Cavitação em obras de engenharia civil

Por Felipe Pizatto

O que é a cavitação?

A cavitação é um fenômeno, muitas vezes indesejado, que ocorre em escoamentos. É comum em tubulações com bombas e em vertedouros de barragens.

Esse fenômeno está relacionado com o conceito de pressão de vapor. A pressão de vapor é a relação entre a pressão e a temperatura em que um fluido evapora. A água por exemplo, evapora a 100 °C quando submetida a uma pressão de 1 atm.

 
Relação pressão x temperatura de evaporação da água
Fonte: CREF UFRGS

            Quando uma região do escoamento apresenta pressão e temperatura suficientes para a evaporação, parte do fluido evapora formando bolhas de vapor no escoamento. Essas bolhas ao passarem por uma região com pressão mais elevada, retornam ao estado líquido, mas esse processo acontece na forma de implosão das bolhas. Caso essa implosão ocorra próximo à superfície sólida, o material pode ser danificado devido ao choque entre o líquido e a superfície.

Processo de implosão da bolha de cavitação
Fonte: Livia Jatoba

 

Impacto da cavitação nas obras de engenharia civil

Em tubulações hidráulicas a cavitação ocorre principalmente em bombas e o dano causado pelo fenômeno pode exigir a substituição do equipamento.

            Para evitar a cavitação o engenheiro deve verificar a pressão em todos os pontos do escoamento, de forma a garantir que a pressão ficará acima da pressão de vapor em todos os trechos do fluxo.

Dano causado pela cavitação em uma turbina Francis.

Fonte: Wikipedia

Em barragens a cavitação ocorre nos vertedouros, onde a pressão do escoamento pode ser baixa devido à alta velocidade da água. Nesse tipo de obra deve-se ter um cuidado maior com a superfície por onde o escoamento vai passar já que as regiões com imperfeições facilitam a ocorrência do fenômeno. Isso acontece porque em uma depressão, a parcela do fluido que passa rente à superfície percorre uma distância maior no mesmo intervalo de tempo, portando apresenta uma velocidade superior. Sabemos pelo Princípio de Bernoulli que uma velocidade maior num mesmo ponto do escoamento significa uma pressão menor, consequentemente, maior facilidade de ocorrer a cavitação.

“A parcela do fluido que passa rente à superfície percorre uma distância maior no mesmo intervalo de tempo”

Fonte: Autor.

Quando a cavitação ocorre em um vertedouro, o dano causado cresce exponencialmente, já que o desgaste de uma região da superfície favorece a formação de bolhas de vapor. Além disso outros fatores podem aumentar o dano gerado, como a erosão que pode ocorrer juntamente com a cavitação.

Para evitar os danos causados pela cavitação em barragens, deve-se haver uma verificação da superfície do vertedouro a fim de garantir que não haja imperfeições, além de se utilizar materiais adequados para a obra, como um concreto com alta resistência a abrasão. Também é comum instalar aeradores nos vertedouros a fim de acrescentar ar no escoamento, com isso a mistura água-ar se torna compressível, absorvendo o impacto gerado pela implosão das bolhas de vapor.

Dano causado pela cavitação no vertedouro na represa Hoover (1945).
Fonte: Hydrodynamics of Pumps - Christopher E. Brennen 

Dano causado pela cavitação em vertedouro na represa Nagarjuna Sagar.
Fonte: Analysis of Pressures on Nagarjuna Sagar Spillway - M V S S Giridhar

 

Referências

REGINATTO, Augusto. Caracterização do escoamento em vertedouro em degraus de inclinação 1v: 0,75h com aeração induzida por defletor e câmara de ar. Disponível em: https://www.lume.ufrgs.br/handle/10183/205401. Acesso em: 27/08/2020.

FREITAS, José; COSTA, Marienne; ARTIGAS, Laila. Durabilidade do Concreto. Disponível em: http://www.dcc.ufpr.br/NoVoS1T3/wp-content/uploads/2020/08/TC-031-Durabilidade-2020.pdf. Acesso em: 27/08/2020.

BRENNEN, Christopher. Hydrodynamics of pumps. Disponível em: https://authors.library.caltech.edu/25019/2/HydroPmp.pdf. Acesso em: 27/08/2020.