UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
FACULDADE DE ENGENHARIA - FAEN
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANTONIO LUIZ DE ANDRADE SOARES
ADEQUAÇÃO DE PLANO DE SELAGEM PARA BOMBA CENTRÍFUGA DE
INDUSTRIA PARA REFINO DE ÓLEO
DOURADOS-MS
2022
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Falhas em sistemas de selagem de bombas centrífugas, Manuais, Projetos, Pesquisas de Química
O documento aborda as falhas recorrentes no sistema de selagem de bombas centrífugas utilizadas no refino de óleo, destacando as principais causas raiz, como a escolha inadequada do sistema de selagem, a manutenção inadequada e a falta de treinamento dos colaboradores. São apresentadas soluções para mitigar essas falhas, como a adoção do sistema de selagem 53a, que utiliza um fluido de barreira para proteger os componentes internos do selo, e a importância do treinamento dos mantenedores. O documento também analisa os custos envolvidos na troca do sistema de selagem e os benefícios da adequação, demonstrando a viabilidade financeira da implementação.
Tipologia: Manuais, Projetos, Pesquisas
2021
1 / 22
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA GRANDE DOURADOS
FACULDADE DE ENGENHARIA - FAEN
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANTONIO LUIZ DE ANDRADE SOARES
ADEQUAÇÃO DE PLANO DE SELAGEM PARA BOMBA CENTRÍFUGA DE
INDUSTRIA PARA REFINO DE ÓLEO
DOURADOS-MS
ANTONIO LUIZ DE ANDRADE SOARES
ADEQUAÇÃO DE PLANO DE SELAGEM PARA BOMBA CENTRÍFUGA DE
INDUSTRIA PARA REFINO DE ÓLEO
Trabalho de conclusão do curso apresentado à banca examinadora da Universidade Federal da Grande Dourados como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel pelo Curso de Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Liomar de Oliveira Cachuté Área de concentração: Métodos de Síntese e Otimização Aplicados ao Projeto Mecânico DOURADOS-MS 2022
RESUMO
O emprego de bombas centrífugas nos mais variados processos de refino ocorre devido a sua capacidade de operar com altas vazões e eficiência, entretanto, quando o fluído bombeado possui características que o torna prejudicial aos componentes internos, o sistema de selagem tende a sofrer desgastes prematuros e falhar, ocasionando na parada do equipamento. A falha do sistema de selagem está relacionada a escolha inadequada do sistema de selagem para aquela aplicação da bomba centrífuga e a imperícia dos mantenedores envolvidos no processo. Através do uso de ferramentas de gestão da manutenção é possível identificar e realizar a priorização das causas raízes das falhas, facilitando assim a elaboração de planos de ação que possam amenizar os altos custos que a parada do equipamento ocasiona. A implantação do sistema de selagem 53A e a qualificação dos mantenedores evitará 75% das falhas em sistemas de selagem aplicados no bombeamento de óleo após a etapa do branqueamento. Palavras-chave: Refino de Óleo, Bombas Centrífugas, Sistema de Selagem, Plano de Selagem 53A, Gestão de Manutenção.
ABSTRACT
The application of centrifugal pumps in the most varied refining processes due to their ability to operate with high flow rates and efficiency, however, if the pumped fluid has characteristics that make it harmful to internal components, the sealing system tends to suffer premature wear and fail, causing the equipment shutdown. The failure of the sealing system is related to the inadequate choice of the sealing system for that centrifugal pump application and the inexperience of the maintainers involved in the process. Applying maintenance management tools it is possible to identify and prioritize the root causes of failures, facilitating the elaboration of action plans that can mitigate the high costs that the equipment stop causes. The implementation of the sealing system 53A and the qualification of maintainers will avoid 75% of failures in sealing systems applying to pumping oil after bleaching stage. Keywords: Oil Refining, Centrifugal Pumps, Sealing System, Sealing Plan 53A, Maintenance Management.
