Simpósio Internacional de Confiabilidade
São Paulo, 2010
O uso de ferramentas de confiabilidade para influenciar os requisitos
técnicos aplicáveis às especificações dos equipamentos dos navios da Marinha do
Brasil
1. SUMÁRIO & PROPÓSITO
O projeto de navios é uma atividade complexa que envolve diversas áreas do conhecimento e desta forma exige dos projetistas o uso de ferramentas computacionais para definição dos parâmetros tanto estruturais quanto operacionais. Um dos principais parâmetros determinados pelas principais Marinhas do mundo tem sido a disponibilidade do navio durante sua vida útil. Este artigo descreve como a Marinha do Brasil tem aplicado as ferramentas de Engenharia da confiabilidade durante a determinação das características dos principais equipamentos a serem instalados a bordo de seus navios de modo a atingir as metas de disponibilidade determinadas pelo Setor Operativo.
2. INTRODUÇÃO
As principais empresas projetistas de navios no mundo estão utilizando as ferramentas de Engenharia da confiabilidade em seus projetos garantindo em seus navios parâmetros de confiabilidade que aumentem seus custos-benefícios. Seguindo esta tendência mundial, a Marinha do Brasil tem considerado a disponibilidade dos navios como um parâmetro chave de desempenho para a seleção de novos meios. Como produto da utilização destas ferramentas são ofertados projetos nos quais é determinado em contrato qual será a disponibilidade do navio e o contratado recebe um bônus caso este valor seja superado. Desta forma, a Marinha tem aplicado em seus projetos as análises de confiabilidade necessárias à determinação das características dos equipamentos que interferem neste parâmetro.
Para desenvolvimento deste trabalho foram desenvolvidas análises de confiabilidade para um navio de porte médio projetado pelo Centro de Projetos de Navios da Marinha do Brasil para realizar pesquisas hidrográficas na Bacia Amazônica. As análises desenvolvidas podem ser extrapoladas para os demais navios, pois os sistemas avaliados estão presentes em todos os projetos desenvolvidos pela Marinha
sendo acrescidos de complexidade de acordo com a missão e o porte do navio.
Para realização deste trabalho adotou-se a seguinte metodologia: determinação dos sistemas críticos e seus componentes, avaliação dos parâmetros através da composição de seu diagrama de blocos de confiabilidade e determinação dos requisitos de confiabilidade a serem garantidos pelos fornecedores dos equipamentos de modo a atingir-se tais requisitos.
3. DETERMINAÇÃO DOS COMPONENTES CRÍTICOS
Para a determinação dos componentes cujas características afetam diretamente a disponibilidade, o navio foi dividido em grupos funcionais. Esta divisão foi realizada seguindo-se a estrutura SWBS (Ship work breakdown structure) que divide o navio em grandes áreas como estrutura, máquinas, eletricidade, navegação e comunicação, acabamento e acessórios, e armamento.
Cada grupo teve seus sistemas constituintes determinados chegando-se ao nível dos equipamentos existentes em cada um deles.
Para avaliação da contribuição dos equipamentos do navio na sua disponibilidade global foi realizada uma análise dos modos de falha, efeitos e criticidade (Failure Mode effects and criticality analysis – FMECA). Para a sua realização foram elaboradas tabelas de criticidade considerando-se os fatores técnicos, logísticos e regulamentares. Foram considerados fatores construtivos como parâmetros mecânicos e elétricos, assim como a taxa de falha ou tempo médio entre falhas (Mean time between failure – MTBF), e fatores logísticos (tempo necessário para entrega, aquisição no exterior ou de fornecedor exclusivo) que somados ao primeiro redundam no custo de ciclo de vida do meio e na sua disponibilidade. Outro aspecto a ser considerado é quanto às regras de navegação estabelecidas pela Marinha ou internacionalmente. As tabelas 1 a 3 demonstram a metodologia adotada para desenvolvimento da FMECA.
Tabela 1 – Conseqüência/Nível de severidade – Fatores técnicos.
Severidade Nível Definição Aplicável a 1 Menor Não afeta a
operação do navio
2 Maior Afeta a
operação do navio
3 Crítico Afeta a operação e
impede a continuação do projeto
4 Catastrófico Inviabiliza o projeto
Todos os sistemas
Tabela 2 – Conseqüência/Nível de severidade – Fatores logísticos.
Severidade Nível Definição Aplicável a 1 Menor Não afeta a
manutenibi- lidade do navio
2 Maior Afeta a
manutenibi- lidade do navio
3 Crítico Afeta a manutenibi-
lidade e impede a continuação da
operação do navio
4 Catastrófico Inviabiliza a operação
do navio
Todos os sistemas
Tabela 3 – Conseqüência/Nível de severidade – Fatores regulamentares.
