NÁLISE E SOLUÇÃO DE F ALHAS A NÁLISE EM SISTEMAS MECÂNICOS
A NÁLISE E SOLUÇÃO DE F ALHAS EM SISTEMAS MECÂNICOS F RED K. GEITNER & HEINZ P. BLOCH
TRADUÇÃO Eduardo Kraszczuk REVISÃO TÉCNICA Professor Dr. -Ing. Ernani Sales Palma Professor Associado Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Minas Gerais
Butterworth-Heinemann is an imprint of Elsevier The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, OX5 1GB, UK 225 Wyman Street, Waltham, MA 02451, USA Originally published by Gulf Publishing Company, Houston, Texas, USA Third edition published by Gulf Professional Publishing (an imprint of Elsevier), 1999 Fourth edition published by Butterworth-Heinemann (an imprint of Elsevier) 2012 © 2015, Elsevier Editora Ltda. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei n o 9.610, de 19/2/1998. Nenhuma parte deste livro, sem autorização prévia por escrito da editora, poderá ser reproduzida ou transmitida sejam quais forem os meios empregados: eletrônicos, mecânicos, fotográficos, gravação ou quaisquer outros. Copidesque: Geisa Mathias de Oliveira Revisão Gráfica: Gabriel Pereira Editoração Eletrônica: SBNigri Artes e Textos Ltda.
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[email protected] ISBN 978-85-352-7421-9 ISBN (versão eletrônica) 978-85-352-7422-6 ISBN original 978-01-238-6045-3 Nota: Muito
zelo e técnica foram empregados na edição desta obra. No entanto, podem ocorrer erros de digitação, impressão ou dúvida conceitual. Em qualquer das hipóteses, solicitamos a comunicação ao nosso Serviço de Atendimento ao Cliente, para que possamos esclarecer ou encaminhar a questão. Nem a editora nem o autor assumem qualquer responsabilidade por eventuais danos ou perdas a pessoas ou bens, originados do uso desta publicação.
CIP-Brasil. Catalogação na fonte. Sindicato Nacional dos Editores de Livros, RJ _________________________________________________________________________ G274a Geitner, Fred K. Análise e solução de falhas em sistemas mecânicos: gerenciamento prático de equipamentos mecânicos para indústrias de processos / Fred K. Geitner, Heinz P.Bloch; tradução Eduardo Krasz czuk. – 1. ed. – Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. il. ; 28 cm. Tradução de: Machinery failure analysis And troubleshooting ISBN 978-85-352-7421-9 1. Máquinas – Projetos e construção. 2. Engenharia mecânica. I. P.Bloch, Heinz. II. Título. CDD: 621.815 14-14890. CDU: 62-11 _________________________________________________________________________
Como um incentivo para ir à longa distância, e depois além. Você não encontrará barreiras em seu caminho.
(Livremente citado de Eclesiastes, 9:10)
Dedicatória
Para Gerritt, Callan e Jillian Bloch, Courtney Bravender, e Peter, Lena, Derek e Chloe Geitner .
Agradecimentos Um engenheiro de máquina experiente geralmente tem alguns arquivos cheios de relatórios técnicos, notas de cursos, relatórios de falha e uma variedade de dados relacionados com máquinas. Mas esses arquivos raramente estão completos o bastante para ilustrar todos os modos de falha de rolamento, todas as formas de problemas de engrenagem etc. Do mesmo modo, podemos assistir a cursos sobre solução de problemas, mas não podemos alegar nos lembrar de todas as mecânicas das abordagens de solução de problemas sem voltar à literatura formal. Reconhecendo essas limitações, entramos em contato com algumas companhias e especialistas e pedimos permissão para usar alguns dos materiais-fonte neste livro. Reconhecemos com gratidão a ajuda e cooperação que recebemos de:
American Society of Lubrication Engineers, Park Ridge, Illinois (ASLE Paper 83-AM-1B-2, Bloch/Plant-Wide Turbine Lube Oil Reconditioning and Analysis). American Society of Mechanical Engineers, Nova York, Nova York (Proceedings of 38th ASME Petroleum Mechanical Engineering Workshop, Bloch/Setting Up a Pump Failure Reduction Program). American Society for Metals, Metals Park, Ohio (Analysis of Shaft Failures etc.). American Gear Manufacturers Association, Arlington, Virginia (Gear Failures etc.). T.J. Hansen Company, Dallas, Texas (Generalized Problem-Solving Approaches). Robert M. Jones e SKF Condition Monitoring, Newnan, GA (Vibration Monitoring and Pattern Identification). William G. Ashbaugh, Houston, TX (Corrosion Failures). Beta Machinery Analysis, Ltd., Calgary, Canada (Problem Analysis on Reciprocating Machinery). Durametallic Company, Kalamazoo, Michigan (Mechanical Seal Distress). Dean L. Gano, Apollo Associated Services, Richland, Washington (Cause Analysis by Pursuing the Cause and Effect Relationship). Glacier Metal Company, Ltd., Alperton/Middlesex, Inglaterra ( Journal and Tilt-Pad Bearing Failure Analysis). Paul Nippes, Magnetic Products and Services, Inc., Holmdel, Nova Jersey (Magnetism in Turbomachinery). Ken Reed, System Improvements Inc., Knoxville (TapRoot Root Cause Analysis Methods). SKF Industries, Inc., King of Prussia, Pensilvânia (Bearing DistressdRecognition and Problem Solving). Neville W. Sachs, PE, Sachs, Salvaterra & Associates, Inc., Syracuse, N.Y. (Failure Analysis of Mechanical Components). John S. Sohre, Sohre Turbomachinery, Inc., Ware, Massachussets (Magnetism in Turbomachinery). Brian Turner, RIP 2009, Barrie, Ontario, Canadá (Distinguishing Between Bad Repairs and Bad Designs).
