Curso de Engenharia Mecânica
ESTUDO DE CONFIABILIDADE EM BOMBAS
CENTRÍFUGAS
Marcos Martins Rezende de Gouvea
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2008
ii
Curso de Engenharia Mecânica
ESTUDO DE CONFIABILIDADE EM BOMBAS
CENTRÍFUGAS
Marcos Martins Rezende de Gouvea
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica da
Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Dr.
Guilherme Bezzon, como exigência parcial para conclusão
do curso de graduação.
Orientador: Prof. Dr. Guilherme Bezzon
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2008
iii
ESTUDO DE CONFIABILIDADE EM BOMBAS CENTRÍFUGAS
Marcos Martins Rezende de Gouvea
Monografia defendida e aprovada em 09 de Dezembro de 2008 pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Dr. Guilherme Bezzon (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Ms. Paulo Eduardo Silveira (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
Prof. Dr. Alberto Luiz Francato (Membro Externo)
UNICAMP – Universidade Estadual de Campinas – Campinas – SP.
iv
.
“ O pessimista vê dificuldade em cada oportunidade:
O otimista, a oportunidade em cada dificuldade.”
(Autor desconhecido)
v
Agradecimentos
Ao meu orientador Prof. Guilherme Bezzon pelo incentivo, pelo crédito, pela clareza e
presteza no auxílio às atividades e discussões sobre o andamento e normatização desta
Monografia de Conclusão de Curso.
Agradeço principalmente aos meus pais e familiares, que com apoio moral e financeiro
possibilitaram que eu chegasse até aqui, pois sem dúvida nenhuma, sem eles nada do que
consegui seria possível.
O desenvolvimento deste trabalho não seria possível sem a colaboração de Celso Daniel
Galvani Junior, Engenheiro de Equipamentos da Petrobras REPLAN.
vi
Sumário
Lista de Siglas ........................................................................................................................viii
Lista de Figuras ........................................................................................................................ x
Lista de Tabelas ....................................................................................................................... xi
Resumo ....................................................................................................................................xii
1
Introdução .......................................................................................................................... 1
1.1 Objetivo......................................................................................................................... 2
1.2 Justificativa.................................................................................................................... 2
2
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................... 3
2.1 Confiabilidade ............................................................................................................... 3
2.1.1 Vantagens da aplicação de técnicas de confiabilidade ...........................................3
2.1.2 Fatores básicos de falhas ........................................................................................3
2.1.3 Parâmetros básicos da confiabilidade.....................................................................4
2.1.3.1 Confiabilidade.................................................................................................. 4
2.1.3.2 Falha na confiabilidade .................................................................................... 4
2.1.3.3 Taxa de Falhas ................................................................................................. 4
2.1.3.4 Tempo Médio Entre Falhas (TMEF) ............................................................... 4
2.2 Bombas.......................................................................................................................... 4
2.2.1 Bombas Centrífugas ...............................................................................................5
2.2.1.1 Funcionamento das Bombas Centrífugas ........................................................ 5
2.2.1.2 Curvas de carga (H) x vazão (Q) ..................................................................... 6
2.2.1.3 Curvas potência absorvida (Pot abs) x Vazão (Q) ........................................... 7
2.2.1.4 Curvas rendimento total (η) x Vazão (Q) ........................................................ 8
2.2.1.5 Curvas NPSH req (NPSH req) x Vazão (Q) .................................................... 9
2.2.2 Fatores que alteram as curvas características .........................................................9
2.2.2.1 Variação do diâmetro do rotor ......................................................................... 9
2.2.2.2 Variação da rotação do rotor............................................................................ 9
2.2.2.3 Variação nas propriedades dos fluidos .......................................................... 10
2.2.3 Apresentação das curvas características ...............................................................10
2.2.4 Curva do sistema ..................................................................................................11
2.2.4.1 Fatores que alteram a curva do sistema ......................................................... 12
2.2.5 Determinação do ponto de trabalho......................................................................12
2.2.6 Ponto de melhor eficiência (BEP - Best Efficiency Point)...................................13
2.2.7 Seleção de bombas centrífugas.............................................................................14
2.2.8 Operação de bombas centrífugas..........................................................................15
2.2.8.1 Bombas centrífugas operando em série ......................................................... 15
2.2.8.2 Bombas centrífugas operando em paralelo .................................................... 16
2.2.9 Problemas relacionados a bombas centrífugas .....................................................17
2.2.9.1 Problemas relacionados à vazão acima do BEP ............................................ 17
vii
2.2.9.2
Problemas relacionados à vazão abaixo do BEP ........................................... 19
3
METODOLOGIA EXPERIMENTAL .......................................................................... 20
3.1 Histórico de Falhas...................................................................................................... 20
3.2 Classificação das bombas centrífugas ......................................................................... 21
3.3 Dados de projeto.......................................................................................................... 22
3.4 Dados Operacionais..................................................................................................... 22
3.5 Comparativo entre dados de projeto/operacionais ...................................................... 23
3.6 Relação entre falhas e condição operacional............................................................... 29
3.6.1 Falhas x Condição Operacional - B-2154A/B......................................................29
3.6.2 Falhas x Condição Operacional - B-2001A/B/C ..................................................31
3.6.3 Falhas x Condição Operacional - B-2155A/B/C ..................................................32
4
Conclusão.......................................................................................................................... 34
4.1 Contribuições .............................................................................................................. 34
4.2 Extensões..................................................................................................................... 34
Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 35
viii
Lista de Siglas
λ
Taxa de falhas (Numero de intervenções)
γ
Peso especifico
ρ
Massa especifica
AMT
Altura Manométrica Total
BEP
Best Efficiency Point – Ponto de Melhor Eficiência
D
Diâmetro
Ft
Foot - Pé
H
Head – Altura de Coluna de Liquido
Kgf
Kilograma forca
Lbf
Libra força
MTBF
Mean Time Between Failures
M
Metro
N
Rotação
Neq
Numero de Equipamentos
η
Rendimento
ηh
Rendimento Hidráulico
ηv
Rendimento Volumétrico
ηm
Rendimento Mecânico
NPSHa ou NPSHd
Net Positive Suction Head Available – Altura Liquida Positiva de
Sucção Disponível
NPSHr
Net Positive Suction Head Required – Altura Liquida Positiva de
Sucção Requerida
P
Período
Pot u
Potencia Útil
Pot abs
Potencia Absorvida
Pv
Perdas Volumétricas
Pm
Perdas Mecânicas
Ph
Perdas Hidráulicas
Q
Vazão
Rpm
Rotações por minuto
ix
SDCD
Sistema Digital de Controle Distribuído
TMEF
Tempo médio entre falhas
x
Lista de Figuras
FIGURA 2-1 BOMBA CENTRÍFUGA EM CORTE. [3] ........................................................................ 5
FIGURA 2-2 CURVA CARGA (H) X VAZÃO (Q). [3] ....................................................................... 7
FIGURA 2-3 CURVA POTENCIA ABSORVIDA (POT ABS) X VAZÃO (Q). .......................................... 8
FIGURA 2-4 CURVA RENDIMENTO (η) X VAZÃO (Q). ................................................................... 8
FIGURA 2-5 CURVAS CARACTERÍSTICAS. [3] ............................................................................. 11
FIGURA 2-6 CURVA DO SISTEMA. [8] ......................................................................................... 12
FIGURA 2-7 CURVAS DO SISTEMA X BOMBA. [4] ........................................................................ 13