Severidade Nível Definição Aplicável a 1 Menor Não afeta o
atendimento as normas existentes
2 Maior Afeta o
atendimento as normas existentes
3 Crítico Afeta o atendimento
as normas existentes e impede a continuação do projeto
4 Catastrófico Inviabiliza o projeto
Sistemas de
segurança, navegação, controle da poluição
A especificação do navio foi o documento técnico usado para descrição dos sistemas do navio. Desta especificação obtivemos a determinação de 103 itens passíveis de avaliação, que foram classificados por importância na determinação da disponibilidade do navio considerando os três critérios mencionados anteriormente, técnico, logístico e regulamentar. A análise restringiu- se ao nível do equipamento, não abrangendo seus elementos constituintes. Também não foram considerados os regimes de funcionamento dos diversos sistemas, ou seja, equipamentos que funcionam com o navio navegando, atracado e em operações específicas.
Considerando-se os requisitos técnicos e operacionais impostos pelo Setor Operacional foram selecionados 15 itens de média relevância e 36 itens de alta relevância na determinação da disponibilidade total.
Foram considerados de alta relevância os equipamentos ou sistemas cujas características afetam diretamente a disponibilidade.
A garantia de disponibilidade dos itens de média relevância pode ser obtida com a inserção de redundâncias, no caso de equipamentos, e com a utilização de fatores de segurança estabelecidos pelas Sociedades Classificadoras, como por exemplo, a estrutura do navio. Dentre os itens de alta relevância aqueles que mais importância tem na disponibilidade do navio são os seguintes:
- motores diesel de propulsão;
- engrenagens redutoras;
- equipamentos de geração de energia;
- sistema de refrigeração;
- sistema de ar condicionado;
- sistema de detecção e extinção de incêndio;
- sistema de esgoto e lastro;
- sistema de monitoração;
- sistema de governo; e
- sistema de controle de poluição.
Para a determinação dos valores de confiabilidade necessários para o atingimento das metas de disponibilidade de cada um destes equipamentos/sistemas foram elaborados diagramas de bloco de confiabilidade. Para composição dos sistemas foram considerados itens
shelf), ou ainda, não foram considerados equipamentos especiais ou de encomenda,
devido à necessidade de determinação/obtenção de seus valores de confiabilidade/taxa de falha. Tal recurso se justifica também pelo fato de que na etapa do projeto em que se encontra este navio não ser possível ainda a determinação dos fornecedores dos equipamentos, além de garantir que eventuais falhas do projeto original dos mesmos já tenham sido corrigidas.
4. DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DE CONFIABILIDADE
O projeto de navios militares deve considerar a garantia de disponibilidade dos navios como determinante para o cumprimento das missões a eles atribuídas.
O objetivo principal no desenvolvimento de análises de confiabilidade é detectar pontos fracos no sistema analisado, identificando, principalmente, as deficiências que contribuem para a sua não confiabilidade. Essas análises servem de auxílio ao projetista, uma vez que realimentam o projeto com informações que podem ser implementadas a fim de melhorar seu desempenho, garantindo o cumprimento da missão.
A confiabilidade dos itens a serem instalados a bordo é função do material de construção, do design, da qualidade do processo fabril, idade, tempo desde a última manutenção e as condições operacionais.
Conseqüentemente, a combinação de uma ou mais falhas de um equipamento e/ou erros humanos causa a perda da função do sistema. Os seguintes fatores geralmente influenciam a falha dos equipamentos:
• Erro de Projeto;
• Falha de Material;
• Fabricação/construção Inadequada;
• Operação Inadequada;
• Manutenção Inadequada; e
• Erros de Manutenção (erro humano) O tempo de falha de um componente é definido por modelos como as distribuições de probabilidade que incluem o MTBF, fornecido pelo fabricante do componente. Já existem modelos mais sofisticados que levam
em conta os efeitos das inspeções e descobertas de falha assim como a diferença entre a operação à plena carga e o uso em baixa demanda.
No entanto, neste trabalho foram considerados apenas os MTBF dos equipamentos por serem estas informações de fornecimento mais usual pelos fabricantes.
4.1 Diagrama de blocos
Para desenvolvimento deste trabalho foram elaborados subdiagramas para os seguintes sistemas: propulsão, geração de energia, governo, refrigeração, ar condicionado, monitoração, Incêndio, Transferência de fluidos (bombas) e controle da poluição. A estrutura de cada subdiagrama foi elaborada com base nas informações existentes na especificação do navio. Informações como número de unidades componentes e suas interligações estão contidas neste documento e são determinadas pelo setor operativo em função da experiência com sistemas similares não sendo tão determinante o fator financeiro para determinação do número de componentes de cada sistema. Em navios militares a redundância é regra geral para os sistemas primordiais de bordo, considerando- se o espaço físico disponível a bordo para instalação dos mesmos.
