Cavitação

O que é. Dentro de uma bomba centrífuga, a pressão na entrada do impelidor pode cair abaixo da pressão de vapor do líquido. Nesse instante o líquido entra em ebulição localmente por baixa pressão, não por calor: todo líquido ferve quando seu par pressão-temperatura (P×T) cruza a curva de saturação — a ebulição comum na cozinha muda a temperatura mantendo a pressão fixa; a cavitação faz o caminho inverso, muda a pressão mantendo a temperatura fixa. O resultado físico é o mesmo — formam-se bolhas de vapor — mas o gatilho é oposto. Essas bolhas, arrastadas para regiões de maior pressão dentro do impelidor, colapsam violentamente contra as superfícies metálicas.

A violência do fenômeno. Cada bolha que colapsa perto da parede dispara um microjato de líquido a 100–500 m/s — velocidade comparável à de um projétil de fuzil — e uma onda de choque local que supera milhares de vezes a pressão de operação da bomba. Um evento isolado é inofensivo; o problema é que ocorrem centenas a milhares de colapsos por segundo, sempre no mesmo lugar.

Como reconhecer em campo. Ruído característico de "bombear cascalho" ou estalidos, vazão e pressão instáveis ou em queda, vibração elevada e — com o tempo — superfície do impelidor esburacada como casca de laranja.

O que a cavitação custa. Três contas ao mesmo tempo: energia (o rendimento hidráulico cai e a bomba passa a gastar mais para entregar menos), reparo (impelidor erodido exige solda especializada ou substituição — um dos componentes mais caros do conjunto) e indisponibilidade (a falha madura para em dias, não em meses). Há ainda o dano colateral: a vibração de cavitação acelera a falha do selo mecânico e dos rolamentos — é comum o selo falhar antes de o impelidor furar.

A causa de fundo é quase sempre do sistema, não da bomba: nível baixo no tanque de sucção, filtro entupido, ou a bomba operando longe do ponto para o qual foi selecionada. A temperatura alta do fluido também entra nessa lista — e aqui vale reforçar a distinção acima: não é que o calor "ferva" o líquido diretamente, é que a pressão de vapor sobe junto com a temperatura, consumindo a margem de pressão que evitava a cavitação. Mesma instalação, mesma bomba: aquecer o processo pode ser suficiente para começar a cavitar. E a regra de ouro do operador: nunca "alivie" a cavitação fechando a válvula de sucção — isso derruba ainda mais a pressão na entrada e agrava o fenômeno. Reduza a vazão pela descarga, nunca pela sucção.

Classificação normativa — as duas convenções

Pela ASTM G40 (terminologia de desgaste e erosão), a cavitação é um modo de erosão — cavitation erosion: "erosão causada pela formação e colapso de cavidades em um líquido junto a uma superfície sólida". A ASTM G32 padroniza o ensaio de resistência dos materiais. Já a ISO 14224:2016 (Tabela B.2) — a norma que estrutura a taxonomia desta plataforma — lista a cavitação como mecanismo de falha próprio, subdivisão da categoria material failure, distinto de erosão e de corrosão. As duas convenções não conflitam: a ISO nomeia o mecanismo (o processo físico); a ASTM descreve o resultado (dano erosivo). Esta nota usa o código CAV da convenção ISO e descreve o dano na convenção ASTM. A distinção decide material de reposição, estratégia de manutenção e correção.

Diagnóstico diferencial — o que a cavitação NÃO é

Não é abrasão. O desgaste abrasivo (Hutchings, cap. 4) exige partículas duras ou contato deslizante, e o volume removido é governado pela dureza do material — quanto mais duro, menos desgasta. Remove material por micro-corte tangencial e deixa sulcos orientados na direção do escoamento. Na cavitação com fluido limpo não há partícula nem deslizamento: o impacto é perpendicular e produz crateras sem direção preferencial. Consequência prática direta: revestimentos duros (WC-Co) que resolvem abrasão têm eficácia limitada contra cavitação — dureza não é o parâmetro governante (Franc & Michel, cap. 8: cerâmicas duras porém frágeis podem se sair pior que ligas mais macias e tenazes).

Não é corrosão (como mecanismo primário). Pites de corrosão têm bordas suaves, produtos de corrosão acumulados e aparecem onde a eletroquímica manda (metais dissimilares, frestas, depósitos). Pites de cavitação têm bordas rugosas e metal limpo (o impacto remove continuamente o filme passivo) e aparecem exatamente onde a termodinâmica prevê — as regiões de menor pressão do escoamento. A prova definitiva: inox 316L com excelente resistência química é severamente erodido por cavitação em água limpa (ASM Handbook Vol. 11).

