Como dimensionar uma bomba de sistema de extinção de incêndios para o fluxo e pressão necessários

Um sistema de proteção contra incêndio dimensionado incorretamente compromete a segurança da vida e a conformidade das instalações. Esta é a realidade intransigente da engenharia de proteção contra incêndio. O cálculo incorreto dos requisitos hidráulicos introduz graves riscos duplos em qualquer projeto de construção. O subdimensionamento leva ao fornecimento insuficiente de água durante um incêndio, fazendo com que o sistema falhe ao suprimir o perigo. Por outro lado, o superdimensionamento causa sobrepressurização da tubulação, gastos excessivos de capital e desperdício de espaço mecânico. Uma abordagem rigorosa e baseada em evidências para o dimensionamento de bombas é absolutamente necessária. Os engenheiros devem calcular cuidadosamente a demanda hidráulica, analisar o abastecimento de água disponível e aplicar padrões rígidos da NFPA 20 para selecionar a curva correta de desempenho da bomba. Integrar adequadamente um A bomba do sistema de sprinklers contra incêndio garante que sua instalação atenda a todos os códigos regulatórios e forneça supressão de emergência confiável.

• A demanda hidráulica determina o tamanho: O dimensionamento preciso requer o cálculo da vazão (GPM) e da pressão (PSI) exatas necessárias na área hidraulicamente mais remota do edifício.

• A curva de desempenho da bomba de incêndio: Uma bomba compatível deve fornecer 150% de sua vazão nominal a pelo menos 65% de sua pressão nominal, de acordo com os padrões da NFPA.

• O abastecimento de água é a linha de base: O dimensionamento da bomba não pode ocorrer no vácuo; requer um teste de fluxo de água recente e preciso para determinar a pressão estática e residual da linha de base do abastecimento municipal ou tanque.

• A conformidade não é negociável: Todos os critérios de dimensionamento e seleção devem cumprir rigorosamente a NFPA 20 (Norma para a instalação de bombas estacionárias para proteção contra incêndio) e os requisitos da autoridade local com jurisdição (AHJ).

Por que uma bomba de sistema de extinção de incêndios é essencial para a segurança da vida

Enquadramento do problema (critérios de sucesso)

Uma bomba de incêndio tem uma finalidade operacional muito específica. Não cria água a partir do vazio. Aumenta a pressão de um abastecimento de água existente para atender às demandas hidráulicas do sistema de sprinklers do edifício. O sucesso é definido pelo fornecimento exato de galões por minuto (GPM) na pressão necessária (PSI) ao aspersor mais remoto. Se a rede municipal de água fornecer 45 PSI, mas os cálculos hidráulicos exigirem 85 PSI na base do riser, a bomba deverá preencher essa lacuna de 40 PSI. A bomba deve funcionar perfeitamente sob condições extremas de emergência e cada componente deve estar alinhado com a linha de base hidráulica calculada da instalação.

Segurança de Vida Dedicada vs. Bombas Domésticas

Você não pode usar uma bomba de água doméstica padrão para proteção contra incêndio. As bombas de poço e as bombas de irrigação não possuem a confiabilidade necessária e são construídas para ciclos de trabalho totalmente diferentes. Uma bomba de incêndio dedicada opera sob padrões regulatórios rígidos. Essas unidades apresentam metalurgia especializada, como impulsores de bronze e carcaças de ferro fundido para serviços pesados, projetadas para permanecerem inativas por meses e depois atingirem instantaneamente a capacidade máxima. As bombas domésticas priorizam a eficiência energética e a ciclagem diária, muitas vezes utilizando interruptores de sobrecarga térmica que desligam o motor se ficar muito quente. As bombas de incêndio priorizam a confiabilidade absoluta e o rendimento máximo durante raros eventos de emergência. Seus controladores ignoram intencionalmente as proteções padrão contra sobrecarga térmica. Uma bomba de incêndio funcionará até se destruir para manter a água fluindo para o fogo.

