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Análise de falhas

Parte I

Análise de falhas

Índice

Falha de um componente estrutural

• Definição de falha

• Razões para a falha

• O processo de falha

• A fratura

• Funções da análise de falha

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Definição de falha

• De uma forma ampla, falha pode ser definida como a inabilidade de funcionamento adequado de um componente, máquina ou processo. Note que, por definição uma falha pode não envolver fratura.

• As falhas podem ter origens físicas, documentais, organizacionais, culturais e de pensamento.

• Definição de falha muda com setor industrial (aeroespacial x máquinas agrícolas)


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Definição de falha em uma estrutura • Quando a estrutura fica completamente

inutilizada. É denominada de falha funcional. • Quando ela ainda pode ser utilizada, mas não é

mais capaz de desempenhar a sua função satisfatoriamente. Denominada de falha de performance.

• Quando uma séria deterioração a torna insegura para continuar a ser utilizada.

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Razões para a falha de uma estrutura: Negligência durante o projeto, a construção

ou a operação da estrutura; Aplicação de um novo projeto, ou de um

novo material, que vem a produzir um inesperado ( e indesejável ) resultado.

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As razões mais comuns para as falhas incluem: 1. Mal uso ou falta de controle nas condições de serviço

ou operação;. 2. Manutenção imprópria (intencional ou não

intensional); 3. Inspeção ou ensaios impróprios; 4. Falhas de montagem; 5. Erros de fabricação/ processo / projeto (seleção de

materiais, condições de contorno, tradução do projeto) ou

6. uma combinação de erros.

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• Mal uso: O componente é submetido à condições de operação para as quais não foi projetado. É uma causa comum de falha, particularmente o super-carregamento. A investigação aponta para o atendimento de especificações e montagem e deixa o mal uso como suspeita.

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Razões de falha

• Erros de montagem ou manutenção imprópria: Envolve uma série de fatores como a montagem de parafusos com o torque incorreto, aplicação de lubrificante impróprio, falta de limpeza ou de pintura e reparos com solda.

• É a principal razão de falha na indústria aeronáutica.


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Razões de falha

• Erros de fabricação do componente: É a principal causa de falha em componentes industriais. Vários itens devem atender à especificações técnicas:

o tamanho e a forma do componente,

o material e seu tratamento térmico e

propriedades mecânicas e de resistência à

corrosão.


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Razões de falha

• Erros no processamento do componente: Incluem os defeitos de fabricação como trincas, porosidades, dobras, inclusões, segregação, fragilização por impurezas, irregularidades ou problemas de usinagem, retífica, soldagem ou estampagem (rebarbas, trincas, queimas, fragilização).


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Razões de falha

• Erros de projeto (má engenharia): São falhas decorrentes de situações de uso não consideradas no projeto base do componente. Análise de tensões ou de vida sob fadiga inadequada, falta de consideração de fatores concentradores de tensão, corrosão, desgaste, fragilização por temperatura ou hidrogênio.


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Razões de falha

• Dados estatísticos de falhas em componentes industriais e em componentes aeronáuticos. (EUA)


In Failure Analysis of Engineering Materials, Charles R. Brooks, Ashok Choudhury

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O processo de falha pode ocorrer: Por deformação plástica; Por impacto; Trincamento por fadiga (função do tempo); Trincamento por corrosão (meio agressivo); Trincamento em elevadas temperaturas

(fluência); Por desgaste (dano superficial);

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Propriedade

Composição

Processamento

Desempenho

Estrutura

Desempenho de materiais como resultado da interação entre composição, processamento, estrutura e propriedades.

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Fratura

Estágio final do processo de falha de um componente estrutural que invariavelmente pode colocar em risco vidas humanas.

A história da engenharia esta repleta de exemplos trágicos, em que projetos mal concebidos, seleção inadequada de material, ou operação inadequada do equipamento levaram a uma falha estrutural com conseqüentes mortes e danos matérias.

