Compreendendo as bombas de motor enlatadas
Claro, volumes foram escritos sobre por que as bombas falham. Além disso, não é exagero afirmar que, quando incêndios em bombas resultam de tais falhas, um selo mecânico geralmente está envolvido (Fig. 1).
Muitas vezes, os selos mecânicos falham como consequência de problemas anteriores no rolamento. Em alguns casos, os fabricantes de vedantes fornecem produtos com folgas estreitas entre a periferia das peças de vedação rotativas e o diâmetro (furo) das peças de vedação estacionárias. Acreditamos que os usuários devem especificar selos para produtos de hidrocarbonetos para cumprir com os padrões API (American Petroleum Industry). Também acreditamos que desvios da especificação do usuário ou diretrizes aplicáveis (como API-682) devem ser levados ao conhecimento do comprador.
Existem, no entanto, outras maneiras de evitar falhas de vedação. Uma delas seria especificar, quando aplicável, bombas centrífugas com motor blindado. Também chamadas de bombas “hermeticamente fechadas”, não incorporam selos mecânicos.
História de bombas de motor enlatadas A seção transversal de uma bomba com motor blindado é mostrada na Fig. 2. O desenvolvimento dessas bombas centrífugas está intimamente associado à expansão da tecnologia de geração de energia nuclear. A partir do início da década de 1950, considerações de segurança levaram ao desenvolvimento de circuitos operacionais hermeticamente fechados. Foi então que o princípio de design do motor enlatado - conhecido desde 1914— encontrou aplicação prática.
O reconhecimento das vantagens dessas bombas pela indústria química ocorreu logo em seguida. De fato, a demanda adicional criou uma ampla base econômica para a fabricação de bombas com motor blindado.
Na década de 1960, as bombas de motor enlatadas evoluíram ao ponto da padronização. A expansão populacional e o aumento dos padrões de vida, tanto nos países industrializados quanto nos países em desenvolvimento, exigiram tecnologias inovadoras para resolver os problemas exigentes e progressivamente urgentes de proteção do meio ambiente. Cada vez mais, as bombas de motor enlatadas tornaram-se parte da resposta.
Reconhecemos prontamente que, nas últimas três décadas, muito progresso foi feito no campo da vedação mecânica de eixos. No entanto, a partir de meados da década de 1970, as considerações ambientais, a consolidação da indústria e a automação de processos tornaram-se cada vez mais importantes. É neste contexto—em uma ampla gama de tarefas de movimento fluido— que os tipos mais tradicionais de vedação fornecem segurança inadequada ou apresentam problemas de poluição e perda que não podem mais ser tolerados.
Em alguns casos, o custo dos sistemas de monitoramento e suporte de vedação é desproporcional ao sucesso potencial. É justo apontar a existência de serviços que simplesmente não podem ser executados com bombas centrífugas “abertas” ou seladas convencionalmente. O transporte absolutamente hermético de fluidos usando bombas centrífugas só é possível quando o torque aplicado ao rotor da bomba é gerado externamente. Para atender a esse requisito, é necessário um sistema de estator externo rígido usando eletroímãs ou ímãs permanentes. Em algumas indústrias, as bombas seladas convencionalmente podem colocar em risco a vida humana e os ativos físicos. Assim, as bombas tradicionalmente seladas nem sempre são a “melhor tecnologia disponível”. Assim, sempre que o estado da arte viabilizar essa proteção, os meios empregados devem estar alinhados com os resultados alcançados.
E assim, tendo em mente as limitações das bombas de “design aberto” (aquelas com engaxetamento ou selos mecânicos de eixo) que podem contribuir para a poluição do ar e da água, devemos nos esforçar para estar completamente familiarizados com o estado da arte do acionamento hermético técnicas para bombas centrífugas. Os fatos podem nos surpreender.
Design e descrição funcional Como máquinas extremamente ecológicas, as bombas “herméticas” de motor enlatado são agora amplamente utilizadas na Europa e no Japão. Enquanto avançamos nos Estados Unidos, é preciso recuperar o terreno perdido na busca por competitividade. Dito isto, onde quer que seja necessário movimentar fluidos perigosos, tóxicos, poluentes, caros, cáusticos, potencialmente explosivos, de alta ou baixa temperatura, as bombas de motor enlatado merecem muita atenção.