Quando uma bomba é necessária

Nem todo edifício requer um sistema mecânico de aumento de pressão. Uma bomba torna-se necessária apenas quando o abastecimento de água disponível não consegue satisfazer a procura do sistema. Prédios altos frequentemente exigem bombas para superar perdas massivas de elevação. Empurrar a água até 20 andares requer uma pressão imensa apenas para combater a gravidade. Armazéns extensos que utilizam sistemas de Supressão Antecipada e Resposta Rápida (ESFR) exigem imensa densidade de água para proteger o armazenamento em pilhas altas. Essa alta densidade geralmente excede as capacidades padrão de pressão de água da cidade. As instalações ligadas a redes de água municipais fracas, rurais ou envelhecidas também requerem assistência de pressão mecânica. Os engenheiros determinam este requisito estritamente através de cálculos hidráulicos matemáticos, nunca por adivinhação.

Aplicações comerciais vs. residenciais

Os sistemas comerciais e residenciais seguem diferentes estruturas regulatórias. Os sistemas comerciais aderem aos padrões NFPA 13. Estes exigem cálculos robustos para perigos de grande escala e pressupõem múltiplas ativações simultâneas de sprinklers. Um armazém comercial pode exigir uma bomba capaz de fornecer 1.500 GPM. Os sistemas residenciais seguem os padrões NFPA 13D ou NFPA 13R. Os cálculos da demanda residencial concentram-se em um escopo muito menor, normalmente contabilizando a ativação de apenas um ou dois aspersores em uma sala de estar ou quarto. O tamanho de bomba necessário para uma residência unifamiliar é exponencialmente menor, muitas vezes exigindo apenas 30 a 50 GPM e utiliza configurações de hardware totalmente diferentes.

O custo do fracasso

O não cumprimento da pressão exigida no cabeçote do aspersor acarreta enorme responsabilidade. Os riscos patrimoniais multiplicam-se rapidamente durante um incêndio. Pressão insuficiente significa que o padrão de pulverização do sprinkler não se desenvolverá totalmente. As gotas de água serão muito grandes ou o raio de pulverização muito estreito, permitindo que o fogo se espalhe além da área projetada. Isso leva à perda total de propriedade e graves riscos à segurança da vida. Os proprietários das instalações enfrentam imensa responsabilidade legal se o sistema falhar devido ao dimensionamento inadequado. Os órgãos reguladores emitirão pesadas multas, as companhias de seguros negarão as reclamações e os bombeiros revogarão as licenças de ocupação.

Como calcular o fluxo da bomba de incêndio (GPM) e a pressão (PSI)

Determinando a taxa de fluxo do sistema (GPM)

O uso específico da instalação determina a densidade da água necessária. Os engenheiros classificam os edifícios nas categorias de risco leve, comum ou extra com base na combustibilidade e na quantidade dos materiais internos. Um edifício de escritórios moderno com mesas e computadores representa um risco leve. Uma fábrica de plásticos ou uma instalação de armazenamento de pneus representa um Risco Extra. Classificações de perigo mais altas requerem significativamente mais água por metro quadrado para suprimir um incêndio.

Os engenheiros usam o método densidade/área para calcular o fluxo total. Eles identificam a área de projeto hidraulicamente mais exigente no edifício, que geralmente é a área mais distante da fonte de água. Eles multiplicam a densidade necessária pela metragem quadrada desta área de projeto. Por exemplo, uma instalação do Grupo de Risco Comum 2 requer uma densidade de 0,20 GPM por pé quadrado em uma área de projeto de 1.500 pés quadrados. A multiplicação desses números resulta em um requisito básico de 300 GPM apenas para os sprinklers.

Você também deve incluir permissões de fluxo de mangueira em seus cálculos. Os bombeiros conectam mangueiras ao sistema ou hidrantes próximos durante uma emergência. Isso afasta a água dos sprinklers. Os padrões da NFPA exigem a adição de uma tolerância GPM específica para fluxos de mangueiras internos e externos. Para o exemplo de Risco Comum acima, a NFPA 13 exige uma margem de fluxo de mangueira de 250 GPM. Você adiciona essa margem à demanda do sprinkler de 300 GPM para encontrar a vazão final necessária de 550 GPM.

Cálculo da pressão necessária (PSI)

A perda de elevação afeta fortemente o dimensionamento da bomba. Você deve superar a gravidade para empurrar a água para o último andar de uma estrutura. A física determina uma perda de pressão de 0,433 PSI para cada metro de ganho de elevação. Um aspersor localizado a 30 metros acima da bomba requer 43,3 PSI adicionais apenas para elevar a água até essa altura. A altura do edifício é uma variável primária nos cálculos de pressão, e os engenheiros devem medir a distância vertical exata do flange de descarga da bomba até o defletor mais alto do sprinkler.

