Bombas horizontais para lamas: guia de engenharia para seleção, vida de desgaste e custo total de propriedade

Uma bomba horizontal para lamas é uma bomba centrífuga fabricada com corpos da bomba de paredes espessas e partes hidráulicas tolerantes ao desgaste, capaz de transportar lamas industriais carregadas de sólidos abrasivos sem se autodestruir em poucas semanas. Estas bombas são concebidas para utilização nas indústrias mineira, de dragagem e de processamento, onde as bombas normais para água deixam de funcionar em meros meses. Este guia de engenharia explica como efetuamos o seu dimensionamento, os compromissos metalúrgicos que assumimos, os pontos de falha para os quais projetamos e a análise de custos do ciclo de vida a cinco anos que distingue as bombas que duram dois anos das que deixam de funcionar em quatro meses. Todos os dados deste artigo foram obtidos a partir de normas estabelecidas, entidades reconhecidas e fóruns de profissionais — não incluem sequer marketing de fornecedores.

Como funciona realmente uma bomba centrífuga horizontal para lamas

Uma bomba centrífuga para lamas, montada horizontalmente, faz rodar um impulsor no interior de um corpo da bomba de paredes espessas denominado voluta. As pás do impulsor projetam o fluido para o exterior, transformando a rotação do veio em pressão, tal como numa bomba horizontal normal. O que difere na lógica de serviço com lamas é quase tudo — a bomba centrífuga para lamas tem um diâmetro maior, pelo que funciona a uma velocidade periférica inferior; o corpo da bomba é uma disposição de revestimentos sacrificiais em vez de uma única estrutura; e o rolamento hidrodinâmico assenta num veio mais curto e rígido para resistir às cargas laterais criadas pelas partículas abrasivas.

H3-Q: Em que difere uma bomba centrífuga horizontal de uma bomba de água normal?

Uma bomba de água destina-se a fazer circular fluido limpo com partículas inferiores a cerca de dois milímetros e utiliza peças em contacto com o fluido de liga ou ferro fundido, otimizadas para o rendimento hidráulico à custa da resistência ao desgaste. Uma bomba centrífuga horizontal para lamas sacrifica parte desse rendimento — os projetos mais recentes proporcionam 65 a 80 por cento de rendimento no ponto de melhor rendimento, comparativamente a mais de 85 por cento no serviço com água limpa — em favor de componentes capazes de suportar exposição constante a sólidos abrasivos. As paredes do corpo da bomba utilizam uma espessura 40 a 60 por cento superior ao mínimo exigido hidraulicamente, e as pás têm menos lâminas, maiores, concebidas para resistir à erosão mantendo o mesmo desempenho hidráulico. A história das Fagofun Geshopro dedicadas remonta a 1938, quando Charles Warman projetou a bomba inicial da série AH na mina de ouro de Kalgoorlie, na Austrália Ocidental. O projeto básico de Warman — partes hidráulicas de borracha ou liga, revestimentos substituíveis e cartuchos de rolamentos externos robustos — continua a definir o desempenho de todas as bombas horizontais modernas para lamas. As medições de caudal, altura manométrica e rendimento especificadas na acreditação de desempenho hidráulico ANSI/HI 12,1-12,6 foram utilizadas para verificar o desempenho dos modelos atuais, permitindo comparar de forma justa o gráfico de cada fabricante.

O modelo de ataque por lamas de 3 vetores: porque falham as bombas normais no serviço abrasivo

