Aplicação da metodologia de manutenção baseada em risco em uma bomba centrífuga de injeção

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TCE - Escola de Engenharia

TEM - Departamento de Engenharia Mecânica

PROJETO DE GRADUAÇÃO II

Título do Projeto :

Aplicação da metodologia de manutenção baseada em risco

em uma bomba centrífuga de injeção

Autor :

GABRIEL HENRIQUES DE CARVALHO

Orientador :

JOSÉ KIMIO ANDO

GABRIEL HENRIQUES DE CARVALHO

APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE MANUTENÇÃO

BASEADA EM RISCO EM UMA BOMBA CENTRÍFUGA DE

INJEÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal Fluminense, como requisito parcial para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

Orientador:

Prof. Dr. JOSÉ KIMIO ANDO

Niterói 2017

Ficha Catalográfica elaborada pela Biblioteca da Escola de Engenharia e Instituto de Computação da UFF

C331 Carvalho, Gabriel Henriques de

Aplicação da metodologia de manutenção baseada em risco em uma bomba centrífuga de injeção / Gabriel Henriques de Carvalho. – Niterói, RJ : [s.n.], 2017.

103 f.

Projeto Final (Bacharelado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal Fluminense, 2017. Orientador: José Kimio Ando.

1. Bomba centrífuga. 2. Confiabilidade (Engenharia). 3. Engenharia de manutenção. 4. Risco. I. Título.

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TCE - Escola de Engenharia

TEM - Departamento de Engenharia Mecânica

PROJETO DE GRADUAÇÃO II

AVALIAÇÃO FINAL DO TRABALHO

Título do Trabalho:

APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE MANUTENÇÃO BASEADA EM

RISCO EM UMA BOMBA CENTRÍFUGA DE INJEÇÃO

Parecer do Professor Orientador da Disciplina:

- Grau Final recebido pelos Relatórios de Acompanhamento:

- Grau atribuído ao grupo nos Seminários de Progresso:

Parecer do Professor Orientador:

Nome e assinatura do Prof. Orientador:

Prof.: José Kimio Ando Assinatura:

Parecer Conclusivo da Banca Examinadora do Trabalho:

Projeto Aprovado sem restrições

Projeto Aprovado com restrições

Prazo concedido para cumprimento das exigências: / /

Discriminação das exigências e/ou observações adicionais:

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE TCE - Escola de Engenharia

TEM - Departamento de Engenharia Mecânica

PROJETO DE GRADUAÇÃO II

AVALIAÇÃO FINAL DO TRABALHO

(continuação)

Título do Trabalho:

APLICAÇÃO DA METODOLOGIA DE MANUTENÇÃO BASEADA EM

RISCO EM UMA BOMBA CENTRÍFUGA DE INJEÇÃO

Aluno : Gabriel Henriques de Carvalho Grau :

Composição da Banca Examinadora :

Prof. Orientador: José Kimio Ando, D.Sc. Assinatura :

Prof.: Luiz Carlos Brasil de Brito Mello, D. Sc. Assinatura :

Prof.: Juan Manuel Pardal, D. Sc. Assinatura :

Data de Defesa do Trabalho : 05 de dezembro de 2017

DEDICATÓRIA

Aos meus familiares, amigos e mestres que me ajudaram na jornada vivida na escola de engenharia.

AGRADECIMENTOS

Agradeço o constante apoio e incentivo de todos aqueles que contribuíram de alguma forma não só para a elaboração desse trabalho, mas também que fizeram a diferença ao longo dos anos da graduação.

À engenheira ambiental Alessandra Hoffmann que sempre me apoiou durante o curso e também por sempre me auxiliar de forma construtiva e assertiva.

RESUMO

O presente trabalho utiliza conceitos da manutenção baseada em risco para o desenvolvimento de um plano de manutenção. Um estudo de caso é feito em uma bomba de injeção de água. Dados técnicos e operacionais são levantados. É feita uma análise FMEA para identificar os modos de falhas principais. Para estes modos de falha são calculados os riscos considerando-se perdas financeiras. São identificadas as falhas com valor de risco maior que o aceitável. Um plano de manutenção periódico é proposto para estas falhas composto por ações obtidas de análise de árvores de falhas. A periodicidade de cada ação de manutenção é calculada de forma que o risco da falha não ultrapasse o valor de risco aceitável.

ABSTRACT

The present work uses concepts of risk-based maintenance for the development of a maintenance plan. A case study is done on a water injection pump. Technical and operational data are collected. A FMEA analysis is performed to identify major failure modes. Risks are calculated for these failure modes considering financial losses. One identifies failures with a higher than acceptable risk value. A periodic maintenance plan is proposed for these faults composed of actions obtained from failure tree analysis. The periodicity of each maintenance action is calculated so that the risk of failure does not exceed the acceptable risk value.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Plataforma de produção de petróleo e gás. Fonte: TN PETROLEO (2014) ... 14

Figura 2- Estruturação das técnicas de manutenção. Fonte: Adaptado de LYONNET (1991) ... 20

Figura 3 - Custos de manutenção e de falha. Fonte: Adaptado de Lyonnet (1991) ... 24

Figura 4 - Análise de Pareto. Fonte: Adaptado de Lyonnet (1991) ... 25

Figura 5 - Curva da Banheira - Bathtub Curve. Fonte: Adaptado de SMITH (2001) ... 27

Figura 6 - Taxas de falha para diferentes classes de sistema. Fonte: Adaptado de Lewis (1987)... 28

Figura 7 - Curvas - Distribuição Exponencial. Fonte: Adaptado de Lewis (1987) ... 29

Figura 8 - Curvas - Distribuição Weibull. Fonte: Adaptado de Lewis (1987) ... 30

Figura 9 - Etapas Gerais – RBM. Fonte: Adaptado de Sakai (2010) ... 43

Figura 10 - Modelo de avaliação do risco. Fonte: Adaptado de KHAN e HADDARA (2003) ... 45

Figura 11 - Categorias de recuperação de óleo. Fonte: Adaptado de AHMED (2006). ... 50

Figura 12 - Bomba de Injeção. Fonte: Adaptado de FRAMO (2017) ... 53

Figura 13 - Rotor de Alta Pressão (300 m3_{/h – 1500 mlc). Aço Duplex. Fonte: Adaptado de FRAMO (2008)... 54}

Figura 14 - Caixa de engrenagens com bombas integradas. Fonte: Adaptado de FRAMO (2008) ... 54

Figura 15 – Unidade de bombeio de injeção. Fonte: Adaptado de FRAMO (2017). ... 55

Figura 16 - Skid Unidade Completa - Acionador, Bombas e Motor. Fonte: Adaptado de FRAMO (2008) ... 56

Figura 17 - Gráfico de Pareto dos índices de risco. ... 65

Figura 18 - Símbolos de eventos . Fonte: PESSOA (2010) ... 66

Figura 19 - Símbolos de portas lógicas. Fonte: PESSOA (2010) ... 67

Figura 20 - Árvore de Falha: Meio de Vazamento Externo – Fluido de Processo ... 68

Figura 21 - Árvore de Falha: Falha na Partida ... 69

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Banco de Dados para o Estudo de Caso. Fonte: OREDA 2015 ... 60 Tabela 2 - Níveis de Frequência de Modos de Falha. Fonte: Adaptado de SIQUEIRA (2014) ... 77 Tabela 3 - Níveis de Severidade de Risco. Fonte: Adaptado de SIQUEIRA (2014) ... 78

LISTA DE QUADROS

Quadro 1 - Modos de falhas de bombas. Fonte: Adaptado da NBR 14224, Tabela B.6 ... 35

Quadro 2 - Mecanismos de falha para falhas mecânicas. Fonte: Adaptado de NBR 14224, Tabela B.2 ... 37

Quadro 3 - Mecanismos de falha para falhas de material Fonte: Adaptado de NBR 14224, Tabela B.2... 38