Diagnóstico de campo — a tabela das confusões clássicas

Quatro fenômenos produzem sintomas parecidos e correções completamente diferentes. Errar aqui é trocar impelidor para resolver um flange que suga ar:

O que ocorre — os mecanismos reais

1. Erosão por impacto (primário): microjato + onda de choque removem material diretamente, formando os pits característicos.
2. Deformação plástica repetitiva com encruamento: impactos abaixo do limiar de remoção deformam a superfície; a densidade de discordâncias cresce, o material encrua — fica mais duro e menos dúctil. Amostras em ensaio ASTM G32 mostram aumento mensurável de microdureza superficial antes de qualquer perda de massa (Franc & Michel): o dano começa invisível, no período de incubação.
3. Fadiga superficial: a borda de cada pit é um concentrador de tensão ($K_t \approx 3$ para descontinuidade circular — Shigley, cap. 6) e a camada encruada tem energia de fratura reduzida; os ciclos de impacto nucleiam e propagam microtrincas que coalescem e destacam placas inteiras — a fase de perda acelerada de massa.
4. Tribocorrosão (situacional): em fluidos agressivos (água do mar, pH extremo), o impacto remove o filme passivo e a corrosão ataca o metal nu antes da repassivação — sinergia em que o dano combinado excede a soma das parcelas (fatores de 2–5× reportados).

O resultado macroscópico é o ciclo autocatalítico: pit → concentrador de tensão → microtrinca → lasca → pit maior. A matemática da propagação está no nível Engineer.

Tipos de cavitação em bombas

• Clássica de sucção (NPSH insuficiente) — a mais comum; bolhas nucleiam na face de baixa pressão das pás junto ao olho do impelidor e colapsam ao avançar para a zona de pressão. Dano na borda de ataque, lado de sucção. Piora ao aumentar a vazão (o NPSHr cresce com Q²).
• Recirculação de sucção — em baixa vazão o fluido não é guiado pelas pás e forma vórtices de recirculação na entrada, com núcleos de baixíssima pressão — mesmo com NPSHa adequado (Fraser, 1981). Dano no lado de pressão das pás. Quanto maior a energia e a velocidade específica de sucção do projeto, mais cedo (em vazões relativamente mais altas) a recirculação se instala.
• Recirculação de descarga — operação muito abaixo do BEP; refluxo na saída do impelidor e na língua da voluta. Assinatura típica: componentes sub-síncronos (0,3–0,8×RPM) e nível de vibração instável — diferente da cavitação de sucção, que produz nível elevado estável.
• Vórtice de superfície / submergência insuficiente — nível baixo no poço arrasta um cordão de ar+vapor para o bocal (critérios de submergência mínima: ANSI/HI 9.8).
• Falsa cavitação (entrada de ar) — diagnóstico diferencial obrigatório (tabela acima): sintomas acústicos parecidos, correção completamente diferente.

O caso "o NPSH está adequado mas ela cavita" é quase sempre recirculação: o engenheiro confere a margem, encontra folga e descarta cavitação — quando o problema é a posição no BEP, não a sucção.

Framework A — diagnóstico

Mixed/Complex: o gatilho é operacional e aleatório (surge quando a margem de NPSH se esgota ou o ponto foge do BEP), mas o dano é progressivo — a erosão acumula com β>1. A IT-MNT-001 lista "cavitação intermitente em bombas" como exemplo canônico da categoria — e manda decompor por FMEA: a resposta correta para "cavita toda vez que o tanque opera baixo" é operacional (controle de nível), não uma tarefa de manutenção.

Framework B — prescrição

Existe P-F detectável (vibração, ruído, tendência de desempenho) e a falha é evidente → CBM com periodicidade P-F/2. Tarefas no plano exportável abaixo da página. A correção definitiva é operacional/de projeto — as camadas de ação, em ordem de custo e reversibilidade:

