Curso de Engenharia Mecânica ESTUDO DE CONFIABILIDADE EM BOMBAS CENTRÍFUGAS

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1 Curso de Engenharia Mecânica ESTUDO DE CONFIABILIDADE EM BOMBAS CENTRÍFUGAS Marcos Martins Rezende de Gouvea Campinas São Paulo Brasil Dezembro de 2008

2 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

3 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.

4 iv. O pessimista vê dificuldade em cada oportunidade: O otimista, a oportunidade em cada dificuldade. (Autor desconhecido)

5 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.

6 vi Sumário Lista de Siglas...viii Lista de Figuras... x Lista de Tabelas...xi Resumo...xii 1 Introdução Objetivo Justificativa REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Confiabilidade Vantagens da aplicação de técnicas de confiabilidade Fatores básicos de falhas Parâmetros básicos da confiabilidade Confiabilidade Falha na confiabilidade Taxa de Falhas Tempo Médio Entre Falhas (TMEF) Bombas Bombas Centrífugas Funcionamento das Bombas Centrífugas Curvas de carga (H) x vazão (Q) Curvas potência absorvida (Pot abs) x Vazão (Q) Curvas rendimento total (η) x Vazão (Q) Curvas NPSH req (NPSH req) x Vazão (Q) Fatores que alteram as curvas características Variação do diâmetro do rotor Variação da rotação do rotor Variação nas propriedades dos fluidos Apresentação das curvas características Curva do sistema Fatores que alteram a curva do sistema Determinação do ponto de trabalho Ponto de melhor eficiência (BEP - Best Efficiency Point) Seleção de bombas centrífugas Operação de bombas centrífugas Bombas centrífugas operando em série Bombas centrífugas operando em paralelo Problemas relacionados a bombas centrífugas Problemas relacionados à vazão acima do BEP... 17

7 vii Problemas relacionados à vazão abaixo do BEP METODOLOGIA EXPERIMENTAL Histórico de Falhas Classificação das bombas centrífugas Dados de projeto Dados Operacionais Comparativo entre dados de projeto/operacionais Relação entre falhas e condição operacional Falhas x Condição Operacional - B-2154A/B Falhas x Condição Operacional - B-2001A/B/C Falhas x Condição Operacional - B-2155A/B/C Conclusão Contribuições Extensões Referências Bibliográficas... 35

8 viii Lista de Siglas λ γ ρ AMT BEP D Ft H Kgf Lbf MTBF M N Neq η ηh ηv ηm NPSHa ou NPSHd NPSHr P Pot u Pot abs Pv Pm Ph Q Rpm Taxa de falhas (Numero de intervenções) Peso especifico Massa especifica Altura Manométrica Total Best Efficiency Point Ponto de Melhor Eficiência Diâmetro Foot - Pé Head Altura de Coluna de Liquido Kilograma forca Libra força Mean Time Between Failures Metro Rotação Numero de Equipamentos Rendimento Rendimento Hidráulico Rendimento Volumétrico Rendimento Mecânico Net Positive Suction Head Available Altura Liquida Positiva de Sucção Disponível Net Positive Suction Head Required Altura Liquida Positiva de Sucção Requerida Período Potencia Útil Potencia Absorvida Perdas Volumétricas Perdas Mecânicas Perdas Hidráulicas Vazão Rotações por minuto

9 ix SDCD TMEF Sistema Digital de Controle Distribuído Tempo médio entre falhas

10 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 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 FIGURA 3-2 GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2001A/B/C FIGURA 3-3 GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2155A/B/C FIGURA 3-4 GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2014A/B FIGURA 3-5 GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2053A/B FIGURA 3-6 GRÁFICO DE VAZÃO DAS BOMBAS B-2060A/B FIGURA 3-7 ECONOMIA ENERGÉTICA COM INVERSOR DE FREQÜÊNCIA FIGURA 3-8 FLUXOGRAMA ATUAL DA BOMBA B-2154A/B...30 FIGURA 3-9 FLUXOGRAMA PROPOSTO PARA A BOMBA B-2154A/B FIGURA 3-10 PLANO DE SELAGEM AUXILIAR PARA LIMPEZA (PLANO 62). [8]...31 FIGURA FLUXOGRAMA DA BOMBA B-2001A/B/C...32 FIGURA 3-12 FLUXOGRAMA DA BOMBA B-2155A/B/C...33

11 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 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

12 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.

13 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.

14 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.

15 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] 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] 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]

16 Parâmetros básicos da confiabilidade 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] 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] 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 Tempo 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] Neq P TMEF = λ onde: Neq Numero de Equipamentos P Período λ Numero de Falhas / Intervenções Equação 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

17 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] 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 Funcionamento 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

18 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] 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 lbf = ft 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]

19 7 Figura 2-2 Curva carga (H) x vazão (Q). [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. Pot u = ρ. Q. H 1 ρ = massa _ especifica Pot u = γ. Q. H2 γ = peso _ especifico energia H 1 = massa energia H 2 = peso Equação 2-3 Equação 2-4 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 Pot u + P h + P v + P m = Equação 2-5

20 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) 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 = Equação 2-6 ηh ηv ηm 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. Pot = u Pot abs η Equação 2-7 Figura 2-4 Curva rendimento (η) x vazão (Q).

