Válvula de Controle: Borbulhamento vs. Cavitação: Qual é a Diferença?

Borbulhamento e cavitação são dois fenômenos de fluidos comuns associados a quedas de pressão em válvulas de controle. Ambos podem ocorrer quando um líquido passa por uma válvula e sua pressão local cai para ou abaixo da pressão de vapor do líquido.

Como ambas as condições envolvem bolhas de vapor, elas são às vezes confundidas uma com a outra.

A principal diferença é o que acontece com essas bolhas depois que o líquido sai da válvula.

Na borbulhamento, as bolhas de vapor permanecem no fluxo a jusante porque a pressão a jusante permanece abaixo da pressão de vapor do líquido.

Na cavitação, a pressão se recupera acima da pressão de vapor e as bolhas de vapor colapsam.

1. O que é Borbulhamento?

O borbulhamento ocorre quando um líquido vaporiza ao passar por uma válvula de controle e permanece parcialmente vaporizado a jusante.

O processo começa quando a pressão local cai para ou abaixo da pressão de vapor do líquido.

Se a pressão a jusante permanecer abaixo da pressão de vapor, as bolhas de vapor não colapsam.

Em vez disso, a mistura líquido-vapor continua a jusante.

Uma aplicação de válvula de controle é geralmente considerada borbulhamento quando:

P₂ < Pᵥ

onde:

• P₂ = pressão a jusante
• Pᵥ = pressão de vapor do líquido

O borbulhamento pode causar erosão significativa porque a mistura líquido-vapor de alta velocidade pode impactar continuamente as superfícies da válvula e da tubulação.

2. O que é Cavitação?

A cavitação começa de forma semelhante.

À medida que o líquido passa pela restrição dentro de uma válvula de controle, a velocidade aumenta e a pressão local diminui.

Se a pressão na vena contracta atingir a pressão de vapor do líquido, bolhas de vapor podem se formar.

A diferença ocorre a jusante.

Se a pressão do líquido se recuperar acima da pressão de vapor, as bolhas colapsam.

Esse colapso libera energia e pode produzir:

• Ruído
• Vibração
• Pites
• Danos no trim
• Redução do desempenho da válvula

Danos por cavitação são frequentemente caracterizados por uma superfície áspera, com pites ou irregular.

3. Borbulhamento vs. Cavitação

A distinção depende principalmente da relação entre pressão a jusante e pressão de vapor.

4. Por que o Borbulhamento Causa Erosão?

Quando ocorre borbulhamento, o líquido se transforma em uma mistura líquido-vapor.

A mistura pode atingir alta velocidade através e a jusante da válvula.

Ao contrário da cavitação, as bolhas de vapor não colapsam repetidamente contra a superfície da válvula porque a pressão a jusante permanece abaixo da pressão de vapor.

A principal preocupação é, portanto, a erosão contínua do fluxo bifásico de alta velocidade.

Os danos por borbulhamento podem ter uma aparência relativamente lisa e polida, o que difere dos pites ásperos comumente associados à cavitação.

5. Por que a Cavitação Causa Pites?

Em serviço de cavitação, bolhas de vapor se formam quando a pressão local se torna suficientemente baixa.

À medida que a pressão se recupera a jusante, as bolhas colapsam.

Se o colapso ocorrer perto de uma superfície metálica, a energia liberada durante o colapso da bolha pode causar danos localizados.

O colapso repetido pode produzir uma superfície áspera e com pites no trim da válvula.

Em casos graves, os danos podem se estender para a tubulação a jusante.

6. Como Identificar Borbulhamento ou Cavitação?

Alguns sinais práticos podem ajudar a identificar o problema.

Possíveis Sinais de Cavitação

• Ruído alto
• Vibração forte
• Trim da válvula com pites
• Falha repetida do trim
• Controle instável
• Danos perto da área de recuperação de pressão

Possíveis Sinais de Borbulhamento

• Erosão contínua
• Superfícies danificadas lisas ou polidas
• Fluxo bifásico a jusante
• Alta velocidade a jusante
• Erosão da saída da válvula e da tubulação a jusante

No entanto, a inspeção visual sozinha não é suficiente para determinar a condição exata do fluxo.

A pressão do processo, temperatura, vazão e pressão de vapor do líquido devem ser revisados.