recomendações para sistemas de selagem para bombas centrífugas e rotativas utilizadas em industrias, conforme é possível observar na Figura 2, o sistema de selagem possui selo cartucho com diferentes configurações, permitindo assim uma grande variedade de aplicações. Figura 2 - Selo cartucho simples. Fonte: Aesseal (2019) A etapa do branqueamento no refino de óleo utiliza terra ativada para realizar a filtragem física do óleo (Monteiro e Silva, 2013). Sendo assim, a bomba centrífuga responsável pela transferência dos fluídos atua bombeando uma mistura de óleo refinado e terra ativada, formando assim um fluído denso e abrasivo, podendo ocasionar acumulo de partículas e incrustações nas tubulações de sucção, o que diminuem o NPSH disponível do equipamento. Conforme esse acúmulo de partículas aumenta, o escoamento do fluído começa a ter suas características alteradas, consequentemente, levando a formação de bolhas em seu fluxo, as quais ao longo da tubulação se chocam contra as partes girantes do rotor, gerando ondas de choque que danificam os componentes internos, caracterizando o fenômeno da cavitação (Germer, 2013). As recorrentes falhas no sistema de selagem instalado na bomba de transferência do tanque de pré-capa para centrífuga de degomagem, ocasionaram desgaste prematuro do sistema de selagem e vazamento na tubulação devido a falta de treinamento dos colaboradores, aplicação inadequada do sistema de selagem e erros de montagem dos equipamentos. De modo que, no período de 0 7 meses, ocasionou um custo de R$78.000,00 devido a troca prematura dos componentes de selagem da bomba. Somando-se as 830 toneladas de óleo não refinadas devido a 33 horas em que o equipamento não esteve disponível devido a paradas não planejadas, elevando o custo de manutenção e reduzindo a confiabilidade do processo. 1.1. Cálculo de valor de reposição do ativo Conforme NBR 5462, referente a confiabilidade e mantenabilidade, é possível aplicar os conceitos de indisponibilidade média e o tempo de reparo para quantificar o custo de manutenção. O RAV (Valor de Reposição do Ativo) é um indicador que mede o custo atual
para substituir a capacidade produtiva de um componente, considerando o custo direto e indireto envolvido no processo. O valor de reposição do ativo em um certo período, pode ser obtido por: RAV = Cr + Cu̅ (1) Onde: Cr = Custo de reparo (R$); Cu̅ = Custo de indisponibilidade média (R$). A indisponibilidade média 𝑢̅ é dada por: 𝑢̅ (^) (𝑡 1 ,𝑡 2 ) = 𝑇𝑀𝑎𝑛𝑢𝑡𝑒𝑛çã𝑜 𝐹𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒
Onde: TManutenção = Tempo de manutenção (min); FComponente = Quantidade de falhas no componente. O custo de indisponibilidade média 𝐶𝑢̅ , pode ser calculado através da indisponibilidade média, sendo assim: Cu̅ = CProduto ∗ u̅ (3) Onde: CProduto = Custo médio do produto (R$). O tempo de reparo 𝑇𝑟 é dado por: Tr = Tempo de manutenção corretiva executando ações de reparo (min) Utilizando o tempo médio de reparo Tr, é possível determinar o custo de reparo Cr: Cr = CMão de obra ∗ Tr ∗ MO + CComponente (4) Onde: CMão de obra = Custo da hora do mantenedor (R$); CComponente = Custo do componente (R$); MO = Quantidade de mantenedores envolvidos no processo.
circulação do fluído. O sistema de selagem é composto por selos mecânicos duplos, onde selo mecânico interno veda a caixa de selagem enquanto o selo mecânico externo utiliza o liquido de barreira limpo, que possui a função de lubrificar a vedação do fluído para o ambiente. Figura 4 - Plano de selagem 53A. Fonte: Adaptado de NBR 16676 O tópico 4.2 da NBR 16676 estipula que os selos conforme devem operar 25000 horas sem a necessidade de substituição do componente, o equivalente a 03 anos de operação se estiver em conformidade com o projeto do sistema de selagem. O fornecimento do sistema de selagem é responsabilidade do fornecedor da bomba, caso não seja adquirido como sistema da bomba, a responsabilidade do fornecimento se torna do fornecedor do selo. 1.3. Análise de falha em componentes mecânicos A análise de falhas é um processo essencial para determinar a causa raiz de problemas, sendo um processo complexo, que envolve análises sensitivas e laboratoriais. A análise sensitiva tem destaque na rotina de manutenção, pois é possível determinar causas para falhas com um baixo custo (Tschiptschin, 2019). O procedimento consiste em realizar uma análise Legenda 1 da fonte de pressão externa 8 dreno do fluído de barreira do reservatório 2 reservatório 9 saida da água de resfriamento 3 reposição do liquido de barreira 10 dreno do fluído de barreira 4 flush (F) 11 caixa de selagem 5 saída do liquido de barreira (LBO) LI indicador de nível 6 entrada do liquido de barreira (LBI) LIT transmissor de nível com indicador local 7 entrada da água de resfriamento PIT transmissor de pressão com indicador local a) Diagrama esquemático da tubulação e instrumentação b) Detalhes da caixa de selagem
