Analise de Falhas Maquina Rotativa

Sair6 Conferncia sobre Tecnologia de Equipamentos

ANLISE DE FALHAS DE MQUINAS ROTATIVAS ALGUNS PONTOS IMPORTANTES

Luiz Otavio Amaral Afonso Petrleo Brasileiro SA - PETROBRAS - Refinaria de Presidente Bernardes - RPBC

Trabalho apresentado no IEV 2002 Agosto, 2002.

As informaes e opinies contidas neste trabalho so de exclusiva responsabilidade do (s) autor(es) .

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SINPSE Benefcios de um programa organizado de anlise de falhas de mquinas, incluindo uma discusso sobre como ele pode ser implantado. Discusso do procedimento genrico e dos princpios bsicos da anlise de falhas de mquinas, incluindo a importncia de: a) Enfocar o primeiro componente a falhar; b) Localizar modos de falha ocultos; c) Reconhecer que a maior parte das falhas tem mais de uma causa bsica; d) Examinar o histrico de operao e manuteno do equipamento; e) Desenvolver um banco de dados de anlise de falhas; f) Levar em considerao, na anlise, o princpio bsico de funcionamento do componente (ou da mquina); g) Aprender porque algumas mquinas no falham. Discusso sobre a importncia de levar a cultura da anlise de falhas para todos os empregados envolvidos com mquinas rotativas, tanto na manuteno quanto na operao e engenharia. Dois exemplos de falhas de mquinas reais so analisados para ressaltar a importncia dos princpios acima. Tambm est includa uma breve discusso sobre como estes mtodos auxiliaram na reduo da quantidade de falhas de mquinas numa refinaria de grande porte. O autor: Luiz Otvio Amaral Affonso ([email protected]), engenheiro mecnico formado em 1985 pela UFRJ. Trabalha na PETROBRAS desde ento, lidando com aumento de confiabilidade e reduo do custo de manuteno de mquinas rotativas. Seu trabalho colaborou para a reduo do nmero de falhas e dos custos de manuteno das mquinas da refinaria em cerca de 66%. Atua como professor regular do IBP, Instituto Brasileiro de Petrleo e Gs, ministrando cursos de Anlise de Falhas de Mquinas e de Avaliao de Desempenho e Funcionamento Mecnico de Mquinas Rotativas. J apresentou diversos trabalhos tcnicos em congressos no Brasil e no exterior.

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1 - INTRODUO Este artigo trata de Anlise de Falhas de Mquinas, discutindo como ela deve ser executada, o que podemos esperar dela e o que fazer com o conhecimento adquirido aps muitas anlise de falhas numa certa planta. A parte Como executar ser limitada a alguns pontos importantes, onde conceitos bsicos, que podem fazer a diferena entre uma boa ou m investigao. No possvel apresentar um curso completo de anlise de falhas no espao disponvel aqui. Maiores informaes podem ser obtidas na referncia 1. A parte O que podemos aprender pode ser resumida como segue: Deve estar claro para todos que trabalham com este assunto que uma falha uma excelente (embora no a nica) oportunidade de localizar pontos fracos no sistema. exatamente isto que pretendemos aprender com a anlise de falhas. Finalmente, na seo O que fazemos agora, apresentada uma discusso resumida sobre como utilizar as informaes obtidas para aumentar a confiabilidade e reduzir o custo de manuteno da planta. Este o objetivo de todo o trabalho anterior. Alguns casos reais de falhas de mquinas so discutidos, com importncia dos conceitos discutidos ao longo do texto. a finalidade de ilustrar a

2 COMO UTILIZAR UM PROGRAMA DE ANLISE DE FALHAS DE MQUINAS Uma breve descrio da sistemtica utilizada por uma grande refinaria de petrleo para aumentar a confiabilidade e reduzir o custo de manuteno das suas mquinas ser apresentada nesta seo. Um resumo dos benefcio obtidos ser includo, tambm. Uma exposio mais completa pode ser encontrada na referncia 1. Os pontos principais foram: 1. As falhas de equipamentos mecnicos foram analisadas, sendo o resultado das anlises introduzido num banco de dados computadorizado; 2. Informaes estatsticas retiradas deste banco de dados foram utilizadas para esforos direcionados ao aumento da confiabilidade das mquinas; guiar os