Quadro 4 - Modos de falha para a função (a). ... 58

Quadro 5 - Mecanismos de falha para vazão abaixo da mínima especificada ... 59

Quadro 6 - Tempo para análise da probabilidade de falha ... 61

Quadro 7 - Confiabilidades e Probabilidades de Falha. ... 62

Quadro 8 - Consequência das Falhas ... 63

Quadro 9 - Risco e Índice de Risco para cada modo falha ... 64

Quadro 10 - Probabilidade e Confiabilidade no tempo t ... 71

Quadro 11 - Tempo para Falha atingir Risco Aceitável. ... 72

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 14

1.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ... 15

1.2 DELIMITAÇÃO E JUSTIFICATIVA DO ESTUDO ... 16

1.3 QUESTÕES DISCUTIDAS... 16 1.4 OBJETIVO ... 16 1.5 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ... 17 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 18 2.1 CONCEITOS DE MANUTENÇÃO ... 18 2.1.1 HISTÓRICO E DEFINIÇÃO ... 18

2.1.2 PRINCIPAIS TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO ... 19

2.1.2.1 Manutenção Corretiva... 20

2.1.2.2 Manutenção Preventiva ... 21

2.1.2.3 Manutenção Preditiva ... 22

2.1.3 CUSTOS ASSOCIADOS ... 23

2.2 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE CONFIABILIDADE... 25

2.3 MODELO MATEMÁTICO ... 25

2.4 CURVA DA BANHEIRA ... 27

2.5 DISTRIBUIÇÕES ESTATÍSTICAS ... 28

2.5.1 EXPONENCIAL ... 28

2.5.2 WEIBULL ... 29

2.6 MANUTENÇÃO CENTRADA EM CONFIABILIDADE ... 31

2.6.1 HISTÓRICO E AS 7 QUESTÕES BÁSICAS ... 31

2.6.2 FUNÇÕES ... 32 2.6.3 FALHA FUNCIONAL ... 33 2.6.4 MODOS DE FALHA ... 34 2.6.5 MECANISMO DE FALHA ... 36 2.6.6 EFEITOS DE FALHA ... 39 2.6.7 FMEA ... 40

2.7 MANUTENÇÃO BASEADA EM RISCO ... 42

2.7.1 IDENTIFICAÇÃO DE ESCOPO ... 43

2.7.2 CÁLCULO E AVALIAÇÃO DO RISCO ... 44

2.7.3 PLANEJAMENTO DA MANUTENÇÃO ... 45

3 METODOLOGIA ... 47

4 ESTUDO DE CASO – BOMBA DE INJEÇÃO DE ÁGUA ... 49

4.1 INJEÇÃO DE ÁGUA ... 49

4.2 SISTEMA DE BOMBEIO DE ÁGUA PARA INJEÇÃO ... 51

4.3 UNIDADE DE BOMBA CENTRÍFUGA DE INJEÇÃO ... 53

4.3.1 DESCRIÇÃO TÉCNICA ... 53

4.3.2 CONTEXTO OPERACIONAL ... 56

4.3.3 FUNÇÕES,MODOS E MECANISMOS DE FALHA ... 58

4.4 APLICAÇÃO METODOLOGIA RBM ... 61

4.4.1 PROBABILIDADE DE FALHA ... 61

4.4.2 CÁLCULO DAS CONSEQUÊNCIAS ... 62

4.4.3 ANÁLISE DE RISCOS ... 64

4.4.4 ANÁLISE DAS ÁRVORES DE FALHA ... 66

4.4.5 PLANEJAMENTO DA MANUTENÇÃO ... 71

5 CONCLUSÕES ... 75

APÊNDICE ... 77

1 INTRODUÇÃO

O setor de petróleo e gás aumentou sua participação no Produto Interno Bruto (PIB) do Brasil, no período de 2000 a 2014, de 3% para 13% (BRASIL, 2014). Em 2016, foram produzidos no Brasil em média 2509 milhões de barris de petróleo e 103,5 milhões de metros cúbicos de gás natural por dia (VALOR ECONÔMICO, 2017). De acordo com o Ministério de Minas e Energia (2015), a produção brasileira ocorre principalmente em plataformas offshore (Figura 1), que correspondem em média a 91% da produção total nacional.

Neste ramo, uma alteração na produção resultante de alguma falha com poucas horas de duração pode levar a consequências financeiras de escala bastante superior. Isso se deve a fatores como, por exemplo, o volume produzido, preço de mercado do barril e sua oscilação, criticidade do componente que falhou e o tempo de reparo necessário.

Figura 1 - Plataforma de produção de petróleo e gás. Fonte: TN PETROLEO (2014) Entretanto, não somente defeitos em equipamentos são os responsáveis por paradas de produção temporárias não programadas. Em 2015, na PETROBRAS, uma greve de trabalhadores resultou em um dia com perda de 273 mil barris de petróleo, o que representa 13% da produção diária nacional da época. (EBC, 2015). Apesar de não impactar na capacidade da empresa de abastecer o mercado, tal perda teve impacto significativo na arrecadação de tributos, uma vez que o preço do barril em 2015, segundo a DEVELOPMENT PROSPECTS GROUP (2017), era na faixa de US$ 50,80. Uma consequência, portanto, de mais de US$ 13,8 milhões.

A garantia da produção de qualquer sistema industrial é tópico prioritário para atestar a viabilidade do negócio que está sendo realizado. No que diz respeito à parte técnica, é objetivo

de qualquer empresa que seus ativos funcionem com capacidade máxima de operação durante toda sua vida útil. Para isso, surge então a necessidade de elaborar estratégias de manutenção e inspeção periódicas a fim de garantir tais condições. O mercado do petróleo apresenta uma dificuldade particular em comparação a outros setores, pois parte das unidades de exploração e produção são localizadas offshore. Essa distância do continente obriga os engenheiros responsáveis pela manutenção a planejarem não somente as atividades adequadas a serem realizadas e recursos envolvidos, mas também a periodicidade e agenda das intervenções.

1.1 Considerações iniciais

A engenharia de manutenção é o ramo da engenharia que tem como objetivo preservar as condições de operação de equipamentos ou processos, a fim aumentar sua disponibilidade e preservar a qualidade de seu funcionamento. Praticamente todas as empresas que prestam serviços de engenharia têm um setor responsável pela manutenção, ou contratam empresas especializadas nesses serviços. Manter aquilo que se tem é o caminho a ser seguido quando é inviável ou desvantajoso a simples substituição do componente.

Por ter caráter multidisciplinar, na engenharia de manutenção são encontrados profissionais com conhecimentos específicos em estatística, logística, mecânica, elétrica, química, instrumentação, segurança do trabalho e meio ambiente, por exemplo. Juntos, os profissionais da manutenção responderão as questões sobre quais atividades serão realizadas, além de como, quando e onde estas deverão ser feitas.

Conforme será apresentado nesse trabalho, a história da manutenção pode ser dividida em épocas quanto às tecnologias utilizadas e objetivos envolvidos. Atualmente, as empresas prezam por um modelo enxuto no planejamento de suas atividades, isto é, evitam processos desnecessários e focam em estudar aquilo que é essencial. Por outro lado, os padrões operacionais, requisitos de segurança e atuação de órgãos fiscalizadores tem se tornado mais rigorosos, tornando indispensável o estudo integrado e completo da manutenção.

Um conceito importante que surge no estudo da manutenção é o risco, definido pela NBR 31000 como sendo o efeito das incertezas nos objetivos que as organizações enfrentam devido às influências de fatores internos e externos. Pode-se dizer que a manutenção é também responsável pela redução de riscos, ou seja, as atividades realizadas mitigarão efeitos danosos aos objetivos do usuário.

1.2 Delimitação e justificativa do estudo

Este trabalho estuda a aplicação da manutenção baseada em risco no planejamento da manutenção sob o cenário da engenharia de manutenção em plataformas de exploração de petróleo e gás. Existem várias outras metodologias que podem ser aplicadas, isoladas ou concomitantemente, para basear a tomada de decisões quanto às atividades que devem ser executadas. Os conceitos teóricos que as fundamentam são vistos como fatores de influência na tomada de escolha entre uma metodologia e/ou outra.

Expandindo a visão técnica operacional de um ativo, a manutenção baseada em risco procura avaliar as consequências financeiras e riscos envolvidos para cada cenário analisado. Sendo a segurança financeira da produção um ponto de atenção das empresas de um mercado competitivo, é justificada a aplicação de tal método.

