Como dimensionar a tubulação de recalque para uma bomba de poço profundo?

A tubulação de elevação é o tubo vertical que transporta água de uma bomba submersa em um poço para a cabeça do poço. Selecioná-la pode parecer simples: conecte um tubo à saída da bomba e estenda-o até a superfície.

Na prática, a tubulação de elevação afeta o desempenho da bomba, o consumo de energia, a carga de instalação, o golpe de aríete, a manutenção e a confiabilidade a longo prazo.

Um tubo muito pequeno produz alta velocidade da água e perda de atrito excessiva. A bomba deve então operar contra uma carga adicional, o que pode reduzir o fluxo entregue e aumentar o consumo de energia.

Um tubo desnecessariamente grande custa mais, adiciona peso e pode ser difícil de instalar dentro do revestimento do poço disponível.

A conexão de descarga da bomba também não é automaticamente do diâmetro correto para toda a tubulação de elevação. O tamanho da saída identifica a conexão mecânica na bomba selecionada. O diâmetro final do tubo deve ser verificado usando o fluxo de projeto, o diâmetro interno do tubo, o comprimento, o material, a classificação de pressão e as condições de instalação.

Uma tubulação de elevação, também chamada de tubo de coluna, tubo de queda ou tubo de descarga, conecta a saída da bomba submersa à cabeça do poço.

Dependendo da instalação, ela pode ser fabricada em:

• Aço carbono

• Aço galvanizado

• Aço inoxidável

• PEAD

• PVC

• Tubo flexível reforçado

• Outro material de tubo de pressão aprovado

O tubo deve transportar a água bombeada enquanto suporta ou acomoda as cargas criadas pelo conjunto da bomba, cabo, válvulas de retenção e a coluna de água.

Em algumas instalações, a tubulação de elevação suporta a bomba mecanicamente. Em outras, um cabo de segurança separado ou sistema de suporte é fornecido. O arranjo completo deve cumprir as instruções do fabricante do tubo e os requisitos locais de instalação.

O diâmetro do tubo afeta a velocidade da água e a perda de atrito.

Para uma determinada taxa de fluxo, a redução do diâmetro interno aumenta a velocidade. Velocidades mais altas geralmente aumentam a perda de atrito e tornam o sistema mais sensível a movimentos súbitos de válvulas e ao início ou parada da bomba.

Aumentar o diâmetro do tubo reduz a velocidade e a perda de atrito, mas também aumenta o custo do material, o peso do tubo e o espaço necessário dentro do poço.

O diâmetro correto é, portanto, um equilíbrio entre:

• Fluxo de bomba necessário

• Velocidade aceitável da água

• Perda de atrito permitida

• Custo total da instalação

• Classificação de pressão do tubo

• Folga disponível no revestimento

• Resistência mecânica

• Requisitos de instalação e recuperação

O tamanho do tubo deve ser selecionado como parte do sistema de bombeamento completo, em vez de após a bomba já ter sido encomendada.

Um catálogo de bombas de poço normalmente fornece um tamanho de saída de descarga para cada família de bombas.

Por exemplo, diferentes famílias de modelos SLAPK 6SP podem usar diferentes conexões de descarga porque suas faixas de fluxo nominal são diferentes. A série 8SP geralmente atende a tarefas de maior fluxo e usa conexões de saída maiores.

No entanto, a dimensão da saída não determina independentemente o melhor diâmetro da tubulação de elevação.

Uma transição curta projetada pode ser usada quando o diâmetro do tubo calculado difere da saída da bomba, desde que:

• A transição seja mecanicamente adequada.

• A classificação de pressão seja adequada.

• A conexão não crie perda local excessiva.

• A transição caiba dentro do revestimento.

• O conjunto possa ser baixado e recuperado com segurança.

• O fabricante aprove a configuração.

Não selecione um tubo apenas porque seu tamanho nominal corresponde à rosca ou flange de saída.

