MANUTENÇÃO BASEADA NO RISCO (MBR) APLICADO A MOTORES A GÁS ESTUDO DE CASO

MANUTENÇÃO BASEADA NO RISCO (MBR)

APLICADO A MOTORES A GÁS

ESTUDO DE CASO

Frederico Carlos Maciel Thom (1) Geraldo Rossoni Sisquini (2)

Marcílio Freitas (3)

(1) M.Sc., Doutorando em Engenharia Estrutural (UFOP/UFES). Engenheiro de Equipamentos PL da Petrobras. (2) D.Sc., Diretor do Centro Tecnológico (CT) da UFES. Conselheiro do CREA (ES) e membro da ABM. (3) D.Sc., Sub Reitor de Graduação da UFOP.

RESUMO

A manutenção baseada no risco (MBR) ajuda na concepção de uma estratégia alternativa para minimizar o risco resultante de avarias ou falhas. Esta metodologia é capaz de estimar o risco causado pela falha inesperada como uma função da probabilidade e da conseqüência.

Os componentes críticos podem ser identificados com base no nível de risco e de um nível pré-selecionado de risco aceitável.

GERENCIAMENTO DA INTEGRIDADE BASEADO NO RISCO

Os motores a combustão interna a gás, estarão expostos a riscos de falha que podem não ter sido previstos em serviço.

Os seus componentes podem apresentar defeitos e falhas em serviço devido a operação severa, falta de manutenção adequada, não cumprimento do plano de manutenção, gás combustível sujo, etc.

AVALIAÇÃO DA METODOLOGIA DO RISCO

As avaliações são geralmente descritas como qualitativas (interpretação lógica do histórico de falhas e defeitos, e na experiência dos operadores) ou quantitativas (probabilística) que avalia a implicação do nível do risco.

Estes conceitos definem a matriz de risco e podem ser utilizados para priorizar o plano de inspeção e as atividades de manutenção, e identificar a necessidade de promover a análise detalhada do risco.

OBJETIVOS

As estratégias de menores custos para a gestão de ativos são essenciais para o incremento da capacidade de geração de receitas.

A abordagem centrada no risco ajuda na tomada de decisão sobre a priorização do equipamento para a manutenção e para a determinação de um adequado intervalo de manutenção.

METODOLOGIA DA MANUTENÇÃO BASEADA NO RISCO (MBR)

Essa metodologia fornece uma ferramenta para o planejamento de manutenção e de tomada de decisão visando reduzir a probabilidade de falha do equipamento e as conseqüências de falha.

O programa de manutenção resultante maximiza a confiabilidade do equipamento e reduz o custo de manutenção total.

Arquiteturada metodologia MBR. Fonte: KHAN &HADDARA, 2003.

Identificar subsistemas e componentes

Definindo a relação entre componentes do subsistema e o

sistema principal

Coleta de dados de falha e definição do modelo de falha

Avaliação do risco: . Identificação do perigo . Análise probabilística da falha . Avaliação da conseqüência . Quantificação do risco

Estimativa do risco: . Seleção dos critários de aceitação . Comparação entre o risco e os critérios aceitáveis

.

Planejamento de manutenção: . Desenvolvimento de planos de manutenção para reduzir o risco a critérios aceitáveis

SEQÜÊNCIAMENTO

a) Identificação do Escopo

Coletar os dados necessários para analisar os cenários de falhas potenciais para cada sistema.

Estudar os relacionamentos físicos, operacionais e lógicos entre os componentes.

SEQÜÊNCIAMENTO

b) Avaliação de Risco

Uma árvore de falhas é usada para identificar os eventos básicos e os caminhos intermediários que levarão para o evento de topo.

Os dados de falha dos eventos básicos do subsistema são utilizados para estimar a probabilidade de falha do subsistema.

Uma análise de conseqüência é usada para quantificar o efeito da ocorrência de cada um dos cenários de falha.

SEQÜÊNCIAMENTO

c) Critério de Risco

Um critério de risco aceitável é determinado para decidir se o risco estimado de cada cenário de falha é aceitável ou não.