FIGURA 2-8 PONTO DE MELHOR EFICIÊNCIA - BEP. [5].............................................................. 13
FIGURA 2-9 SELEÇÃO DA BOMBA CENTRÍFUGA. [5] ................................................................... 14
FIGURA 2-10 CURVAS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS OPERANDO EM SÉRIE.[4] ............................... 15
FIGURA 2-11 ASSOCIAÇÃO DE BOMBAS CENTRÍFUGAS EM SÉRIE. [4]......................................... 15
FIGURA 2-12 CURVA DE BOMBAS CENTRÍFUGAS OPERANDO EM SERIE. [4] ................................ 16
FIGURA 2-13 – REGIÃO OPERACIONAL X VIBRAÇÃO. ................................................................. 17
FIGURA 2-14 ILUSTRAÇÃO DOS ESFORÇOS RADIAIS EM BOMBAS CENTRÍFUGAS DE SIMPLES
VOLUTA. [7]....................................................................................................................... 18
FIGURA 2-15 ILUSTRAÇÃO DA RECIRCULAÇÃO NO ROTOR. [4]................................................... 19
FIGURA 3-1 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2154A/B. ................................................... 23
FIGURA 3-2 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2001A/B/C. ............................................... 24
FIGURA 3-3 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2155A/B/C. ............................................... 25
FIGURA 3-4 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2014A/B. ................................................... 26
FIGURA 3-5 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2053A/B. ................................................... 27
FIGURA 3-6 – GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2060A/B. ................................................... 28
FIGURA 3-7 – ECONOMIA ENERGÉTICA COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA. .................................. 29
FIGURA 3-8 – FLUXOGRAMA ATUAL DA BOMBA B-2154A/B..................................................... 30
FIGURA 3-9 – FLUXOGRAMA PROPOSTO PARA A BOMBA B-2154A/B. ....................................... 30
FIGURA 3-10 – PLANO DE SELAGEM AUXILIAR PARA LIMPEZA (PLANO 62). [8] ......................... 31
FIGURA 3-11 - FLUXOGRAMA DA BOMBA B-2001A/B/C ........................................................... 32
FIGURA 3-12 – FLUXOGRAMA DA BOMBA B-2155A/B/C .......................................................... 33
xi
Lista de Tabelas
TABELA 1 – HISTÓRICO DE FALHAS DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS QUE MAIS FALHARAM ............. 21
TABELA 2 – HISTÓRICO DE FALHAS DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS QUE NÃO FALHARAM NOS
ÚLTIMOS CINCO ANOS. ....................................................................................................... 21
TABELA 3 – BOMBAS DE BAIXA CONFIABILIDADE ..................................................................... 21
TABELA 4 – BOMBAS DE ALTA CONFIABILIDADE ....................................................................... 21
TABELA 5 – DADOS DE PROJETO DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS .................................................... 22
TABELA 6 – INSTRUMENTOS DAS BOMBAS CENTRÍFUGAS. ......................................................... 22
xii
Resumo
Bombas centrífugas são utilizadas amplamente na indústria para transporte de fluidos
devido a sua flexibilidade operacional. As bombas centrífugas são projetadas para trabalhar a
uma determinada vazão com uma determinada altura manométrica de recalque, esse ponto de
trabalho é determinado como ponto de melhor eficiência (em inglês BEP – Best Efficiency
Point), porém dependendo da instalação ou condição operacional essa vazão pode variar.
Devido à flexibilidade no processo e/ou condições não previstas, algumas bombas podem
trabalhar a vazões muito diferentes do ponto de melhor eficiência, o que prejudica seu
funcionamento. Esse prejuízo pode ser visto pela alta taxa de falhas dessas bombas e
conseqüentemente baixa confiabilidade das mesmas. O objetivo desse trabalho é elaborar um
estudo de confiabilidade de bombas centrífugas operando em unidades de destilação de uma
refinaria de petróleo, a fim de relacionar casos de bombas operando a vazões diferentes do
ponto de melhor eficiência com baixa confiabilidade. Para realização do estudo foi levantado
o histórico de falhas de bombas centrífugas dessas unidades de destilação para um período de
cinco anos, classificadas as bombas de alta e baixa confiabilidade, verificados os dados de
projeto das bombas classificadas e comparados esses dados com os dados de vazão real no
período de estudo. As bombas de baixa confiabilidade foram aquelas que apresentaram
maiores diferenças entre os dados de projeto e os dados operacionais. Conclui-se que o
superdimensionamento de bombas centrífugas e/ou operação com vazões muito distantes do
ponto de projeto caminham em sentindo oposto ao da confiabilidade.
PALAVRAS-CHAVE: Confiabilidade; Bombas Centrífugas.
1
1 INTRODUÇÃO
Apresenta-se neste trabalho um estudo de confiabilidade de bombas centrífugas,
realizado em equipamentos operando em unidades de destilação de uma refinaria de petróleo.
O refino é um dos cinco grandes segmentos da industria de petróleo, sendo eles: exploração,
produção, transporte, refino e distribuição. [1]
A indústria do petróleo utiliza equipamentos estáticos, dinâmicos e elétricos em todos
seus segmentos. Dentre os equipamentos dinâmicos, estão às bombas centrífugas, muito
utilizadas em refinarias, não só para o transporte de fluidos, bem como para o controle de
algumas variáveis no processo como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, velocidade, etc.
O controle dessas variáveis é indispensável para a produtividade e segurança de unidades de
processo em refinarias, dessa forma bombas centrífugas têm papel importante na
produtividade e segurança das unidades de processo.
Em unidades de refino há diversas aplicações para bombas centrífugas, desde menos
severas como bombas para bombeamento de água, como bombas operando com produtos
perigosos, inflamáveis, a altíssimas pressões e temperatura. Por ser um equipamento muito
importante a unidades de processo, normalmente são instaladas com uma bomba reserva, a
fim de garantir a continuidade operacional em casos de falha da bomba principal.
Na maioria dos casos, em caso de falha da bomba principal e reserva, a unidade deve
ser parada, causando prejuízos à companhia e em alguns casos colocando em riscos as
instalações e pessoas.
As bombas centrífugas são projetadas para trabalhar a uma determinada vazão com
uma determinada altura manométrica de recalque. Esse ponto de trabalho é determinado como
ponto de melhor eficiência (em inglês BEP – Best Efficiency Point), porém dependendo da
instalação ou condição operacional essa vazão pode variar. As normas referentes a bombas
centrífugas recomendam que bombas operem dentro de uma faixa operacional, essa faixa
compreende entre 80% a 110% da vazão do ponto de melhor eficiência.
Devido à flexibilidade no processo e/ou condições não previstas, algumas bombas
podem trabalhar muito longe da faixa operacional adequada, o que prejudica seu
funcionamento. Esse prejuízo pode ser visto pela alta taxa de falhas dessas bombas e
conseqüentemente baixa confiabilidade dessas.
2
1.1 Objetivo
Elaborar um estudo de confiabilidade de bombas centrífugas operando em unidades de
destilação de uma refinaria de petróleo, a fim de relacionar casos de bombas operando fora da
faixa de vazão aceitável com baixa confiabilidade. No caso de bombas com baixa
confiabilidade por operarem fora da faixa de vazão adequada, são indicadas soluções com
objetivo de aumentar sua confiabilidade.
1.2 Justificativa
Bombas com baixa confiabilidade geram um alto custo de manutenção por
apresentarem altas taxas de falha e baixa disponibilidade para operação. Essa baixa
disponibilidade pode levar a uma parada não programada da unidade de processo,
aumentando ainda mais o prejuízo pela falha da bomba.
Bombas operando fora do ponto de melhor eficiência representam também desperdício
de energia.
3
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Confiabilidade
A credibilidade que se tem em um produto, sistema e/ou equipamento está diretamente
relacionada ao conceito de confiabilidade. Essa credibilidade é medida estatisticamente
avaliando a probabilidade de um certo equipamento falhar. A partir de uma prévia análise de
confiabilidade de um projeto, determinam-se ações a fim de garantir alta confiabilidade a esse
projeto, visto que após a fase de projeto pouco pode ser feito para a melhoria da
confiabilidade em curto prazo.
Para se realizar um projeto com baixo índice de falhas é preciso que seja realizada uma
boa análise de confiabilidade.
A análise de confiabilidade, estudando a causa básica de uma falha, é uma ferramenta
útil para equacionar problemas crônicos, devido aos parâmetros que são fornecidos para a
tomada de decisões. [2]
2.1.1 Vantagens da aplicação de técnicas de confiabilidade
Ao se aplicar técnicas de confiabilidade aumenta-se os lucros devido a: menos paradas
de produção não programadas, menores custos de manutenção, operação e apoio logístico,
menores perdas por lucro cessante e menores possibilidades de acidentes [2]. A confiabilidade
permite aplicação de investimentos baseados em dados quantitativos de continuidade
operacional, segurança e meio ambiente. Permite também a eliminação de causas básicas de
paradas não programadas de produção.
