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1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE DE MOTOBOMBAS SUBMERSAS COM DIFERENTES
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS A PARTIR DA RODA DE FALHAS
LEANDRO LUIZ DA SILVA PEREIRA
NATAL/RN, 2016
2
Leandro Luiz da Silva Pereira
Análise de motobombas submersas com diferentes acionamentos elétricos a
partir da Roda de Falhas
Dissertação apresentada ao Programa de
Pós-graduação em Engenharia Mecânica
da Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, como parte dos requisitos para
obtenção do título de mestre em
Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Termociências/
Energia e Meio Ambiente.
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes
Natal/RN, 2016
3
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Pereira, Leandro Luiz da Silva.
Análise de motobombas submersas com diferentes acionamentos
elétricos a partir da Roda de Falhas / Leandro Luiz da Silva
Pereira. - 2016.
174 f.: il.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande
do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Mecânica. Natal, RN, 2016.
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes.
1. Motobomba - Dissertação. 2. Poço Tubular - Dissertação. 3.
Parâmetros operacionais - Dissertação. 4. Roda de Falhas -
Dissertação. 5. Manutenção - Dissertação. 6. Confiabilidade -
Dissertação. I. Fontes, Francisco de Assis Oliveira. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 621.43
4
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE DE MOTOBOMBAS SUBMERSAS COM DIFERENTES ACIONAMENTOS
ELÉTRICOS A PARTIR DA RODA DE FALHAS
Leandro Luiz da Silva Pereira
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes
Dissertação de Mestrado defendida em 29/12/2016,
sob o julgamento da seguinte Banca Examinadora
5
Aos meus pais Luizinho e Vânia, que me
deram a educação e me guiaram, mostrando
com sabedoria o caminho correto e confiando
nos projetos em que decidi levar a diante.
À Kalyana Monalyza, cujo carinho e
compreensão foram essenciais, e que muitas
vezes no percurso deste trabalho renunciou
parte de nossa convivência, com o intuito de
colaborar para sua realização.
6
AGRADECIMENTOS
À Deus, pelas bênçãos da sabedoria, fé e resiliência.
Ao Professor Francisco Fontes, pelo acolhimento e atenção dedicada nos momentos de
orientação pelos quais galguei caminhos produtivos, que me levaram a atingir as metas deste
trabalho e avanços importantes enquanto pesquisador.
À minha esposa Kalyana e a todos os familiares e amigos pelo apoio e compreensão durante a
construção deste trabalho.
Ao Professor Luiz Guilherme, pelas virtudes que sempre se mostraram claras em suas atitudes
e momentos de comunhão do conhecimento, à atenção e presteza dedicadas às atividades
desenvolvidas no PPGEM.
À UFRN, e demais professores do PPGEM que me induziram a reflexões acadêmicas e
construções importantes sobre o conhecimento.
Aos companheiros da CAERN que colaboraram com a instrumentação necessária e com
informações apresentadas neste trabalho.
7
O tempo é uma ilusão produzida pelos nossos
estados de consciência à medida em que
caminhamos através da duração eterna.
Isaac Newton (1643 – 1727)
viii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... xi
LISTA DE QUADROS E TABELAS ..................................................................................... xiii
LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................... xiv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................................. xv
LISTA DE NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS ................................................................. xvii
RESUMO ................................................................................................................................ xix
ABSTRACT ............................................................................................................................. xx
CAPÍTULO I ......................................................................................................................... 21
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 21
1.1. Cenário do estudo proposto ............................................................................................... 22
CAPÍTULO II ......................................................................................................................... 26
2. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA ..................................................................................... 26
2.1. Definição de falha .............................................................................................................. 26
2.2. Roda de Falhas ................................................................................................................. 28
2.3. Teoria das restrições e gargalos na produção .................................................................... 29
2.4. Breve histórico da Confiabilidade ..................................................................................... 30
2.5. Grau de Confiabilidade ...................................................................................................... 31
2.6. Modelos de distribuição de probabilidade ......................................................................... 34
2.7. Sistemas em série e em paralelo ........................................................................................ 36
2.7.1. Sistemas em série ......................................................................................................... 36
2.7.2. Sistemas em paralelo .................................................................................................... 36
2.8. Padrões de falhas ............................................................................................................... 38
2.9. Disponibilidade média ....................................................................................................... 41
2.10. Mantenabilidade .............................................................................................................. 43
CAPÍTULO III ....................................................................................................................... 44
3. RELEVÂNCIA DO ESTUDO DE CASO PARA A INDÚSTRIA ................................. 44
3.1. Consumo energético no setor industrial ............................................................................ 44
3.2. Perdas de energia em instalações elétricas ........................................................................ 45
3.3. Papel da concessionária de abastecimento d’água sobre a qualidade da manutenção ...... 46
3.4. Histórico de falhas recorrentes em instalações de poços tubulares de Parnamirim/RN .... 47
3.5. CAUSAS GERAIS DE FALHAS EM POÇOS TUBULARES ........................................ 51
3.5.1. Equipamento defeituoso ou instalação inadequada ...................................................... 51
3.5.2. Projeto de dimensionamento inadequado ..................................................................... 51
3.5.3. Deterioração por presença de plantas e animais ........................................................... 52
3.5.4. Qualidade dos filtros sobre desgaste e perda de vazão em motobomba ....................... 53
3.5.5. Atuação de ferrobactérias em poços ............................................................................. 54
3.5.5.1. Incrustações por ferrobactérias ................................................................................ 54
3.5.5.2. Incrustações por rochas calcárias ............................................................................ 56
3.5.5.3. Ações para o combate de incrustações .................................................................... 56
3.5.6. Corrosão em poços tubulares ....................................................................................... 58
3.5.6.1. Corrosão Eletroquímica ........................................................................................... 58
3.5.6.2. Corrosão Eletrolítica ................................................................................................ 59
ix
3.5.7. Rebaixamento do nível dinâmico ................................................................................ 59
3.5.8. Relação do NPSH para ocorrência de cavitação ......................................................... 60
3.5.9. Vibrações no sistema de motobombas ........................................................................ 61
3.5.10. Temperatura da água ................................................................................................... 62
3.5.11. Pontos quentes nas instalações elétricas de poços ...................................................... 62
3.5.12. Temperatura de condutores em instalações elétricas ................................................... 64
3.5.13. Máximas Temperaturas Admissíveis para instalações elétricas de motobombas ....... 65
3.6. PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA ....................................... 66
3.6.1. Distúrbios da energia elétrica em instalações de motobombas ................................... 68
3.6.2. Distúrbios em inversores de frequência ...................................................................... 70
3.7. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE MOTOBOMBAS ................................................... 71
3.7.1. Fator de Serviço (FS) ................................................................................................... 71
3.7.2. Variação de tensão ....................................................................................................... 72
3.7.3. Sobretensão e Subtensão ............................................................................................. 73
3.7.4. Potência elétrica ............................................................................................................ 73
3.7.5. Correção do Fator de Potência (FP) ............................................................................ 74
3.8. PLANEJAMENTO DA MANUTENÇÃO ....................................................................... 75
3.8.1. Funções e considerações sobre a manutenção .............................................................. 75
3.8.2. Engenharia de Manutenção .......................................................................................... 75
3.8.3. Manutenção corretiva ................................................................................................... 77
3.8.4. Manutenção detectiva ................................................................................................... 78
3.8.5. Manutenção preventiva ................................................................................................ 78
3.8.6. Manutenção preditiva ................................................................................................... 80
3.8.7. Justificativa para implantação da manutenção preditiva .............................................. 81
3.9. CONCEITOS E MÉTODOS DE MANUTENÇÃO PLANEJADA ................................. 82
3.9.1. Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC) ........................................................ 83
3.9.2. Manutenção Produtiva Total (MPT) ............................................................................ 84
3.9.3. Análise dos Modos de Falhas e Efeitos (FMEA) ........................................................ 84
3.9.4. Análise de Árvore de Falhas (FTA) ............................................................................ 84
3.10. TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO PREDITIVA ............................................................ 85
3.10.1. Inspeção termográfica .................................................................................................. 86
3.11. Custo de manutenção ....................................................................................................... 88
3.11.1. Consumo Específico de Energia (CEE): implicações para eficiência energética e
custos ........................................................................................................................................ 90
3.12. CARACTERÍSTICAS GERAIS E ESPECIFICAÇÕES DE CONJUNTOS
MOTOBOMBAS SUBMERSAS ............................................................................................. 90
3.12.1. Especificações de motobombas ................................................................................. 93
3.12.2. Motor submerso ......................................................................................................... 93
3.12.3. Bomba submersa........................................................................................................ 97
3.12.4. Dimensionamento da AMT ..................................................................................... 101
3.12.5. Ponto de operação da bomba ................................................................................... 102
3.12.6. Cálculo da corrente nominal de motor submerso .................................................... 103
3.13. SISTEMA ELÉTRICO DE ACIONAMENTO E PROTEÇÃO DE MOTOBOMBAS
................................................................................................................................................ 104
x
3.13.1 Considerações sobre a NR-10.................................................................................. 106
3.13.2 Diagrama multifilar ................................................................................................. 106
3.13.3 Acionamentos aplicados a motobombas: PD, PC, PS, PI ...................................... 107
3.13.4 Comparativo entre principais tipos de acionamentos .............................................. 112
CAPÍTULO IV ...................................................................................................................... 115
4. METODOLOGIA E PESQUISA DE DADOS .............................................................. 115
4.1 Descrição das etapas metodológicas................................................................................. 117
4.2 Descrição dos equipamentos analisados ........................................................................... 119
4.3 Requisitos para operação das motobombas ...................................................................... 126
4.4 Descrição da instrumentação utilizada e coleta de dados ................................................. 127
CAPÍTULO V ....................................................................................................................... 130
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................... 130
5.1 RESULTADOS DA 1ª ETAPA ....................................................................................... 130
5.1.1 Análise da conformidade dos dados ........................................................................... 130
5.1.2 Inspeção termográfica................................................................................................. 134
5.1.3 Médias de CEE por produção ..................................................................................... 136
5.1.4 Comparativo do CEE por produção ........................................................................... 137
5.2 RESULTADOS DA 2ª ETAPA ....................................................................................... 138
5.2.1 Modelo de Roda de Falhas das motobombas submersas. .......................................... 138
5.2.2 Análise sob o aspecto das chaves de partidas ............................................................. 142
5.3 CONSIDERAÇÕES ......................................................................................................... 143
5.3.1 Roda de Falhas ........................................................................................................... 143
5.3.2 Manutenção ................................................................................................................ 144
5.3.3 Performance e confiabilidade ..................................................................................... 144
5.3.4 Gargalos nas instalações das motobombas ................................................................. 145
CAPÍTULO VI ...................................................................................................................... 146
6 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 146
6.1 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS .............................................................................. 147
REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 148
APÊNDICE A – Checklist genérico de inspeção e manutenção para poços ................... 154
APÊNDICE B – Recortes das medições de parâmetros operacionais e de manutenções
................................................................................................................................................ 155
APÊNDICE C – Simulação de vida de motobomba genérica via software Blocksim .... 157
ANEXO A – Dados técnicos, perfil litológico, teste de produção e da qualidade da água
de poço tubular ..................................................................................................................... 164
ANEXO B – Planta da captação, com cortes e detalhes do tratamento, comando e poço
tubular (CAERN) ................................................................................................................ 168
ANEXO C – Informações necessárias para um dimensionamento correto da AMT,
Vazão e Potência de MotoBombas Submersas .................................................................. 169
ANEXO D – Curvas características das quatro bombas submersas analisadas ............ 172
ANEXO E – Quadro com defeitos, causas e soluções sobre motobombas ...................... 174
xi
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Localização da área dos poços tubulares ............................................................... 23
Figura 2.1. Esquematização de tipos de falhas ......................................................................... 26
Figura 2.2. Esquema dos tipos de falhas .................................................................................. 27
Figura 2.3. Roda de Falhas com quatro ambientes de falhas ................................................... 28
Figura 2.4. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em série................................... 36
Figura 2.5. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em paralelo ............................. 36
Figura 2.6. Representação genérica em diagrama de blocos de sistemas série-paralelo e
paralelo-série, com respectivas decomposições em subsistemas ............................................. 37
Figura 2.7. Curvas de probabilidade condicional de falhas (função de risco) ......................... 39
Figura 2.8. Exemplo de curva de banheira e ciclo de vida de equipamentos ........................... 40
Figura 2.9. Falhas (em vermelho) ocorridas em um mês numa instalação de motobomba ..... 42
Figura 3.1. Estrutura do consumo por classe (%) no Sistema Interligado Nacional (SIN) ..... 44
Figura 3.2. Distribuição do consumo de energia elétrica por uso final na indústria ................ 44
Figura 3.3. Ilustração de raízes invasoras, Jurema e Algaroba................................................. 52
Figura 3.4. Colunas em estágios avançados de corrosão .......................................................... 55
Figura 3.5. À esquerda o crivo de uma bomba submersa, à direita, tubulação edutora com
incrustação de calcário.............................................................................................................. 56
Figura 3.6. Diagnóstico de ponto quente em emenda de cabo, PT-09 Bairro Cohabinal, em
23/06/2016 ................................................................................................................................ 63
Figura 3.7. Diagnóstico de ponto quente em cabo do disjuntor, PT-20 Bairro Nova
Parnamirim, em 08/11/2015 ..................................................................................................... 63
Figura 3.8. Diagnóstico de descontinuidade entre terminais do enrolamento do motor, com
sobrecarga nas fases R e T, PT-17 Bairro Nova Parnamirim, em 06/01/2016 ......................... 64
Figura 3.9. Triângulo de potência ............................................................................................. 74
Figura 3.10. Subdivisão tipológica da manutenção .................................................................. 77
Figura 3.11. Evolução de trinca em suporte da roldana de um elevador .................................. 86
Figura 3.12. Visões sobre a assimilação de falhas funcionais .................................................. 89
Figura 3.13. Perfil típico de instalação de motobomba submersa em poço profundo .............. 92
Figura 3.14. Típica aplicação de camisa indutora de fluxo ...................................................... 95
Figura 3.15. Montagem de camisa de sucção em motobomba submersa ................................. 96
Figura 3.16. Principais tipos de bombas e classificação das bombas submersas ..................... 99
Figura 3.17. Cortes transversais em duas motobombas, uma com rotor radial e outra com rotor
semi-axial ............................................................................................................................... 100
Figura 3.18. Diagrama multifilar de partida direta ................................................................. 108
Figura 3.19. Diagrama multifilar de partida compensadora ................................................... 109
Figura 3.20. Diagrama multifilar de uma chave de partida Soft-Starter, modelo 3RW30
fabricante Siemens .................................................................................................................. 110
xii
Figura 3.21. Diagrama simplificado de chave de partida Soft-starter para instalação de motor
trifásico ................................................................................................................................... 110
Figura 3.22. Chave inversor de frequência, instalação para motor trifásico .......................... 112
Figura 3.23. Diagrama de partida estrela-triângulo ................................................................ 113
Figura 4.1. Fluxograma de etapas do trabalho........................................................................ 116
Figura 4.2. À esquerda, parte frontal do quadro de comandos, à direita barrilete do poço com
motobomba PC ....................................................................................................................... 120
Figura 4.3. Quadro de comandos e proteção da motobomba PC (Partida Compensadora) .. 120
Figura 4.4. À esquerda, o barrilete do poço com motobomba PD, à direita, o abrigo do QCP
................................................................................................................................................ 121
Figura 4.5. Quadro de comandos e proteção da motobomba PD (Partida Direta) ................ 122
Figura 4.6. Barrilete do poço com motobomba PS ................................................................ 123
Figura 4.7. Quadro de comandos e proteção do poço com motobomba PS (Partida Soft-
Starter) ................................................................................................................................... 123
Figura 4.8. QCP (à esquerda), terminais de comando e de alimentação (ao centro), e LCP do
inversor (à direita) ................................................................................................................. 125
Figura 4.9. Barrilete do PT-63 com motobomba PI (à esquerda), transmissor de pressão (ao
centro), e macromedidor de vazão (à direita) ........................................................................ 125
Figura 4.10. Alicate Wattímetro ............................................................................................. 127
Figura 4.11. Função Potência Trifásica com Carga Balanceada, chave na posição “3~Bal *1~”
................................................................................................................................................ 128
Figura 4.12. Câmera termográfica, cedida pelo Laboratório de Energia UFRN .................... 128
Figura 4.13. Termohigrômetro utilizado durante as inspeções termográficas ....................... 129
Figura 4.14. Manômetro utilizado .......................................................................................... 129
Figura 5.1. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PC...................... 131
Figura 5.2. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PD ..................... 131
Figura 5.3. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PS ...................... 132
Figura 5.4. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PI ....................... 132
Figura 5.5. Quadro de comandos PC ...................................................................................... 134
Figura 5.6. Quadro de comandos PD ...................................................................................... 134
Figura 5.7. Quadro de comandos PS ...................................................................................... 135
Figura 5.8. Terminais do inversor de frequência PI ............................................................... 135
Figura 5.9. Motobomba PC - Operação: 18h/dia.................................................................... 136
Figura 5.10. Motobomba PD - Operação: 24h/dia ................................................................. 136
Figura 5.11. Motobomba PS - Operação: 24h/dia .................................................................. 137
Figura 5.12. Motobomba PI - Operação: ~12h/dia ................................................................. 137
Figura 5.13. Modelo de Roda de falhas adaptado para motobombas submersas ................... 139
Figura 5.14. Principais mecanismos de danos secundários, envolvendo transições em
ambientes do modelo da Roda de falhas ................................................................................ 140
xiii
LISTA DE QUADROS E TABELAS
QUADROS
Quadro 2.1. Classificação VS Tipos de falhas ......................................................................... 27
Quadro 3.1. Problemas, causas e possíveis soluções em poços tubulares ................................ 48
Quadro 3.2. Principais falhas, efeitos, causas e ações corretivas de rotina, da manutenção
operacional nos poços da UNAP .............................................................................................. 49
Quadro 3.3. Temperaturas características de condutores com diferentes tipos de isolação ..... 65
Quadro 3.4. MTA para itens de instalações elétricas de motobombas submersas ................... 66
Quadro 3.5. Exemplo de efeitos dos desequilíbrios de tensão em motor de indução trifásico.66
Quadro 3.6. Discriminação dos setores da indústria, relativa ao gráfico 3.3 ........................... 68
Quadro 3.7. Classificação e destaque dos principais distúrbios da QEE associados a danos nas
instalações de motobombas ...................................................................................................... 69
Quadro 3.8. Tensão nominal de atendimento para intervalos de variações em pontos de
conexão igual ou inferior a 1 kV (380/220) ............................................................................ 72
Quadro 3.9. Normas em vigor no Brasil sobre Termografia .................................................... 87
Quadro 3.10. Custo de manutenção em relação ao faturamento bruto (Abraman 2011) ........ 88
Quadro 3.11. Materiais utilizados nos principais itens de uma bomba submersa .................. 101
Quadro 3.12. Parâmetros de monitoramento de poços ........................................................... 102
Quadro 3.13. Comparação entre os principais métodos de partidas ....................................... 114
Quadro 4.1. Formas de obtenção de dados ............................................................................. 118
TABELAS
Tabela 2.1. Tempos (em horas) de ocorrência de falhas para as condições de operação de uma
motobomba na hipótese apresentada ........................................................................................ 42
Tabela 3.1. Máximas velocidades de sucção ............................................................................ 61
Tabela 3.2. Potência aparente de uma instalação elétrica de motobomba ................................ 73
Tabela 3.3. Folga de potência em função do quociente entre potência nominal do motor e
potência consumida pela bomba ............................................................................................... 94
Tabela 3.4. Vazões e fluxos mínimos exigidos para a refrigeração de diversos diâmetros de
motor e de poço, com água até 30°C ........................................................................................ 95
Tabela 4.1. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PC ......................................... 119
Tabela 4.2. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PD......................................... 121
Tabela 4.3. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PS ......................................... 123
Tabela 4.4. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PI .......................................... 124
Tabela 5.1. Índices simbólicos de confiabilidades baseados nas idades operacionais e na vida
média das motobombas submersas ......................................................................................... 133
xiv
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 3.1. Números de RA's de falta d'água em 2015 ........................................................... 47
Gráfico 3.2. Proporção de efeitos sobre ocorrências de falhas (%) .......................................... 50
Gráfico 3.3. Custos estimados para interrupção de processo por um intervalo inferior a 1
minuto ....................................................................................................................................... 67
Gráfico 3.4. Curva da banheira de probabilidade de falha para um sistema que passou por três
substituições de itens ................................................................................................................ 80
Gráfico 3.5. Custos versus nível de manutenção ...................................................................... 89
Gráfico 3.6. Curvas do sistema e da bomba submersa para um ponto de operação/trabalho
genérico .................................................................................................................................. 102
Gráfico 3.7. Comparativo entre correntes de partida, para diferentes tipos de acionamentos
.............................................................................................................................................. ..112
Gráfico 5.1. Resumo comparativo entre os resultados de CEE por produção dos poços ....... 138
xv
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
AMT Altura Manométrica Total
AT Alta Tensão
BCO Boletim de Controle Operacional
BCS Bombeio Centrífugo Submerso
BSP British Standard Pipe
BT Baixa Tensão
CAERN Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte
CA Corrente Alternada
CC Corrente Contínua
CEE Consumo Específico de Energia Elétrica (KWhmês/m³)
CMBS Conjunto MotoBomba Submersa
Cosern Companhia de Energética do Rio Grande do Norte
DN Diâmetro Nominal
EPRI Electric Power Research Institute
EPR Etileno-Propileno
ETA Estação de Tratamento de Água
FMEA Failure Mode and Effect Analysis
FP Fator de Potência
FS Fator de Serviço
FTA Failure Tree Analysis (Árvore de Falhas)
IHM Interface Homem-Máquina
MTA Máxima Temperatura Admissível
MTTF Tempo Médio até a Falha (Mean Time to Failure)
MTTR Tempo Médio para Reparo (Mean Time to Repair)
MTBF Tempo Médio Entre Falhas. (Mean Time Between Failures)
NA Normalmente Aberto (contato elétrico)
NBR Norma Brasileira Regulamentadora
NF Normalmente Fechado (contato elétrico)
NR-10 Norma Regulamentadora n.°10
NPT National Pipe Thread (Rosca cônica de tubulação)
xvi
OS Ordem de Serviço
PT Poço Tubular
PVC Policloreto de Vinil (do inglês Polyvinyl chloride)
QCP Quadro de Comandos e Proteção
QEE Qualidade de Energia Elétrica
RA Registro de Atendimento
RS FCI ReliaSoft Failure Cricality Index (Índice de criticidade de falhas)
SAA Sistema de Abastecimento de Água
SEMARH Secretaria de Meio Ambiente e Recursos Hídricos do Rio Grande do
Norte
SEP Sistema Elétrico de Potência
SIN Sistema Interligado Nacional
TAP Terminação Central de enrolamentos de um transformador
TMEF Tempo Médio Entre Falhas
UNAP Unidade de Operação e Manutenção de Águas de Parnamirim
UPS Fonte de Alimentação Ininterrupta (Uninterruptible Power Supply)
xvii
LISTA DE NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS
R (t) – Confiabilidade, função confiabilidade ou probabilidade de sobrevivência no tempo t.
RS – Confiabilidade do sistema.
D – Disponibilidade.
P – Probabilidade de falha condicional.
T – Tempo de interesse para o analista.
t – Intervalo de tempo.
iR – Confiabilidade do i-ésimo item no momento da análise.
Rij – Confiabilidade do j-ésimo componente localizado no i-ésimo subsistema.
nx – Evento do n-ésimo item em um estado operante.
nx – Evento do n-ésimo item em um estado não-operante.
n
i 1
– Produtório de i=1 ao n-ésimo item.
F (x) – Função distribuição acumulada de uma variável x.
f (x) – Função densidade de probabilidade de uma variável x.
F (t) – Função distribuição de probabilidade de falhas ou função distribuição acumulada de
falhas no tempo t.
f (t) – Função densidade de falha, densidade de falha ou função densidade no tempo t.
h (t) – Taxa de falha ou taxa de falha instantânea.
λ (t) – Taxa condicional de falha , função de risco ou taxa de falha em função do tempo.
λ – Taxa de falha constante.
x – Média.
σ – Desvio padrão.
In – Corrente Nominal.
UL – Tensão de linha, alimentação.
UF – Tensão de fase.
Q – Vazão volumétrica.
V – Volume.
E – Energia.
Ce – Consumo específico.
η – Rendimento.
xviii
W – Trabalho.
ρ – Massa específica.
γ – Peso especifico do fluido.
°C – Grau Celsius.
% - Percentagem.
R, S, T – Fases da rede de alimentação.
N – Neutro.
F1, F2, F3 – Fusíveis de potência.
F21 – Fusível de comando.
K1, K2, K3 – Contactores, ou relés de comando.
FT1 – Relé de sobrecarga térmico.
M – Motor elétrico assíncrono trifásico.
S1, S0 – Botões de comando (liga, desliga).
KT1 – Relé eletrônico temporizador, retardo na energização de 3-30s.
L1, L2, L3 – Lâmpadas sinalizadoras de comando.
xix
RESUMO
PEREIRA, Leandro Luiz da Silva (2016). Análise de motobombas submersas com diferentes
acionamentos elétricos a partir da Roda de Falhas. Natal, 2016. 174 p. Dissertação
(mestrado) – Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do
Rio Grande do Norte.
Evitar falhas é uma medida extremamente necessária quando se gerencia sistemas de
produção e distribuição de água com 95% das redes pressurizadas diretamente por poços.
Baseado nas frequentes faltas de água em 2015, registradas pela CAERN na Unidade de
Operação e Manutenção de Águas de Parnamirim (UNAP), destacam-se as avarias causadas
por sobreaquecimento e outros danos de natureza mecânica e elétrica que levam a falhas nas
instalações de motobombas submersas. Nesse escopo, este trabalho foi dedicado a realizar um
estudo de caso sobre as instalações de quatro motobombas dos poços PC, PD, PS e PI, com
diferentes acionamentos elétricos, utilizando a proposta da Roda de Falhas (Failure Wheel)
numa análise preditiva elétrica e termográfica, para inferir qualitativamente sobre o nível de
confiabilidade e custo de manutenção na concessionária de abastecimento d’água. Para
subsidiar as análises foram inspecionados itens importantes das referidas instalações,
observando suas relações de conformidade com as especificações das motobombas, onde
foram efetuadas medições de parâmetros elétricos e térmicos de operação, incluindo variáveis
de estresse para auxiliar no diagnóstico e estimar os desempenhos dessas máquinas. A análise
foi conduzida por ficha de inspeção de parâmetros operacionais, checklist e pela Roda de
Falhas em discussão, que permitiram diagnósticos sobre os dados das inspeções e do histórico
de falhas recorrentes. Nesse sentido, a aplicação da Roda de Falhas se deu com a adaptação de
um modelo para as motobombas submersas, identificando os principais mecanismos de danos
associados às causas gerais de falhas, que demonstrou viabilidade em rotinas de manutenção
baseada na condição para análise detectiva-preditiva de falhas em curso nos equipamentos.
Comparando o consumo específico de energia entre as motobombas, a PI, com acionamento
por inversor de frequência, obteve melhor rendimento, oferecendo maior eficiência energética
durante a captação d’água entre julho de 2015 e julho de 2016. A mesma demonstrou risco
reduzido de falhas típicas de motobombas dentre os equipamentos, tendo em vista o menor
nível térmico em operação apresentado nas termografias, e o menor estresse causado devido
às características da chave de partida. Conclui-se, portanto, que seu nível de confiabilidade foi
o maior, seguido da PS, PC e PD. As vantagens da aplicação sistemática da proposta, aliada a
uma política de manutenção planejada, apontam para a redução de intercorrências por falhas e
perdas de produção, e com isso, permitem diminuir trocas prematuras de equipamentos e
custos com manutenção e energia elétrica. Como resultado da pesquisa obteve-se uma
metodologia de acompanhamento preditivo, visando ações de manutenção antes da falha
catastrófica sobre itens em percurso de danos.