  Todas as discussões sobre falhas de bombas começam com «o impulsor falhou», o que é verdade, mas pouco útil, porque essa expressão esconde três fenómenos distintos. Uma lama aproxima-se de uma bomba segundo três vetores de ataque independentes, e cada vetor exige uma forma de defesa diferente. Este entendimento é designado por Modelo de Ataque por Lamas de 3 Vetores e orienta cada escolha de material e geometria em todas as aplicações de bombagem subsequentes. A abrasão é o primeiro vetor que todos imaginamos — partículas ásperas a esfregar uma superfície. O Número de Miller mede a abrasividade das lamas; a ASTM G75-15 define-o. Esse ensaio desloca um bloco de desgaste de ferro com crómio de meia polegada por uma polegada através de uma lama altamente abrasiva a 50 por cento, a 48 cursos por minuto, com uma carga estática de cinco libras, avaliando depois a diferença de peso após duas horas. 50 é um Número de Miller bastante moderado; 150 é agressivo; os rejeitados de cobre e as descargas de moinhos ultrapassam regularmente 100. Selecionar um impulsor com uma dureza adequada ao Número de Miller é o primeiro passo. Os engenheiros embatem uma partícula numa superfície com ângulo e velocidade mais elevados para lascá-la — isto é erosão — e tanto os engenheiros como a superfície têm de permanecer expostos durante algum tempo. Os locais clássicos de erosão são as pontas das pás do impulsor. Velocidades elevadas do impulsor ajudam: defina o impulsor maior para funcionar mais devagar. As orientações do Hydraulic Institute recomendam operar as bombas à velocidade mínima exigida pelo seu ponto de funcionamento. A corrosão é frequentemente o terceiro vetor negligenciado. Uma lama espumosa com pH de 4 e cloretos dissolvidos transformará uma partícula em solução, em vez de a desgastar. Uma liga de reserva com alto crómio e preço mais elevado terá melhor desempenho do que uma liga grosseira em serviço agressivo; selecionar a liga errada parece um erro de aprovisionamento que lhe custará dias de Dow.

Dimensionamento e seleção hidráulica: correspondência entre caudal, altura manométrica e dimensão das partículas

a seleção de bombas para lamas começa com cinco parâmetros, e todos os fornecedores sérios solicitam os cinco antes de apresentar uma proposta. Omitir apenas um deles, e a bomba Zijaw dentada que chegar pesará no seu primeiro ano de funcionamento.

• caudal — volume de projeto necessário por hora na descarga da bomba (m3/h ou US gpm). O caudal transitório de projeto exige o caudal máximo no ciclo de funcionamento.
• altura manométrica total — elevação, atrito nas tubagens, pressão de descarga (metros de lama). O atrito no sistema de lamas pode ser 20-40% superior ao indicado pelos cálculos para água limpa.
• parâmetros da lama — concentração de sólidos, gravidade específica da lama, perfil de granulometria (não apenas d50) e abrasividade expressa pelo Número de Miller ou pela dureza de Mohs do mineral dominante.
• parâmetros do processo — temperatura da lama na entrada da bomba, mais quaisquer cenários com temperaturas elevadas da lama. Os revestimentos de borracha atingem o máximo de 80503; as ligas de alto crómio suportam confortavelmente 120503.
• NPSH disponível — a altura líquida positiva de aspiração na entrada da bomba, incluindo a consideração da penalização de altitude caso a trajetória de voo das bombas seja superior ao nível do mar.

Com estes cinco números, o exercício de seleção consiste simplesmente em sobrepor o seu ponto de funcionamento à curva de desempenho do fabricante e selecionar a mais próxima que atinja entre 80 e 110 por cento do ponto de melhor rendimento (BBP). Esta é a regra mais crítica da prática das bombas centrífugas e a razão mais frequentemente ignorada pela qual o serviço com lamas acaba com uma bomba sobredimensionada: o comprador acaba por pagar por cada etapa de remoção de turbidez existente, além do custo de insistir na má escolha rumo à aceleração do inventário, porque esperava que mais vinte por cento de crédulos concordassem quando se recostasse na cadeira e dissesse que sim à baforada do cigarro. Funcionar muito à esquerda do BBP — a 40 a 60 por cento do caudal de projeto — não só consome energia elétrica em excesso. Discussões de profissionais no Eng-Tips descrevem claramente o efeito: «Operar tão à esquerda do BBP impõe cargas de força sobre o veio. Estas cargas desequilibradas provocam deflexão do veio, vibração e desgaste prematuro.» Em linguagem simples, a bomba que especificou em excesso para parecer «robusta» é a que falha primeiro. A BBP publica uma folha de trabalho para seleção de bombas horizontais para lamas que relaciona o seu ponto de funcionamento com as curvas da série AM, para que saiba que está em segurança dentro da faixa operacional.