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Análise e Solução de Falhas em Sistemas Mecânicos — Fred K. Geitner & Heinz P. Bloch
ELSEVIER
Christopher M. Chioda, Apple Rubber Products, Inc., Lancaster NY (O-ring failure analysis). Thomas H. Bishop, P. Eng., EASA (Electrical Apparatus Service Association), St. Louis MO (Electrical motor bearing failure analysis). Paul Barringer, Barringer & Associates, Inc., Humble TX, www.barringer1.com (Probability plotting of life data). Kenneth Bloch, Flint Hills Resources, LP, Doug Dunmire, Western ROPE, LLC, e Jeremy Bertsch, Flint Hill Resources, LP (Process safety). Chris Carmody, PhDeAESSEAL plc (Application of Weibull and WeiBayes methods to component life analysis) Rashmir K. Shah, Salomon Associates and the EPC Rotating Machinery Subcommittee (RMSC) (Major process compressor train reliability performance).
Prefácio Para a operação segura e conável de uma fábrica, é necessária a prevenção de potenciais danos aos sistemas mecânicos. A prevenção de falhas pode ser obtida por meio de especicação, seleção, revisão e projeto de rotinas de auditoria. Quando as falhas ocorrem, a determinação precisa de suas causas é um pré-requisito absolutamente necessário para sua prevenção. Este livro abrange técnicas de abordagem comprovadas para a determinação de falhas; apresenta uma dissecação de situações documentadas e analisa os procedimentos empregados para determinar a sequência de acontecimentos que levou a falhas de componentes ou sistemas. Pelo fato de ser impossível lidar, de forma literal, com todos os tipos de falhas possíveis, o texto é estruturado para ensinar métodos de identicação e análise de falhas a serem aplicados em quase todos os problemas que podem surgir. Uma metodologia uniforme de análise e solução de falhas é necessária porque, por nossa experiência, com muita frequência os processos de falha nas máquinas não são detalhados de maneira suciente; eles são apenas “resolvidos” para voltarem à produção. A pressão exercida pela urgência de produção acaba atropelando a necessidade de analisar a situação a fundo e o problema, com sua causa subjacente, depois volta a nos assombrar. O tempo de não operação e o risco de falha de componentes podem ser reduzidos se, e somente se, os potenciais problemas forem antecipados e evitados. Muitas vezes, isso não é possível só com a aplicação de métodos tradicionais de análise. Sendo assim, é apropriado empregar outros métodos para evitar e reduzir danos às instalações da fábrica, ao equipamento e ao pessoal, objetivo que inclui, entre outros, a aplicação de sistemas ou componentes redundantes e de técnicas computadorizadas para sistemas elétricos/eletrônicos. O estilo de gerenciamento e o ambiente organizacional encontrados nas fábricas, em geral, permitem um nível de falhas de máquinas e de panes de “rotina”. Este livro demonstra como alcançar um método uniforme para vericar se o nível de falha pode ser considerado aceitável e exequível. H.P. Bloch
Westminster, Colorado F.K. Geitner
Brights Grove, Ontário
Sumário Capítulo 1: Análise de Falhas e Solução de Problemas ..........................................................................................1 Solução de problemas como uma extensão da análise de falhas .............................................................. 1 Causas de falhas em equipamentos mecânicos .......................................................................................3 Causas básicas de falhas em equipamentos mecânicos ........................................................................... 6 Referências ............................................................................................................................................. 8
Capítulo 2: Análise de Falhas Metalúrgicas.........................................................................................................9 Tipos de falhas ..................................................................................................................................... 12 Metodologia de análise de falhas metalúrgicas ..................................................................................... 12 Análise de falhas em juntas parafusadas ...............................................................................................16 Falhas de eixo e árvores ........................................................................................................................ 22 O caso da turbina de ventilação do boiler ............................................................................................. 36 Análise de falha de mudança de superfície ........................................................................................... 38 Analisando falhas de desgaste............................................................................................................... 44 Plano de ação preventiva para evitar danos de corrosão .......................................................................50 Estudos de caso .................................................................................................................................... 53 Resumo ................................................................................................................................................ 66 Referências ........................................................................................................................................... 67
Capítulo 3: Análise de Falhas em Componentes Mecânicos ................................................................................69 Rolamentos em risco ............................................................................................................................ 71 Falha nos rolamentos de esferas e suas causas....................................................................................... 74 Distribuição de forças e seus significados nos danos de rolamento....................................................... 76 Solucionando problemas em rolamentos ............................................................................................ 105 Mancais radiais e axiais ...................................................................................................................... 116 Análise de falhas de engrenagem........................................................................................................137 Considerações preliminares ................................................................................................................ 138 Avaliação analítica da capacidade teórica de engrenagens .................................................................. 140 Avaliação metalúrgica......................................................................................................................... 140 Projeto mecânico geral ....................................................................................................................... 140 Lubrificação........................................................................................................................................ 141 Defeitos induzidos por outros componentes de transmissão .............................................................. 141 Desgaste ............................................................................................................................................. 141 Arranhaduras ..................................................................................................................................... 148 Fadiga superficial................................................................................................................................ 153 Falhas por causa de processo de manufatura....................................................................................... 157 Ruptura .............................................................................................................................................. 162
