Apostila - petrobras - bombas, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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PROGRAMA DE ATUALIZAÇÃO

PARA MECÂNICOS DE

EQUIPAMENTOS DE PROCESSO

PROGRAMA DE ATUALIZAÇÃO

PARA MECÂNICOS DE

EQUIPAMENTOS DE PROCESSO

Manutenção e

Reparo de Bombas

Manutenção e

Reparo de Bombas

Manutenção e Reparo de Bombas

© 2006 Getúlio V. Drummond

Todos os direitos reservados

PROGRAMA DE ATUALIZAÇÃO PARA MECÂNICOS DE EQUIPAMENTOS DE PROCESSOS

Alinhamento de Máquinas

Compressores

Mancais e Rolamentos

Manutenção e Reparo de Bombas

Purgadores

Redutores Industriais

Selagem de Bombas

Turbinas a Vapor

Válvulas Industriais

PETROBRAS

Diretoria de Abastecimento

PETROBRAS

Petróleo Brasileiro S. A. Avenida Chile, 65 – 20º andar 20035-900 – Rio de Janeiro – RJ Tel.: (21) 3224- http://www.petrobras.com.br

A publicação desta série é uma edição da PETROBRAS

Pense e Anote

Pense e

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

FIGURA 149 – Bomba alternativa simplex, de duplo efeito, acionada a vapor 260 FIGURA 150 – Válvulas corrediças de distribuição de vapor 260 FIGURA 151 – Bombas de diafragma acionadas por pistão e por outro diafragma 262 FIGURA 152 – Vazão ao longo do tempo da bomba alternativa 263 FIGURA 153 – Vazão x P para bombas rotativas 264 FIGURA 154 – Bomba de engrenagens externas e internas 264 FIGURA 155 – Bomba de 3 fusos e de simples sucção 266 FIGURA 156 – Bomba de 2 fusos e de dupla sucção 266 FIGURA 157 – Bombas de palhetas 267 FIGURA 158 – Bomba de cavidades progressivas 268 FIGURA 159 – Bombas com 1, 2, 3 e 5 lóbulos 268 FIGURA 160 – Bomba peristáltica 269 FIGURA 161 – Esquema da variação de vazão da bomba alternativa de pistões axiais 269 FIGURA 162 – Bomba de pistão axial com ajuste da vazão 270 FIGURA 163 – Bombas de palheta externa, de pás flexíveis e de came com pistão 271 FIGURA 164 – Bomba auto-escorvante, submersa e tipo “vortex” 273

Pense e Anote

Pense e

Anote

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

• Rio de Janeiro
• Lista de figuras Sumário Sumário
• Lista de tabelas
• Apresentação
• Introdução
• dos líquidos e tabelas Unidades e suas conversões, propriedades
• Comprimento – l
• Massa – m
• Tempo – t
• Temperatura – T
• Área – A
• Volume – V
• Velocidade linear – v
• Velocidade angular – w
• Vazão volumétrica – Q
• Aceleração – a
• Força – F
• Trabalho ou energia – T
• Torque – Tq
• Potência – Pot
• Massa específica –
  