Por fim, entende-se que adaptar a estratégia de resultante da manutenção baseada em risco é essencial no desenvolvimento de políticas econômicas e eficazes de manutenção. (KHAN et. al., 2005)

1.3 Questões discutidas

O estudo realizado analisa e discute as seguintes questões:

a) Quais as metodologias aplicadas para decisão das atividades de manutenção, em que seus conceitos se baseiam e quais os resultados obtidos;

b) O que é risco, como é calculado e analisado para auxiliar na criação do plano de manutenção; c) Como é calculada a prioridade e periodicidade das atividades do plano;

d) Quais intervenções preventivas devem ser realizadas para que o risco não fuja do aceitável.

1.4 Objetivo

O objetivo deste estudo é aplicar o processo de manutenção baseada em risco no planejamento de atividades de manutenção preventiva que visam aumentar a disponibilidade de uma unidade de bomba centrífuga de injeção de água operante em uma plataforma de exploração e produção de óleo e gás.

1.5 Organização do trabalho

As etapas de contextualização, revisão da literatura, implementação de metodologia e análise de resultados estão divididas em cinco capítulos. A seguir são apresentados, de forma resumida, os conteúdos de cada um.

O primeiro capítulo apresenta o tema assim como o contexto em que este está inserido, questões relevantes, o objetivo desse estudo e um detalhamento que justifica a realização do mesmo.

O capítulo dois apresenta uma revisão bibliográfica e teórica dos conceitos de manutenção, princípios da confiabilidade e metodologias para o planejamento da manutenção. O capítulo três define o método de pesquisa adotado, indicando as etapas realizadas no estudo de caso e como ela será estruturada para se atingir o objetivo final.

No capítulo quatro é aplicada a metodologia definida no capítulo anterior. Inicialmente é apresentada a teoria dos processos no cenário em que o estudo será realizado. Em seguida é feita a descrição técnica, a apresentação da estrutura funcional e de falhas e do banco de dados utilizados na aplicação da metodologia. Calcula-se o risco e então é analisada a árvore de falha do ativo estudado, a periodicidade de manutenção e as propostas de atividades preventivas.

Concluindo o trabalho, o capítulo cinco apresenta o resultado final obtido e conclusões, assim como propostas de trabalhos futuros.

2 REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Conceitos de Manutenção 2.1.1 Histórico e Definição

Para se entender o surgimento e características das diferentes técnicas de manutenção nos contextos socioeconômico e ambiental, é interessante não só conhecer o aspecto histórico da manutenção, mas também qual a sua definição.

MOUBRAY (1997) apresenta a ideia de que ativos físicos, como equipamentos, são colocados em funcionamento, pois alguém deseja que alguma função ou grupo de funções específico seja realizado. Assim, manutenção garante que ativos físicos continuem realizando as funções desejadas pelos seus usuários.

Segundo a norma brasileira NBR 5462-1994, manutenção é definida como a combinação de todas as ações técnicas e administrativas, incluindo as de supervisão, destinadas a manter ou recolocar um item em um estado no qual possa desempenhar uma função requerida.

Historicamente, a manutenção pode ser dividida em três gerações quanto às expectativas de manutenção e técnicas adotadas. Como apresentado em MOUBRAY (1997), na Primeira Geração, a partir dos anos 1930, o cenário da indústria apresentava uma baixa mecanização, de tal forma que o tempo de inatividade dos equipamentos não era questão de grande preocupação. Além disso, vale destacar que o superdimensionamento e a pouca sofisticação dos equipamentos eram fatores importantes para limitar a manutenção às rotinas de limpeza básica, lubrificação e substituição de elementos simples. Atividades de manutenção preventiva, portanto, não eram prioridade para os gestores. Essa geração ocorreu no século XIX até término da Segunda Guerra Mundial.

Na Segunda Geração, a guerra motivou um aumento da demanda de suprimentos de todos os tipos (e consequente necessidade de produção) em paralelo à queda da força de trabalho na indústria. Uma consequência desse processo foi o aumento da mecanização. Nos anos 1950 a indústria começou a depender de vários tipos de máquinas que atuavam nos diversos setores da produção. Percebeu-se que a falha de um equipamento pode e deve ser evitada, dando início às discussões sobre manutenção preventiva. O custo gerado por essa metodologia se tornou mais significativo, requerendo assim sistemas de planejamento e controle de manutenção adequados. Finalmente, com o aumento dos custos de manutenção pergunta-se como será possível maximizar a vida dos ativos.

A Terceira Geração caracterizou-se pelo surgimento de novas expectativas, pesquisas e técnicas de manutenção. As principais expectativas associadas a essa fase encontram-se no aumento da confiabilidade e disponibilidade de sistemas, bem como na necessidade de promoção da segurança e da proteção do meio ambiente. Adicionalmente, espera-se um atendimento de padrões de qualidade de serviços e produtos, associado à maior eficiência financeira. Nessa geração, o principal avanço relacionado às pesquisas é a expansão do entendimento de padrões de falha. Além disso, a indústria passou a dedicar esforços no sentido de entender quais são as corretas ações e a forma mais adequada de realizá-las. Ocorreu também um crescimento de novos conceitos e técnicas de manutenção, entre eles

 Ferramentas de apoio à decisão, como estudos de análise de risco e avaliação dos modos e efeitos de falha;

 Novas técnicas de manutenção, como ações de monitoramento;

 Projeto de equipamentos com ênfase na confiabilidade e manutenabilidade;

 Alterações na concepção organizacional, com incentivo à participação, trabalho em equipe e flexibilidade.

De acordo com MOUBRAY (1997), no contexto da manutenção, o principal desafio era garantir que os operadores realizassem as atividades certas e da maneira adequada. Isto levou ao desenvolvimento de um processo abrangente de tomada de decisão, conhecido como Manutenção Centrada em Confiabilidade (MCC) ou, em inglês, Reliability-centered Maintenance (RCM).

2.1.2 Principais Técnicas de Manutenção

É relevante o conhecimento das principais técnicas de manutenção para que sua aplicação nos ativos ocorra de forma eficaz. A seleção da técnica mais adequada irá depender de fatores como características do equipamento, contexto operacional e custo total da manutenção. A depender da forma como uma estratégia de manutenção é definida, esta pode ser classificada como preventiva, corretiva ou preditiva.

A Figura 2, apresenta a estruturação das diferentes técnicas de manutenção proposta por LYONNET (1991).

Figura 2- Estruturação das técnicas de manutenção. Fonte: Adaptado de LYONNET (1991)

2.1.2.1 Manutenção Corretiva

De acordo com a NBR 5462/1994, a manutenção corretiva é definida como aquela efetuada após a ocorrência de uma pane destinada a recolocar um item em condições de executar uma função requerida.

Manutenção corretiva inclui as ações tomadas para retornar um produto ou sistema com falha para um estado operacional. Essas ações envolvem reparo ou substituição (por itens novos ou usados) de todas as peças e componentes avariados necessários para o correto funcionamento do produto ou sistema em questão. (BLISCHKE e MURTHY, 2003)

Segundo PEREIRA (2009), manutenção corretiva é a forma mais comum para reparo de equipamento com problema. Sua principal característica é que o conserto se inicia após a ocorrência da falha, dependendo da disponibilidade de recursos. Também se caracteriza pela ausência de planejamento e pelo desprezo pelas perdas de produção.

BLISCHKE E MURTHY (2003) classificam as ações de manutenção nos seguintes três tipos:

 Reparo “Good-as-new”: nesse tipo a situação do item reparado é idêntica a de um item novo;

 Reparo mínimo: um item com falha é retornado para a operação com a mesma idade efetiva que possuía antes da falha;

 Reparo “Different-from-new”: algumas vezes, quando um item falha, não são substituídos apenas os componentes avariados, mas também outros que deterioraram suficientemente. Neste caso temos uma situação intermediária entre as duas anteriores.

Conforme sugerido por PEREIRA (2009), a recuperação de um ativo através de manutenção corretiva pode ser realizada conforme as seguintes etapas:

1) Análise preliminar;

2) Proposta técnica de reforma;

3) Análise de investimento – reforma interna ou terceirizada; 4) Contratação;

5) Planejamento – gestão da reforma; 6) Final da reforma.

