manutenção mecânica e aprimoramento das

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VI SEREA - Seminário Iberoamericano sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de Água
João Pessoa (Brasil), 5 a 7 de junho de 2006
MANUTENÇÃO MECÂNICA E APRIMORAMENTO DAS CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO
DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA HORIZONTAL DO SISTEMA RIO DAS VELHAS
Jair Nascimento Filho1; Thiago Nogueira Carneiro2
Resumo - O Sistema Rio das Velhas, da COPASA MG, é um dos principais que abastecem a
Grande Belo Horizonte, com capacidade para bombear até 6.750l/s de água tratada. São nove
conjuntos moto-bombas de aproximadamente 2500HP de potência funcionando paralelamente. Foi
realizada uma manutenção corretiva em uma das bombas com o objetivo de aumentar o rendimento
da mesma em no mínimo 3%. Uma série de medidas que incluem limpeza, aplicação de
revestimentos anticorrosivo e antifricção, alinhamento e balanceamento do conjunto moto-bomba,
visam resgatar ou ao menos se aproximar novamente do rendimento, daquele previsto pelo
fabricante da bomba. A aplicação dos revestimentos tem como conseqüência um aumento do
rendimento do sistema e conseqüentemente redução do consumo de energia elétrica, e aumento de
vida útil da bomba.
Abstract – The “Sistema Rio das Velhas”, located in the state of Minas Gerais, Brasil, is one of the
major water supply system responsible for the provision and storage of water to the use of a
population of, approximately 1600000 people living in Belo Horizonte (capital) and nearby areas.
The “Sistema Rio das Velhas” machinery consists of nine machines working together, with the
potential of near 2500HP and a capability of pumping up to 6750L/s of treated water. Recently, one
machine of this system was put on a maintenance process with the purpose of improving its
performance at a minimum rate of 3%. In order to succeed in this process, some measures, such as,
cleaning up, application of a covering product to prevent corrosion and lessen friction, alignment
and balance of machine, were taken with the aim of recover its useful performance, at the same
level, or closer, to the one designed for the manufacture. As a result of the application of the
recovering product, the energy consumed by the machine was reduced and, consequently, its
timework is expected to be increased.
Palavras-Chave: moto-bomba, manutenção, rendimento.
1
Universidade Federal de Minas Gerais – Campus Pampulha –DEMEC – CPH - UFMG. Av. Antônio Carlos, n ° 6627
– CEP 31270-901 – Belo Horizonte – MG - tel: (031) 3499-4925. E-mail: [email protected].
2
UFMG. Av. Antônio Carlos, n ° 6627 , Pampulha – CEP 31270-901 – Belo Horizonte – MG
INTRODUÇÃO
O Sistema Rio das Velhas (SRV), de propriedade da COPASA MG, é o principal responsável pela
captação, tratamento, armazenamento e distribuição da água para cerca de um milhão e seiscentas
mil pessoas em cinco cidades do aglomerado metropolitano (Belo Horizonte, Sabará, Santa Luzia,
Nova Lima e Raposos), o equivalente a 43% da população atendida pela empresa na RMBH. São
bombeados cerca de 6.750l/s. Dessa forma, qualquer pequena melhoria de rendimento em termos
percentuais representa uma grande economia para a empresa.
São nove conjuntos moto-bombas de aproximadamente 2.500HP de potência funcionando
paralelamente. Foi feita uma proposta para manutenção em uma das nove unidades, e em caso de
resultado satisfatório, aplicação do mesmo procedimento nas demais. O objetivo desse trabalho é o
estudo do impacto que a manutenção corretiva proposta para o conjunto moto-bomba acarreta em
termos do seu rendimento, e conseqüentemente da verificação de sua viabilidade econômica.
Inicialmente apresenta-se uma descrição sucinta do SRV. Em seguida é apresentada uma descrição
do conjunto moto-bomba, a metodologia na manutenção, resultados e análise de viabilidade
econômica.
O SISTEMA RIO DAS VELHAS
A captação é do tipo superficial, localizada no distrito de Bela Fama, no município de Nova Lima.
