Cavitação Explicada e Ilustrada

O fenômeno da cavitação consiste na ruptura da continuidade do líquido onde há considerável redução local de pressão. A formação de bolhas dentro dos líquidos (cavitação) começa mesmo na presença de pressões positivas que são iguais ou próximas à pressão do vapor saturado do líquido à temperatura determinada.

Vários líquidos têm diferentes graus de resistência à cavitação porque dependem, em grau considerável, da concentração de gás e partículas estranhas no líquido.

Mecanismo de Calçar

O mecanismo da cavitação pode ser descrito como segue: Qualquer líquido conterá bolhas gasosas ou vaporosas, que servem como núcleos de cavitação. Quando a pressão é reduzida a um certo nível, as bolhas se tornam o repositório de vapor ou de gases dissolvidos.

O resultado imediato desta condição é que as bolhas aumentam rapidamente de tamanho. Subsequentemente, quando as bolhas entram numa zona de pressão reduzida, o seu tamanho é reduzido como resultado da condensação dos vapores que contêm.

Este processo de condensação ocorre bastante rapidamente, acompanhado de choques hidráulicos locais, emissão de som, destruição de ligações materiais e outros fenómenos indesejáveis. Acredita-se que a redução da estabilidade volumétrica na maioria dos líquidos está associada ao conteúdo de vários aditivos, tais como partículas sólidas não molhadas e bolhas de gás-vapor, particularmente aquelas em nível submicroscópico, que servem como núcleos de cavitação.

Um aspecto crítico do processo de desgaste por cavitação é a destruição da superfície e o deslocamento do material causado por altos movimentos relativos entre uma superfície e o fluido exposto. Como resultado de tais movimentos, a pressão local do fluido é reduzida, o que permite que a temperatura do fluido atinja o ponto de ebulição e que pequenas cavidades de vapor se formem.

Quando a pressão retorna ao normal (que é maior que a pressão de vapor do fluido), ocorrem implosões causando o colapso da cavidade ou bolhas de vapor. Este colapso de bolhas gera ondas de choque que produzem altas forças de impacto nas superfícies metálicas adjacentes e causam endurecimento do trabalho, fadiga e cavidades de cavitação.

Assim, cavitação é o nome dado a um mecanismo no qual bolhas de vapor (ou cavidades) em um fluido crescem e colapsam devido a flutuações locais de pressão. Estas flutuações podem produzir uma baixa pressão, sob a forma de pressão de vapor do fluido. Este processo de cavitação vaporosa ocorre em condições de temperatura aproximadamente constantes.

Tipos de cavitação

Existem dois tipos principais de cavitação: vaporosa e gasosa.

A cavitação vaporosa é um processo de ebulição que ocorre se a bolha cresce explosivamente de uma maneira sem limites, pois o líquido se transforma rapidamente em vapor. Esta situação ocorre quando o nível de pressão cai abaixo da pressão de vapor do líquido.

A cavitação gasosa é um processo de difusão que ocorre sempre que a pressão cai abaixo da pressão de saturação do gás não condensável dissolvido no líquido. Enquanto a cavitação vaporosa é extremamente rápida, ocorrendo em microssegundos, a cavitação gasosa é muito mais lenta; o tempo que leva depende do grau de convecção (circulação do líquido) presente.

O desgaste da cavitação ocorre somente sob condições de cavitação vaporosa – onde as ondas de choque e os microjatos podem corroer as superfícies. A cavitação gasosa não causa a erosão do material superficial.

Cria apenas ruído, gera altas temperaturas (até mesmo rachaduras a nível molecular) e degrada a composição química do fluido através da oxidação. O desgaste da cavitação também é conhecido como erosão por cavitação, cavitação vaporosa, cavitação pitting, fadiga por cavitação, erosão por impacto líquido e trefilação.

Desgaste por cavitação é um tipo de desgaste de fluido à superfície que ocorre quando uma porção do fluido é primeiramente exposta a tensões de tração que causam a ebulição do fluido, depois exposta a tensões compressivas que causam o colapso (implodir) das bolhas de vapor.

Este colapso produz um choque mecânico e causa o impacto de microjatos contra as superfícies, unificando o fluido. Qualquer sistema que possa repetir este padrão de tensão de tração e compressão está sujeito ao desgaste por cavitação e todos os horrores que acompanham tal atividade destrutiva.

O desgaste por cavitação é semelhante ao desgaste por fadiga superficial; materiais que resistem à fadiga superficial (substâncias duras mas não frágeis) também resistem aos danos por cavitação.

