Compreender as complexidades da cavitação em equipamentos de processo é um desafio, assim como identificar o problema uma vez que ele tenha ocorrido. Um engenheiro certificado explica o processo de cavitação e as abordagens comuns para gerenciar seus efeitos.
Quando o equipamento de processo é fabricado, ele é invariavelmente projetado para oferecer a máxima vida útil para sua construção específica. (Para obter mais informações sobre a importância do projeto, consulte Considerações sobre controle de corrosão no processo de projeto de equipamentos.) Um material de partida comum usado para muitos tipos de equipamentos de processo é o aço carbono ou fundido, que tem uma vida de corrosão previsível para um determinado meio e temperatura.
Quando meios abrasivos pesados são previstos, as ligas que oferecerão o melhor compromisso entre vida útil, custo e operação são normalmente selecionadas.
No entanto, apenas uma pequena mudança na geometria é necessária para que a cavitação se manifeste em fluidos relativamente benignos, como água de resfriamento e água do mar. Além disso, erros do operador, como pressões operacionais inferiores às projetadas ou líquidos com temperaturas de ebulição inferiores às projetadas para o equipamento, podem agravar o problema.
Um dos maiores desafios é que, externamente e durante a operação, a cavitação não é facilmente identificável além de um aumento na vibração e no ruído. Geralmente, é durante paradas, interrupções não planejadas ou avarias que o operador pode perceber qualquer sintoma.
Quando uma liga ativa como o aço é usada, os problemas de corrosão por erosão aceleram a deterioração do ativo. Portanto, o projeto de qualquer sistema de revestimento protetor deve abordar todas as forças potenciais que possam estar em ação.
Entendendo a cavitação
A cavitação é uma ciência complexa, mas muitas vezes excessivamente complicada em sua explicação e diagnóstico. Dentro de certos equipamentos, a criação de áreas localizadas de baixa pressão é muitas vezes necessária como parte de sua função. Por exemplo, a hélice de um navio funciona de acordo com o princípio de Bernoulli e é melhor compreendida pela forma como um avião permanece no ar. À medida que o ar (na fase de vapor) passa sobre a asa, cria um lado de alta pressão sob a asa e um lado de baixa pressão acima da asa, forçando-a a levantar.
A hélice de um navio funciona de forma idêntica: sua rotação na água cria um lado de alta pressão na parte de trás da pá e um lado de baixa pressão na frente da pá, que impulsiona o navio para frente.2
Se a área de baixa pressão atingir a temperatura do vapor, o vapor será gerado na parte frontal da lâmina e essas bolhas de vapor serão transportadas no fluxo para longe de sua área inicial.
À medida que as bolhas de vapor se movem de uma área de baixa pressão para uma de alta pressão, as bolhas colapsam sobre si mesmas e retornam ao estado líquido. Quando isso acontece dentro do corpo do líquido, ou seja, uniformemente cercado, ainda há ondas de choque significativas, mas o colapso é uniforme.
No entanto, quando as bolhas entram na região de alta pressão perto de uma superfície, o colapso é desigual porque há alta pressão em todos os lados da bolha, exceto onde a bolha está em contato com a superfície.
Figura 1: O processo de cavitação.
O dano por cavitação ocorre como resultado de uma diferença de pressão extrema no fluido perto da superfície do substrato. Para identificar a cavitação, devemos procurar um "respingo" da superfície e da geometria, o que poderia causar uma variação de pressão ao longo do fluxo do fluido.
Portanto, a cavitação no equipamento de fluxo de fluido não será encontrada em condições de água parada, o que poderia contribuir para corrosão por picadas, depósitos ou fendas.
Outra pista para danos de cavitação é encontrada procurando geometria que pode criar áreas de baixa pressão e erosão ligeiramente a jusante disso.
Abordagens para resistir à cavitação
Como vimos, as forças envolvidas nos danos por cavitação são extremas e podem resultar em danos, vibração, ruído e perda de desempenho. O primeiro esforço de qualquer operador ou projetista deve ser tentar operar ou eliminar o efeito de cavitação. No entanto, isso nem sempre é possível por vários motivos, como função e custo, portanto, o operador deve considerar a seleção de materiais.
Existem dois métodos materiais comuns empregados para combater os efeitos da cavitação:
- ligas duras
- sistemas dúcteis e elásticos
Ambos os métodos têm vantagens e limitações. As ligas duras oferecem boa resistência à erosão de sólidos arrastados, razão pela qual são comumente encontradas em turbinas Pelton, por exemplo. A sobreposição de solda é uma consideração e não é incomum ver carboneto usado para soldar danos de cavitação. No entanto, a introdução de diferentes ligas metálicas no sistema faz com que as forças galvânicas entrem em ação, causando problemas adicionais. (Consulte 5 maneiras de evitar a corrosão galvânica para obter mais informações.)