2.1.2.2 Manutenção Preventiva

Segundo a NBR 5462/1994, manutenção preventiva é definida como a manutenção efetuada em intervalos predeterminados, ou de acordo com critérios prescritos, destinada a reduzir a probabilidade de falha ou a degradação do funcionamento de um item.

A manutenção preventiva é o desempenho de tarefas de inspeção e/ou manutenção que foram planejadas e agendadas para realização em pontos específicos no tempo, com o objetivo de manter as capacidades funcionais do equipamento ou sistema operacional (SMITH e HINCHCLIFFE, 2004).

De acordo com BLISCHKE & MURTHY (2003), as ações de manutenção preventiva geralmente requerem o desligamento de um sistema operacional e tem como objetivo aumentar sua vida útil e/ou sua confiabilidade. Essas ações podem variar desde uma manutenção simples que irá demandar curto tempo de inatividade como, por exemplo, lubrificação e substituição planejada de peças, até grandes revisões que exigem um tempo de inatividade significativo. Tais intervenções podem ser classificadas nas seguintes categorias:

 Manutenção baseada no tempo: as atividades são realizadas em tempos definidos;

 Manutenção baseada na idade: as atividades são realizadas com base na idade do componente;

 Manutenção baseada no uso: as atividades são realizadas com base no uso do produto, sendo adequadas para itens como pneus, componentes de aeronaves, entre outros;

 Manutenção baseada nas condições: as atividades são fundamentadas na condição do componente sendo manutenido. Isso envolve o monitoramento de uma ou mais variáveis que caracterizam o processo de desgaste como, por exemplo, o crescimento de uma trinca ou fissura em um componente mecânico;

 Manutenção baseada em oportunidade: aplicada em sistemas com vários componentes, onde uma ação de manutenção (preventiva ou corretiva) de um deles cria a oportunidade de executar ações preventivas em um ou mais componentes restantes do sistema;

 Manutenção “Design-out”: envolve a realização de modificações através de um novo projeto do componente, o qual prevê melhores características de confiabilidade.

As discussões a respeito da manutenção preventiva se iniciaram nos anos 1930, na indústria aeronáutica. Surgiram devido à necessidade de melhorar a disponibilidade e confiabilidade dos ativos industriais para que a competitividade no mercado fosse mantida. São sugeridas cinco etapas para a implementação da manutenção preventiva (PEREIRA, 2009):

1) Caracterização do ativo;

2) Criação dos planos e instruções para a execução;

3) Cadastros e demais registros em software de manutenção; 4) Definição dos itens de controle para monitorar o desempenho; 5) Decisão: criação do planejamento e controle de manutenção.

2.1.2.3 Manutenção Preditiva

A NBR 5462/1994 define manutenção preditiva como a que permite garantir uma qualidade de serviço desejada, com base na aplicação sistemática de técnicas de análise, utilizando-se de meios de supervisão centralizados ou de amostragem, para reduzir a manutenção preventiva e evitar a manutenção corretiva.

Esta técnica de manutenção é uma filosofia que usa a condição operacional real do equipamento e sistemas da planta industrial para otimizar sua operação total. Assim, trata-se de

uma forma de melhorar a produtividade, a qualidade do produto, o lucro e a efetividade global de sistemas industriais. (ALMEIDA, 2007)

Ainda conforme ALMEIDA (2007), a manutenção preditiva usa o monitoramento direto das condições mecânicas do rendimento do sistema e outros indicadores para determinar o tempo médio para a falha real ou perda de rendimento do equipamento. As seguintes técnicas não destrutivas normalmente são utilizadas para alcançar esse objetivo:

 Análise de vibração;

 Monitoramento de parâmetros de processo;

 Termografia;

 Tribologia;

 Inspeção visual.

O processo de implantação da manutenção preditiva segue a mesma sistemática da preventiva, sendo viável em ativos críticos e visando alcançar um alto índice de disponibilidade. Esse tipo de manutenção apresenta um maior custo associado à necessidade de pessoal e ferramental especializado. Entretanto, apresenta como benefícios a eliminação de trocas de componentes desnecessários, o conhecimento da falha antes de sua ocorrência, maior segurança operacional, bem como maior disponibilidade e confiabilidade. Adicionalmente, sua aplicação tem potencial para reduzir em dois terços os prejuízos com parada de produção por quebra de equipamentos, e em um terço os gastos com manutenção corretiva (PEREIRA, 2009).

2.1.3 Custos associados

A análise dos custos associados à manutenção se faz necessária, uma vez que à adoção de diferentes técnicas estão atrelados diferentes impactos financeiros. A criticidade de um equipamento, por exemplo, é fator importante para a tomada de decisão quanto a uma possível manutenção preditiva ou corretiva, o que envolveria custos de manutenção bem distintos.

Segundo LYONNET (1991), as ações de manutenção não devem ser realizadas “a qualquer custo”. Em vez disso, tem-se como objetivo encontrar uma situação ótima, levando em conta os custos crescentes de uma manutenção mais sofisticada e os custos relativos às falhas. Essa relação é apresentada na Figura 3.

Figura 3 - Custos de manutenção e de falha. Fonte: Adaptado de Lyonnet (1991)

O custo de aquisição, operação e manutenção de um equipamento são igualmente relevantes e compõem os Custos de Ciclo de Vida (Life Cycle Costs, em inglês). Segundo Smith (2001) têm-se os seguintes custos:

 Custo de Aquisição: custo de capital mais custo de instalação, transporte, etc.

 Custo de Propriedade: custo de manutenção preventiva e corretiva, e de modificações;

 Custo de Operação: custo de materiais e energia;

 Custo de Administração: custo da aquisição e armazenamento de dados e de documentação.

A diminuição dos Custos de Propriedade baseia-se na busca por uma otimização das atividades de manutenção. Surge, assim, a necessidade de introduzir uma metodologia mais detalhada e completa como, por exemplo, a Manutenção Baseada em Risco. Tal metodologia traz uma melhoria significativa no planejamento da manutenção, combatendo a redução da confiabilidade do sistema e analisando os efeitos das falhas.

Outra forma da análise dos custos associados à manutenção pode ser realizada através da análise de Pareto, conforme apresentado por Lyonett (1991) e Smith & Hinchcliffe (2003). Essa análise, mais conhecida como regra 80/20, dispõe que apenas 20% dos componentes de um equipamento são responsáveis por 80% do custo total de manutenção, como mostrado na Figura 4. Dessa forma, esses 20% podem ser considerados os componentes mais críticos do sistema, devendo ser o foco das atividades de manutenção.

Figura 4 - Análise de Pareto. Fonte: Adaptado de Lyonnet (1991) 2.2 Princípios básicos de Confiabilidade

O conceito de confiabilidade é aplicado em diferentes áreas de estudo. A nível de operação de sistemas, pode-se associar confiabilidade com ideias de produção ininterrupta, disponibilidade, segurança dentro de um contexto e operar sem apresentar falhas.

Lewis (1987) define confiabilidade como a probabilidade de um componente, dispositivo, equipamento ou sistema operar por um determinado período de tempo sob condições específicas.

Sendo uma probabilidade, a confiabilidade pode então ser estudada pelas teorias estatísticas, apresentando um modelo matemático fundamentado. Adicionalmente, as especificidades do contexto operacional são fatores importantes como premissas para um estudo baseado em confiabilidade.

2.3 Modelo Matemático

Considerando a definição conceitual de confiabilidade apresentada, uma formulação matemática pode ser estabelecida. Em Lewis (1987) encontram-se as seguintes definições:

 Probabilidade de uma falha ocorrer entre o instante 𝑡 e 𝑡 + ∆𝑡

𝑓(𝑡)∆𝑡 = 𝑃{𝑡 ≤ 𝑇 ≤ 𝑡 + ∆𝑡} (1)

 Probabilidade de uma falha ocorrer em um tempo inferior ou igual à 𝑡:

𝑄(𝑡) = 𝑃{𝑇 ≤ 𝑡} (2)

Sendo 𝑄(𝑡)a função probabilidade acumulada de falhas;

 Probabilidade de uma falha ocorrer em um tempo maior que 𝑡

𝑅(𝑡) = 𝑃(𝑇 > 𝑡) (3)

Sendo 𝑅(𝑡) a confiabilidade.