A perda por atrito é outra variável importante. A água perde energia à medida que percorre a rede de tubulação. Válvulas, preventores de refluxo, cotovelos e tees criam resistência física. Os engenheiros calculam essa resistência usando a fórmula de Hazen-Williams. Esta fórmula leva em consideração o comprimento do tubo, o diâmetro interno e o coeficiente de rugosidade (valor C) do material do tubo. O tubo de aço úmido normalmente usa um valor C de 120, enquanto o tubo de CPVC mais liso usa um valor C de 150. Você deve calcular a perda cumulativa por atrito em cada conexão, desde a bomba até o aspersor mais remoto.

O sistema deve manter uma pressão operacional mínima no aspersor hidraulicamente mais remoto. Isso normalmente fica entre 7 e 15 PSI para aspersores de pulverização padrão, mas pode exceder 50 PSI para cabeçotes ESFR especializados. O requisito exato depende do tipo específico de aspersor e do seu fator K (coeficiente de descarga). Você adiciona essa pressão mínima na extremidade à perda de elevação e à perda total por atrito para determinar a demanda total de pressão do sistema.

Como avaliar o abastecimento de água para dimensionamento de bombas de incêndio

O teste de fluxo de linha de base

O dimensionamento da bomba não pode acontecer sem o conhecimento das capacidades exatas do abastecimento de água existente. Você deve realizar um teste recente de fluxo de hidrante no local específico do projeto. Confiar em dados desatualizados de testes de fluxo ou em médias genéricas de cidades é uma prática de engenharia perigosa. O abastecimento municipal de água flutua constantemente devido a novos empreendimentos residenciais, infraestrutura obsoleta e escalonamento de tubulações. Um técnico certificado deve realizar o teste utilizando manômetros calibrados e tubos pitot. Eles abrem um hidrante para medir a velocidade de descarga enquanto lêem simultaneamente a queda de pressão em um hidrante de teste adjacente.

Pressão Estática vs. Pressão Residual

O teste de vazão mede dois valores de pressão distintos que determinam a seleção da bomba. A pressão estática é a pressão de base na rede de água em condições de não-fluxo. Representa a energia potencial do sistema quando não há água em movimento. A pressão residual é a pressão restante na rede principal enquanto a água flui ativamente do hidrante de teste. A pressão residual é a métrica crítica para proteção contra incêndio. Ele informa como se comporta a oferta municipal sob forte demanda. Sua bomba deve compensar a queda entre a pressão estática e residual para garantir o fornecimento adequado durante um incêndio.

Subsídios para degradação de fornecimento

As redes municipais de água degradam-se com o tempo. A corrosão das tubulações, o acúmulo de minerais e o aumento da demanda da vizinhança reduzem o fluxo disponível ano após ano. As melhores práticas de engenharia exigem levar em consideração uma margem de segurança. Normalmente, você aplica uma tolerância de degradação de 10% a 20% aos resultados do teste de fluxo. Se o seu teste mostrar 60 PSI de pressão residual, você projeta o sistema assumindo que apenas 48 a 54 PSI estarão disponíveis. Isto garante que a bomba ainda atenderá às demandas do sistema daqui a dez ou vinte anos. A não inclusão deste subsídio resulta muitas vezes num sistema não conforme que falha nos seus testes anuais de fluxo no futuro.

Tanques de água estáticos

Muitas instalações não dependem de redes pressurizadas da cidade. Eles extraem água de fontes de sucção estáticas. Estes incluem tanques de armazenamento de aço corrugado ao nível do solo, tanques de ruptura de concreto ou reservatórios subterrâneos. As considerações de dimensionamento mudam drasticamente com tanques estáticos. A bomba não recebe qualquer assistência de pressão de entrada de uma rede municipal. Ele deve gerar sozinho 100% da pressão necessária do sistema. Você também deve levar em consideração o volume específico do tanque para garantir que ele atenda à duração de fluxo necessária. Se o sistema exigir 1.000 GPM por um período de 60 minutos, o tanque deverá conter um mínimo de 60.000 galões utilizáveis, além de capacidade adicional para os níveis mínimos de submersão da bomba.