Assim sendo, o risco influencia na determinação de políticas da manutenção para os componentes envolvidos.

SEQÜÊNCIAMENTO

d) Planejamento de Manutenção

Os subsistemas que não cumpriram os critérios de risco aceitáveis são estudados com o objetivo de projetar um programa de manutenção que irá reduzir o risco.

Os intervalos de manutenção que produzem a nova probabilidade de falha são então calculados, de forma a reduzir a conseqüência da falha.

ESTUDO DE CASO

Um Estudo de Caso é utilizado para ilustrar o uso da metodologia mencionada na elaboração de programas de manutenção aplicado a três motores a combustão interna (gás combustível) empregados numa planta de tratamento de gás natural, baseando-se em eventos de manutenção entre 01/10/2006 e 10/04/2013.

Definição de fronteira – Motores de combustão. Fonte: ABNT NBR ISO 14244

Sistema Subsistema Componentes Defeitos e falhas

Motor Cilindros Cabeçotes Vazamento de água

Cárter Medidor de nível Nível baixo de óleo lubrificante

Arrefecimento Encanamentos Vazamento de água

Lubrificação Encanamentos Vazamento de óleo lubrificante

Óleo lubrificante Troca de óleo por insolúveis

Partida Arranque Motor não liga

Injeção Velas Fumaça preta no escapamento

Válvulas Baixa potência no motor

Mistura Oscilando a potência do motor

Escapamento Descarga Vazamento de gases de escape

Silencioso Ruído estranho

- O próximo passo é sistematizar os dados de falhas e defeitos desses motores.

- De acordo com os eventos de manutenção, são obtidos os parâmetros dos modos de falha, onde beta (β) é o fator de forma e teta (θ) é a vida característica.

Subsistema Componentes Distribuição estatística Parâmetros

Cilindros Cabeçotes Weibull b = 1,7926 / q = 3,2400e+004

Cárter Medidor de nível Weibull b = 2,0798 / q = 4,2429e+004

Arrefecimento Encanamentos Weibull b = 2,2484 / q = 3,9093e+004

Lubrificação Encanamentos Weibull b = 2,6666 / q = 4,0089e+004

Óleo lubrificante Weibull b = 1,2743 / q = 4,1035e+004

Partida Arranque Weibull b = 2,7460 / q = 3,7816e+004

Injeção Velas Weibull b = 1,9313 / q = 2,1223e+004

Válvulas Weibull b = 1,1153 / q = 5,5787e+004

Mistura Weibull b = 54,8750 / q = 1,7244e+004

Escapamento Descarga Weibull b = 3,0606 / q = 2,8515e+004

Silencioso Weibull b = 1,3065 / q = 2,7922e+004

- O processo de reparação em si pode ser decomposto num número diferente de sub-tarefas e atrasar a manutenção.

Tempo morto ou inoperante

Equipamento fora de serviço Tempo de acesso Diagnóstico da falha Tempo de manutenção Troca ou reparo Revalidação do equipamento (comissionamento e testes) Tempo de suprimento (start up) Disponível para a produção

Detalhamento do tempo total de reparo e inoperância do motor a gás.

- O tempo total de parada envolvido no reparo pode ser estimado, já o tempo entre as paradas eventuais é o que exatamente entra no cálculo das variáveis β e θ.

AVALIAÇÃO DO RISCO

Desenvolvimento de Árvore de Falha (FTA)

Falha nos cilindros Falha no sistema de lubrificação Falha no cárter Falha no motor a gás Troca de óleo lubrificante por insolúveis 5 Vazamento de óleo lubrificante nos encanamentos 4 Falha no sistema de arrefecimento Falha no sistema de partida Falha no sistema de injeção Falha no escapamento Oscilando a potência do motor devido a mistura 9 Baixa potência devido a defeito nas válvulas 8 Fumaça preta no escape devido a defeito nas velas 7 Ruído estranho no silencioso 11 Vazamento de gases de escape na descarga 10 Vazamento d’água nos cabeçotes 1 Nível baixo de óleo lubrificante 2 Vazamento d’água nos encanamentos 3

Motor não liga pelo arranque

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Análise das Conseqüências

Modo de performance do sistema . Performance afetada Modo de falha Modo de incêndio e explosão . Área afetada Modo de liberação tóxica e de dispersão . Área afetada Estimação da conseqüência . Perdas de saúde humana . Perdas econômicas . Perdas ambientais

. Perdas na performance do sistema

Diagrama de análise das conseqüências. Fonte: KHAN & HADDARA, 2003.

