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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.
Arquitetura da 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
Identificação do escopo
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
IDENTIFICAÇÃO DO ESCOPO
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.
Classificação dos defeitos nos motores a gás para análise em MBR.
- 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
Parâmetros dos modos de falha.
- 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 lubrificaçãoFalha no cárter
Falha no motor
a gás
Troca de óleolubrificante por
insolúveis
5
Vazamento deóleo
lubrificante nosencanamentos
4
Falha no sistema
de arrefecimento
Falha no sistema
de partida
Falha no sistema
de injeção
Falha no
escapamento
Oscilando apotência do
motor devido amistura
9
Baixa potênciadevido a
defeito nasválvulas
8
Fumaça pretano escapedevido a
defeito nasvelas
7
Ruídoestranho nosilencioso
11
Vazamento degases de
escape nadescarga
10
Vazamentod’água noscabeçotes
1
Nível baixo deóleo
lubrificante
2
Vazamentod’água nos
encanamentos
3
Motor não ligapelo arranque
6
Árvore de falha.
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
Ai = 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
Esquemático de quantificação para a função de desempenho 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:
UFLADARB iii /)(*)(
ni
iBB,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*PDFPDIPDI
UFRPDIARC iii /)(*)(
ni
iCC,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.
UDAIMARD iii /)(*)(
ni
iDD,1
- Perdas Ambientais e/ou Ecológicas
O fator D significa os danos ao ecossistema, a qual pode ser estimado como:
Fat
or
de
imp
ort
ânci
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).
5,02222 ]25,025,025,025,0[ DCBACon
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
Valores encontrados para os fatores de acordo com os subsistemas.
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);
- Baixo risco (valor de índice de risco menor que 0,6).
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
ttPftF
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
Ranquiamento 2: Falha no cárter (Nível baixo de óleo lubrificante).
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
Ranquiamento 6: Falha no sistema de partida (Motor não liga pelo arranque).
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.
CONCLUSÕES
MUITO OBRIGADO
Frederico Thom, M.Sc.
Engenheiro Equipamentos PL
Edifício Unidade Administrativa da Petrobras em Vitoria (EDIVIT)
Av. Nossa Senhora da Penha, 1688
Barro Vermelho - Vitória (ES) - Brasil
CEP: 29057-550
email: frederico.thom@petrobras.com.br
telefone: +55 27 3295 3686
cel: +55 27 99993 7087
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