A tubulação de elevação deve ser dimensionada para o fluxo de projeto real, não para o fluxo máximo publicado da bomba.

O fluxo de projeto deve vir da aplicação, como:

• Demanda de irrigação

• Consumo de água municipal

• Tempo de enchimento do tanque de armazenamento

• Demanda de processo industrial

• Requisitos de água para gado

• Requisitos de água de combate a incêndio

• Transferência de água de mina ou construção

A bomba selecionada deve entregar este fluxo na carga dinâmica total calculada.

Se o sistema operar em várias taxas de fluxo, verifique o tubo em:

• Fluxo contínuo mínimo

• Fluxo de projeto normal

• Fluxo máximo esperado

• Limites de operação de velocidade variável

• Fluxo de expansão futura, se confirmado

A perda de atrito não aumenta linearmente com o fluxo. Um aumento relativamente pequeno no fluxo pode causar um aumento muito maior nas perdas do tubo.

Os cálculos hidráulicos devem usar o diâmetro interno do tubo.

Dois tubos com o mesmo tamanho nominal podem ter diâmetros internos diferentes devido a:

• Espessura da parede

• Schedule do tubo

• Classe de pressão

• Material

• Padrão de fabricação

• Revestimento interno

Um tubo de alta pressão normalmente tem uma parede mais espessa do que um tubo de menor pressão do mesmo diâmetro externo. A parede mais espessa reduz a área de fluxo interna.

Usar o diâmetro nominal em vez do diâmetro real pode subestimar a velocidade da água e a perda de atrito.

Obtenha os dados dimensionais do fabricante do tubo antes de concluir o cálculo.

A velocidade média da água pode ser calculada a partir da taxa de fluxo e da área transversal interna do tubo:

Velocidade = Taxa de fluxo ÷ Área interna do tubo

Para um tubo circular:

v = 4Q ÷ (πD²)

Onde:

• v é a velocidade média da água

• Q é a taxa de fluxo volumétrico

• D é o diâmetro interno real do tubo

• π é aproximadamente 3,1416

Todas as unidades devem ser consistentes. Se o fluxo for fornecido em metros cúbicos por hora, converta-o para metros cúbicos por segundo antes de calcular a velocidade em metros por segundo.

A velocidade é um parâmetro de triagem, não o único critério de seleção. A faixa aceitável depende do material do tubo, da tarefa do sistema, do método de partida, da análise de golpe de aríete e do padrão de engenharia aplicável.

Evite aplicar um único limite de velocidade universal a cada projeto.

A perda de atrito é a carga consumida à medida que a água se move através da tubulação de elevação.

Depende de:

• Taxa de fluxo

• Diâmetro interno real

• Comprimento do tubo

• Rugosidade do tubo

• Material do tubo

• Idade e condição interna do tubo

• Propriedades da água

Darcy-Weisbach e Hazen-Williams são métodos comumente usados para cálculos de tubulações de água.

Darcy-Weisbach pode ser aplicado a uma ampla gama de fluidos e materiais de tubo quando o fator de atrito correto é usado. Hazen-Williams é frequentemente usado para estimativas de sistemas de água, mas seu coeficiente deve ser selecionado apropriadamente.

Para um cálculo defensável:

1. Identifique o comprimento vertical completo do tubo.

2. Confirme o diâmetro interno e o material.

3. Calcule a perda por unidade de comprimento no fluxo de projeto.

4. Multiplique pelo comprimento real do tubo.

5. Repita o cálculo em outros fluxos operacionais esperados.

6. Inclua o resultado na carga dinâmica total do sistema.

Não use uma porcentagem geral da profundidade do poço como substituto para um cálculo de perda de tubo.

Para o método de carga completa, consulte Guia de Dimensionamento de Bombas de Poço Profundo: Como Calcular a Taxa de Fluxo e a Carga Dinâmica Total.

A tubulação de elevação não é a única fonte de resistência hidráulica.