Constitui-se de uma barragem construída em concreto armado com comportas em madeira. É feita
uma bifurcação no rio, que o divide em duas alças onde foram construídas duas barragens
insubmersíveis, também em concreto armado e providas individualmente de três comportas. Em
seguida está o canal de tomada d’água, em concreto armado com 85m de comprimento, 12m de
largura e 8,9m de altura. Este canal é suprido de água por uma das alças de captação que conduz a
água até a Estação Elevatória de Água Bruta (EBR).
A EBR é dotada de dez poços de sucção sob o piso. O recalque é realizado com ajuda de 10
conjuntos moto-bomba, bombas centrífugas de eixo vertical capazes de recalcar até 9500l/s a uma
altura manométrica de 28m.c.a.. Os motores das bombas são alimentados por duas subestações
elétricas 13,8kV e possuem três transformadores de 750kVA cada. Deste ponto a água bruta é
conduzida em duas canalizações paralelas em aço, com diâmetro 1800mm, extensão de 800m cada,
para a Estação de Tratamento de Água (ETA).
A ETA desse sistema é do tipo convencional que consiste na medição de vazão, aplicação de
produtos químicos (cal, cloro férrico ou sulfato de alumínio), misturadores rápidos (coagulação),
floculação mecanizada, decantação, filtros descendentes, desinfecção (cloração), fluoretação e
correção de pH. A água tratada é levada por gravidade em uma adutora de 3330m de canalização,
sendo 3072m em concreto armado e 258m em aço, diâmetro de 2400mm para a chamada Estação
Elevatória de Água Tratada (EAR) (Fig. 1), onde fica armazenada em um reservatório de
compensação, em concreto armado com capacidade de 9000m3. Esta estação abriga ainda a
subestação elétrica e a casa de máquinas.
A subestação recebe da subestação CEMIG de Nova Lima, energia com tensão de 138kVA, supre a
EAR, e através de linha de transmissão interna de 3900m supre a ETA e EBR. Possui três
transformadores trifásicos com potência de 12,5MVA (com ventilação forçada), dois com relação
de 138/6,6kV e um com 138/13,2/6,6kV. Existe ainda neste pátio uma subestação elétrica elevadora
de 6,6/13,8kV, com a finalidade de alimentar a linha de transmissão para a ETA e EBR com dois
transformadores de 3MVA, relação 6,6/14,4kV.
Fig. 1: Estação Elevatória de água Tratada
A casa de máquinas abriga nove conjuntos moto-bombas de 750l/s de vazão nominal cada uma,
além dos painéis e mesas de comando, cubículos, painéis de proteção, etc.
As unidades de bombeamento 1, 2, 3, 4, e 5, (Figura 2) são equipadas com bombas KSB de altura
manométrica 195m.c.a., vazão 750l/s, e velocidade de rotação de 1200rpm, acionadas por motores
elétricos TITAN de 2600HP, 6600V, e 1200rpm.
Figura 2: Unidades de bombeamento 1, 2, 3, 4, e 5.
As unidades de bombeamento 6,7,8,e 9, são equipadas com bombas Worthington, de altura
manométrica 195m.c.a.,vazão 750l/s, e velocidade de rotação de 1730rpm, acionadas por motores
elétricos ABB de 2535HP, 6600V, e 1730rpm. E é justamente sobre a bomba da unidade 9 que se
concentra o foco desse estudo.
A água tratada é então levada para a Adutora Alta de Água Tratada através de três linhas de
recalque em aço assentadas em uma rampa de concreto armado de 750m de comprimento, sendo
duas com diâmetro nominal de 1200mm e uma com 1520mm. Uma câmara de transição (“standpipe”) em concreto armado tem a finalidade de equalizar as pressões hidrostáticas na adutora de
jusante. A adutora alta é responsável pelo transporte por gravidade, de água tratada a partir do
“stand-pipe” até o túnel reservatório São Lucas. É constituída de conduto em concreto armado com
oito trechos de aço denominados sifões, para travessias aéreas de vales. Apresenta extensão total de
13541m, sendo 11490m em concreto, 2051m em aço e diâmetro 2400mm. Esta adutora nos trechos
de concreto opera em canal e para a travessia da Serra do Curral possui dois túneis, sendo o
primeiro de 227m de extensão e o segundo de 1770m.