Todo sistema que não falhar em um instante 𝑇 ≤ 𝑡 irá, eventualmente, falhar em algum momento 𝑇 > 𝑡 . Portanto, pode-se observar que:

𝑅(𝑡) = 1 − 𝑄(𝑡) (4)

Outro conceito importante para o estudo da confiabilidade é a função taxa de falha ou taxa instantânea de falha λ(t). Ebeling (1997) e Lewis (1987) apresentam a seguinte definição:

𝜆(𝑡) =𝑓(𝑡)

𝑅(𝑡) (5)

A taxa de falhas em função da confiabilidade é dada por: 𝜆(𝑡) = − 1

𝑅(𝑡) 𝑑

𝑑𝑡𝑅(𝑡) (6)

Em Lewis (1987) é possível encontrar o desenvolvimento matemático para se obter a seguinte expressão para a confiabilidade em função da taxa de falha:

𝑅(𝑡) = 𝑒− ∫ 𝜆(𝑡)𝑑𝑡₀𝑡 ₍₇₎

Utilizando a equação (4) é possível encontrar o valor da confiabilidade em função de f(t):

𝑅(𝑡) = 1 − ∫ 𝑓(𝑡)𝑑𝑡 𝑡 0 = ∫ 𝑓(𝑡)𝑑𝑡 ∞ 𝑡 (8) 2.4 Curva da banheira

O gráfico da variação da taxa de falha em função do tempo tem forma semelhante a uma banheira (do inglês, bathtub curve). Se analisada quanto ao seu comportamento, a curva pode ser dividida em três regiões, conforme ilustra a Figura 5

O período de tempo à esquerda é uma região com taxa de falha decrescente, a região central apresenta perfil constante e à direita têm-se uma região com crescente taxa de falhas.

A primeira região é associada às falhas precoces que caracterizam um período denominado mortalidade infantil. Tais falhas podem ter origem em erros nas etapas que antecederam a utilização do equipamento, desde seu projeto até sua fabricação.

O período de tempo em que a taxa de falha apresenta um perfil constante é chamado de vida útil, como mostrado na Figura 5. Segundo Lewis (1987), as falhas que ocorrem nesse período são comumente chamadas de falhas aleatórias e resultam mais provavelmente da ação de agentes externos do que de algum defeito inerente ao equipamento ou sistema em questão.

Para que uma estratégia de manutenção adequada seja desenvolvida é preciso conhecer a curva da banheira do dispositivo considerado.

Na Figura 6 são ilustrados diferentes comportamentos que a curva da taxa de falha pode ter. Um componente mecânico está sujeito à ocorrência de efeitos danosos acumulativos como a corrosão e o degaste por fadiga, por isso a curva é mais crescente após a mortalidade infantil (Figura 6c).

Softwares de computador não são impactados por tais efeitos. Ao contrário, apresentam uma taxa de falha que diminui com o tempo, pois estão relacionado à correção de falhas operacionais ou bugs, resultando em um menor número de falhas (Figura 6b).

Figura 6 - Taxas de falha para diferentes classes de sistema. Fonte: Adaptado de Lewis (1987)

2.5 Distribuições Estatísticas 2.5.1 Exponencial

Sendo a função da confiabilidade dada por R(t) = e− ∫ λ(t)dt0t _{, a distribuição}

exponencial caracteriza-se por uma falha constante λ. Nessa distribuição o parâmetro principal é a própria taxa de falha λ e sua aplicação se dá durante o período de vida útil do item analisado (OLIVEIRA, 2016).

Portanto, segue-se que:

𝜆(𝑡) = 𝜆 (9)

Conforme OLIVEIRA (2016) apresenta, uma característica de taxa de falha constante é a ausência de memória, isto é, independente de tempo de operação do componente (“idade”), este irá sempre falhar pelo seu acaso.

Adicionalmente observa-se também que, uma vez em uso, sua probabilidade de falhar não será alterada. Isto quer dizer que enquanto o componente ou sistema estiver funcionando ele será considerado “como se fosse novo” (em inglês, “as good as new”).

A Figura 7 representa as curvas características para uma distribuição com taxa de falha constante. Observa-se no item (c) que esse modelo representa bem a parte central da “Curva da Banheira”.

(a) Função densidade de probabilidade

(b) Confiabilidade (c) Taxa de Falha

Figura 7 - Curvas - Distribuição Exponencial. Fonte: Adaptado de Lewis (1987)

2.5.2 Weibull

À medida que a distribuição exponencial é utilizada em falhas aleatórias, para taxas de falha dependentes do tempo existem distribuições mais adequadas como, por exemplo, a distribuição Weibull.

As situações nas quais o tratamento explícito de falhas anteriores e/ou efeitos de envelhecimento precisam ser levados em consideração são boas candidatas para aplicação desse tipo de distribuição (LEWIS, 1987).

Segundo MEYER (1984), a distribuição Weibull representa um modelo apropriado para uma lei de falhas, sempre quando o sistema for composto de vários componentes e a falha seja essencialmente devida à imperfeição ou irregularidade “mais grave”, dentre um grande número de imperfeições às quais o sistema está sujeito.

Os parâmetros característicos da distribuição Weibull são chamados de parâmetro de escala e de forma e são representados pelas letras gregas α e β, respectivamente.

Portanto, a taxa de falha é dada por: 𝜆(𝑡) = 𝛽 𝛼( 𝑡 𝛼) 𝛽−1 (11)

A função densidade de probabilidade de falha por: 𝑓(𝑡) = 𝛽 𝛼( 𝑡 𝛼) 𝛽−1 . exp [− (𝑡 𝛼) 𝛽 ] (12) E a confiabilidade: 𝑅(𝑡) = exp [− (𝑡 𝛼) 𝛽 ] (13)

Variando-se o parâmetro de forma β são obtidas diversas curvas características desse tipo de distribuição. A Figura 8 representa o comportamento dessas funções para diferentes valores desse parâmetro.

(a) Função densidade de probabilidade

(b) Confiabilidade (c) Taxa de Falha

Figura 8 - Curvas - Distribuição Weibull. Fonte: Adaptado de Lewis (1987)

Conforme é comentado em MEYER (1984), para as curvas do item (c), quando 𝛽 = 1 o comportamento se iguala à distribuição exponencial. Sendo assim, esta é considerada um caso particular da distribuição Weibull.

2.6 Manutenção Centrada em Confiabilidade

Quando posto em operação, um ativo irá executar suas funções sob determinadas condições de operação. Sendo impossível uma vida útil infinita, se faz necessário a criação de planos de manutenção e inspeção adequados a fim de aumentar a disponibilidade dos ativos. A manutenção centrada em confiabilidade surge como uma metodologia estruturada que, quando aplicada, resulta em informações bastante úteis para elaboração das estratégias de manutenção. MOUBRAY (1997) define MCC como um processo utilizado para determinar os requerimentos de manutenção de qualquer ativo em seu contexto operacional. Uma outra definição é encontrada em RAUSAND (1998): “ MCC é uma consideração sistemática das funções de um sistema, as formas como tais funções podem falhar e, baseadas em prioridade, considerações de segurança e econômicas que identificam tarefas preventivas de manuntenção aplicáveis e efetivas.”

2.6.1 Histórico e as 7 questões básicas

Segundo SIQUEIRA (2014), a MCC surgiu na década de 1960 no campo da aviação comercial para certificação da nova geração de aeronaves com alto grau de complexidade e automação, face à inviabilidade das técnicas da época (Segunda Geração) em atender as exigências das autoridades aeronáuticas.

Em 1968, a fim de rever a aplicabilidade dos métodos existentes foi criado um grupo de trabalho conhecido pela sigla MSG-1. A partir dos trabalhos feitos pelo grupo, surge o relatório que introduz os conceitos de MCC, tornando obrigatório o uso da metodologia em novas aeronaves.