XIV Análise e Solução de Falhas em Sistemas Mecânicos — Fred K. Geitner & Heinz P. Bloch
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Análise de falhas de acoplamentos flexíveis lubrificados..................................................................... 165 Análise de falhas de acoplamento de engrenagens..............................................................................166 Mecanismos de falha de acoplamento de engrenagens .......................................................................168 Determinando as causas de tensão no selo mecânico ......................................................................... 176 Análise de falhas e solução de problemas em selos de vedação ........................................................... 176 Resumo da análise de falhas em selos de vedações mecânicas ............................................................194 Evitando falhas comuns de anéis O-ring ............................................................................................ 194 Falhas sem evidências aparentes em selos de vedações ....................................................................... 195 Anéis de compressão .......................................................................................................................... 195 Considerações sobre a lubrificação .....................................................................................................200 Análise de falhas de lubrificação .........................................................................................................201 Porque se deve purificar o lubrificante................................................................................................ 203 Seis tipos de análise de lubrificantes são necessários...........................................................................214 Amostragem periódica e rotinas de condicionamento implementadas ...............................................218 Cálculo da relação custo-benefício ..................................................................................................... 221 Análise de partículas de desgaste ........................................................................................................222 Análise de falhas de graxa................................................................................................................... 225 Magnetismo em turbomáquinas.........................................................................................................227 Referências ......................................................................................................................................... 238
Capítulo 4: Soluções de Problemas em Sistemas Mecânicos ...............................................................................241 Abordagens concorrentes ...................................................................................................................243 A abordagem do solucionador de problemas profissional (spp) .......................................................... 246 Abordagem matricial para solução de problemas em equipamentos mecânicos ................................. 248 Solução de problemas de bombas .......................................................................................................255 Tomando decisões corretas ................................................................................................................ 281 Solução de problemas de compressores centrífugos, ventiladores e ventoinhas ..................................283 Solução de problemas de compressores recíprocos (pistões) ...............................................................283 Solução de problemas de motores....................................................................................................... 297 Solução de problemas de turbinas a vapor ..........................................................................................302 Solução de problemas de turbinas a gás .............................................................................................. 303 Solução de problemas de motores elétricos ........................................................................................ 307 Falhas em rolamentos de motores elétricos ........................................................................................ 307 Solução de problemas no processo......................................................................................................313 Aplicando estratégias bem-sucedidas em solução de problemas em equipamentos ............................ 317 Referências ......................................................................................................................................... 321
Capítulo 5: Análise de Vibrações.......................................................................................................................323 Histórico dos equipamentos ............................................................................................................... 325 Características das máquinas .............................................................................................................. 325 Interpretação dos dados coletados ...................................................................................................... 333 Vibrações induzidas por fluxos aerodinâmicos ...................................................................................349 Estabelecendo limites operacionais seguros para o equipamento mecânico ........................................ 386 Apêndice ............................................................................................................................................ 389 Fórmulas ............................................................................................................................................ 397 Referências ......................................................................................................................................... 398
Sumário
XV
Capítulo 6: Sequência Geral de Resolução de Problemas de Equipamentos Mecânicos .....................................401 Análise da situação .............................................................................................................................402 Análise de causas ................................................................................................................................406 Planejamento e criação do plano de ação ...........................................................................................415 Planejamento de mudanças ................................................................................................................ 434 Referências ......................................................................................................................................... 439