Uma estratgia como esta requer, alm de algum gasto com novos componentes, novas mquinas, modificaes de instalaes, etc., profundas modificaes no comportamento do pessoal da planta. necessria uma mudana de foco, deixando uma estratgia voltada para reparar mquinas e iniciando um sistema para evitar falhas de mquinas. Um comportamento voltado para a busca das causas bsicas dos problemas passou a ser a postura mais comum. Esta atitude pr-ativa pode ser desenvolvida de vrias maneiras, sendo a mais importante a correta aplicao de treinamento intensivo. A maior parte das falhas ser analisada pelos mecnicos e seus supervisores, eles devem saber exatamente o que se espera deles. certo que uma grande quantidade de informao pode ser obtida pelo pessoal tcnico mesmo sem treinamento formal em anlise de falhas de mquinas, mas os melhores resultados sero obtidos com um treinamento adequado de todos os envolvidos. Este treinamento deve abranger as

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tcnicas bsicas de anlise de falhas e um reviso do modo de operao dos componentes e mquinas mais encontrados na planta. Mais informaes a respeito podem ser encontradas na referncia 2. Aps algum tempo, foi possvel determinar quais os problemas mais freqentes da planta, sendo as suas causas tratadas. Estes problemas mais freqentes forma chamados de problemas crnicos da planta. Alguns exemplos: a) Falhas de selos mecnicos; b) Cavitao de bombas; c) Esforos excessivos nos bocais de mquinas. Todos os problemas possveis de mquinas foram encontrados, sendo os mais frequentes agrupados em categorias similares. A razo para o agrupamento dos problemas foi permitir solues em grupo. Por exemplo, uma padronizao do projeto dos selos mecnicos mais utilizados permitiu reduzir muito a quantidade de falhas de selos, j que o selo padro tem caractersticas adequadas maior parte dos servios. Embora os resultados das anlises de falhas tenham sido utilizados para guiar as aes de aumento de confiabilidade, outros programas paralelos estavam em andamento, tais como: a) Modernizao da manuteno preditiva, com aquisio de novos equipamentos; b) Padronizao de outros componentes, como acoplamentos, vedaes de caixas de mancal, etc; c) Treinamento e reciclagem para mecnicos e operadores. claro que estes outros programas tambm contriburam para o aumento da confiabilidade das mquinas. Estes programas estavam bastante ligados ao programa de anlise de falhas, j que os resultados das anlises eram utilizados para guiar as outras aes. Todas estas mudanas tornaram possvel a reduo da taxa de falhas do parque de equipamentos em 68%, de 1179 falhas por ano em 1990 para 375 em 1997. Esta significativa reduo da taxca de falhas resultou em outros ganhos, como reduo do custo de manuteno, melhorias em segurana e a virtual eliminao de perdas de produo devido a problemas de mquinas.

3 A PRTICA DA ANLISE DE FALHAS DE MQUINAS Esta seo descreve o procedimento genrico e algumas precaues que podem ajudar a tornar o trabalho mais eficaz. 3.1-Objetivos da anlise de falhas O objetivo principal da anlise de falhas evitar novas falhas. A investigao deve determinar as causas bsicas da falha e essa informao deve ser utilizada para permitir a introduo de aes corretivas que impeam a repetio do problema. A funo do componente ou do equipamento deve ser considerada na anlise, uma vez que conceituamos falha como a ocasio em que o componente ou equipamento no mais capaz de executar a sua funo com segurana.

