Mir fällt da nur eins auf...

Du sammelst die Prozesse mit push @{$self->{chld_processes}}. Das läßt vermuten, dass $self ein "übliches" Perl-Objekt ist - und Du direkt in den Hash reingreifst. Bei den Aufrufen von kill und waitpid verwendest Du dagegen die Methode $self->chld_processes.

Daher ein Schuss ins Blaue: Kann es sein, dass die Methode keine Referenz auf das Array zurückgibt, sondern die expandierte Liste? In dem Fall würde kill ins Leere greifen (Du prüfst das Ergebnis nicht!), waitpid wäre sofort fertig und der exec tötet danach die Prozesse, ohne zu warten. Das würde also die Symptome erklären.