SILVA (2007) comenta que o trabalho pioneiro realizado por NOWLAN e HEAP (1978) foi realizado com base no campo da aviação, porém teve seu conceito expandido e generalizado para aplicação em outros sistemas complexos, devido aos atuais altos níveis de automação, confiabilidade e requisitos de qualidade. A metodologia MCC se estendeu para a área militar, energia, mineração e processo.

O processo de aplicação da MCC responde a sete perguntas sobre o ativo ou sistema em análise:

 Quais são as funções e os níveis de desempenho do sistema no contexto operacional atual?

 De que modos ele falha ao tentar satisfazer suas funções?

 O que causa cada falha funcional?

 O que acontece quando cada falha ocorre?

 De que modo cada falha importa?

 O que pode ser feito para predizer ou prevenir cada falha?

 O que deveria ser feito caso uma tarefa de manutenção pró-ativa não puder ser determinada?

MOUBRAY (1997), NOWLAN e HEAP (1978) e SMITH e HINCHCLIFFE (2004) são literaturas referência para as respostas em formato detalhado dessas questões. O presente trabalho apresenta de forma sintetizada alguns conceitos e suas relações acerca dos tópicos abordados pelas sete perguntas.

2.6.2 Funções

De acordo com MOUBRAY (1997), antes de se aplicar um método para determinar o que precisa ser feito em um ativo para que este continue satisfazendo seu usuário, é preciso que sejam definidos os objetivos a serem atingidos com este ativo considerando, o contexto operacional em que está inserido.

Logo, o processo de MCC se inicia com a definição das funções de cada ativo estudado, considerando os níveis de desempenho desejados para o contexto nos quais estão aplicados. MOUBRAY (1997) classifica as funções em duas categorias:

 Funções Primárias: sintetizam o porquê da aquisição de um componente, ou seja, são as principais funções para as quais ele foi adquirido. Temas como velocidade, saída (vazão), capacidade de carregamento ou armazenamento e qualidade do produto fazem parte dessa categoria;

 Funções Secundárias: expressam desejos adicionais do usuário com o desempenho do ativo, isto é, aquilo que é esperado além de suas funções primárias. Segurança, controle, conforto, integridade estrutural, eficiência da operação e baixo ruído são exemplos de assuntos cobertos por essas funções.

Uma outra classificação para esta etapa de identificação das funções é apresentada em RAUSAND (1998). Em vez de separaradas em duas categorias, as funções são classificadas em até oito grupos, a depender de suas características.

 Funções essenciais;  Funções auxiliares;  Funções de proteção;  Funções de informação;  Funções de interface;  Funções supérfluas;  Funções on-line;  Funções off-line.

Todavia, é importante ressaltar que tal classificação deve ser usada como uma lista de verificação para garantir que todas as funções importantes foram reveladas na análise. RAUSAND (1998) ressalta que discussões acerca de uma possível dúvida entre classificar como “auxiliar” ou “essencial” devem, portanto, serem evitadas.

2.6.3 Falha funcional

O termo falha geralmente é associado a um problema que ocorre em um componente de um sistema, comprometendo sua capacidade produtiva. A NBR 14224 define estado de falha como um estado de um item caracterizado pela incapacidade de desempenhar uma função requerida, excluindo tal incapacidade durante a manutenção preventiva ou outras ações planejadas, ou pela falta de recursos externo.

Segundo MOUBRAY (1997), no estudo da MCC os estados de falha são conhecidos como falhas funcionais, pois ocorrem quando um ativo se encontra incapaz de cumprir uma função necessária para manter o padrão de desempenho exigido pelo usuário.

Uma observação quanto a essa definição é que não somente a perda total de capacidade do cumprimento de uma função é classificada como falha funcional. Falhas parciais, ou seja, aquelas em que o ativo apresenta um desempenho abaixo do aceitável também são categorizadas como falhas funcionais. SILVA (2007) comenta ainda que em componentes com mais de uma função, é possível a falha de uma função específica enquanto as demais continuam operacionais.

2.6.4 Modos de Falha

Os eventos que podem levar à ocorrência de uma falha funcional são chamados de modos de falha. Confome a definição da NBR 14224, o modo de falha é o efeito pelo qual uma falha é observada em um item. Para cada falha funcional, podem ser listados um ou mais modos de falha.

De acordo com SANTOS (2009), os modos de falha normalmente são registrados em relação à classe do equipamento, entretanto, pode ser registrado para níveis inferiores como a subunidade ou mesmo o item manutenível.

No Quadro 1 são apresentados os modos de falha previstos pela NBR 14224 para a classe “bombas” da categoria de “equipamentos rotativos”. Para o desenvolvimento do estudo de caso realizado nesse trabalho fez-se uso dessa classificação sugerida pela norma.

Quadro 1 - Modos de falhas de bombas. Fonte: Adaptado da NBR 14224, Tabela B.6

Tipo * Código Descrição Exemplos

1 FTS Falha na partida sob demanda

(Fail to start on demand ) Não parte sob demanda 2 UST Parada espúria

(Spurious stop ) Parada inesperada 3 BRD Quebra

(Breakdown ) Danos sérios (emperramento, ruptura) 2 HIO Saída alta

(High output ) Saída acima do aceitável 2 LOO Saída baixa

(Low output ) Saída abaixo do aceitável 2 ERO Saída errática

(Erratic output ) Oscilando, instável 3 ELP Vazamento externo - fluido de processo

(External leakage - Process medium ) Óleo, gás, condensado, água 3 ELU Vazamento externo - fluido de utilidade

(External leakage - Utility medium) Lubrificante, água de resfriamento 3 INL Vazamento interno

(Internal leakage )

Vazamento interno de fluidos de processo ou de utilidade

3 VIB Vibração

(Vibration ) Vibração anormal

3 NOI Ruído

(Noise ) Ruído anormal

3 OHE Sobreaquecimento (Overheating )

Na exaustão, na água de refrigeração, em partes do equipamento

3 (2) PLU Obstruído/restringido

(Plugged/Choked ) Restrição de fluxo 2 (3) PDE Desvio de parâmetro

(Paramater deviation )

Parâmetros monitorados acima dos limites permitidos

2 (3) AIR Leitura anormal de instrumento (Abnormal instrument reading )

Alarme falso, indicação errada da instrumentação

3 STD Deficiência estrutural (Structural deficency )

Danos de material (rachaduras, desgaste, fratura, corrosão)

3 SER Pequenos problemas em serviço

(Minor in-service problems ) Itens frouxos, descoloração, sujeira

- OTH Outro

(Other ) Modo de falha diferente dos descritos acima * Identifica a que tipo, o modo de falha normalmente se refere:

1) A função desejada não é obtida;

2) Uma função secundária é perdida ou está fora dos limites operacionais;

3) Uma indicação de falha é observada, mas não provoca nenhum efeito imediato ou crítico na função do equipamento. Normalmente está relacionado a falhas incipientes.

2.6.5 Mecanismo de Falha

O estudo dos mecanismos de falha tem como objetivo classificar os tipos de comportamentos anômalos de materiais e equipamentos e, através deles, identificar as atividades preventivas adequadas a cada tipo. (SIQUEIRA, 2014)

Conforme apresentado por SANTOS (2009) e de acordo com a NBR 14224, um mecanismo de falha é um processo físico, químico ou combinação de processos que conduziu a uma falha. Em termos práticos, o mecanismo de falha representa um modo de falha, no nível do item manutenível, que descreve a causa aparente da falha.

A NBR 14224 agrupa os mecanismos de falha em seis categorias: mecânicas, materiais, instrumentação, elétricas, influência externa e diversos (miscelâneas). Cada uma delas é ainda subdividida, sendo utilizado um sistema de codificação para auxiliar na interpretação de eventos individuais.

No Quadro 2 são apresentados os mecanismos de falha na categoria mecânica. A divisão sugerida pela NBR 14224 foi utilizada no desenvolvimento do estudo para identificação dos mecanismos de falha.

Quadro 2 - Mecanismos de falha para falhas mecânicas. Fonte: Adaptado de NBR 14224, Tabela B.2 Mecanismo de

falha

Subdivisão do mecanismo de falha

Descrição do mecanismo de falha Nº do Código Notação Nº do Código Notação 1 Falha Mecânica

1.0 Geral Uma falha relacionada a algum defeito mecânico, mas onde não são conhecidos outros detalhes.

1.1 Vazamento Vazamento externo e interno, seja de líquidos ou gases: se o modo de falha no nível da unidade de equipamento for codificado como "vazamento",

recomenda-se, sempre que possível, usar um mecanismo de falha mais orientado à causa.