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Notar que o defeito ocorrido no equipamento ser considerado uma falha prematura quando ele acontecer antes do fim da vida til para o modo de falha considerado, no caso de componentes com vida til definida como critrio de projeto. Defeitos ocorridos a qualquer tempo sero considerados falhas prematuras se ocorrerem por modos de falhas no considerados no projeto ou em componentes com vida til indefinida. Analisar uma falha interpretar as caractersticas de um sistema ou componente deteriorado para determinar porque ele no mais executa sua funo com segurana. Uma anlise de falhas que no serve de subsdio para um conjunto de aes corretivas tem utilidade nula. Por outro lado, se no for possvel determinar as causas fsicas da falha no ser possvel introduzir melhorias no sistema. 3.2-Profundidade da anlise A profundidade da anlise deve ser adequada ao tipo de falha. Normalmente as indstrias no contam com grandes contingentes de pessoal dedicado exclusivamente anlise de falhas, surgindo da a necessidade de estabelecer um critrio de priorizao, ou seja, um critrio que nos ajude a enfocar os principais problemas, de modo a termos o maior retorno possvel a partir dos recursos disponveis. O tamanho do prejuzo ( perdas financeiras, leses corporais e agresses ambientais ) vai determinar a profundidade da anlise. Nem sempre ser justificvel fazer uma anlise completa do evento ( Root Cause Failure Analisys ) devido ao tempo e dinheiro gasto com isso. Uma boa sistemtica a seguinte: a) No caso de falhas no repetitivas que no tenham resultado em perdas de produo ou em riscos de acidentes ou agresses ambientais a anlise deve ser executada pela pessoa encarregada de consertar o equipamento e o seu supervisor. O processo conhecido por 5 Why ( 5 Porque ) pois consiste em perguntarmos umas 5 ou 6 vezes a causa dos eventos; b) Quando temos falhas repetitivas do equipamento, falhas que resultaram em perdas de produo ou falhas que causaram risco de acidentes ou agresso ambiental o processo de anlise deve ser mais detalhado. Nesse caso a anlise da falha deve ser feita por um grupo onde haja, no mnimo, um especialista em manuteno do equipamento que falhou, um da operao e um representante do grupo tcnico ou de engenharia da fbrica. Todos os envolvidos na anlise devem ter conhecimento dos fatos, idealmente obtidos por observao pessoal das evidncias disponveis e do relato de testemunhas. Esse processo chamado por muitos nomes, dependendo da indstria: Eliminao de Defeitos, Anlise de Ocorrncias Anormais, Relatrio de No Conformidade. Nesse texto, este tipo de abordagem ser simplesmente chamado de Anlise Completa, em contraposio anlise simplificada proporcionada pelo 5 Why. A designao 5 Why ser mantida, por ter se tornado um termo de ampla utilizao na indstria; Embora os dois processos acima sejam suficientes para a grande maioria das falhas, sempre corremos o risco de ter que analisar acidentes catastrficos, onde todos os recursos existentes devem ser utilizados para elucidar o mecanismo de falha e determinar as aes corretivas. Esse processo normalmente conhecido como Root Cause Failure Analisys, sendo enorme o esforo despendido para um estudo completo. 5/12