Palavras-Chave: Motobomba; Poço Tubular; Parâmetros operacionais; Roda de Falhas;
Manutenção; Confiabilidade.
xx
ABSTRACT
PEREIRA, Leandro Luiz da Silva (2016). Analysis of submersible motor pumps with different
electric drives from the Failure Wheel. Natal, 2016. 174p. Dissertation (masters) – Programa
de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte.
Avoiding failures is an extremely necessary measure when managing water production and
distribution systems with 95% of networks pressurized directly by wells. Based on the
frequent water shortages in 2015, registered by CAERN at the Parnamirim Water Operation
and Maintenance Unit (UNAP), the most notable are the damages caused by overheating and
other mechanical and electrical damages that lead to failures in the motor pump Submerged.
In this scope, this work was carried out to carry out a case study on the installations of four
well pumps PC, PD, PS and PI, with different electric drives, using the Failure wheel proposal
in an electric predictive analysis And thermographic, to qualitatively infer about the level of
reliability and cost of maintenance in the water supply concessionaire. In order to subsidize
the analyzes, important items of the aforementioned facilities were inspected, observing their
relations of conformity with the specifications of the pumps, where electrical and thermal
parameters of operation were carried out, including stress variables to aid in the diagnosis and
to estimate the performances of these machines. The analysis was carried out by a checklist of
operational parameters, checklist and by Failure Wheel in discussion, which allowed for
diagnoses on inspection data and the history of recurring faults. In this sense, the application
of the Failure Wheel occurred with the adaptation of a model for the submersible pumps,
identifying the main damage mechanisms associated to the general causes of failures, which
demonstrated viability in maintenance routines based on the condition for detective-predictive
analysis of faults in the equipment. Comparing the specific energy consumption between the
pumps, the PI, with drive by frequency inverter, obtained better efficiency, offering greater
energy efficiency during the water harvest between July 2015 and July 2016. It showed a
reduced risk of failure Typical of motor pumps, among the equipment, considering the lower
thermal level in operation presented in thermographs, and the lower stress caused due to the
characteristics of the starter. It was concluded, therefore, that its reliability level was the
highest, followed by PS, PC and PD. The advantages of the systematic application of the
proposal, coupled with a planned maintenance policy, point to the reduction of intercurrences
due to failures and losses of production, and with this, allow to reduce premature equipment
changes and costs with maintenance and electric energy. As a result of the research, a
methodology of predictive monitoring was obtained, aiming at maintenance actions before the
catastrophic failure on items in the course of damages.
Keywords: Motor pump; Tubular well; Operating parameters; Failure Wheel; Maintenance;
Reliability.
21
CAPÍTULO I
1. INTRODUÇÃO
A utilização dos recursos hídricos vem crescendo a cada dia, visto que a demanda
acompanha o crescimento mundial junto às mudanças climáticas, o que torna a escassez da
água uma preocupação combinada aos dilemas socioeconômicos e ambientais da “produção”
e distribuição de água, para as diferentes necessidades dos consumidores.
É perceptível a tendência atual a soluções que visem à redução do desperdício, como o
reaproveitamento de águas pluviais, a captação de água de chuva, o reuso doméstico, o
tratamento de esgotos, os métodos de lavagem a seco e os dispositivos economizadores de
água em equipamentos hidráulicos. Mesmo a tecnologia avançando no mundo a exploração de
águas de rios, e de poços, por meio de Conjuntos MotoBombas Submersas (CMBS), ainda
persistirá como principais fontes de água potável. Enquanto a salgada água do mar não
apresenta vantagens econômicas suficientes para viabilizar sua potabilidade, é imprescindível
que o ser humano compreenda o reaproveitamento dos recursos naturais em todos os
mecanismos ao seu redor.
Em curso de pleno desenvolvimento, a economia globalizada tem sido afetada com o
aumento notório na demanda por produtos, sistemas e novos processos de desempenho a
custos competitivos. Nesse âmbito, surge a necessidade de manter a qualidade, a confiança, a
integridade física e financeira nos processos de produção industrial, no que tange os
envolvidos, o cliente, a empresa e seus equipamentos. Isso se traduz em relevar critérios para
a operacionalização e manutenção industrial, prevendo a disponibilidade de equipamentos, e
reduzindo a probabilidade de falhas que afetem os custos envolvidos na produção e a
segurança homem/máquina.
A confiabilidade e a manutenção preditiva industrial constituem uma área da engenharia
mecânica de extrema importância na otimização da disponibilidade de sistemas e processos
produtivos. A eletromecânica e a eletroeletrônica de máquinas e equipamentos são vastos
campos de tecnologias aplicadas à produção industrial, que coexistem com os gargalos das
falhas. Assim, exigem uma crescente busca por soluções em automação, mas com avanços em
manutenção preditiva e economicidade de recursos, sendo um campo fértil e desafiante de
pesquisas.
A identificação e correção de problemas eletromecânicos de manutenção é um esforço
que as indústrias fazem para elevar os níveis de confiabilidade dos sistemas e para aumentar o
lucro operacional, sendo alavancados pela otimização do tempo de operação (idade) das
máquinas e equipamentos. Nesse contexto, os motores elétricos merecem atenção especial,
pois são responsáveis por cerca de 90% dos acionamentos de máquinas associadas a processos
industriais (BULGARELLI, 2006).
Em afirmação aos aspectos de produção em processos industriais,
22
[...] necessitam ser analisados de forma a possibilitar a produção com qualidade,
segurança e a custos desejados. Os custos de investimento e de consumo de energia
podem ser otimizados pela rígida coordenação entre o motor e a carga acionada,
uma vez que a menor potência possível para o motor deve ser especificada, de forma
a operar no valor de eficiência mais alto possível, o que não ocorreria se o motor
tivesse sido sobredimensionado. A seleção e a aplicação adequada dos dispositivos
de proteção do motor contribuem para minimizar os custos operacionais da indústria
(BULGARELLI, 2006, p.2).
Nessa perspectiva, é possível indicar o nível de eficiência produtiva, onde, no caso de
motobombas voltados para o abastecimento d’água, é plausível analisar a energia despendida
para produzir um determinado volume d’água, determinando o Consumo Específico de
Energia (CEE).
1.1. Cenário do estudo proposto
O número de faltas de água em 2015 registrado pela Unidade de Operação e
Manutenção de Águas de Parnamirim/RN (UNAP) da Companhia de Águas e Esgotos do Rio
Grande do Norte (CAERN), levou à condução deste estudo como proposta de prevenção e
predição de falhas com diversas causas nos sistemas de captação de água por bombeamento
submerso.
Para o caso abordado, o município aludido foi atribuído pelo fato de ter um número
elevado de sistemas interdependentes, com 108 Poços Tubulares (PT) ativos, injetando
diretamente na rede de distribuição, e por ter uma unidade de manutenção localizada no
centro da cidade. Parnamirim/RN é um município do estado do Rio Grande do Norte que
pertence à região metropolitana de Natal, à mesorregião do leste potiguar e à microrregião de
Natal, distando desta 12 Km ao sul. Ocupa uma área de 123Km², e sua população estimada
em 2016 era de 248.623 habitantes, estando como terceiro município mais populoso do
estado, conforme dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE).
A alta incidência de falhas nesse sistema de abastecimento se deve a inexistência de um
programa de manutenção planejada na unidade da concessionária, limitando o atendimento às
intervenções corretivas não planejadas (depois da falha), e, em determinados casos, a sistemas
de captação de poços que necessitam de correção preventiva, quando identificada a iminência
de falha. “O aquecimento atípico, que acompanha o excesso de corrente ou à alta resistência
elétrica, é a principal causa de problemas em sistemas elétricos” (FLUKE, 2014).
Havendo um forte potencial de exploração de reservatórios subterrâneos d’água na
região de Parnamirim/RN, viabilizada por estudos geológicos da CAERN sobre o manancial,
e diante do preceito maior que é garantir o fornecimento de água aos consumidores da região,
torna-se importante garantir a integridade dos equipamentos para o sistema de abastecimento,
agregando confiabilidade, mediante sistemática de manutenção preventiva e preditiva.
Dentro de uma perspectiva de sustentabilidade, a otimização dos processos produtivos
deve ser enxergada como resultado de avanços na manutenção planejada e nos níveis de
confiabilidade e disponibilidade de equipamentos, além da qualidade que passa pela
mantenabilidade do patrimônio e pela segurança do pessoal envolvido. Assim, a
23
confiabilidade tratada neste trabalho evidencia-se como estratégia de maximização da
produção, ao garantir maior retorno sobre o capital investido.
Dessa maneira, a pesquisa desenvolvida fornece subsídios para uma logística de
manutenção mais eficiente nas instalações dos poços de exploração d’água e na avaliação das
motobombas com modos distintos de acionamentos, através de uma abordagem analítica
sobre confiabilidade e falhas.
Nesse escopo, este trabalho dedicou-se a realizar um estudo de caso sobre as instalações
de quatro motobombas dos poços 34, 23, 31 e 63, com diferentes acionamentos elétricos. Os
três primeiros poços localizam-se no bairro Nova Parnamirim e o último em Emaús. Para
facilitar a compreensão ao tratar dos poços e tipos de acionamentos das motobombas, os
mesmos foram intitulados, respectivamente como “PC”, “PD”, “PS" e “PI”, referindo-se às
motobombas com partidas Compensadora, Direta, Soft-Starter e Inversor de frequência. O
mapa da figura 1.1 representa a área de localização dos quatro poços com marcadores.
Figura 1.1. Localização da área dos poços tubulares (Adaptado de Google Earth).
A análise foi baseada numa metodologia preditiva elétrica e termográfica, e com
aplicação do conceito da Roda de falhas (Failure Wheel), para inferir qualitativamente sobre o
nível de confiabilidade e custo de manutenção na concessionária de abastecimento d’água.
A descrição completa dos equipamentos analisados encontra-se no item 4.2.
Subsidiando as análises, foram inspecionados itens importantes das instalações elétricas,
como disjuntores, contactores, soft-starter e inversor de frequência, observando suas relações
de conformidade com as especificações das motobombas. Dessa forma, foram efetuadas
medições de parâmetros elétricos e térmicos de operação, incluindo variáveis de estresse, para
auxiliar no diagnóstico e estimar os desempenhos das motobombas.
888m
451m
1801m
2204m
24
As análises das instalações dos poços consistiram em inspeções baseadas nas
especificações dos “datasheets” (ficha de dados) das motobombas submersas, quanto à
dispersão de valores dos parâmetros de operação do fabricante. Nessas análises preliminares
duas ferramentas foram essenciais, a “ficha de inspeção”, para registro das medições dos
parâmetros operacionais, e o “checklist”, para propor ações de manutenção a partir de
condições iniciais e de observações, em um roteiro com 20 procedimentos preestabelecidos
como importantes. Em seguida, o produto da avaliação conduzida por esse estudo foi
direcionado para a elaboração de um modelo de Roda de falhas, voltado especificamente para
identificação dos modos de falhas recorrentes em motobombas submersas.
Os aspectos apresentados pelas ferramentas anteriores colaboraram para julgar o grau de
confiabilidade das motobombas, considerando ainda os sistemas sob os tipos de acionamentos
eletromecânicos.
Dentro da finalidade deste trabalho não foram discutidas as falhas classificadas como
mecânicas, devido a itens como válvulas de controle, de retenção e outros, tendo em vista que
estes itens, em geral, não são considerados críticos para a disponibilidade dos sistemas. Com
base nisso, entende-se que a manutenção sobre esses itens pode ser administrada com mais
facilidade, em comparação com a logística demandada para a solução de problemas em
motobombas submersas.
Não serão apresentadas, ainda, as condições de validade estatística de distribuições dos
tempos de falha sobre o conceito de confiabilidade, sendo factíveis de consultas nas
referências bibliográficas. Nesse sentido, o assunto é centrado na análise de falhas e
otimização da manutenção, partindo dos seguintes pontos:
1. Consultar equipe de manutenção sobre as falhas recorrentes nos poços da
CAERN/Parnamirim para balizar o estudo sobre quatros poços tubulares de
exploração d’água subterrânea, PC, PD, PS e PI;
2. Analisar a conformidade de medições e registros (em Ficha de inspeção) de
parâmetros operacionais e variáveis de estresse nos quadros de comandos, seguindo os
procedimentos de um Checklist para as instalações dos poços;
3. Aplicar um modelo de “Roda de falhas” adaptado às motobombas submersas para
identificação dos principais mecanismos de danos, baseado no conhecimento das
causas gerais de falhas nas instalações de poços;
4. Avaliar os níveis de confiabilidade das motobombas com base nos parâmetros
operacionais medidos, nos dados de consumo específico de energia, nos modos de
falhas apresentados na Roda de falhas, e nos diferentes tipos de acionamentos.
25
O presente trabalho é composto de 6 capítulos, estruturados em ordem sucinta:
Capítulo 1: apresenta-se uma introdução levantando as principais discussões a respeito do
cenário do estudo proposto;
Capítulo 2: a fundamentação teórica traz à luz os pressupostos teóricos do tema
confiabilidade, e da metodologia da Roda de falhas, onde se faz a revisão bibliográfica;
Capítulo 3: apresenta as implicações da manutenção na produção industrial, tratando sobre
uma série de falhas típicas de poços tubulares, dos conceitos e métodos de manutenção
planejada;
Capítulo 4: aborda a metodologia explorada, onde são descritas duas etapas procedimentais
que correspondem à Entrevista não formal à equipe de manutenção; Medições de parâmetros
operacionais; Coleta, análise de dados e cálculo de Consumo Específico de Energia; e,
Metodologia da Roda de Falhas como proposta para análise dos modos de falhas e
performance das motobombas.
Capítulo 5: apresenta os resultados e discussões acerca da metodologia e pesquisa de dados.
Capítulo 6: apresenta as conclusões e perspectivas para a continuação da pesquisa.
Referências
Apêndices
Anexos
26
CAPÍTULO II
2. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA
Com a finalidade de estabelecer critérios para a estimativa de até quando é viável a
manutenção de equipamentos, torna-se necessário definir os elementos que afetam essa
avaliação, ao tratar de assuntos chaves como falha, confiabilidade, tipos e metodologias de
manutenção.
2.1. Definição de falha
A falha ou fracasso de um item qualquer é definida como um evento no qual é cessada
sua função especificada. Para Lafraia (2001), a falha funcional de qualquer item é sua
incapacidade de atingir o padrão de desempenho esperado.
A figura 2.1 apresenta um esquema com os principais tipos de falhas:
Figura 2.1 Esquematização de tipos de falhas. Fonte: Blache & Shrivastava (1994) apud Oliveira et al. (2012).
Nessa esquematização os tipos de falhas são classificados sob critérios distintos,
conforme o quadro 2.1 (LAFRAIA, 2001).
27
Quadro 2.1. Classificação VS Tipos de falhas. Fonte: Lafraia (2001).
A respeito desse quadro, Unfer (2011) descreve os tipos de falhas quanto ao grau de
importância na operação de um sistema, e em relação ao surgimento:
Falha Parcial: Desvios de características, além de limites estabelecidos, mas que não
causam perda completa da função requerida.
Falha Completa: Desvios além de limites estabelecidos, causando perda total da função
requerida.
Falha Gradual: Ocorrência pode ser prevista através de inspeção e/ou acompanhamento.
Falha Súbita: Ocorrência imprevisível e falha aleatória
Em geral, um sistema que é afetado por uma falha total/completa gradual distingue-se
pela negligência na falta de acompanhamento sobre os ativos. Já no tipo de falha parcial
gradual, a degradação está relacionada aos mecanismos de danos e intempéries.
Quando ocorre uma falha, seja em um ativo ou em uma instalação, a função prejudicada
pode ser completa ou parcial (conforme diagrama da figura abaixo), desta maneira, a ação de
correção pode também ser temporária (paliativa), caracterizando a ação realizada sobre o
efeito, ou final (reparo completo), caracterizando a ação realizada sobre a causa (JUNIOR,
2011).
Figura 2.2. Esquema dos tipos de falhas. Fonte: JUNIOR, 2011.
Dentro de um sistema produtivo existem vários ângulos de visualização de uma falha.
Por exemplo, um conjunto motobomba que fornece uma vazão especificada para 60 m³/h de
água, em um dado momento, passa a produzir 35m³/h. Mesmo perdendo a capacidade de
transportar o fluido para pontos mais elevados e provocando a falta d’água nesses, a
motobomba continua produzindo. Neste caso, considera-se a ocorrência de uma falha parcial
28
pelo fato do equipamento ainda fornecer movimento ao fluido (vazão), porém com perda de
performance.
Em outra situação, o mesmo equipamento pode ser observado em um estado inoperante,
caracterizando uma falha completa devido à vazão nula, seja por causa de falha do rotor da
bomba, falha do motor ou operação em vazio, que pode se enquadrar como um problema de
negligência operacional, ou ainda, a coexistência de todos esses problemas. Em ambos os
casos, os modos de falhas típicos do equipamento são responsáveis pela perda parcial ou total
de sua função, os quais serão estudados mais adiante.
Para a definição da necessidade de aplicação de análise de falhas, são utilizados alguns
parâmetros, entre eles (JUNIOR, 2011):
Criticidade do ativo;
Riscos de segurança;
Riscos ambientais;
Indisponibilidade dos ativos;
Riscos a qualidade do produto;
Reincidência da falha.
A falha de motobombas em poços será tratada como um evento de falta d’água, que
corresponde a parada de funcionamento (indisponibilidade do ativo) devido a avarias no
próprio equipamento, nos circuitos de força e comandos ou na rede elétrica.
2.2. Roda de Falhas
Identificar mecanismos de danos potenciais em qualquer item/ sistema é fundamental na
determinação de como estes possam falhar, o que reflete nos modos de falhas. O modo de
falha pode ser definido como a descrição da característica física do efeito observado.
A “Roda de Falhas” (Failure Wheel) ou “Roda do fracasso”, conforme Tanzer e
Westinghouse (2002, p. 733), é uma metodologia de classificação de mecanismos de danos
representada por um sistema gráfico, a qual está ilustrada na figura 2.3.
Figura 2.3. Roda de Falhas com quatro ambientes de falhas. Fonte: Tanzer e Westinghouse (2002, p. 733).
29
Segundo Tanzer and Westinghouse (2002), a investigação de falhas se dá a partir de
suas causas base e de ações corretivas voltadas para a prevenção. A metodologia da Roda de
falhas se destaca por sua simplicidade e organização na discussão de mecanismos de danos de
casos práticos, sendo ainda pouco aplicada na manutenção industrial.
A análise dos modos de falhas pode se concentrar em diferentes causas, como falhas de
fabricação, instalação, mecanismos de danos, e outros. Nos modos de falhas do modelo
acima, estão representados o sobreaquecimento (Temperature); a corrosão (Corrosion) o
desgaste (Wear), e a tensão/fadiga (Stress).
Em contrapartida o mecanismo de dano descreve como se dá o processo de deterioração
do item/sistema até sua falha. Sua determinação começa por categorizar o
componente/sistema em análise e conhecer suas especificações. Um método de categorização
comum é dividir mecanismos de danos potenciais entre quatro categorias de modos de falha:
Distorção; Fratura; Corrosão e Desgaste.
Na Roda de Falhas as classificações são baseadas em categorizar mecanismos de danos
de um dado equipamento em termos de ambiente. Na prática, seis modos de falhas são
identificados em ambientes relacionados aos mecanismos de danos, dos quais quatro devem
ser selecionados como os mais importantes para um item/sistema:
Estresse
Temperatura
Corrosão
Desgaste
Radiação
Eletricidade
A compreensão que se deve ter sobre os mecanismos de danos individuais é de
reconhecer que muitos deles atuam em mais de um ambiente de falha. O analista responsável
deve descobrir e compreender o máximo de mecanismos de danos atuantes em um dado
item/sistema, incluindo a distinção entre mecanismos primários e secundários de falhas.
O principal mecanismo é a único responsável pela falha, os mecanismos de falhas
secundários podem ser divididos em três categorias:
Mecanismos que foram induzidos por causa da presença do mecanismo de falha
primário ou proveniente da mesma causa raiz do mecanismo primário;
Mecanismos independentes que contribuíram para o fracasso. Por exemplo, tais
mecanismos podem ter contribuído acelerando o tempo ou a severidade dos danos;
Mecanismos que estavam presentes, mas sem relação com o fracasso.
No caso específico de motobombas submersas, as falhas podem ocorrer através de
modos distintos, em geral, por desgaste, sobreaquecimento, corrosão, fadiga e outros.
2.3. Teoria das restrições e gargalos na produção
Atualmente, a indústria vive um cenário de procura por melhores resultados, utilizando
métodos que tendem a dar celeridade na produção e correção de erros, o que favorece a
30
competitividade, e, consequentemente a meta do lucro. Nessa visão, além dos métodos citados
neste trabalho, vale destacar a Teoria das Restrições (TOC - Theory of Contraints) publicada
no livro “A meta”, de autoria de Goldratt e Jeff Cox, que sugere a eliminação de gargalos e
maximização da produtividade de uma empresa.
De acordo com Alves et al. (2010), essa teoria teve início na década de 80
fundamentada na criação do software Optimized Production Tecnology (OPT), como sistema
de administração de produção, que surgiu de um planejamento de um sistema de pequena
produção de gaiolas (ou galinheiros), desenvolvido na época pelo estudante de física
israelense Eliyahu Moshe Goldratt, para ajudar um amigo. Com base nisso definiu que,
“gargalo é qualquer recurso cuja capacidade seja igual ou menor que a demanda exigida deste
recurso” (GOLDRATT, p.145, 1992).
A ideia em torno do gargalo é que existe uma limitação física diante de um processo
produtivo, ou, analogamente, uma restrição transposta para outros setores que não têm contato
direto com a operacionalização da produção. Para Barcaui e Quelhas (2008), a TOC considera
a empresa não em partes isoladas, mas como um sistema integrado, onde o item global
depende dos empenhos de todos os envolvidos. Neste sentido é plausível observar a relação
da Teoria das Restrições com a Gestão de manutenção e processos, destacando-se a
manutenção industrial com base na confiabilidade e disponibilidade de itens.
Nesse âmbito, é importante impor condições de manutenção aos itens, do tipo: qualquer
parada maior que “x” minutos nas máquinas gera-se um gargalo, e isso é condição para que se
realize uma análise de falha para a manutenção, do contrário o prejuízo financeiro total sobre
o sistema será “y”. Assim, reduzir gargalos significa reduzir horas perdidas no sistema inteiro,
o que vai ao encontro da teoria das restrições, que aponta a melhoria da eficiência produtiva
pela redução de restrições e despesas operacionais, com manutenções corretivas e reposição
de itens.
Para tanto, é possível analisar poços voltados para o abastecimento d’água como um
sistema produtivo com pontos suscetíveis a falhas, logo, dependentes de um balanceamento
de recursos a nível de aperfeiçoamento de pessoal, manutenção e aquisição de itens de
qualidade. Neste trabalho, pode-se dizer que a TOC se relaciona com a termografia, aliada à
manutenção preditiva, quando sua aplicabilidade favorece a redução danos maiores, por esse
lado, implicando na predição de falhas que se manifestam como gargalos.
2.4. Breve histórico da Confiabilidade
Há pouco mais de 50 anos o conceito de confiabilidade vem sendo aplicado em sistemas
técnicos. Na descrição evolutiva da história da confiabilidade, Knight (1991 apud
FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009) coloca o significado tecnológico adquirido após a Primeira
Guerra Mundial, período em que a confiabilidade foi empregada para apresentar estudos
comparativos em aviões com um, dois ou quatro motores. Naquela conjuntura a
confiabilidade era medida como um número de acidentes por hora de voo.
Os protótipos de mísseis V-1 desenvolvidos na Alemanha por um grupo de engenheiros
da equipe de Von Braun, durante a Segunda Guerra mundial, não obtiveram sucesso nos
31
testes, aterrissando antes do alvo ou explodindo durante o voo. Diante dessas falhas, o
matemático Robert Lusser foi contratado para analisar o sistema operacional dos mísseis.
Segundo a análise de Lusser, proposta pela lei de probabilidade de um produto com
componentes em série, em que a confiabilidade de um sistema em série é igual ao produto das
confiabilidades de suas partes componentes, sistemas com muitos componentes em série
tendem a apresentar baixa confiabilidade. Embora ocorra melhora individual da
confiabilidade em componentes o efeito tende a ser pequeno sobre o sistema (FOGLIATTO e
RIBEIRO, 2009, p.3-4).
Na perspectiva dos autores, a aplicação da confiabilidade seguiu um percurso
importante, motivado pelas necessidades de desenvolvimento de produtos, processos e armas
cada vez mais competitivas, além de disputas como a Guerra Fria.
Nesse contexto, nos Estados Unidos, “A corrida para ser a primeira nação a enviar uma
missão tripulada à Lua, em particular, motivou avanços na área da confiabilidade, tendo em
vista os riscos humanos envolvidos”. A análise dos riscos associados à construção e operação
de usinas nucleares centralizou o estudo da confiabilidade na década de 1970. Suas aplicações
se consolidaram a partir daí nas mais diversas áreas, a exemplo de algumas ligadas à
engenharia de produção, como: análises de risco e segurança, qualidade, otimização da
manutenção, proteção ambiental e projetos de produtos (Ibid., p.4-5). Dentre essas, a
otimização da manutenção assume uma relação estreita com a confiabilidade, através da
adoção de programas de Manutenção Centrada em Confiabilidade (MCC).
2.5. Grau de Confiabilidade
A concepção da confiabilidade estabelece a probabilidade de um sistema ou item de
realizar sua função com sucesso durante determinado intervalo de tempo. Os valores que pode
assumir, de forma adimensional, são obtidos por cálculo que resultam entre zero e um, sendo
que quanto maior esse valor maior o grau de confiabilidade.
Na descrição dos tempos até a falha de um sistema, eles podem ser discretos (n.° de
rotações até falha, n.° de partidas até falha, etc.), ou contínuos (tempo de calendário), sendo a
variável aleatória representada por “T” e expressa na prática por “t”. As variáveis discretas
podem ser aproximadas por variáveis contínuas, assim, supõe-se “T” continuamente
distribuída com densidade de probabilidade f(t) e função acumulada de probabilidade F(t), em
que as relações são dadas pelas equações (2.1), (2.2) e (2.3) (FOGLIATTO e RIBEIRO,
2009):
(2.2)
(2.3)
(2.1) )('
)()( tF
dt
tdFtf
2
1
)()()( 12
t
t
dttftFtF
2
1
)()(
t
t
dttftF
32
A função densidade de probabilidade f(t) expressa a variação da probabilidade de falhas
pelo tempo. Já a função distribuição de probabilidade ou função acumulada de falhas F(t)
exprime a probabilidade de falhas sobre um dado sistema em um intervalo de tempo de t1 a t2.
Nessa descrição, a função de confiabilidade é dada pela probabilidade da unidade
(componente/sistema) não falhar, ou seja, de sobreviver no intervalo (0, t], sendo expressa
pela equação (2.4) (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009):
(2.4)
A função de risco, ou taxa de falhas h(t) (hazard function ou hazard rate λ(t)) é uma
medida de confiabilidade associada ao nível de risco de um sistema/item falhar dentro de um
intervalo de tempo t. Unidades com mesma confiabilidade em t podem ter funções de risco
bastante diferentes, sendo essa uma medida útil na comparação entre sistemas com
propriedades distintas (ibid).
Accioly (1995); Fogliatto e Ribeiro (2009) descrevem a relação entre a função de risco
h(t), a função densidade de probabilidade f(t) e a função de confiabilidade R(t), para a
estimativa dos tempos de vida de equipamentos, conforme a expressão (2.5).
