Análise de causa raiz: modos de falha de acoplamento em sistemas de motor Siemens 1PH8

Introdução

Interrupções operacionais inesperadas em processos críticos de fabricação geralmente são causadas por falhas em componentes mecânicos de transmissão de energia. Um incidente recente envolveu o desligamento abrupto de um sistema primário de circulação de refrigerante acionado por um motor Siemens 1PH8186-3FF10-2AA1-Z. A investigação revelou uma falha catastrófica do acoplamento motor-bomba, levando à paralisação imediata da produção e a um impacto financeiro significativo. Esta análise examina os principais modos de falha observados: desalinhamento, sobrecarga de torque e trincas por fadiga, fornecendo uma abordagem sistemática para identificação da causa raiz e medidas preventivas.

Visão geral do componente

O sistema sob investigação compreende um servo motor assíncrono compacto Siemens 1PH8186-3FF10-2AA1-Z, com potência nominal de 22 kW (30 HP) com velocidade nominal de 1800 RPM e torque nominal de 117 Nm (86 lb-ft). Este motor aciona uma bomba centrífuga responsável pela circulação do refrigerante do processo a uma vazão de aproximadamente 300 GPM (1135 LPM) e uma altura manométrica de 150 pés (45 metros). O acoplamento que conecta os eixos do motor e da bomba é um acoplamento de disco metálico, selecionado por sua rigidez torcional, capacidade de alta velocidade e folga mínima, característica de aplicações de acionamento de precisão. O acoplamento tem um torque nominal de 200 Nm (147 lb-ft), proporcionando um fator de serviço de aproximadamente 1,7 em relação ao torque nominal do motor.

As condições de operação normalmente envolvem serviço contínuo em temperaturas ambientes variando de 15°C a 35°C (59°F a 95°F), com temperaturas da superfície do acoplamento geralmente mantidas abaixo de 60°C (140°F). O acoplamento foi projetado para transmitir energia enquanto acomoda pequenos desalinhamentos axiais, radiais e angulares dentro dos limites especificados, normalmente desalinhamento radial de ±0,002 polegadas (±0,05 mm) e angular de ±0,0005 polegadas/polegada (±0,05 mm/metro) para vida útil aceitável, de acordo com as diretrizes do fabricante e práticas gerais da indústria alinhadas com ANSI/HI 9.6.5-2016 para sistemas de bomba.

Evidência de falha

A inspeção pós-falha do acoplamento do motor Siemens 1PH8 revelou danos extensos:

Inspeção visual: vários pacotes de discos exibiram deformação plástica grave e fratura. Vários fixadores de liga de aço de alta resistência (grau 12,9, por ISO 898-1) foram cisalhados. Os cubos do acoplamento apresentavam sinais de corrosão por contato e superaquecimento localizado, indicados por descoloração consistente com temperaturas superiores a 150°C (302°F).
Dados de vibração: registros históricos de análise de vibração, especificamente de 48 horas antes da falha, mostraram um aumento gradual na velocidade geral de vibração de uma linha de base de 2,5 mm/s RMS (0,10 pol/s RMS) para 8,2 mm/s RMS (0,32 pol/s RMS). A análise espectral destacou picos proeminentes em 1x e 2x a velocidade de operação (1800 RPM/30 Hz), particularmente nas direções radial e axial, excedendo ISO 10816-3 limites da Zona C (7,1 mm/s RMS para máquinas acima de 300 kW, ajustado para este motor de 22 kW, o limite da Zona C é normalmente 4,5 mm/s RMS). O pico de 2x RPM no espectro radial, medido a 5,5 mm/s RMS (0,22 pol/s RMS), sugeriu fortemente desalinhamento angular.
Dados térmicos: relatórios de termografia infravermelha da semana anterior indicaram temperaturas da superfície do acoplamento atingindo 85°C (185°F), um aumento de 25°C (45°F) acima das condições normais de operação, sugerindo elevado atrito ou tensão interna.
Medições do eixo: medições de desvio do eixo pós-falha usando um relógio comparador revelaram uma leitura total do indicador (TIR) de 0,003 polegadas (0,076 mm) no eixo do motor e 0,004 polegadas (0,102 mm) no eixo da bomba, indicando possível deformação do eixo ou problemas de rolamento, embora dentro das tolerâncias típicas de fabricação para eixos novos. No entanto, a medição da folga do acoplamento mostrou uma inconsistência de 0,015 polegadas (0,38 mm) em todo o seu diâmetro.