Empresas que trabalham com um ótimo nível de confiabilidade atuam nas causas
básicas dos problemas e não nos seus sintomas, através de: histórico de falhas dos
equipamentos, determinação das causas básicas das falhas, prevenção de falhas em
equipamentos similares e determinação de fatores críticos para manutenção de equipamentos.
[2]
2.1.2 Fatores básicos de falhas
Os produtos, sistemas e/ou equipamentos falham por três fatores básicos, como: falha
de projeto, falha na fabricação / produção ou falha na utilização. [2]
4
2.1.3 Parâmetros básicos da confiabilidade
2.1.3.1 Confiabilidade
Confiabilidade é definida como a probabilidade de um produto, sistema e/ou
equipamento cumprir a função para que foi projetado com sucesso por um período
determinado, sob condições de operações especificadas. [2]
2.1.3.2 Falha na confiabilidade
Falha na confiabilidade é definida como a impossibilidade de um produto, sistema
e/ou equipamento cumprir sua função na condição requerida. [2]
2.1.3.3 Taxa de Falhas
Taxa de falhas é a freqüência com que as falhas ocorrem em um determinado período,
medida pelo número de falhas por um período, como horas, dias, meses ou anos [2].
Normalmente, a taxa de falha é medida por λ.
2.1.3.4Tempo Médio Entre Falhas (TMEF)
Normalmente, para se medir confiabilidade de equipamentos, se utiliza tempo médio
entre falhas (TMEF – em inglês Mean Time Between Failures, MTBF), o TMEF é definido
pelo inverso da taxa de falhas multiplicado pelo numero de equipamentos e o período, como:
[2]
TMEF =
Neq • P
λ
onde:
Neq – Numero de Equipamentos
Equação 2-1
P – Período
λ – Numero de Falhas / Intervenções
2.2 Bombas
São máquinas acionadas que recebem energia de uma fonte motora, transformam em
energia cinética e energia de pressão e a transmitem ao fluido bombeado. A utilização de
bombas ocorre sempre que se necessita aumentar a pressão de um fluido, transportá-lo pela
tubulação de ponto a outro de uma planta, seguindo as condições de vazão e pressão
estabelecidas pelo processo. Existem diversos tipos de bombas, cada uma adequada a uma
5
determinada condição que o processo exige, porém as bombas mais utilizadas na indústria do
petróleo são bombas centrífugas, também conhecidas como bombas dinâmicas centrífugas ou
turbo-bombas. [3]
2.2.1 Bombas Centrífugas
Em bombas centrífugas, a energia é transferida ao fluido pela rotação do eixo onde é
montado o rotor, com um certo numero de pás ou palhetas. A geometria do rotor e suas
palhetas caracteriza o tipo da bomba centrífuga e influencia a forma como a energia é
transferida ao fluido e sua direção na saída do rotor. A vazão da bomba depende de suas
características construtivas e das características do sistema onde ela está operando.
2.2.1.1Funcionamento das Bombas Centrífugas
As bombas centrífugas são constituídas por três partes fundamentais, conforme figura
2-1:
- Rotor ou Impelidor, responsável por impulsionar o fluido.
- Carcaça, que contém o líquido, envolvendo o rotor, e dispõe de bocais de entrada
(sucção) e saída (descarga) do fluido.
- Eixo, atravessa a carcaça, conecta-se ao rotor, fornecendo movimento rotativo.[3]
Figura 2-1 Bomba Centrífuga em corte. [3]
As bombas centrífugas têm como princípio de funcionamento a criação de duas zonas
de pressão: uma de baixa pressão na sucção e outra de alta pressão na descarga (recalque). Na
partida é necessário que a carcaça da bomba e tubulação de sucção estejam totalmente
preenchidas com o liquido a ser bombeado. O enchimento da carcaça da bomba e a tubulação
de sucção é chamado de escorva. O movimento rotativo do rotor faz com que as partículas de
líquido sejam impulsionadas para fora. Esse movimento centrífugo cria um “vácuo” na
6
entrada (baixa pressão) e um “acúmulo” na saída (alta pressão) pela redução da velocidade
com o aumento de volume na carcaça (no difusor ou pás difusoras). A baixa pressão succiona
novas partículas vindas da sucção, estabelecendo um fluxo contínuo de líquido. A alta pressão
permite que o líquido vença as perdas impostas pela tubulação e seus acessórios. [3]
2.2.1.2 Curvas de carga (H) x vazão (Q)
Teoricamente, a carga de uma bomba centrífuga é definida como energia por unidade
de massa que a bomba tem condições de fornecer ao liquido, para uma determinada vazão.
Na prática, a carga de uma bomba centrífuga é definida como energia por unidade de
peso (força) que a bomba tem condições de fornecer ao líquido, para uma determinada vazão
conforme equação 2-2. [3]
kgf .m
=m
kgf
ou
lbf . ft
= ft
lbf
Equação 2-2
Diz-se então que é a altura de coluna de liquido (m ou ft) equivalente ao diferencial de
pressão que a bomba fornece a uma determinada vazão ou a altura manométrica que a bomba
é capaz de vencer naquela vazão. Como a energia fornecida pelo eixo é constante, quanto
maior a vazão, maior a distribuição de energia pela massa de fluido e menor a carga, ou
diferencial de pressão conseguida. Na teoria, a carga fornecida ao líquido varia de maneira
linear com a vazão fornecendo assim a curva teórica de uma bomba centrífuga. Porém
existem diversas perdas de energia hidráulica no processo devido ao comportamento do
liquido em relação ao rotor e carcaça não ser o ideal, existem perdas por escorregamento,
atrito interno, choques e turbulência. Dessa forma, na prática, a carga fornecida a líquido varia
de maneira não linear com a vazão, fornecendo assim a curva real de uma bomba centrífuga,
conforme figura 2-2.[3]
7
Figura 2-2 Curva carga (H) x vazão (Q). [3]
2.2.1.3 Curvas potência absorvida (Pot abs) x Vazão (Q)
A potência realmente absorvida pelo líquido, potência útil (Pot u), pode ser definida
também em função da massa ou do peso, conforme equações 2-3 e 2-4.
Potu = ρ .Q.H1
H1 =
energia
massa
ρ = massa _ especifica
Potu = γ .Q.H 2
H2 =
energia
peso
Equação 2-3
Equação 2-4
γ = peso _ especifico
A potência absorvida pelo conjunto da bomba (Pot abs) é igual a potencia útil somada
a todas as perdas de energia no conjunto da bomba, conforme equação 2-5. Além das perdas
hidráulicas (Ph), devemos considerar ainda: ·.
- Perdas volumétricas (Pv): uma parte da energia cedida ao fluido é perdida
pela recirculação do liquido nas partes internas da bomba.
- Perdas mecânicas (Pm): uma parte da energia cedida ao fluido é perdida pelo
atrito dos componentes mecânicos da bomba, como atrito nos mancais de rolamento e sistema
de vedação dos mancais.
Pot abs = Potu + Ph + Pv + Pm
Equação 2-5
8
Na pratica, não se faz cálculos das perdas volumétricas e perdas mecânicas, a curva de
potencia absorvida é gerada a partir de testes de bancadas no fabricante da bomba, conforme
figura 2-3.
Figura 2-3 Curva potencia absorvida (Pot abs) x vazão (Q).
2.2.1.4 Curvas rendimento total (η) x Vazão (Q)
Representam o rendimento total da bomba em função da vazão, contabilizando os
rendimentos hidráulicos, volumétricos e mecânicos, conforme equação 2-6.
η = η h ⋅ηv ⋅η m
Equação 2-6
Na pratica é calculada a relação entre a potência útil e potencia absorvida, como visto
na equação 2-7 e mostrado no gráfico em função da vazão conforme figura 2-4.