Considera-se que a falha repetitiva se o tempo mdio entre falhas do equipamento menor que a mdia da planta. 3.3-Alguns pontos que no devem ser esquecidos Alguns pontos importantes no devem ser esquecidos. claro que temos que seguir o esquema tradicional, coletar informao, organiza-la, analisar os dados, determinar o modo de falha e as causas bsicas. a) Manter o foco no primeiro componente a falhar Ao examinar uma mquina danificada, pode ser difcil descobrir a origem do problema. No deve ser esquecido que, na maior parte dos casos, somente os eventos que iniciaram a falha nos interessam, todos os demais danos observados sero conseqncias da falha do primeiro componente. Esse item extremamente importante para manter o foco do trabalho nos componentes que iniciaram a falha. Em muitos casos, esforo e tempo so gastos para analisar falhas de importncia secundria. Obviamente, deve ser dada algumas ateno ao exame de todos os destroos da mquina, j que isso pode nos ajudar a descobrir onde o problema comeou, a obter informaes sobre as causas da falha e a determinar a extenso dos servios de manuteno que sero necessrios para retornar o equipamento operao normal. b) Procurar por pontos fracos ou por modos de falha ocultos Os modos de falha ocultos so aqueles que acontecem com componentes que no funcionam o tempo todo, s sendo percebidos quando o componente solicitado a trabalhar. Exemplos clssicos so vlvulas de segurana emperradas, turbinas auxiliares travadas, etc. O ponto fraco o componente que amplifica os efeitos de uma falha em outro componente. Um exemplo seria a ocorrncia de desarme de um compressor de grande porte devido queda de presso do sistema de leo, aps a parada da turbina que aciona a bomba de leo. A bomba reserva entrou em funcionamento normalmente, mas a existncia de uma vlvula de reteno emperrada permitiu que o leo existente no acumuladores (ali instalados para fornecer leo enquanto a bomba reserva acelera at a rotao nominal) fosse drenado e que a presso do sistema casse alm do ponto onde h desarme do conjunto. A causa bsica da falha foi a parada da turbina auxiliar, mas o problema foi grandemente amplificado devido falha da vlvula de reteno. Nesse tipo de caso, nossa ateno no deve ser focada somente no primeiro componente a falhar. c) Procurar por mais de uma causa bsica Pode ser difcil resistir tentao de dar o trabalho de anlise de falhas por terminado quando uma causa bsica vlida encontrada. A causa bsica exatamente aquilo que estvamos procurando. Isto no correto em todas as situaes, sendo necessrio procurar por mais de uma causa bsica, sempre tendo em mente a diferena entre causa bsica e causa imediata. O risco que existe quando alguma das causas bsicas da falha no localizada que s podemos

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implementar medidas preventivas para os problemas que conhecemos, ficando o sistema sujeito a falhas pelas causas no tratadas. Uma boa ilustrao deste conceito pode ser encontrada no Captulo 6, no exemplo de anlise de falha completa.. d) Desenvolver um banco de dados de anlise de falhas e de histrico de manuteno Nossa memria seletiva e bastante limitada, o que resulta na necessidade de termos uma expanso de memria dentro do computador. No suficiente escrever relatrio de manuteno e de anlise de falhas; e) Descobrir por que algumas mquinas no falham Embora parea bvio, sempre interessante lembrar que, se temos mquinas similares operando em servios similares mas s uma delas apresenta alta confiabilidade, basta descobrir qual a diferena entre elas para descobrir como resolver o problema da mquina de baixa confiabilidade. Uma comparao cuidadosa entre mquinas julgadas iguais pode mostrar que elas no so to iguais assim. Podem ser encontradas diferenas de projeto, de instalao, de mtodos de operao ou manuteno, etc.

4ANLISE DE UMA FALHA DE UMA TURBINA A VAPOR Uma falha do desarme por sobrevelocidade de uma turbina a vapor pode causar acidentes graves, tais como exploso do equipamento acionado ( excesso de presso ) ou da prpria turbina. Exemplo da anlise de um evento onde ocorreu sobrevelocidade de uma turbina, onde so ilustrados diversos conceitos estudados anteriormente. Um mecanismo de desarme comum em turbinas consiste numa massa e mola alojadas num disco que gira junto com o eixo. Quando a velocidade ultrapassa um certo limite, usualmente 10 % acima da velocidade nominal, a fora centrfuga expulsa a massa do seu alojamento e a massa aciona uma alavanca que vai por sua vez acionar o mecanismo de fechamento da vlvula de entrada de vapor. No caso em questo, o sintoma observado foi a ruptura da tubulao de suco de uma bomba acionada por uma turbina a vapor. No difcil concluir que houve um disparo da turbina pelo exame das peas da bomba, que mostrava eixo empenado, anis de desgaste e estojo do selo mecnico com severo roamento, etc. Uma inspeo da turbina indicou que: a) Os mancais radiais mostravam sinais de sobreaquecimento, principalmente no lado do governador; b) O mancal de escora no havia falhado; c) O eixo havia sido cortado pelo roamento com o disco do desarme de sobrevelocidade, desconectando o governador do eixo da turbina; d) O pino e a mola do mecanismo de desarme por sobrevelocidade estavam danificados;