Investigação de causa raiz

Uma análise estruturada de árvore de falhas foi conduzida para investigar sistematicamente os modos de falha observados:

1. Desalinhamento

Por que o acoplamento apresentou desalinhamento excessivo?
Erro de instalação inicial: não atendeu às especificações de alinhamento do laser (por exemplo, ANSI/HI 9.6.5-2016).
Degradação da fundação: recalque ou degradação da fundação de concreto ao longo do tempo, causando deslocamento do motor ou da base da bomba.
Tensão da tubulação: Tensão não aliviada da tubulação de conexão transmitida à carcaça da bomba, deformando o eixo da bomba ou os rolamentos.
Crescimento térmico: Expansão térmica diferencial entre o motor e a bomba, ou entre o equipamento e sua base, não considerada durante o alinhamento a frio.

2. Sobrecarga de Torque

Por que o acoplamento sofreu sobrecarga de torque?
Perturbação no processo: bloqueio repentino na linha de descarga da bomba, cavitação devido à sucção insuficiente ou bombeamento de um fluido inesperadamente viscoso.
Anomalia de controle do motor: mau funcionamento no inversor de frequência variável (VFD) ou no controlador do motor, causando picos de torque descontrolados.
Apreensão do equipamento acionado: falha do rolamento ou apreensão de componentes internos da bomba, aumentando significativamente a resistência.
Seleção incorreta do acoplamento: a capacidade de torque nominal e de pico do acoplamento era insuficiente para as cargas transitórias máximas da aplicação, apesar de atender aos requisitos nominais.

3. Rachaduras por fadiga

Por que os discos de acoplamento fadigaram e quebraram?
Tensões cíclicas por desalinhamento: flexão contínua dos conjuntos de discos devido ao desalinhamento persistente, excedendo o limite de resistência do material.
Vibração de torção: frequências ressonantes dentro do trem de força (motor, acoplamento, bomba) causando tensões de torção amplificadas.
Defeitos materiais: Microfissuras ou inclusões no material do pacote de disco (por exemplo, aço inoxidável AISI 301 para discos) de fabricação, atuando como concentradores de tensão (conforme ASTM A240/A240M).
Fadiga por corrosão: Exposição a elementos corrosivos combinada com tensões cíclicas, acelerando a propagação de trincas.
Torque inadequado do fixador: fixadores com torque insuficiente, permitindo movimento relativo e atrito, ou fixadores com torque excessivo, induzindo tensões residuais.