η=
Potu
Potabs
Figura 2-4 Curva rendimento (η) x vazão (Q).
Equação 2-7
9
2.2.1.5 Curvas NPSH req (NPSH req) x Vazão (Q)
As bombas centrífugas necessitam de liquido na sucção para operarem de forma
satisfatória, dessa forma deve existir uma certa pressão na sucção da bomba. Em testes de
bancada no fabricante das bombas é definido um valor de pressão liquida positiva na sucção
(em inglês Net Positive Suction Head – NPSH). O NPSH requerido para uma bomba
centrífuga varia com a vazão, sendo assim os fabricantes efetuam testes de bancada a fim de
gerar a curva NPSH req. x Vazão – Q.
2.2.2 Fatores que alteram as curvas características
São alterações na geometria da bomba, no acionamento ou no fluido que alteram seu
desempenho e conseqüentemente suas curvas características, passando de uma condição atual
(1) para uma nova condição (2).
2.2.2.1 Variação do diâmetro do rotor
Refere-se à troca do rotor ou a usinagem do diâmetro externo do rotor a fim de reduzilo, sendo limitados pelo tamanho da carcaça e pela baixa eficiência para rotores pequenos
(folga muita grande entre rotor e carcaça e conseqüentemente muita recirculação). Essas
variações podem ser calculadas através da equação 2-8. O motivo da variação do diâmetro do
rotor é a adequação da curva característica de um determinado modelo de bomba ao ponto de
trabalho, visto que para cada modelo de bomba centrífuga existe uma família de rotores com
diâmetros variados.
Q2 D2
=
Q1 D1
H 2  D2 

=
H1  D1 
2
Equação 2-8
Outras mudanças geométricas no rotor têm influência mais complexa nas curvas
características e seu desgaste devido ao tempo de uso pode reduzir sua eficiência.
2.2.2.2 Variação da rotação do rotor
Refere-se à variação da rotação do seu acionador, pode ser variação da rotação de uma
turbina a vapor, controlando a vazão de vapor para a turbina como a variação de rotação de um
motor elétrico através de inversor de freqüência. Essas variações podem ser utilizadas para
controlar o desempenho de uma bomba centrífuga em um sistema, conforme equação 2-9. Com
10
a alteração da rotação do rotor se alteram as curvas de carga (H) x vazão (Q) da bomba a fim
de adequar a capacidade da bomba à necessidade do sistema de bombeamento.
Q2 N 2
=
Q1 N1
H2  N2 

=
H1  N1 
2
Pot 2
N
=3 2
Pot1
N1
Equação 2-9
2.2.2.3 Variação nas propriedades dos fluidos
A variação da massa especifica não altera a carga da bomba, ou seja, a energia cedida
por unidade de massa de fluido continuará a mesma. Porém a potência absorvida pela bomba
é diretamente proporcional, conforme equação 2-10.
Potu = ρ ⋅ Q ⋅ H
Equação 2-10
Com fluidos muitos viscosos as bombas centrífugas aumentam muito a potencia
absorvida, reduzem a carga e diminuem um pouco a vazão bombeada, existem cartas de
correções para esses casos.
2.2.3 Apresentação das curvas características
As curvas de carga (H) x vazão (Q), potência absorvida x vazão (Q), rendimento total
(n) x vazão (Q) e pressão líquida positiva na sucção (NPSH req) x vazão (Q) são fornecidas
pelo fabricante da bomba em um único gráfico, em relação a um único eixo de vazão, com
valores para diversos tamanhos de rotor. Em alguns casos, potência e rendimentos são
apresentados em conjuntos de linhas que marcam faixa de valores (linhas de isopotência e
isorendimento), conforme figura 2-5. [3]
11
Figura 2-5 Curvas características. [3]
2.2.4 Curva do sistema
Em um sistema de bombeamento é necessário determinar qual é a energia por unidade
de massa que o sistema solicitará a uma determinada vazão. Na prática se utiliza energia por
unidade de peso, chegando à carga do sistema em metros (m) ou altura manométrica total
(AMT). A energia por unidade de peso solicitada pelo sistema é, para cada vazão, função da
altura estática de elevação do fluido, da diferença de pressão entre a sucção e a descarga e das
perdas existentes no circuito. São essas diferenças e perdas de carga que a bomba deve
compensar. [3]
A variação da energia por unidade de peso que o sistema solicita em função da vazão é
mostrada pela curva do sistema, conforme figura 2-6.
12
H
H6
H5
hf6 Hdinâmico
H4
hf5
H3
H2
H1
Q1
hf3
hf2
Q2
hf4
Hestático
Q3
Q4
Q5
Q6
Q
Curva do sistema
Figura 2-6 Curva do sistema. [8]
2.2.4.1 Fatores que alteram a curva do sistema
Varias mudanças no sistema podem alterar sua curva característica, como:
- Mudança nas propriedades dos fluidos: diminuição na densidade reduz o peso das
colunas de líquido e altera os valores de perda de carga. Aumento da viscosidade aumenta a
perda de carga.
- Variação dos níveis dos vasos de sucção e descarga.
- Variação de pressão nos vasos de sucção e descarga.
- Alteração nas linhas: aumento ou redução da restrição à passagem do líquido,
principalmente por válvulas de controle, aumenta ou reduz a perda de carga.
2.2.5 Determinação do ponto de trabalho
No mesmo gráfico, podemos representar a curva característica da bomba e do sistema,
sendo a intersecção entre a curva da bomba e do sistema o ponto de trabalho conforme a
figura 2-7. [4]
13
Figura 2-7 Curvas do sistema x bomba. [4]
Esse ponto de trabalho indica a altura manométrica total (AMT), a vazão, o rendimento e
a potencia absorvida. A reta vertical também cruza a curva de NPSH requerido e disponível.
Recomenda-se que a diferença entre o disponível e o requerido seja no mínimo 0,6m. [4]
2.2.6 Ponto de melhor eficiência (BEP - Best Efficiency Point).
O gráfico da figura 2-8 mostra a curva característica para uma bomba especifica
incluindo o ponto de melhor eficiência - BEP. A vazão na qual a bomba converte a energia de
entrada (proveniente do acionador) em energia hidráulica de saída de forma mais eficiente é
150gpm, conhecido como BEP. A maioria das bombas centrífugas de simples estágios tem o
ponto de melhor eficiência localizada em torno de 70% a 85% da vazão máxima.
O ponto de melhor eficiência para essa bomba está a uma vazão de 150gpm, contra a
resistência de 160 pés, com 70% de eficiência.
Figura 2-8 Ponto de melhor eficiência - BEP. [5]
Para bombas centrífugas de simples voluta, as forcas hidráulicas ao redor do rotor quando
operando próximo a vazão do BEP, estão quase balanceadas resultando na mais alta
14
eficiência, menor flexão radial do eixo e conseqüentemente menor vibração. Em vazões
abaixo ou acima do BEP, as forças hidráulicas ao redor do rotor estão menos balanceadas,
resultando em menor eficiência, altos níveis de deflexão do eixo e conseqüentemente maior
vibração.
2.2.7 Seleção de bombas centrífugas
Inicialmente, definem-se as condições operacionais necessárias para um sistema de
bombeamento, como vazão, pressão de sucção, pressão de descarga, altura manométrica total,
produto bombeado, densidade, temperatura, viscosidade e etc. Após a definição das condições
operacionais, é gerada a curva do sistema, levando em consideração a altura manométrica
total estática, e adicionando a altura manométrica total dinâmica de acordo com o acréscimo
da vazão, essa está relacionada com a perda de carga.
De posse dessas informações, seleciona-se o modelo da bomba em uma carta de
seleção de bombas conforme figura 2-9. Depois de definido o modelo, define-se o diâmetro
do rotor, o NPSH requerido e a potência para a bomba operar no sistema definido.
