PROTECAO DE EIXOS DE BOMBAS CENTRIFUGAS PELO PROCESSO PTA

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PROTEÇÃO DE EIXOS DE BOMBAS CENTRÍFUGAS PELO PROCESSO 
PTA 
 
Edson Hiromassa Takano 1
Ana Sofia C.M. D’Oliveira 2 
hiromassa@gmail.com 1
sofmat@ufpr.br 2 
 
1, 2 Departamento de Engenharia Mecânica, Setor de Tecnologia, Universidade Federal do Paraná, 
Centro Politécnico, s/n - Bairro Jardim das Américas, CEP: 81531-990 - Curitiba - Paraná - Brasil 
 
Resumo. Nas plantas de refino de petróleo as bombas centrífugas operam sob severas condições de 
serviço e o eixo é um dos componentes que sofre o desgaste, ocorrendo principalmente nos seus 
pontos de apoio. Este trabalho visa elaborar um procedimento para proteção em eixo de bombas e 
a otimização dos parâmetros de processamento com a utilização do processo a Plasma por Arco 
Transferido (PTA). Para o revestimento utilizou-se a liga a base de cobalto conhecida 
comercialmente com Stellite 1 e 6. Para a deposição, adotamos uma configuração onde se fixou o 
componente em um sistema de rotação constante e a tocha posicionada na parte superior tangente 
ao eixo. A intensidade de corrente é um parâmetro a ser controlado, pois quanto maior o aporte 
térmico maior o problema de distorção do eixo e da zona termicamente afetada (ZTA). Deve-se 
controlar a velocidade de rotação do componente, pois quanto menor a rotação maior a tendência 
do material de aporte começar a escorrer devido ao acumulo de material. Portanto neste contexto 
com a utilização das vantagens do processo PTA permitirá melhorar a integridade estrutural do 
revestimento e minimizar/eliminar a distorção do eixo. 
 
Palavras-Chave: Plasma por Arco Transferido, PTA, Ligas de Co. 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
Bombas centrífugas são utilizadas em unidades de refino pela necessidade de transferir produto 
de um ponto para o outro, dando-lhe pressão e vazão conforme a Fig. (1). Entre outros aspectos 
cada bomba depende da pressão, da vazão, do produto (derivado do petróleo) e claro das 
características do fluído (gasolina, querosene, etc). O principal componente que sofre desgaste é o 
eixo das bombas centrífugas e ocorre principalmente nos seus pontos de apoio (selos mecânicos e 
mancais). Estas bombas operam na temperatura do fluído que podem chegar até 450º C. 
Nas plantas de refino de petróleo as bombas centrífugas operam sob severas condições de 
serviço e o eixo é um dos componentes que sofre o desgaste, ocorrendo principalmente nos seus 
pontos de apoio. 
VII Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial, 03 a 05 de outubro de 2007, Curitiba – PR 
 
 
 
a) b) 
 
Figura 1 – Esquema da Bomba Centrífuga: a) fonte: Sulzer e b) site da UFRN 
 
Este trabalho visa elaborar um procedimento para proteção em eixo de bombas e a otimização 
dos parâmetros de processamento com a utilização do processo a Plasma por Arco Transferido 
(PTA). 
 