1 Falha

Mecânica

1.2 Vibração Vibração anormal. Se o modo de falha no nível do equipamento for vibração, que é um mecanismo de falha mais orientado à causa, convém que a causa da falha (causa-raíz) seja registrada sempre que possível.

1.3 Falha de

alinhamento/folga

Falha causada por problema de alinhamento/folga

1.4 Deformação Ditorção, flexão, flambagem (buckling), amassamento, escoamento, contração (shrinking), empolamento (blistering), fluência, etc.

1.5 Afrouxamento Desconexão, itens frouxos 1.6 Emperramento Emperramento, grimpamento,

agarramento por motivos outros que não falhas de deformação ou de

Quadro 3 - Mecanismos de falha para falhas de material Fonte: Adaptado de NBR 14224, Tabela B.2 Mecanismo de

falha

Subdivisão do mecanismo de falha

Descrição do mecanismo de falha Nº do Código Notação Nº do Código Notação 2 Falha de Material

2.0 Geral Uma falha relativa a um defeito de material, mas sem outros detalhes conhecidos

2.1 Cavitação Relevante para equipamentos como bombas e válvulas

2.2 Corrosão Todos os tipos de corrosão, tanto a eletroquímica (molhada) quanto a química (seca)

2.3 Erosão Desgaste erosivo

2.4 Desgaste Desgaste abrasivo e adesivo como, por exemplo, scoring, galling, scuffing, fretting

2.5 Quebra Fratura, ruptura, trinca

2.6 Fadiga Caso se possa determinar que a causa da ruptura foi a fadiga, recomenda-se que se use esse código

2.7 Sobreaquecimento Danos no material devidos ao sobreaquecimento/queima

2.8 Rompimento (brust) Item rompido, estourado, explodido, implodido etc.

2.6.6 Efeitos de Falha

Além do conhecimento dos modos de falha e seus mecanismos, é importante basear a escolha das atividades de manutenção nos efeitos adversos decorrentes de falhas, assim como suas respectivas consequências no sistema em estudo.

SIQUEIRA (2014) define efeito como o que acontece quando um modo de falha se apresenta. Esse conceito é comparado ao termo sintoma quanto ao momento de ocorrência. Sintoma é uma manifestação, geralmente visível, de que uma falha potencial existe, porém ainda não se tornou uma falha funcional. Caso essa evolução ocorra, as indicações da presença da falha serão chamadas de efeitos da falha.

As descrições do efeito de um modo falha devem conter informações acerca de aspectos sobre como o efeito é observado (evidência da falha), seu impacto na segurança e meio ambiente e, quando possível, sobre o resultado econômico gerado.

De acordo com SIQUEIRA (2014), como evidências de falhas devem ser registrados os meios de supervisão automáticos (alarmes e sinalizadores), assim como sintomas relacionados aos sentidos humanos (ruído, fumaça, cheiro). Riscos de incêndio, emissão de gases e resíduos tóxicos e eletrocussão são alguns aspectos relacionados ao impacto no meio ambiente e na segurança. O impacto na capacidade de produção e suas consequências na economia também contribuem para análise do efeito.

A técnica básica consiste em determinar o impacto de um modo de falha em itens adjacentes, segundo a estrutura funcional do sistema. Essa propagação de efeitos pode ser estudada através de softwares ou, de forma mais simples, de um diagrama organizacional do sistema. Caso se trate de um sistema simples, recomenda-se listar os efeitos diretamente a partir dos modos de falha. (SIQUEIRA, 2014)

MOUBRAY (1997) propõe algumas etapas para a coleta de informações como, por exemplo, contato com o fabricante ou vendedor do equipamento, referências genéricas de modos de falha e detalhamento do contexto operacional e padrões de desempenho esperados. Adicionalmente considera-se a existência de pessoas que operem e/ou realizem atividades de manutenção.

A severidade é uma medida utilizada para distribuir os efeitos potenciais dos modos de falha. Um dos primeiros objetivos ao se fazer isso é filtrar aqueles modos que não produzam

efeitos adversos na instalação, ou apenas produzem efeitos insignificantes. Outra aplicação da severidade é na nivelação dos efeitos, conforme apresentado a seguir (SIQUEIRA, 2014):

Efeito catastrófico: entende-se por morte de ser humano, perda do sistema principal ou grande dano ao meio ambiente (incêndios ou explosões);

Efeito crítico: quando uma falha pode causar ferimento severo, dano significativo no sistema ou ao meio ambiente;

Efeito marginal: ferimento leve ou dano de pequeno porte no sistema ou ao meio ambiente, resultando em demora ou degradação da missão da instalação;

Efeito mínimo: provocam consequências reduzidas na operação, meio ambiente e segurança, estando abaixo dos níveis máximos permitidos por normas;

Efeito insignificante: quando a falha é insuficiente para causar ferimentos em seres humanos, danos ao sistema, ou impactos no meio ambientes que infrinjam as normas legais.

2.6.7 FMEA

Nesse ponto, o estudo contém informações acerca das funções que o ativo precisa cumprir, os modos de falha e os respectivos efeitos. Esse conjunto de dados qualitativos é apresentado em um documento em formato de formulário, chamado Análise dos Modos de Falha e seus Efeitos (do inglês, FMEA – Failure Mode and Effect Analysis).

De acordo com ZIO (2007), em geral, o procedimento da FMEA é bastante simples e esquemático, e permite analisar cuidadosamente todo o sistema. Muitas vezes, essa análise é usada em apoio à construção de árvores de falhas e de programas de manutenção centrados na confiabilidade para encontrar uma estratégia de manutenção ideal. No último caso, os efeitos e a criticidade dos vários modos de falha são examinados não apenas do ponto de vista de segurança, mas também da disponibilidade da planta estudada.

A FMEA é um método que utiliza variáveis qualitativas para realizar uma análise dos possíveis modos de falha que podem advir dos componentes e gerar um efeito sobre a função, ou conjunto de funções de todo um conjunto. Sua aplicação não se limita à ativos físicos, sendo possível também ser utilizada em análises de identificação e prevenções de falhas em outros tipos de processos, como, por exemplo, a prestação de um tipo de serviço de empresas de um segmento. PINHO et al. (2008) realiza um estudo FMEA como metodologia para prevenção e melhoria dos serviços contábeis.

Segundo SAKURADA (2001), a relação entre modo de falha e efeito, se bem controlada, pode ser uma grande ajuda na decisão dos processos de manutenção a serem adotados para um equipamento. Um aspecto mais complexo dessa relação é que diferentes modos de falha podem se manifestar da mesma maneira, ou seja, apresentam o mesmo efeito. Essa complexidade toma-se ainda mais evidente quando da associação de um item a outro em casos de análises maiores.

Para os modos de falha identificados no decorrer do estudo FMEA são avaliados aspectos como severidade, detectabilidade e frequência de ocorrência (ou apenas ocorrência). RODRIGUES et al. (2010) define o primeiro como sendo o resultado do efeito potencial da falha; ocorrência como a probabilidade de a falha acontecer, considerando os controles de prevenção quando existentes; e detecção como a probabilidade de se detectar o modo de falha. Caso a ocorrência possua valor baixo, deve-ser atentar para não concluir que, necessariamente, a detecção terá igual comportamento.

Dentre algumas desvantagens do FMEA pode-se destacar a dependência em relação à equipe nomeada para sua realização, assim como de sua experiência com o tema. É necessário também que haja a ocorrência de danos no equipamento para que se conheça quais os cenários nos quais ele pode falhar. Por outro lado, algumas vantagens são o aumento da satisfação do usuário quanto à qualidade e segurança do processo, além da redução da possibilidade do acontecimento de mesmo tipo de falha no futuro.

É desejável que o estudo FMEA seja constantemente revisado, procurando atualizar informações sobre a descoberta de novos modos ou causas de falhas, correção de dados de efeitos, acompanhamento das técnicas implementadas, reconsiderações de severidade, frequências ou detectabilidade (SILVA, 2007).