21 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 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) 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. 2 Q 2 D2 H = 2 D2 = Q1 D 1 H1 D 1 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 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

22 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. 2 Q 2 N2 H = 2 N2 = Q1 N 1 H1 N 1 Pot2 Pot1 N = 3 2 Equação 2-9 N 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 Pot u = 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 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]

23 11 Figura 2-5 Curvas características. [3] 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.

24 12 H H 6 H 5 H 4 H 3 H 2 H 1 h f2 h f3 h f4 h f5 h f6 H estático H dinâmico Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q Curva do sistema Figura 2-6 Curva do sistema. [8] 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 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]

25 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] 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

26 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 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]

27 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 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 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]

28 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 Q paralelo = 2.Q 1 H 1 Q 1 Q sozinha Q paralelo 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.

29 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 Problemas relacionados à vazão acima do BEP 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

30 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 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 Figura 2-14 Ilustração dos esforços radiais em bombas centrífugas de simples voluta. [7]

31 Problemas relacionados à vazão abaixo do BEP 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 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 Figura 2-15 Ilustração da recirculação no rotor. [4]

32 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. Período: 01/07/2003 a 30/06/2008 Tag Posto B-2154A/B B-2001A/B/C TMEF Posto (meses) 10,00 12,86 Tag TMEF (meses). B-2154A 6,67 B-2154B 20,00 B-2001A 8,57 Tag Término Sintoma B-2154A 16/01/2004 Vazamento - óleo B-2154A 05/05/2006 Vibração alta B-2154A 17/05/2006 Vibração alta B-2154A 19/05/2006 Vazamento - selagem B-2154A 25/08/2006 Vibração alta B-2154A 05/04/2007 Vazamento - selagem B-2154A 26/04/2007 Vazamento - selagem B-2154A 04/04/2008 Vazamento - selagem B-2154A 14/05/2008 Vazamento - selagem B-2154B 26/08/2004 Ruído anormal B-2154B 14/03/2006 Vibração alta B-2154B 22/09/2006 Vibração alta B-2001A 23/01/2004 Vazamento - selagem B-2001A 20/02/2004 Vazamento - selagem B-2001A 26/01/2005 Vazamento - selagem B-2001A 10/02/2006 Vazamento - selagem B-2001A 18/05/2006 Vazamento - selagem B-2001A Baixo 12/05/2007 rendimento/vazão Baixo B-2001A 25/05/2007 rendimento/vazão B-2001B 20,00 B-2001B B-2001B B-2001B 19/08/2005 Vazamento - selagem 06/07/2006 Vazamento - selagem 12/03/2007 Vazamento selagem

33 21 B-2155A/B/C B-2001C 24/07/2005 Vazamento - selagem B-2001C 15,00 B-2001C 17/05/2006 Vazamento - selagem B-2001C 12/10/2006 Vazamento - selagem B-2001C 14/12/2006 Vazamento - selagem B-2155A 27/08/2003 Engripamento B-2155A 12,00 B-2155A 21/01/2004 Engripamento B-2155A 06/01/2006 Vazamento - selagem B-2155A 09/09/2006 Vazamento - selagem 20,00 B-2155B 30/09/2003 Engripamento B-2155B 15,00 B-2155B 24/08/2004 Outros sintomas B-2155B 17/07/2007 Vazamento - selagem B-2155C 30,00 B-2155C 29/01/2007 Vazamento - selagem B-2155C 18/06/2008 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 Ultima Falha Sintoma B-2014A/B B-2014A 22/5/ B-2014B 5/2/2001 Vibração Alta B-2053A/B B-2053A 3/6/2003 Vazamento Selagem B-2053B 5/6/2002 Vazamento Selagem B-2060A/B B-2060A - - B-2060B 30/8/2002 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 T.M.E.F (meses) Ultima Falha B-2154A/B 10,00 14/5/2008 B-2001A/B/C 12,86 25/5/2007 B-2155A/B/C 20,00 18/6/2008 Tabela 3 Bombas de baixa confiabilidade TAG T.M.E.F (meses) Ultima Falha B-2014A/B > 60,00 22/5/2002 B-2053A/B > 60,00 3/6/2003 B-2060A/B > 60,00 30/8/2002 Tabela 4 Bombas de alta confiabilidade