2. SELEÇÃO DO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO 
 
A seleção do processo de deposição é tão importante quanto à seleção da liga a ser depositada, 
ou seja, depende de vários fatores como as condições de operação, características do metal de base, 
geometria e as dimensões da peça, relação custo/benefício do componente a ser revestido e o custo de 
processamento. 
O processo de deposição a Plasma por Arco Transferido (PTA) tem características exclusivas 
que tornam o processo extremamente atrativo para aplicações de revestimentos in-situ. A utilização 
de material de adição na forma de pó, maior flexibilidade na seleção do material de aporte, aliada a 
elevada concentração de energia inerente ao processo resulta em revestimentos com baixa diluição, 
baixa distorção e bom acabamento superficial. E a otimização dos parâmetros de processamento é 
essencial para a obtenção de um revestimento de qualidade. 
Existe uma grande variedade de materiais que podem ser utilizados como revestimento, dentre os 
mais importantes podemos citar as ligas a base de cobalto, conhecida comercialmente como Stellite 1 e 
6. Esta liga, Stellite 6, é uma das mais utilizada, pois apresenta uma excelente resistência a diversas 
formas de degradação, tanto químicas como mecânicas. Atributos relacionados à sua excepcional 
resistência ao desgaste por abrasão, erosão, por impacto e cavitação. 
A liga Stellite 1 confere elevada dureza devido à grande quantidade de carbonetos presentes e é 
recomendada para proteção de componentes sujeitos a severo desgaste a alta temperatura. A liga 
por ser de difícil soldabilidade é necessário um pré-aquecimento do material base, Yaedu et al 
(2003 e 2005). 
A geometria do componente é um fator de extrema importância, pois as tensões trativas geradas 
durante o processo de deposição em corpos cilíndricos é muito maior comparado com os substratos 
planos. Vários trabalhos (Yaedu, 2003; Takeyama, 2004) mostraram que a liga Stellite 1 e 6 para 
substratos planos e a utilização do processo PTA, os revestimentos obtidos são homogêneos e 
densos, apresentando excelente união metalúrgica com o substrato e com excelente resistência ao 
desgaste. 
 
3. PROCESSO A PLASMA POR ARCO TRANSFERIDO (PTA) 
 
O processo de deposição a Plasma por Arco Transferido (PTA) é um processo de arco elétrico 
com proteção gasosa e alta densidade de energia. O PTA pode ser considerado uma modificação do 
processo de soldagem TIG (Tungsten Inert Gas), onde a coluna do arco elétrico (Arco Plasma) sofre 
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uma constrição, resultante da passagem do arco através de um orifício de diâmetro reduzido, 
normalmente de cobre, refrigerado a água (Bracarense, 2000; WAINER, 1992; ASM, 1992). 
Em relação aos outros processos de soldagem utilizados, o PTA permite uma maior eficiência de 
deposição e alta confiabilidade e reprodutibilidade. 
As principais vantagens do processo de aplicação de revestimentos por PTA são listadas a 
seguir: 
• Estabilidade do arco, mesmo com corrente muito baixa; 
• Processo limpo, sem escória e/ou respingo; 
• Menor tendência à distorção; 
• Os revestimentos obtidos são homogêneos e densos, apresentando excelente união metalúrgica 
com o substrato; 
• Diluição típica em torno de 5% a 20 %; 
• Flexibilidade na escolha do material a ser depositado pelo fato de utilizar metal de adição em 
forma de pó; 
 
As principais desvantagens do processo de aplicação de revestimentos por PTA são: 
• Equipamento de maior complexidade, o que gera maior custo de manutenção; 
• O equipamento é relativamente caro e necessita de uma instalação permanente; 
• O consumo de gás argônio é um pouco maior que no processo TIG; 
• Requer do operador maior conhecimento do processo. 
 
Os revestimentos foram processados utilizando-se o equipamento a Plasma por Arco 
Transferido, modelo STARWELD 300M produzido pela Deloro Stellite, instalado no Laboratório 
de Engenharia de Superfície da Universidade Federal do Paraná, Fig. (2). O equipamento básico é 
constituído pela fonte de energia, de uma tocha, cilindros de gases, circuito de água de resfriamento 
e um painel de controle. 
 
 
 
Figura 2 – Plasma por Arco Transferido (PTA) 
 
A tocha utilizada foi o modelo 200 produzida pela Deloro Stellite, a faixa de trabalho para a 
intensidade de corrente está compreendida entre 50A a 200A, sendo provida de um eletrodo de 
tungstênio não consumível com diâmetro de 1/8” e um bocal de cobre, conforme a Fig. (3). 
 
