Bomba centrífuga: cavitação e desalinhamento no sinal de vibração

Bomba centrífuga com motor acoplado é o conjunto mais comum da indústria e um dos que mais confundem na análise de vibração, porque os problemas do motor, do acoplamento, da bomba e do próprio líquido se misturam no mesmo sinal. Este artigo separa as assinaturas: o que a cavitação faz no espectro, como distinguir desalinhamento de desbalanceamento, onde a folga aparece, e onde medir num conjunto motor-bomba para que o dado sirva.

É leitura para o técnico que vai instalar sensores em bombas e para o gerente que quer entender por que a bomba "faz barulho de pedra" e o que isso custa.

Onde medir num conjunto motor-bomba

Um conjunto horizontal tem quatro mancais: motor lado oposto ao acoplamento, motor lado do acoplamento, bomba lado do acoplamento e bomba lado oposto (ou o mancal de escora, se houver). A ISO 20816-3 pede medição na caixa de mancal, em duas direções radiais (vertical e horizontal) e na axial quando há mancal de escora ou suspeita de desalinhamento. Um sensor triaxial em cada mancal cobre tudo; o mínimo aceitável são os dois mancais próximos ao acoplamento, um de cada lado, porque é ali que desalinhamento e problema de acoplamento aparecem primeiro.

Duas observações de norma:

• Bomba com rotor montado no eixo do motor (monobloco) não é avaliada pela ISO 20816-3, e sim pela ISO 10816-7, específica para bombas rotodinâmicas.
• Bomba vertical costuma ter base flexível, e a norma manda usar o ponto de maior leitura como um dos pontos de avaliação.

Anote junto de cada medição a vazão e a pressão de operação. Bomba fora do ponto de projeto vibra mais, e a comparação entre leituras só vale em condições parecidas.

Desbalanceamento: 1x, radial

Rotor com incrustação, erosão desigual ou pá quebrada gera uma força que gira com o eixo. No espectro é um pico dominante em 1x rotação, na direção radial, com pouca vibração axial. A força cresce com o quadrado da velocidade, e a amplitude é parecida na horizontal e na vertical, ajustada pela rigidez da base em cada direção. Rotor que perdeu material (erosão) ou ganhou (incrustação) aparece aqui, e pede abrir a bomba.

Desalinhamento: 2x, e axial

Desalinhamento entre motor e bomba é a causa mais frequente de vibração em conjunto acoplado, e a mais barata de corrigir. A assinatura:

• Paralelo (offset): pico em 2x rotação alto na direção radial, muitas vezes maior que o 1x, com 3x presente. As medições radiais dos dois lados do acoplamento ficam em oposição de fase (180°).
• Angular: vibração axial forte, com 1x dominante e 2x e 3x presentes. Axial alto, comparável ou maior que o radial, é o sinal mais seguro.

Na prática os dois vêm juntos. A regra de bolso: 2x radial alto e axial alto, dos dois lados do acoplamento, é desalinhamento até se provar o contrário. Confirme com alinhamento a laser e refaça a medição: o 2x cai na hora. Desalinhamento não corrigido carrega rolamentos, selo e acoplamento, e o que se paga depois é rolamento e selo.

Folga mecânica: harmônicos e meia rotação

Base solta, chumbador frouxo, pé manco, folga excessiva no mancal: a folga deixa a máquina "bater" a cada volta, e o espectro mostra uma série de harmônicos de 1x (2x, 3x, 4x, até 10x), às vezes com componentes em 0,5x e múltiplos de meia rotação. Amplitude que muda muito entre horizontal e vertical na mesma posição também aponta folga. Folga é a primeira coisa a eliminar, porque amplifica todo o resto.

Frequência de passagem de pás

Toda bomba centrífuga tem um pico em número de pás × rotação, a frequência de passagem de pás (VPF). Um rotor de 6 pás a 1.750 rpm gera VPF em 175 Hz. Ele é normal. Vira problema quando a amplitude cresce: folga entre rotor e voluta fora do especificado, rotor excêntrico, operação longe do ponto de melhor eficiência ou obstrução parcial. Compare com a linha de base; o valor absoluto diz pouco.

Cavitação: ruído de banda larga

Cavitação é a formação e o colapso de bolhas de vapor no rotor quando a pressão na sucção cai abaixo da pressão de vapor do líquido. Cada colapso é um pequeno impacto, milhares por segundo, em pontos aleatórios. Por isso a assinatura não é um pico, é um aumento do piso de ruído em banda larga, em frequências altas, sem relação com a rotação. Na literatura de campo, o ruído de cavitação aparece tipicamente entre 5 kHz e 11 kHz (300 mil a 650 mil cpm), acima da banda onde ficam os defeitos mecânicos. No tempo, a forma de onda mostra picos de alta frequência irregulares; a bomba "soa como se bombeasse pedra".

O que a diferencia dos outros defeitos: some quando a condição de sucção melhora. Abra a válvula de sucção, baixe a temperatura do líquido, reduza a vazão, e o piso de ruído cai. Desalinhamento e desbalanceamento não fazem isso.

Cavitação não é defeito mecânico: é condição de operação. A correção está na sucção (NPSH disponível menor que o requerido, filtro entupido, nível baixo, linha longa), não na troca de peça. Mas ela destrói o rotor por erosão e sobrecarrega os mancais, e por isso o monitoramento a trata como alerta.

O sensor certo para bomba

A banda da norma (10 Hz a 1 kHz) resolve desbalanceamento, desalinhamento, folga e passagem de pás. Cavitação e rolamento em início de falha pedem resposta em alta frequência e fixação rígida (rosca ou epóxi, não ímã sobre tinta). Se a bomba tem histórico de cavitação, escolha o sensor pela frequência máxima, não pelo preço; confirme na proposta a faixa útil com a fixação escolhida.

Na nossa plataforma, o RMS por eixo e a temperatura de cada mancal alimentam a tendência e o alerta por mudança de nível (e-mail e WhatsApp), e o espectro FFT sob demanda é onde o engenheiro confirma se o 2x, o 1x, os harmônicos ou o piso de ruído são o problema.

O que fazer agora

1. Instale sensores nos dois mancais junto ao acoplamento, no mínimo; nos quatro, se a bomba é crítica.
2. Registre a linha de base com a bomba no ponto de operação normal, anotando vazão e pressão.
3. Se a tendência subir: espectro. 2x e axial, alinhe. 1x radial, balanceie ou abra o rotor. Harmônicos, aperte a base. Piso de ruído alto, olhe a sucção.
4. Refaça a medição depois de cada correção e guarde como nova linha de base.

Se quiser saber o que a sua planta precisa, fale com um engenheiro nosso.

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Fontes: ISO 20816-3:2022 (itens 4.2 e 5.3 e escopo) e ISO 10816-7:2009 para bombas rotodinâmicas; Mobius Institute, dicionário de análise de vibração (desalinhamento, desbalanceamento, folga); CBM Connect, Warning Signs of Pump Cavitation; Power-MI, Misalignment.