O objetivo aqui é priorizar os equipamentos e seus componentes com base na sua contribuição para a falha no sistema, ou seja, influencia a estimativa da manutenção e a perda devido a custos de produção.

- Perda de Desempenho do Sistema

A_i = função (desempenho ou performance)

Classe Descrição Função

I

Muito importante para a operação do sistema 8 a 10

A falha pode causar a parada no funcionamento

do sistema

II

Importante para a boa operação 6 a 8

A falha pode prejudicar a performance e causar

conseqüências adversas

III

Requerido para uma boa operação 4 a 6

A falha deve afetar a performance e deve conduzir a uma falha subsequente no sistema

IV

Opcional para a boa performance 2 a 4

A falha não deve afetar a performance imediatamente mas o prolongamento pode causar a falha do sistema

V

Opcional para a operação 0 a 2

A falha não deve afetar a performance do

sistema

- Perda Financeira

O fator B quantifica o dano à propriedade ou ativos e pode ser estimado para cada cenário utilizando-se as seguintes relações:

UFL AD AR B_i ( )_i *( )_i /    n i i B B , 1

. onde i representa o número de eventos, UFL é o nível de uma perda inaceitável, AR trata-se da área sob o raio de dano e o AD é a densidade de ativos na vizinhança do evento.

- Perda de Vidas Humanas

Um fator de fatalidade é estimado para cada cenário utilizando as seguintes equações: 1 * PDF PDI PDI UFR PDI AR C_i ( )_i *( )_i /    n i i C C , 1

. sendo UFR a taxa de fatalidade inaceitável, PDF1 define o fator de distribuição populacional e o PDI é a densidade populacional nas proximidades do evento.

UDA IM AR D_i ( )_i *( )_i /    n i i D D , 1

- Perdas Ambientais e/ou Ecológicas

O fator D significa os danos ao ecossistema, a qual pode ser estimado como:

Fat o r d e im p o rt ân ci a

Distância vulnerável do ecossistema (km)

Quantificação do fator de importância (IM)

. o UDA indica um nível inaceitável para o dano da área e o IM é o fator de importância.

Finalmente, esses fatores são combinados para produzir o fator de conseqüência Con (KHAN & HADDARA, 2003).

5 , 0 2 2 2 2 ] 25 , 0 25 , 0 25 , 0 25 , 0 [ A B C D Con   

Os valores encontrados para os fatores neste Estudo de Caso estão expostos a seguir.

Sistema Subsistema Componentes Fator A Fator B Fator C Fator D Fator Con

Motor Cilindros Cabeçotes 8 7 0 0 5,3150729

Cárter Medidor de nível 4 9 0 0 4,9244289

Arrefecimento Encanamentos 4 10 0 0 5,3851648 Lubrificação Encanamentos 4 14 0 0 7,2801099 Óleo lubrificante 4 4 0 0 2,8284271 Partida Arranque 8 19 0 0 10,307764 Injeção Velas 6 14 0 0 7,6157731 Válvulas 6 7 0 0 4,6097722 Mistura 6 4 0 0 3,6055513 Escapamento Descarga 6 6 0 0 4,2426407 Silencioso 6 4 0 0 3,6055513

CRITÉRIO DE RISCO

Um critério aceitável de risco pode ser determinado com base nos dados de manutenção.