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Figura 3 – Tocha do PTA 
 
Para a aplicação do revestimento o eixo foi seccionado em pontos específicos, regiões onde o 
componente sofre desgaste. O local de interesse são os seus pontos de apoio (mancais e selo 
mecânico). 
Para rotacionar o eixo de aço ligado de 90 mm de diâmetro, foi utilizado um conjunto onde o 
sistema de rotação consiste de uma placa de três castanhas acoplado a um motor de ½ CV e um 
inversor de freqüência da WEG. 
Para o processo de deposição, desenvolvemos uma configuração onde se fixou o componente 
emum sistema com rotação constante e a tocha posicionada na parte superior tangente ao eixo. O 
eixo foi seccionado e acoplado a uma placa de três castanhas com velocidade angular constante e a 
distância Tocha-Peça de 10 mm, Fig. (4). 
 
 
 
Figura 4 – Posicionamento e a distância Tocha-Peça 
 
O processo utiliza dois arcos ajustáveis independentemente, arco não transferido chamado de 
piloto, obtido de um circuito de alta freqüência entre um pólo negativo (eletrodo de tungstênio) e 
um ânodo (bocal de cobre), conforme a Fig. (5-a). Este arco piloto é utilizado para iniciar e 
estabilizar o arco principal, entre o eletrodo de tungstênio (cátodo) e a peça que está sendo revestida 
(ânodo) através da ionização do gás inerte, argônio, direcionado ao redor do eletrodo. Quando o 
arco principal é formado, Fig. (5-b), o arco piloto é extinto e somente volta a ser estabelecido 
quando o arco principal é extinto. 
 
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a) b) 
 
Figura 5 – a) Arco Piloto e b) Arco Principal 
 
A deposição por PTA é um processo no qual um material em pó, liga atomizado ou mistura de 
pós é introduzido no arco plasma onde é fundido e este spray térmico ao atingir a poça fundida no 
substrato, forma um depósito denso e homogêneo, com excelente ligação metalúrgica ao metal de 
base. 
 
4. PARÂMETROS DE PROCESSAMENTO 
 
Nesta etapa a abordagem será em função da verificação da soldabilidade do material base, eixo 
da bomba centrífuga, com a utilização das ligas atomizado a base de cobalto conhecida 
comercialmente como Stellite 1 e 6. As composições químicas estão indicadas na Tab. (1). 
Para o processamento foram utilizadas duas intensidades de corrente, 120A e 150A. Os demais 
parâmetros constantes como a distância tocha-peça, vazão do gás de proteção, de plasma e de 
arraste ou transporte estão apresentado na Tab. (2). O quarto eixo do sistema, rotação do eixo, foi 
calculado para manter com uma velocidade angular constante de 2 rpm. 
 
Tabela 1 - Composição Química (Deloro Stellite) 
 
 Co Ni Fe C Cr Mn Si W 
Stellite 1 Bal. Max. 3 Max. 2.5 2.45 31 1 1 13 
Stellite 6 Bal. Max. 3 Max.3 1.2 28 1 1.1 4.5 
 
Tabela 2 – Parâmetros Constantes 
 
Distância Tocha-Peça (mm) 10 
Vazão do Gás de Plasma (l/min) 2,2 
Vazão do Gás de Proteção (l/min) 15 
Vazão do Gás de Arraste (l/min) 2,2 
 
O alinhamento da peça com a tocha é uma da etapa fundamental, Fig. (6), pois caso a simetria 
não tenha a proporção exata haverá uma oscilação da distância Tocha-Peça e o revestimento não 
apresentará uma homogeneidade em todo o contorno da sua superfície. Isto resultará em diferentes 
níveis de penetração, diluição, dimensões do cordão (largura e reforço) e conseqüentemente 
comprometendo o revestimento. 
 
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Figura 6 – Alinhamento do eixo e a tocha. 
 
A velocidade angular do eixo deve ser controlada, pois quanto menor a rotação maior é o tempo 
da poça liquida permanecer aquecida e conseqüentemente o material líquido tenderá a escorrer. O 
inverso com a rotação muito alta, o cordão tenderá ter uma largura muito fina ou até mesmo a não 
aderência do revestimento na peça. 
Os cordões foram processados utilizando duas intensidades de corrente, 120A e 150A, e duas 
ligas a base de cobalto, caracterizado pela alteração da composição química. Na Figura 7 estão 
organizado da esquerda para a direita os respectivos revestimentos: 120A e 150A com Stellite 1 e os 
subseqüentes estão os de 120A e 150A com Stellite 6. 
 