Como ler e avaliar uma curva de desempenho de bomba de incêndio

A regra de fluxo nominal de 150%

A NFPA 20 estabelece padrões de desempenho rigorosos para todas as bombas aprovadas. Uma unidade compatível deve ser capaz de fornecer 150% de sua capacidade nominal de vazão. Neste enorme pico de fluxo, ele deve manter uma pressão não inferior a 65% da sua pressão nominal. Se você selecionar uma bomba classificada para 1.000 GPM a 100 PSI, ela deverá ser fisicamente capaz de bombear 1.500 GPM enquanto mantém pelo menos 65 PSI. Esta regra garante uma margem de segurança robusta durante eventos graves de incêndio com múltiplas cabeças ou quando os bombeiros conectam múltiplas mangueiras. A bomba não deve parar, cavitar ou sofrer uma queda catastrófica de pressão quando a demanda aumentar.

Você deve cruzar os requisitos do sistema calculados com as planilhas de dados oficiais do fabricante. Nunca confie em estimativas genéricas para equipamentos de segurança humana. As folhas cortadas do fabricante fornecem as métricas de desempenho exatas para modelos de bombas, tamanhos de carcaça e internos de impulsor específicos. Você deve verificar se o hardware selecionado atende aos critérios da NFPA 20 sob as condições específicas do seu local, contabilizando as RPM exatas do motor ou motor que aciona a unidade.

Os engenheiros mapeiam o ponto de demanda calculado do sistema em relação ao curva da bomba do fabricante em papel milimetrado hidráulico N ^ 1,85. O ponto de demanda do sistema representa o GPM e o PSI necessários. Este ponto deve estar na curva de desempenho da bomba ou abaixo dela. O mapeamento adequado garante que a bomba opere de forma eficiente dentro da faixa designada. Ele garante que o hardware possa fornecer fisicamente a potência hidráulica necessária sem levar o motor aos limites do fator de serviço.

Riscos de pressão de rotatividade (desligamento) e sobrepressurização

A pressão de agitação é a pressão máxima que a bomba gera com fluxo zero. Isso ocorre quando a bomba está funcionando, mas nenhum aspersor está aberto e nenhuma água está fluindo para fora do sistema. A água simplesmente se agita dentro da carcaça da bomba, gerando calor e pressão máxima. As regras da NFPA determinam que a pressão de agitação não deve exceder 140% da pressão nominal da bomba. Compreender a pressão de agitação é vital para proteger a integridade da rede de tubulação e selecionar as classificações de pressão corretas para tubos de entrada subterrâneos.

Exceder as classificações de pressão dos componentes do sistema é altamente perigoso. Acessórios padrão para sprinklers contra incêndio, acoplamentos ranhurados e válvulas borboleta são normalmente classificados para 175 PSI. Se a pressão de agitação da bomba combinada com a pressão estática de alimentação da rede municipal exceder 175 PSI, os tubos podem romper antes mesmo de o incêndio começar. Você deve implementar estratégias de mitigação de riscos. Isso geralmente envolve a instalação de válvulas de alívio de pressão, a utilização de acionadores elétricos de velocidade variável ou a atualização de toda a rede de tubulação para tubos de parede pesada e componentes do sistema com classificação de 300 PSI.

Como escolher o tipo e configuração corretos de bomba de incêndio

Tipos de bombas e restrições de espaço

A bomba horizontal de carcaça bipartida é uma opção tradicional e altamente confiável, encontrada em muitas instalações de grande porte. Possui uma carcaça dividida ao longo do eixo horizontal, permitindo que os mecânicos removam a metade superior para facilitar o acesso ao impulsor e aos rolamentos sem perturbar a tubulação de sucção ou descarga. Essas bombas lidam com vazões massivas com eficiência, geralmente excedendo 5.000 GPM. No entanto, eles exigem espaço mecânico significativo para a bomba, o acionador e os grandes coletores de sucção. São ideais para grandes instalações industriais onde o espaço não é uma restrição primária.

As bombas verticais em linha oferecem excelentes benefícios de economia de espaço. O motor fica diretamente acima da carcaça da bomba e a unidade é montada diretamente na rede de tubulação como uma válvula grande. Esta orientação vertical reduz drasticamente a área necessária do piso. Eles são muito populares para reformas comerciais, prédios de escritórios altos e salas mecânicas apertadas. Embora economizem espaço, a manutenção pode ser mais difícil porque os mecânicos devem levantar e remover fisicamente o pesado motor elétrico para acessar o interior da bomba.