Causas raiz identificadas

Causa raiz principal: desalinhamento angular excessivo (alta probabilidade)
- Evidência: picos de vibração radial consistentes de 2x RPM (5,5 mm/s RMS), padrões de desgaste irregulares nos pacotes de discos de acoplamento e verificações de alinhamento a laser pós-falha revelando um deslocamento angular de 0,008 polegadas (0,20 mm) sobre um Extensão de acoplamento de 6 polegadas (150 mm). Isso excede significativamente a tolerância recomendada de 0,002 polegadas (0,05 mm) para esta velocidade operacional e tipo de acoplamento, conforme descrito na ANSI/HI 9.6.5-2016. O desalinhamento angular sustentado induziu altas tensões de flexão cíclica nos conjuntos de discos.
Causa raiz secundária: vibração torcional e picos de carga (probabilidade moderada)
- Evidência: embora nenhum dado direto de medição de torque estivesse disponível, os fixadores cisalhados e a deformação plástica localizada dos pacotes de discos sugerem picos de torque intermitentes. Os dados históricos do processo indicaram mudanças rápidas e ocasionais na pressão de descarga da bomba, consistentes com pequenas perturbações no processo. Essas variações dinâmicas de carga, juntamente com a potencial ressonância torcional, provavelmente contribuíram para a fadiga acelerada, especialmente quando sobrepostas a tensões de desalinhamento.
Causa raiz contribuinte: fadiga acelerada do material (alta probabilidade, consequência de 1 e 2)
- Evidência: As superfícies fraturadas dos pacotes de discos exibiam estrias de fadiga características sob exame microscópico, indicando crescimento progressivo de trincas ao longo do tempo. A elevada temperatura operacional (85°C) registrada pela termografia também reduziria o limite de resistência do material e aceleraria a propagação da fadiga nos discos de aço inoxidável AISI 301. Esta fadiga foi causada principalmente pelas tensões cíclicas do desalinhamento persistente e amplificada por cargas de torção.
Causa raiz contribuinte: estabilidade inadequada da fundação (baixa probabilidade)
- Evidência: pequenas rachaduras finas foram observadas na fundação de concreto perto da placa de base da bomba, sugerindo assentamento localizado ao longo de vários anos de operação. Embora não seja a principal causa da falha súbita, isto provavelmente contribuiu para o desenvolvimento de desalinhamento ao longo do tempo, tornando mais difícil manter o alinhamento preciso durante a manutenção de rotina.

Ações Corretivas

Correções imediatas:

Substituição: Instale um novo acoplamento de disco, garantindo que ele atenda ou exceda as especificações do equipamento original, considerando um fator de serviço mais alto se a variabilidade do processo for alta. O catálogo eletrônico UNITEC-D oferece acoplamentos de substituição certificados em conformidade com os padrões ISO 10441/API 671 para aplicações críticas.
Alinhamento de precisão: Realize um alinhamento a laser preciso dos eixos do motor e da bomba. As tolerâncias de alinhamento alvo devem estar dentro de 0,001 polegadas (0,025 mm) de leitura total do indicador (TIR) para desalinhamento radial e angular ao longo da extensão do acoplamento, usando um sistema de alinhamento a laser certificado.
Inspeção da fundação: inspecione minuciosamente as fundações do motor e da bomba em busca de rachaduras, erosão ou assentamentos. Repare ou reforce conforme necessário para fornecer uma base rígida e estável.
Substituição dos fixadores: Substitua todos os fixadores do acoplamento por parafusos novos e certificados de grau 12,9, garantindo a aplicação de torque adequada de acordo com as especificações do fabricante (por exemplo, 180 Nm para parafusos M10).

Prevenção a longo prazo:

Procedimentos de alinhamento padronizados: implemente um procedimento obrigatório e documentado de alinhamento a laser para todos os equipamentos rotativos, aderindo a padrões como ASME B5.54-2005 (Métodos para avaliação de desempenho de máquinas-ferramentas controladas numericamente por computador) e ANSI/HI 9.6.5-2016. Treine técnicos em técnicas avançadas de alinhamento, incluindo compensação de crescimento térmico.
Monitoramento regular de condições:

Vibration Analysis: Implement quarterly vibration analysis using high-resolution accelerometers and spectral analysis. Monitor 1x, 2x, and 3x RPM peaks in radial and axial directions. Set alarm limits based on ISO 10816-3 Zone B (satisfactory long-term operation) and Zone C (unsatisfactory for long-term operation) thresholds.
Inspeções termográficas: realize varreduras mensais de termografia infravermelha de acoplamentos, rolamentos e carcaças de motores para detectar geração anormal de calor, o que pode indicar desalinhamento, atrito ou problemas nos rolamentos. Estabeleça um limite de alarme diferencial de temperatura de 15°C (27°F) acima da linha de base.
Monitoramento de torque: considere a instalação de transdutores de torque em linha em trens de transmissão críticos para monitorar cargas de torque reais e detectar picos indicativos de perturbações no processo ou problemas no equipamento acionado.

