, p.20); o manual FBEI pede diâmetro pelo menos igual ao do bocal e o menor número de acessórios.
• Temperatura acima do projeto: a pressão de vapor da água sobe de 2,34 kPa a 20 °C para 47,41 kPa a 80 °C (NIST); a seção 4 mostra o efeito no NPSH disponível.
• Operação longe do melhor rendimento: na centrífuga, a cavitação costuma aparecer em vazão alta, no lado direito da curva, onde o NPSHr sobe; em vazão baixa, vórtices podem causar dano parecido (DOE, p.14).
• Viscosidade e rotação na bomba de engrenagem: a sucção precisa encher as câmaras entre os dentes a cada volta, e a Tabela 2 do manual FBE reduz a rotação conforme a viscosidade sobe (seção 5).
• Entrada de ar: juntas, gaxetas e conexões mal vedadas na sucção deixam o ar entrar. Não é cavitação, mas gera ruído e queda de vazão parecidos, e deve ser descartada primeiro.
• Líquido perto da ebulição: a 100 °C, a pressão de vapor da água é de 101,42 kPa (NIST), acima da atmosfera padrão de 101,325 kPa; num tanque aberto, só a coluna de líquido sobre a bomba sustenta o NPSH disponível.

4. NPSH: o parâmetro que previne a cavitação

O NPSH disponível (NPSHa) é a carga absoluta na sucção acima da pressão de vapor, em metros do líquido: é propriedade da instalação numa condição de operação. O NPSH requerido (NPSHr) vem do fabricante para cada modelo, rotor, rotação e vazão. Pelas definições do Hydraulic Institute, o NPSH3 é o valor com queda de 3% na altura do primeiro estágio; ele não marca o início da cavitação, que nesse ponto já reduz a altura.

A margem vem da aplicação. A ANSI/HI 9.6.1 mede a margem sobre o NPSHr publicado, igual ou maior que o NPSH3, com recomendações por tipo de serviço, e o guia do DOE com o HI cita a regra comum de NPSHa 25% acima do NPSHr (p.38). Não há uma margem fixa em metros que aprove todas as centrífugas FBCN ou bombas de engrenagem FBE.

Na sucção de um reservatório, NPSHa = Pa ± Hz − Hf − Pv, com todos os termos em metros do líquido: Pa é a pressão absoluta sobre o reservatório; Hz, a diferença de nível, positiva com sucção afogada; Hf, as perdas na sucção; Pv, a pressão de vapor na temperatura de operação. O artigo de NPSH em bombas centrífugas detalha cada termo e a leitura do NPSHr na curva.

Um exemplo mostra o peso da temperatura: água em tanque aberto ao nível do mar, bomba 2,5 m acima do nível e 0,8 m de perdas. A 20 °C, o NPSHa é de 6,81 m, com 3,81 m de folga sobre um NPSHr hipotético de 3,0 m. A 80 °C, a mesma instalação cai para 2,36 m, 0,64 m abaixo desse NPSHr: a bomba passa a cavitar sem que nada mude na tubulação.

Por isso a temperatura é a variável mais traiçoeira do diagnóstico. O exemplo converte cada termo com a densidade do NIST na temperatura do líquido e não seleciona bomba nem fixa margem: a comparação real usa o NPSHr da curva no ponto de operação e a margem da aplicação.

5. Cavitação em bombas de engrenagem vs centrífugas

Na centrífuga, o líquido acelera para dentro do rotor e a pressão cai na entrada (DOE, p.20); o NPSHr sai da curva e cresce com a vazão. Na curva publicada da FBCN 50-160 a 3.500 rpm (rotor de 174 mm, água limpa a 20 °C), ele fica perto de 1,7 m a 40 m³/h e chega a cerca de 4,7 m a 100 m³/h. A Tabela 1 do manual MTEC-03/00 limita a vazão da FBCN a 1,1 Qot.

A bomba de engrenagem é de deslocamento positivo: a cada volta, os dentes levam o líquido da sucção à descarga, e a sucção precisa encher as câmaras entre eles. Na FBE, a seleção parte da Tabela 2 do manual MTEC-01/01, que associa cada faixa de viscosidade a uma rotação, a uma transmissão e aos modelos. A linha vale para os modelos listados nela, e não para todos os tamanhos.

O manual FBE não traz valor de NPSH: a Tabela 1 lista vazão e potência por pressão de recalque e rotação. Na FBEI, o manual MAN001-10 liga a sucção à cavitação e pede filtro de 40 a 80 mesh, conforme o modelo, com a maior área de passagem possível "para evitar a cavitação da bomba" (p.4). Não há classificação universal de qual família resiste mais; cada uma se confere pelos dados da série.