visual e fotográfica do componente que apresentou a falha, para assim, determinar a causa da falha. O desalinhamento é evidenciado através do contato excessivo com alguma das superfícies e/ou falta do contato, que ocasiona a concentração de tensões e falha do componente nesses pontos. A principal características dos desalinhamentos em fraturas fica visível através da torção que o componente sofre e uma trinca não uniforme ao longo da sua sessão transversal. Desgaste abrasivo ocorre quando há deslocamento de material provocado por partículas de alta dureza existentes entre as duas superfícies em movimento ou embebidas em uma ou nas duas superfícies em movimento (Tschiptschin, 2019). Pode ser evidenciado através do desprendimento de material da superfície, o qual através do acumulo e propagação resulta na falha dos componentes. O desgaste abrasivo pode ser classificado como:
- Desgaste erosivo: Ocorre quando partículas entram em contato com a superfície e causam o sulcamento ou corte, removendo pequenas partículas e danificando o componente, evidenciado na Figura 5: Figura 5 - Desgaste erosivo. Fonte: Tschiptschin, (2019)
- Desgaste por freeting : As vibrações de pequena amplitude podem provocar micro escorregamentos entre superfícies ao longo da zona de contato provocando o desgaste. Na Figura 6 é possível observar o freeting em aço. Figura 6 - Desgaste por freeting. Fonte: Tschiptschin (2019)
Figura 8 - Diagrama de Pareto. Fonte: Adaptado de Nunes ( 2001 ) A utilização para análise de falhas se torna uma ferramenta crucial para gestão da manutenção, tendo em vista que através do uso é possível conflitar as causas das falhas com os números de paradas e determinar quais os principais causadores desses eventos, direcionando assim, onde a intervenção trará maiores resultados. O diagrama de Pareto evidencia graficamente a ordem dessas causas, facilitando assim gestores tomarem decisões através da base de dados. 1.6. Método 5W2H Atribuída a várias origens, a ferramenta para elaboração de planos de ação 5W2H teve destaque através de resultados que a indústria automobilística japonesa apresentou durante o desenvolvimento de ferramentas de qualidade e gestão de projetos (Minetto, 2018). Aplicado para manutenção, a metodologia é usual para elaboração de planos de ação para falhas em processos ou equipamentos, onde através da resposta aos questionamentos, gestores são capazes de traçar melhores maneiras para evitar a reincidência da falha. A Figura 9 apresenta uma tradução livre da ferramenta, onde respondendo cada questionamento será possível elaborar planos de ação. Figura 9 - Ferramenta 5W2H. Adaptado de Minetto ( 2018 ) WHY Porque? Como? WHERE Onde? WHEN Quando? HOW MUCH Quanto? WHO Quem?
5W
WHAT O que?
2H
HOW
2. MATERIAIS E MÉTODOS
2.1. Alto custo na substituição do selo cartucho
A troca de selo cartucho aplicados em sistemas de selagem para bombas centrífugas não representam somente o custo da troca do componente CComponente, deve ser levado em conta o custo de manutenção CMão de obra que engloba o uso das ferramentas e disposição dos mantenedores para execução da atividade, assim como, o custo de parada de produção CParada. Tendo em vista que no período de 07 meses de operação, foram coletados os seguintes dados: Tabela 1 - Histórico de manutenção do ativo. Fonte: Próprio autor. Para essa situação, a falha do componente implica na parada do equipamento, ou seja, é necessário a reposição do ativo. Se trabalharmos (1) é possível determinar o valor de reparo do ativo: RAV = Cr + Cu̅ = (CMão de obra ∗ Tr ∗ MO + CComponente ) ∗ 𝐹𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒 + (CProduto ∗ u̅ )^ (5) Aplicando os dados dispostos na Tabela 1, através da Eq. 5 será possível obter o valor de reposição do ativo para as 08 paradas de processo, sendo assim: RAV = R$2.060.176, Portanto, devido a constantes quebras de selos cartuchos, o custo agregado na manutenção desse equipamento alcançou o valor de R$2.060.176,00 em 07 meses. 