Neste trabalho foi necessário adotar a simplificação de considerar a taxa de falha constante ou ainda uma distribuição exponencial para as curvas de confiabilidade.
Os valores de MTBF/taxa de falha foram obtidos em publicações como Offshore Reliability data - OREDA, Reliability Information Analysis Center - RIAC, System Reliability Center – SRC, e Advanced Logistics Development Ltd.
Os valores de confiabilidade de cada subsistema, para o período operacional de um ano, podem ser vistos na tabela abaixo:
Tabela 4 – Confiabilidade dos sistemas.
Sistema R(8760 hs)
propulsão 0,2401 ar condicionado 0,741
monitoração 0,742 controle da poluição 0,8147
incêndio 0,8545 governo 0,8649 refrigeração 0,9057 bombas 0,9524 geração 0,9563
Pode-se perceber os baixos valores encontrados para os sistemas de propulsão, monitoração, ar condicionado, controle da poluição e incêndio. Isto se deve aos baixos valores de MTBF encontrados para os componentes destes sistemas e de suas conexões entre equipamentos. A figura 1 ilustra a distribuição de confiabilidade dos sistemas de maior e menor confiabilidade.
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Confiabilidade vs Tempo
Tempo, (t)
Confiabilidade, R(t)
0,000 40000,000 80000,000 120000,000 160000,000 200000,000
0,000 1,000
0,200 0,400 0,600 0,800
Confiabilidade Geração de energia Propulsão
Yuri Camargo Centro de Projetos de Navios 22/2/2010 13:10:26
Figura 1 – Confiabilidade dos sistemas de geração de energia e propulsão.
No entanto, para equipamentos de baixa complexidade pode-se obter no mercado equipamentos cujos valores de taxa de falha sejam mais adequados aos valores de disponibilidade necessários ao projeto. E caso esta solução não seja possível, pode-se inserir redundâncias de modo a aumentar a confiabilidade do sistema desejado.
À medida que a complexidade do equipamento aumenta esta solução se mostra inadequada. Este é o caso dos equipamentos do sistema de propulsão. Isto é principalmente verdadeiro no caso dos motores diesel por tratar-se de um elemento vital ao projeto de um navio e por demandar um largo período de tempo para sua
valores de MTBF. Portanto, os motores de combustão da propulsão são os elementos cuja determinação de características construtivas é o principal óbice ao desenvolvimento deste projeto. A figura 2 ilustra a distribuição das taxas de falha dos sistemas do navio e a Figura 3 ilustra a criticidade de cada equipamento para a ocorrência de falhas.
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Taxa de Falha vs Tempo
Tempo, (t)
Taxa de Falha, f(t)/R(t)
0,000 40000,000 80000,000 120000,000 160000,000 200000,000
0,000 3,000E-4
6,000E-5 1,200E-4 1,800E-4 2,400E-4
Taxa de Falha Geração de energia Propulsão Ar cond Bombas Controle da poluição Governo Incêndio Monitoração Refrigeração
Yuri Camargo Centro de Projetos de Navios 22/2/2010 13:17:26
Figura 2 – Taxas de falha dos sistemas do navio.
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RS FCI
MCP 1 MCP 2 MCA 1 DGE MCA 2
0,000 29,362
5,872 11,745 17,617 23,490
Disponibilidade
5 Item(s) 100%
50%
0%
Yuri Camargo Centro de Projetos de Navios 25/2/2010 13:55:02
Figura 3 – Criticidade dos equipamentos para ocorrência de falhas.
4.2 Determinação das características técnicas dos equipamentos críticos Neste projeto foram considerados motores com MTBF de 5000 horas. Devido aos baixos valores foram inseridas informações de manutenção corretiva e preventiva de modo a atingir-se o valor de disponibilidade previsto para o navio. A disponibilidade esperada para este navio é de 57,5% no período de um ano. Com as inserções das informações de manutenção citadas, o valor obtido foi de 59%. Outras
informações: Tempo até a primeira falha 1433 horas, tempos para manutenções 10 horas, manutenções param o navio.