A norma ISO 13709:2003, referente a bombas centrífugas para indústria de petróleo,
petroquímicas e gás natural recomenda que a bomba selecionada opere na faixa de 80% a
110% da vazão do BEP, evitando assim problemas relacionados à recirculação interna e
esforços radiais maiores.[6]
Figura 2-9 Seleção da bomba centrífuga. [5]
15
2.2.8 Operação de bombas centrífugas
Bombas centrífugas podem operar sozinhas, quando apenas uma bomba atende a
características de altura manométrica de recalque (AMT) e vazão desejada. Em alguns casos
as características operacionais não podem ser atendidas por apenas uma bomba, essa limitação
se dá tanto pela altura manométrica de recalque (AMT) quanto pela vazão desejada, assim
torna–se necessário à operação de duas ou mais bombas simultaneamente para o mesmo
serviço.
2.2.8.1 Bombas centrífugas operando em série
A opção de operação com bombas centrífugas operando em série se dá quando a altura
manométrica de recalque (AMT) não pode ser atingida por uma única bomba a uma
determinada vazão. A curva carga (H) x vazão (Q) resultante é a soma das alturas
manométricas de recalque (AMT – H) das duas bombas para a mesma vazão conforme figura
2-10.
Figura 2-10 Curvas de bombas centrífugas operando em série.[4]
Esse tipo de associação é muito utilizado em oleodutos conforme figura 2-11, onde se
necessita transportar produtos a longas distâncias, nesses sistemas a perda de carga é muito
elevada devido à longa distancia.
Figura 2-11 Associação de bombas centrífugas em série. [4]
16
2.2.8.2 Bombas centrífugas operando em paralelo
A opção por bombas centrífugas operando em paralelo, se dá quando a vazão esperada
por um sistema a uma determinada altura manométrica de recalque (AMT) não pode ser
atingida por uma única bomba, ou quando em um sistema a vazão pode variar
significativamente, nesse segundo caso, a utilização de bombas centrífugas operando em
paralelo, flexibiliza a operação desse sistema.
A operação de sistemas de bombeamento com bombas centrífugas operando em
paralelo pode oferecer flexibilidade e segurança operacional, visto que a falha de uma bomba
apenas diminui a vazão de um sistema de bombeamento não o parando como um todo. A
curva carga (H) x vazão (Q) resultante para bombas centrífugas operando em paralelo é a
soma das vazões das duas bombas para a mesma alturas manométricas de recalque (AMT –
H), conforme figura 2-12.
Qparalelo = 2.Q1
H1
Q1 Qsozinha Qparalelo
Figura 2-12 Curva de bombas centrífugas operando em serie. [4]
A utilização de bombas centrífugas iguais em paralelo é muito comum na indústria do
petróleo, pois a vazão desejada em alguns sistemas de bombeamento pode ser muito elevada,
e nesses casos uma única bomba centrífuga produzida em escala comercial pode não atender o
sistema.
No caso de utilização de duas bombas centrífugas diferentes em paralelo, deve-se ter
cautela, pois dependo do ponto de trabalho, definido pelo sistema, uma das bombas pode
operar com vazão muito baixa, o que é muito prejudicial ao equipamento. Não se recomenda à
operação de bombas centrífugas diferentes em paralelo.
17
2.2.9 Problemas relacionados a bombas centrífugas
Bombas centrífugas podem apresentar vários problemas como, vazamentos, vibração,
cavitação, ruído, aquecimento excessivo, perda de eficiência e etc. A causa desses problemas
podem ser variadas. Basicamente, podemos dividir as causas de falhas de bombas centrífugas
como sendo: falha no projeto da bomba, falha na montagem e/ou manutenção e condição
operacional inadequada.
Problemas relacionados à condição operacional inadequada podem ser relacionados
principalmente à vazão de trabalho da bomba centrífuga. Uma bomba centrífuga é projetada
para trabalhar a uma vazão determinada, essa vazão determina o BEP da bomba. Bombas
centrífugas operando próximo à vazão do ponto de melhor eficiência apresentam menos
falhas relacionadas à condição operacional. A operação de bombas centrífugas a vazões
abaixo e acima da vazão de melhor eficiência pode ser a causa de falhas de bombas
centrífugas.
A norma ISO 13709:2003, referente a bombas centrífugas para industria de petróleo,
petroquímicas e gás natural, recomenda a operação de bombas centrífugas dentro de uma
faixa de vazão adequada, essa faixa compreende o valor de 80% a 110% da vazão do BEP [6]
conforme figura 2-1, nota se que ao se afastar da região operacional preferida a vibração
aumenta.
Figura 2-13 – Região operacional x vibração.
2.2.9.1 Problemas relacionados à vazão acima do BEP
2.2.9.1.1
Cavitação por falta de NPSH disponível
Para entendermos o fenômeno da cavitação é necessário entender inicialmente pressão
de vapor de um certo fluido. A pressão de vapor é a pressão exercida por um vapor quando
18
este está em equilíbrio com o líquido que lhe deu origem. A pressão de vapor é uma medida
da tendência de evaporação de um líquido. Quanto maior a sua pressão de vapor, maior é essa
tendência e mais volátil é o líquido.
Se a pressão absoluta de um sistema de bombeamento atingir valor igual ou inferior à
pressão do vapor líquido, na temperatura de bombeamento, parte deste líquido se vaporizará.
Caso a parte vaporizada encontre alguma região onde pressão absoluta seja maior que a
pressão do vapor líquido na temperatura de bombeamento, haverá colapso das bolhas com
retorno à fase líquida e a geração de ondas de choque, esse fenômeno é conhecido como
cavitação, gerando vibrações, ruídos e danos à bomba centrífuga.
Ao operar uma bomba centrífuga com a vazão acima da faixa tolerável, 120% do
B.E.P, a altura líquida positiva de sucção disponível (NPSHd. – Net Positive Suction Head)
deve ser maior, pois a velocidade na sucção do rotor irá aumentar o que diminui a pressão de
sucção. Essa diminuição de pressão pode atingir a pressão de vapor do líquido bombeado,
causando a cavitação.
2.2.9.1.2
Vida reduzida de mancal e selo mecânico
Em bombas centrífugas de simples voluta operando em vazões acima do BEP, o
balanceamento das pressões internas na voluta é irregular, causando deflexões no eixo e
conseqüentemente vibrações. Essas vibrações afetam a vida dos mancais e selos mecânicos.
Esse problema também é causado quando se opera bombas centrífugas em vazões abaixo do
BEP.
Os esforços resultantes em bombas operando fora do BEP podem ser vistos na figura
2-13.
Figura 2-14 Ilustração dos esforços radiais em bombas centrífugas de simples voluta. [7]
19
2.2.9.2 Problemas relacionados à vazão abaixo do BEP
2.2.9.2.1
Elevação da temperatura
A vazões muito baixas, a vazão de fluido através da bomba não é suficiente para
remover o calor da energia gerado internamente na bomba, esse aumento de temperatura
resulta em expansão térmica que pode causar atritos internos entre partes metálicas, e
conseqüentemente alta vibração.
2.2.9.2.2
Recirculação
Outros problemas que causam danos similares ao da cavitação são a recirculação na
sucção e na descarga.
A recirculação na sucção causam danos semelhantes à da cavitação por falta de
NPSHd, porém a causa desse problema não está relacionado com falta de NPSHd e sim com
bombas centrífugas operando a vazões muito baixas onde ocorre à recirculação do fluido
bombeado pela sucção. Essa recirculação cria vórtices que causam danos ao rotor, conforme
figura 2-15.
Figura 2-15 Ilustração da recirculação no rotor. [4]
20
3 METODOLOGIA EXPERIMENTAL
3.1 Histórico de Falhas
A metodologia experimental se desenvolveu no levantamento do histórico de falhas das
bombas centrífugas das unidades de destilação da refinaria de Paulínia – REPLAN no período
de 01/07/2003 a 30/06/2008.
Todas as falhas de bombas centrífugas são registradas em um relatório de manutenção,
esse relatório é lançado em programa chamado GEMEQ - Gerenciamento de Equipamentos
Mecânicos, nos relatórios e no GEMEQ estão arquivados todas as informações relativas às
manutenções dos equipamentos.
As bombas que apresentaram maiores taxas de falhas são apresentadas na tabela 1.