6. Cavitação hidráulica: válvulas, turbinas e hidrelétricas

Cavitação hidráulica é o nome genérico do fenômeno em qualquer sistema com líquido. Onde o líquido acelera e a pressão local cai abaixo da pressão de vapor, bolhas se formam e colapsam: na vena contracta de válvulas parcialmente fechadas, na garganta de venturis e placas de orifício, em hélices navais e nos rotores de turbinas hidráulicas. A física é a descrita na seção 1; muda apenas a geometria onde a pressão cai.

Nas hidrelétricas, a cavitação desgasta os rotores das turbinas de reação. A monografia EM-20 do U.S. Bureau of Reclamation registra rotores grandes de aço inoxidável fundido, ou de aço-carbono com revestimento inoxidável, para resistir à cavitação (p.13), e associa a operação com pequena abertura das palhetas diretrizes a baixo rendimento e dano acelerado por cavitação (p.8).

O controle começa pela cota. O EM-20 usa o fator de cavitação de Thoma, σ, e define a altura estática de sucção por Hs = Hb − σ·h, em que Hb é a pressão atmosférica menos a de vapor, em metros de água, e h, a queda máxima com as palhetas diretrizes totalmente abertas. A curva de experiência põe a turbina 0,3 m abaixo da cota em que o dano e a perda de desempenho se aproximaram do inaceitável (p.22).

O paralelo com a bomba é direto: Hb − Hs faz o papel do NPSH disponível, e σ·h, o do requerido. Em plantas industriais, o ponto cego comum é a válvula estrangulada antes da bomba, que derruba a pressão de sucção e cria uma cavitação da instalação que troca de bomba nenhuma resolve. O manual FBEI manda abrir totalmente a válvula de sucção antes da partida (MAN001-10, p.13).

Na centrífuga, a vazão se controla por válvula na descarga, por rotação ou com várias bombas (DOE, p.8), nunca estrangulando a sucção. Na bomba de deslocamento positivo, descarga fechada faz a pressão subir até sobrecarregar o motor ou romper a tubulação, e por isso ela costuma ter válvula de alívio (DOE, p.41). O manual FBEI proíbe usar essa válvula para controlar pressão ou vazão e exige proteção na bomba que não a tem (p.4).

7. Checklist de prevenção de cavitação — FB Bombas

Os pontos abaixo reúnem o que os manuais FB e as fontes citadas pedem para prevenir cavitação. Confira cada um na pior condição de operação, e não na média.

• Calcular o NPSHa no nível mínimo, na temperatura máxima e na maior vazão prevista, e compará-lo com o NPSHr da curva mais a margem da aplicação.
• Instalar a bomba o mais perto possível do ponto de sucção (manual FBEI, p.4); com sucção afogada, a coluna de líquido soma no NPSHa.
• Usar tubo de sucção com diâmetro pelo menos igual ao do bocal e o menor número possível de acessórios (FBEI, p.4).
• Na FBEI, instalar filtro de 40 a 80 mesh, conforme o modelo, com a maior área de passagem possível (p.4), e mantê-lo limpo.
• Controlar a temperatura do líquido: acima do projeto, a pressão de vapor sobe e o NPSHa cai.
• Na FBE, selecionar a rotação pela Tabela 2 do manual MTEC-01/01 com a viscosidade real, na partida e em operação.
• Na FBCN, operar entre 0,1 e 1,1 Qot nos suportes de mancal 30 e 40, e entre 0,15 e 1,1 Qot do suporte 50 em diante (MTEC-03/00, Tabela 1).
• Vedar juntas, gaxetas e conexões da sucção: entrada de ar imita cavitação e é difícil de achar.
• Na partida da FBEI, escorvar a bomba e abrir totalmente a válvula de sucção; em operação, conferir se a pressão de sucção é a do projeto (MAN001-10, p.13).
• Registrar ruído, vibração medida, vazão e pressões na condição normal, para ter base de comparação quando surgir um sintoma.

8. Quando consultar o engenheiro de aplicação

Se os sintomas persistirem, envie modelo, número de série, curva, fluido, temperatura, vazão, rotação e pressões medidas, com o desenho da sucção. Com esses dados, a engenharia de aplicação da FB Bombas recalcula o NPSH da instalação e pode recomendar mudança na tubulação de sucção, troca de modelo ou de diâmetro do rotor, outra rotação ou bomba auxiliar na sucção. Contato: comercial@fbbombas.com.br ou WhatsApp +55 11 97287-4837.