O CONJUNTO MOTO-BOMBA
Bomba centrífuga de eixo horizontal, marca Worthington, tipo 16LNH-27, modelo 24QL19,
descarga lateral, “afogada”, carcaça em voluta bipartida horizontalmente na linha de centro e dotada
de conduto de sucção e descarga integrais com a parte inferior da carcaça. Voluta de sucção dupla,
simples estágio, apoio dos mancais fundido integralmente com a carcaça, posição de sucção lateral
e rotor reforçado. Altura manométrica nominal é de 195m.c.a. e a vazão nominal 750l/s. Em
condições nominais o rendimento previsto pelo fabricante é de 84%. A rotação é anti-horária. O
motor é elétrico marca ABB, de 4 pólos, potência de 2535HP, alimentado com 6600V a 1730rpm
(Figura 3 e figura 4).
Figura 3: Vista frontal da bomba desmontada
Figura 4: Vista lateral da bomba desmontada
A figura 5 apresenta uma vista da unidade de bombeamento sem o motor, e a figura 6 da unidade de
bombeamento completa.
Figura 5: Unidade de bombeamento sem o motor
Figura 6: Unidade de bombeamento
A carcaça em voluta é fabricada em aço, bi-partida horizontalmente ao longo do eixo. A abertura de
sucção é de 20 polegadas e a de descarga é de 16 polegadas.
O rotor é de aço inoxidável, com diâmetro de 18,25 polegadas, fechado e reforçado, de dupla
sucção e enchavetado aos eixos.
O eixo foi projetado e usinado de modo a assegurar fixação firme para o rotor e rigidez capaz de
proporcionar longa vida aos mancais e engaxetamento.
O engaxetamento é convencional. As caixas de gaxetas, integrais com a carcaça, são de grande
profundidade a fim de impedir a sucção de ar nas zonas em que o eixo atravessa a carcaça. Os anéis
de gaxeta são de amianto grafitado, trançados, de seção quadrada.
Utiliza como mancal axial-radial um rolamento de uma carreira de esferas.
A escorva é feita por gravidade, pois a bomba trabalha “afogada” (centro da bomba abaixo do nível
de líquido do reservatório inferior). Basta abrir um registro no ponto mais alto da carcaça para a
saída do ar.
Os mancais de rolamento são lubrificados a óleo mineral, bem refinado e de alta qualidade. Para a
velocidade de trabalho de 1730rpm o mais indicado é o de viscosidade SAE 30.
A MANUTENÇÃO PROPOSTA
A manutenção proposta consta de limpeza, aplicação de revestimentos anticorrosivo e antifricção,
alinhamento e balanceamento do conjunto moto-bomba. A aplicação dos revestimentos tem como
conseqüência um aumento do rendimento do sistema e conseqüentemente redução do consumo de
energia elétrica, e aumento de vida útil da bomba. O objetivo é resgatar ou ao menos se aproximar
novamente o rendimento, daquele previsto pelo fabricante da bomba.
O preparo das superfícies de aço para aplicação de revestimentos passa por uma limpeza prévia da
superfície para propiciar um melhor contato dessa superfície com o revestimento aplicado. A
limpeza por ação mecânica mais adequada para a bomba é a limpeza com jateamento abrasivo. Esse
jateamento consiste na remoção, com ajuda um jato abrasivo de areia, da camada de óxidos e outras
substâncias depositadas sobre a superfície. Um grau de limpeza indicado para o material, segundo a
Norma Sueca SIS 05 59 00 é o jateamento ao metal quase branco, que consiste numa retirada quase
total de óxidos e carepa de laminação. O jato é mantido por tempo suficiente para assegurar a
remoção da carepa e outras impurezas de tal modo que se admite cerca de 5% da área com manchas
ou raias de óxidos incrustados. Ao final da limpeza a superfície deverá apresentar cor cinza clara.