 
 
Figura 7 – Revestimento com diferentes intensidades de corrente e composição química da liga 
 
Para a averiguação dos cordões foram analisados por inspeção visual para identificação de 
descontinuidades superficiais, trincas e ou poros superficiais. 
Na Figura 8 os revestimentos estão organizado conforme a intensidade de corrente (120A e 
150A) em função das ligas a base de cobalto (Stellite 1 e 6). Pode-se verificar que os cordões não 
apresentam trincas ou poros superficiais, mas há resquício de excesso de pó, o que é devido à 
configuração da tocha por apresentar quatro orifícios de saída dos pós, na Fig. (9). O intuito é de 
revestir o eixo com a máxima eficiência para não haver desperdício de pó e ao mesmo tempo obter 
um reforço expressivo. 
O processo PTA proporciona excelente união metalúrgica, revestimentos homogêneos e densos. 
Portanto, como o material base não apresentou problemas de soldabilidade para as ligas Stellite 1 e 
Stellite 6, não houve a necessidade de um pré-aquecimento do eixo. Pois a maior dificuldade estava 
associada a sua geometria, corpo cilíndrico, pois as tensões trativas gerada durante o processo é 
muito maior comparado com os substratos planos. 
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 Corrente de 120 A Corrente de 150 A 
Stellite 1 
 
Stellite 6 
 
Figura 8 – Revestimentos em função da intensidade de corrente pelas composição química 
 
 
 
Figura 9 – Orifícios de saída dos pós 
 
A intensidade de corrente é um parâmetro a ser controlado, pois influência na qualidade 
superficial dos revestimentos. E quanto maior o aporte térmico maior o problema de distorção do 
eixo e da zona termicamente afetada (ZTA). 
O processo PTA por ser uma técnica de alta confiabilidade e reprodutibilidade, algum 
problemas da soldagem convencional não são observados como escórias ou respingos. 
 
5. PRINCIPAIS RESULTADOS E SEUS IMPACTOS 
 
• O processo pode ser utilizado para diversas geometrias; 
• O equipamento possui uma alta taxa de eficiência quanto à confiabilidade e reprodutibilidade; 
• A rotação é um parâmetro a ser controlado; 
• A intensidade de corrente é um fator que influência na qualidade superficial do revestimento; 
• A tocha por apresentar quatro orifícios de saída de pó, a taxa de alimentação é um parâmetro 
a ser otimizado; 
• O alinhamento entre o eixo e a tocha é um fator de que necessite cuidados no inicio do 
processo; 
• Não é necessário um pré-aquecimento do componente; 
• Assim sendo o processo de deposição permitirá minimizar/eliminar a distorção do eixo e 
melhorar a integridade estrutural. 
 
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6. REFERÊNCIA 
 
Bracarense A.Q., “Soldagem a plasma – PAW”, Belo Horizonte - MG, 2000. 
Wainer E., Brandi S.D., Mello F.D.H., “Soldagem: Processos e metalurgia”, Editora Edgard 
Blucher Ltda, 1992. 
ASM International, “Metals Handbook”, vol. 18, 1992 
Yaedu, A. E. ; D'Oliveira, A. S. C. M., “Co Based Alloy PTA Hardfacing with Different 
Dilution Levels”, Materials Science and Technology, United Kingdom, v. 21, n. 4, p. 459-466, 
2005. 
Yaedu, A. E., “Influência Do Substrato Na Deposição De Stellite 1 Com Plasma De Arco 
Transferido”, Dissertação de Mestrado, 2003. 
 Takeyama, R.R. , D’Oliveira, A.S.C.M., “Aumento da Resistência de Revestimentos de Co pela 
Adição de Carbonetos de Tungstênio”, CBCIMAT, 2004