O motor blindado combina o bem conhecido sistema hidráulico das bombas centrífugas com o igualmente comprovado motor de indução trifásico. A seção hidráulica é conectada diretamente ao motor de acionamento. Uma luva ou “lata” semelhante a um tubo é inserida no espaço com ponte magnética entre o rotor e o estator. A “lata” separa absoluta e hermeticamente a câmara do rotor do ambiente de bombeamento de fluido pressurizado. Em outras palavras, a “lata” é o limite entre o rotor da bomba envolto em líquido e a câmara do estator não molhada (Fig. 2). A “lata” separa assim o motor em duas áreas funcionais; representa o elemento de vedação hermético do conjunto da bomba. Em essência, o torque necessário para a rotação do eixo é transferido através da lata, que consiste em um material não magnético, por meios eletromagnéticos. Este tipo de acionamento não requer uma abertura de eixo através do alojamento contendo fluido (geralmente pressurizado); portanto, não há necessidade de juntas dinâmicas ou selos mecânicos. As juntas estáticas necessárias geralmente não apresentam problemas, mas, em casos especiais, podem ser substituídas por conexões soldadas.
As bombas com motor blindado, portanto, são unidades de bomba totalmente herméticas. A seção da bomba pode ser de um ou vários estágios. O impulsor da bomba (ou impulsores em bombas de vários estágios) é montado na extremidade suspensa de um eixo compartilhado de bomba e motor. Os parâmetros de desempenho dessas bombas agora correspondem às estipulações de suas principais áreas de aplicação—indústrias químicas e de refino. Atualmente (2008), o limite superior de potência é de cerca de 600 kW. Para se aproximar o mais possível dos envelopes dimensionais e relacionados ao desempenho de um grande número de bombas centrífugas padrão (DIN 24256 ou, respectivamente, ISO 2858 usado na indústria química), muitos milhares de bombas de motor blindado em serviço hoje estão disponíveis com o sistema hidráulico padrão desta linha de bombas. As dimensões externas idênticas das bombas centrífugas DIN e ISO herméticas e “tradicionais” permitem uma rápida conversão de bombas convencionais para herméticas. Desnecessário dizer que isso permite reduzir os requisitos de estoque de peças de reposição de qualquer instalação moderna.
Existem, no entanto, vantagens adicionais substanciais. Essas vantagens, bem como a eficiência impressionante e as estatísticas MTBF de bombas hermeticamente seladas compatíveis com API, são discutidas na seção da barra lateral a seguir, em coautoria com George Dierssen, da IndustryUptime.
Como consultores de confiabilidade de equipamentos, podemos ver claramente pelo menos cinco (e mais provavelmente 10) benefícios definíveis de bombas de motor enlatado em relação às bombas API-610 tradicionais. Esses benefícios pertencem a uma ou mais categorias que, em última análise, se traduzem em serviço seguro, confiável, de baixa manutenção e baixo custo de instalação, bem como compatível com o meio ambiente. Para enumerar alguns benefícios:
Contenção secundária positiva, sem vazamentos descontrolados para a atmosfera (mesmo com rolamentos com falha)
Sem selo mecânico
Sem alinhamento (aplica-se a atividades de instalação e manutenção)
Sem lubrificação (sem óleo)
Sem fundação ou argamassa
No momento, cada uma das cinco refinarias na área da Baía de São Francisco tem uma ou mais motobombas enlatadas em operação altamente satisfatória. Embora representem de quase zero a talvez 2% da população de bombas, agora acreditamos que as bombas de motor enlatado (CMPs) são provavelmente aplicáveis a 50% das bombas em uma refinaria típica. Existem, é claro, restrições (ou seja, choque térmico, funcionamento a seco, lamas, etc.), que, na maioria dos casos, podem ser tratadas por controles de engenharia. No entanto, parece que os CMPs são a escolha ideal para muitos serviços de HP (processamento de hidrocarbonetos). Isso ocorre especialmente porque as fábricas de hoje têm grandes expectativas em relação ao tempo de atividade e à segurança operacional. Embora essas expectativas sejam refletidas em um padrão sólido—API-685– a escassa representação de CMPs nas fábricas dos EUA é intrigante.