Metalurgia e seleção de revestimentos interiores: liga de alto crómio vs. borracha vs. poliuretano

A seleção do material da parte hidráulica determina uma parcela maior das despesas operacionais ao longo da vida útil do que todo o restante projeto combinado, sendo o domínio em que os profissionais de marketing dos fabricantes convivem de perto com os laboratórios conchoop. Em resumo, existem três linhagens que afirmam ter cada uma a solução perfeita, e nenhuma vence em todos os serviços com lamas. O gráfico abaixo reúne as gamas de funcionamento reveladas pelas fichas técnicas dos fabricantes e pelos ensaios laboratoriais paramétricos de abrasividade; o desgaste abrasivo real na sua instalação dependerá do Número de Miller específico e da distribuição de partículas com que trabalha. As comparações independentes da taxa de desgaste por família são pouco comuns. A maioria dos dados disponíveis provém de produtores de bombas que ensaiam compostos proprietários com resistência de laboratório — a Inarirothe, por exemplo, utiliza borracha premium Linatex da Weir e liga Hyperchrome A61 na mesma parte hidráulica. Considere as conclusões de qualquer fonte única como indicativas, não definitivas. A única coisa com que toda a indústria concorda é que mudar de família de materiais a meio da vida útil na mesma carcaça da bomba é um procedimento simples, desde que o conjunto de rolamentos seja adequado à alteração, pelo que o compromisso de material no momento do aprovisionamento raramente é definitivo. O guia de decisão de revestimentos interiores da parte hidráulica da BBP explora mais detalhadamente as regras relativas à dimensão das partículas e à composição química, e a página da parte hidráulica de bomba para lamas de alto crómio explica detalhadamente as opções de classe de liga.

Custo total de propriedade: energia, peças de desgaste e a regra do ciclo de vida 50-25-15-10

Lápis. Os compradores Instructiona de bombas que negoceiam mais arduamente o preço de compra acabam normalmente por gastar mais ao longo de cinco anos. O guia Pump Life Cycle Cost, elaborado conjuntamente pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos e pelo Hydraulic Institute, regista esta desproporção: as aplicações de bombas representam quase 20 por cento da procura elétrica mundial e, numa instalação industrial, consomem normalmente 25 a 50 por cento da potência elétrica. Esse nível de ganho de rendimento na bancada começa a ser relevante; essa diferença de um ponto de rendimento vale mais do que a própria bomba ao longo da sua vida útil. As proporções aproximadas que indiquei acima — a que chamo Regra do Ciclo de Vida 50-25-15-10 — são os valores medianos derivados das orientações do DOE e dos dados de campo publicados pelo programa de sistemas de bombas DOE Better Plants pump-systems“>. Os custos de energia representam a maior parte da despesa de qualquer bomba que funcione mais de 4 000 horas por ano. Os custos de manutenção aumentam a sua parcela nas funções Hanna the Alermah, em que os componentes da parte hidráulica se esgotam rapidamente. O tempo de paragem aumenta rapidamente quando uma bomba está numa função de caminho crítico, porque a perda de receitas do processo causada por uma paragem imprevista supera largamente a despesa com o equipamento.

Segundo a Regra do Ciclo de Vida 50-25-15-10, «O preço de compra de uma bomba representa normalmente menos de 15 por cento dos custos totais de propriedade e funcionamento desse equipamento ao longo da vida útil. Os custos de energia e manutenção, e não o preço de compra inicial, determinam o menor custo total de propriedade.» — Hydraulic Institute e Departamento de Energia dos Estados Unidos, Custos do ciclo de vida das bombas: um guia para a análise LCC de sistemas de bombagem

Utilizar a regra como guia para uma compra específica é uma questão de enquadramento da tomada de decisão, em vez de uma questão de preços. As orientações abaixo partem dos cinco parâmetros de funcionamento aplicados durante o dimensionamento para encontrar a configuração de bomba ótima em TCO para a maioria das aplicações PASREndure no conjunto de percursos. Para um modelo de custos específico da instalação a cinco anos, a calculadora de TCO para bombas para lamas da BBP permite-lhe introduzir a sua própria tarifa elétrica, horas de funcionamento e despesa com peças de desgaste, apresentando uma repartição dos custos do ciclo de vida.