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e) O parafuso de regulagem da velocidade de desarme estava fora da posio; f) O sistema de desarme e o governador no estavam travados. Os instrumentos de processo disponveis ( presso de descarga da bomba e presso do desaerador de gua de alimentao de caldeira ) indicavam que a presso de descarga da bomba tinha sofrido um ligeiro aumento aps o almoo , ocasio em que uma rotao de 4100 RPM foi detectada na turbina e um grande aumento no meio da madrugada, hora do acidente. A presso do desaerador ( que indica indiretamente a presso do vapor exausto da turbina ) estava variando em conjunto da presso de descarga da bomba, indicando que ela estava controlando a rotao da turbina. A turbina sofreu manuteno algum tempo antes do acidente, ocasio em que o desarme foi regulado. O manual de manuteno da turbina requer travamento dos parafusos do sistema de desarme com Loc-Tite, porm isso no foi feito. A seqncia dos eventos que levaram ao disparo da turbina provavelmente foi: a) O parafuso de regulagem da velocidade de desarme modificou sua posio devido fora centrfuga e falta do Loc-Tite, aumentando o esforo sobra a trava do mecanismo e requerendo uma rotao maior para desarme; b) A trava do mecanismo ( trava elstica ) soltou-se do alojamento e o pino ficou preso somente pelo parafuso da outra extremidade do pino ( cabea de acionamento ), que tambm no foi montado com Loc-Tite. O projeto do sistema de trava aparentemente facilita a soltura da trava;

Figura 4.1 Ilustrao da regio da ruptura do eixo.

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Figura 4.2 Dispositivo de desarme por sobrevelocidade c) A cabea de acionamento soltou-se do pino e o pino saiu do seu alojamento. A rosca da cabea de acionamento curta o suficiente para permitir desmontagem do pino sem desarmar a turbina. Ao sair do alojamento o pino bateu na alavanca de acionamento da vlvula de bloqueio do vapor, travando o anel do dispositivo de segurana. A mola da haste da vlvula tem sinais de impacto na regio superior;

figura 4.3 - Acoplamento do governador e pino do sistema de desarme da turbina. Notar desgaste que ocasionou ruptura do eixo da turbina e que o parafuso de regulagem est saindo do seu alojamento.

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Figura 4.4 Disco do sistema de desarme mostrando desgaste devido ao roamento com o eixo. d) O eixo da turbina foi cortado pelo anel desconectando o governador e o desarme de sobrevelocidade; e) Tendo a turbina ficado sem controle e sem desarme, ela foi encontrada operando a 4100 RPM, sendo essa velocidade controlada unicamente pelas condies de operao da bomba e da turbina. Quando ocorreu a reduo da presso do vapor exausto a turbina disparou e destruiu a bomba.Plot-0 50, 4, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 5, 0, 0, 06/12/99 00:00:00 OLEO COMB. REDE PI6139 21,553 KG/CM2 PI5076 1,3684 KG/CM2

1,50 Day(s) DESAERADOR V-54

07/12/99 12:00:00

Figura 4.5 Registro das presses de descarga da bomba e da presso do desaerador, indicando a hora da ruptura do eixo e a hora do disparo da turbina. A ordem dos dois primeiros itens questionvel, mas uma inverso no altera o resultado final. 10/12