Salvo qualquer matemática incomum, um dos co-autores (desta seção da barra lateral) ficou surpreso ao descobrir que o tempo médio entre reparos (MTBR) para CMPs—considerando cada um dos muitos milhares fabricados por dois grandes fabricantes separados- é de 7,5 anos. Isso nos leva a pensar em como refinar os dados da indústria em geral. Nosso entendimento é que 80-90% das fábricas japonesas usam CMPs (um fabricante aparentemente envia 1.700 bombas por mês!) e 60-70% das fábricas européias usam bombas de acionamento magnético ou CMPs. Assim, seguimos a questão. Nossa avaliação e contribuições substanciais de um fabricante CMP respeitado podem ser resumidas em vários pontos importantes.
Um fabricante europeu de sucesso tem experiência com entradas de energia CMP de 700 hp e mais. Eles são oferecidos em muitas configurações diferentes, com ou sem resfriadores, com ou sem loops de lubrificação de rolamento separados, com um ou dois (ou mais!) estágios, etc. As restrições de espaço nos permitirão mostrar apenas um deles (Fig. 3) . Além disso, pressões de fluido bastante altas são agora comumente alcançadas por CMPs. Embora independente, um fabricante alemão usa a tecnologia de bombas suíças para a hidráulica do impulsor. Correntes de deslizamento separadas (limpas) lubrificam os mancais de deslizamento normalmente instalados em CMPs desta empresa.
Nos EUA, a indústria ainda tem dificuldade em abandonar a má prática de instalar tubulações mal ajustadas em máquinas de fluidos. Embora originalmente se pensasse que um CMP poderia ser um pouco mais vulnerável do que uma bomba centrífuga API-610, esse não é mais o caso para a grande maioria dos CMPs. Em todos os casos conhecidos por um especialista, as bombas de motor enlatado (CMPs) foram projetadas para cargas de bocal permitidas significativamente mais altas do que as bombas API-610 equivalentes. O fabricante europeu de CMP está em condições de oferecer cargas admissíveis de bocal de três a quatro vezes as cargas máximas admissíveis API-610 (lembre-se de que não há problemas de alinhamento com CMPs). O aparafusamento do flange geralmente é o fator limitante aqui.
Lembramos que décadas atrás (e em tamanhos próximos a 1.000 hp), as bombas verticais de processo equipadas com bases flutuantes na base da bomba tornaram-se a norma nas melhores instalações da categoria. Da mesma forma, o fabricante europeu recomenda que as placas de base CMP (na verdade, placas de base) não sejam ancoradas, mas que flutuem com a tubulação. Bases flutuantes oferecem economias significativas nos custos de tubulação. Em vários projetos recentes de alta pressão, a economia de tubulação igualou o custo das bombas! Ainda assim, até hoje, alguns compradores insistem em fornecer placas de base.
Anos atrás, alguns locais de HPI (indústria de processamento de hidrocarbonetos) enfrentavam preocupações sindicais - se um CMP é um dispositivo elétrico ou uma bomba era a questão na época. O especialista CMP mencionou que, embora isso possa ser um problema, sua recomendação atual é devolver as unidades CMP a uma instalação de reparo altamente experiente em Louisiana para quaisquer reparos necessários. Acreditamos que esta abordagem faz sentido tendo em vista a disponibilidade limitada de manutenção de campo qualificada e pessoal de oficinas mecânicas em muitas fábricas.
Também observamos que com muita frequência os engenheiros ouvem apenas os profissionais de marketing de bombas tradicionais - “Não posso cometer um erro se fizer exatamente o que meu ex-chefe fazia. Ele sempre jogou pelo seguro e agora é vice-presidente de engenharia!” O gerente nacional de vendas de um proeminente fabricante de bombas de motor enlatadas concordou e disse que ainda há muita relutância real em tentar o que é percebido como “nova tecnologia” – embora, é claro, os CMPs sejam considerados uma tecnologia madura.