Corresponde ao padrão AS 2 1 2 da norma SIS 05 59 00.
Para o tratamento na bomba optou-se por utilizar um revestimento anticorrosivo com fibra de vidro,
já que este revestimento oferece proteção anticorrosão química e impermeabilização de estruturas
concreto ou de aço (que é o caso da bomba).
Um bom revestimento antifricção seria algum material monolítico com mantas de vidro,
impregnados com resina ester-vinílica (Nunes e Lobo, 1990). Este tipo de revestimento apresenta
excelente resistência ao ataque corrosivo, resistência a choques mecânicos e térmicos, resistência à
abrasão, excelente impermeabilidade, perfeita aderência ao substrato, não retrai após a aplicação,
resistência à temperatura de até 990C e coeficiente de dilatação térmica semelhante ao substrato.
METODOLOGIA
Foi contratada para uma empresa para a execução do serviço, através de processo de licitação
pública. Segue abaixo o procedimento para realização do serviço e alguns aspectos relativos ao
contrato.
Procedimento:
•
•
•
•
•
•
•
Retirada da bomba Worthington, modelo 16 LNH 27do alto recalque
Desmontagem do conjunto na oficina
Limpeza do conjunto girante por hidrojateamento
Jateamento da parte interna da bomba e do rotor
Aplicação de revestimento anticorrosivo à base vinil éster e flocos de vidro (Polyglass VEF)
Aplicação de revestimento antifricção (Fluiglide)
Alinhamento e balanceamento dinâmico do conjunto girante conforme Norma VDI ISSO/1940
Contrato:
•
•
•
•
Prazo de execução previsto: 20 dias
Tempo de garantia: 12 meses
Melhoria de rendimento garantida: mínimo 3%
Custo: R$21.200,00
A aferição de rendimento deve ser feita pela COPASA a partir de medições pitométricas realizadas
antes e depois da execução dos serviços. O Pitot foi empregado pois é o equipamento que a
COPASA dispõe que oferece os melhores resultados de medições em campo.
RESULTADOS
O serviço foi realizado dentro de 17 dias. Em seguida o conjunto moto-bomba foi novamente
instalado e colocado em funcionamento para a realização dos testes. Apresenta-se abaixo fotos da
bomba após o serviço de manutenção e antes da montagem (Figuras 7, 8, 9, 10, 11, 12, e 13).
Concluído o trabalho de manutenção, foi realizado um estudo para se determinar o rendimento do
conjunto moto-bomba e verificar a viabilidade econômica do serviço.
A bomba opera com altura manométrica H, de 193,6m, o peso específico da água, γ, é considerado
1000kgf/m3. As vazões medidas antes e depois do serviço foram 712L/s e 771L/s respectivamente.
Obtém-se então as potências hídricas antes Pa[HP] e depois Pd[HP] com ajuda da equação (1), e
observando-se 75kgfxm/s=1CV e que 11HP=1,014CV.
P = γQH
(1)
Pa =1814HP
Pd =1963HP
Obtém-se a potência elétrica N[HP]com ajuda da equação (2) observando-se que cosφ para o motor
do conjunto é de 0,886, que a tensão é de 6600V, e que 1HP=745,7W.
N = vi 3 cos ϕ
(2)
N a =2512HP
N d =2539HP
Esses resultados acarretam, com ajuda da equação (3) os rendimentos do conjunto moto-bomba
determinados antes e depois do serviço:
Figura 7: - Entrada da bomba
Figura 9: Carcaça inferior
Figura 11:Bomba sem carcaça superior
Figura 8: Saída da bomba
Figura 10:Carcaça Superior
Figura 12: Rotor e eixo
Figura 13: Vista geral da bomba desmontada
η=
P
N
(3)
ηa =0,722
ηd =0,773
O Quadro 1 apresenta o resumo de medições e cálculos relativos aos testes realizados antes e depois
do serviço.