01/07/2003 a 30/06/2008
Tag Posto
TMEF
Posto
(meses)
B-2001A/B/C
B-2154A/B
Período:
Tag
TMEF
(meses).
B-2154A
6,67
B-2154B
20,00
B-2001A
8,57
10,00
Tag
Término
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154A
B-2154B
B-2154B
B-2154B
B-2001A
B-2001A
B-2001A
B-2001A
B-2001A
16/01/2004
05/05/2006
17/05/2006
19/05/2006
25/08/2006
05/04/2007
26/04/2007
04/04/2008
14/05/2008
26/08/2004
14/03/2006
22/09/2006
23/01/2004
20/02/2004
26/01/2005
10/02/2006
18/05/2006
B-2001A
Vazamento - óleo
Vibração alta
Vibração alta
Vazamento - selagem
Vibração alta
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Ruído anormal
Vibração alta
Vibração alta
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Baixo
12/05/2007
rendimento/vazão
Baixo
25/05/2007 rendimento/vazão
B-2001B
B-2001B
B-2001B
19/08/2005 Vazamento - selagem
06/07/2006 Vazamento - selagem
12/03/2007 Vazamento – selagem
B-2001A
12,86
B-2001B
20,00
Sintoma
B-2155A/B/C
21
B-2001C
15,00
B-2155A
12,00
B-2155B
15,00
B-2155C
30,00
20,00
B-2001C
B-2001C
B-2001C
B-2001C
B-2155A
B-2155A
B-2155A
B-2155A
B-2155B
B-2155B
B-2155B
B-2155C
B-2155C
24/07/2005
17/05/2006
12/10/2006
14/12/2006
27/08/2003
21/01/2004
06/01/2006
09/09/2006
30/09/2003
24/08/2004
17/07/2007
29/01/2007
18/06/2008
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Engripamento
Engripamento
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Engripamento
Outros sintomas
Vazamento - selagem
Vazamento - selagem
Vibração alta
Tabela 1 – Histórico de falhas das bombas centrífugas que mais falharam
Em contra partida temos bombas que não apresentaram falhas nos últimos cinco anos,
sendo apresentadas na tabela 2.
Tag Posto
Tag
B-2014A
B-2014A/B
B-2014B
B-2053A
B-2053A/B
B-2053B
B-2060A
B-2060A/B
B-2060B
Ultima Falha
22/5/2002
5/2/2001
3/6/2003
5/6/2002
30/8/2002
Sintoma
Vibração Alta
Vazamento Selagem
Vazamento Selagem
Vazamento Selagem
Tabela 2 – Histórico de falhas das bombas centrífugas que não falharam nos últimos cinco anos.
3.2 Classificação das bombas centrífugas
Após o levantamento do histórico de falhas das bombas centrífugas das unidades de
destilação da refinaria de Paulínia – REPLAN, as bombas foram classificadas como bombas
de baixa confiabilidade conforme tabela 3 e bombas de alta confiabilidade conforme tabela 4.
TAG
B-2154A/B
B-2001A/B/C
B-2155A/B/C
T.M.E.F
(meses)
10,00
12,86
20,00
Ultima
Falha
14/5/2008
25/5/2007
18/6/2008
Tabela 3 – Bombas de baixa confiabilidade
TAG
B-2014A/B
B-2053A/B
B-2060A/B
T.M.E.F
(meses)
> 60,00
> 60,00
> 60,00
Ultima
Falha
22/5/2002
3/6/2003
30/8/2002
Tabela 4 – Bombas de alta confiabilidade
22
3.3 Dados de projeto
Após a classificação inicial das bombas centrífugas conforme tabelas 3 e 4, foram
verificados dados de projeto dessas bombas conforme tabela 5.
BOMBAS DE BAIXA CONFIABILIDADE
Pot.
Vazão Head
Acion Projeto Proj. Rend.
TAG
.(cv) (m³/dia) (m) Proj.(%)
B-2154A/B
100
1440
231
45,0%
B-2001A/B/C 600
14.232 229
66,0%
B-2155A/B/C 400
8.086
183
63,5%
BOMBAS DE ALTA CONFIABILIDADE
TAG
B-2014A/B
B-2053A/B
B-2060A/B
Pot.
Vazão Head
Acion. Projeto Proj.
(cv) (m³/dia) (m)
200
5.496
165
200
15.960
93
150
6.120 155,5
Rend.
Proj.
(%)
60,0%
79,0%
78,0%
Rend.
Vazão
Vazão
BEP.
BEP
Máxima
Mínima
(%) (m³/dia) (m³/dia) rpm (m³/dia)
62,0% 2.280
2.280 3.600
642
71,2% 20.664 20.664 3.600 7.334
66,0% 10.752 11.736 1.800 3.092
Rend.
Vazão
Vazão
Máxima
Mínima
BEP.
BEP
(%) (m³/dia) (m³/dia) rpm (m³/dia)
60,0% 5.496
5.496 3.600 1.920
79,0% 15.960 21.000 1.800 4.200
79,0% 7.090
8.066 3.600 1.737
Tabela 5 – Dados de projeto das bombas centrífugas
3.4 Dados Operacionais
Para cada bomba centrífuga foi verificada a existência de instrumentos a fim de medir a
vazão de produto bombeado por bomba visando comparar a condição operacional com os
dados de projeto das bombas.
BOMBAS DE ALTA
CONFIABILIDADE
TagPosto
B-2014A/B
B-2053A/B
B-2060A/B
BOMBAS DE BAIXA
CONFIABILIDADE
TagPosto
B-2154A/B
B-2001A/B/C
B-2155A/B/C
Vazão
FIC20044
FIC20543
FIC20509
FIC20684
FIC20685
Vazão
FIC21511
FIC20156
FIC20157
FI21533
INSTRUMENTOS
Acionador A Acionador B Acionador C
II20015
II20016
NÃO EXISTE
B2053A
B2053B
NÃO EXISTE
S/ INST.
S/ INST.
NÃO EXISTE
INSTRUMENTOS
Acionador A Acionador B Acionador C
S/ INST.
S/ INST.
NÃO EXISTE
II20001
II20002
B2155A
SIC21501
Tabela 6 – Instrumentos das bombas centrífugas.
S/ INST.
SIC21501
23
3.5 Comparativo entre dados de projeto/operacionais
Após o levantamento dos dados de projeto / operacionais foi comparada a vazão de
projeto com a vazão bombeada no período de 01/07/2003 a 30/06/2008 para as bombas de
baixa confiabilidade: B-2154A/B conforme figura 3-1; B-2001A/B/C conforme figura 3-2;
B-2155A/B/C conforme figura 3-3 e para as bombas de alta confiabilidade: B-2014A/B
conforme figura 3-4; B-2053A/B conforme figura 3-5 e B-2060A/B conforme figura 3-6.
B-2154A/B
3000
2500
VAZÃO m3/d
2000
B-2154A/B Vazão Total
B-2154A/B Vazão Mínima
B-2154A/B BEP
B-2154A/B 70% BEP
B-2154A/B 120% BEP
1500
1000
500
3/5/2008
3/3/2008
2/1/2008
2/9/2007
2/11/2007
3/7/2007
3/5/2007
3/3/2007
1/1/2007
1/9/2006
1/11/2006
2/7/2006
2/5/2006
2/3/2006
31/12/2005
31/10/2005
1/7/2005
31/8/2005
1/5/2005
1/3/2005
30/12/2004
30/8/2004
30/10/2004
30/6/2004
30/4/2004
29/2/2004
30/12/2003
30/10/2003
DATA
30/8/2003
0
Figura 3-1 – Gráfico de vazão das bombas B-2154A/B.
Na figura 3-1 as linhas horizontais representam os limites de vazão para a bomba B2154A/B, a linha verde mostra a vazão no BEP, as linhas azuis limitam a faixa de operação
aceitável de acordo com a norma ISO 13709:2003, referente a bombas centrífugas para
indústria de petróleo, petroquímicas e gás natural e a linha vermelha defini o limite de vazão
mínima da bomba, nota-se que a bomba opera boa parte do tempo abaixo da vazão mínima.