(2.5)
Essa taxa de falhas está intimamente ligada às características de um determinado objeto
de estudo e representa sua probabilidade de funcionar até o tempo t, podendo a função ser
ajustada aos dados reais de falhas encontrados. No entanto,
A tarefa de ajustar uma distribuição seria extremamente fácil se tivéssemos dados de
toda a população a ser estudada e esta população fosse homogênea. Entretanto o que
geralmente ocorre é que temos apenas uma amostra de uma população, que
poderíamos considerar infinita, e que dentro destes dados coexistem diversos tipos
de causas responsáveis pelas falhas de nosso objeto de estudo (ACCIOLY, 1995,
p.8).
Ao longo do tempo a relação da confiabilidade no envelhecimento de equipamentos
vem sendo estendida, onde muitas vezes nesse percurso acreditou-se que todo equipamento
apresentaria características de desgaste.
A otimização de processos industriais é uma forma de contribuir diretamente sobre a
confiabilidade dos sistemas produtivos, aliada ao uso racional dos recursos disponíveis leva
ao aumento da disponibilidade, e com isso, à sustentabilidade ambiental.
Nesse contexto, a confiabilidade permeia basicamente duas formas de abordagens:
Qualitativa – abordagem baseada na Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC),
a qual analisa os modos de falhas e seus efeitos para o sistema.
Quantitativa – abordagem baseada em modelos estatísticos de distribuições de
probabilidades de falhas, os quais permitem estimar o tempo de vida do sistema,
através de variáveis associadas, como número de ciclos de operação, número de
falhas, tempo de paradas, e custos da manutenção e da perda de produção.
)(
)(
)(1
)()(
tR
tf
tF
tfth
0),()(1)(1)( ttTPtTPtFtR
33
Na manutenção industrial, ambos os enfoques permitem aos profissionais da área
atribuir graus de confiabilidade aos sistemas a partir da descrição de seus subsistemas. Na
identificação dos objetos de estudo, um item pode ser analisado como sistema formado por
um arranjo de equipamentos diversos, ou como um equipamento em particular, dependendo
do propósito de estudo. Conhecendo os equipamentos e suas funções dentro de um sistema
industrial, é conveniente utilizar ferramentas, métodos e normas que determinem a criticidade,
a confiabilidade e a previsão de sobressalentes do sistema, promovendo com essas ações o
aumento da disponibilidade e produtividade.
A definição de confiabilidade, como função de um período de tempo, tem cinco
implicações (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009):
I. O analista deve definir uma unidade de tempo (exemplo: horas ou anos) para realização
das análises;
II. Modelos que descrevem os tempos até falha utilizam a variável aleatória T (e não X,
como é usual na Estatística clássica);
III. O tempo não deve ser interpretado literalmente, já que o número de ciclos também pode
representar o tempo até a falha de um item;
IV. A confiabilidade deve ser associada a um período de tempo ou duração de missão; e
V. A determinação do que deveria ser usado para medir vida de um item nem sempre é
óbvia; por exemplo, o tempo até falha de uma lâmpada pode ser definido como o
número somado de horas até falha, considerando o número típico de acionamentos a que
a lâmpada é submetida e desconsiderando o tempo desligada.
Além disso, as condições ambientes são preponderantes na estimativa da confiabilidade,
uma vez que operando em ambientes de calor ou umidade intensos um mesmo produto pode
apresentar desempenho distinto, se confrontado a produtos sob condições climáticas amenas
de uso.
Embora haja proximidade entre os conceitos de confiabilidade e qualidade, a primeira
introduz a passagem do tempo e a definição das especificações de uso pretendido para o item
em estudo. Já a ideia de qualidade consiste em uma descrição atemporal e estática de um item,
ou serviço, e determina o cumprimento de suas especificações com a menor variabilidade
possível. Ao dar seguimento, a confiabilidade,
[...] está associada à operação bem-sucedida de um produto ou sistema, na ausência
de quebras ou falhas. Em análises de engenharia, todavia, é necessária uma definição
quantitativa de confiabilidade, em termos de probabilidade. [...]. Os principais
conceitos associados à confiabilidade são: qualidade, disponibilidade,
mantenabilidade, segurança e confiança (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009, p.1-7).
Nesse sentido, a confiabilidade se relaciona com a probabilidade quando se definem
modelos de ciclo de vida de equipamentos, os processos que levam às falhas e as condições e
regimes de operacionalização que venham a corromper seus desempenhos. Accioly (1995) e
Sellitto (2005) repartem ideias complementares, ao afirmarem que o conceito de
confiabilidade implica na probabilidade de que um item ou produto industrial execute suas
funções com sucesso, sem que ocorra falha ou intervenções para manutenção dentro de um
34
tempo específico, e que isso deve obedecer a condições operacionais preestabelecidas. A
NBR-5462 (1994) acrescenta a importância de algumas considerações como:
Condições ambiente de operação dos equipamentos
Tempo de operação do sistema, como indicativo da severidade dos danos.
Periodicidade de manutenção.
Como modelo de estudo aplicado, Accioly (1995) realiza um estudo de confiabilidade
de bombas centrífugas submersas considerando fatores de prognóstico relacionados. Nos
objetivos, são investigados os dados de falha de um sistema de Bombeio Centrífugo
Submerso (BCS), de modo a elucidar fatores que tem principal influência em seu
desempenho, para obter os tempos médios de vida dos equipamentos.
Para ajustar modelos estatísticos que admitam avaliar o risco de falha em equipamentos
deve-se considerar o tempo de vida útil ou de sobrevivência até que ocorra a falha como
variável de importância. O tempo de vida útil corresponde ao período de operação onde há a
menor probabilidade de falhas. Nesse âmbito,
A operação e o reparo de uma máquina em ambiente fabril são experimentos. O
tempo até a falha, a produção até a falha e o tempo até o reparo são algumas das
saídas do experimento. São variáveis aleatórias, entre outras, as: (i) horas entre
falhas; (ii) unidades produzidas entre falhas; e os (iii) minutos até o reparo (LEWIS,
1996 apud SELLITTO, 2005).
Estas variáveis são consequências de outras variáveis aleatórias, tais como o tempo
alocado para operação, a resistência dos materiais e a carga exigida pelo serviço. Como não se
consegue conhecer e controlar todos os fatores ativos, usam-se técnicas probabilísticas para
prever o comportamento das variáveis (Ibid, p.48). Essas afirmações caracterizam itens
isolados, enquanto em sistemas é preciso considerar além das variáveis mencionadas o fator
humano, que envolve riscos durante intervenções realizadas por operadores, muitas vezes
ligadas à mau interpretação de instruções.
2.6. Modelos de distribuição de probabilidade
Na literatura, existem diversos modelos paramétricos que são utilizados de forma
satisfatória para expressar os tempos de vida de sistemas e equipamentos, denominados
modelos de distribuição de probabilidade para o tempo de falha. De acordo com o tipo de
equipamento analisado e com o tipo de dados de falhas disponível é selecionada a distribuição
de probabilidades para análise.
Em Fogliatto e Ribeiro (2009), quatro distribuições de probabilidade frequentemente
utilizadas para descrever tempos até falha de componentes e sistemas são detalhadas: (i)
Exponencial, (ii) Weibull, (iii) Gama, e (iv) Lognormal. As funções mais comumente usadas
em estudos de confiabilidade são: f(t), R(t), h(t) e MTBF (Tempo Médio Entre Falhas, do
inglês "Mean Time Between Failures”).
35
Alguns modelos de distribuição expressam o comportamento de tempos até a falha com
base na função de risco (MAGALHÃES, 2013):
h(t) constante, sugerindo o modelo exponencial que explica o comportamento de
componentes eletroeletrônicos;
h(t) linear crescente, sugerindo o modelo de Rayleigh, que explica o comportamento de
modelos mecânicos; e
h(t) exponencial, que sugere o modelo de Weibull para explicar o comportamento de
sistemas cuja falha nasce da competição entre diversos modos de falha. Neste caso, o
tempo até a falha de um equipamento é uma variável aleatória que segue este modelo se os
modos de falha atuarem em série, competindo pela falha.
A distribuição exponencial restringe sua aplicação a alguns componentes elétricos, que
não apresentam memória de falha, no entanto, aplica-se também à modelagem sobre unidades
que apresentam desgaste ou fadiga apenas durante seu período de vida útil, quando a
ocorrência de falhas for relativamente constante no tempo (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009).
As relações de confiabilidade de interesse para uma distribuição exponencial são
representadas (para 0t ) nas equações (2.6), (2.7), (2.8) e (2.9), onde a taxa de falhas ( ) é
constante e seu inverso é conhecido como Tempo Médio Entre Falhas (TMEF, ou do inglês
MTBF) (LAFRAIA, 2001).
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
Conforme análise de Fogliatto e Ribeiro, (2009, p.17, questão 13), sobre um grupo de
dados de conjuntos motobombas, a distribuição de probabilidade que melhor se ajusta aos
dados para a estimativa do tempo até falha (MTTF) foi a lognormal, numa simulação
utilizando o software Proconf.
A lognormal é um tipo de distribuição com bastante aplicação na modelagem de tempos
até reparo em unidades reparáveis. A função de risco da lognormal exibe formato de uma
curva de banheira invertida, com h(t) crescendo inicialmente e, após, decrescendo
assintoticamente. Costuma-se supor que a taxa de reparo (isto é, a intensidade com que
reparos são concluídos) se assemelha à função de risco de uma distribuição lognormal, sendo
esse um fator que depende da eficiência do pessoal da manutenção e da disponibilidade de
recursos materiais (ibid, p.33).
TMEFth
1)(
RtF 1)(
tetR )(
tetf )(
36
A descrição completa das medidas de confiabilidade de interesse, para esse, e para
outros tipos de distribuição de probabilidade de falha está em Fogliatto e Ribeiro (2009, p.28-
33).
2.7. Sistemas em série e em paralelo
2.7.1. Sistemas em série
Os sistemas em série, a exemplo da figura 2.4, correspondem àqueles em que a falha de
qualquer item resulta na falha do sistema, sendo em geral os mais comuns.
Figura 2.4. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em série. Fonte: Fogliatto e Ribeiro (2009).
A confiabilidade do sistema RS é dada pelo produto das confiabilidades individuais
destes itens Ri, como mostram as equações (2.10) e (2.11) (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009).
(2.10)
(2.10)
Um aspecto importante sobre esse tipo de associação de itens, é que, à medida que o
número de itens aumenta no sistema, a confiabilidade decresce rapidamente.
2.7.2. Sistemas em paralelo
Os sistemas em paralelo correspondem àqueles em que todos os itens devem falhar para
que o sistema falhe, como mostra a figura 2.5.
Figura 2.5. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em paralelo. Fonte: Fogliatto e Ribeiro (2009).
n
i
iS RR1
)(...)()( 21 nS xPxPxPR
37
Nessa configuração de itens independentes, a confiabilidade do sistema é determinada a
partir da sua não-confiabilidade F(t), dada na equação (2.12), resultando na equação (2.13) da
confiabilidade para sistemas em paralelo:
(2.11)
(2.12)
Existem outras formas de arranjos de itens, que derivam da associação entre sistemas
série e paralelo. Sistemas do tipo paralelo-série caracterizam-se por apresentar redundância no
nível do sistema (também designada por redundância de alto nível), sendo constituídos por m
subsistemas em série e de n componentes conectados em paralelo. Equipamentos em
redundância, ou seja, associados em paralelo permitem aumentar a disponibilidade do
sistema, já que caso um equipamento falhe, o(s) outro(s) supre(m) o funcionamento do
sistema.
A análise do sistema por ser feita subdividindo-o em subsistemas, conforme a figura
2.6.
Figura 2.6. Representação genérica em diagrama de blocos de sistemas série-paralelo e paralelo-série, com
respectivas decomposições em subsistemas.
Seja Rij a confiabilidade do j-ésimo (j=1,...,n) componente localizado no i-ésimo
(i=1,...,m) subsistema em série. A confiabilidade do subsistema, segundo Fogliatto e Ribeiro,
(2009), é:
(2.13)
No caso especial em que todos os itens do sistema paralelo-série são idênticos e
apresentam confiabilidade R, a confiabilidade do sistema será dada por:
(2.14)
)(...)()()( 21 nxPxPxPtF
n
i
iS RR1
)1(1
m
i
n
j
ijS RR1 1
11
mn
S RR )1(1
38
2.8. Padrões de falhas
Itens simples e complexos apresentam padrões de falhas diferentes, que no geral
seguem uma relação quase inversa entre o tempo de operação (idade) e a confiabilidade do
item. Isso levanta implicações para a disponibilidade desses tipos de itens frente a
manutenção oferecida.
Ocorre que nem sempre são necessárias informações históricas extensas sobre falhas
para se ter uma política de manutenção eficaz, sendo esse registro limitado pela evolução e
modificação dos ativos que caracterizam um banco de dados reduzido (de falhas) e em
constante mudança frente às exigências operacionais. Isso leva à uma contradição em relação
à prevenção de falhas catastróficas,
[...] que a manutenção preventiva bem-sucedida envolve impedir a coleta dos dados
históricos que julgamos necessários para decidir que manutenção preventiva
devemos fazer. [...] As falhas com consequências menores tendem a ser permitidas
ocorrer, precisamente porque não importam muito. Como resultado, grandes
quantidades de dados históricos estão disponíveis sobre essas falhas, o que significa
que haverá material suficiente para análises de risco precisas. Estes podem até
revelar alguns limites de idade, no entanto, como as falhas não importam muito, é
altamente improvável que as tarefas de manutenção no intervalo fixo resultante
sejam rentáveis (NOWLAN e HEAP, 1978).
No curso do exposto, além de contar falhas para um histórico e esperar a reprodução de
um padrão sobre itens, é necessário que o pessoal da manutenção se acostume com a ideia da
incerteza e implemente estratégias que permitam lidar com ela, fazendo uso de dados reais
sobre distribuições de probabilidades condicionais de falhas que possam gerar estimativas
mais confiantes na predição de falhas catastróficas.
Dois estudos apontaram resultados similares, a respeito da aleatoriedade das falhas
sobre itens complexos, um na Suécia em 1973, e outro na marinha dos Estados Unidos (U.S.
Navy) em 1983. Do total das falhas analisadas, de 77% a 92% foram classificadas como
aleatórias e de 8% a 23% as falhas relativas à idade dos componentes (BENEDETTI, 2002).
Nowlan e Heap (1978) abordam o caso da “United Airlines”, companhia aérea
norteamerica que desenvolveu inúmeras curvas de condicionalidade de componentes
complexos para componentes de aeronaves a fim de garantir que os tempos de revisão mais
elevados não estavam reduzindo a confiabilidade geral.
Seis modelos referentes à probabilidade de falha (função de risco) pelo tempo de
operação (idade) são apresentados (NOWLAN e HEAP, 1978):
Modelo A – Curva da banheira, mortalidade infantil segue com uma constante de vida
útil e cresce exponencialmente com o desgaste no fim da idade (envelhecimento);
Modelo B – Constante, com aumento exponencial no fim da idade, seguido de
desgaste, ocorrendo falha a qualquer momento (típico de motores alternativos de
aeronaves);
Modelo C – A probabilidade de falha aumenta gradualmente, sem identificar o degaste
com a idade. (típico de motores de aeronaves com turbinas);
39
Modelo D – Baixa probabilidade de falha quando o item é novo, seguido de um
crescimento rápido para um nível constante;
Modelo E – Probabilidade constante de falha em toda a idade (distribuição
exponencial de sobrevivência);
Modelo F – Mortalidade infantil, que amortiza para uma probabilidade de falha
constante e que lentamente aumenta (componentes eletroeletrônicos).
A figura 2.7 expõe os padrões de confiabilidade de uma variedade de itens mecânicos e
elétricos. Em cada caso, o eixo vertical representa a probabilidade condicional de falha e o
eixo horizontal representa a idade de operação desde a fabricação, inspeção ou manutenção.
Figura 2.7. Curvas de probabilidade condicional de falhas (função de risco). Fonte: Adaptada (NOWLAN e
HEAP, 1978).
Estas seis curvas são derivadas de análises de confiabilidade realizadas sobre aeronaves
civis, durante as quais todos os itens estudados foram caracterizados por uma ou outra curva
dentro de porcentagens que representam cada um dos padrões básicos (United Airlines in
NOWLAN e HEAP, 1978, p.68). Os 11% dos itens estudados e representados pelas curvas A,
B e C podem se beneficiar de um limite de idade operacional, os outros 89% não demonstram
tendência de aumento da probabilidade de falha com o tempo, o que dificulta o trabalho de
manutenção sobre itens mais complexos.
Os modelos A e B são característicos de itens simples. Segundo a literatura, é comum
equipamentos como bombas, válvulas, compressores, máquinas e motores chegarem à fase de
envelhecimento (ACCIOLY, 1995). Os modelos mais complexos são os C, D, E e F que
representam itens como componentes eletrônicos. Itens simples manifestam uma relação entre
a confiabilidade e o tempo de operação. Os itens complexos evidenciam uma tendência à
mortalidade infantil, e depois a probabilidade de falhas aumenta gradualmente (MOUBRAY,
1995; NOWLAN e HEAP, 1978).
40
Para Fogliatto e Ribeiro (2009, p.11), o ciclo de vida de equipamentos possui três
períodos distintos:
Mortalidade Infantil – Representa um período da vida útil com grande taxa de falhas
precoces, devido a defeitos de fabricação em componentes ou deficiências de projeto.
Essas falhas também ocorrem por causa de problemas de instalação.
Vida Útil (Maturidade) – A taxa de falhas é atenuada e relativamente uniforme em
qualquer momento no tempo, decorrendo de condições extremas no ambiente de
operação do item, ou por um acaso (falhas aleatórias). Depende de fatores de estresse
que atuam entre o meio e os itens do sistema, como sobreaquecimento, fadiga e
corrosão acelerada, sendo, portanto, mais difícil sua previsão.
Envelhecimento ou Degradação – A degradação natural do item conduz ao aumento
da taxa de falhas por desgaste, que se intensifica com o passar do tempo, também
conhecida como mortalidade senil.
A curva da banheira é uma forma qualitativa de esboçar o comportamento de um
equipamento quanto a seu tempo de vida útil. Sua representação na figura 2.8 sintetiza as
informações supracitadas, diante da função de risco h(t) ao longo do ciclo de vida
(FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009, p.11).
Figura 2.8. Exemplo de curva de banheira e ciclo de vida de equipamentos (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009,
p.11).
Ao reduzir a variabilidade das características de desempenho de itens aumenta-se sua
qualidade e confiabilidade, por meio dos estágios de projeto do processo e fabricação, o que
contribui para a diminuição das taxas de falhas precoces na mortalidade infantil (LEWIS,
1996 apud FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009). Nesse sentido, vale observar o artigo 12 do
código de defesa do consumidor, que diz,
O fabricante, o produtor, o construtor, nacional ou estrangeiro, e o importador
respondem, independentemente da existência de culpa, pela reparação dos danos
causados aos consumidores por defeitos decorrentes de projeto, fabricação,
construção, montagem, fórmulas, manipulação, apresentação ou acondicionamento
de seus produtos, bem como por informações insuficientes ou inadequadas sobre sua
utilização e riscos (BRASIL, 1990).
41
A exemplo da montagem de um BCS, sua forma inadequada é outra fonte de falhas
precoces, oriundas de erros procedimentais de instalação no poço, que na maioria dos casos
podem ser contornados através do aperfeiçoamento dos técnicos responsáveis pela instalação
(ACCIOLY, 1998).
Na indústria, é cada vez maior o número de itens que estão em conformidade com os
modelos de falhas D, E e F, vistos anteriormente, os quais estão relacionados à maior
complexidade das funções exercidas. Em itens complexos, o número de inspeções e
manutenções em intervalos regulares apenas concordará com o aumento da confiabilidade
quando estiver presente um modo de falha dominante relacionado à idade, do contrário haverá
aleatoriedade na ocorrência de falhas. Isso vai de encontro com a crença associada à curva da
banheira (modelo A), de que o tempo é o fator determinante para a falha.
Do ponto de vista da manutenção, esses modelos enfrentam dificuldades práticas, onde
mesmo passando por inspeção equipamentos podem falhar entre uma e outra, nesses casos, a
própria intervenção para inspeção/revisão pode ser a causa da falha. No entanto, os aspectos
básicos que se distinguem entre os modelos de falhas geram visões importantes para o
acompanhamento dos ativos. A representação da confiabilidade de itens nas curvas de falhas
fornece subsídios de como planejar a manutenção, pois é possível identificar em alguns desses
modelos o período de mortalidade infantil, onde ocorrem falhas prematuras de itens no início
de operação, e o período de envelhecimento, onde ocorrem falhas esperadas, típicas de
desgastes e outros modos de falhas.
2.9. Disponibilidade média
A disponibilidade é definida pela NBR 5462 como a capacidade de um item executar
certa função em um dado instante ou durante um intervalo de tempo determinado, levando-se
em conta os aspectos combinados de sua confiabilidade, mantenabilidade e suporte de
manutenção, supondo que os recursos externos requeridos estejam assegurados.
Algumas questões básicas sobre o critério do tempo orientam a avaliação da
disponibilidade, sendo elas: o período que o equipamento permaneceu funcionando; e o
período que ele deveria funcionar, tirando as paradas programadas.
Em unidades que não passam por manutenção, o conceito de disponibilidade coincide
com o de confiabilidade. Para um dado período de análise em unidades reparáveis, as
situações em que se encontram podem ser em operação, ou em manutenção. Neste caso,
trabalha-se com a ideia de que a manutenção restabeleça às unidades o estado de novo, sendo
utilizado um valor médio de disponibilidade dado por (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009):
(2.15)
Onde,
A: Disponibilidade média da unidade (do inglês: availability).
MTTF: Tempo Médio até a Falha, ou tempo médio de funcionamento da unidade (Mean
Time to Failure).
MTBF
MTTF
MTTRMTTF
MTTFA
42
MTTR: Tempo Médio para Reparo (Mean Time To Repair).
MTBF: Tempo Médio Entre Falhas. (Mean Time Between Failures).
De forma clara, a disponibilidade de um equipamento numa linha de produção é a
relação entre o tempo em que esteve disponível e o tempo total. Exemplo: certo mês uma
Motobomba submersa de uma determinada concessionária de abastecimento d’água operou
sem ocorrência de paradas programadas, no entanto, houve paradas por anomalias em sua
instalação.
Nessa suposição o equipamento apresentou falhas, permanecendo inoperante durante os
tempos de ocorrência nos dias 3 (24 horas) e 4 (por mais 16 horas), dia 10 (parada de 6 horas),
e dia 26 (parada de 9 horas), onde essas ocorrências coincidem com os MTTR, contados a
partir do surgimento das 3 falhas. Essas hipóteses de falhas estão representadas na figura 2.9 e
em seguida na tabela 2.1.
Figura 2.9. Falhas (em vermelho) ocorridas em um mês numa instalação de motobomba.
Tabela 2.1. Tempos (em horas) de ocorrência de falhas para as condições de operação de uma motobomba na
hipótese apresentada.
Na primeira falha a motobomba ficou inoperante do dia 3 até as 16 horas do dia 4,
devido a um problema de detecção com duas hipóteses: o sistema não sinalizou a parada de
produção para a central de manutenção, ou, não houve visita nas instalações nesse dia.
Identificada a causa da falta d’água por equipe de manutenção, como sendo motor queimado,
a equipe de gestão de ativos toma providências para obtenção e liberação do material
necessário (conjunto motobomba, fiação, eletrodos de nível, tubulação edutora, etc.) e mão de
Item Conjunto MotoBomba Submersa
Per
íod
o
op
erac
ion
al
Regime diário 24
Regime 30 dias 720
Disponível (MTBF) 665
Indisponível (MTTR) 55
Falhas Dias Ocorrência (h)
1ª 3-4 40
2ª 10 6
3ª 26 9
1 23
(24h)4
(16h)5 6 7
8 910
(6h)11 12 13 14
22 23 24 2526
(9h)27 28
15 16 17 18 19 20 21
29 30
43
obra técnica para o serviço de manutenção corretiva. Durante o serviço de correção, na
retirada do equipamento de dentro do poço, verificam-se 3 tubos com furos de desgaste,
confirmando a necessidade de substituição desses itens. Após a retirada da motobomba e
demais equipamentos, identifica-se um acúmulo de 4 metros de sedimentos compostos por
cascalho, e na maior parte por areias de diferentes granulometrias do fundo do poço, que
acabou obstruindo o crivo da bomba e sobreaquecendo o motor, levando à causa da falha e da
falta d’água.
Diante da identificação desse problema, um caminhão “munck” com compressor de ar é
acionado para limpeza dos sedimentos e restabelecimento da distância mínima de segurança
entre a motobomba e o fundo do poço (3 metros). Os serviços se iniciam no dia 3, levando 4
horas desde a retirada dos equipamentos do poço, montagem dos dutos do compressor e
revitalização, com mais 3 horas para desmontagem da tubulação do compressor, reinstalação
da motobomba com tubulação, testes e reativação do sistema. A figura 3.13 (seção 3.12)
mostra os elementos básicos que compõem um sistema de bombeamento.
Na segunda falha, o relé térmico atuou por sobrecarga, pois na manutenção anterior sua
corrente não foi regulada considerando o fator de serviço do motor, o que levou o dispositivo
a entrar em proteção. Na terceira parada, a falha incide devido a uma falta de energia na rede
de distribuição externa. Nestas duas últimas paradas supõe-se que o horário em que o
operador passe no local do poço não coincida com os eventos, sendo comum que a correção
das falhas e reativação da motobomba se dê a partir de reclamação de falta d’água feita por
consumidores, pela qual é aberta uma ordem de serviço para manutenção.
No exemplo comentado da motobomba, ao substituir os dados na expressão da
disponibilidade, chega-se a um valor referente aos 30 dias:
(2.16)
A avaliação sobre esse caso hipotético leva a crer que a disponibilidade se manteve num
patamar satisfatório durante o mês, e que o número de falhas é relativamente tolerável por ter
acontecido problemas externos durante os 30 dias, sendo que essa análise pode se estender
para o tempo de vida útil de um equipamento. A depender desse fator, os prejuízos
incumbidos devem conduzir a uma melhoria na metodologia de acompanhamento e
manutenção dos ativos, para que se evite ao máximo as perdas de produção e custos elevados
com manutenção não planejada.
2.10. Mantenabilidade
Segundo a NBR 5462, a mantenabilidade pode ser definida como a capacidade de um
item ser mantido ou recolocado em condições de executar suas funções requeridas, sob
condições de uso especificadas, quando a manutenção é executada sob condições
determinadas, procedimentos e meios prescritos.
A mantenabilidade caracteriza o tempo destinado para realização de reparo “MTTR”.
%3,9210055665
665
hh
hD
44
CAPÍTULO III
3. RELEVÂNCIA DO ESTUDO DE CASO PARA A INDÚSTRIA
3.1. Consumo energético no setor industrial
No Brasil 36,3% da energia elétrica gerada é consumida pelo setor industrial, com
perspectiva de uma redução para 35% até 2019 (EPE, 2015), de acordo com a figura 3.1.
Figura 3.1. Estrutura do consumo por classe (%) no Sistema Interligado Nacional (SIN). Fonte: MME, 2015.
Desses dados, destaca-se uma tendência de aumento do consumo de energia elétrica por
parte da atividade comercial e residencial, motivada pelo crescimento populacional. Na
distribuição de consumo por classe apontada em 2015, dos 36,3% do consumo de energia
elétrica pelo setor industrial no país, 2/3 da energia é consumida pelo uso final de força
motriz, conforme mostra a figura 3.2.
Figura 3.2. Distribuição do consumo de energia elétrica por uso final na indústria. Fonte: SEBRAE-SP, 2014.