1. Operacional imediata (sem parar a máquina): restaurar nível/pressão de sucção; limpar filtros; reduzir vazão pela válvula de descarga — nunca pela sucção (estrangular a sucção derruba a pressão de entrada e intensifica o colapso; erro de operação clássico documentado por Perez, cap. 4); reduzir rotação via VFD — pelas leis de similaridade o NPSHr cai com o quadrado da rotação (−20% de rotação ≈ −36% de NPSHr, com bônus de −49% de potência).
2. Instalação: aumentar o diâmetro da linha de sucção — as perdas caem com a quinta potência do diâmetro (ver Engineer): +20% de diâmetro ≈ −60% de perdas; dobrar ≈ −97%. Encurtar e retificar a sucção (mínimo de 5–10 diâmetros retos antes do bocal); redutor excêntrico com face plana para cima (API 610 — o concêntrico cria bolsão de ar); velocidade na sucção ≤ 1,5 m/s para água limpa (ANSI/HI 9.8); resfriar o fluido; rebaixar a bomba ou subir o nível.
3. Intervenção na bomba: indutor axial no olho do impelidor (reduz o NPSHr do conjunto em 50–70% — Japikse); impelidor com olho de sucção maior (reavaliar BEP); troca de material (paliativo consciente — compra vida, não elimina a causa).

Prevenção por projeto: margem de NPSH pela ANSI/HI 9.6.1 (2024) — razão NPSHa/NPSHr de 1,1 a 2,5 conforme energia de sucção e velocidade específica; pela API 610, NPSHa ≥ NPSHr + 1,0 m em toda a região de operação permitida (AOR). Teste de desempenho e NPSH conforme ISO 9906. Geometria de captação conforme ANSI/HI 9.8.

Termodinâmica: $P_v(T)$ e a margem que derrete

A cavitação inicia quando a pressão estática local cruza a pressão de vapor $P_v(T)$. A dependência com a temperatura é governada pela equação de Clausius-Clapeyron (com vapor ideal):

— o crescimento é exponencial, não linear. Para a água (Çengel & Boles, Tabela A-4):

A leitura operacional: uma instalação com margem confortável a 25 °C pode cavitar severamente sem nenhuma modificação física — basta o processo aquecer. O exemplo numérico abaixo quantifica exatamente isso. A nucleação real é heterogênea: microbolhas de gás dissolvido e cavidades em partículas/paredes servem de embriões (água desgaseificada de laboratório resiste a trações muito maiores antes de cavitar — Brennen, cap. 1).

A dinâmica da bolha — Rayleigh-Plesset

O crescimento e colapso de uma bolha esférica de raio $R(t)$ é governado por:

onde $P_B = P_v + P_g$ é a pressão interna (vapor + gás não condensável residual — o termo que amortece o colapso final e alimenta o rebote). O lado esquerdo é a inércia do líquido; $P_B - P_\infty$ é o motor: quando a bolha entra na zona de alta pressão do impelidor, $P_\infty$ salta, o termo fica fortemente negativo e o colapso é instável — quanto menor $R$, mais rápido ele se acelera. Do caso ideal de Rayleigh (1917) sai o tempo de colapso de uma cavidade vazia:

— para $R_0 = 1$ mm em água à pressão atmosférica, $\tau \approx 91$ μs: o colapso é praticamente instantâneo, e a energia potencial de pressão se concentra num volume que tende a zero.

Colapso assimétrico: microjato e onda de choque

Perto de uma parede o colapso é assimétrico (Plesset & Chapman, 1971): o lado da bolha voltado ao fluido livre acelera antes, atravessando a bolha como um microjato que atinge a superfície perpendicularmente a 100–500 m/s (visualizado por Naude & Ellis, 1961). O rebote emite ainda uma onda de choque com picos locais de 1–10 GPa por microssegundos em raios micrométricos (Brennen, cap. 5; Franc & Michel, cap. 8).

O impacto excede o limite de escoamento de qualquer liga de engenharia por 1–2 ordens de grandeza — em área microscópica, por microssegundos, repetidamente: com 100 a 10.000 colapsos por segundo por cm² (Brennen, cap. 3), uma bomba cavitando acumula até ~10⁸ impactos por hora por cm² — fadiga de ciclo ultra-alto, muito além dos 10⁷ ciclos da curva S-N convencional. No núcleo da bolha, a sonoluminescência evidencia temperaturas de 5.000–15.000 K no colapso final (Suslick) — mais quente que a superfície do Sol, em volume nanométrico.