2.2. Abrasividade do fluído O sistema de selagem possui um anel de vedação com a função de restringir o fluxo do fluído através do eixo do selo cartucho, de modo que o produto permaneça sendo bombeado e amenize a perda de produto. Sendo assim, o anel de vedação possui contato direto com o fluído bombeado. Caso o anel seja dimensionado corretamente para as propriedades do fluído, considerando sua abrasividade e compatibilidade química, o anel não devera sofrer danos por essa origem. Falhas do componente 8 Custo do componente R$ 9.750, Tempo de reparo (min) 680 Indisponibilidade média (min) 792 Custo do produto (R$/min) R$ 2.500, Mão de obra 02 pessoas Custo da mão de obra (R$/min) R$ 0,
2.4. Plano de selagem Conforme observado na Figura 11, o superaquecimento das faces, é possível observar que o fluído bombeado não está sendo eficaz para realizar a refrigeração, consequentemente, causando falha no sistema de selagem. Através dos danos causados ao anel de vedação, apresentado na Figura 10, a abrasividade do fluído está causando atrito ao o-ring , evidenciando que o bombeamento de material particulado é superior ao dimensionado no projeto, ocasionando no acumulo excessivo e falha do selo cartucho. Na Figura 12, o fluído destacado em azul, é possível verificar em detalhe que o fluído entra em contato direto com o o-ring e as faces. Figura 12 - Área de contato do fluído bombeado no plano de selagem 03. Fonte: Adaptado de NBR 16676 O fluído bombeado apresenta características mais agressivas do que o previsto no projeto, de modo que, está comprometendo os componentes internos do selo, pois o plano de selagem 03 consiste na circulação do fluído bombeado em seus componentes para realizar a refrigeração e lubrificação entre a face estacionária e rotativa. Sendo assim, se torna necessária a alteração do plano de selagem aplicado na bomba. 2.5. Mantenedor sem treinamento A utilização de padrões internacionais de selagem implica na necessidade de treinamento adequado a todos os envolvidos no processo. As nomenclaturas utilizadas, materiais aplicados nas faces e vedações, procedimentos de operação e práticas de manutenção devem estar bem claros, para que assim, não ocorram falhas que resultem em paradas de produção. A montagem de bombas centrífugas e selos mecânicos consistem em ajustes precisos, os quais necessitam de prática e instruções adequadas. A correta montagem inicia no momento da seleção do selo para instalação, que deverá seguir o projeto do sistema de selagem da bomba, caso seja incorreto, resultará em ataque químico as faces ou até fraturas indesejadas.
Durante a montagem do conjunto da bomba, é essencial que seja verificado o alinhamento angular e axial do conjunto, assim como, verificar o balanceamento do eixo e rotores. Essa prática deverá ser realizada em toda troca de componentes do equipamento, evitando assim, fraturas por torção ou desgastes por propagação de componentes, que ocorre quando um componente danificado em operação causa danos a outros componente que tem contato direto. 2.6. Montagem inadequada O uso de planos de selagem necessita de profissionais qualificados devido ao alto custo dos componentes aplicados no equipamento, pois qualquer erro de montagem pode comprometer a qualidade e durabilidade do sistema de selagem. Para a correta instalação, é importante que o mantenedor siga todos os procedimentos orientados pelo fabricante do equipamento, respeitando os limites de folga, torque e alinhamento. Na Figura 13, no ponto indicado pela seta vermelha nota-se vestígios de choque mecânico na face estacionária do selo cartucho, através de inspeção no equipamento, foi possível identificar que foi ocasionada devido ao desalinhamento do conjunto, o que ocasionou o superaquecimento dessa face e uma fratura por torção. Figura 13 - Face estacionária danificada por torção. Fonte: Próprio autor
3. RESULTADO E DISCUSSÃO O objetivo do estudo é evidenciar possíveis causas para as recorrentes falhas dos selos cartuchos utilizados no sistema de selagem da bomba centrífuga de transferência de óleo branqueado. Para compreender a recorrente falha em selos cartuchos aplicados no bombeamento de óleo na etapa do branqueamento, é possível aplicar o método de Ishikawa, que irá apontar possíveis causas raiz para o efeito. Na Figura 14, o diagrama de Ishikawa apresenta todas as causas levantadas através do histórico de 08 falhas críticas no selo cartucho registradas no