Perdas adicionais podem ocorrer através de:

• Transições de descarga da bomba

• Válvulas de retenção

• Válvulas de gaveta

• Válvulas borboleta

• Joelhos

• Tês

• Redutores

• Medidores de fluxo

• Manômetros e conexões de manômetro

• Filtros

• Conexões da cabeça do poço

• Válvulas de controle

• Conjuntos de entrada de tanque

Essas perdas podem ser calculadas usando coeficientes de perda, comprimentos de tubo equivalentes ou dados do fabricante.

As válvulas de retenção merecem atenção especial. Uma válvula selecionada apenas pelo tamanho nominal pode criar perda significativa em alto fluxo. Confirme sua área de fluxo totalmente aberta, classificação de pressão, orientação e adequação para serviço vertical.

O tubo deve suportar mais do que a pressão de saída normal observada na superfície.

Dependendo da condição de operação, a pressão mais alta pode ocorrer perto da bomba ou durante um evento transitório.

A revisão da pressão deve incluir:

• Carga de fechamento da bomba

• Pressão estática da coluna de água

• Pressão operacional normal

• Pressão necessária na cabeça do poço

• Fechamento da válvula

• Partida e parada da bomba

• Golpe de aríete

• Variações de elevação

• Configurações de controle de pressão

• Pressão de teste

• Margem de segurança exigida pelo padrão do tubo

As seções mais baixas de uma tubulação de elevação profunda podem estar expostas a alta pressão interna.

Não selecione a classe de pressão apenas pela leitura normal do manômetro na cabeça do poço. O projetista deve verificar a condição operacional e transitória mais severa credível.

O golpe de aríete é uma mudança temporária de pressão causada por uma mudança rápida na velocidade da água.

Pode ocorrer quando:

• A bomba inicia repentinamente.

• A bomba para após uma falha de energia.

• Uma válvula de retenção fecha rapidamente.

• Uma válvula de superfície é fechada muito rapidamente.

• Um VFD muda de velocidade agressivamente.

• O fluxo reverte antes que a válvula de retenção feche.

A gravidade depende do comprimento do tubo, da velocidade da água, do material do tubo, do comportamento da válvula e da taxa de mudança de velocidade.

Uma longa tubulação de elevação vertical contém uma coluna de água em movimento substancial. Uma válvula de retenção incorretamente selecionada ou um desligamento rápido podem produzir surtos de pressão prejudiciais.

Os controles possíveis incluem:

• Válvulas de retenção não-slam

• Operação controlada da válvula

• Partida suave

• Aceleração e desaceleração controladas do VFD

• Tanques de surto

• Dispositivos de alívio de pressão

• Outros equipamentos de controle de surto projetados

Uma análise transitória detalhada pode ser necessária para poços profundos, longas tubulações e sistemas de alto fluxo.

A tubulação de elevação deve suportar com segurança seu próprio peso, o peso da água contida e qualquer equipamento que suporte.

As cargas relevantes incluem:

• Peso do tubo seco

• Peso da coluna de água

• Peso da bomba e do motor

• Peso da válvula de retenção

• Peso do cabo e do protetor de cabo

• Peso do acoplamento

• Cargas dinâmicas durante a partida e parada

• Cargas durante a instalação e remoção

• Forças de golpe de aríete

• Cargas de suporte da cabeça do poço

Para tubos de aço roscados, verifique a resistência da rosca e do acoplamento. Para tubos flangeados, verifique o arranjo da flange, parafusos e gaxeta.

Para tubos de plástico, verifique a carga de tração, fluência, efeitos de temperatura, classificação da junta e limites do fabricante para serviço vertical suspenso.

Um tubo que atende ao requisito de pressão interna ainda pode ser inadequado para a carga mecânica suspensa.

O diâmetro externo da tubulação de elevação, acoplamentos e acessórios deve caber através do diâmetro interno mínimo do revestimento.