A vazão média bombeada no período pela bomba B-2154A/B foi de 611m³/diaia, que
é 42,4% da vazão de projeto e 26,8% da vazão do BEP.
24
B-2001A/B/C
60000
50000
VAZÃO m3/d
40000
B-2001A/B/C Vazão Total
B-2001A/B/C Vazão Mínima
B-2001A/B/C BEP
B-2001A/B/C 70% BEP
B-2001A/B/C 120% BEP
30000
20000
10000
1/7/2008
1/4/2008
1/1/2008
1/10/2007
1/7/2007
1/4/2007
1/1/2007
1/7/2006
1/10/2006
1/4/2006
1/1/2006
1/10/2005
1/7/2005
1/4/2005
1/1/2005
1/10/2004
1/7/2004
1/4/2004
1/1/2004
1/10/2003
1/7/2003
0
Figura 3-2 – Gráfico de vazão das bombas B-2001A/B/C.
Na figura 3-2 as linhas horizontais representam os limites de vazão para as bombas B2001A/B/C, a linha verde mostra a vazão no BEP, as linhas azuis limitam a faixa de operação
aceitável de acordo com a norma ISO 13709:2003, já a linha vermelha define o limite de
vazão mínima da bomba, nota-se que a bomba opera acima da vazão mínima, mas abaixo da
faixa aceitável e por se tratar de bombas centrífugas operando em paralelo e medida por um
único instrumento, pode ocorrer que a vazão total não se divide igualmente entre as bombas,
devido a desvios operacionais.
A vazão média bombeada no período pelas bombas B-2001A/B/C foi de 22.368m³/dia,
que é 78,6% da vazão de projeto e 54,1% da vazão do BEP.
25
B-2155A/B/C
30000
25000
VAZÃO m3/d
20000
B-2155A/B/C VAZÃO
B-2155A/B/C Vazão Mínima
15000
B-2155A/B/C BEP
B-2155A/B/C 70% BEP
B-2155A/B/C 120% BEP
10000
5000
1/7/2008
1/4/2008
1/1/2008
1/10/2007
1/7/2007
1/4/2007
1/1/2007
1/7/2006
1/10/2006
1/4/2006
1/1/2006
1/10/2005
1/7/2005
1/4/2005
1/1/2005
1/7/2004
1/10/2004
1/4/2004
1/1/2004
1/10/2003
1/7/2003
0
Figura 3-3 – Gráfico de vazão das bombas B-2155A/B/C.
Na figura 3-3 as linhas horizontais representam os limites de vazão para as bombas B2155A/B/C, a linha verde mostra a vazão no BEP para duas bombas no período inicial e para
apenas uma bomba após abril /2008, as linhas azuis limitam a faixa de operação aceitável de
acordo com a norma ISO 13709:2003, já a linha vermelha defini o limite de vazão mínima da
bomba, nota-se que a bomba operou pouco acima da vazão mínima, mas abaixo da faixa
aceitável por um longo período e por se tratar de bombas centrífugas operando em paralelo e a
vazão é medida por um único instrumento, pode ocorrer que a vazão total não se divide
igualmente entre as bombas, devido a desvios operacionais.
No período em que as bombas B-2155A/B/C operaram em paralelo a vazão media
bombeada foi de 10.546m³/dia, que é 65,2% da vazão de projeto e 49,0% da vazão do BEP.
26
B-2014A/B
7000
6000
5000
VAZÃO m3/d
B-2014A/B Vazão Total
B-2014A/B Vazão Mínima
4000
B-2014A/B BEP
B-2014A/B 70% BEP
B-2014A/B 80% BEP
3000
B-2014A/B 110% BEP
B-2014A/B 120% BEP
2000
1000
1/7/2008
1/4/2008
1/1/2008
1/10/2007
1/7/2007
1/4/2007
1/1/2007
1/10/2006
1/7/2006
1/4/2006
1/1/2006
1/10/2005
1/7/2005
1/4/2005
1/1/2005
1/10/2004
1/7/2004
1/4/2004
1/1/2004
1/10/2003
1/7/2003
0
Figura 3-4 – Gráfico de vazão das bombas B-2014A/B.
Na figura 3-4 as linhas horizontais representam os limites de vazão para as bombas B2014A/B, a linha verde mostra a vazão no BEP.
As linhas azuis limitam a faixa de operação aceitável e as linhas amarelas à faixa de
operação preferível de acordo com a norma ISO 13709:2003. A linha vermelha define o limite
de vazão mínima da bomba, nota-se que a bomba sempre operou acima da vazão mínima e a
maior parte do tempo dentro da faixa aceitável e boa parte do tempo na faixa preferível.
A vazão média bombeada no período pela bomba B-2014A/B foi de 4.320m³/dia, que é
78,6% da vazão de projeto e da vazão do BEP.
27
B-2053A/B
25000
VAZÃO m3/d
20000
15000
B-2053A/B Vazão Total
B-2053A/B Vazão Mínima
B-2053A/B BEP
B-2053A/B 70% BEP
B-2053A/B 120% BEP
10000
5000
1/7/2008
1/4/2008
1/1/2008
1/10/2007
1/7/2007
1/4/2007
1/1/2007
1/10/2006
1/7/2006
1/4/2006
1/1/2006
1/10/2005
1/7/2005
1/4/2005
1/1/2005
1/10/2004
1/7/2004
1/4/2004
1/1/2004
1/7/2003
1/10/2003
0
Figura 3-5 – Gráfico de vazão das bombas B-2053A/B.
Na figura 3-5, as linhas horizontais representam os limites de vazão para as bombas B2053A/B, a linha verde mostra a vazão no BEP. As linhas azuis limitam a faixa de operação
aceitável de acordo com a norma ISO 13709:2003.
A linha vermelha define o limite de vazão mínima da bomba, nota-se que a bomba
sempre operou acima da vazão mínima e parte do período próximo a limite inferior de faixa
aceitável. Percebe-se que a vazão medida pelo instrumento é a vazão bombeada, por se tratar
de uma bomba que opera sozinha.
A vazão média bombeada no período pela bomba B-2053A/B foi de 9.528m³/dia, que é
59,7% da vazão de projeto e da vazão do BEP.
28
B-2060A/B
9000
8000
7000
VAZÃO m3/d
6000
B-2060A/B Vazão Total
5000
B-2060A/B Vazão Mínima
B-2060A/B BEP
B-2060A/B 70% BEP
4000
B-2060A/B 120% BEP
3000
2000
1000
1/7/2008
1/4/2008
1/1/2008
1/10/2007
1/7/2007
1/4/2007
1/1/2007
1/10/2006
1/7/2006
1/4/2006
1/1/2006
1/10/2005
1/7/2005
1/4/2005
1/1/2005
1/10/2004
1/7/2004
1/4/2004
1/1/2004
1/10/2003
1/7/2003
0
Figura 3-6 – Gráfico de vazão das bombas B-2060A/B.
Na figura 3-6 as linhas horizontais representam os limites de vazão para as bombas B2060A/B, a linha verde mostra a vazão no BEP.
As linhas azuis limitam a faixa de operação aceitável de acordo com a norma ISO
13709:2003, já a linha vermelha define o limite de vazão mínima da bomba. Percebe-se que a
bomba sempre operou acima da vazão mínima e boa parte do tempo dentro acima do limite
inferior da faixa aceitável. Por ser uma bomba que opera sozinha, a vazão medida é a vazão
bombeada.
A vazão média bombeada no período pela bomba B-2060A/B foi de 4.794 m³/dia, que é
78,3% da vazão de projeto e 67,6% da vazão do BEP.
29
3.6 Relação entre falhas e condição operacional
Após o comparativo entre as vazões de projeto e as vazões operacionais das bombas
selecionadas pode-se relacionar a confiabilidade das bombas com a condição operacional da
bomba.
3.6.1 Falhas x Condição Operacional - B-2154A/B
Entre as bombas presentes no estudo a bomba B-2154A/B foi a que mais falhou,
apresentando um TMEF de 10,00 meses. A vazão operacional média no período foi de
26,82% da vazão do BEP. As falhas apresentaram sintomas de vibração alta e vazamento de
selagem.