• Peso específico – 
• Densidade
• Pressão
• Viscosidade –  ou 
• Pressão de vapor
• Rendimento – 
• Equação da continuidade
• Teorema de Bernouille
• Tabela de tubos
• Letras gregas
• Prefixos
• Bombas P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O
• Recebimento da bomba
• Preservação
• Instalação e teste de partida
• Classificação de bombas
• Bomba dinâmica ou turbobomba
• Princípio de funcionamento da bomba centrífuga
• Aplicações típicas
• Partes componentes e suas funções
• Impelidores
• Carcaças
• Altura manométrica total (AMT), carga ou head
• Cavitação, NPSH disponível e NPSH requerido
• Recirculação interna
• Entrada de gases
• Curva do sistema e ponto de trabalho da bomba
• Curvas características de bombas centrífugas
• Curvas características para bombas de fluxos misto e axial
• da bomba centrífuga Influência do diâmetro do impelidor no desempenho
• da bomba centrífuga Influência da rotação N da bomba no desempenho
• Forças radiais e axiais no impelidor
• Bombas operando em paralelo
• Bombas operando em série
• Correção para líquidos viscosos
• Lubrificação
• Acoplamento
• Seleção de bombas
• Análise de problemas de bombas centrífugas
• Dados práticos
• Bombas de deslocamento positivo ou volumétricas
• Bombas alternativas
• Bombas rotativas
• Bombas centrífugas especiais
• Bomba auto-escorvante
• Bomba submersa
• Bomba tipo “vortex”
• Referências bibliográficas
• FIGURA 1 – Escala de temperaturas Celsius e Fahrenheit Lista de figurasLista de figuras
• FIGURA 2 – Áreas de figuras geométricas
• FIGURA 3 – Volume dos sólidos
• FIGURA 4 – Velocidade de deslocamento de um líquido
• FIGURA 5 – Velocidade angular
• FIGURA 6 – Vazão numa tubulação
• FIGURA 7 – Aceleração centrífuga
• FIGURA 8 – Força centrífuga
• FIGURA 9 – Trabalho realizado
• FIGURA 10 – Torque
• FIGURA 11 – Massa específica do cubo
• FIGURA 12 – Peso específico
• FIGURA 13 – Penetração do prego
• FIGURA 14 – Macaco hidráulico
• FIGURA 15 – Pressão atmosférica
• FIGURA 16 – Pressão absoluta e pressão relativa (manométrica)
• FIGURA 17 – Pressão exercida por uma coluna de líquido
• igual na base FIGURA 18 – Vasos com formatos e áreas de base diferentes e com pressão
• FIGURA 19 – Coluna de Hg
• FIGURA 20 – Tubo em U
• FIGURA 21 – Coluna máxima de água com vácuo
• FIGURA 22 – Diferenças de viscosidades
• FIGURA 23 – Pressão de vapor
• FIGURA 24 – Curva da pressão de vapor
• FIGURA 25 – Pressão de vapor em função da temperatura
• FIGURA 26 – Escoamento de um líquido numa tubulação
• FIGURA 27 – Teorema de Bernouille
• FIGURA 28 – Energia cedida pela bomba P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O
• FIGURA 29 – Grauteamento de uma base de bomba
• FIGURA 30 – Chumbador e luva
• do motor e longitudinal da bomba FIGURA 31 – Nivelamento transversal da base na área
• FIGURA 32 – Chanfro de 45º na base de concreto e no graute
• FIGURA 33 – Turbobomba com os três tipos de fluxo
• FIGURA 34 – Bomba regenerativa e seu impelidor
• FIGURA 35 – Tipos de bombas centrífugas segundo a norma API
• FIGURA 36 – Disco girando com gotas de líquido
• bomba centrífuga FIGURA 37 – Esquema de funcionamento de uma
• FIGURA 38 – Variação de pressão e velocidade
• FIGURA 39 – Variação da pressão e da velocidade no interior da bomba
• FIGURA 40 – Difusor
• FIGURA 41 – Corte de uma bomba centrífuga tipo em balanço – KSB
• FIGURA 42 – Partes do impelidor
• – Velocidade específica FIGURA 43 – Classificação do impelidor quanto ao projeto
• FIGURA 44 – Classificação dos impelidores quanto à inclinação das pás
• FIGURA 45 – Classificação dos impelidores quanto ao tipo de construção
• FIGURA 46 – Classificação dos impelidores quanto à sucção
• FIGURA 47 – Tipos de carcaças
• (tipo barril – BB5) FIGURA 48 – Bomba com carcaça partida axialmente (BB1) e verticalmente
• Com indutor de NPSH e de multissegmentos (BB4) FIGURA 49 – Bombas com carcaças partidas verticalmente (BB2) –
• FIGURA 50 – Curva característica de AMT x vazão
• FIGURA 51 – Levantamento da AMT
• FIGURA 52 – AMT igual a H, desprezando perdas
• FIGURA 53 – AMT de 80m fornecida pela bomba para a vazão de 90m 3 /h
• FIGURA 54 – Perda de AMT devido ao desgaste interno da bomba
• FIGURA 55 – Curva de pressão de vapor d´água
• FIGURA 56 – Curva de NPSH requerido pela bomba
• FIGURA 57 – Cálculo do NPSH disponível
• FIGURA 58 – Curva de NPSH disponibilizado pelo sistema
• FIGURA 58A – Bomba operando sem e com vaporização P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O
• dada vazão FIGURA 59 – Cavitação – NPSH disponível e NPSH requerido para uma
• FIGURA 60 – Curva de AMT x vazão de uma bomba cavitando
• FIGURA 61 – Determinação do NPSH requerido
• FIGURA 62 – Vazão máxima em função do NPSH
• FIGURA 63 – Implosão das bolhas de vapor com arrancamento do material