As bombas verticais de turbina são unidades altamente especializadas. Eles são o único tipo de bomba aprovado pela NFPA para situações de tiragem negativa. Você os usa ao retirar água de tanques subterrâneos, reservatórios subterrâneos ou fontes naturais de água, como lagoas e rios. Os reservatórios da bomba ficam submersos na água, empurrando-a através de um tubo de coluna vertical até a cabeça de descarga na superfície. Eles eliminam a necessidade de escorvamento, garantindo o fornecimento imediato de água durante uma emergência, mas exigem poços úmidos profundos e alinhamento cuidadoso durante a instalação.

Fontes de energia: motores elétricos vs. motores diesel

Os motores elétricos são a fonte de energia mais comum para sistemas modernos de proteção contra incêndio. Eles exigem menos manutenção, operam de forma muito mais silenciosa que os motores a diesel e não produzem gases de escapamento. Eles também ocupam menos espaço físico e não exigem armazenamento de combustível no local. No entanto, as bombas elétricas dependem inteiramente da rede elétrica da instalação. Se a rede falhar durante um incêndio, a bomba falha. Freqüentemente, eles exigem uma fonte de energia secundária altamente confiável, um gerador de backup dedicado ou uma chave de transferência automática conectada à frente da desconexão principal do edifício.

Os motores diesel proporcionam total independência da rede elétrica. Eles funcionam de forma confiável mesmo durante a perda total de energia da instalação, o que os torna ideais para áreas rurais, zonas sísmicas ou instalações com infraestrutura de energia instável. As desvantagens são significativas. As bombas diesel requerem grandes tanques de armazenamento de combustível de parede dupla dimensionados para 1 galão por cavalo-vapor mais um volume de expansão de 5%. Eles exigem roteamento complexo de exaustão através do telhado do edifício, circuitos de água de resfriamento e manutenção rigorosa da bateria. Eles também exigem testes semanais por no mínimo 30 minutos para garantir que o motor permaneça em condições de funcionamento.

Considerações sobre instalação, integração e teste da bomba de incêndio

Dimensionamento da bomba Jockey

Uma bomba de manutenção de pressão, comumente chamada de bomba jockey, é essencial para a longevidade do sistema. Impede que a bomba principal faça ciclos curtos devido a pequenas fugas de pressão. Pequenas flutuações ocorrem naturalmente em qualquer grande rede de tubulação devido a mudanças de temperatura, ar aprisionado ou pequenos vazamentos em juntas roscadas. A bomba jockey é ativada automaticamente para restaurar a pressão perdida. Ele evita que o enorme motor principal ligue desnecessariamente, o que causaria desgaste severo nos contatores e rolamentos.

Você deve dimensionar a bomba jockey corretamente. Os engenheiros normalmente dimensionam-no para 1% da vazão nominal da bomba principal, ou pelo menos o suficiente para superar a taxa de vazamento permitida da tubulação subterrânea. A configuração de pressão deve ser aproximadamente 10 PSI superior à pressão de agitação da bomba principal. Esta configuração precisa garante que a bomba jockey lide com todas as pequenas quedas de pressão. A bomba principal permanece inativa até que ocorra uma emergência genuína de alto fluxo, como a quebra do cabeçote do aspersor.

Seleção do controlador

O controlador da bomba é o cérebro do sistema. Você deve combinar o controlador com a bomba específica e com a fonte de alimentação da instalação. Controladores incompatíveis causam graves problemas de irrupção elétrica. Quando um enorme motor elétrico dá partida na linha, ele consome um enorme pico de corrente, geralmente 600% de sua amperagem de plena carga. Transição fechada Wye-Delta, partida suave ou controladores de velocidade variável atenuam esse pico. Eles protegem a infraestrutura elétrica do edifício contra quedas severas de tensão, fusíveis queimados e disjuntores desarmados durante a inicialização.