Processo de desgaste por cavitação

Líquido é o meio que causa o desgaste por cavitação. O desgaste da cavitação não requer uma segunda superfície; requer apenas que exista um alto movimento relativo entre a superfície e o fluido. Tal movimento reduz a pressão local no fluido. Quando o líquido atinge seu ponto de ebulição e a ebulição ocorre, bolhas de vapor se formam, o que produz cavitação.

Cada cavidade de vapor dura pouco tempo porque quase qualquer aumento de pressão faz com que o vapor na bolha se condense instantaneamente e a bolha colapse e produza uma onda de choque. Esta onda de choque então colide nas superfícies metálicas adjacentes e destrói as ligações de material.

A onda de choque primeiro produz uma tensão compressiva na superfície sólida, e depois quando é reflectida, produz uma tensão de tracção que é normal à superfície.

Figure 1. O colapso da bolha de vapor e o nascimento de um microjato

Figure 1 retrata o colapso de uma bolha de vapor e o nascimento de um microjato. A cavitação é geralmente encontrada onde existe uma condição hidrodinâmica, caracterizada por uma súbita e grosseira mudança na pressão hidrostática. Como a ebulição pode ocorrer as quedas instantâneas de pressão, bolhas de vapor se formam e colapsam frequente e rapidamente.

O ar treinado e as partículas de poeira no fluido servem como locais de nucleação para a formação de cavidades de vapor. Estes núcleos podem ser pequenas bolsas cheias de gás nas fendas do recipiente ou simplesmente bolsas de gás em partículas contaminantes que se movimentam livremente no fluxo de fluxo. Portanto, todos os fluidos confinados podem conter impurezas suficientes para produzir cavitação.

Os pequenos vazios perto da superfície ou do campo de fluxo, onde existe pressão mínima, indicam que a cavitação começou. Uma vez iniciadas, as bolhas continuam a crescer enquanto permanecerem em regiões de baixa pressão. À medida que as bolhas viajam para regiões de alta pressão, elas colapsam, produzindo pressões intensas e erodindo quaisquer superfícies sólidas nas proximidades.

Durante o colapso, partículas de líquido ao redor da bolha se movem rapidamente para o seu centro. A energia cinética dessas partículas cria martelos de água locais de alta intensidade (choque), que crescem à medida que a frente progride em direção ao centro da bolha.

Detecção visual e sonoluminescente

Os utilizadores do equipamento podem detectar a cavitação de forma audível, visual, por instrumentação acústica, por sensores de vibração da máquina, por medição de sonoluminescência ou por uma diminuição ou alteração do desempenho daquele produzido em condições de fluxo monofásico (por exemplo, perda de fluxo, rigidez e resposta).

Em condições de fluxo cavitante, a taxa de desgaste pode ser muitas vezes maior do que aquela causada apenas pela erosão e corrosão. O desgaste por cavitação pode destruir o mais forte dos materiais – aços-ferramenta, aços-estilites, etc. Tais danos podem ocorrer rápida e extensivamente.

A quantidade de danos que a cavitação causa depende de quanta pressão e velocidade as bolhas colapsadas criam. Como resultado desta pressão e velocidade, a superfície exposta sofre uma variedade de intensidades muito variadas.

Cada imposição dura pouco tempo; as magnitudes de impulso e os tempos de colapso são maiores para bolhas maiores em determinados diferenciais de pressão de colapso. Assim, quanto maior a tensão de tração sobre o fluido (quanto menor a pressão estática), maiores as bolhas, mais intensa a cavitação e mais graves os danos.

Os impulsos que resultam quando as bolhas de vapor se formam e colapsam causam crateras individuais simétricas e deformações permanentes do material quando o colapso ocorre junto à superfície. Consequentemente, os danos por cavitação, como a falha por fadiga, têm vários períodos de atividade:

Período de incubação – microcisões nucleam ao redor dos limites do grão e inclusões devido à deformação elástica e plástica da superfície.
Período de acumulação – o crescimento das fissuras prossegue em relação ao grau de divisão, cisalhamento e ação rasgadora sobre o material.
Período de estado de prontidão – a taxa de nucleação e propagação das fissuras torna-se constante durante o restante do tempo de exposição.

Em um sistema de fluxo de fluido (ao contrário de um tanque de ultra-som), bolhas de vapor se formam onde ocorrem tensões de tração do fluido (baixas pressões), e bolhas de vapor colapsam em regiões de alta pressão onde tensões compressivas podem ser impostas ao fluido.