Verifique o envelope completo da instalação, incluindo:

• Acoplamentos de tubo

• Flanges

• Transição de saída da bomba

• Válvulas de retenção

• Cabo de alimentação

• Protetores de cabo

• Grampos de cabo

• Proteção de emenda

• Centralizadores

• Cabo de segurança

• Dispositivos de içamento

O maior componente pode ser um acoplamento ou válvula em vez do próprio tubo.

Considere também:

• Desvio do poço

• Juntas do revestimento

• Soldas internas

• Revestimentos

• Depósitos de incrustação

• Deformação

• Alterações no diâmetro do revestimento

Um ajuste teórico metal-metal não é uma tolerância de instalação aceitável.

Para mais informações sobre folga dimensional, consulte Bombas de Poço de 6 Polegadas vs 8 Polegadas: Como Escolher.

Tubulação de Elevação de Aço Carbono

O aço carbono fornece alta resistência mecânica e é amplamente disponível. Pode ser adequado para instalações profundas e de alta pressão.

No entanto, a corrosão deve ser considerada. A corrosão interna aumenta a rugosidade e a perda de atrito, enquanto a corrosão externa reduz a espessura da parede.

Revestimentos, forros e margem de corrosão podem ser necessários.

Tubulação de Elevação de Aço Galvanizado

O aço galvanizado é comumente usado em instalações de poços de água, particularmente em tamanhos moderados.

Sua adequação depende da química da água, vida útil da instalação, conexões roscadas e padrões locais. Galvanização danificada em roscas ou juntas pode se tornar um ponto de corrosão.

Tubulação de Elevação de Aço Inoxidável

O aço inoxidável oferece resistência à corrosão aprimorada, mas a qualidade correta deve ser selecionada a partir de uma análise da água.

SS304 não é automaticamente adequado para água com alto teor de cloreto. SS316L, aço inoxidável duplex ou outra liga podem ser necessários em condições mais agressivas.

A interação galvânica entre metais diferentes também deve ser revisada.

Tubulação de Elevação de PEAD

O PEAD pode oferecer resistência à corrosão, superfícies internas lisas e juntas menos rígidas.

Seu projeto requer uma revisão cuidadosa de:

• Classe de pressão

• Carga de tração

• Temperatura

• Fluência

• Método de junção

• Alongamento

• Compatibilidade com a conexão da bomba

• Requisitos de suporte vertical

O fabricante do tubo deve confirmar a adequação para uma instalação suspensa em poço.

Tubulação de Elevação de PVC

Tubos de coluna de PVC especializados são usados em alguns sistemas de poço porque são leves e resistentes à corrosão.

O tubo e as juntas roscadas devem ser especificamente classificados para a profundidade de instalação, pressão e carga suspensa. Tubos de pressão comuns não devem ser usados automaticamente como tubos de coluna de poço profundo.

Suponha que uma bomba de poço deva entregar 50 m³/h através de uma tubulação de elevação vertical de 140 m.

Dois tubos candidatos atendem aos requisitos básicos de conexão e pressão. Um tem um diâmetro interno menor, enquanto o outro tem um diâmetro interno maior.

O tubo menor produzirá:

• Velocidade da água mais alta

• Maior perda de atrito

• Maior carga dinâmica total

• Maior sensibilidade ao golpe de aríete

• Menor custo inicial do tubo

O tubo maior produzirá:

• Velocidade da água mais baixa

• Menor perda de atrito

• Uma menor carga de bomba necessária

• Potencialmente menor energia operacional

• Maior custo inicial e peso

A decisão correta não pode ser tomada apenas com base no preço de compra.

O engenheiro deve calcular o ponto de operação para ambas as alternativas, adicionar cada perda de atrito à TDH e comparar:

• Modelo da bomba e potência do motor

• Eficiência da bomba

• Consumo anual de energia

• Custo do tubo e da instalação

• Classe de pressão

• Folga do poço

• Vida útil esperada

Um tubo maior pode reduzir o custo de energia ao longo da vida útil, mas aumentar o diâmetro além do requisito prático pode oferecer pouco benefício adicional.