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Fratura: um fenômeno indesejável Exemplos de casos: 01.Titanic 02.Comet 03.Hindenburg 04.Tacoma 05.Liberty 06.JAL 07.Chernobil 08.Challenger 09.Ayrton Senna

10.Eschede 11.Concorde 12.WTC 13.Columbia 14. Alaska Airlines Flight 261 15. Hatfield rail 16. Aloha Airlines 17. Cracking of die casting dies

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Foram 26.000 toneladas de orgulho e luxo.

Exemplos de fratura: Fratura frágil do transatlântico TITANIC, 15/04/1912.

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Fabricado em 1912 pela companhia inglesa White Star Line, era um transatlântico de dez andares, com 271 metros de comprimento, 27 de largura e 40 de altura. Podia levar 3.547 passageiros.

Moderno para a época, foi considerado "insubmergível". Era o maior, mais potente e mais luxuoso navio daquele tempo, oferecendo confortos como piscina, quadras de tênis e até minicampo de golfe.

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Fratura frágil do transatlântico TITANIC, 15/04/1912


Acidente Colisão com um iceberg de peso estimado entre 150.000 a 300.000 toneladas às 23h40 em 14 de abril. O iceberg atingiu o Titanic perto da proa a estibordo (direita) cerca de 4 m acima da quilha. Durante os próximos 10 segundos, o iceberg rasga o lado estibordo do casco do navio por cerca de 100 m, danificando as placas do casco e arrebentando rebites, abrindo assim os seis primeiros dos 16 compartimentos estanques formado pela anteparas transversais.

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Acidente Inspeção logo após a colisão pelo Capitão Edward Smith, revelou que o navio tinha sido fatalmente danificado e não poderia sobreviver por muito tempo. Às 02h20, 15 de abril de 1912, o Titanic afundou arrastando mais de 1.500 vidas.

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Dos 2.223 passageiros do Titanic, só 706 sobreviveram deixando 1.517 mortos.

Análise de falhas Fratura frágil do transatlântico TITANIC, 15/04/1912


Micrografias do aço do casco do Titanic seções longitudinal e transversal . Na seção transversal o alinhamento da perlita favorece na propagação de trincas. Em ambas se verifica a presença de partículas de MnS Ataque Nital 2%.

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A micrografia eletrônica de varredura da superfície gravada do Titanic casco de aço mostrando colônias de perlita, grãos de ferrita, uma partícula MnS alongadas, e inclusões não-metálicos. Ataque Nital 2%.

MnS

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A micrografia eletrônica de varredura de uma superfície de impacto Charpy fratura recém-criado a 0 ° C, mostrando planos de clivagem com bordas salientes e partículas de MnS.

MnS

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MEV mostrando uma partícula MnS fraturado salientes de lado a partir da superfície de fratura.

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Inclusões de sulfetos tipo II – intergranular (reduz ductilidade do aço)

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Sulfetos tipo II Sulfetos

tipo II

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0

50

100

150

200

-100 -50 0 50 100 150 200

Temperatura, °C

Ene

rgia

de

Imp

acto

(Jo

ule

)

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Comet

Pioneiro no transporte aéreo a jato.

Início das operações : 5 de maio de 1952 com De Havilland Comet 1

Transporte de 36 passageiros com velocidade de cruzeiro de 720 Km/h.

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Comet


Inovações do Comet

• Primeiro avião comercial a utilizar o reabastecimento de alta pressão;

• Primeiro avião comercial a ter uma cabine pressurizada;

• Primeiro avião comercial a utilizar painéis fixados por cola (placas) (Redux);

• Primeiro avião comercial a utilizar controles totalmente hidraulicamente;

• Primeiro avião comercial a utilizar motores turbo.

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Comet


Comet - Acidentes

G-ALYV depois de deixar Calcutá - maio de 1953. Atribui-se a queda do avião a tempestades mas não chegou a uma conclusão plausível pois poucos destroços foram recuperados.

G-ALYP sobre Elba - Janeiro de 1954, após 1286 ciclos de pressurização da cabina. Poucos destroços foram recuperados. Foi considerado que o fogo como a causa mais provável e modificações foram feitas para melhorar a prevenção de incêndios e controle. Posteriormente, com a recuperação de boa parte dos destroços (70%), a hipótese do fogo foi descartada.