Revisão da seleção de acoplamento: reavalie os critérios de seleção de acoplamento para aplicativos críticos. Considere fatores de serviço mais elevados (por exemplo, 2,0-2,5) para levar em conta cargas transitórias e potencial variabilidade do processo. Explore tipos de acoplamento alternativos, como acoplamentos de disco composto, que oferecem maior resistência à fadiga e capacidade de desalinhamento.
Treinamento de manutenção: Fornece treinamento recorrente para técnicos de manutenção sobre alinhamento de precisão, interpretação de análise de vibração, procedimentos de torque de fixadores e instalação adequada de acoplamento.
Otimização de processos: trabalhe com operações para identificar e mitigar fontes de variabilidade de processo que contribuem para mudanças repentinas de carga ou choques hidráulicos na bomba.

Lista de verificação de diagnóstico rápido para técnicos de campo

Inspeção visual: verifique se há rachaduras visíveis, deformações, desgaste ou vazamento de lubrificante nos componentes do acoplamento.
Verificação auditiva: Ouça ruídos incomuns (trituração, batidas, guinchos, marteladas) que emanam do acoplamento ou dos rolamentos adjacentes.
Medição de temperatura: use um termômetro infravermelho para medir as temperaturas do cubo do acoplamento. Qualquer leitura acima de 70°C (158°F) ou 15°C (27°F) acima da temperatura normal de operação é um sinal de alerta.
Triagem de vibração: realize uma medição rápida da velocidade de vibração RMS geral (por exemplo, usando um medidor portátil). Uma leitura superior a 4,5 mm/s (0,18 pol/s) para esta classe de máquina indica um possível problema.
Integridade do fixador: Inspecione todos os parafusos de acoplamento quanto a folgas, cisalhamentos ou danos. Use uma chave de torque para verificar os fixadores críticos em relação às especificações do fabricante.
Folga entre eixos: Meça a folga entre os cubos de acoplamento com calibradores de folga. Leituras inconsistentes ao redor da circunferência (por exemplo, variação >0,005 polegadas/0,127 mm) sugerem desalinhamento angular.
Verificação de desvio: Use um relógio comparador para verificar o desvio do eixo nos eixos do motor e da bomba próximos ao acoplamento. Excentricidade excessiva (>0,002 polegadas/0,05 mm TIR) pode indicar eixos tortos ou problemas nos rolamentos.
Verificação da fundação: Inspecione visualmente as placas de base e fundações do motor e da bomba em busca de rachaduras, parafusos de fixação soltos ou sinais de movimento.
Saúde dos rolamentos: Verifique as temperaturas dos rolamentos do motor e da bomba e preste atenção a ruídos anormais dos rolamentos, pois problemas nos rolamentos podem causar tensão no acoplamento.
Alterações recentes no processo: pergunte sobre quaisquer alterações recentes em parâmetros operacionais, propriedades de fluidos ou atividades de manutenção que ocorreram antes da detecção de anomalias.

Estratégia de Prevenção

Uma estratégia abrangente de prevenção concentra-se na manutenção proativa, no monitoramento das condições e em práticas robustas de engenharia para prolongar a vida útil do acoplamento e aumentar a confiabilidade do sistema. Para um motor Siemens 1PH8 acionando operações críticas, são essenciais:

Alinhamento de precisão programado: realize verificações anuais de alinhamento a laser para ativos críticos. Para sistemas que apresentam alto crescimento térmico ou instabilidade da fundação, são recomendadas verificações semestrais. A adesão a tolerâncias de alinhamento estritas (por exemplo, ISO 1940-1 para balanceamento, ASME B5.54 para alinhamento) é crítica.
Monitoramento de condição avançado: Instale sensores de vibração permanentes (por exemplo, acelerômetros compatíveis com IEEE 1451) nos rolamentos do motor e da bomba e próximos ao acoplamento. Integre dados com um sistema de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) para monitoramento contínuo e alertas automatizados quando limites predefinidos (por exemplo, ISO 10816-3 Zona B/C) são atingidos. Considere o monitoramento de vibração torcional em tempo real para aplicações com cargas dinâmicas conhecidas.
Gerenciamento térmico: implemente inspeções termográficas regulares. Garanta ventilação adequada ao redor da área de acoplamento. Monitore as temperaturas do fluido do processo para evitar transferência excessiva de calor para o acoplamento.
Especificações de materiais e projetos: Ao substituir ou especificar novos acoplamentos, certifique-se de que os materiais sejam certificados (por exemplo, UL, CSA, CE para montagens completas) e atendam às demandas da aplicação. Para conjuntos de discos, considere ligas de alta resistência e resistentes à corrosão (por exemplo, aço inoxidável AISI 304 ou 316 de acordo com ASTM A240/A240M) com resistência comprovada à fadiga.
Gerenciamento de fixadores: use somente fixadores certificados. Implemente um programa rigoroso de gerenciamento de torque usando chaves dinamométricas calibradas (por exemplo, conforme ASME B107.14) e procedimentos documentados. Considere o uso de arruelas anti-rotação ou compostos de travamento de rosca para ambientes de alta vibração.
Treinamento e conscientização do operador: eduque os operadores sobre os sinais de falha iminente do acoplamento, como ruídos incomuns, vibrações ou aumentos de temperatura, e sobre a importância de relatar anomalias imediatamente.
Integração de análise de causa raiz: integre lições aprendidas com cada falha em procedimentos de manutenção e padrões de engenharia, promovendo uma cultura de melhoria contínua.

Conclusão

As falhas de acoplamento em aplicações industriais críticas, como o sistema de bombas motorizadas Siemens 1PH8, são frequentemente multifatoriais, decorrentes de uma combinação de desalinhamento, sobrecarga de torque e fadiga acelerada do material. Uma análise sistemática da causa raiz, apoiada por dados empíricos de análise de vibração, imagens térmicas e inspeção visual, é essencial para um diagnóstico preciso. A implementação de uma estratégia de prevenção robusta, incluindo alinhamento preciso, monitoramento avançado de condições e práticas de manutenção completas, reduz significativamente a probabilidade de recorrência. O investimento proativo nessas medidas se traduz diretamente em maior confiabilidade operacional, redução do tempo de inatividade não planejado e um retorno positivo sobre o investimento (ROI) por meio de maior vida útil dos ativos e otimização da eficiência da produção.

Para acoplamentos de reposição certificados, ferramentas de diagnóstico avançadas e peças de reposição industriais de alta qualidade em conformidade com padrões internacionais, consulte o catálogo eletrônico UNITEC-D.

Referências

ANSI/HI 9.6.5-2016. Bombas Rotativas - Diretrizes para Monitoramento e Avaliação de Condições. Instituto Hidráulico.
ASME B5.54-2005. Métodos para avaliação de desempenho de máquinas-ferramentas controladas numericamente por computador. Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.
ASME B107.14. Ferramentas manuais de torque. Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos.
ASTM A240/A240M. Especificação padrão para placas, chapas e tiras de aço inoxidável de cromo e cromo-níquel para vasos de pressão e aplicações gerais. ASTM International.
IEEE 1451. Padrão para uma interface de transdutor inteligente para sensores e atuadores. Instituto de Engenheiros Elétricos e Eletrônicos.
ISO 898-1. Propriedades mecânicas de fixadores feitos de aço carbono e aço-liga - Parte 1: Parafusos, parafusos e pinos com classes de propriedades especificadas - Rosca grossa e rosca de passo fino. Organização Internacional para Padronização.
ISO 10441 / API 671. Acoplamentos para fins especiais para indústrias de petróleo, petroquímica e gás natural. Organização Internacional para Padronização / American Petroleum Institute.
ISO 10816-3:2009. Vibração mecânica - Avaliação da vibração de máquinas por medições em peças não rotativas - Parte 3: Máquinas industriais com potência nominal acima de 15 kW e velocidades nominais entre 120 r/min e 15.000 r/min quando medidas in situ. Organização Internacional de Padronização.
Muller, H. (2018). Manual de alinhamento de eixo. Wiley-VCH.
Pruchnicki, J. (2015). Manutenção de acoplamento e análise de falhas. CRC Press.