• FIGURA 64 – Impelidores com desgaste devido à cavitação
• FIGURA 65 – Teste de recirculação interna realizado numa bancada de teste
• FIGURA 66 – Recirculação interna na sucção
• FIGURA 67 – Variação da pressão de sucção e da descarga com recirculação
• FIGURA 68 – Vazão mínima do API 610 em função da vibração
• FIGURA 69 – Região de danos no impelidor
• FIGURA 69A – Determinação da vazão mínima de recirculação
• FIGURA 70 – Entrada de ar e formação de vórtices por baixa submergência
• FIGURA 71 – Curva do sistema
• FIGURA 72 – Ponto de trabalho
• FIGURA 73 – Recirculação da descarga para a sucção
• FIGURA 74 – Variação do ponto de trabalho por válvula de controle
• ou com a rotação FIGURA 75 – Variação da curva da bomba com o diâmetro do impelidor
• no flange de descarga FIGURA 76 – Modificação do ponto de trabalho por meio de orifício restrição
• FIGURA 77 – Variação de vazão ligando e desligando bombas
• FIGURA 78 – Controle de capacidade por cavitação
• FIGURA 79 – Curva típica de AMT x vazão de uma bomba centrífuga
• FIGURA 80 – Curva de rendimento de uma bomba centrífuga
• FIGURA 81 – Curva de potência de uma bomba centrífuga
• FIGURA 82 – Curva característica de NPSH requerido x vazão
• FIGURA 83 – Cálculo de NPSH disponível
• FIGURA 84 – Curvas características por tipo de bomba
• do impelidor FIGURA 85 – Variação do NPSH requerido em função do diâmetro
• FIGURA 86 – Novo ponto de trabalho com mudança de diâmetro
• FIGURA 87 – Pontos homólogos obtidos com a mudança de rotação
• FIGURA 88 – Curva de AMT x vazão
• FIGURA 89 – Curvas AMT x vazão para diversas rotações P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O
• FIGURA 90 – Esforço radial com voluta simples
• FIGURA 91 – Esforço radial com dupla voluta
• FIGURA 92 – Força axial no impelidor sem anel de desgaste
• em balanço FIGURA 93 – Esforço axial em um impelidor de simples sucção
• FIGURA 94 – Impelidor com pás traseiras
• FIGURA 95 – Impelidores em oposição cancelando o esforço axial
• FIGURA 96 – Equilíbrio axial com tambor de balanceamento
• FIGURA 97 – Balanceamento axial por meio de disco
• FIGURA 98 – Disco e tambor de balanceamento
• FIGURA 99 – Esquema de bombas em paralelo
• FIGURA 100 – Curva de operação em paralelo
• FIGURA 101 – Variação da vazão com diferentes curvas do sistema
• FIGURA 102 – Duas bombas com curvas diferentes operando em paralelo
• FIGURA 103 – Curva de AMT ascendente/descendente e curvas planas
• FIGURA 104 – Curva da bomba com orifício de restrição
• FIGURA 105 – Esquema de bombas em série
• FIGURA 106 – Bombas iguais operando em série
• FIGURA 107 – Bombas com curvas diferentes em série
• FIGURA 108 – Aumento de vazão com operação em série
• FIGURA 109 – Influência da viscosidade nas curvas das bombas
• FIGURA 110 – Carta de correção de viscosidade
• FIGURA 111 – Filme lubrificante separando duas superfícies
• FIGURA 112 – Posição do eixo no mancal de deslizamento
• FIGURA 113A – Lubrificação por nível normal e com anel pescador
• FIGURA 113B – Lubrificação com anel salpicador
• FIGURA 114 – Sistema de geração e de distribuição de névoa
• FIGURA 115 – Névoa pura para bombas API antigas e novas
• FIGURA 116 – Tipos de reclassificadores
• FIGURA 117 – Utilização do reclassificador direcional
• FIGURA 118 – Névoa de purga
• FIGURA 119 – Bombas canned e de acoplamento magnético
• FIGURA 120 – Vida relativa dos rolamentos versus teor de água no óleo
• FIGURA 121 – Vida do óleo em função da temperatura de trabalho
• FIGURA 122 – Tipos de acoplamentos
• TABELA 1 – Conversão de unidades de comprimento usuais em mecânica Lista de tabelas Lista de tabelas
• área de mecânica TABELA 2 – Conversão de unidades de massa mais usuais na
• TABELA 3 – Conversão de unidades de tempo
• TABELA 4 – Conversão de áreas
• TABELA 5 – Conversão de unidades de volume mais usadas em mecânica
• TABELA 6 – Conversão de velocidades
• TABELA 7 – Conversão de unidades de vazão
• TABELA 8 – Conversão de unidades de força
• TABELA 9 – Conversão de trabalho ou energia
• TABELA 10 – Conversão de unidades de torque
• TABELA 11 – Conversão de unidades de potência
• TABELA 12 – Relação entre massas específicas
• TABELA 13 – Pesos específicos
• TABELA 14 – Relação entre pesos específicos
• TABELA 15 – Conversão da unidade de pressão
• TABELA 16 – Conversão de viscosidades dinâmicas
• TABELA 17 – Conversão de viscosidades cinemáticas
• TABELA 18 – Dados sobre tubos
• TABELA 19 – Letras gregas
• TABELA 20 – Prefixos
• TABELA 21 – Torque a ser aplicado nos chumbadores
• TABELA 22 – Conversão de velocidade específica
• TABELA 23 – Volumes específicos da água e do vapor
• TABELA 24 – Pontos da curva de AMt x vazão
• TABELA 25 – Pontos de trabalho para diferentes rotações
• TABELA 26 – Dados do acoplamento