Outra característica relevante dos motores diesel é o tempo entre manutenções gerais (Time between overhaul – TBO) que deve coincidir com os períodos de manutenção geral do navio. Este período é determinado pela Marinha e deve ser previsto de modo a não comprometer a capacidade operativa dos esquadrões de navios com a mesma função. Para este navio o período operativo determinado é de 36 meses, ou 26.280 horas. Portanto o motor adotado no projeto deve ter valor de TBO acima deste valor para os motores da propulsão. Em suma as características dos motores diesel do sistema da propulsão serão: Potência, número de cilindros, velocidade de rotação, e dimensões físicas, acrescidas das informações de confiabilidade como MTBF igual ou maior que 5.000 horas para um período de um ano e TBO acima de 26.300 horas considerando-se um período de três anos.
5. CONCLUSÃO
As análises de Apoio Logístico são realizadas durante os projetos de navios, para possibilitar que os estudos de engenharia e logístico sejam concebidos de forma simultânea e influenciando-se mutuamente, com o objetivo de obter sistemas eficazes, com a disponibilidade exigida, a um custo de ciclo de vida compatível e que possam ser apoiados continuamente ao longo do período de utilização.
Para obtenção da capacidade necessária a realização destas análises, o Centro de Projetos da Marinha do Brasil celebrou um convênio com a Financiadora de Estudos e Projetos – FINEP. Os principais resultados alcançados pelo convênio foram: a implantação da infraestrutura necessária para realização destas análises no Centro de Projetos de Navios, através da modernização das instalações físicas e do parque computacional, com a aquisição de equipamentos, softwares e dados para realização das análises; e a obtenção de conhecimentos e do domínio do emprego dos
módulos de engenharia que compõem estas análises, através da realização de cursos e treinamentos. Estes recursos possibilitaram a realização deste trabalho.
O passo inicial do projeto de navios consiste em selecionar seus sistemas componentes e determinar seus respectivos valores de disponibilidade já que seus parâmetros operacionais são determinados pela performance esperada para o navio.
Para atingir este objetivo o projetista deve lançar mão das seguintes alternativas isoladas ou combinadas:
Componentes com maior
confiabilidade (e mais caros);
Maior redundância; e
Alterações nas rotinas de manutenção e políticas de sobressalentes.
Neste trabalho, face ao estágio em que se encontra o projeto, não foram inseridas informações relativas a manutenção dos sistemas, exceto ao sistema da propulsão.
As redundâncias e as características foram determinadas durante o desenvolvimento do projeto considerando-se não só as informações técnicas como as de confiabilidade.
Os navios militares ainda impõem requisitos que não são aplicados aos navios mercantes e que determinam características dos principais equipamentos a bordo. Neste trabalho foram estabelecidas as etapas de análise necessárias ao projeto de um navio militar genérico, e que pode ser extrapolado para os projetos de navios mais complexos.
Pretende-se no futuro estabelecer diagramas de fases e a obtenção de informações mais detalhadas dos dados de falha dos equipamentos críticos. A Marinha está implantando um sistema de coleta de dados operacionais dos equipamentos dos seus navios de modo a propiciar a obtenção destes dados.
Outra iniciativa será a transferência das informações de projeto para a área de manutenção de modo a subsidiar a elaboração da Manutenção centrada na confiabilidade (Reliability centered maintenance - RCM) de todos os sistemas do navio. Também será avaliada a confiabilidade estrutural de modo a comparar os valores determinados pelas Sociedades classificadoras com os valores obtidos nas análises.
6. REFERÊNCIAS
1. Marinha do Brasil, Requisitos de alto nível de sistemas consolidados do navio hidroceanográfico fluvial, 2009.
2. Confiabilidade para projetos – Presentation Handouts, Reliasoft Brasil, 2008.
3. Natacci, Souza e Martins, Proposta de Método de Análise de Confiabilidade de Navios, 2007.
4. Coppola, Anthony, Reliability Design for Affordability, Artigo do periódico Selected Topics in Assurance Related Technologies – START, Volume 4, Número 3, disponível no endereço:
http://www.theriac.org/DeskReference/vie
wDocument.php?id=62. Consulta realizada em DEZ/09.
5. Ship Design, artigo da Global Security.org, disponível no endereço:
http://www.globalsecurity.org/military/syst ems/ship/design.htm. Consulta realizada em DEZ/09.
6. Kiriya, Nobuo, Statistical Study on Reliability of Ship Equipment and Safety Management – Reliability Estimation for Failures on Main Engine System by Ship Reliability Database System –, Bulletin of the JIME, Vol. 29, No.2, Outubro, 2001.
7. Seixas, Eduardo, Manutenção Centrada na Confiabilidade - Estabelecendo a Política de Manutenção com Base nos Mecanismos de Falha dos Equipamentos, artigo disponível no endereço:
http://www.icapdelrei.com.br/arquivos/Arti gos/rcm.pdf. Consulta realizada em JAN/2010.
8. Guidance Notes on Reliability Centered Maintenance, American Bureau of Shipping, 2004.