Do impacto à perda de massa — a micromecânica

A sequência quantificável: (1) impactos acima do limite de escoamento deformam plasticamente a superfície; o encruamento eleva a microdureza local antes de qualquer perda de massa — a impressão digital do período de incubação da curva MDE do ensaio G32. (2) A borda de cada pit concentra tensão ($K_t \approx 3$); a camada encruada, agora frágil, nucleia microtrincas. (3) A propagação segue a lei de Paris & Erdogan:

— e como cada colapso sobre um pit existente aumenta $\Delta K$ conforme a trinca cresce, a propagação acelera de forma não linear: trincas coalescem, placas se destacam, e a curva de perda de massa sai da incubação para a taxa máxima. É por isso que a erosão por cavitação não é linear no tempo — e por que inspeção visual precoce subestima o dano.

NPSH — formulação rigorosa

Aplicando Bernoulli do nível do reservatório de sucção (0) ao flange de entrada da bomba (1), com perdas $\Sigma h_f$:

onde $P_0$ é a pressão absoluta na superfície do líquido, $H_s$ a altura estática (positiva com a bomba acima do nível; negativa quando afogada) e $\Sigma h_f$ as perdas na linha de sucção. Referência de cota: linha de centro do eixo (horizontais). Cada termo é uma alavanca de intervenção:

• $P_0/\rho g$: fixado pela altitude quando o tanque é atmosférico — 10,33 m ao nível do mar, ~9,2 m a 1.000 m, ~8,1 m a 2.000 m. Instalações no Planalto Central partem com ~1 m a menos que a costa.
• $H_s$: cada metro de elevação da bomba subtrai um metro de NPSHa.
• $\Sigma h_f$: por Darcy-Weisbach, $h_f = f \, (L/D) \, V^2/2g$; com vazão fixa, $V \propto D^{-2}$, logo $h_f \propto D^{-5}$ (f ≈ constante). A alavanca mais forte da instalação:

• $P_v(T)/\rho g$: cresce exponencialmente com a temperatura (tabela acima).

O que o NPSHr de catálogo significa — e o que não significa. O NPSHr é o NPSH₃: o valor em que o head já caiu 3% no teste (ISO 9906 / HI) — um critério de desempenho, não de dano. A cavitação incipiente (NPSHi) ocorre com NPSH muito ACIMA do NPSH₃ — tipicamente 2 a 6 vezes, conforme Gülich (cap. 6): no ponto de catálogo a bomba já cavita audivelmente e erode; ela só ainda não perdeu 3% de head. É essa hierarquia que fundamenta as margens normativas: razão NPSHa/NPSHr de 1,1–2,5 por energia de sucção (ANSI/HI 9.6.1:2024) e ≥ +1,0 m em toda a AOR (API 610).

Parâmetros associados: velocidade específica de sucção $N_{ss}$ (projetos agressivos estreitam a janela estável de vazão e recirculam mais cedo); número de cavitação $\sigma = (P_\infty - P_v)/(\tfrac{1}{2}\rho U^2)$, que adimensionaliza a propensão do escoamento; e a lei de similaridade $NPSH_r \propto N^2$ — a base quantitativa da correção por VFD.

Exemplo numérico — a mesma instalação em duas temperaturas

Tanque atmosférico ao nível do mar, bomba 2,0 m acima do nível mínimo, perdas de sucção 1,2 m, NPSHr₃ = 4,0 m no ponto de operação.

Água a 60 °C ($\rho = 983$ kg/m³; $P_v = 19{,}94$ kPa): $NPSH_a = 10{,}51 - 2{,}0 - 1{,}2 - 2{,}07 = 5{,}24$ m → margem de +1,24 m e razão 1,31 — atende à API 610 e à HI para baixa energia de sucção (alta energia pediria mais).

O processo aquece para 80 °C ($\rho = 972$ kg/m³; $P_v = 47{,}39$ kPa): $NPSH_a = 10{,}63 - 2{,}0 - 1{,}2 - 4{,}97 = 2{,}46$ m → 2,46 < 4,0: cavitação franca, sem que nada na instalação tenha mudado. As opções, na ordem das camadas: subresfriar/subir nível (+), reduzir rotação (NPSHr cai com N²), rebaixar a bomba, ou indutor. A conta inteira pode ser refeita com os seus números — é a auditoria de sucção que antecede qualquer troca de material.