Teste de comissionamento e aceitação

A instalação é apenas o primeiro passo. A NFPA 20 exige um teste de aceitação de campo certificado antes de o sistema entrar em operação. Este teste verifica se a bomba instalada corresponde à curva de desempenho teórica. Os técnicos fluem água através de coletores de teste especializados ou medidores de vazão de circuito fechado. Eles medem o GPM e o PSI exatos em rotatividade (fluxo de 0%), fluxo nominal de 100% e fluxo nominal de 150%. Eles também medem tensão e amperagem em todas as fases do motor elétrico. Esta verificação física garante que o sistema funcionará exatamente como projetado durante um incêndio real.

Conclusão

1. Contrate um engenheiro de proteção contra incêndio (FPE) licenciado para realizar cálculos hidráulicos certificados com base nas condições atuais do local e nas classificações de perigo.

2. Agende um teste certificado de fluxo de hidrante para estabelecer uma linha de base precisa para o abastecimento de água municipal antes de selecionar qualquer equipamento.

3. Especifique os requisitos exatos da bomba, incluindo o ajuste do impulsor e o tipo de controlador, para garantir a compatibilidade com o espaço da sua sala mecânica e a infraestrutura elétrica.

4. Verifique se todos os componentes selecionados do sistema, incluindo válvulas e conexões, estão classificados para suportar a pressão máxima de agitação gerada pela nova bomba.

5. Agende um teste de aceitação de campo abrangente da NFPA 20 com a autoridade local com jurisdição (AHJ) para comissionar o sistema antes da ocupação do edifício.

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Perguntas frequentes

P: Qual é a regra de 150% para bombas de incêndio?

R: A regra dos 150% é um requisito estrito de desempenho da NFPA 20. Ela exige que uma bomba de incêndio seja capaz de fornecer 150% de sua capacidade de vazão nominal. Ao operar neste pico de demanda, a bomba não deve manter menos que 65% de sua pressão nominal. Isso garante uma margem de segurança durante incêndios graves.

P: Quanta pressão de água é necessária para um sistema de extinção de incêndios?

R: A pressão necessária varia de acordo com o projeto do edifício. Você deve calcular a pressão operacional mínima do aspersor mais remoto. Em seguida, você adiciona a pressão perdida na elevação, calculada em 0,433 PSI por pé de altura, e a perda por atrito em todos os tubos e conexões usando a fórmula de Hazen-Williams.

P: Todos os sistemas de sprinklers contra incêndio exigem uma bomba de incêndio?

R: Não. As bombas só são necessárias quando o abastecimento de água municipal existente ou o tanque estático não conseguem atender à demanda hidráulica calculada do sistema. Se a pressão da água da cidade for alta o suficiente para superar as perdas de elevação e fricção enquanto fornece o fluxo necessário, uma bomba será desnecessária.

P: Como você calcula o GPM para uma bomba de incêndio?

R: Você calcula GPM usando o método de densidade/área. Primeiro, determine a classificação de perigo do edifício para encontrar a densidade da água necessária. Multiplique essa densidade pela metragem quadrada da área de design mais exigente. Finalmente, adicione a permissão de fluxo de mangueira necessária da NFPA para obter o GPM total.

P: Qual é a diferença entre uma bomba de incêndio e uma bomba jockey?

R: Uma bomba de incêndio fornece fluxo massivo e emergencial de alto volume durante um incêndio. Uma bomba jockey é uma pequena unidade de manutenção de pressão. Ela funciona de forma intermitente para manter a pressão basal do tubo contra pequenos vazamentos ou mudanças de temperatura, evitando que a grande bomba principal ligue desnecessariamente.

P: O que acontece se uma bomba do sistema de sprinklers contra incêndio for superdimensionada?

R: O superdimensionamento cria riscos graves. Ele pode gerar pressão de agitação excessiva que excede a classificação de 175 PSI dos componentes padrão do sistema, causando rupturas na tubulação e golpe de aríete. Também desperdiça espaço na sala mecânica, requer infraestrutura elétrica maior e aumenta desnecessariamente os gastos de capital e manutenção.

P: Uma bomba de incêndio pode extrair água de um tanque subterrâneo?

R: Sim, mas requer um tipo específico de bomba. As bombas horizontais padrão não podem extrair água de uma tiragem negativa. Você deve usar uma bomba de turbina vertical. As bacias da bomba são submersas diretamente no tanque subterrâneo, empurrando a água para cima da coluna sem a necessidade de escorvamento.