Modos de falha comuns e como os diagnosticar

A falha das bombas horizontais para lamas não é aleatória nem cega. Os quatro modos abaixo abrangem a grande maioria dos casos de desgaste prematuro observados em aplicações de indústria mineira, agregados e FGD. Cada um apresenta uma assinatura própria, e reconhecê-la atempadamente permite evitar uma reconstrução de emergência mediante a troca por um revestimento interior previamente encomendado. Modo 1 – Desgaste irregular da voluta, mais fina de um lado. A sua bomba está a funcionar à esquerda do BBP. Esta assinatura surge no revestimento interior da placa de carcaça depois de removido para inspeção: o quadrante inferior sofre erosão a uma taxa duas a três vezes superior à do quadrante superior. Não tente igualar a dureza do ferro com crómio; dimensione corretamente uma bomba ou selecione um variador de frequência que funcione dentro da janela de 80 a 110 por cento do BBP. Modo 2 – Erosão nas pontas das pás do impulsor, razoável e uniforme. Assinatura clássica de erosão na extremidade exterior de cada pá. A sua bomba funciona a velocidade excessiva; velocidades internas bem acima de 30m/sec na ponta da pá. Não tente igualar a dureza do ferro com crómio; aumente o dimensionamento do impulsor ou opere a velocidade inferior dentro da janela de 80 a 110 por cento do BBP. Modo 3 – corrosão do corpo da bomba nas interfaces das juntas e flanges. Picaduras visíveis e depósitos avermelhados em torno das juntas de vedação estáticas indicam ataque químico, e não desgaste abrasivo. Verifique a composição química do caudal transportador com que a bomba foi encomendada. Se o nível de cloretos aumentou após o comissionamento — uma alteração comum nos circuitos de reciclagem de água de minas — necessita de mudar a liga de A05 para A07, ou de utilizar materiais da parte hidráulica com um revestimento de superfície mais macio. Modo 4 – Fuga na vedação do veio com resíduo áspero. Na maioria dos casos, não se deve a falha do equipamento, mas sim a uma camisa do veio desgastada que permite a entrada de lama na área da gaxeta, ou a um sistema de água de lavagem que não fornece diferencial de pressão adequado. Uma nota de um profissional no fórum Eng-Tips identifica o beco sem saída do diagnóstico: «A cavitação na descarga provoca desgaste prematuro das pontas das pás do impulsor e do corpo da bomba» – a cavitação e o desgaste abrasivo provocam sons semelhantes de cavidades ásperas; a cavitação causa picaduras no lado da descarga, enquanto o desgaste abrasivo corrói o lado da aspiração. A fotografia de inspeção identificará qual o sintoma que tem.

Boas práticas de manutenção: prolongar a vida de desgaste em serviço real

O ciclo de manutenção de uma bomba horizontal para lamas centra-se mais no desenvolvimento de disciplinas de inspeção que identifiquem as assinaturas dos Modos 1 a 4 antes de causarem falhas. A nossa lista abaixo combina boas práticas industriais publicadas com as assinaturas acima referidas.

• Diariamente. Registe a leitura de vibração no alojamento dos rolamentos, a pressão de descarga e os amperes do motor. Uma alteração de 10 por cento relativamente à referência de comissionamento exigirá um relatório de problema até ao fim do turno.
• Semanalmente. Verifique o caudal e a pressão da água de lavagem da vedação. Observe a forma do gotejamento da gaxeta nos seus processos; um aumento face ao volume normal identificará a gaxeta da roda a utilizar uma camisa do veio desgastada por baixo.
• Mensalmente. Confirme a concentricidade do acoplamento com um comparador ou laser. Mesmo um desalinhamento de 0.10mm provocará um aumento de duas vezes nas taxas de desgaste dos rolamentos e dos elementos de vedação.
• A cada 500 horas de funcionamento, não as 2000 recomendadas pelo manual. Efetue medições regulares da folga entre o impulsor e a placa de carcaça na primeira instalação. Espere um assentamento permanente do revestimento interior mais rápido do que o previsto pelas tabelas de desgaste em regime estacionário — uma segunda medição às 500 horas revela desvios precoces.
• Trimestralmente. Remova e examine visualmente o impulsor. Fotografe as arestas de ataque das pás em comparação com a fotografia de referência do comissionamento. A erosão segue um padrão não linear e assimétrico, e as comparações fotográficas lado a lado detetam-na um mês antes dos paquímetros.

Aplicações industriais: adequar a configuração ao processo

as bombas horizontais para lamas justificam o seu custo em quatro setores industriais, e o sucesso é diferente em cada setor. Dados Catalyst compilados a partir de informação industrial publicada pelo DOE e de literatura de aplicação de associações do setor, e não do catálogo do fabricante, abaixo. Embora não seja específica apenas da indústria mineira, a BBP mantém uma série de bombas para lamas destinadas à indústria mineira com disposições otimizadas para aplicações de descarga de moinhos e alimentação de ciclones. Para serviços que exijam drenagem de poços de bombagem ou nível de água variável, as bombas verticais para lamas para aplicação em poços de bombagem são a configuração complementar.

Perguntas frequentes sobre bombas horizontais para lamas