Capítulo 7: Abordagem Estatística na Solução de Problemas de Equipamentos Mecânicos...............................441 Modos de falhas de máquinas e gerência estratégica de manutenção .................................................442 Estratégias de manutenção de equipamentos mecânicos .................................................................... 456 Métodos para identificar manutenção inadequada decorrente de falhas de projeto ............................ 462 Referências ......................................................................................................................................... 469 Determinação da confiabilidade para atingir as especificações de segurança do processo...................470 Como a confiabilidade do equipamento tem impacto na segurança do processo ................................ 470 Estudo de casos de atenuação de riscos .............................................................................................. 471 Conservador, porém lógico? ............................................................................................................... 473 Com que o “bom” se parece?............................................................................................................... 475 Uma abordagem padronizada para verificação de risco de falhas de bombas...................................... 475 Conclusões ......................................................................................................................................... 484 Referências ......................................................................................................................................... 485
Capítulo 8: Relatório de Falhas Formal como uma Ferramenta de Aprendizado..............................................487 Examinando os exemplos de relatório ................................................................................................ 488 Estudo de caso: falha de bomba de alta velocidade e baixo fluxo ........................................................ 489 Referências ......................................................................................................................................... 516
Capítulo 9: A “Abordagem da Categoria de Sete Causas” à Análise de Falhas Fundamentais ...........................517 Listas de checagem e estatísticas de falhas podem ser úteis ................................................................ 518 Abordagens sistemáticas são sempre valiosas...................................................................................... 518 Projeto inadequado causa falhas prematuras de mancais .................................................................... 519 Deficiências na fabricação e no processamento aumentam o custo..................................................... 521 Erros operacionais podem causar o mau funcionamento de bombas ..................................................522 Manutenções inadequadas podem causar falhas ................................................................................. 523 Determinação de falhas de projeto e operação inadequada na prevenção de falhas ............................530 Vida útil reduzida e falha catastrófica de rolamentos de motores elétricos ......................................... 533 Referências ......................................................................................................................................... 535
Capítulo 10: Um Processo de Solução de Problemas Baseado em Princípios......................................................537 Estratégias tradicionais de resolução de problemas ............................................................................ 537 Pensamento linear ..............................................................................................................................538 Categorização..................................................................................................................................... 538 Contando histórias .............................................................................................................................540 O mito da causa fundamental............................................................................................................. 543 Princípios das causas do problema......................................................................................................544 Sete etapas para a solução eficaz de problemas ................................................................................... 546 RealityCharting..................................................................................................................................546 Melhoria contínua – a essência da qualidade ...................................................................................... 547 Recursos adicionais.............................................................................................................................547 Referências ......................................................................................................................................... 547
XVI Análise e Solução de Falhas em Sistemas Mecânicos — Fred K. Geitner & Heinz P. Bloch
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Capítulo 11: Sistemas Baseados em Conhecimento para Análise de Falhas de Equipamentos Mecânicos..........549 Exemplos de sistemas baseados em conhecimento .............................................................................550 Identificação e seleção de aplicações de sistemas baseados em conhecimento .................................... 551 Implementação do projeto .................................................................................................................. 555 Questionário do sistema especialista .................................................................................................. 558 Referências ......................................................................................................................................... 563
Capítulo 12: Treinamento e Organização para Análise e Solução Bem-sucedida de Problemas ........................565 Decisões disponíveis e quando tomá-las............................................................................................. 566 Por que o aprendizado compartilhado e uma medida de especialização são importantes ................... 566 Passos específicos no treinamento e processo de aprendizagem.......................................................... 567 Resultados favoráveis antecipados ......................................................................................................569 Crescimento profissional: o próximo passo......................................................................................... 570 Organização para análise e solução de falhas ...................................................................................... 571 Organizando um programa de redução de falhas de bombas centrífugas ...........................................571 Definição de abordagem e metas ........................................................................................................572 Planos de ação definidos..................................................................................................................... 573 Desenvolvimento de listas de checagem e procedimentos .................................................................. 574 Resultados e conclusões do programa.................................................................................................581 Referências ......................................................................................................................................... 582
Apêndice A: Bancos de Dados, Pesquisas e Expectativas de Tempo Médio entre Falhas, Derivados da Literatura e Observações do Autor ..........................................................................................585 Apêndice B: Apresentação de Dados de Probabilidades de Falhas .....................................................................605 Apêndice C: Glossário de Resolução de Problemas e Termos de Tomada de Decisão...........................................615 Apêndice D: Nomenclatura de Engrenagens ....................................................................................................617 Índice ...............................................................................................................................................................619