7. Como a Cavitação Pode Ser Controlada?

Como a cavitação está relacionada à recuperação de pressão e ao colapso de bolhas, o objetivo é reduzir ou controlar as condições que permitem o colapso de bolhas danoso.

Abordagens possíveis incluem:

Redução de Pressão em Estágios

Trims especializados podem dividir a queda de pressão em múltiplos estágios.

Trim Anti-Cavitação

Gaiolas e passagens de fluxo podem ser projetadas para controlar a velocidade e a recuperação de pressão.

Dimensionamento Correto da Válvula

O dimensionamento correto ajuda a evitar velocidade desnecessariamente alta e queda de pressão excessiva.

Seleção Apropriada da Válvula

A geometria do corpo e do trim da válvula pode ter um grande efeito na recuperação de pressão e no risco de cavitação.

Por exemplo, o trim Fisher Cavitrol III é projetado para reduzir a pressão em estágios em aplicações de cavitação.

8. Como os Danos por Borbulhamento Podem Ser Reduzidos?

O borbulhamento não pode ser simplesmente eliminado pela troca da válvula de controle, pois é determinado pelas condições do processo.

Se a pressão a jusante permanecer abaixo da pressão de vapor do líquido, o borbulhamento pode ocorrer.

O objetivo é, portanto, gerenciar a erosão resultante.

Abordagens comuns incluem:

• Seleção de materiais resistentes à erosão
• Redução da velocidade local do fluido
• Uso de geometria de válvula adequada
• Proteção de superfícies vulneráveis da válvula
• Aumento da área de fluxo a jusante
• Seleção de projetos de válvulas adequados para serviço severo

A Emerson observa que o borbulhamento é uma condição do sistema e recomenda a seleção de geometria e materiais de válvula que minimizem a erosão, em vez de tentar prevenir o próprio borbulhamento.

9. A Mesma Válvula Pode Ser Usada para Borbulhamento e Cavitação?

Nem necessariamente.

As duas condições criam mecanismos de dano diferentes, portanto, a válvula deve ser selecionada de acordo com a condição real do processo.

Para cavitação, o objetivo do projeto é geralmente controlar a queda de pressão e prevenir ou reduzir o colapso de bolhas danoso.

Para borbulhamento, o objetivo do projeto é mais focado em gerenciar o fluxo bifásico de alta velocidade e minimizar a erosão.

Válvulas de controle para serviço severo podem ser projetadas para combinações específicas de cavitação, borbulhamento, erosão, alta queda de pressão e alta velocidade.

10. Quais Dados de Processo São Necessários?

Ao avaliar borbulhamento ou cavitação, forneça:

• Nome do fluido
• Vazão
• Pressão a montante
• Pressão a jusante
• Temperatura de operação
• Pressão de vapor
• Densidade do fluido
• Tamanho da tubulação
• Tamanho da válvula
• Tipo de válvula
• Queda de pressão necessária

Para uma válvula existente, forneça também o modelo da válvula e as informações do trim, se disponíveis.

Isso permite que o fornecedor da válvula avalie as condições de pressão reais em vez de diagnosticar o problema com base apenas em ruído ou danos visíveis.

Conclusão

Borbulhamento e cavitação começam a partir de uma condição semelhante: a pressão do líquido cai suficientemente baixo para a formação de bolhas de vapor.

A principal diferença é o que acontece depois:

Borbulhamento:

Forma vapor → Pressão a jusante permanece abaixo da pressão de vapor → Vapor permanece no fluxo

Cavitação:

Forma vapor → Pressão a jusante se recupera → Bolhas de vapor colapsam

Essa diferença leva a diferentes mecanismos de dano.

O borbulhamento está principalmente associado à erosão por fluxo líquido-vapor de alta velocidade, enquanto a cavitação pode causar pites severos, ruído e vibração devido ao colapso de bolhas de vapor.

O dimensionamento correto da válvula, dados de processo precisos e a seleção apropriada da válvula ou do trim são importantes para ambas as condições.

Para aplicações de serviço severo, podemos fornecer válvulas de controle e soluções de válvulas especializadas de Fisher, Flowserve, Masoneilan, Samson, Koso e outros fabricantes.

Se você estiver experimentando erosão, ruído ou vibração na válvula, forneça as condições do processo e o modelo da válvula existente para uma revisão técnica.