De acordo com o perfil de consumo de energia elétrica pela indústria brasileira,
publicado por um levantamento do Balanço Energético Nacional (BEN) do MME, o uso da
força motriz predomina em 68% do consumo, inclusive o processamento de fluidos e a
45
refrigeração. Destacam-se os ventiladores, compressores, bombas e outras aplicações
envolvendo motores elétricos como os principais meios de consumo (EPE, 2005).
É importante citar algumas medidas capazes de garantir maior disponibilidade de
energia e equipamentos, além da redução de impactos ambientais. É o caso da diminuição de
perdas térmicas nos Sistemas Elétricos de Potência (SEP), através de manutenções preditivas,
dimensionamento adequado de itens, redimensionamento ou a substituição de equipamentos
antigos por equipamentos mais eficientes, e uso da reciclagem de calor combinando a
cogeração.
3.2. Perdas de energia em instalações elétricas
Em um sistema de bombeamento, é razoável dizer que parte da energia elétrica utilizada
para realizar trabalho é a exergia, ou seja, a parte nobre e útil da energia, a outra parte é a
anergia, dissipada na forma de som e calor. Em face disso, é certo que os pontos quentes são
agentes causadores do aumento do consumo de energia elétrica, junto a outros efeitos trazidos
por distúrbios da rede elétrica, sobrecarga de motores e mal dimensionamento de cabos, onde
o efeito Joule é intrínseco e intensificado por condições ambientes estressantes (umidade e
temperatura).
O aquecimento excessivo em condutores gera ciclos de dilação que podem intensificar
as perdas de energia por aquecimento através do efeito Joule, causado pela dissipação de
potência elétrica na forma de calor.
Há um potencial de que milhares de pontos quentes estejam espalhados pelo sistema
elétrico brasileiro, gerando desperdício de energia elétrica, o que torna esse um assunto de
interesse dos responsáveis pelo setor elétrico do país, quanto às medidas de eficiência a serem
tomadas à médio e longo prazo. Da mesma forma, sistemas elétricos industriais alimentados
por baixa tensão (BT) também são afetados, onde os pontos quentes geralmente acompanham
danos em equipamentos, reduzindo seu desempenho e vida útil.
Uma medida útil em sistemas que possuem componentes eletrônicos é climatizar os
quadros de comandos com ventiladores, principalmente quando existir equipamentos como
soft starters e inversores de frequência. Isso pode ser feito, aliado ao acompanhamento
periódico através de inspeção termográfica, para prevenir ao longo do tempo a redução de
performance e possíveis falhas ocasionadas por sobreaquecimento.
No Sistema Interligado Nacional (SIN), a carga ajustada é uma medida que busca
eliminar os efeitos de fatores casuais e não econômicos, onde sua estimativa se faz:
[...] utilizando as temperaturas típicas para a época do ano em cada subsistema e não
as temperaturas efetivamente verificadas. Assim, em um mês excepcionalmente
quente a carga ajustada é menor que a carga verificada, o oposto ocorrendo em um
mês com temperaturas atipicamente amenas. As perdas na rede básica que são
calculadas pelo ONS decorrem da forma como o sistema é operado e não têm
qualquer implicação econômica. Por isso são excluídas da carga ajustada. (ONS,
2015, p.3).
46
No SIN, é possível ajustar a carga de acordo com os dias que normalmente apresentam
carga baixa (sábados, domingos e feriados), dentro de uma programação em calendário.
Diferentemente, a carga consumida na operação de equipamentos industriais (a nível de baixa
tensão), é isenta de compensações para efeito de balanço de consumo, ou seja, toda a carga
medida (com ou sem perdas por aquecimento na instalação) é contabilizada.
Para retratar uma pesquisa a respeito da classificação de pontos quentes, feita por
termografistas da Flir Inc., nos Estados Unidos,
De março de 2005 a junho de 2010, os termografistas realizaram 6.445 inspeções
termográficas, com uma média de cerca de 100 exames por mês. Usando 22
câmeras, os termografistas encontraram 47.077 falhas (ou deficiências) para uma
média de 7,3 falhas por relatório. A redução de custos de reparo elétricos é estimada
em US$ 500 para pequenas falhas ou intermediários e US$ 3.000 para faltas graves
ou críticas. Essas estimativas são baseadas em experiências típicas na indústria. As
quatro categorias de falhas são baseadas em diferenciais de temperatura da norma.
Pequenas falhas são de 1 °F a 9 °F acima da norma. Falhas intermediárias são de 10
°F a 34 °F; as falhas graves são de 35 °F a 74 °F; e as críticas são 75 °F ou mais
acima do estabelecido pela norma (LISBOA, 2014).
Nesse sentido, os problemas apresentados por este estudo de caso, correlacionados ao
comportamento térmico de sobreaquecimento nas instalações elétricas das motobombas,
convergem para soluções metodológicas por meio da inspeção de pontos quentes.
3.3. Papel da concessionária de abastecimento d’água sobre a qualidade da manutenção
A meta de atender aos consumidores, fornecendo água em quantidade e qualidade passa
pela discussão essencial das transformações econômicas, tecnológicas, sociais e políticas que
vem acontecendo no Brasil, e que acabam por influenciar em metas e estratégias de produção
cada vez mais desafiadoras, em níveis de custos, volume de produção e qualidade. Dessa
forma, a empresa concessionária de abastecimento d’água envolvida neste estudo, tem como
meta de prestação de serviço o fornecimento de água tratada de qualidade para o consumo
humano, a partir de um sistema de distribuição com estabilidade e segurança operacional,
tendo isso, como razão para a melhoria da qualidade de vida e manutenção da saúde da
população atendida.
Além do cumprimento das metas claramente definidas pelas empresas, dificuldades
ainda são enfrentadas por falta de acompanhamento de demandas básicas, com destaque para
a baixa performance ocasionada por avarias em equipamentos e a falta de planejamento de
manutenção que atenda às necessidades da produção, do porte do sistema e de sua
dependabilidade, ou seja, a garantia de funcionamento.
47
3.4. Histórico de falhas recorrentes em instalações de poços tubulares de
Parnamirim/RN
A cidade de Parnamirim/RN, foco dos sistemas estudados, possui 95% de sua rede de
abastecimento de água ligada diretamente a poços, perfazendo um total de 108 poços em
operação de um total de 144 perfurados. Essa situação reflete apenas 5 % de um número
insuficiente de reservatórios elevados distribuindo água aos consumidores, os quais pela ação
da gravidade mitigam transtornos momentâneos com a parada do sistema de produção, pois
oferecem tempo para a realização de manutenções nos poços.
Nesse quadro, a vantagem que a cidade desponta está relacionada à sua topografia com
relevo predominantemente plano.
As demandas de manutenção na indústria de saneamento e distribuição de água tratada
relevam a devida atenção aos problemas de troca prematura de itens, com inclusão de outros
processos produtivos similares. Nota-se, que paradas prematuras de equipamentos rotativos
como motobombas, elevam os custos na correção de falhas, estando os problemas de
sobreaquecimento dentre os mais comuns. Não obstante, a irregularidade na operação de
sistemas eletromecânicos de poços reflete na redução da arrecadação. A filtragem dos
Registros de Atendimentos (RAs) do tipo “falta d’água”, referente ao período de atendimento
do ano 2015, baseia-se em falhas de poços que atendem diversos bairros de Parnamirim/RN.
De modo geral, são falhas causadas por danos cumulativos de caráter elétrico e térmico,
podendo ter outros motivos não especificados, a que se refere o gráfico 3.1.
Gráfico 3.1. Números de RA's de falta d'água em 2015. Nota: “Outros” se refere aos bairros e comunidades
próximos à zona rural. Fonte: GSAN/ CAERN, 2016.
12 161 7 9 7 5 2 8
354 11 4
335 11 12
30
100
54
312
-38
12
62
112
162
212
262
312
0
5
10
15
20
25
30
35
40
JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL
AGO SET OUT NOV DEZ ANO
48
Os dados apontam uma quantidade significativa de falhas no abastecimento no ano
2015, sobressaindo o bairro mais populoso da cidade, Nova Parnamirim, com 27,3% do total
das faltas d’água atendidas. No histórico de ordens de serviços, da unidade concessionária
responsável, a origem da incidência das falhas nos poços é predominantemente elétrica e
térmica, com destaque para os Conjuntos Motobombas Submersas (CMBS).
Na unidade, a manutenção operacional dos poços vem sendo realizada a partir de
chamados dos operadores das rotas, ou através de reclamação de consumidores, devido à falta
d’água. Nesse caso, quando ocorre a parada de uma motobomba realiza-se a manutenção
corretiva, na maioria das vezes com a substituição do equipamento por um novo, para acabar
com o problema de falta d’água, sendo uma medida utilizada em virtude do número
significativo de poços em operação e da ausência de um programa de manutenção planejada.
Revela-se a necessidade de planejar e executar manutenções preventivas e preditivas, de
modo que sejam evitadas perdas com as substituições antecipadas de motobombas, de
equipamentos danificados e perdas com a energia dissipada no processo irregular de
funcionamento, que deveria ser identificado antes de sua falha.
Diante de uma ordem de serviço emitida pela unidade, técnicos em eletrotécnica e
eletromecânica se dirigem ao poço afetado para realização da manutenção corretiva, onde
geralmente se troca o item com falha, e esporadicamente se faz a preventiva, com a inspeção e
reparo de danos perceptíveis nos quadros de automação de comandos, bem como serviços nas
instalações do poço.
Segundo Giampá e Gonçales (2005, p.34), os poços profundos estão susceptíveis a 3
principais tipos de problemas, sendo provável determinar suas principais causas em busca de
soluções, por meio do quadro 3.1.
Quadro 3.1. Problemas, causas e possíveis soluções em poços tubulares. Fonte: Giampá e Gonçales (2005,
p.34).
Na prática, é possível estender essa relação para os problemas que podem surgir em um
poço, suas causas e ações de manutenção.
49
Desconsiderando os erros humanos, possíveis de ocorrer durante a fabricação,
montagem e armazenamento de componentes eletromecânicos, o quadro 3.2 apresenta as
ações de manutenção sobre os principais itens de poços da unidade mantenedora, obtidos de
relatos e experiências acumuladas pela equipe de manutenção, que compreendem o histórico
do ano de 2015.
ITEM CLASSE EFEITO CAUSA DA FALHA AÇÃO
Relé térmico
(RT) Elétrica Sobreaquecimento
Sobrecarga-Motor
submerso; Pontos quentes
em emendas/ folgas em
terminais; Mal
dimensionamento de
condutores.
Ajuste do FS; Correção de
pontos quentes; ou
Substituição.
Contactor Elétrica Sobreaquecimento Ponto quente; Mal contato
(sujeira)
Reaperto; Limpeza; ou
Substituição.
Disjuntor Elétrica Sobreaquecimento;
Curto-circuito
*Ponto quente; 2-curto
entre fases; Distúrbios
elétricos.
Reaperto; ou Substituição.
Soft-start Elétrica
Sobreaquecimento;
Atuação de alarmes
de proteções
*Ponto quente/sobrecarga;
Falhas nas proteções; Falta
de energia.
Identificação e correção
dos PQs; Parametrização
do setup; ou Substituição.
Inversor de
frequência Elétrica
Sobreaquecimento;
Atuação de alarmes
de proteções
Ponto quente/sobrecarga;
Falhas nas proteções; Falta
de energia.
Identificação e correção
dos PQs; Parametrização
do setup; ou Substituição.
Motor Elétrica Sobreaquecimento
Sobrecarga; Curto-circuito
no enrolamento das
bobinas.
Substituição da
Motobomba.
Motor Elétrica Motor não liga
*Falha de comando;
*Atuação de proteções;
*Motor em curto ou
bobina queimada.
Corrigir falha no quadro de
comandos; Revisar
emendas; ou Substituir
cabo e motor danificado.
Motor Elétrica ou
Mecânica
Sobrecarga no
motor
*Distúrbios elétricos;
*Desgaste no bombeador;
*Velocidade alta; *Alta
vazão;
*Subarrefecimento/bomba
desacoplada.
Ajuste de tensão ou
aceleração; Revisão e
substituição dos itens
desgastados no
bombeador.
Cabos e fios
do CMBS Elétrica Sobreaquecimento PQs e Corrosão em cabos.
Refazer emendas; ou
Substituição.
Quadro de
medição
externo
Elétrica Sobreaquecimento;
Curto-circuito.
Sobrecarga na rede
elétrica, com desarme de
elo-fusível.
Acionamento da
concessionária de energia.
Bomba Mecânica Ausência ou perda
de vazão.
Vibração excessiva, Danos
nos rotores; Desgaste
corrosivo da estrutura
metálica e do selo de
proteção mecânica.
Acoplamento/rotor com
desgaste; Contaminação do
óleo isolante da bomba e
posterior curto circuito do
motor.
Substituição de tubulação
edutora danificada/
Substituição da
Motobomba.
Bomba Mecânica Vibração
*Lubrificação insuficiente
dos mancais; *Desgaste de
rolamentos; *Eixos tortos
ou com travamento parcial.
Revisar mancais,
rolamentos, substituir itens
gastos; ou Substituição
completa.
Bomba Mecânica Ruídos *Cavitação; *Rotores
desgastados.
Revisar bombeador; nível
dinâmico em operação e
50
relés de nível (possível
formação de vórtices); ou
Substituição completa.
Tubulação
edutora Mecânica
Vazamento + Perda
de vazão
Incrustações; Perfuração
por corrosão. Substituição.
Válvula de
retenção Mecânica
Retorno de água +
Calço hidráulico na
retenção da bomba
Pino suporte e portinhola
desgastados.
(Estanqueidade deficiente)
Substituição
Registro Mecânica
Perda de vazão;
Operação em Shut-
off/Obstrução +
Sobreaquecimento
do motor.
Gaveta arriada devido à
desgaste. Substituição
Quadro 3.2. Principais falhas, efeitos, causas e ações corretivas de rotina, da manutenção operacional nos poços
da UNAP.
Os itens citados no quadro retratam os casos recorrentes, devido à carência de
manutenção preventiva. Predomina em muitos casos o efeito do sobreaquecimento em cabos e
conexões, causado por alterações na tensão, corrente e resistência, pelas solicitações
operacionais e de ciclos, e, pelos intemperes do ambiente de trabalho. Além dos itens citados,
é comum que componentes de proteção do sistema de potência sejam danificados, como: relé
falta de fase (FF), relé de nível (RN), relé programador horário (temporizador), relé de tempo,
chaves, fusíveis, e, em alguns casos, elo-fusíveis de proteções externas da concessionária de
energia elétrica, popularmente conhecido como canela do transformador.
É importante notar que todas as falhas com efeitos térmicos têm como parâmetros
identificadores a temperatura e a corrente elétrica, pois o sobreaquecimento é diretamente
proporcional ao aumento de corrente nos condutores. Após a parada do sistema o efeito ainda
será perceptível, mas dependerá da temperatura atingida no momento anterior à falha, do
intervalo de tempo até a medição e do material condutor. Nos registros do quadro 3.2, entre os
16 efeitos causados por falhas, 68% dos casos tem origem em sobreaquecimentos ou pontos
quentes em itens do circuito de potência da motobomba, conforme o gráfico 3.2.
Gráfico 3.2. Proporção de efeitos sobre ocorrências de falhas (%).
A maior fatia dentre os efeitos observados está associada a falhas de classe elétrica,
mas com efeito térmico. Os efeitos destacados no gráfico são discutidos na seção 3.5 a seguir.
68%
15%
11%6%
Sobreaquecimentos Perda de vazão Distúrbios elétricos Outras
51
3.5. CAUSAS GERAIS DE FALHAS EM POÇOS TUBULARES
Em referência à proposta metodológica deste trabalho, entender os modos de falhas a
serem discutidos e criar mecanismos de mitigação de danos são condições para o
prolongamento da vida útil de equipamentos. Algumas das condições inerentes aos poços
tubulares seguem com as possíveis soluções para correção e/ou retardamento de falhas
graduais.
Segundo a Secretaria de Meio Ambiente e Recursos Hídricos do RN (SEMARH) o
estado do Rio Grande do Norte possui mais de oito mil poços tubulares perfurados,
constituindo um dado importante diante da inexistência de trabalhos científicos que tratam da
manutenção/reabilitação dessas fontes de abastecimento. Nesse domínio, o conhecimento
acumulado acerca do assunto vem de experiências pessoais e de empresas de perfuração e
exploração de água, a exemplo da CAERN (MELO et al, 2013).
3.5.1. Equipamento defeituoso ou instalação inadequada
A instalação de uma motobomba, seja de forma inadequada ou com defeitos de fábrica
(imperceptíveis), além de causar prejuízos financeiros com uma parada precoce, é muito
provável que leve ao retrabalho da instalação de um novo equipamento, o que exige, nesses
casos, um maior controle de qualidade. Nesse sentido, os itens que compõem a instalação de
uma motobomba (motor, bomba, cabos, tubulação edutora, etc.) devem ser inspecionados
cuidadosamente antes da execução da instalação, e, na sequência, os procedimentos de
montagem devem obedecer rigorosamente às recomendações técnicas e de segurança, a fim
de evitar falhas antecipadas por erros no processo de instalação.
3.5.2. Projeto de dimensionamento inadequado
É comum que a ocorrência prematura de avarias em motobombas seja um fator derivado
do seu mal dimensionamento no sistema, que contribui para a redução do tempo até a falha
desses equipamentos.
O correto dimensionamento de uma motobomba é a primeira condição para se alcançar
uma performance adequada frente ao intervalo de vazão demandado por um projeto de
Sistema de Abastecimento de Água (SAA). Em segundo plano, as condições de
acompanhamento são importantes na verificação dos parâmetros operacionais da motobomba.
Como requisito para o dimensionamento e implantação adequada de sistema de
bombeamento submerso, são requeridos o perfil litológico do poço e o teste de produção
datado (conforme Anexo A), contendo dados seguros sobre sua capacidade de produção,
profundidade, vazão recomendada, nível estático, nível dinâmico, intervalos dos filtros,
temperatura, descrição litológica e qualidade da água explorada. Além disso, o consumo
habitacional previsto é um dado básico na seleção da motobomba.
52
Junto a essas informações, deve-se levar em conta a Altura Manométrica Total (AMT),
pressão, definida pela energia por unidade de peso fornecida ao fluido, a ser atendida pelo
projeto do SAA do poço. Na AMT são considerados o nível dinâmico da água, a altura de
recalque externa ao poço e as perdas de carga envolvidas, que resultam num valor que norteia
a escolha pela melhor relação entre vazão e altura manométrica requerida para a motobomba.
Outro ponto importante é a conformidade dos dados elétricos com os dados do conjunto
motobomba e do poço no projeto, onde a corrente nominal de operação deve ser considerada
até o limite suportável pelo fator de serviço do motor, para que o equipamento e a fiação não
sejam danificados.
3.5.3. Deterioração por presença de plantas e animais
A presença de raízes profundas de plantas, como Algaroba e Jurema, também pode
comprometer a integridade do poço, tubulação, e a operação da bomba e demais
equipamentos. Isso acontece quando as plantas das imediações buscam água nas regiões
fraturadas das rochas cristalinas, chegando até dentro do poço.
Segundo Melo et al (2013), é necessário limpar ao redor do poço dentro de um raio de
proteção de pelo menos 100 metros. A figura 3.3 mostra a penetração de raízes profundas em
poços.
Figura 3.3. Ilustração de raízes invasoras, Jurema e Algaroba. Fonte: Melo et al (2013).
A queda de objetos e materiais através da tampa do poço é um dos motivos para a
obstrução do crivo da bomba e para falha do motor por subarrefecimento.
Em regra, na tampa do poço deve ter um furo para verificação do nível d’água. Quando
esse ou a própria tampa estão abertos o risco de queda de animais é alto, inclusive na fase de
perfuração, onde a boca do poço fica mais exposta. Desde pequenos insetos, sapos, cobras, até
animais domésticos podem cair e comprometer a qualidade da água do poço, e o
funcionamento da motobomba com a obstrução do crivo. Há também o risco da queda de
crianças, quando o poço tiver diâmetro suficiente.
53
Melo et al (2013), retrata dois casos, relatados em entrevista. O primeiro, sobre a queda
de um gato durante o processo de perfuração de um poço com 35 metros de profundidade no
município de Apodi – RN, na comunidade de Soledade, o segundo, sobre o aparecimento de
uma cobra quando uma equipe de teste de vazão da SEMARH estava retirando a tubulação de
um poço com 100 metros de profundidade e 6 polegadas de diâmetro, no município de Touros
– RN, na localidade de Umburama.
Como medida preventiva deve-se ter o cuidado durante os procedimentos de perfuração
do poço, assim como na instalação da motobomba, fazendo o fechamento da abertura superior
entre a tubulação edutora e a parede de revestimento do poço, e mantendo a tampa em bom
estado de conservação. Por segurança, uma altura mínima deve existir entre a boca do poço e
o nível do solo para evitar seu alagamento, sendo determinada durante a fase de instalação da
tubulação geomecânica de revestimento do poço, a depender da permeabilidade do solo e do
nível de precipitação de chuvas do local.
3.5.4. Qualidade dos filtros sobre desgaste e perda de vazão em motobomba
A qualidade e integridade dos pré-filtros e filtros de produção é fator primordial para a
retenção de sedimentos compostos por areias de diferentes granulometrias da formação
geológica. Numa situação em que os filtros e o crivo permitam a passagem de areia
succionada, esta passa a ser o agente deteriorante que acaba agindo como partícula abrasiva
nos estágios e mancais do bombeador, desgastando-os e reduzindo sua vida útil até a falha.
Neste caso, a condição construtiva do poço deve receber atenção, sendo completado com um
pré-filtro e filtros de granulometrias menores.
Nem sempre é possível reter toda a areia através desses filtros, é o caso de uma bateria
de 20 poços rasos operados pela CAERN na cidade de Porto do Mangue, onde mesmo assim,
produzem uma quantidade significativa de areia, que leva a paradas do sistema para remoção
do acúmulo em tanque de reunião por meio de caminhão.
A baixa vazão em poços pode surgir devido a problemas de desgaste e corrosão sobre
bombeadores, perda de rendimento do conjunto, mal dimensionamento, ou ainda, problemas
construtivos, em função da perda de carga causada pelos pré-filtros. Neste último caso,
[...]um pré-filtro de baixa qualidade (por exemplo, areia de rio), ou seja, anguloso
proveniente de gnaisse, gera muita perda de carga, já que o ajuste entre essas faces
diminui também a permeabilidade. Neste caso, um novo desenvolvimento não vai
resolver. O ideal é um pré-filtro proveniente de praia, os quais são constituídos de
grãos de quartzo, pois o mesmo é bem arredondado, cujo empacotamento favorece
uma boa permeabilidade e o fluxo. A qualidade “ambiental” do tipo do pré-filtro
está também relacionada com o licenciamento para a exploração do mesmo (MELO
et al, 2013).
Dessa forma, para cada formação geológica a escolha adequada do tipo de filtro na zona
produtora permite obter bons resultados de vazão em um poço, e, ao mesmo tempo, previne o
desgaste abrasivo no bombeador, ainda mais se este for revestido com material especial
antifricção.
54
3.5.5. Atuação de ferrobactérias em poços
A operação de poços tubulares em condições normais induz alterações de propriedades
físicas da água, como pH, temperatura e pressão, sendo causadora de precipitações e corrosão,
variando de intensidade de acordo com a composição hidroquímica da água.
É comum na natureza a presença de micro-organismos que extraem sua fonte de energia
de reações químicas de oxidação. No caso das ferrobactérias, as fontes de energia são sais
solúveis de ferro, os quais após a metabolização transformam-se em hidratos de ferro,
formando precipitados de cor marrom que normalmente se apresentam em forma de flocos
(FREITAS et al., 2002). A presença de ferro solúvel em águas de poços provoca a atuação
dessas bactérias a partir de sua oxidação, de modo a formar precipitados insolúveis. A
equação 3.1 relaciona esse processo, onde os reagentes hidróxido de ferro II e oxigênio
formam óxido férrico e água (ferrugem úmida), produto de aspecto marrom gelatinoso.
(3.1)
As incrustações dão origem à cor marrom na maioria dos casos, como produto da
adesão de partículas oxidadas presentes na água sobre crostas existentes (Ferro e outros
minérios como carbonatos, cloretos, nitratos e sulfatos). Nessas superfícies rugosas criam-se
condições propícias ao processo de proliferação microrgânica e corrosão das tubulações.
Conforme entrevista conduzida por Melo et al (2013), a respeito das bactérias
precipitadoras de ferro, já foram detectadas na praia de Pititinga, litoral norte do RN, e em
Camurupim, litoral sul, assim como em Natal.
3.5.5.1. Incrustações por ferrobactérias
O tempo de uso de tubulações de ferro em meio agressivo leva à oxidação do metal
(ferrugem úmida), ao aparecimento de incrustações e à corrosão, embora tenha boa resistência
mecânica. Os pontos de conexão e mudança de direção de fluxo (curvas, roscas, válvulas,
registros, obstáculos) são mais suscetíveis ao surgimento de ferrugem, devido à variação da
pressão, o que provoca ao longo do tempo redução da espessura da parede nesses itens.
A figura 3.4 ilustra casos avançados de corrosão em colunas de poços. Em “A”, ocorreu
corrosão eletroquímica, em “B” a associação deste tipo de corrosão com a corrosão
eletrolítica de degradação localizada (mecanismo de dano pitting) deu origem a uma grande
fenda, que levou a uma perda de vazão e à falha da motobomba.
32222)(2 OFeOHOOHFe
55
Figura 3.4. Colunas em estágios avançados de corrosão. Fonte: acervo pessoal, A e B (PT-43, 08/03/2016); C
(PT-12, 17/05/2016) e D (PT-36, 22/09/2015).
A atividade microbiológica de bactérias em poços tubulares se manifesta nocivamente
provocando incrustações nas colunas filtrantes do revestimento, nos motobombas e
tubulações, resultando em quedas de vazão. Esse problema pode se estender às Estações de
Tratamento de Água (ETA), acumulando flocos de modo excessivo, o que diminui o intervalo
entre lavagens das unidades filtrantes e, portanto, eleva o consumo de água nesse processo.
A formação de tubérculos aliada à ação de mecanismos de danos, favorecem o
surgimento de vazamentos na tubulação e conexões (ação dos corrosion-wear e pitting), perda
de performance do equipamento bombeador e alteração da qualidade da água. Neste processo
de enfraquecimento das paredes da tubulação, inibidores como o cloro residual existente na
água são absorvidos, tornando os sistemas desprotegidos.
Em seu trabalho, Netto et al. (2010) expõe a ineficiência do cloro para eliminação de
bactérias redutoras de ferro nos poços estudados, e em contrapartida, a eficácia do uso de
Orto-fosfatos ácidos, levando-se em conta o volume estático para aplicação dos produtos,
[...] a prática mostra que desinfecções com cloro, resultam em simples melhoria
instantânea do problema com seu reaparecimento de forma muitas vezes mais grave,
em intervalo curto de tempo. O cloro causa um efeito de desidratação superficial do
biofilme, atuando também na oxidação dos metais presentes neste, e assim, sua ação
fica restrita ao poço, não se aprofundando no pré-filtro e aquífero (sedimentar ou
fraturado). Compostos de cloro como o Hipoclorito de sódio, quando associados à
matéria orgânica geram Thrialometanos (THM), conhecida e comprovadamente
cancerígenos, acumulativos nos organismos e meio ambiente, desta forma, o
descarte de soluções cloradas requer um cuidado não observado no passado
(NETTO et al., 2010).
C D
B A
56
Dessa maneira, a utilização do cloro para desinfecção de poços tubulares pode destruir
alguns dos microrganismos, mas, ao mesmo tempo gerar corrosão nos itens metálicos, a até
problemas de saúde com os Thrialometanos, não sendo a opção mais adequada para tais fins.