A vibração alta é conseqüência da condição operacional da bomba, que operou com
vazão abaixo da vazão mínima, onde ocorre grande recirculação interna e conseqüentemente
aumento da vibração; alem do aumento de temperatura. Após análise do sistema de
bombeamento, verifica-se que a bomba está superdimensionada e a solução indicada seria a
instalação de um inversor de freqüência, a fim de controlar a capacidade do sistema de
bombeamento através do controle de rotação da bomba. Essa solução trará uma grande
economia de energia direta relacionada com a elevação da eficiência da bomba conforme
ilustrado na figura 3-7 e uma economia indireta relacionada ao aumento da confiabilidade da
bomba.
Figura 3-7 – Economia energética com inversor de freqüência.
O controle de capacidade atual é feito através de uma válvula de controle automática e
uma válvula de recirculação manual conforme figura 3-8. Após a instalação do inversor de
freqüência o controle de capacidade será através do controle de rotação da bomba e da válvula
de controle conforme figura 3-9, eliminando a recirculação manual.
30
O sintoma vazamento de selagem é conseqüência da vibração alta causada pela
condição operacional da bomba. O selo mecânico é um selo duplo montado em componentes,
o projeto do selo atual é muito suscetível a falhas em condições adversas do processo, em
situações que a bomba opere com vazões reduzidas, aumenta-se assim a pressão interna na
bomba (causada pelo excesso de recirculação). Recomendou-se substituir o selo mecânico
atual para um selo cartucho, a fim de suportar condições adversas durante situações onde o
equipamento opera com vazões reduzidas. Foi analisada a aplicação junto ao fabricante do
selo mecânico e da bomba centrífuga e decidido pelo projeto de um novo selo cartucho duplo.
Figura 3-8 – Fluxograma atual da bomba B-2154A/B.
Figura 3-9 – Fluxograma proposto para a bomba B-2154A/B.
31
3.6.2 Falhas x Condição Operacional - B-2001A/B/C
A bomba B-2001A/B/C apresentou um TMEF de 12,86 meses. A vazão operacional
média no período foi de 54,13% do BEP e a vibração média das bombas é 7mm/s, bem acima
do que os 3mm/s permitido pela norma ISO 13709:2003. As falhas apresentaram sintomas de
baixo rendimento / vazão e vazamento de selagem, 85% das falhas tiveram como sintomas
vazamento de selagem.
Após análise detalhada das falhas por vazamento de selagem, a causa foi o travamento
do mesmo devido ao acúmulo de produto coqueado no lado externo do selo. Foi decidido
então pela instalação de quench de vapor no lado externo do selo, plano de selagem auxiliar
62. O vapor tem a função de fazer a limpeza da parte externa do selo, garantindo que não
ocorra travamento do selo pelo acúmulo de resíduos conforme figura 3-10.
Figura 3-10 – Plano de selagem auxiliar para limpeza (plano 62). [8]
A vazão bombeada pelas bombas B-2001A/B/C é medida por um único medidor de
vazão não garantindo assim que vazão total é dividida igualmente entre as duas bombas que
normalmente operam. Foi constatado que no período do estudo ocorreu controle de
capacidade das bombas através da válvula de descarga manual de cada bomba de forma
individual conforme figura 3-11. Esse controle é prejudicial aos equipamentos, pois a vazão
bombeada por cada bomba pode ser muito diferente. Esse controle de capacidade localizado
se deu por motivos de vibração alta, baixa eficiência e desconhecimento por parte da
operação. A solução indicada é a manutenção nas bombas com vibração alta e baixa eficiência
e treinamento sobre operação de bombas centrífugas em paralelo.
32
Figura 3-11 - Fluxograma da bomba B-2001A/B/C
3.6.3 Falhas x Condição Operacional - B-2155A/B/C
A bomba B-2155A/B/C apresentou um TMEF de 20,00 meses. A vazão operacional
média no período em que operaram com duas bombas em paralelo foi de 49,00% da vazão do
BEP.
A vazão bombeada pelas bombas B-2155A/B/C é medida por um único medidor de
vazão não garantindo assim que vazão total é dividida igualmente entre as duas bombas. Foi
constatado que no período do estudo ocorreu à situação de duas bombas operarem em
paralelo, mas com rotação diferente, isso ocorreu por desconhecimento da operação na
intenção de economizar vapor na turbina TB-B-2155B conforme figura 3-12. Essa situação de
duas bombas operando em paralelo com rotação diferente é prejudicial aos equipamentos,
pois a vazão bombeada por cada bomba pode ser muito diferente. A solução indicada é o
treinamento sobre a operação de bombas centrífugas em paralelo.
Em algumas situações se entendeu vazão nominal de 10.752 m³/dia como sendo a
vazão máxima permitida pela bomba, sendo assim nessas situações quando a vazão bombeada
se aproximava de 10.000 m³/dia com apenas uma bomba se colocava a segunda bomba para
operar em paralelo e dessa forma a vazão bombeada por cada bomba (estimada) se
aproximava dos 5.000 m³/dia. Com a operação de duas bombas em paralelo, uma delas com
rotação reduzida, a vazão bombeada pela bomba que operou com rotação reduzida pode se
aproximar da vazão mínima. A solução indicada para esse caso foi revisar as vazões máximas
33
e mínimas de todas as bombas e configurá-las como alarme nas telas do SDCD. A vazão
máxima da bomba em questão é 11.736 m³/dia.
Figura 3-12 – Fluxograma da bomba B-2155A/B/C
34
4 CONCLUSÃO
A pesquisa desenvolvida ao longo deste trabalho buscou relacionar falhas com condição
operacional, o que pode se confirmar no caso dos equipamentos de baixa confiabilidade.
Dentre os três equipamentos de baixa confiabilidade, a bomba B-2154A/B operou com vazão
abaixo da vazão mínima, já as bombas B-2001A/B/C e B-2155A/B/C operaram acima da
vazão mínima, mas abaixo do limite inferior de vazão aceitável, além de serem bombas que
operam em paralelo, sendo assim a vazão medida pode não ser dívida igualmente para as
duas bombas que estão operando em paralelo.
Conclui-se que deve se atentar para situações de bombas operando em paralelo, treinando
os operadores para garantir que as bombas operando em paralelo estejam nas mesmas
condições a fim da vazão total ser divida igualmente entre as duas bombas.
Excessiva flexibilidade operacional de bombas centrífugas caminha em sentindo oposto à
confiabilidade de bombas centrífugas, confirmado pelas bombas centrífugas de alta
confiabilidade, por serem bombas que operam próximo da vazão do ponto de melhor e
eficiência e bombas que operam normalmente sozinhas, sendo a vazão medida pelo
instrumento a real vazão bombeada, o que pode não acontecer no caso das bombas de baixa
confiabilidade que operam em paralelo.
4.1 Contribuições
Resumidamente, as principais contribuições gerais deste estudo são o aumento de
confiabilidade das bombas centrífugas de baixa confiabilidade.
Na bomba B-2154A/B foram indicadas duas soluções, a modernização do selo
mecânico que já foi implementado e a elaboração do projeto do inversor de freqüência para
controle de rotação que esta em andamento.
No caso das bombas B-2001A/B/C e B-2155A/B/C as soluções indicadas são simples,
sendo a principal o treinamento aos operadores sobre detalhes na operação de bombas
centrífugas em paralelo, que esta em elaboração.
4.2 Extensões
Este trabalho pode ser continuado estendendo a outras unidades da refinaria a fim de
identificar as bombas centrífugas de baixa confiabilidade, eliminar as falhas aumentando a
confiabilidade.
35
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<http://www4.prossiga.br/dep-fem-unicamp/petroleo/ind_petr.html>.
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2 / — Rio de Janeiro: Petrobras Brasília : SENAI/DN, 2003. 249 p. : il. — (Série
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<http://www.irrigationcraft.com/radial_thrust.htm>.Acesso em: 20.Mai.2008.
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