Então, a região onde ocorre o dano é freqüentemente bastante separada da região na qual as cavidades são criadas – muitas vezes levando a um diagnóstico incorreto do problema. O desgaste das cavidades é de natureza mecânica e não pode ocorrer sem a aplicação das tensões de tração e compressão.

Cavitação Pontos quentes

Muitas áreas em sistemas hidráulicos são propensas ao desgaste por cavitação, como por exemplo:

A jusante de válvulas de controle que têm diferenciais de alta pressão,
Nas câmaras de sucção de bombas onde existem condições de entrada com fome,
Em atuadores de movimento rápido (tanto do tipo linear como rotativo) onde ocorrem condições de carga negativa,
Em caminhos de fuga (através de vedações, sedes de válvulas e de distribuidores) onde altas velocidades causam queda de pressão abaixo da pressão de vapor do fluido (uma condição de cavitação muitas vezes referida como trefilação) e
Em todos os dispositivos onde o fluxo de fluido é submetido a curvas acentuadas, redução nas secções transversais com expansões subsequentes (em torneiras, abas, válvulas, diafragmas) e outras deformações.

A cavitação perturba as condições normais de funcionamento dos sistemas mecânicos do tipo fluído e destrói as superfícies dos componentes. O processo consiste na formação de cavidades quando as pressões são baixas, o crescimento de bolhas subsequentes à medida que a pressão estabiliza e finalmente o colapso das bolhas quando as cavidades (bolhas gasosas ou de vapor) são expostas a alta pressão.

Note que a queda de pressão através do componente é a força motriz do desgaste por cavitação. A Figura 2 mostra o processo de cavitação que ocorre em uma bomba de engrenagens e em uma válvula de distribuição mostrando como as cavidades geram, crescem e colapsam em componentes do tipo fluido.

Figure 2. Processo de Cavitação em Componentes Hidráulicos

Desgaste Redutor de Cavitação

No desgaste da cavitação, as microfissuras propagam-se ao ponto em que o material não consegue mais suportar a carga de impulso que as bolhas de vapor implodidas impõem. Portanto, partículas finalmente se rompem e entram no sistema.

Como com qualquer falha de fadiga, as microcrachas se formam primeiramente em elevadores de tensão (entalhes, rasgos, undercuts, defeitos de solda, etc.) ou em áreas heterogêneas do material (como na direcionalidade do fluxo de metal, inclusões e seções descarburizadas).

Por isso, uma superfície rugosa é propensa ao desgaste da cavitação e como os pittings e um perfil rugoso caracterizam o dano da cavitação, o dano aumenta conforme a superfície se torna mais áspera.

O meio mais básico para combater o desgaste da cavitação é minimizar a tensão de tração sobre o fluido. Em outras palavras, os usuários do equipamento devem baixar o nível de refração ou condições de vácuo em zonas de possível cavitação. Em particular, os seguintes passos podem ser apropriados:

Aumentar o nível de pressão na saída das válvulas de estrangulamento.
Aumentar a pressão de entrada na porta de sucção da bomba através de sobrealimentação da entrada da bomba.
Utilizar a anticavitação para verificar aplicações de atuadores de carga negativa.
Reduzir o conteúdo de água do fluido para eliminar a possibilidade de estiragem do fio (a água tem uma pressão de vapor maior que o óleo) através das sedes das válvulas e vedações dinâmicas.
Utilizar um fluido com baixa pressão de vapor.
Selecionar uma bomba com boas características de enchimento ao invés de uma configuração de entrada com fome.
Utilizar um fluido com baixa viscosidade ou aumentar a temperatura do fluido.

Em muitos casos, engenheiros de projeto podem minimizar os danos causados pela cavitação, selecionando adequadamente os materiais de fabricação. Por exemplo, o aço inoxidável pode ser selecionado em vez do alumínio (Figura 3) e usar revestimento duro com uma liga resistente à cavitação na superfície exposta. Os revestimentos de borracha e outros revestimentos elastoméricos também ajudaram a minimizar o desgaste por cavitação. Apesar de sua baixa resistência à cavitação, estas superfícies refletem a onda de choque sem causar danos intensos.

Figure 3. Ordem da Resistência Relativa à Cavitação dos Materiais

Partículas de Cavitação

O tamanho das partículas geradas pelo desgaste por cavitação é uma função da dureza Brinell do material exposto. As maiores partículas ocorrem durante o período de acumulação. Os declives das curvas de distribuição do tamanho acumulado das partículas aumentam à medida que a energia de deformação do material aumenta. O tamanho médio das partículas produzidas pela cavitação diminui conforme a intensidade da cavitação aumenta.