3.5.5.2. Incrustações por rochas calcárias
Em poços tubulares perfurados no calcário (solo rico em CaCO3 dissolvidos) as
incrustações dos filtros, crivos das bombas submersas e das tubulações edutoras foram
destacadas como as grandes causadoras da deterioração dos poços, onde em geral, são
necessários reparos nos motobombas, e substituições das tubulações edutoras danificadas,
conforme a figura 3.5 (MELO et al, 2013).
Figura 3.5. À esquerda o crivo de uma bomba submersa, à direita, tubulação edutora com incrustação de
calcário. Fonte: Melo et al (2013).
Em todo caso, o processo de incrustação nos poços é facilitado por mudanças na pressão
e velocidade do fluxo laminar de escoamento d’água para fluxo turbulento.
3.5.5.3. Ações para o combate de incrustações
Um estudo sobre poços tubulares foi efetivado por Netto et al. (2010), em que 27
processos de reabilitação foram realizados preferencialmente em poços da SABESP, com a
utilização do agente desincrustante “NO RUST”, a base de orto-fosfatos ácidos, que
demonstrou grande capacidade de recuperação de vazão e qualidade de água, redução do
consumo de energia elétrica (KW/m³ extraído), redução dos custos operacionais e rápida
recuperação dos investimentos necessários.
Aplicações de novos produtos no mercado (COMBA-T), que atuam na eliminação de
diversas incrustações, apontaram uma recuperação de 50% em poço da CAERN instalado em
aluvião do rio Ipanguaçu, com cerca de 50 metros de espessura, de tal maneira que o nível
dinâmico passou de 15 metros de profundidade, antes do tratamento, para 7 a 8 metros, após a
aplicação, mantendo a mesma vazão (MELO et al, 2013).
Quando a técnica construtiva do poço não é o agente modificador da qualidade da água,
surge, muitas vezes, aspectos naturais do próprio background que não obrigam a reabilitação
57
do poço, portanto, livrando a empresa de eventuais ações judiciais. Em face disso, o mal
cheiro e coloração na água pode ser resultado do contato com alguma camada que contenha
fósseis ou matéria orgânica decomposta, onde a luz que incide sobre a água que sai do poço
provoca a ação de bactérias.
A prática tem confirmado que tubulações de ferro são sensíveis ao depósito de ferro
insolúvel e de outros minerais, formando tubérculos, devido à ação de bactérias oxidantes.
Caso a temperatura da água seja adequada à proliferação de bactérias, isso potencializará o
processo de formação de tubérculos e a “MIC” - Corrosão por Interferência Microbiológica
(Zona de Risco, 1999).
Determinados procedimentos químicos e físicos utilizados atualmente são eficientes
como soluções para eliminação de ferrobactérias, no entanto, de forma temporária porque as
mesmas voltam a proliferar, mantendo o problema sem solução definitiva.
Análises de composição da água, da extensão dos depósitos no interior das tubulações, e
da integridade física das tubulações (tipos de danos presentes), devem preceder qualquer
manutenção, para definir os métodos e ações mais indicados sobre as instalações do poço.
Nesta etapa, a água coletada passa por análises físico-química e bacteriológica para identificar
microrganismos presentes nos biofilmes e incrustações da tubulação, e a composição da água
(teor de dureza), onde a concentração de Ferro total na água permite até 0,3 mg/L, pela
Portaria 2.914 de 2011 (antiga 518) do Ministério da Saúde.
Algumas ações de manutenção, que incluem limpeza, reparo ou substituição de itens
afetados, aplicam-se na minimização dos problemas de incrustações e podem ser programadas
com periodicidade que vai depender do tipo e agravamento das mesmas:
Avaliação prévia sobre os casos de incrustações com utilização de ferramenta de
perfilagem óptica (vídeo-inspeção), a cada manutenção completa dos poços;
Lavagem do sistema “flushing” (descargas);
Limpeza mecânica com "Pigs" (dispositivos deslocados no interior de dutos para
limpeza e inspeção);
Limpeza química com produtos decompositores do biofilme bacteriano e completa
desincrustação de depósitos superficiais (com Orto-fosfatos ácidos), com ação eficaz
na formação geológica do poço e menor custo dentre os processos existentes;
Limpeza da motobomba e revestimento com filme anticorrosivo.
No caso das incrustações de óxidos de ferro,
[...] torna-se necessário fazer a limpeza utilizando reagentes ácidos para dissolvê-los
(prazo de 12 horas geralmente), entretanto estes podem corroer as tubulações de aço
inoxidável. A fase mecânica do pistoneamento também costuma ser aplicada
posteriormente, tanto para facilitar a introdução dos reagentes no aquífero, quanto
para a remoção dos sedimentos finos. A utilização do ar comprimido associado em
seguida, conferindo um superbombeamento, pode também dar bons resultados. Os
resultados mostram que às vezes o rendimento do poço recupera a vazão inicial, mas
outras vezes vai gradualmente perdendo o seu desempenho. Há situações
particulares em que o trabalho de manutenção permite a recuperação de uma vazão
específica superior a original, mas isto se deve à baixa vazão aplicada na fase de
desenvolvimento inicial, devido ao nível estático estar mais baixo naquele período
sazonal (MELO et al, 2013).
58
Esse método de limpeza concorda com os procedimentos utilizados pela CAERN para
reabilitação de poços, tendo como exemplo hipotético o caso da seção 2.9 “Disponibilidade
média”. Na prática, o uso de produtos desincrustantes no interior dos poços é moderado. O
jateamento com partículas abrasivas de areia é uma opção para remoção de camadas de
óxidos e outras incrustações sobre a superfície de motobombas.
3.5.6. Corrosão em poços tubulares
A corrosão é um processo físico-químico de interação de um material com um meio, no
qual alterações são produzidas sobre as propriedades do material, sendo comum a atuação de
mecanismos de desgaste estrutural, as vezes associados a esforços mecânicos, que levam à
perda parcial ou total de sua composição, comprometendo significativamente a funcionalidade
e durabilidade do mesmo.
3.5.6.1. Corrosão Eletroquímica
De acordo com Gentil (2007), a corrosão eletroquímica é o tipo de corrosão mais
comum, pois é a que ocorre com os metais, geralmente na presença de água. Ela pode se dar
de duas formas principais:
Quando o metal está em contato com um eletrólito (solução condutora ou condutor
iônico que envolve áreas anódicas e catódicas ao mesmo tempo), formando uma pilha
de corrosão.
Quando dois metais são ligados por um eletrólito, formando uma pilha galvânica.
Na água os eletrólitos correspondem às substâncias químicas em dissolução. Em geral, a
corrosão eletroquímica em meio aquoso ocorre espontaneamente formando óxidos metálicos,
num processo de oxidação (do metal) e redução (da água). Parte destes óxidos e dos
precipitados formados pela própria água nos poços são comumente arrastados no momento de
acionamento das motobombas, pelo aumento de velocidade, gerando alterações de qualidade
na água (cor, turbidez e excesso de metais) e podendo torná-la não potável (NETTO et
al.,2010).
Exemplos de alguns dos problemas causados por corrosão em sistemas de
abastecimento por poços tubulares:
Proliferação de bactérias em tubulações de água potável;
Corrosão do motor, correspondente ao depósito de material incrustante na carcaça, que
leva à redução da refrigeração, restringindo a troca de calor com o meio e resultando
em sua queima por superaquecimento.
Corrosão da bomba, com incrustações nos estágios que podem provocar a redução e
até anulação da vazão.
Corrosão das tubulações de ferro com incrustações por depósito de ferrugem.
59
Desgaste corrosivo da motobomba causado pelo retorno de cloro do sistema dosador
para o PT (falha da válvula de retenção);
Perda de pressão da água devido à redução do diâmetro tubular e obstruções;
Reparos reincidentes nos sistemas e equipamentos;
Custo elevado e queda de produção associados a paradas para manutenção de
equipamentos;
3.5.6.2. Corrosão Eletrolítica
É um processo eletroquímico que ocorre com a aplicação externa de uma corrente
elétrica. Esse processo não é espontâneo, ao contrário dos outros tipos de corrosão
mencionados. Quando não há isolamento ou aterramento, ou estes estão com alguma
deficiência, formam-se correntes de fuga, e quando elas escapam para o solo formam-se
pequenos furos nas instalações (MAINIER, 2001).
Esse modo de corrosão pode atuar nos vazamentos em tubulações de poços, associado à
corrosão eletroquímica de ferrugem (incrustações), sendo a fuga de corrente oriunda de
problemas no isolamento e aterramento das motobombas.
3.5.7. Rebaixamento do nível dinâmico
Em um manancial é evidente que o volume de água explorado seja fator preponderante
para o rebaixamento do nível dinâmico (ND) entre poços de uma mesma localidade. Nesse
sentido, o aumento do número de poços tubulares em operação contínua, para atender a uma
maior demanda populacional, certamente leva a uma interferência considerável entre eles, e,
portanto, maior rebaixamento de seus ND.
A exploração prolongada de uma bateria de poços causa a redução do aquífero e reflete
no rebaixamento dos níveis estáticos em toda a bateria (FREITAS et al., 2008). Nessas
condições de operação, é provável que em períodos de seca e de aumento do consumo de água
os motobombas sejam afetados por quedas de vazão acompanhadas pelo surgimento de bolhas
de ar na água geradas por vórtices na sucção. Isso pode acontecer quando há grande redução
do ND, e caso os poços não tenham proteção sobre as motobombas por eletrodos de nível.
Para tanto, é importante que se faça periodicamente o ajuste dos eletrodos do relé de
nível, a depender do rebaixamento do manancial medido através de sensor.
Com a redução de vazão e rebaixamento dos níveis, os conjuntos bombeadores saem de
seus pontos máximos de rendimento, e assim, ocorre um aumento do consumo de energia
elétrica por m³ de água explorada em um poço (NETTO et al., 2010). Esse processo gera
estresses elétricos e mecânicos, e se agrava com a falha das motobombas, exigindo medidas
que abrangem tanto os equipamentos (substituição para menor vazão) como os poços
tubulares, que podem chegar a ser desativados.
60
3.5.8. Relação do NPSH para ocorrência de cavitação
A água, assim como qualquer líquido, exige determinadas condições de temperatura e
pressão para que seu estado de vapor se apresente. A propriedade da mudança de fase permite
com que o fluido coexista em suas fases líquida e gasosa, onde a temperatura de ebulição
diminui à medida que a pressão também se reduz.
Em decorrência dessa propriedade pode surgir o fenômeno da cavitação, que de acordo
com Santos (2007, p. 150) é a vaporização do fluido que acontece quando a pressão de um
escoamento diminui, por qualquer motivo, e alcança a pressão de vapor, correspondente a sua
temperatura. Em outras palavras, ao manter a temperatura da água constante, o fluido irá
cavitar quando a pressão for reduzida.
Isso pode acontecer em diversas situações, onde exista restrições de fluxo, aumento de
velocidade e escoamento turbulento, como em válvulas, placas de orifício, em rotores de
bombas e pás de turbina de reação, entre outros. As principais consequências da cavitação em
bombas são: Erosão do rotor; Diminuição drástica do rendimento; Vibrações e Ruídos
(SANTOS, 2007, p. 153). A erosão do rotor está associada à remoção de material pelos
mecanismos de danos “Wear erosion e abrasion” da Roda de Falhas.
O termo NPSH (do inglês net positive suction head) pode ser chamado de “altura livre
positiva de sucção”, conforme Filho (2009), que considera algumas definições,
O NPSHr (requerido) é uma característica da bomba e pode ser determinado por
testes de laboratório ou cálculo hidráulico, devendo ser informado pelo fabricante do
equipamento. O NPSHd (disponível) é uma característica do sistema e define-se
como sendo a disponibilidade de energia que um líquido possui, num ponto
imediatamente anterior ao flange de sucção da bomba, acima de sua tensão de vapor
(FILHO, 2009).
Segundo Filho (2009), para que não ocorra o fenômeno da cavitação, é necessário que a
energia que o líquido dispõe na chegada ao flange de sucção, seja maior que a que ele vai
consumir no interior da bomba, isto é, que o NPSH disponível seja maior que o NPSH
requerido, NPSHdNPSHr. Teoricamente é recomendada uma folga mínima de 5%, ou seja,
NPSHd1,05 x NPSHr, sendo esta folga limitada a um mínimo de 0,30m, isto é, 1,05 x NPSHr
NPSHr + 0,30m. Santos (2007, p.157) recomenda que essa diferença seja de pelo menos
0,50m.
Para evitar que aconteçam cavitações nas instalações de bombeamento alguns
procedimentos são elementares, tanto na fase de projetos como na de operação, a saber
(FILHO, 2009):
Tubulação de sucção a mais curta possível;
Escorvamento completo;
NPSHdNPSHr + 0,30m;
Medidas antivórtices;
Limitação da velocidade máxima de aspiração em função do diâmetro
(tabela 3.1);
Indicação clara da posição de abertura e de fechamento das peças especiais;
61
Ligeira inclinação ascendente em direção à entrada da bomba nos trechos
horizontalizados (para facilitar o deslocamento das bolhas de ar na fase de
escorvamento);
Conexão da sucção com a entrada da bomba através de uma redução
excêntrica (também para facilitar o escorvamento);
Não projetar registros nas sucções positivas;
Emprego de crivos ou telas na entrada da sucção;
Emprego de válvula de retenção nas sucções positivas;
Tabela 3.1. Máximas velocidades de sucção.
Diâmetro (mm) Velocidade máxima (m/s)
50 0,75
75 1,10
100 1,30
150 1,45
200 1,60
250 1,60
300 1,70
400 1,80
Fonte: Filho (2009).
Um detalhe importante, é que bombas submersas ou afogadas podem ser aplicadas em
instalações com valores elevados de NPSHr, pois estas são dotadas de auto-escorvamento, o
que torna improvável a ocorrência de cavitação.
3.5.9. Vibrações no sistema de motobombas
As vibrações oriundas de qualquer um dos componentes de uma motobomba podem ser
transmitidas até a boca do poço, sendo identificados sensorialmente ou por auxílio de
instrumentos. Nas instalações de um sistema de bombeamento por poço, caso não exista
controle sobre o evento precursor de vibrações, aumentam-se as chances de colapso da
motobomba.
As vibrações do sistema estão relacionadas às seguintes causas de origem:
Desequilíbrio de massa dos elementos rotativos;
Variações hidráulicas, quando se opera fora do intervalo recomendado no projeto, ou
em estado de cavitação;
Atrito entre as partes fixas e rotativas;
Distúrbios da energia elétrica, que alteram a frequência de alimentação, podendo
resultar também em vibrações.
62
3.5.10. Temperatura da água
As condições térmicas da formação produtiva dos poços tubulares são importantes na
prevenção de falhas prematuras de motobombas. Os dados sobre a temperatura de exploração
da água devem ser consultados nos registros de teste de produção geológica do poço, onde
será instalado o equipamento especificado para essa condição física. Em média, a temperatura
normal da água dos poços é de 30 a 40°C.
3.5.11. Pontos quentes nas instalações elétricas de poços
Em geral, os pontos quentes surgem devido à frouxidão mecânica nas conexões de
circuitos de potência, onde normalmente a corrente elétrica é alta. Quando existe uma alta
resistência elétrica, ou corrente anormal, a conversão de energia elétrica na forma de calor é
excedente, o que reduz a capacidade da carga de realizar trabalho, exigindo mais potência e
aumentando os riscos de danos às instalações elétricas.
Nas instalações elétricas, a temperatura dos contatos elétricos é diretamente
proporcional à corrente elétrica que os atravessa, devendo ser observado os limites
operacionais de temperatura dos contatos. Nesse sentido, os pontos quentes considerados
podem surgir no circuito de potência, desde o disjuntor do medidor de consumo até as
emendas dos terminais da motobomba, obedecendo as seguintes condições (FLUKE, 2014):
Cargas desequilibradas
Harmônicas (corrente da 3a no Neutro)
Sobrecarga dos sistemas/corrente excessiva
Conexões frouxas ou corroídas, que aumentam a resistência do circuito (normalmente,
um lado dos componentes é aquecido)
Falha no isolamento
Falha de componente
Erros de fiação (subdimensionamento)
Componentes abaixo das especificações (como fusíveis), que aquecem nos dois lados.
O registro de danos e falhas em circuitos de potência tem o intuito de melhorar o
planejamento e a execução de manutenções, baseado nisso, os eventos mais frequentes foram
registrados por meio de recortes de imagens diagnósticas, nas figuras 3.6, 3.7 e 3.8.
63
Figura 3.6. Diagnóstico de ponto quente em emenda de cabo, PT-09 Bairro Cohabinal, em 23/06/2016.
Dessa figura, a falha ocorrida foi devido ao ponto quente identificado na emenda dos
cabos do motor submerso, próximo à boca do poço. A falha foi diagnosticada pelo desarme do
disjuntor ao tentar acionar a motobomba, onde, através de testes no Quadro de Comandos e
Proteção (QCP) verificou-se descontinuidade entre os terminais 1 e 2 do enrolamento do
motor. Na busca pela origem do problema, o mesmo teste foi realizado na emenda próxima ao
barrilete, sendo observada a continuidade entre os cabos do enrolamento do motor. Daí o
procedimento corretivo necessário foi levantar as colunas junto com a motobomba, de modo
que possibilitou refazer as emendas sobre o ponto quente.
A figura 3.7 ilustra uma falha em quadro de comandos e proteção com partida soft-
starter, onde se observou visualmente um ponto quente na fase “T” do disjuntor geral de 50A.
Figura 3.7. Diagnóstico de ponto quente em cabo do disjuntor, PT-20 Bairro Nova Parnamirim, em 08/11/2015.
A soft-starter apresentou em seu visor erro de temperatura, advertindo
sobreaquecimento. Outro dado notado com o poço fora de operação foi a vazão negativa, com
retorno de água da rede de distribuição provocada por problemas na válvula de retenção. A
correção da falha provocada pelo ponto quente se deu com a substituição do cabo danificado.
64
Na figura 3.8, mostra-se um poço que estava operando de forma intermitente no
momento do teste da partida compensadora, onde foi identificada a corrente de 123,5 A nas
fases R e T de alimentação, cujo valor é muito alto para a especificação do motor de 15 cv.
Figura 3.8. Diagnóstico de descontinuidade entre terminais do enrolamento do motor, com sobrecarga nas fases
R e T, PT-17 Bairro Nova Parnamirim, em 06/01/2016.
No diagnóstico da falha, a outra fase (S) da motobomba apresentou descontinuidade
com as outras fases no enrolamento das bobinas, assim como valor zero de corrente. Como
alternativa para a correção, a motobomba foi substituído por um com vazão de 50m³/h para
uma altura manométrica de 71mca.
Além de problemas de conexão e emenda de cabos, parte das causas de pontos quentes é
oriunda de distúrbios da rede de energia elétrica, afetando principalmente a tensão e a corrente
elétrica em sistemas mais sensíveis, como soft-starter e inversor de frequência.
3.5.12. Temperatura de condutores em instalações elétricas
O limite de temperatura em regime permanente é considerado a propriedade
fundamental para determinar a capacidade de condução de corrente de um cabo, sendo
quantificado pela maior temperatura que a isolação pode alcançar em modo contínuo de
serviço normal.
De acordo com Norma Brasileira Regulamentadora – NBR 5410 (2005), da ABNT, que
trata sobre instalações elétricas de baixa tensão, para que a proteção dos condutores contra
sobrecargas fique assegurada, as características de atuação do dispositivo destinado a provê-la
(a exemplo do relé térmico) devem obedecer às condições:
(3.2)
e (3.3) zii 45,12
znB iii
65
Onde:
IB é a corrente de projeto do circuito;
Iz é a capacidade de condução de corrente dos condutores, nas condições previstas para
sua instalação (ver 6.2.5 NBR 5410);
In é a corrente nominal do dispositivo de proteção (ou corrente de ajuste, para
dispositivos ajustáveis), nas condições previstas para sua instalação;
I2 é a corrente convencional de atuação, para disjuntores, ou corrente convencional de
fusão, para fusíveis.
A condição posta pela equação 3.3, sobre as correntes i2 e iz, se aplica quando forem
assumidos os seguintes limites estabelecidos para o tempo de sobrecarga: as temperaturas
máximas especificadas, em função da isolação de condutores em regime operacional de
sobrecarga, não devem superar 100 horas durante doze meses consecutivos, nem superar 500
horas durante a vida do condutor (ABNT-NBR 5410, 2005). Quando esses limites não forem
atendidos prevalecerá a condição i2 ≤ iz.
O quadro 3.3 orienta os limites de temperatura para a capacidade de condução de
energia elétrica em alguns tipos de cabos, em funcionamento contínuo normal.
Quadro 3.3. Temperaturas características de condutores com diferentes tipos de isolação. Fonte: ABNT, NBR
5410 (2005).
A capacidade de condução de corrente deve ser determinada conforme o item 6.2.5.2.2
ou 6.2.5.2.3 da ABNT-NBR 5410 (2005).
3.5.13. Máximas Temperaturas Admissíveis para instalações elétricas de motobombas
Os valores de Máxima Temperatura Admissível (MTA), são limites de temperatura nas
quais componentes operam em regime permanente sem haver danos severos. O quadro 3.4
mostra alguns itens utilizados em instalações elétricas de motobombas submersas, com suas
respectivas MTA em °C, considerando uma temperatura ambiente de 30ºC.
66
ITEM MTA (ºC)
Bobina de contactor 100
Conexões e Fusíveis 90
Régua de bornes 70
Condutores com isolação em PVC 70
Condutores com isolação em EPR 90
Chaves seccionadoras de média AT 50
Conexões de média ou AT 60
Bobinado de motores de indução classe F 155
Carcaça de motores de indução classe F 90
Quadro 3.4. MTA para itens de instalações elétricas de motobombas submersas. Fonte: CAERN, Regional Natal
Sul.
Nas medições realizadas em quadros de comandos, a temperatura ambiente é um fator
importante a ser considerado, visto que pode afetar no estresse térmico de componentes em
funcionamento e com isso no alcance da MTA.
Em um motor de indução trifásico o desequilíbrio de tensão entre as fases da ordem de 2
a 3% é responsável por um desequilíbrio de corrente da ordem de 17%, com um aumento da
temperatura em cerca de 30°C, levando ao sobreaquecimento do enrolamento do motor. A
cada 10ºC de sobreaquecimento acima da MTA, reduz-se sua vida útil em 50% (BELCHIOR,
2011). O quadro 3.5 representa os desequilíbrios de tensão, corrente e temperatura para um
motor de indução com especificação indicada.
Quadro 3.5. Exemplo de efeitos dos desequilíbrios de tensão em motor de indução trifásico. Fonte: Belchior,
2011.
O desequilíbrio de tensão é o fenômeno associado a alterações dos padrões trifásicos do
sistema de distribuição (ANEEL, 2016). O principal problema desses desequilíbrios é a
redução da qualidade da energia e o aumento das conversões na forma de calor.
3.6. PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA
É notório que a sustentabilidade do planeta está intimamente dependente das perdas de
energia provocadas pelas demandas crescentes de consumo, posto quando ainda existe uma
infinidade de equipamentos industriais e sistemas elétricos que são alimentados por energia
elétrica de má qualidade.
67
Na indústria isso reflete em equipamentos que operam por meio de automação com
eletrônica embarcada e microprocessadores que tornam os sistemas mais sensíveis,
obedecendo à processos produtivos cada vez mais rigorosos.
Diante da definição é preciso entender que a qualidade da energia na indústria não está
associada ao funcionamento ininterrupto de máquinas ou equipamentos. Para o caso do
segmento de abastecimento d’água a produção é voltada para que os consumidores não sejam
afetados pela falta d’água, que pode ocorrer devido aos diversos modos de falhas elétricas.
Os aspectos indicadores da Qualidade de Energia Elétrica (QEE) em regime permanente
ou transitório, estão relacionados no módulo Prodist, ANEEL (2016):
a) tensão em regime permanente;
b) fator de potência;
c) harmônicas (distorções);
d) desequilíbrio de tensão;
e) flutuação de tensão;
f) variações de tensão de curta duração;
g) variação de frequência.
As definições relativas à QEE constam no Módulo 1 Prodist – Introdução (ANEEL,
2016). Em sistemas compostos basicamente de quadro de comandos elétricos, condutores,
motobomba (carga) e válvulas mecânicas de barrilete, há cada vez mais uma certa
dependência dos padrões de qualidade de energia, ao passo que são prejudicados por
distúrbios suprarelacionados, com destaque para surtos, variação de tensão, presença de
harmônicas e inconsistência do fator de potência das instalações.
O gráfico 3.3 mostra estimativas de como um distúrbio de falta de energia afeta os
custos de produção, em um tempo menor que 1 minuto, para diferentes setores industriais
(quadro 3.6).
Gráfico 3.3. Custos estimados para interrupção de processo por um intervalo inferior a 1 minuto. Fonte: Oliveira
(2014).
68
Quadro 3.6. Discriminação dos setores da indústria, relativa ao gráfico 3.3. Fonte: adaptado, Oliveira (2014).
3.6.1. Distúrbios da energia elétrica em instalações de motobombas
A alteração da QEE passa por algumas mudanças como da amplitude e da frequência
constante na forma da onda senoidal, que é de 60 Hz no Brasil. As deformações afetam a onda
de grandezas elétricas provocando o mau funcionamento de equipamentos elétricos ou
causando falha, quer seja em condições de regime transitório ou permanente num sistema
elétrico. A geração e presença de outras frequências, que divergem da fundamental (60Hz),
distúrbios, ruídos e interrupções, são motivos de alteração do padrão de qualidade da energia
(MARTINHO, 2009, p.18).
A procura por manter a máxima eficiência de equipamentos no sistema produtivo ocorre
por uma preocupação sobre a falta de qualidade da energia, expressa através de alguns termos
como: surto, ruído, afundamento e elevação de tensão, interrupção, harmônica, entre outros.
As distorções harmônicas provocam efeitos indesejados no funcionamento de diversos
equipamentos, tais como: sobreaquecimento, elevação de perdas e redução da vida útil de
cabos e transformadores, redução do rendimento de motores trifásicos, ressonância em bancos
de capacitores, mal funcionamento de dispositivos de proteção, entre outros (ANEEL, 2011).
Ao destacar as harmônicas, na prática, elas aumentam a potência aparente e assim
diminuem o fator de potência global. As mesmas devem ser tratadas, por exemplo, filtrando-
as antes do deslocamento de fase ser corrigido, com a instalação de capacitores em paralelo
com as cargas indutivas (MINIPA, Manual 2014).
Conforme o manual Minipa (2014), isso se aplica quando o circuito em questão é
indutivo, tendo um fator de potência atrasado, com a corrente atrasada em relação à tensão (
e Sin são ambos “+”). No oposto, um circuito capacitivo é dito ter um fator de potência
adiantado pois a corrente está adiantada em relação à tensão ( e Sin são ambos “-”). Nos
casos sem distúrbios por harmônicas, é também chamado de ângulo de deslocamento de
fase da corrente em relação a tensão (MINIPA Manual, 2014, p.7).
Setores da indústria
A – Saúde L – Computadores
B – Gás M – Engenharia
C – Papel N – Equipamentos de Transporte
D – Órgãos Públicos O – Órgãos de Financiamento
E – Transportadoras P – Centros de Negócios
F – Comércio Atacadista Q – Mineração
G – Madeireiras R – Equipamentos Eletrônicos
H – Químicas S – Equipamentos Instrumentação
I – Plásticos/Borrachas T – Refinarias de Petróleo
J – Extração de Petróleo U – Siderúrgicas
K – Produtos Alimentícios V – Têxtil
69
O quadro 3.7, adaptado de Paulillo (2013), apresenta uma síntese sobre as
características típicas dos principais distúrbios da QEE, sendo destacados em negrito aqueles
relacionados às possíveis falhas recorrentes nas instalações elétricas de motobombas (ver
quadro 2.1).
Distúrbios Causas Efeitos Soluções
Transitórios
impulsivos
*Descargas atmosféricas;
*Chaveamentos de cargas
e/ou dispositivos de
proteção.