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

O O

ApresentaçãoApresentação

funcionamento adequado e com qualidade dos processos indus- triais depende fortemente dos equipamentos utilizados para: a movimen- tação dos fluidos; a geração de energia; o aumento ou a redução de velo- cidades; a limpeza de correntes líquidas ou gasosas; e outras funções de processo. É preciso, portanto, manter os equipamentos no nível e nas con- dições de funcionamento que garantam a continuidade dos processos. Esse é o dia-a-dia do profissional mecânico responsável por equipamentos de processo: mantê-los nas condições que atendam as necessidades de segu- rança e confiabilidade das unidades operacionais. Este curso tem por base os requisitos do PNQC (Programa Nacional de Qualificação e Certificação de Profissionais de Mecânica) e destina-se aos mecânicos das 14 Unidades de Negócio da Petrobras localizadas em nove estados do Brasil: AM, BA, CE, SE, PR, SP, MG, RJ e RS. Ele visa facilitar o compartilhamento dos conhecimentos adquiridos por esses profissionais ao longo de sua experiência nas diversas Unidades de Negócio da Petro- bras. A variação da complexidade do trabalho realizado, devido às carac- terísticas regionais e/ou nível tecnológico de cada Unidade, indica a ne- cessidade desse compartilhamento de forma que a heterogeneidade do grupo de profissionais na empresa seja reduzida. Com isso, teremos gan- hos na identificação das condições operacionais dos equipamentos, no di- agnóstico de causas e soluções de problemas, nas montagens e alinhamen- tos e no teste dos equipamentos. Assim, o curso de Atualização para Mecânicos de Equipamentos de Pro- cessos fornece o conhecimento teórico básico para a compreensão dos pro- blemas práticos enfrentados no dia-a-dia de uma unidade industrial, visan- do desenvolver nos participantes uma visão crítica e o auto-aprendizado.