Resistência dos materiais

A correlação entre dureza e resistência à cavitação é fraca (Hattori et al., 2004: R² < 0,5 entre famílias metálicas) — os parâmetros que governam são limite de fadiga, tenacidade e capacidade de encruar sem fraturar. O ensaio ASTM G32 (horn vibratório a 20 kHz, amplitude 50 μm, amostra em água destilada) mede a perda de massa e expressa o resultado como MDE (profundidade média de erosão) e MDER (taxa). O ranking consolidado (Franc & Michel; ASM Handbook Vol. 18), em taxa relativa de erosão (menor = melhor):

O ferro fundido cinzento falha tão rápido por razão microestrutural: as lamelas de grafita têm resistência à tração ~nula e funcionam como rede de pré-trincas distribuída ($K_t$ locais > 5 em bordas agudas) — cada impacto encontra trincas prontas para propagar e conectar. Critério de intervenção: pits rasos e dispersos → acompanhar por boroscopia; pits coalescendo ou borda de ataque comprometida → recuperação por solda com liga resistente (eletrodos base Co ou inox austenítico com alto encruamento) e balanceamento; recorrência em serviço inevitavelmente cavitante → upgrade de material (duplex/CA6NM) depois de esgotar as correções de sistema — material melhor compra vida, não elimina causa.

Severidade, taxa de erosão e o P-F

As correlações empíricas de Gülich (cap. 6) indicam taxa de erosão crescendo com potência alta da velocidade na entrada do impelidor (expoente ≈ 6) e com o comprimento da cavidade de vapor — a severidade escala de forma brutal com rotação e energia de sucção. É por isso que o intervalo P-F varia ordens de grandeza: ~1 semana (ferro fundido, cavitação severa, água quente) a ~6 meses (inox, cavitação moderada, hidrocarboneto leve) nos casos industriais de Bloch & Geitner (cap. 7). Calibre a rota para o pior P-F plausível do seu par material×serviço — e migre para monitoramento contínuo quando P-F/2 ficar menor que o ciclo de rota praticável.

Detecção quantitativa

• Vibração: energia de banda larga em 10–25 kHz (sem raia discreta dominante), modulada pela passagem de pás ($BPF = n_{\text{pás}} \times N$); kurtosis elevada na banda alta distingue a impulsividade da cavitação de outros ruídos de banda larga. A assinatura estocástica separa cavitação de defeitos determinísticos (rolamento, desalinhamento); sub-síncronos 0,3–0,8×RPM apontam recirculação. Baseline primeiro: estabeleça a referência da máquina sã em condição de carga conhecida e alarme por desvio (ex.: 2× o RMS de banda alta do baseline) — o valor absoluto varia máquina a máquina.
• Emissão acústica (100 kHz–1 MHz): capta o colapso e a nucleação de microtrincas antes do espectro convencional — o estágio mais precoce do P-F; exige sensor dedicado e disciplina contra ruído industrial.
• Pulsação de pressão: transdutores dinâmicos na sucção/descarga; amplitude em BPF e harmônicos cresce com cavitação; componentes de baixa frequência denunciam instabilidade de recirculação (Gülich, cap. 10).
• Corrente do motor (via VFD): oscilações de torque pela variação de densidade do fluido bifásico aparecem na assinatura de corrente — detecção sem sensor adicional, útil em frotas distribuídas.
• Desempenho: queda de head ≥ 3% define o limiar de teste; em operação, a tendência (PIMS) de head e potência contra a curva de referência denuncia o regime antes disso.
• Estado da arte: a revisão de Liu et al. (Processes, 2023) consolida o campo — vibração é o método mais difundido, emissão acústica o mais precoce; classificadores de ML sobre espectros alcançam acurácias altas em bancada (fusão de sinais supera sinal único), com o gargalo prático na escassez de dados rotulados de cavitação real — transfer learning é a fronteira ativa. Digital twins hidráulicos calculam NPSHa em tempo real da instrumentação de processo e alarmam a margem, não o sintoma.

Conexão com confiabilidade — Weibull e o fechamento RCM

Tratando a erosão como desgaste: β ≈ 1,5–3 sobre o tempo em condição cavitante — use a calculadora abaixo para sensibilidade de $R(t)$, MTTF e B10. No Fw A a categoria é Mixed/Complex (Nowlan & Heap: os padrões de gatilho aleatório dominam): não há idade característica de falha enquanto a condição operacional não se instala — TBM é tecnicamente inválida (trocar impelidor "a cada N meses" não remove nem antecipa o gatilho). Com P-F detectável e falha evidente, a decisão é CBM com periodicidade P-F/2 (Moubray, cap. 7 — tarefas preditivas), monitoramento contínuo justificado em ativos críticos ou de P-F curto. A saída definitiva permanece operacional/de projeto: margem de NPSH e posição no BEP são variáveis de engenharia, não de manutenção.