Precursores da Cavitação

Ao investigar um problema de cavitação em um sistema fluido, você deve identificar todas as fontes possíveis de baixa pressão (vácuo), alta temperatura (calor), e locais onde o ar possa estar entrando. A seguinte lista deve servir como diretriz para identificar áreas de baixa pressão em um sistema de fluidos:

>
Sucção da bomba – linha de sucção hidráulica inadequada (condições de limitação de fluxo).
Efeito do orifício da válvula – vórtices de jato de alta velocidade em passagens de fluxo da válvula de controle.
Jato submerso – um jato que se estende para áreas de fluxo não limitado onde regiões de baixa pressão são criadas.
Cargas negativas em motores e cilindros – as cargas do atuador acionado externamente criam baixa pressão no atuador.

Submergido – a parte rara das ondas de pressão são capazes de criar regiões de pressão negativa na linha.
>
Efeito de altitude – a baixa pressão atmosférica sujeita a linha de sucção a pressões que podem se mostrar inadequadas no enchimento das câmaras de bombeamento.

Fontes de calor que levam à cavitação

As fontes de calor que contribuem para temperaturas excessivamente altas e cavitação no fluido do sistema incluem o seguinte:

Alta temperatura ambiente
Eficiência mecânica das bombas e motores
Condições de fluxo turbulento em condutos
Calor de vaporização em fluxo de cavitação
Calor de compressão em fluxo aerado
Altas quedas de pressão através dos orifícios de controle

Severe operacional Ciclo de trabalho
Classificação do fluxo em todas as partes do sistema de circulação de fluidos
Refrigeração pobre ou falta de transferência de calor
Alto atrito de superfícies ásperas e ação abrasiva

Possíveis locais de ingressão de ar a verificar

No que diz respeito aos pontos de ingressão de ar de um sistema, você deve examinar cuidadosamente estes locais quando ocorrer cavitação grave:

Reservatórios – locais onde ocorre a entrada de ar tipo mecânica (agitação), existe fluído oscilante, impacto do fluido sobre superfícies líquidas ou sólidas, condições de reservatório pressurizado, fluxo ciclônico na porta de sucção da bomba, altitude crítica (reservatório angulado) ocorrendo durante a operação que expõe a porta de sucção da bomba à atmosfera, sacudida do fluido devido ao movimento sobre terreno acidentado e/ou baixo nível do fluido do reservatório que expõe a porta de sucção da bomba à atmosfera.

Bomba – condutos e/ou portas de pequeno diâmetro, passagens de fluxo restritivas, desvios de fluxo, e/ou condições de linha de sucção longa, fracas características de enchimento da bomba (passagens de fluxo interno restritivas, alta velocidade de bombeamento, deslocamento de fluxo excessivamente grande); altitude muito alta para fornecer pressão de reservatório suficiente para abastecer a bomba em condições de fluxo nominal; cabeça de sucção inadequada para elevar o fluido até o nível de entrada da bomba (ou seja, elevação entre o nível do fluido e a entrada da bomba demasiado grande), cabeça de sucção insuficiente para acelerar o fluido do reservatório até às condições de fluxo nominal da bomba (não responsiva às exigências de deslocamento da bomba).

Válvulas – jatos que descarregam dos orifícios para um espaço de fluxo limitado, fluxo em linha aerodinâmica através de canais que terminam em câmaras onde a baixa pressão está nas paredes a jusante da válvula, e/ou válvulas de acelerador que descarregam para um conduíte de baixa pressão (linha de retorno).

Actuadores (vedações estendidas) – vedações de haste de passagem de ar, dessorção de ar existente e/ou cavidades de vapor se formando quando ocorre carga negativa devido a cargas inércias externas.

Motores (vedações do eixo) – vedações de passagem de ar e cavitação gasosa/vaporosa ocorrendo quando ocorre carga negativa devido a um efeito de volante de inércia.

Acumulador – vazamento de ar/gás passando pela vedação do pistão desgastado, diafragma rompido ou bexiga rasgada.

Filtro – vedações externas de passagem de ar em filtros de linha de sucção ou restrições de fluxo interno causando dessorção de ar.

Conectores de passagem de ar (acoplamentos de mangueiras, conexões de tubos e vedações de coletores) – superfícies de vedação de conectores de passagem de ar que soltaram os efeitos de vibração e expansão e contração térmica.

Condutor – paredes rugosas, secções de fluxo comprimido, ou saliências no fluxo.

Sobre o Autor