34 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. Acion.(cv) Vazão Projeto (m³/dia) Head Proj. (m) Rend. BEP. (%) Vazão Máxima (m³/dia) Vazão Mínima (m³/dia) Rend. BEP TAG Proj.(%) (m³/dia) rpm B-2154A/B ,0% 62,0% B-2001A/B/C ,0% 71,2% B-2155A/B/C ,5% 66,0% BOMBAS DE ALTA CONFIABILIDADE Pot. Acion. (cv) Vazão Projeto (m³/dia) Head Proj. (m) Rend. Proj. (%) Rend. BEP. (%) Vazão Máxima (m³/dia) Vazão Mínima (m³/dia) BEP TAG (m³/dia) rpm B-2014A/B ,0% 60,0% B-2053A/B ,0% 79,0% B-2060A/B ,5 78,0% 79,0% 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 INSTRUMENTOS TagPosto Vazão Acionador A Acionador B Acionador C B-2014A/B FIC20044 II20015 II20016 NÃO EXISTE B-2053A/B FIC20543 B2053A B2053B NÃO EXISTE B-2060A/B FIC20509 FIC20684 S/ INST. S/ INST. NÃO EXISTE FIC20685 BOMBAS DE BAIXA CONFIABILIDADE INSTRUMENTOS TagPosto Vazão Acionador A Acionador B Acionador C B-2154A/B FIC21511 S/ INST. S/ INST. NÃO EXISTE B-2001A/B/C FIC20156 FIC20157 II20001 II20002 S/ INST. B-2155A/B/C FI21533 B2155A SIC21501 SIC21501 Tabela 6 Instrumentos das bombas centrífugas.

35 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 DATA 30/8/ /10/ /12/ /2/ /4/ /6/ /8/ /10/ /12/2004 1/3/2005 1/5/2005 1/7/ /8/ /10/ /12/2005 2/3/2006 2/5/2006 2/7/2006 1/9/2006 1/11/2006 1/1/2007 3/3/2007 3/5/2007 3/7/2007 2/9/2007 2/11/2007 2/1/2008 3/3/2008 3/5/2008 VAZÃO m3/d B-2154A/B Vazão Total B-2154A/B Vazão Mínima B-2154A/B BEP B-2154A/B 70% BEP B-2154A/B 120% BEP 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 B- 2154A/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.

36 24 B-2001A/B/C /7/2003 1/10/2003 1/1/2004 1/4/2004 1/7/2004 1/10/2004 1/1/2005 1/4/2005 1/7/2005 1/10/2005 1/1/2006 1/4/2006 1/7/2006 1/10/2006 1/1/2007 1/4/2007 1/7/2007 1/10/2007 1/1/2008 1/4/2008 1/7/2008 VAZÃO m3/d 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 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 B- 2001A/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 m³/dia, que é 78,6% da vazão de projeto e 54,1% da vazão do BEP.

37 25 B-2155A/B/C /7/2003 1/10/2003 1/1/2004 1/4/2004 1/7/2004 1/10/2004 1/1/2005 1/4/2005 1/7/2005 1/10/2005 1/1/2006 1/4/2006 1/7/2006 1/10/2006 1/1/2007 1/4/2007 1/7/2007 1/10/2007 1/1/2008 1/4/2008 1/7/2008 VAZÃO m3/d B-2155A/B/C VAZÃO B-2155A/B/C Vazão Mínima B-2155A/B/C BEP B-2155A/B/C 70% BEP B-2155A/B/C 120% BEP 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 B- 2155A/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 m³/dia, que é 65,2% da vazão de projeto e 49,0% da vazão do BEP.

38 26 B-2014A/B /7/2003 1/10/2003 1/1/2004 1/4/2004 1/7/2004 1/10/2004 1/1/2005 1/4/2005 1/7/2005 1/10/2005 1/1/2006 1/4/2006 1/7/2006 1/10/2006 1/1/2007 1/4/2007 1/7/2007 1/10/2007 1/1/2008 1/4/2008 1/7/2008 VAZÃO m3/d B-2014A/B Vazão Total B-2014A/B Vazão Mínima B-2014A/B BEP B-2014A/B 70% BEP B-2014A/B 80% BEP B-2014A/B 110% BEP B-2014A/B 120% BEP 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 B- 2014A/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.

39 27 B-2053A/B /7/2003 1/10/2003 1/1/2004 1/4/2004 1/7/2004 1/10/2004 1/1/2005 1/4/2005 1/7/2005 1/10/2005 1/1/2006 1/4/2006 1/7/2006 1/10/2006 1/1/2007 1/4/2007 1/7/2007 1/10/2007 1/1/2008 1/4/2008 1/7/2008 VAZÃO m3/d B-2053A/B Vazão Total B-2053A/B Vazão Mínima B-2053A/B BEP B-2053A/B 70% BEP B-2053A/B 120% BEP 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 B- 2053A/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.

40 28 B-2060A/B /7/2003 1/10/2003 1/1/2004 1/4/2004 1/7/2004 1/10/2004 1/1/2005 1/4/2005 1/7/2005 1/10/2005 1/1/2006 1/4/2006 1/7/2006 1/10/2006 1/1/2007 1/4/2007 1/7/2007 1/10/2007 1/1/2008 1/4/2008 1/7/2008 VAZÃO m3/d B-2060A/B Vazão Total B-2060A/B Vazão Mínima B-2060A/B BEP B-2060A/B 70% BEP B-2060A/B 120% BEP 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 B- 2060A/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 m³/dia, que é 78,3% da vazão de projeto e 67,6% da vazão do BEP.

41 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 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.

42 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.

43 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 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 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.