Os componentes devem ser divididos em três categorias (KRISHNASAMY et al, 2005):

- Risco elevado (valor de índice de risco superior a 0,8); - Risco médio (índice de risco entre 0,6 e 0,8);

A Tabela a seguir demonstra o risco real (Fator de risco - FR) calculado de acordo com o banco de dados, sendo que o ranquiamento está conforme a FTA demonstrada anteriormente.

Ranquiamento beta (β) teta (θ) Probabilidade de _falha Conseqüência _ajustada Fator de _risco

1 1,7926 32399,91954 0,0914 5 0,457 2 2,0798 42428,94652 0,0369 5 0,1845 3 2,2484 39092,97970 0,034 5 0,17 4 2,6666 40088,82008 0,0172 7 0,1204 5 1,2743 41034,85088 0,1304 3 0,3912 6 2,746 37816,04426 0,0179 10 0,179 7 1,9313 21223,44702 0,1656 8 1,3248 8 1,1153 55786,59812 0,1191 5 0,5955 9 54,875 17244,20716 1,11E-16 4 _4,44E-16 10 3,0606 28514,93089 0,0266 4 _0,1064 11 1,3065 27921,56107 0,1974 4 _0,7896 Sistema 0,8365 5,5 4,5627

Resultados do módulo de estimação do risco.

Já a probabilidade de falha em 1 ano é calculada pela seguinte expressão:

] ) ( exp[ 1 ) ( ) ( b q t t Pf t F    

PLANEJAMENTO DE MANUTENÇÃO

A estratégia que adotamos para reduzir o risco, foi a de reduzir a probabilidade de falha dos subsistemas através da simulação de eventos de manutenção preventiva nesses componentes, com períodos ou intervalos pré-fixados em 30, 60, 90, 180, 270 e 360 dias. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 1: Falha nos cilindros (Vazamento d’água nos cabeçotes).

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 30 60 90 180 270 360 Pf FR

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 3: Falha no sistema de arrefecimento (Vazamento d’água nos encanamentos).

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 4: Falha no sistema de lubrificação (Vazamento de óleo lubrificante nos encanamentos).

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 5: Falha no sistema de lubrificação (Troca de óleo lubrificante por insolúveis).

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 30 60 90 180 270 360 Pf FR

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 7: Falha no sistema de injeção (Fumaça preta no escape devido a defeito nas velas).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 8: Falha no sistema de injeção (Baixa potência devido a defeito nas válvulas).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 9: Falha no sistema de injeção (Oscilando a potência do motor devido a mistura).

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 10: Falha no escapamento (Vazamento de gases de escape na descarga).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 30 60 90 180 270 360 Pf FR

Ranquiamento 11: Falha no escapamento (Ruído estranho no silencioso).

Assim sendo, a probabilidade de falha para o evento de topo (probabilidade de falha no motor a gás) e o fator de risco do sistema, ficaram assim definidos: 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 30 60 90 180 270 360 Pf FR Sistema Motor de Combustão a Gás Solução do Sistema.

Ou seja, para os dados de campo apresentados, realizando-se

manutenções periódicas a intervalos curtos e regulares, o risco de defeito, falha ou quebra nos motores a gás, é muito inferior quando adotando-se prazos mais longos.

CONCLUSÕES

. A MBR permite o aumento da confiabilidade e redução do custo de manutenção incluindo o custo do falhas. Isto irá contribuir para a disponibilidade da planta de processo, bem como o seu funcionamento seguro.

. Ao se decidir pelo intervalo de manutenção pré-definido, significa que alguns equipamentos serão mais manutenidos que outros. No entanto, as economias resultantes em termos de redução do tempo de parada necessárias para executar as tarefas de manutenção corretivas, justificam esta política.

. O estudo pode identificar um equipamento crítico baseado no risco que necessita de uma intervenção de manutenção num tempo mais curto. Foi o caso apresentado no “Ranquiamento 7”, pois o FR real é superior ao índice de risco de 0,8 numa manutenção unicamente anual.

. Uma análise das condições de funcionamento do equipamento precisa ser feita para descobrir as razões por trás de sua falha prematura.

MUITO OBRIGADO

Frederico Thom, M.Sc.

Engenheiro Equipamentos PL

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