Tabela 2 - Generalização da causa da falha do selo cartucho. Fonte: Próprio autor Analisando a Tabela 2, nota-se que 75% das falhas no sistema de selagem da bomba centrífuga tem origem na manutenção inadequada do equipamento e no sistema de selagem incorreto para a aplicação. Onde através da ferramenta 5W2H é possível traçar planos de ação para solucionar essas causas. Na figura 16 é apresentado o plano de ação para solucionar a manutenção inadequada do equipamento, através da qualificação dos mantenedores para realizar a correta intervenção. O treinamento deverá abordar sistemas de selagem, montagem e desmontagem de selos cartuchos, alinhamento de conjunto da bomba centrífuga e aplicações de selos cartuchos. Figura 16 - Ferramenta 5W2H aplicada em plano de ação. Fonte: Próprio autor Após a qualificação dos mantenedores, será necessário adequar o plano de selagem aplicado na bomba. Conforme apresentado na Figura 10, o plano de selagem 03 permite que o fluído entre em contato direto com os componentes internos do selo cartucho, o que não é recomendado, devido a abrasividade que o fluído bombeado apresenta. Para solucionar tal situação, recomenda-se a troca para o sistema de selagem 53A, que através do fluído de barreira evita que o fluído bombeado entre em contato direto com os componentes internos do selo, seguindo a já supracitada NBR 16676, que recomenda a utilização desse plano de selagem para fluídos bombeados que sejam prejudiciais aos componentes internos do selo cartucho. A Figura 17 apresenta o plano de ação para realizar a troca do sistema de selagem: Falha do sistema de selagem 3 ocorrências Manutenção inadequada 3 ocorrências Operação inadequada 1 ocorrência Erro de projeto 1 ocorrência
5W
WHAT TREINAMENTO DEMANTENEDORES
2H
HOW HOW MUCH WHEN PRÉVIAMENTE A TROCADE SELOS MECÂNICOS WHO EQUIPE INTERNA CONTRATANDO EMPRESA ESPECIALISTA EM PLANOS WHY (^) DE SELAGEM REDUZIR CUSTOS DE MANUTENÇÃO WHERE SALA DE TREINAMENTO HORA-HOMEM DOS MANTENEDORES
Figura 17 - Ferramenta 5W2H aplicada em plano de ação. Fonte: Próprio autor Através do uso da ferramenta 5W2H a elaboração dos planos de ação se torna objetiva, facilitando assim, a tomada de decisão dos gestores e resolução eficiente de problemas.
4. CONCLUSÃO A utilização de ferramentas para evidenciar causas de falhas, tal como Ishikawa, torna- se eficiente quando aplicada em conjunto com a priorização e elaboração de planos de ação. Se aplicado corretamente a priorização por meio do método de Pareto, os gestores terão maior facilidade na identificação dos pontos prioritários, o que na rotina de manutenção em qualquer empresa, se torna atrativo economicamente. 4.1. Qualificação dos mantenedores De modo geral, a utilização de sistemas de selagem exige o treinamento adequado de todos os mantenedores e operadores. Onde a imperícia na manutenção do equipamento pode resultar em desalinhamentos ou aplicação inadequada de selos mecânicos, ocasionando assim, na perda da vida útil do componente. Considerando que a manutenção inadequada representou 37,5% das falhas que ocorreram no sistema de selagem, o custo de RAV gerará uma economia em torno de R$ 770.000,00 para a empresa. Conforme supracitado, o tópico 4.2 da NBR 16676 estipula que a garantia até 25000 horas de funcionamento do selo cartucho é responsabilidade do fornecedor, portanto, treinamentos e garantia da qualidade do produto fornecido estão contemplados nesse item, sendo assim, o fornecedor do sistema de selagem deverá realizar o treinamento dos mantenedores para a correta operação e manutenção de forma gratuita. 4.2. Adequação do sistema de selagem Para aplicação de bombas centrífugas no transporte de óleo após a etapa do branqueamento, é importante que seja considerado a abrasividade do fluído na escolha dos materiais aplicados no selo mecânico, assim como, a utilização do plano de selagem adequado CONTRATANDO EMPRESA ESPECIALISTA EM PLANOS DE SELAGEM R$85,000.
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HOW HOW MUCH
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ADEQUAÇÃO DO PLANO DE SELAGEM REDUZIR CUSTOS DE MANUTENÇÃO BOMBA CENTRÍFUGA PARADA ANUAL DE MANUTENÇÃO EQUIPE INTERNA WHAT WHY WHERE WHEN WHO