Talvez, e muitas vezes erroneamente, se suponha que as CMPs consumam mais energia do que as bombas tradicionais. Um especialista europeu em CMP refutou essa crença incorreta. Ele observou que, em mais de 30 anos de aplicação de CMPs, nunca havia visto uma dessas unidades consumir mais energia do que a bomba que ela substituiu! Embora ele tenha presumido que isso se devia à substituição de bombas gastas ou à descoberta de melhores seleções (ajustes de curva), ele agora acredita que as unidades originais eram excessivamente otimistas em relação à eficiência publicada e nunca incluíram muitas perdas - como as atribuíveis a acoplamentos e vedações.
Um especialista em bombas relatou sua experiência com um fabricante de bombas convencionais que sempre testou suas unidades com retentores de lábio em vez de gaxetas trançadas ou selos mecânicos. Há alguns anos, esse especialista tomou conhecimento de uma empresa que informou que avaliaria as cotações (ofertas recebidas) com base nos kW de entrada. Como resultado, a potência “garantida” subiu quase 10% em relação às curvas publicadas por alguns licitantes. O especialista aconselha as autoridades de especificação dos usuários a solicitar um valor de kW de entrada para o equipamento oferecido. Ele observou que fabricantes proeminentes de CPM ficariam satisfeitos em obedecer, uma vez que, é claro, fornecem tanto a bomba quanto o motor.
O usuário/comprador médio fica desapontado por não poder enviar lixo através dos rolamentos e fechar os componentes de folga. Obviamente, o fornecedor deve realmente educar o usuário sobre as limitações do equipamento e perguntar repetidamente sobre o fluxo do processo e as propriedades do fluido. Muitas falhas que no passado eram atribuídas a “sólidos” ou “funcionamento a seco” foram, na verdade, iniciadas pelo flash interno do fluido. Isso pode ter ocorrido por falta de um bom programa de balanço térmico no equipamento ou simplesmente por desconhecimento do fornecedor. Ainda mais importante, muitas vezes não houve análise de falha ou acompanhamento insuficiente pelo fabricante para determinar a verdadeira causa raiz de uma falha. Um fator interessante é o aumento máximo de calor; ocorre em um CMP após o desligamento devido ao calor latente no motor. Essa preocupação sempre pode ser resolvida com o dimensionamento adequado do motor, purgar o motor após o desligamento ou outros métodos - desde que o comprador e um fabricante experiente cooperem. O que é uma preocupação para alguns não é um problema para outros.
Considere que é responsabilidade do fabricante fazer muitas perguntas e que tanto o usuário quanto o fabricante forneçam respostas sólidas. Faça perguntas sobre o aumento de temperatura permitido máximo (curto prazo) do fluido bombeado. As respostas a essas perguntas são fáceis de obter. Se um usuário inteligente sabe o que está bombeando e descreve com precisão seus fluidos de processo, o fato de estar prestes a comprar um CMP é de importância secundária.
Décadas atrás, a superioridade dos CMPs foi descrita na apresentação conjunta Hoechst-Celanese de Kenneth Fischer em um dos Simpósios Internacionais da Texas A&M University. Os procedimentos dessas reuniões estão prontamente disponíveis e as edições anteriores abordaram muitas preocupações do usuário e forneceram algumas estatísticas de falha, etc.
Com muita frequência, o comprador deixa as decisões para o empreiteiro do projeto e então encoraja essas empresas a comprar em grande parte com base no custo e no cronograma. O empreiteiro então compra uma bomba convencional do menor lance. Um usuário com foco na confiabilidade deve intervir e assumir uma medida de responsabilidade pela orientação e direção necessárias aos empreiteiros de design e ao pessoal puramente orientado para compras. Estudos sólidos de custo do ciclo de vida são melhores do que opiniões pré-concebidas ou desatualizadas.
Além disso, e infelizmente, os CMPs podem ter adquirido uma má reputação quando certos vendedores exageraram em seus méritos no passado. Embora os méritos das bombas de motor enlatadas sejam indiscutíveis, não há nada que não possa ser rotulado erroneamente, mal interpretado, caluniado ou destruído. Não há exceções a esta regra.