*Excitação de circuitos ressonantes;
*Redução da vida útil de motores,
geradores, transformadores, etc.;
*Erros de processamento e perdas de
sinais.
*Filtros;
*Supressores de
surtos;
*Transformadores
isoladores;
Transitórios
oscilatórios
*Descargas atmosféricas;
*Chaveamentos de
capacitores, linhas, cargas
e transformadores;
*Transitórios impulsivos.
*Mau funcionamento de equipamentos
controlados eletronicamente, conversores
de potência, etc.;
*Redução da vida útil de motores,
geradores, etc.
*Filtros;
*Supressores de
surtos;
*Transformadores
isoladores;
Sub e
sobretensões
*Partidas de motores;
*Variações de cargas;
*Chaveamento de
capacitores;
*TAPs de
transformadores ajustados
incorretamente.
*Pequena redução na velocidade dos
motores de indução e no reativo dos
bancos de capacitores;
*Falhas em equipamentos eletrônicos;
*Redução da vida útil de máquinas
rotativas, transformadores, cabos,
disjuntores, TPs e TCs;
*Operação indevida de relés de proteção,
motores, geradores, etc.
*Reguladores de
tensão;
*Fontes de energia de
reserva;
*Chaves estáticas;
*Geradores de
energia.
Interrupções
*Curto-circuito;
*Operação de disjuntores;
*Manutenção.
*Falha de equipamentos eletrônicos e de
iluminação;
*Desligamento de equipamentos;
*Interrupção do processo produtivo (altos
custos).
*Fontes de energia
sobressalentes;
*Sistemas “no-break”;
*Geradores de
energia.
Desequilíbri-
os
*Fornos a arco;
*Cargas monofásicas e
bifásicas; Assimetrias
entre as impedâncias;
*Falta de transposição de
linhas de transmissão.
*Redução da vida útil de motores de
indução e máquinas síncronas;
*Geração, pelos retificadores, de 3º
harmônico e seus múltiplos.
*Operação simétrica;
*Dispositivos de
compensação.
Nível CC
*Operação ideal de
retificadores de meia
onda, etc.
*Saturação de transformadores;
*Corrosão eletrolítica de eletrodos de
aterramento e de outros conectores.
SOLUÇÃO NÃO
APRESENTADA
Harmônicos *Cargas não lineares.
*Sobreaquecimento de cabos,
transformadores e motores de indução;
*Danificação de capacitores, etc.;
*Operação indevida de disjuntores, relés,
fusíveis, etc.
*Filtros;
*Transformadores
isoladores;
*Reatores de linhas.
Inter-
harmônicos
*Conversores estáticos de
potência
*Cicloconversores
*Motores de indução
*Equipamentos a arco,
etc.
*Interferência na transmissão de sinais
Carrier;
*Indução de flicker visual no display de
equipamentos.
SOLUÇÃO NÃO
APRESENTADA
Notching *Equipamentos
eletrônicos de potência.
*Operação indevida de dispositivos de
medição e proteção.
SOLUÇÃO NÃO
APRESENTADA
Ruídos
*Chaveamento de
equipamentos eletrônicos
de potência;
*Radiações
eletromagnéticas.
*Distúrbios em equipamentos eletrônicos
(computadores e controladores
programáveis).
*Aterramento das
instalações;
*Filtros.
Flutuações de
tensão
*Cargas intermitentes;
*Fornos a arco;
*Partidas de motores.
*Flicker;
*Oscilação de potência e torque nas
máquinas elétricas;
*Sistemas estáticos de
compensação de
reativos;
70
*Queda de rendimento de equipamentos
elétricos;
*Interferência nos sistemas de proteção.
*Capacitores em série.
Variação de
frequência
*Perda de geração, perda
de linhas de transmissão,
etc.
*Danos severos nos geradores e nas
palhetas das turbinas, etc. podem ocorrer.
SOLUÇÃO NÃO
APRESENTADA
Quadro 3.7. Classificação e destaque dos principais distúrbios da QEE associados a danos nas instalações de
motobombas. Fonte: Adaptada de Paulillo (2013) em O Setor elétrico.
Os distúrbios elétricos apresentam outras características relacionadas à distribuição em
função da frequência, ao conteúdo espectral, duração e magnitude (PAULILLO, 2013, O
Setor elétrico).
Segundo Martinho (2009, p.27), a onda que surge da geração de energia deve obedecer
uma senóide sem deformações, onde as fases devem estar simetricamente defasadas entre si,
com nível de tensão adequado, forma de onda e frequência, não importando se a ligação
trifásica seja em estrela ou em triângulo. Distúrbios ligados à deformação da onda senoidal e a
variações acima do limite de 5% da frequência fundamental de 60Hz, comprometem a
funcionalidade de equipamentos mais sensíveis, devido a um efeito dominó que acompanha o
sinal ondulatório desde a geração da energia elétrica (MARTINHO, 2009, p.28).
A suscetibilidade às descargas atmosféricas, intempéries e curto circuitos causados por
pequenos animais também deve ser motivo de preocupação na indústria, uma vez que causam
instabilidades através de grandes variações de tensão, surtos, paradas, entre outros.
É provável que esses distúrbios afetem a qualidade da tensão e corrente de alimentação
de motobombas em instalações elétricas de poços, levando a estados de comprometimento da
vida útil dessas cargas e das chaves de acionamento eletrônicas (Soft-starter e inversor de
frequência). As chaves eletrônicas de acionamento possuem maior sensibilidade frente às
variações de sinais elétricos, e aos procedimentos implícitos a um período de segurança para
estabilização das distorções na rede da concessionária de energia elétrica.
As chances de falhas antecipadas, em sistemas de motobombas, aumentam quando os
distúrbios elétricos atuam em conjunto com outros mecanismos de danos, associados à
temperatura e estresse.
3.6.2. Distúrbios em inversores de frequência
Um estudo feito pela Electric Power Research Institute (EPRI) indica o nível de
sensibilidade de acionadores de corrente contínua, conhecidos como inversores, a partir de
88% da tensão nominal (MARTINHO, 2009, p.41).
Os inversores de frequência são casos típicos de equipamentos que podem tanto ser
afetados por distúrbios da QEE quanto podem gera-los, sendo caracterizados como poluidores
elétricos, conforme Martinho (2009, p.15). Nessa particularidade, a forma da onda distorcida
pelo inversor é para garantir o controle de uma carga, porém, ao receber tensão com forma de
onda distorcida deixa de funcionar corretamente. Mesmo esse tipo de equipamento sendo
capaz de maximizar o desempenho de máquinas e motores, geram-se distorções sobre a
71
energia distribuída nas linhas próximas desses equipamentos, devido às correntes harmônicas,
que podem afetar outros aparelhos eletrônicos mais sensíveis.
Ao dar seguimento a essa ideia, a compatibilidade entre a fonte de energia e o
equipamento elétrico ligado a essa é essencial para atender as demandas operacionais, o que
caracteriza a QEE.
3.7. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE MOTOBOMBAS
O fornecimento de energia com problemas de geração deriva em fases desequilibradas,
presença de harmônicas e picos de tensão, além das variações de estresse sobre os
motobombas, causadas pelo grande número de acionamentos que o sistema possa ter. Como
principais efeitos, ocorre o superaquecimento do motor e da fiação elétrica, surgindo pontos
quentes, sendo esses problemas atenuados através das: melhoria da QEE na distribuição;
instalação de soft-starters e inversores de frequência para controle de velocidade do motor; e
correção do fator de potência.
O sobreaquecimento pode partir de uma causa própria da motobomba, neste caso, um
problema de sobrecarga pode estar relacionado com o enrolamento do motor, com
deficiências na isolação, e/ou bombeadores danificados. Quando ocorre queda de tensão
durante operação de motores submersos, o próprio equipamento solicita mais corrente
elétrica, para manter a potência de trabalho, mesmo afetando a qualidade da energia
convertida em potência mecânica no eixo. Em geral, esse problema é causado por fiação
longa e de secção fina, acarretando dissipação de energia por aquecimento, o que caracteriza o
chamado “efeito Joule” em condutores mal dimensionados. Com base nisso, a isolação do
enrolamento do motor se degrada e perder sua função, chegando a queima-lo.
As condições para medição e os fatores que afetam a resistência de isolamento de
motores trifásicos são descritas no item 6 da NBR 5383-1 (ABNT, 2002).
A falta de fase em unidades consumidoras é uma falha com origem no percurso da rede
elétrica de alimentação. Em redes trifásicas, esse incidente faz com que as fases restantes
induzam uma fase "fantasma" na bobina do enrolamento do motor, que eleva os valores de
corrente nas outras duas fases, provocando sua queima. Esse comportamento lembra a função
de um gerador, onde a corrente em uma segunda bobina é induzida com sentido invertido. A
prevenção do problema se dá por meio de proteção instalada no circuito acionador do motor,
utilizando relé de falta de fase para evitar que o motor seja alimentado eletricamente de forma
incorreta.
3.7.1. Fator de Serviço (FS)
O Fator de Serviço (FS) representa a porcentagem na qual um motor consegue trabalhar
acima de seu valor nominal de corrente, sendo essa informação localizada na placa do motor.
A exemplo de motobombas submersas, existem valores como 1.0, 1.1, 1.15, 1.20, sendo o
primeiro um caso em que a tolerância é zero para sobrecarga no motor, ou seja, ele só pode
72
trabalhar em corrente nominal. Para um motor de corrente nominal igual a 44,6 A, e fator de
serviço de 1.15, sua corrente máxima de operação será de 51,3 A, havendo sobrecarga e até
queima do equipamento caso esse valor seja ultrapassado.
Adotando o valor do FS é possível calibrar o valor de sobrecarga de relés térmicos e a
parametrização de Soft-starts ou inversores de frequência para desativá-los antes de atingir a
corrente máxima de operação, com isso, evitando danos aos sistemas de acionamentos e até a
queima do motor. Uma forma de obter o fator de serviço conhecendo os valores de corrente
elétrica máxima e nominal é a partir da expressão:
(3.4)
3.7.2. Variação de tensão
A definição dos valores admitidos para variação de tensão na distribuição de energia
elétrica é vista em regra que consta na resolução n.°505 da ANEEL, a qual tem o papel de
fiscalizar os parâmetros de qualidade aceitáveis da energia fornecida pelas concessionárias.
Os parâmetros máximos de variação de tensão permitidos à concessionária de energia se
encontram entre 95% e 105% do valor nominal de operação, para a maioria dos níveis de
tensão aplicados (ANEEL, 2016).
Numa rede de distribuição de energia elétrica é permitido variações de até +/- 10% em
sua amplitude para que ela seja confiável. Assim, nas unidades consumidoras trifásicas
(380V) as faixas de variação da tensão nominal obedecem aos valores do quadro 3.8.
Quadro 3.8. Tensão nominal de atendimento para intervalos de variações em pontos de conexão igual ou
inferior a 1 kV (380/220). Fonte: Módulo Prodist (ANEEL, 2016, p.33).
Este quadro pode se aplicar nas medições baseadas na ficha de inspeção e modelo de
checklist para poços, permitindo a consulta dos valores de referência de tensão nominal para
efeito comparativo com o valor medido em campo.
Conforme Martinho (2009, p.39) o chaveamento de cargas de potência elevada
demanda uma energia extra da rede ao serem acionadas, o que provoca redução da tensão. O
mesmo ocorre no acionamento de bancos de capacitores de cargas de grande potência. A
desenergização causa o efeito contrário ao afundamento, elevando a tensão.
Para oferecer maior estabilidade na tensão de alimentação é fundamental separar
circuitos de potência e comando, além do uso de condicionadores de energia (UPS) de até
25% (MARTINHO, 2009).
1
n
nmáx
i
iiFS
73
3.7.3. Sobretensão e Subtensão
O aumento de tensão acima dos níveis suportáveis danifica o componente, o qual fará
com que o equipamento a ele ligado também pare de funcionar, causando uma parada de
produção.
De acordo com Martinho (2009, p.49), uma elevação de tensão de intensidade pequena,
que seja suportada pelos equipamentos, acarreta outros distúrbios, como o desperdício de
energia e a diminuição da vida útil dos equipamentos alimentados pela linha alterada. Isso
acontece porque a sobretensão, ou a elevação de tensão, aquece os equipamentos ligados à
rede, e se o aquecimento não danificar o equipamento, diminui a sua vida útil, sendo mais
prejudicial que o afundamento de tensão.
Nesse âmbito, é importante destacar os significados dos termos sobretensão e subtensão,
Dentro da categoria de variação de tensão de longa duração, caracterizada por
variações que acontecem em torno do valor nominal por períodos maiores que um
minuto, estão os termos overvoltage ou sobretensão, quando o valor ultrapassa 10%
do valor nominal de tensão, sendo típico chegar até 20% da tensão nominal, e
subtensão ou undervoltage, quando atinge valores inferiores a 90% da tensão
nominal (MARTINHO, 2009, p.51).
Na prática, esses percentuais relativos à tensão nominal de uma instalação podem ser
confrontados com os valores de referência, constantes no quadro 3.8.
3.7.4. Potência elétrica
Na instalação elétrica de uma motobomba a potência aparente pode ser calculada com o
auxílio de um alicate amperímetro, por meio do qual é realizada a medição das correntes e das
tensões entre as fases do motor, e feito o produto entre elas, ou ainda de forma direta, através
da medição com alicate wattímetro. A título de exemplo, a tabela 3.2 mostra a potência
aparente total obtida da soma das potências aparentes.
Tabela 3.2. Potência aparente de uma instalação elétrica de motobomba.
Com esse dado de potência aparente, e conhecendo-se o fator de potência da instalação,
é possível calcular o valor da potência ativa.
FASE Corrente (A) Tensão (V) Potência (KVA)
R 28,3 380 10,7
S 27,1 382 10,3
T 28,9 380 10,9
Potência aparente total 32
74
3.7.5. Correção do Fator de Potência (FP)
A correção do Fator de Potência (FP) é uma prática que evita cargas indutivas na rede
elétrica, isso beneficia por um lado o dimensionamento adequado de cabos para a carga
instalada, na redução de custos com o uso de cabos de menor bitola.
A correção do FP é uma exigência das concessionárias de energia sobre grandes
consumidores, sobre a qual devem ficar atentos às multas aplicáveis em caso de
irregularidades. Normalmente as concessionárias de energia elétrica cobram o excedente de
energia reativa se o FP for menor que 0,92.
Para unidade consumidora ou conexão entre distribuidoras com tensão inferior a 230
kV, o fator de potência no ponto de conexão deve estar compreendido entre 0,92 e 1,00
indutivo ou 1,00 e 0,92 capacitivo, de acordo com regulamentação vigente do módulo Prodist
(ANEEL, 2016). A figura 3.9 ilustra o triângulo retângulo de potência, como forma genérica
de expressar as relações de potência sobre uma instalação elétrica.
Figura 3.9. Triângulo de potência. Fonte: WEG (2009, p.7).
O valor do FP é calculado utilizando as potências medidas ou as energias (EA, ER) a
partir das equações 3.5 e 3.6, onde S é a potência aparente; P é a potência ativa; e Q é a
potência reativa (ANEEL, 2016).
(3.5)
(3.6)
Para cargas lineares, o FP também pode ser definido como sendo igual ao cosseno do
deslocamento de fase do ângulo , de acordo com a equação 3.6.
22 EREA
EAFP
22 QP
PFP
P
Qarctg
S
PFP coscos
75
3.8. PLANEJAMENTO DA MANUTENÇÃO
Ao saber que um dos objetivos deste trabalho é propor uma sistemática de manutenção
com base na metodologia de Roda de falhas, este capítulo irá expor alguns conceitos sobre
manutenção e preparar o leitor para o que será abordado dentro do panorama metodológico
proposto no trabalho.
3.8.1. Funções e considerações sobre a manutenção
Por definição, a manutenção é a combinação de ações técnicas, administrativas e de
supervisão, que tem por finalidade manter ou recolocar um item em um estado no qual possa
desempenhar uma função requerida, ou seja, fazer o que for preciso para assegurar que um
equipamento ou máquina opere dentro das condições mínimas de especificações (ABNT-
NBR 5462, 1994).
Segundo Koyano (2002), algumas funções básicas são atribuídas à atividade de
manutenção:
Repor ao equipamento a sua condição normal de operação;
Melhorar a segurança da operação;
Classificar os grupos, famílias e sistemas de manutenção;
Determinar os itens significativos;
Classificar as falhas;
Determinar as tarefas de manutenção.
Nesse sentido, o controle operacional constante das instalações industriais faz parte de
uma das mais eficazes funções da manutenção na prevenção de falhas, onde entram as ações
de inspeção e reparo para garantir a conservação e as boas condições de funcionamento das
instalações e de instrumentação das unidades produtivas.
Mesmo com toda a tecnologia, instrumentação e conhecimento disponíveis, ainda se
sustenta, nos tempos de hoje, a falsa opinião de imprevisibilidade da parada de um sistema ou
equipamento, quando é possível estimar a falha baseado na previsão da vida útil, dada pelo
fabricante. É preciso abolir a ideia de que o bom reparo é aquele que resolve o problema, ou
seja, o efeito, invés disso, o ideal seria assumir a ideia do impedimento de falhas para resolver
a causa do problema, algo que exige um caminho metodológico a percorrer pela engenharia
de manutenção.
3.8.2. Engenharia de Manutenção
Pôr em prática a Engenharia de Manutenção corresponde a uma quebra de paradigma e
uma mudança cultural sobre a manutenção na maior parte das empresas. A procura pelas
causas do mau desempenho e das falhas em equipamentos constitui o fundamento para evitar
consertos recorrentes. Na direção crescente da confiabilidade a engenharia de manutenção
76
proporciona a melhoria dos padrões de performance de equipamentos, e maior
disponibilidade, favorecendo através da mantenabilidade retornos ao gerenciamento de
recursos materiais e humanos.
Esses recursos devem satisfazer de modo sistematizado a gestão dos custos sobre os
ativos, mediante as técnicas de manutenção e mão de obra especializada, e através da
aquisição e substituição de itens e ferramentas de forma eficiente. Nesse contexto, tomando o
exemplo tratado por Kardec e Nascif (2009), onde uma determinada planta industrial adota
Manutenção Preventiva para um conjunto de redutores de uma torre de refrigeração:
Sabemos que a estimativa mais acertada de tempo para as intervenções é
extremamente difícil, porque nesse tipo de equipamento a vida de diversos
componentes é diferente, apesar do pequeno número de componentes. Os
rolamentos têm uma vida diferente dos retentores que, por sua vez, têm vida
diferente das engrenagens. [...] No momento em que a estrutura de Manutenção
dessa planta estiver utilizando para análises estudos e proposição de melhorias,
todos os dados que o Sistema de Preditiva colhe e armazena, estará praticando a
Engenharia de Manutenção. A Engenharia de Manutenção utiliza dados adquiridos
pela Manutenção, para melhorar sempre (KARDEC e NASCIF, 2009).
Essa diferença de vida útil entre os componentes de redutores faz com que ocorra um
excesso de intervenções e trocas de itens com “meia vida”, ainda em boas condições de
trabalho. Os custos desnecessários com sobressalentes e sucessivas intervenções nos
equipamentos devem ser ponderados sob o aspecto das vantagens de um custo em relação ao
outro. Na situação apresentada, os ganhos com a adoção da preditiva no acompanhamento do
conjunto de redutores são garantidos por resultados globais mais satisfatórios. Dessa forma,
Kardec e Nascif (2009) afirmam, que o número de intervenções cairá drasticamente, o
consumo de sobressalentes também e o número de homens-hora alocado a esses
equipamentos, consequentemente, também será reduzido.
A qualidade atribuída ao acompanhamento preditivo está nos subsídios fornecidos pelos
dados relacionados ao acompanhamento, contendo histórico de medições e coletas de
parâmetros operacionais de uma planta, as curvas de tendência, e outras tantas informações de
importância para as pessoas que compõem a equipe de manutenção. Apesar disso, alguém que
esteja praticando Manutenção Corretiva não planejada terá um longo caminho a percorrer
para chegar a praticar Engenharia de Manutenção. E o maior obstáculo a ser vencido estará na
“cultura” que está sedimentada nas pessoas (KARDEC e NASCIF, 2009).
Numa empresa, o desenvolvimento de um programa de manutenção de ativos consiste
basicamente em determinar os métodos de manutenção adequados para cada estado funcional,
em registrar as tarefas de inspeção periódicas com medição de parâmetros operacionais, e os
danos e falhas na linha do tempo dos equipamentos. Paralelo a isso, atuam as medidas
manutentoras, que incluem as inspeções, prevenções, correções e substituições de itens. O
histórico, concebido por meio do registro de inspeções e das falhas, é um recurso útil na
tomada de decisões mais assertivas em outras intervenções, ao lado do conhecimento das
especificações dos equipamentos avaliados e da seleção dos métodos de manutenção mais
apropriados.
77
O cumprimento de ordens de serviço prontas, sem a inclusão da evolução de um dado
item, costuma não representar essencialmente a melhor solução para os problemas, ainda mais
se o tipo de manutenção atribuída for a corretiva. A execução de um programa de manutenção
planejada condizente com as características operacionais de um sistema, dotado de pessoal
especializado, de instrumentação e dados, consegue facilmente aumentar a produtividade, a
disponibilidade de itens e a redução de custos.
As definições dos principais tipos de manutenção estão na próxima seção deste capítulo,
conforme subdivisões ilustradas na figura 3.10.
Figura 3.10. Subdivisão tipológica da manutenção.
3.8.3. Manutenção corretiva
A manutenção corretiva, conhecida também como reativa, pode ser entendida como a
manutenção não planejada, que tem o objetivo de localizar e reparar defeitos em
equipamentos que operam em regime de trabalho contínuo (ALMEIDA; SOUZA, 2001). Em
linhas gerais, pode-se dizer que as empresas do início do século XX não possuíam métodos de
gerenciamento com estratégias de manutenção baseadas na condição dos ativos.
No contexto da produção industrial, a manutenção corretiva visa o atendimento
imediato à produção, sendo que, além de instalações que operam em regime contínuo, ela
atende as instalações que trabalham em regime intermitente, pois estas também possuem valor
agregado à produção. Conforme Almeida e Souza (2001), pode-se entender duas formas de se
operar com manutenção não planejada:
Manutenção de Emergência: é aquela em que, constatado o defeito ou a falha, o
atendimento deve ser feito de imediato, para recolocar o equipamento em
funcionamento normal.
Manutenção Organizada por Fila Baseada em Prioridade: é feita registrando as falhas
dos equipamentos e ordenando-as seguindo determinados critérios de priorização.
Planejamento da manutenção
Manutenção Planejada
Manutenção Preventiva
Manutenção preditiva (função da condição)
Manutenção Detectiva
Manutenção não planejada
Manutenção Corretiva
78
A priori, a manutenção não planejada oferece uma estrutura e um custo organizacional
menor em relação à prevenção de falhas, dispondo-se apenas a atender os itens que
apresentaram dois tipos de eventos: redução da performance esperada, ou falha. A correção a
posteriori da falha demanda, principalmente:
Reposição urgente de itens/equipamentos
Mão de obra extra (dependendo da dimensão da falha)
Horas extras de trabalho
Ônus econômico pela parada na produção.
Numa hipótese de várias falhas de produção ocorrerem, ao mesmo tempo, numa bateria
de poços voltados para o abastecimento, alguns seriam induzidos a entrarem numa fila de
espera por prioridade, enquanto outros seriam atendidos através do reparo ou substituição dos
itens afetados. Esse agravamento traria prejuízos à produção e aos consumidores envolvidos,
o que reduziria a arrecadação devido à exclusividade corretiva dos trabalhos de manutenção.
3.8.4. Manutenção detectiva
A partir da década de 1990 a manutenção detectiva começou a fazer referência na
literatura, sendo definida pela atuação em sistemas de produção buscando detectar falhas
ocultas ou não perceptíveis ao pessoal de operação e manutenção (KARDEC e NASCIF
(2009). Tarefas de verificação de sistemas de proteção em funcionamento configuram a
manutenção detectiva. Em sistemas complexos devem ser executadas por profissional com
treinamento e habilitação na área de manutenção, auxiliado pelo pessoal de operação. Kardec
e Nascif (2009) exemplificam o caso do botão de teste de lâmpadas de sinalização e alarme
em painéis. Esse tipo de ação colabora na garantia da confiabilidade do sistema.
O aproveitamento de computadores, instrumentação e sistemas supervisórios, assistidos
por especialistas, é cada vez maior no controle operacional e detecção de falhas ocultas, o que
leva à conservação de tipos distintos de plantas industriais, muitas vezes sem tirá-los de
operação.
3.8.5. Manutenção preventiva
Segundo Koyano (2002), na manutenção programada com intervalos fixos, preventiva,
as intervenções sobre máquinas e equipamentos são programadas com base no histórico de
falhas e na economicidade. Passa pela simples lubrificação e ajustes de máquinas e de
equipamentos, chamada de manutenção de primeira linha, até o recondicionamento de todos
os itens e sistemas da planta industrial.
Muitas vezes, equipamentos de série já vêm com a sua programação de manutenção
elaborada pelo fabricante. Para sistemas mais complexos cabe à gestão de manutenção
elaborar um programa de manutenção preventiva, com cronogramas direcionados aos planos e
ao controle de manutenção.
79
De forma antecipada, busca-se com a manutenção preventiva (KOYANO, 2002):
A programação da manutenção baseada em uma distribuição de falhas;
Reduzir paradas não programadas por falhas dos equipamentos;
Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos;
Reduzir o trabalho de emergência não planejado;
Impedir o aumento dos danos;
Estipular a vida útil média dos componentes de um equipamento;
Aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento ou linha de
produção;
Determinar previamente as intervenções de fabricação para cuidar dos equipamentos
que precisam de manutenção.
A manutenção preventiva não leva em consideração a maximização do uso de peças ou
componentes, mas um conjunto de atividades que minimizam o custo total em relação à
ocorrência da falha.
Tinga (2010) esclarece que a eficiência de um processo de manutenção preventiva
depende em grande parte da medida da capacidade de se preverem os intervalos de
substituição de componentes. Em seu artigo, propõe dois novos conceitos de manutenção que
combinam as vantagens dos tradicionais conceitos estáticos e de manutenção baseada em
condição. Nesses novos conceitos, aplica-se o perfil de utilização ou de carga como parâmetro
de monitoramento durante o serviço para realizar uma avaliação física com base no modelo
do estado do sistema. Os diferentes conceitos são aplicados a um estudo de caso de turbina à
gás para ilustrar seus benefícios.
Laggoune et al. (2010) ressaltam que a perda produtiva comumente é grande quando
ocorrem paradas em unidades de produção contínuas, estando sua rentabilidade econômica
condicionada pela aplicação de política de manutenção adequada, que poderia aumentar a
disponibilidade e reduzir os custos operacionais.
A respeito de poços d’água e motobombas submersas, a manutenção preventiva pode
ser aplicada em casos importantes para identificação de falhas ocultas, com chances de gerar
falhas catastróficas. Em algumas situações observadas em concessionária de abastecimento
foram identificados poços com eletrodos de níveis danificados por desgaste corrosivo e tempo
de uso, que levam à possíveis falhas de motores submersos em situações em que o nível do
manancial é rebaixado, juntamente com o nível estático do poço em períodos de seca.
Na sequência desse problema o nível dinâmico do poço também seria rebaixado,
causando o surgimento de vórtices e possíveis entradas de ar no crivo da bomba, que levaria a
uma grave redução da vida útil da motobomba. A figura 3.13 detalha o perfil de instalação de
uma motobomba em poço. Para detecção desse problema seria conveniente realizar teste de
continuidade no relé de nível para proceder com a intervenção no poço para substituição dos
eletrodos e fiação.