As causas do acidente foram: a) Deficincia de manuteno, no travamento dos parafusos do sistema de desarme por sobrevelocidade com Loc-Tite, apesar de isto estar especificado no manual de instrues da turbina; b) Fragilidade do mecanismo do sistema de desarme. A trava elstica sai com facilidade e o LocTite est sujeito a uma temperatura razoavelmente alta. Alm disso o parafuso da extremidade do pino de desarme era muito curto, o que permite que ele saia da rosca sem desarmar a turbina. Os pinos oriundos de compras mais recentes tem uma rosca mais comprida, que tocaria a alavanca de desarme antes de deixar a rosca; c) A bomba no foi parada manualmente e no foi acionada a bomba reserva no momento em que foi constatado que ela estava com rotao maior que a nominal; As aes para evitar repetio so: a) Instruir pessoal de manuteno a seguir sempre as orientaes dos manuais de manuteno; b) Instruir pessoal de manuteno e de operao para s permitir operao de equipamentos fora das condies de projeto aps cuidadosa anlise das possveis conseqncias; c) Modificar o projeto dos sistemas de desarme similares existentes na refinaria para torna-los menos sensveis a esse tipo de problema, de preferncia em conjunto com o fabricante da turbina. Nesse exemplo o mais importante no foi fazer uma anlise metalrgica aprofundada de cada componente, mas relacionar o dano de cada um com a maneira como eles operam e falham em conjunto. Notar que a causa imediata do vazamento, ruptura da tubulao de suco, no foi analisada, por ser ela conseqncia do disparo da turbina. Os demais danos na bomba e na turbina tambm tiveram o mesmo tratamento.

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Figura 4.6 - Pino de desarme por sobrevelocidade danificado ( direita ) e novo. Not ar diferena entro os parafusos e travas elsticas. Notar que a anlise do mecanismo foi mais importante que a anlise de cada componente. As causas do problema ilustram a possibilidade de ocorrncia de causas mltiplas e vo requerer ao sobre a mquina, o sistema de manuteno e operao. Os conceitos ressaltados nesse exemplo so: a) As causas mltiplas da falha; b) A importncia da anlise do histrico de manuteno e de operao do equipamento; c) A importncia de examinar as condies de operao do equipamento no momento do acidente; d) A importncia de considerar o modo como o mecanismo funciona na anlise da falha, principalmente em casos complexos; e) Como manter o foco da investigao no conjunto que causou o problema, no efetuando uma anlise detalhada de todas as peas danificadas.

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5DESARME DE UM SOPRADOR DE GRANDE PORTE As grandes mqinas que operam em servios crticos usualmente possuem sistemas de lubrificao projetados para serem prova de falhas. Deste modo, sa instaladas bombas reserva e instrumentao sofisticada. O caso real que ser analisado agora ocorreu com uma destas grandes mquinas aps uma pequena falha da turbina auxiliar, que no deveria ter causado maiores danos. O soprador de ar estava operando normalmente antes do desarme repentino. As causas do desarme foram: a) O reasfriador de leo da turbina auxiliar sofreu vazamento, causando o desarme da turbina auxiliar; b) A vlvula de reteno que deveria ter bloqueado o retorno do leo dos reservatrios pressurizados estava travada aberta, acelerando a queda de presso e permitindo o desarme do soprador, apesar de a bomba reserva ter entrado em operao normalmente. Neste caso, o primeiro compoente a falhar foi o resfriador de leo, mas o desarme do soprador ocorreu devido ao problema com a vlvula de reteno. A vlvula agiu como o ponto fraco do sistema, amplificando os efeitos da falha do resfriador de leo.

6-CONCLUSO A anlise das falhas das mquinas pode ser uma ferramenta importante para aumentar a confiabilidade das mquinas. Algumas precauoes simples, como as mostradas acima, podem colaborar para melhorar a qualidade das anlises. Estas regras simples, no entanto, no podem ser substitutos para o treinamento formal e a experincia. Elas devem ser encaradas como guias que permitem a algum que j conhece o trabalho faze-lo umpouco melhor.

7-REFERNCIAS 7.1 - Affonso, Luiz Otvio A.: Improving the Reliability of the Machinery in the Cubato Refinery, Proceedings of 7th Process Plant Reliability Conference, Houston, TX, 1998; 7.2 - Affonso, Luiz Otvio A. :Equipamentos Mecnicos Anlise de Falhas e Soluo de Problemas, Editora Quality Mark, Rio de Janeiro, Brasil, 2002

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