Quadro 1: Dados relativos ao ponto de operação do conjunto moto-bomba
CONJUNTO
VAZÃO
CORRENTE POTÊNCIA POTÊNCIA RENDIMEN
(A)
ELÉTRICA HIDRÁULIC
TO
(HP)
A
TOTAL
(HP)
(%)
l/s m3/h
Antes 712 2563
185
2512
1814
72,2
9
Depois 771 2776
187
2539
1963
77,3
O ganho de 5,1% foi bastante significativo superando com folga a meta mínima de 3%. Com o
ganho de rendimento, a COPASA passa a ter duas opções: manter a vazão e reduzir o consumo de
energia ou aumentar a vazão da bomba consumindo a mesma energia de antes, sem aumentar os
custos. A política da empresa é de sempre bombear o maior volume de água possível. Existe um
acordo com a CEMIG que prevê a utilização de no máximo cinco unidades de bombeamento
trabalhando simultaneamente no horário de maior demanda de energia (18:00h a 21:00h). Como a
demanda de água nesse horário também é alta, é interessante para a COPASA que neste período em
especial seus equipamentos rendam o máximo possível. Por isso foi adotada a segunda opção:
aumentar a vazão consumindo a mesma energia.
Quanto ao retorno do investimento, foi realizada uma avaliação em termos de economia de energia
elétrica. Definindo consumo específico de energia de acordo com a equação (4) e considerando as
situações antes e depois da manutenção obtém-se a diferença de consumo específico de energia com
ajuda da equação (5).
Ce =
consumo
Q
(4)
•
A bomba consumia antes da reforma 2512HP de energia, ou 1873kW. A vazão era de 2563m3/h.
1873kW
Ce a =
= 0,7308kWh / m 3
3
2563m / h
•
Após a reforma houve uma melhoria de 5,1% no rendimento.
Ce d = Ce a (1 − 0,05) =0,6936kWh/m3
∆Ce = Ce a − Ce d
∆Ce = 0,0372kWh/m3
(5)
Definindo Ganho de acordo com a equação (6), e considerando-se o preço médio da energia (PME)
fornecida pela CEMIG no Sistema Rio das Velhas, de R$124,00 por MWh, obtém-se:
Ganho = ∆Ce x preço
(6)
3
Ganho=0,0372kWh/m3 x R$0,124/kWh=0,004613R$/m
•
Bombeando atualmente 2776m3/h, a economia diária é de:
Ganho / dia = Ganho x Q x 24 horas=0,004613R$/m3 x 2776m3/h x 24h=R$307,32
Definindo tempo de retorno de acordo com a equação (7), e considerando-se o preço do serviço
obtém-se:
Tempo de retorno = custo / ganho
•
(7)
Custo da reforma: R$21.200,00.
Tempo de retorno = R$21.200,00 / R$307,32 / dia
•
Tempo de retorno = 69 dias
Este tempo de retorno pode ser um pouco estendido, pois foi considerado que a máquina trabalharia
24 horas por dia. Considerando por exemplo, uma parada de um dia por semana, o tempo de retorno
seria de menos de 3 meses, ou seja, a reforma foi benéfica para a empresa com retorno de
investimento em um curto prazo.
CONCLUSÕES
•
•
•
•
O aumento do rendimento do conjunto moto-bomba de 5,1% foi bastante significativo
superando com folga a meta mínima de 3%.
Um investimento de pouco mais de R$20.000,00 pode ser recuperado em um curto prazo,
gerando uma redução no consumo específico de energia elétrica.
A médio e longo prazo, a empresa agrega valor aos seus equipamentos, garante um
funcionamento mais equilibrado para a bomba, reduz ruídos e evita paradas desnecessárias do
sistema.
O serviço de manutenção atendeu plenamente os objetivos propostos inicialmente
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
NUNES, L. P., LOBO, A. C. Preparação da superfície metálica para pintura. In: “Pintura Industrial
Anticorrosiva”. Rio de Janeiro: LTC, 1990. Cap 5, p.43-55.

manutenção mecânica e aprimoramento das

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