A otimização de plano de manutenção preventiva, para um compressor de hidrogênio
em uma refinaria de óleo, é proposta através de um procedimento baseado em simulações de
80
Monte Carlo com o método de busca informativa, tendo a técnica Bootstrap aplicada, a fim de
modelar as incertezas nas estimativas do parâmetro (LAGGOUNE et al., 2010). Nesse
contexto, buscam o momento oportuno para substituição de itens em sistema de
multicomponentes séries, considerando a incerteza de dados sobre falhas, onde o custo total
esperado por unidade de tempo é minimizado sob distribuição geral de vida.
O gráfico 3.4 mostra um exemplo típico de distribuição de vida aumentada em curva de
banheira, onde há pontos de substituições preventivas de itens entrando na etapa de desgaste.
Gráfico 3.4. Curva da banheira de probabilidade de falha para um sistema que passou por três substituições de
itens.
A curva mostra claramente que as substituições ocorreram em intervalos dentro do
tempo de vida útil do sistema, próximo à fase de envelhecimento (desgaste). O efeito gera um
deslocamento crescente da vida útil do sistema a partir dos traços em vermelho, com a
redução da função de risco “h(x)”.
3.8.6. Manutenção preditiva
O aspecto mais comum na parada de máquinas e equipamentos é que eles não avisam o
momento da falha, no entanto, manifestam sinais que indicam o modo de falha em curso,
como vibração, ruído, sobreaquecimento e outros.
Em face disso, a manutenção preditiva prognostica o tempo de vida útil dos
componentes das máquinas ou dos equipamentos e as condições para que não ocorra falha
antes desse tempo (ALMEIDA; SOUZA, 2001). Nessa óptica, ela se aplica a avaliação das
condições operacionais de itens, dos danos e falhas que eles podem apresentar e ao
gerenciamento dos métodos e ações de manutenção. Havendo a necessidade de intervir sobre
determinado equipamento, entra em ação a manutenção corretiva planejada.
Essa metodologia de manutenção permite alcançar a máxima disponibilidade para a
qual os equipamentos foram projetados, proporcionando aumento de produção e de
faturamento (KARDEC e NASCIF, 2009).
Segundo Koyano (2002), após análise dos fenômenos, a manutenção preditiva adota
duas linhas de ação para impedir a ocorrência de falhas ou defeitos:
Diagnóstico: detectada a anomalia, o responsável terá o encargo de estabelecer, dentro
do possível, um diagnóstico referente à origem e gravidade do defeito constatado. Esse
diagnóstico precede a programação de reparos.
81
Análise da tendência da falha: a análise consiste em prever o dano ou a falha, por meio
de aparelhos que exercem vigilância constante, predizendo a necessidade do reparo.
A análise dos fenômenos que ocorrem em um sistema se dá sistematicamente por meio
do acompanhamento de parâmetros operacionais (tensão, corrente, vazão, pressão,
temperatura, etc.), e da avaliação da performance dos equipamentos. Esses dados podem
indicar caminhos tomados por avarias em curso nos itens inspecionados, em relação a dados
de um histórico operacional, de um padrão ou norma. Acompanha-los torna o processo de
manutenção mais preciso e confiável.
Na prática, a manutenção preditiva atua na interpretação dos sinais emitidos pelos
equipamentos através de medições de parâmetros elétricos, temperatura e desempenho,
inclusive com inspeção de desgastes, gerando-se com isso um diagnóstico que indica a origem
e a gravidade dos problemas. Ao dar sequência, o pessoal encarregado pela manutenção faz
uma análise da tendência de falha, periodicamente, a fim de prever este evento para uma
tomada de decisão mais assertiva sobre a técnica de manutenção, os custos e a produção de
uma empresa.
3.8.7. Justificativa para implantação da manutenção preditiva
Acredita-se que a manutenção preventiva tem sua completa ação e aperfeiçoamento
quando transpassa para a forma de manutenção preditiva. Em sua ampla função, a
manutenção preditiva busca de forma antecipada (KOYANO, 2002; CAVALCANTE, 2009):
Conhecimento do estado real do equipamento;
Eliminar desmontagens desnecessárias para inspeção;
Aumentar o tempo de disponibilidade dos equipamentos;
Reduzir o trabalho de emergência não planejado;
Impedir o aumento dos danos;
Aproveitar a vida útil total dos componentes e de um equipamento;
Aumentar o grau de confiança no desempenho de um equipamento ou linha de
produção;
Determinar previamente as interrupções de fabricação;
Para Kardec e Nascif, (2009), a Manutenção Preditiva prediz as condições dos
equipamentos e quando a intervenção é decidida o que se faz, na realidade, é uma manutenção
corretiva planejada. De forma direta, as condições básicas para adotar a Manutenção Preditiva
são as seguintes:
O equipamento, sistema ou instalação devem permitir algum tipo de
monitoramento/medição.
O equipamento, sistema ou instalação devem merecer esse tipo de ação em função dos
custos envolvidos.
As falhas devem ser oriundas de causas que possam ser monitoradas e ter sua
progressão acompanhada.
Um programa de acompanhamento, análise e diagnóstico, sistematizado, deve ser
estabelecido.
82
Nesse sentido, convém mencionar os fatores indicados para análise da adoção de
política de Manutenção Preditiva (KARDEC e NASCIF, 2009):
Aspectos relacionados com a segurança pessoal e operacional.
Redução de custos pelo acompanhamento constante das condições dos equipamentos,
evitando intervenções desnecessárias.
Manter os equipamentos operando, de modo seguro, por mais tempo.
São muitos os benefícios da adoção da manutenção preditiva por parte das indústrias,
em que o acompanhamento por análise funcional de equipamentos em operação auxilia na
antecipação de consertos ou trocas de componentes importantes, contribuindo para o aumento
da vida útil dos equipamentos.
Sendo utilizada de forma eficiente, esse tipo de manutenção evita paradas inesperadas
para correção de defeitos com desmontagem e substituição de itens, aumentando a
produtividade dos equipamentos. Com isso, permite programar paradas na produção ou
prestação de serviços para realizar intervenções nos ativos, reduzindo substancialmente trocas
prematuras e custos com manutenção e energia.
Ao propor a discussão de uma metodologia de manutenção preditiva para o segmento
tratado neste trabalho, surgem alguns percalços como os registros escassos sobre o
acompanhamento regular da manutenção de ativos e sobre dados de falhas, caracterizando a
lacuna de um programa de manutenção a ser consolidado institucionalmente.
Confrontado este cenário local com o nacional, constata-se que em muitas operações
industriais falta uma renovação na abordagem da manutenção de seu patrimônio. Faz-se uma
reflexão, e de acordo com Santos (2011):
[...] no Brasil, verificou-se que não há uma base de dados que possa subsidiar a
análise de confiabilidade e de mantenabilidade, tanto no setor industrial quanto
acadêmico. [...] em nível internacional há bases de dados com informações de falhas
e reparos como o Offshore Reliability Data (Oreda), Government Industry Data
Exchange Program (GIDEP), Reliability Analisys Center (RAC), dentre outras.
Esses organismos vendem pacotes contendo dados de falhas de alguns sistemas
técnicos, que retratam uma realidade específica ao seu campo de atuação (SANTOS,
2011, p.34-35).
Diante disso, seguramente existem empresas que registram e utilizam bancos de dados
próprios para suas análises e aplicações no campo da manutenção, mas não ultrapassam seus
muros administrativos.
3.9. CONCEITOS E MÉTODOS DE MANUTENÇÃO PLANEJADA
Nesta seção será feita uma descrição explanatória de algumas técnicas de análise de
falhas e de manutenção preditiva, visando um conhecimento geral e convergindo para a
metodologia abordada neste trabalho.
83
3.9.1. Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC)
A Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC) ou Reliability Centered Maintenance
(RCM) é por definição um programa de agrupamento de técnicas de engenharia, voltadas a
garantir a continuidade do funcionamento de equipamentos em uma planta industrial,
conforme especificações (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009).
Nesse sentido, a disponibilidade de informações é requisito prévio indispensável, sendo
consolidada por meio de banco de dados, com registro e classificação de falhas sobre o
sistema. Isso permite que sejam desenvolvidos estudos de confiabilidade, úteis no
dimensionamento das ações de manutenção.
Conforme Nowlan e Heap (1978), programas de MCC consistem em tarefas específicas
baseadas nas características de equipamentos, que podem ser descritas na forma de quatro
tarefas preventivas básicas aplicáveis para diferentes circunstâncias:
Inspeção programada de um item em intervalos regulares para encontrar quaisquer falhas
potenciais;
Programação de retrabalho sobre um item antes de algum limite de idade previsto;
Programação de descarte de um item (ou uma de suas partes) antes de algum limite de vida
especificado;
Inspeção programada de um item de função sem visibilidade para encontrar eventuais
falhas funcionais.
Os três primeiros tipos de tarefas são direcionados a prevenir falhas individuais
e a quarta na prevenção de várias falhas generalizadas. Tarefas de inspeção podem
geralmente ser realizadas sem remover o produto a partir da sua posição instalada. O
retrabalho ou a substituição podem ocorre quando não há o cumprimento das tarefas básicas,
no primeiro caso, é comum a tarefa de remoção do item afetado de um equipamento para que
seja enviado para uma grande base de manutenção (NOWLAN e HEAP, 1978).
Para aproximar essas tarefas de um exemplo, em um sistema de bombeamento d’água
de poço o conjunto motobomba é o item a ser inspecionado regularmente, e que precisa em
determinados momentos (próximo ao fim da vida útil) ser retirado do poço para um trabalho
preventivo maior. Por ser um equipamento que opera em submersão, fica difícil realizar uma
inspeção programada sobre os elementos constitutivos sem sua remoção de dentro do poço.
Nesse sentido, quando a falha se encontra na motobomba, a jusante das proteções, a
manutenção torna-se mais dispendiosa, por ser preciso e desmontar a tubulação edutora e
manter o sistema parado até a conclusão de toda a logística de manutenção.
Em artigo, Selvik e Aven (2010) destacaram o conceito de Manutenção Centrada em
Confiabilidade (MCC), que é um método de análise para o planejamento de manutenção
preventiva. No trabalho, é proposta a análise de riscos e incertezas na abordagem sobre um
caso da indústria de gás e petróleo offshore, onde é sugerida a Manutenção Centrada na
Confiabilidade e Risco (MCCR), que avalia as consequências de falhas, para além do alcance
do método MCC. O principal objetivo do MCCR é reduzir os custos de manutenção e, ao
mesmo tempo, aumentar a confiabilidade e segurança.
84
3.9.2. Manutenção Produtiva Total (MPT)
Segundo Fogliatto e Ribeiro (2009), a filosofia da Manutenção Produtiva Total (MPT)
sustenta-se na aplicação de alguns elementos gerais, que envolvem todos os departamentos e
colaboradores de um setor produtivo. A mudança cultural é um aspecto que assume a busca
por melhorias do rendimento geral da produção e dos equipamentos. Nas atividades de
manutenção autônoma, procura-se manter as condições básicas para operação de
equipamentos, recuperar e corrigir itens avariados, levando em conta suas particularidades e a
experiência do responsável pela manutenção.
Na prevenção de perdas, a MPT aponta condições para zero acidente, zero defeito de
qualidade e zero quebra, implicando na capacitação e treinamento de pessoal técnico e
operacional.
3.9.3. Análise dos Modos de Falhas e Efeitos (FMEA)
A análise Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) pode se dar conhecendo o sistema
de um ponto de vista externo, a fim de obter os sinais que ele emite. Desse modo, a busca dos
efeitos dos modos de falha é caracterizada como uma ação externa ao sistema. Caso a
investigação dos fenômenos se revele de um ponto de vista interno ao sistema, ou seja, sobre
os modos de falha atuantes, essa investigação se fará através dos componentes do sistema. Em
geral, a classificação das falhas é discutida nesta etapa (SAKURADA, 2001).
De acordo com Palady (1997), o método FMEA possui diretrizes gerais que orientam
sua elaboração, que exige a reflexão sobre cinco questões a respeito do sistema, a saber:
Como cada componente do sistema pode falhar;
Quais os efeitos dessa(s) falha(s) sobre o sistema;
Quão críticos são esses efeitos;
Como detectar a falha;
Quais as medidas contra essas falhas (evitar, prevenir a ocorrência das mesmas ou
minimizar seus efeitos).
O método FMEA tem o caráter qualitativo de análise para estimar a confiabilidade.
Normalmente, o mecanismo de falha do sistema deriva de uma avaliação e da conformidade
dos dados entre os especialistas. Para fins de complementação, é interessante realizar ensaios
para verificar a concordância das hipóteses dos modos de falhas, previstos na análise
qualitativa, com os identificados durante a operação do sistema em campo. As estratégias de
manutenção que se aplicam a este método são a preventiva e a preditiva.
3.9.4. Análise de Árvore de Falhas (FTA)
A análise de árvore de falhas é útil na obtenção de causas de falhas, através de um
diagrama lógico do conjunto mínimo de um evento estudado. Esse método foi desenvolvido
85
pela Boeing com a finalidade de extinguir falhas do trem de pouso de suas aeronaves, na
década de 1960. É possível avaliar um evento indesejado sob dois aspectos, qualitativo, na
identificação das causas básicas ou do caminho que gerou a ocorrência de falha, e,
quantitativo, para inferir sobre a probabilidade de ocorrência de falha.
Para obter a probabilidade de ocorrência do evento indesejado, os seguintes passos da
metodologia devem ser atendidos (KUMAMOTO, 1996; ISO 14224, 2006 apud SANTOS,
2011):
Seleção do evento topo;
Determinação dos fatores contribuintes;
Diagramação lógica;
Simplificação booleana;
Aplicação dos dados quantitativos;
Determinação da probabilidade de ocorrência.
3.10. TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO PREDITIVA
Existe um amplo conjunto de técnicas voltadas à qualificação e quantificação dos
fatores determinantes de falhas em máquinas e equipamentos, os quais remetem à vida útil
residual destes, tendo como recurso à manutenção os métodos baseados na predição das
falhas.
Até 1960 as técnicas de manutenção preditiva se limitavam às análises de ruídos de
máquinas e equipamentos. Indo em frente, a análise e monitoramento de vibração ganhou
espaço na indústria como técnica de sinalização da performance dos equipamentos
(NEPOMUCENO, 1999).
Neste viés, Nepomuceno (1999) expõe, para o caso de uma estrutura arbitrária, que a
análise da vida útil parte de algumas ideias bastante simples:
a) As falhas ou descontinuidades num componente qualquer podem aumentar, partindo de
dimensões diminutas até atingir tamanho apreciável.
b) Quando as descontinuidades crescem, atingem dimensões suficientemente grandes para
originar uma ruptura.
c) A ruptura pode ser evitada caso a descontinuidade seja detectada e o seu gradiente de
crescimento estabelecido através de cálculo.
A análise da vida útil residual de um componente corresponde a uma predição numérica
que poderá ser expressa em tempo de operação, número de ciclos ou outro parâmetro
subordinado ao equipamento ou estrutura. Com a análise é possível revelar áreas com
potencial de danos devido a corrosão, desgaste, fadiga e outros. Em Nepomuceno (1999,
p.794), a estrutura de um elevador instalado numa mina é abordada para análise de vida útil
devido a detecção de uma trinca no suporte da roldana do cabo de aço. A figura 3.11 revela a
predição da fratura mecânica realizada por análises de tensões, onde o crescimento da trinca
teve acompanhamento diário por meio de ensaios não destrutivos.
86
Figura 3.11. Evolução de trinca em suporte da roldana de um elevador. Fonte: Adaptado (NEPOMUCENO,
1999, p.795).
A análise e os cálculos mostraram que era possível o elevador operar em condições
normais 100 ciclos por dia durante 50 dias, sem perigo de ruptura. Na figura 3.11 o gráfico
mostra que o suporte da roldana do cabo de aço foi substituído em aproximadamente 15 dias
após a análise de vida útil residual, prevenindo a evolução da trinca e um possível acidente. A
fadiga causada pelas deformações cíclicas em torno dos pontos de concentração de tensões
poderia levar a trinca a uma fratura, considerando esforços de tração em carregamento
dinâmico.
Dado o número elevado de falhas em turbinas à vapor os eixos de rotores têm sido
estudados com mais detalhes, onde,
No passado recente, mesmo quando não fossem detectadas fissuras ou trincas em
rotores, os mesmos deveriam ser retirados e substituídos por novos. [...] Com o
desenvolvimento das técnicas e sistemas de avaliação de vida útil residual dos
componentes, tais limitações foram totalmente eliminadas (NEPOMUCENO, 1999,
p.797).
Observadas as informações de um componente, esta avaliação se dá através do tempo
decorrido até que uma descontinuidade alcance dimensões de ruptura, sendo comum
empregar tais técnicas para definir a frequência de execução de inspeções.
3.10.1. Inspeção termográfica
Muitas contribuições foram dadas por pesquisadores até a consolidação de tecnologias
voltadas para detecção de imagens infravermelhas, úteis sob diferentes aspectos e objetivos,
desde os períodos de guerras mundiais (1ª e 2ª) até hoje, e com aplicações mais frequentes
pela comunidade científica a partir de 1950, em especial a interessada pelos estudos de
confiabilidade e manutenção industrial. Em vista disso, a descoberta da radiação
infravermelha abriu uma gama de possibilidades para o desenvolvimento de inúmeras
tecnologias e métodos de análises, dentre elas a inspeção com câmera termográfica.
87
A inspeção termográfica auxiliar no processo de identificar possíveis interferências que
venham a aumentar a temperatura normal de funcionamento de máquinas e equipamentos,
como uma sobrecarga que leva a um aquecimento acima do normal nos condutores de um
motor. Em sistemas elétricos identifica problemas causados por anomalias térmicas devido à
relação corrente/resistência dos componentes, geralmente causadas por deficiências de
contato. Quando utilizada em equipamentos mecânicos permite identificar problemas
causados pelo atrito entre peças devido à lubrificação deficiente ou inadequada,
desalinhamento de eixos pelo aquecimento nos dispositivos de acoplamento
Atualmente, no Brasil, a ABNT possui diversas normas sobre o tema “Termografia”, e
que podem ser utilizadas como referência. O quadro 3.9 apresenta as normas em vigor.
Quadro 3.9. Normas em vigor no Brasil sobre Termografia. Fonte: ABNT (2014).
A Associação Brasileira de Ensaios Não Destrutivos e Inspeção (Abendi) é uma
entidade técnico-científica fundada em 1979, que também dispõe de documentos, normas e
referências úteis para o trabalho de análise dos termografistas, e que podem ser consultadas no
website Abendi.
Além de ser uma técnica bastante utilizada na detecção de pontos quentes, a termografia
também auxilia na identificação de itens em temperatura abaixo da referência ou em
temperatura ambiente, o que indica itens fora de operação, podendo ser devido a alguma falha
própria, falha de comando elétrico, ou mesmo, por desligamento intencional.
Com isso, a termografia possibilita uma maior segurança operacional de sistemas,
antecipando danos que podem ser prevenidos para minimizar a elevação de custos, tempo e
mãe de obra com a manutenção corretiva não planejada.
88
3.11. Custo de manutenção
Implicações financeiras fazem parte dos efeitos positivos ou negativos sobre a operação
de ativos, dentro da performance esperada, ou mediante intervenções ocasionadas por falhas.
Quando as paradas dos sistemas produtivos estão envolvendo muitos custos, especialmente
advindos de uma manutenção não planejada, isso indica a necessidade de estudo para
implantação de um programa de manutenção que atenda às demandas da empresa.
O planejamento das atividades de manutenção voltado ao controle dos ativos, em
conjunto com melhorias implementadas por programas de eficiência energética, é o principal
fator contribuinte para o aumento da competitividade, da produtividade, e com isso, do
faturamento nas indústrias. No quadro 3.10 é possível fazer comparações entre custos de
manutenção e faturamento bruto de diversos segmentos industriais.
Quadro 3.10. Custo de manutenção em relação ao faturamento bruto (Abraman 2011). Fonte: Junior et al
(2015).
Os dados mostram que no período analisado o setor que teve o maior percentual de seu
faturamento bruto com custo de manutenção foi o de transporte, seguido de mineração,
siderúrgico, e saneamento e serviços com 5%.
Segundo Mirshawka & Olmedo (1993), os custos gerados pela função manutenção são
apenas a ponta de um iceberg. Na parte invisível do iceberg estão os custos associados à
manutenção planejada e à maior disponibilidade dos ativos, diferentemente da parte visível,
que expõe os custos com peças e materiais de reposição, ferramentas, instrumentos, e mão de
obra. A figura 3.12 retrata o problema do iceberg, com os aspectos dos principais tipos de
manutenção.
89
Figura 3.12. Visões sobre a assimilação de falhas funcionais. Fonte: Arte & Técnica website.
A figura do iceberg é bastante intuitiva na comparação entre os tipos de manutenção,
suas características e as profundidades do tratamento dado aos problemas. Na manutenção
corretiva o problema chama atenção pela visibilidade e prejuízo. Na manutenção preventiva
os efeitos não são muito aparentes, exigindo um olha especializado para a percepção dos
problemas e ações programadas. Como toda base suporta o que vem acima, ela é a parte
crítica onde nascem todos os problemas, os quais podem ser trabalhados na essência dos
fenômenos apresentados, através de sinais de parâmetros operacionais medidos em
equipamentos. Essa parte demanda maiores análises e se relaciona analogamente às
manutenções detectiva e preditiva.
A busca pela disponibilidade de 100% em equipamentos exige custos crescentes com
manutenção para otimização dos lucros. O gráfico 3.5 apresenta a relação entre custos de
manutenção preventiva e custos decorrentes de falhas.
Gráfico 3.5. Custos versus nível de manutenção. Fonte: Mirshawka e Olmedo (1993).
A visão obtida sobre os custos devido a falhas é que eles podem ser reduzidos ao longo
do tempo, caso existam investimentos paralelos em manutenção preventiva. No entanto, a
partir do ponto ótimo, mais investimentos com manutenção preventiva surtem poucas
vantagens para a redução de custos da falha, acabando por elevar o custo total.
90
As necessidades de manter a operacionalização dos sistemas produtivos também vão de
encontro a elementos básicos dentro de uma empresa, com ressalva para o baixo estímulo aos
programas de educação e treinamento de funcionários. Infelizmente ainda existem gerentes
que insistem em enxergar os profissionais da manutenção como meros trocadores de peças,
implicando negativamente no desenvolvimento de novas habilidades de manutenção
(XENOS, 1998). Isso provoca, com frequência por parte dos gestores, o desconhecimento da
importância do aperfeiçoamento de colaboradores, como fator decisivo para atingir
produtividade e lucro mais satisfatórios.
3.11.1. Consumo Específico de Energia (CEE): implicações para eficiência energética e
custos
O Consumo Específico de Energia (CEE) é um índice que indica o total de energia
consumida para o processamento completo de um determinado produto ou para a prestação de
um serviço. É um dos parâmetros de maior importância em estudos que envolvem o uso
racional de energia nas empresas (MONACHESI, 2005, p.232).
Um caso prático do consumo específico, é a medição do consumo de combustível nos
veículos que serve para avaliar sua autonomia ou eficiência. Neste caso, o valor que interessa
não é simplesmente os litros de combustível gastos, mas os litros consumidos por quilômetro
rodado (L/Km). A eficiência é medida pelo inverso do consumo específico. Portanto, qualquer
que seja o âmbito de uma unidade consumidora deve haver interesse para que o CEE seja o
menor, mediante ações voltadas para o uso racional de energia. Isso procede em atuar no
numerador desse índice: o consumo de energia.
Para Monachesi (2005, p.232) diversas variáveis influenciam o consumo de energia
elétrica: o intervalo de leituras do medidor de energia elétrica pode variar, o clima, as férias,
novos equipamentos que são ligados, paradas programadas ou imprevistas, variação de
produção, etc.
Outro índice que pode ser gerenciado é o custo específico, que é o produto do preço
médio da energia elétrica (R$/kWh) de uma empresa pelo consumo específico (kWh/unidade
ou serviço produzido), ou seja, o custo de energia por unidade ou serviço produzido. Por
consequência, ao baixar o consumo específico de energia o índice do custo específico também
cai para a produção ou prestação de serviço.
3.12. CARACTERÍSTICAS GERAIS E ESPECIFICAÇÕES DE CONJUNTOS
MOTOBOMBAS SUBMERSAS
O abastecimento de água para consumo humano, a partir da extração em poços
profundos, é a atividade mais comum dentre as aplicações industrias de Conjuntos
Motobombas Submersas (CMBS). O esforço para trazer água de poços à superfície deu início
após a motobomba ser desenvolvido pelo russo Arutunoff em 1918, chegando à Europa
Ocidental por volta do ano de 1920.
91
De acordo com Tsutiya (2006), o equipamento é projetado para operar mergulhado na
água na posição vertical, onde sua função é extrair água de poços tubulares por intermédio de
bomba hidráulica submersa, que funciona acoplada por eixo a um motor elétrico projetado
para esse fim. Em relação a um poço e aos elementos que compõe seu sistema, como recalque
e instalações civis, as motobombas têm manutenção e custos baixos quando instaladas de
maneira correta, além disso, na partida não são afetadas pelo problema de escorvamento,
sendo essas algumas das vantagens de sua aplicação. “Outros tipos de equipamentos, como
compressores, bombas ejetoras e bombas de eixo prolongado, possuem baixo rendimento e
são de uso restrito” (TSUTIYA, 2006, p.143).
Em um sistema voltado para o abastecimento d’água, os componentes básicos que
integram uma instalação de motobomba, em poço tubular, são definidos como:
Barrilete ou cavalete: parte da tubulação de recalque, identificada a partir da tampa do
poço na parte horizontal mais baixa do sistema, composta por curva, união, tê de redução
com manômetro, válvula de retenção, registro de gaveta e ventosa, sendo estes
componentes acoplados por meio de flanges e juntas;
Tubulação de recalque: tubos de aço galvanizado ou PVC unidos por luvas roscáveis, que
medem em regra entre 3 e 6 metros de comprimento;
Reservatório superior ou elevado: caixa d’água com desnível de elevação em relação ao
solo;
Poço: aquífero do lençol subterrâneo, revestimento em PVC geomecânico com seções
filtrantes próximas ao fundo (conforme NBR 13.604, 1996), em outros casos utiliza-se
revestimento em aço galvanizado ou aço INOX. Para medição do nível d’água, usualmente
utiliza-se tubulação instalada em PVC de ¾”, por onde pode ser introduzido eletrodo de
inspeção;
Sistema elétrico: motor, fiação, quadro de comandos e proteção, eletrodos de controle de
nível.
Essas características estão representadas no perfil de instalação de motobomba
submersa, na figura 3.13.
92
Figura 3.13. Perfil típico de instalação de motobomba submersa em poço profundo. Fonte: Schneider (2014,
p.08).
O aspecto do poço em corte fornece uma visão sobre as medidas usadas no cálculo da
Altura Manométrica Total (AMT), para dimensionamento do sistema de bombeamento
conforme requisitos mencionados no item 3.5.2, destacando na figura os níveis estático,
dinâmico e a altura de recalque externa. No estágio inicial, após a perfuração de um poço,
esses parâmetros operacionais são obtidos e interpretados no teste de bombeamento, para de
fato haver o dimensionamento das especificações da motobomba. A submergência mínima é
um critério determinado pelo fabricante da bomba, definida pela distância entre o nível
dinâmico da água e este equipamento, para que não ocorra entrada de ar possivelmente gerado
93
pela presença de vórtices, causados pelo efeito turbulento na água. Ao considerar a presença
deste efeito, o rendimento e a vida útil do conjunto estariam comprometidos. No Anexo B
encontram-se as plantas da CAERN, com cortes e detalhes do sistema de captação d’água em
PT.
O procedimento de operação de sistema motobomba submersa é geralmente
determinado através de procedimentos elaborados pela engenharia de processo, operação e
manutenção, e pelos manuais dos fabricantes. Os principais cuidados sobre as condições de
operação são com: fluxo reduzido; distúrbios da QEE; partida e parada de motobombas.