Muitas bombas de poço incluem uma válvula de retenção na descarga ou perto dela. Válvulas de retenção adicionais podem ser consideradas em tubulações de elevação longas, mas não devem ser adicionadas usando uma regra de espaçamento universal.

Válvulas de retenção incorretamente posicionadas ou inadequadas podem contribuir para:

• Pressão retida

• Choque hidráulico

• Chocalho da válvula

• Fechamento atrasado

• Rotação reversa

• Aumento da perda de atrito

• Manutenção difícil

O arranjo da válvula deve ser selecionado de acordo com a profundidade da bomba, comprimento do tubo, pressão, fluxo, método de partida e instruções do fabricante.

Confirme se a bomba selecionada já inclui uma válvula de retenção integral antes de especificar válvulas adicionais.

A tubulação de elevação deve ter o mesmo tamanho da saída da bomba?

Nem necessariamente. A saída determina a conexão imediata. O diâmetro da tubulação de elevação deve ser verificado usando fluxo, velocidade, perda de atrito, pressão, carga mecânica e folga do revestimento.

Posso reduzir o diâmetro da tubulação de elevação acima da bomba?

Um redutor pode ser possível, mas aumenta a velocidade e pode adicionar perda hidráulica. O sistema completo deve ser recalculado e a transição deve ser mecanicamente adequada.

Um tubo maior sempre melhora o desempenho da bomba?

Um diâmetro interno maior reduz a perda de atrito, mas um tamanho excessivo pode aumentar o custo, o peso e a dificuldade de instalação. Escolha o diâmetro através de avaliação hidráulica e de ciclo de vida.

A perda de atrito deve ser calculada a partir da profundidade do poço?

Não. Use o comprimento real, o diâmetro interno, o material e o fluxo de projeto de cada seção do tubo. A profundidade do poço sozinha não determina a perda de atrito.

O PEAD pode ser usado como tubulação de elevação de bomba de poço?

Sim, em instalações adequadas, mas o tubo específico, as juntas e o sistema de suporte devem ser classificados para pressão interna, carga suspensa, temperatura, fluência e profundidade de instalação.

Quantas válvulas de retenção uma bomba de poço profundo deve usar?

Não há quantidade ou espaçamento universal adequado para todos os poços. Siga as recomendações do projetista da bomba, válvula e sistema após revisar a profundidade, pressão e condições transitórias.

A tubulação de elevação afeta a potência do motor da bomba?

Sim. O atrito do tubo adiciona à TDH. Uma TDH mais alta pode alterar o modelo da bomba selecionada, o número de estágios, o ponto de operação e a potência do motor necessária.

Uma tubulação de elevação de bomba de poço confiável deve satisfazer os requisitos hidráulicos, de pressão, mecânicos e de instalação ao mesmo tempo.

O processo de seleção deve:

• Confirmar o fluxo de projeto.

• Usar o diâmetro interno real do tubo.

• Calcular a velocidade da água e a perda de atrito.

• Incluir válvulas e conexões.

• Verificar a pressão operacional, de fechamento e transitória.

• Verificar a resistência do tubo e da junta.

• Confirmar a folga do revestimento.

• Selecionar um material compatível com a água.

• Avaliar o custo de energia do ciclo de vida.

Não selecione a tubulação de elevação completa apenas pelo tamanho da saída da bomba. O diâmetro final do tubo e a classe de pressão devem ser verificados em relação às condições reais do poço e de operação.

Envie à SLAPK seu fluxo e carga necessários, profundidade do poço, profundidade de instalação da bomba, diâmetro interno mínimo do revestimento, material e diâmetro do tubo propostos, pressão de saída necessária, tensão, frequência e análise da água.

Nossos engenheiros podem recomendar uma bomba de poço QJ ou SP adequada e fornecer a curva da bomba, as dimensões de saída e os dados de instalação necessários para o projeto da sua tubulação de elevação.