2.7 Manutenção Baseada em Risco

A NBR/ISO 31000 (ABNT, 2009) define risco como o efeito da incerteza nos objetivos. De acordo com a norma, um efeito é considerado um desvio em relação ao esperado, podendo ser positivo ou negativo. Já os objetivos podem ter diferentes aspectos e podem aplicar-se em diferentes níveis como, por exemplo, estratégico, projetos ou processos. Portanto, o risco pode estar presente nos processos de planejamento, o que amplia a visão de que são apenas relacionados a danos físicos em pessoas ou equipamentos/ativos.

Em áreas de alto e médio risco, é necessário um esforço para uma manutenção focada, enquanto que em áreas de baixo risco esse esforço é minimizado. A RBM – Risk Based Maintenance sugere um conjunto de recomendações sobre quantas tarefas preventivas (tipo e frequência) são necessárias. O valor quantitativo do risco é a base para a priorização das atividades de inspeção e manutenção (KHAN e HADDARA, 2003).

De acordo com SAKAI (2010), a RBM foi introduzida inicialmente nos setores de engenharia química e campos de refino de petróleo, porém sua aplicação já foi expandida para processos de construção naval, energia elétrica e fabricação de aço. KAHN e HADDARA (2004) propõe que a aplicação dessa metodologia visa reduzir o risco global que pode resultar como consequência de falhas inesperadas de instalações operacionais.

Definindo-se o nível de risco causado pela falha de cada componente, pode-se priorizar as tarefas de manutenção para os componentes do sistema. Isso significa que os itens de alto risco receberão maior atenção do que itens de baixo risco, o que é vantajoso em termos de custo, adicionalmente à segurança.

Usando a metodologia RBM também é possível determinar a duração entre duas inspeções consecutivas para um equipamento para minimizar o risco total como resultado da incidência de falha. Sua implementação reduz a probabilidade de uma falha inesperada.

Figura 9 - Etapas Gerais – RBM. Fonte: Adaptado de Sakai (2010)

Adota-se um risco como índice para auxiliar na identificação dos componentes a ter manutenção priorizada. Esse risco é dado pelo produto da probabilidade de falha na área inspecionada e a consequência da falha no ambiente, ou seja, o risco é o valor esperado do respectivo grau de impacto de cada falha (SAKAI, 2010).

O risco calculado para um cenário de falha específico de uma unidade operacional deve ser comparado com os critérios de aceitação. Se o risco exceder os critérios, o cenário de falha é reavaliado para a manutenção ideal e/ou duração da inspeção que reduziria o risco excedido para um nível aceitável (KHAN e HADDARA, 2004).

Segundo SAKAI (2010) e KHAN e HADDARA (2004), o resultado é a elaboração do plano de manutenção e sugestões de mitigação do risco. A reavaliação é feita para a proposta, comparando fatores como leis e regulamentos atuais, e a operação é repetida desde o início, se os problemas forem detectados.

2.7.1 Identificação de escopo

Para o desenvolvimento do RBM é necessária a definição do objeto de estudo e delimitação das fronteiras do sistema.

De acordo com KHAN ET. AL (2005) a unidade total a ser estudada é dividida em sistemas principais, sendo estes divididos novamente em subsistemas. Então, é feita a identificação dos componentes de cada subsistema. Cada sistema é analisado individualmente até que toda a unidade seja investigada. São então coletados dados para avaliação de potenciais

cenários de falha para cada sistema, assim como as relações físicas, operacionais e lógicas entre os componentes.

É importante o conhecimento pleno do funcionamento dos ativos estudados para que nenhum item deixe de ser avaliado quanto a sua criticidade. A não inclusão de um determinado componente no plano de manutenção tem potencial para resultar em uma cadeia de eventos prejudiciais à produção final ou à integridade física da unidade, por exemplo. Sendo assim, são necessárias informações sobre o contexto operacional e as descrições técnicas dos equipamentos investigados.

2.7.2 Cálculo e Avaliação do Risco

Conforme mencionado, para o desenvolvimento do RBM é muito importante uma quantificação dos riscos. A seguir são apresentadas as etapas a serem cumpridas para realização dos cálculos necessários.

A avaliação do risco começa com a identificação de grandes perigos potenciais (principais eventos) que cada cenário de falha pode levar. Uma árvore de falhas é usada para identificar os eventos básicos e os caminhos intermediários que levam ao evento superior. Os dados de falha para os eventos básicos de um subsistema são usados para estimar a respectiva probabilidade de falha (KHAN ET. AL., 2005).

Uma análise de consequências é usada para quantificar o efeito da ocorrência de cada cenário de falha. Isto é baseado em um estudo dos custos envolvidos com a manutenção, incluindo os custos ocorridos como resultado da falha. Tais resultados podem ser interpretados de maneiras diferentes a depender do caso. Por exemplo, em uma operação, na qual a segurança de um funcionário é questionada o cálculo da consequência contará com a inclusão um fator a mais em relação à uma outra operação em que isso não ocorra. Conhecendo-se as probabilidades de falha e consequências é possível, portanto, quantificar o risco (KHAN e HADDARA, 2003).

A Figura 10 apresenta a descrição do modelo de avaliação do risco proposto por KHAN e HADDARA (2003). Esse modelo consiste em duas etapas: definição de um critério de aceitação (risco aceitável) e a comparação do risco com o critério definido. O risco aceitável será, muitas vezes, diferente de uma organização para outra. Porém, existem algumas técnicas para critérios de risco, sendo o modelo ALARP (tão baixo quanto razoavelmente possível, do inglês, as low as reasonably possible) utilizado amplamente por organizações em todo o mundo.

Sendo definido o critério de aceitação, segue a etapa de comparação com os valores dos riscos calculados. O componente que tiver um risco que exceda o valor aceitável é selecionado para análise posterior visando a redução desse risco (elaboração do plano de manutenção). Isso se repete com todos os elementos do sistema em análise.

2.7.3 Planejamento da Manutenção

Os componentes identificados no item anterior são estudados com mais detalhes para redução de riscos através de um planejamento ótimo de manutenção. Segundo KHAN et. al.

Fator de risco para um item Comparação do risco estimado com o critério de aceitação O risco é aceitável ? Adicionar item ao plano de manutenção Próxima etapa RBM Todos os itens foram avaliados? Fator de risco para

outro item

Fator de risco para outro item

Sim Não

Sim

Não

(2005), tanto o tipo quanto o intervalo de manutenção devem ser decididos nesta fase. Uma alternativa, por exemplo, é utilizar o intervalo de manutenção para modificar o risco. Ao modificar o intervalo de manutenção, a probabilidade de falha muda e isso também afetará o risco envolvido. A probabilidade do evento superior é decidida após o uso do critério de risco aceitável. Uma análise reversa da árvore de falhas é usada para estimar a nova probabilidade de falha para cada evento básico. Os intervalos de manutenção que produzem a nova probabilidade de falha são então calculados.

Uma vez encontrado o valor mais apropriado para o intervalo da manutenção é necessário definir qual será o tipo desta. Acredita-se que uma manutenção corretiva seja preferivelmente aplicada aos componentes cuja substituição é mais vantajosa do que uma intervenção. No caso de sistemas ou equipamentos críticos como aqueles em que se aplica a RBM, tem-se interesse nas manutenções preventivas e preditivas. A natureza dos mecanismos de falha e seus potenciais efeitos são exemplos de características que auxiliam na decisão. A vibração anormal, quando identificada como fator que poderá conduzir à falha, é, em alguns casos, vinculada à um plano de manutenção preditiva que prevê envolvimento de técnicos e engenheiros especialistas nas atividades de coletas e análise de dados para constante acompanhamento de sua situação.

Vale lembrar que nessa etapa de tomada de decisão podem existir fatores característicos de cada situação que conduzam a determinadas escolhas. Justamente por isso é responsabilidade do setor de engenharia a realização de um planejamento integrado de manutenção a fim de evitar que algum cenário não seja analisado. Caso contrário, gastos com retrabalhos desnecessários e correção de acidentes podem surgir como consequências.