G-ALYY voando como SA 201 depois de deixar Roma - Abril de 1954.

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Primeiro a utilizar de um tanque de água para envolver e testar um avião inteiro.

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Comet


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Comet


Comet G-ALYU, que tinha experimentado 3539 horas de

vôo e 1221 ciclos de pressurização da cabine, foi

submetido a testes de simulação de vôo. A fuselagem foi

hidraulicamente pressurizado em ciclos alternados,

enquanto que as asas foram flexionados com tomadas

para simular as cargas de vôo. Água foi usada para este

pressurização. Após o equivalente a um total de 3057

(1836 ciclos de simulação) ciclos de vôo ocorreu uma

trinca de 2 mm perto da saída de emergência.

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Comet


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Comet


Inovações na investigação do acidente

• Primeiro a utilizar de câmeras de televisão subaquáticas para a coleta dos destroços.

• Primeiro a utilizar a reconstrução do avião como parte de uma investigação de acidentes.

• Primeiro a utilizar de um tanque de água para envolver e testar um avião inteiro.

• Primeiro no uso de médicos forenses para resolver um acidente aéreo (G-ALYY).

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Comet


O que restou?

Seis anos para determinar a causa do acidente e perda para os concorrentes Boing e Douglas.

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Comet


Na elaboração de um projeto deve se proceder a análise visando: redução da possibilidade da falha; perdas de materiais; perdas de vidas humanas.

Bem como a necessidade de maior desempenho e vida mais longa dos componentes.

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• Os projetos de engenharia devem ter como premissa básica evitar falhas e depois cumprir seus objetivos de superação de critérios funcionais e econômicos.

• As falhas em engenharia ocorrem e podem ser usadas para o desenvolvimento de novos produtos e /ou processos cada vez mais seguros e eficientes. Existem vários exemplos na indústria aeronáutica.


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Razões para a análise de falhas

Determinar e descrever os fatores responsáveis pela falha.

Motivação

Práticas de engenharia

Considerações de ordem legal

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Quando se procede à análise da falha estrutural, todas as etapas de vida de um determinado produto , desde as idéias preliminares para a elaboração do projeto estrutural, até a utilização do produto são verificadas em busca de informações relevantes.

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Economia Segurança Função Histórico

prévio Aparência

Projeto

Serviço

Montagem

Processamento

Fabricação

Seleção de materiais

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Procedimento investigativo • Conhecimento do histórico prévio associado ao

componente; •Montagem de uma seqüência padrão de

procedimentos


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Identificação do problema

Determinação da causa raiz

Padronização

Validação e verificação das

ações corretivas

Desenvolvimento das ações corretivas


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Determinação da causa raiz

Raízes físicas Falha de um vaso de pressão Quebra de uma carcaça de direção

Raízes físicas Dano por corrosão; Redução da espessura da parede

Partículas duras de segunda fase;

Raízes humanas Inspeção inadequada Contaminação com ferro

Raízes latentes Treinamento inadequado do inspetor Freqüência de análise inadequada;


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Ferramentas para determinar a causa raiz

Folha de coleta de dados

Gráfico de paretos

Diagrama de causa e efeito

Fluxograma

Histograma

Diagrama de dispersão

Gráfico ou carta de controle

Ferramentas da qualidade


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Fabricação

Sobrecarga

Uso incorreto

Manutenção Humano

Projeto

Modo de falha

Operação

Métodos gráficos : diagrama de causa e efeito, diagrama de Ishikawa ou espinha de peixe

Seleção de material

Configuração

Tratamento térmico incorreto

Defeitos de soldagem Perdas de conexão

Falha na lubrificação

Falha de treinamento


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Em adição às técnicas de causa raiz, são importantes também: • levantamento de todas as informações existentes a

respeito da falha; • ensaios laboratoriais para checagem das especificações; • análise de tensões atuantes; • análise pela mecânica da fratura.


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