Pense e Anote Pense e Anote

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

É É impossível imaginar uma refinaria de petróleo operando sem bom- bas, pois não há como transportar fluidos de e para as unidades de pro- cesso e entre seus equipamentos principais. Algumas instalações, favore- cidas por geografia peculiar, permitem o uso da energia da gravidade para realizar o escoamento. Mas, certamente, refluxos em colunas de destila- ção e outras aplicações são impraticáveis sem as bombas. Sem elas, a composição de bateladas torna-se uma operação comple- xa. No preparo de gasolinas, por exemplo, não há como homogeneizar com- pletamente a mistura das diversas naftas componentes durante o seu re- cebimento em tanques de armazenamento. A razão disso é que as cargas de energia hidráulica potencial (estática) não variam e, dessa forma, tor- nam obrigatória a circulação (dinâmica) de massa. Para transportar produtos para terminais a quilômetros de distância das refinarias, usam-se oleodutos. Além das distâncias, há por vezes que vencer montanhas para entregar derivados nas bases de provimento das distribuidoras. A energia usada para realizar essa tarefa vem das bombas de transferência, máquinas enormes que fornecem altas vazões e pressões. Para dosar o inibidor de corrosão no sistema de topo (linhas, conden- sadores, válvulas de controle e segurança) de uma coluna de destilação atmosférica, bombas dosadoras são fundamentais. Elas provêm a energia para elevar o fluido até o ponto de aplicação. Pela própria natureza da tarefa, o controle de vazão é fundamental e, praticamente, quem o faz já é a pró- pria bomba, máquina de pequeníssimo porte com baixíssima vazão e (a pressão da descarga pode ser alta) pressão. Enfim, para todos esses e outros serviços, usam-se intensa e extensiva- mente as bombas. Para que elas estejam disponíveis, existem os mecâni- cos de manutenção. A atividade de mecânica faz parte de uma atividade mais ampla e roti- neira das unidades industriais: a manutenção. Até há bem pouco tempo, o conceito predominante era de que a missão da manutenção consistia em restabelecer as condições normais dos equipamentos/sistemas, corri- gindo seus defeitos ou falhas. Hoje, a missão da manutenção é apresen- tada dentro de uma idéia mais ampla:

Introdução

Pense e Anote

Introdução

Pense e Anote

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

s líquidos, assim como os gases e os sólidos, possuem diversas pro- priedades que os caracterizam. Faremos a seguir uma rápida recordação de algumas de suas propriedades e de grandezas físicas necessárias para que se possa compreender mais facilmente o funcionamento das bombas. Devido à existência de muitos equipamentos de origem americana e inglesa no sistema Petrobras, nos itens a seguir, quando tratarmos de con- versão de unidades, incluiremos também as principais unidades usadas naqueles países.

Comprimento O metro com seus múltiplos e submúltiplos é a principal unidade utiliza- da na medição de comprimento.

Em mecânica, usamos muito o milímetro (mm) , que é a milésima par-

te do metro, o centésimo de milímetro (0,01mm) e o mícron (
m) , que é a milionésima parte do milímetro.

OO

Unidades e suas

conversões, propriedades

dos líquidos e tabelas

Unidades e suas

conversões, propriedades

dos líquidos e tabelas^ Pense e AnotePense e Anote

l

O plural de mícron é mícrones e mícrons, portanto, dizemos: 1 mícron, 2 mícrons, 3 mícrons, etc.

No sistema inglês, as principais unidades

usadas são: pés (ft) ; polegada (in) ; e (mils)

milésimos de polegadas.

l

P E T R O B R A S A B A S T E C I M E N T O

Pense e Anote

Pense e

Anote

TABELA 1

m 1 0, 0, 1 x 10- 0, 0, 2,54 x 10 -^5

1m 1mm 0,01mm

1
m

1ft 1in 1mil

mm

1 0, 0, 304, 25, 0,

0.01mm

100 1 0,

2,

m

1.000.

10 1

25,

ft 3, 0, 3,28 x 10 - 3,28 x 10 - 1 0, 8,33x 10-

in 39, 0, 0, 0, 12 1 0,

mils

39, 0, 0,

1

1mi = 1760yd = 1,609km = 1.609m

1yd = 3ft = 0,9144m

PROBLEMA 1

Logo 2ft = 2 x 0,3048 = 0,6096m

1ft = 0,3048m

PROBLEMA 2

Da Tabela 1 1mil = 2,54 centésimos de mm

= = = = = = =

5mils = 2,54 x 5 = 12,7 centésimos de mm

CONVERSÃO DE UNIDADES DE COMPRIMENTO USUAIS EM MECÂNICA

A conversão entre as unidades mais usadas pode ser realizada confor- me a Tabela 1:

Ainda no sistema inglês, temos a jarda (yd) e a milha (mi) , as quais

são pouco usadas em mecânica, que correspondem a:

Quantos metros equivalem a 2 pés?

Entrando na Tabela 1 na linha correspondente a 1ft e indo até a coluna de

metros (m) , achamos 0,3048. Portanto:

A folga de catálogo de um mancal de deslizamento é de 5mils. De quanto seria esta folga em centésimos de milímetro?