Os sistemas flexíveis, no entanto, visam contornar o problema, e os revestimentos protetores são comumente usados nesse sentido. A seleção do revestimento é importante porque todas as forças acima (corrosivas e erosivas) ainda estão presentes, assim como o potencial de dano por impacto durante a instalação ou serviço.
Seleção de revestimento para risco de cavitação
Para condições submersas, os revestimentos se enquadram em diferentes categorias e analisaremos quatro das opções de revestimento mais populares, incluindo atualmente:
- Sistemas de revestimento de flocos de vidro
- Sistemas Epóxi Livres de Solventes Modificados
- Revestimentos de epóxi modificados por solvente
- Revestimentos de poliuretano termoendurecíveis
1. Sistemas de revestimento de flocos de vidro
Os revestimentos de flocos de vidro usam um aglutinante, geralmente poliéster ou éster vinílico, que é reforçado com flocos de vidro. Aglutinantes de alta qualidade podem fornecer boa resistência química, mas isso geralmente não é um problema em condições amenas e, portanto, resinas mais baratas são frequentemente usadas. Essas resinas têm boa rigidez dielétrica para isolamento e podem ser pulverizadas, reduzindo os custos de mão de obra em grandes áreas.
O vinil e os poliésteres são, por natureza, resinas bastante flexíveis; no entanto, o uso de vidro como enchimento resulta em um sistema grosseiro (0,04–0,12'' / 1–3 mm), que é frágil com adesão, impacto, cavitação e resistência à erosão superiores. Um equívoco comum é que os sistemas de flocos de vidro oferecem boa proteção contra impacto (e, portanto, cavitação), mas na realidade oferecem proteção limitada. Além disso, a presença de monômeros de estireno e compostos orgânicos voláteis (VOCs) também pode causar problemas para os aplicadores se não forem devidamente protegidos.
2. Sistemas epóxi sem solventes modificados
Os sistemas de resina epóxi sem solvente estão entre o grupo de resinas mais modificáveis. Apresentam uma adesão muito boa a todos os metais, até 230 kg/cm2 para superfícies jateadas. O uso de ligantes e cargas corretos resulta em sistemas capazes de alta resistência à compressão e boa resistência à corrosão por erosão, mantendo alta rigidez dielétrica e baixa difusão de umidade. Esses atributos os tornam populares para proteção contra corrosão galvânica.
Eles são isentos de solventes e, portanto, não apresentam os riscos à saúde e segurança associados às tintas convencionais e flocos de vidro, mas nem todos os sistemas podem ser pulverizados. Isso se aplica especialmente às resinas epóxi projetadas com alta resistência à erosão por fluência, pois os enchimentos tendem a causar desgaste severo nas unidades de pulverização.
Os epóxis também podem ser modificados para oferecer diferentes níveis de elasticidade e, portanto, resistência à cavitação, mas ainda perdem apenas para a tecnologia de poliuretano em resiliência. Esses sistemas híbridos de epóxi, usando borracha ou uretano como flexificador, demonstraram comprometer a resistência à difusão e, portanto, a adesão por imersão a longo prazo.
3. Revestimentos de epóxi modificados com solvente
Esses epóxis têm propriedades semelhantes à versão sem solvente; no entanto, eles são comprometidos pela adição de solventes para facilitar a aplicação. O uso de solventes no processo de aplicação do revestimento resulta em encolhimento e tensão do revestimento (não ideal em ambientes de cavitação), bem como outros perigos, como o aprisionamento do solvente e a formação de capilares durante a evaporação, o que novamente enfraquece o sistema.
4. Revestimentos de poliuretano termoendurecíveis
O design dos revestimentos de poliuretano termoendurecíveis permite que esses revestimentos sejam tão rígidos ou flexíveis quanto necessário, oferecendo boa cura em baixa temperatura e resistência à cavitação e erosão por impacto. A desvantagem deles tende a ser na imersão a longo prazo, pois alguns podem ser sensíveis à umidade (em geral, absorvem água com mais facilidade do que outros revestimentos). Eles são aplicados em uma espessura maior para ajudar a evitar isso, e houve desenvolvimentos recentes na resistência à difusão para fornecer sistemas que superam esse déficit. (Para obter os resultados dos testes de laboratório e de campo em um revestimento resistente à cavitação, consulte Desenvolvimento de 30 anos de um elastômero resistente à cavitação.)