Para fins de manutenção, é aconselhável que se acompanhe e registre periodicamente os
parâmetros operacionais de um poço em forma de relatório. Isso se faz medindo a temperatura
de funcionamento das instalações, os dados elétricos e demais variáveis utilizadas no
dimensionamento do sistema, como os níveis estático e dinâmico. Não obstante, o controle da
qualidade da água explorada deve estar fundamentado na portaria n.º 2.914/2011 do
Ministério da Saúde (ME), por meio de análises físico-químicas e bacteriológicas,
possibilitando consultas futuras e tomadas decisões sobre os dados.
3.12.1. Especificações de motobombas
Na especificação de uma motobomba é fundamental garantir o desempenho operacional
e vida útil do equipamento, ao ajustar as condições de operação e minimizar as manutenções
corretivas, por meio de análises preditivas e do ponto de melhor rendimento. “Os constantes
aperfeiçoamentos de motobombas submersas conseguiram dar a estes equipamentos vida útil
superior a 60.000 horas, o que, em regime de 24 horas, corresponde a 7 anos de operação”
(JABORANDY, 2010). No entanto, esse tempo pode sofrer uma tênue redução, ou aumento,
este em razão do dimensionamento do equipamento de forma apropriada para um dado SAA.
Precedente a isso, e à conformidade do projeto de fabricação de uma motobomba, é essencial
que seja feita a correta instalação de todo o sistema elétrico e hidráulico.
Usualmente, o dimensionamento correto de um sistema de bombeio deve corresponder a
aplicação para a qual a motobomba estará disponível, observados os diversos aspectos
comentados que agregam confiabilidade, onde as especificações do motor e da bomba
submersa são de extrema relevância para a definição da vazão e da AMT pretendida.
3.12.2. Motor submerso
Na exposição de Tsutiya (2006), o motor precisa atender às solicitações de potência
consumida pela bomba, conforme curva de potência do projeto. Cooperando com essa
afirmação, Mello et al. (2010) sugere a necessidade de que haja uma folga entre a potência
consumida pela bomba e a potência nominal do motor, ao expor os dados da tabela 3.3.
94
Tabela 3.3. Folga de potência em função do quociente entre potência nominal do motor e potência consumida
pela bomba.
Potência Nominal do Motor (CV) Potência Nominal / Potência Consumida
Potência Nominal ≤ 25 1,25
30 ≤ Potência Nominal ≤ 75 1,15
Potência Nominal ≥ 100 1,10
Fonte: Mello et al. (2010).
Deste modo, em um sistema de recalque onde a potência nominal do motor é 25cv, esta
deve corresponder a 25% a mais da potência de consumo da bomba, que seria de 20cv. Do
mesmo modo, na instalação de um motor de 40cv a bomba acoplada ao seu eixo deve
consumir até 34,8cv de potência, para que 15% de sua potência de consumo (5,2cv) seja a
folga em relação à potência do motor.
Em geral, o motor elétrico de bomba submersa funciona de modo assíncrono, com
alimentação por corrente alternada trifásica e frequência de rede elétrica de 60 Hz, através de
cabo elétrico do tipo chato. As ligações elétricas, a execução correta das emendas à prova
d’água nos cabos e a garantia de funcionamento das proteções são pontos cruciais a serem
observados durante a instalação, devendo seguir os ajustes conforme instruções de manuais de
instalação e serviço. Levando em consideração a distância do motor ao quadro de comandos e
proteção, e a espessura do cabo utilizado, calcula-se uma queda de tensão de até 3%.
Proteções contra surtos de tensão por descargas atmosféricas devem ser instaladas para
prevenir avarias ao motor, onde o aterramento do protetor deve ser o melhor possível e mais
eficiente que o aterramento do motor.
No arrefecimento e controle de pressão interna o motor submerso faz uso de água sem
aditivos em seu interior, a qual é isolada do meio externo, havendo ainda os que são
refrigerados à óleo. O acesso ao reservatório de água de refrigeração se dá por bujões, um
para entrada de água e outro para saída do ar. Segundo Tsutiya (2006, p.145), a temperatura
da água do poço também é um fator importante para o projeto de uma motobomba, uma vez
que a faixa de temperatura comum à operação do equipamento situa-se em torno de 24ºC,
chegando até 30°C. Algumas marcas trabalham com motores especificados para operar em
temperaturas de até 35°C, passando dessa condição a temperatura da água sobe naturalmente
em poços de grandes profundidades, conforme o grau geotérmico 33, que corresponde a
1ºC/33m.
Diferentemente de bombas lubrificadas de fábrica com graxas, os mancais de bombas
submersas dependem do preenchimento da água feito no motor para sua lubrificação. Esse
procedimento não pode ser negligenciado, sendo indispensável antes da instalação do
equipamento em poço, seguindo as devidas instruções do manual do fabricante, a fim de
prevenir a redução da vida útil do conjunto.
Na maioria dos projetos de motobomba submerso, a refrigeração do motor ocorre
devido a velocidade da água entre 1 e 3 m/s, conforme Tsutiya (2006). Esse fluxo ascendente
de água entre o motor e as paredes do poço é produzido pelo próprio conjunto motobomba, a
partir da sucção no crivo. O correto resfriamento é alcançado com um fluxo de 0,08 m/s para
motores de 4" de diâmetro a partir de 3 cv de potência, e com um fluxo de 0,16 m/s para
motores de 6" e 8".
95
Em águas a temperaturas de até 30°C os motores elétricos de bombas submersas operam
usando todo o fator de serviço, a exemplo dos motores “Franklin Electric” (SCHNEIDER,
2014, p.22). Na tabela 3.4 são vistas as proporções entre fluxo de água exigido pelo diâmetro
do motor, diâmetro do poço (ou camisa adutora) e vazão requerida.
Tabela 3.4. Vazões e fluxos mínimos exigidos para a refrigeração de diversos diâmetros de motor e de poço,
com água até 30°C.
Diâmetro interno do poço ou da
camisa indutora
Motor 4” (3 a 10 cv)
Fluxo exigido:
0,08 m/s
Motor 6” Fluxo exigido:
0,16 m/s
Motor 8” Fluxo exigido:
0,16 m/s
Vazão requerida
(l/min.)
Vazão requerida
(l/min.)
Vazão requerida
(l/min.)
4” (102 mm) 4,5 – –
5” (127 mm) 26,5 – –
6” (152 mm) 49 34 –
7” (178 mm) 76 95 –
8” (203 mm) 114 170 40
10” (254 mm) 189 340 210
12” (305 mm) 303 530 420
14” (356 mm) 416 760 645
16” (406 mm) 568 1060 930
Fonte: Schneider (2014, p.22).
O sobreaquecimento no enrolamento do motor devido ao baixo fluxo de água é uma das
causas para redução de sua vida útil. Para corrigir esse problema, existe a camisa indutora de
fluxo, ou de sucção, item usado para ajustar a refrigeração de motor submerso na instalação
com diâmetro consideravelmente inferior ao do poço, a exemplo de quando se instala uma
motobomba de 4” em um poço de 6”, segundo indicação de Ebara ® (2012).
As características de aplicação desse item são notadas nas figuras 3.14 e 3.15.
Figura 3.14. Típica aplicação de camisa indutora de fluxo. Fonte: Electric (2013, p.06).
96
Figura 3.15. Montagem de camisa de sucção em motobomba submersa. Fonte: Ebara ® (2012, p.07).
A utilização da camisa indutora se justifica quando o fluxo de água no motor é menor
do que o especificado na tabela 3.4, podendo se estender para poços e motores de dimensões
maiores. Outra aplicação da camisa indutora de fluxo está para motobombas submersas
instaladas na posição horizontal ou com inclinação em reservatórios, substituindo a operação
de bombas centrífugas horizontais, sendo indispensável sua montagem nas motobombas
voltadas para captação de água em lagos, cisternas, tanques, ou qualquer outro reservatório
aberto. É importante destacar que o uso da camisa indutora de fluxo pode gerar perdas de
carga no sistema de recalque, de acordo com o diâmetro do poço e do motor, e com a vazão
de operação, conforme Anexo C.
No âmbito dos motores instalados em poços com água quente, a profundidade e o uso
de camisa indutora de fluxo, quando necessário, somam-se à necessidade de um projeto
especial para fabricação do motor. Em contrapartida, existe a possibilidade de redimensionar
a potência do equipamento para prevenir que seja danificado por sobreaquecimento. Além
disso, os danos podem se estender ao bombeador, no caso em que a água entra na pressão de
vapor, causando problemas de cavitação. Algumas linhas de motores são projetadas para
funcionar em águas com temperaturas de até 90ºC, sem necessidade de usar a camisa
indutora. No entanto, quando um motor Standard (comum) opera em água com temperatura
acima dos 30ºC permitidos, requer-se um fluxo induzido de pelo menos 0,91 m/s, conforme
tabela 9.3 do Anexo C (ELECTRIC, 2013, p.07).
Corroborando a essência dessa exposição, Mello et al. (2010) explana,
As dificuldades encontradas para se obter equipamentos adequados podem ser
consideradas um entrave, pois além da temperatura da água normalmente acima de
50 °C, a profundidade dos poços profundos pode alcançar até 1560 m, apresentando
níveis dinâmicos da água em torno de 380 m. Desta forma necessitamos de
bombeadores com capacidades superiores a 400 mca (metros de coluna d’água),
consequentemente os sistemas de bombeamento exigem cuidados mais criteriosos na
seleção dos equipamentos. (MELLO et al., 2010).
97
Em nota, Mello et al. (2010) coloca que no caso da água a uma temperatura de 50ºC,
associada ao fator profundidade do poço, haverá uma perda de potência de bombeio, em
virtude do baixo resfriamento de um motor comum, sendo necessário avaliar o fator de
degeneração. Como alternativa, a potência do motor pode ser redimensionada, seguindo os
procedimentos descritos por Electric (2013, p.07-08),
1) Usando a 2ª Tabela, determine a vazão (m³/h) exigida para a bomba, para
diferentes diâmetros de poço ou revestimento. Se necessário acrescente uma camisa
indutora de fluxo para obter, pelo menos, uma velocidade de fluxo de 0,91 m/s. 2)
Determine a potência necessária para a bomba a partir da curva do fabricante (Anexo
D). 3) Multiplique a potência exigida pela bomba pelo fator multiplicador de
temperatura da 3ª Tabela. 4) Selecione na 4ª Tabela uma potência de motor (cv) cuja
potência no Fator de Serviço seja pelo menos o valor calculado no item 3.
(ELECTRIC, 2013, p.07-08).
A título de exemplificação, utilizando os dados do poço PI da CAERN, são descritos os
procedimentos de redimensionamento da potência de um motor submerso comum, para uso
em água quente (60≥T≥35), baseados em Electric (2013, p.07-08).
O revestimento do poço é de 8” e o bombeador de 6”, para o motor submerso de 19cv
produzir 50m³/h a uma altura manométrica de 62 mca. Entretanto, numa hipótese, a água a ser
bombeada estaria a uma temperatura de 52°C. A 2ª tabela (Anexo C) mostra que, para esta
condição, é necessária uma camisa indutora de fluxo de 7" para aumentar a velocidade do
fluxo, de modo a garantir os 0,91 m/s. Na 3ª tabela (Anexo C), localizar o fator multiplicador
de calor de 1,32, já que a temperatura da água é maior que 50°C e a potência inicial do motor
está entre 7,5 e 30 cv. Em seguida, multiplicar a potência inicial (19cv) pelo fator
multiplicador (1,32), chegando a uma potência no Fator de Serviço (FS) de 25,08 cv, mínima
para operar em água a 52°C. Usando a 4ª tabela (Anexo C), selecionar um motor cuja potência
no fator de serviço fique acima de 25,08 cv. A tabela referida expõe que um motor de
potência nominal igual a 25 cv tem potência no fator de serviço igual a 28,75 cv. Portanto, um
motor de 25 cv pode ser usado. O perfil de dados do poço e da motobomba PI estão
disponíveis na descrição dos equipamentos analisados (seção 4.2).
A transferência de calor excedente pelo motor compreende um modo de operação de
risco, cuja refrigeração é deficiente, sendo oportuno para a análise de falhas ao assumir a
importância dos critérios de fluxo e temperatura da água de sucção. Nesse sentido, a
temperatura de extração da água em poços é um parâmetro que não pode ser negligenciado,
assim como as especificações para refrigeração de motores submersos e a escolha do
equipamento mais adequado para cada projeto de instalação.
3.12.3. Bomba submersa
As bombas de água fazem parte do grupo de máquinas de fluxo, ou bombas hidráulicas,
destinadas a fornecer velocidade e pressão à água, sob a forma de energia cinética através de
rotores. Essa energia é convertida em pressão dentro da bomba, favorecendo a elevação da
água na tubulação de recalque para pontos mais elevados numa tubulação de distribuição,
conforme Tsutiya (2006, p.226).
98
Levando em conta os princípios físicos de conservação da massa e da energia,
abrangendo as estimativas para uma máquina de fluxo do tipo bomba centrífuga, é oportuno
observar algumas expressões importantes. “Desconsiderando a transferência de calor e as
variações na energia interna do fluido, a primeira lei da termodinâmica aplicada através da
bomba é (FOX, 2011, p.321) ”:
(3.7)
Nota-se que, para fins de análise de eficiência da bomba, deve-se considerar as
variações desprezadas na equação anterior. De acordo com Fox (2011, p.322), a altura de
carga (energia/massa) pode ser calculada usando:
Em muitos casos, os diâmetros de entrada e de saída da bomba, e desníveis, são os
mesmos ou têm diferenças desprezíveis, de modo a simplificar a equação 3.8 para:
(3.9)
Nessa particularidade, as velocidades em volumes fixos de controle numa bomba levam
esta equação a uma relação útil para a potência fornecida ao fluido, obtida a partir do seu
produto com o fluxo de massa Qm .
, sendo descrita pela equação 3.10.
(3.10)
No transporte até pontos mais elevados de uma tubulação de recalque, a pressão
fornecida à água é obtida por meio de uma parcela da potência motriz do motor, cedida pela
bomba. Logo, faz-se importante lembrar a expressão para a eficiência da bomba:
Esse processo corresponde à conversão de energia cinética, entre rotor e carcaça da
bomba, em potencial gravitacional, devido à pressão ou AMT que a água possa atingir dentro
de tubulações. Com base nisso, é vasto o uso de bombas submersas em sistemas voltados para
o abastecimento público de água, onde comumente existem desníveis entre os poços e os
reservatórios de distribuição.
A classificação das bombas submersas se enquadra dentre os principais tipos de bombas
esquematizados na figura 3.16.
(3.8)
(3.11)
bomba
bomba
ph
sucçãoadesc
gzVp
gzVp
mW22
2
arg
2..
sucçãoadesc
bomba
bomba gzVp
gzVp
m
Wh
22
2
arg
2
.
.
bombabomba pQW .
entrada
bomba
W
W.
.
99
Figura 3.16. Principais tipos de bombas e classificação das bombas submersas. Fonte: Adaptado de Tsutiya,
(2006, p.227).
Baseado na geometria de percurso do fluido, nas máquinas de fluxo radial (centrífugas)
a trajetória do fluido é essencialmente radial, com mudanças significativas no raio, da entrada
para a saída, e, nas máquinas de fluxo misto, o raio da trajetória do fluido varia
moderadamente (FOX et al., 2011, p.434). Deste modo, sendo os rotores peças responsáveis
pelo fluxo de água no interior de uma bomba, o escoamento pode ocorrer de forma
perpendicular ao eixo de um rotor radial, e, na diagonal, quando o escoamento não é axial
nem radial, percorrendo o rotor semi-axial num curso formado sobre uma superfície
aproximadamente cônica.
A configuração de montagem dos rotores é em série para bombas submersas, onde no
topo deles existe uma válvula de retenção de aço inoxidável para evitar o refluxo e reduzir o
risco de golpe de aríete.
Dentre os componentes de uma motobomba, dois tipos de rotores de bombas submersas
estão ilustrados a seguir.
Bombas Submersas
100
Figura 3.17. Cortes transversais em duas motobombas, uma com rotor radial e outra com rotor semi-axial.
Fonte: Zambon et al. (2016).
Em geral, a literatura técnica diz que os rotores radiais são projetados para atuar sobre
vazões de até 35 m³/h, enquanto que os rotores semi-axiais, ou de fluxo misto, produzem
vazões superiores, conforme Tsutiya (2006, p. 145) e Ebara® (2012, p.06). Sobre a água
bombeada por uma motobomba, é comum que os mecanismos de arrefecimento e de
lubrificação estejam em função do próprio fluxo gerado pelo equipamento.
É fundamental que o sentido de rotação do motor esteja correto para que se evite
operação à seco ou de vazão reduzida, vindo a comprometer drasticamente a vida útil do
conjunto. Com a bomba já instalada no poço, o procedimento de verificação segue com o
desacoplamento do barrilete e com o teste de bombeamento em descarga livre. A maior
pressão ou vazão indicará o sentido correto de rotação e da sequência de fases que alimentam
o motor.
No rotor de uma bomba a diferença de temperatura entre a sucção e o recalque pode
variar, em alguns casos, até 10 graus Celsius. (JABORANDY, 2010, p. 17). Diferenças de
temperaturas como essa, aliadas ao aumento da temperatura da água de acordo com a
profundidade do poço, podem ser suficientes para levar ao processo de cavitação nos rotores.
Nesse plano, a temperatura reafirma-se como um parâmetro útil nas análises de danos tanto
em motores quanto em bombas submersas.
101
O trabalho fornecido pela bomba sobre a água potável pode ocorrer de forma regular
numa concentração de areia de até 15 g/m³ à temperatura ambiente (TSUTIYA, 2006, p.145).
A quantidade de areia succionada pelo sistema de bombeamento deve ser analisada pelo
fabricante para definir os materiais a serem empregados na construção do equipamento, e
prevenir possíveis danos abrasivos, sendo uma característica de sua especificação.
Conforme Tsutiya (2006), na construção da bomba submersa é comum utilizar os
seguintes materiais constantes no quadro 3.11.
ITENS MATERIAIS
Carcaça (concêntrica) Ferro fundido GG-20, GG-25 ou aço inox
Rotor (radial ou semi-axial) Bronze SAE 40
Eixo Aço inox
Luva do mancal Aço AISI 420 ou AISI 316
Parafusos, porcas e arruelas que permanecem
em contato com a água Aço inox (obrigatoriamente)
Crivo Aço inox
Quadro 3.11. Materiais utilizados nos principais itens de uma bomba submersa. Fonte: Tsutiya (2006, p.146).
Convém destacar, que os materiais utilizados em bombas submersas podem diferir em
termos de tecnologia por fabricante, pois novos materiais compósitos e ligas metálicas podem
agregar mais qualidade, melhorando a proteção e o desempenho do equipamento. A pouca
manutenção e o baixo ruído conferido pelas bombas submersas estão associados à sua correta
especificação e instalação.
3.12.4. Dimensionamento da AMT
O dimensionamento das especificações de motobombas é um passo que precede sua
instalação para captação de água subterrânea em poços, sendo necessário conhecer e adequar
parâmetros desse equipamento como: AMT, vazão pretendida e potência. Estes parâmetros
podem ser consultados, respectivamente, nos Anexos C e D. No Anexo C constam dados de
potência e correte elétrica de operação de alguns modelos de motobombas submersas, sobre
os quais é fundamental ter conhecimento para dimensionar os itens elétricos dos quadros de
comandos e proteção, como disjuntores, contactores, cabos e relés, tomando como referência
a corrente nominal.
Nesse âmbito, existem também os parâmetros utilizados no monitoramento de poços e
motobombas:
102
Quadro 3.12. Parâmetros de monitoramento de poços. Fonte: Giampá (2005, p.33).
3.12.5. Ponto de operação da bomba
Na operação de bombas submersas, diferentes condições de vazão e AMT podem
coexistir para uma mesma rotação. A configuração operacional de uma bomba é determinada
em função de sua curva característica, e da curva do sistema ou tubulação (altura geométrica
“Hg” e perda de carga total “∆H”), as quais se intersecionam para representar o ponto de
operação da bomba, ou ponto ótimo.
No cálculo da AMT o ponto mais baixo da curva do sistema de bombeio é o nível
dinâmico, que deve ser obtido com precisão para uma seleção assertiva de uma bomba. O
gráfico 3.6 mostra que a curva característica da bomba permite seu funcionamento dentro de
uma ampla faixa de valores de vazão e AMT, no entanto, deve obedecer à curva do sistema
elevatório para assegurar o ponto de operação/trabalho.
Gráfico 3.6. Curvas do sistema e da bomba submersa para um ponto de operação/trabalho genérico. Fonte:
Adaptado de Filho (2009, p.85).
Shut off
1 2 3 4
5 6
7
8
103
Considera-se o registro totalmente aberto no ponto de operação, sendo a motobomba
especificada para trabalhar em torno do rendimento máximo, numa faixa aceitável onde as
condições técnicas são apropriadas. A operação fora dessas condições favorece a ocorrência
de perdas hidráulicas associadas aos problemas numerados de 1 a 8, na figura anterior.
Usualmente, as vazões ficam limitadas a ± 20% da Qponto de operação.
3.12.6. Cálculo da corrente nominal de motor submerso
O cálculo da corrente nominal é bastante útil quando se pretende identificar a corrente
de operação de um projeto de motobomba, no acompanhamento do balanceamento desse
parâmetro, ou para estimativa em situações em que não se pode medir. Em um sistema
trifásico, as fases devem estar defasadas em ângulos de 120° de forma ideal.
Para garantir o desempenho de motobombas, a corrente no circuito de potência deve
estar balanceada entre os valores de cada fase, sendo determinada a partir de duas formas,
uma com dados hidráulicos do conjunto e outra com dados elétricos do motor.
Para calcular a corrente nominal “ ni ” do motor elétrico a partir dos dados de vazão e
AMT especificados para a motobomba, utilizam-se as equações da potência elétrica
convencional para motor trifásico e a potência hidráulica do motor, de acordo com as
equações:
(3.12)
(3.13)
Logo, a relação de igualdade entre as expressões acima permite chegar na equação 3.14
da corrente nominal, sendo simplificada na 3.15:
(3.14)
(3.15)
Ao fazer o produto de um valor genérico atribuído aos motores submersos (
8,0 motorCos ) pelo valor da tensão de alimentação (380V) obtém-se um denominador
igual a 304 na expressão 3.16.
(3.16)
Onde in = [A], Q = [m³/h], e H = [m.c.a.].
270000.
HQP motorhidr
5,735
)(3.
nFmotorelét
iCosUP
Cos
HQin
3220270000
5,7351000
motor
nCos
HQi
380
72,2
304
72,2
HQin
104
Na prática geral, é possível estimar os valores de corrente nominal dos motores
submersos de poços por meio de uma expressão que se aproxima em muitos casos aos valores
usuais. Nela se utilizam os valores da potência entregue pelo motor “ motorP ” (cv), da tensão de
alimentação “LU ” (V) e um valor genérico associado ao produto do fator de potência da
instalação “ Cos ” pelo rendimento “ motor ”, que, neste caso, fica no numerador da expressão.
Para efeito de cálculo, considera-se VUL 3803220 e 8,0 motorCos nas três
equações a seguir:
(3.17)
ou ainda,
(3.18)
Nesse script, o rendimento do motor “ motor ” (%) é dado por:
(3.20)
3.13. SISTEMA ELÉTRICO DE ACIONAMENTO E PROTEÇÃO DE
MOTOBOMBAS
Nos poços voltados para o abastecimento d’água, é comum o sistema elétrico de
alimentação da motobomba ser formado essencialmente pela fiação do circuito de potência,
que interliga o motor no interior do poço ao quadro de comandos.
O quadro de comandos é um compartimento fabricado em chapas de aço carbono ou
caixa termoplástica com grau de proteção IP 44, utilizado para alocar dispositivos elétricos
voltados para o acionamento, proteção e controle operacional de uma gama de cargas para
múltiplas funcionalidades. O principal uso envolve aplicações com motores, na operação de
compressores, refrigeradores, prensas, e outros equipamentos como a bomba submersa.
Chamado também de quadro de automação, ele se destina a receber energia elétrica de uma
fonte de alimentação e distribuí-la aos diversos circuitos, como circuito de potência (ou
força), onde se conectam as cargas, e circuito de comando, onde são comandados os
dispositivos de manobra e proteção. Em função disso, sua estrutura é encarregada de proteger
as conexões de condutores elétricos interligados aos dispositivos de proteção e controle.
(3.19)
L
motormotor
U
CosPi
5,735
380
4,588 motorP
i
55,1 motorPi
100elétrica
mecânicamotor
P
P
105
Na composição dos sistemas de automação estão o circuito de potência e o circuito de
comando e proteção. O primeiro é encarregado da parte de força do motor, o segundo detém
as características operacionais. Os tipos de contatos distinguem-se pela corrente de operação
(potência ou comando) e pelo tipo de comando (fechamento ou abertura), onde no circuito de
potência a corrente é maior, e no circuito de comando os contatos são do tipo normalmente
aberto (NA) ou normalmente fechado (NF), com corrente baixa em torno de 5A.
As proteções como fusíveis, disjuntores e relés são montadas em série com o circuito de
comandos, de modo a garantir o funcionamento correto das instalações, sendo responsáveis
por desarmar o sistema (seccionar o comando) quando houver atuação especifica de relés de
proteção e controle. A título de exemplificação, estão os dispositivos presentes na maioria dos
quadros de comando e proteção da CAERN, conforme Filho et al. (2014):
Fusíveis
Disjuntores
Contatores de potência
Chaves de Partida
Contatores auxiliares
Botoeira e sinalizadores
Relé térmico de sobrecarga (RT)
Relé de falta de fase (FF)
Relé de nível (RN)
Relé programador horário
Relé de tempo
Relé de Sobre e Sub tensão
Relé de Sobre e Sub Corrente
Os contatos auxiliares, relés, botoeiras e chaves formam interruptores dos comandos e
proteções que atuam em modo aberto ou fechado. As lâmpadas são cargas sinalizadoras de
comando e os fusíveis e disjuntores elementos de proteção contra sobrecorrente e curto-
circuito.
Existem ainda, outros dispositivos controladores que atuam de forma modular em
conjunto com sensores de pressão e vazão, permitindo um gerenciamento eficiente sobre
níveis de reservatórios e consumo energético. Nesse campo de aplicação está a telemetria
associada ao telecomando, que forma um caso típico de aparelhamento aplicado ao
monitoramento constante de equipamentos. A gestão integrada de equipamentos por esses
recursos permite, inclusive, comandar bombas dosadoras de Cloro, constatar irregularidades
na operação e tomar decisões operacionais à distância, por meio de computadores.
Para todos os casos, a manutenção sobre componentes do sistema de acionamento de
motobombas depende da identificação de anomalias, diagnóstico e ação, através de
profissional da área. Isso corresponde a monitorar, inspecionar e corrigir alterações nos
estados dos dispositivos, avaliando no circuito (energizado ou não) todos os componentes
dependentes (em série) que são comandados na opção automática de acionamento.
É comum que a opção manual de acionamento assuma um papel emergencial, pois a
partir do circuito de comando o motor passa a funcionar sem as proteções da linha automática
da chave seletora, até a correção do problema. A chave seletora (manual-desligado-
automático) se localiza na frente do quadro de comandos, onde são registrados os parâmetros
operacionais, basicamente, por meio de amperímetro, voltímetro e horímetro.
106
3.13.1 Considerações sobre a NR-10
Adequar instalações elétricas e procedimentos de trabalho em empresas pressupõe
aplicar as recomendações da NR-10. A Norma Regulamentadora n.°10 (Segurança em
instalações e serviços em eletricidade) é constituída nos preceitos básicos e condições
mínimas para colocar em prática medidas de controle e sistemas preventivos, voltados a
garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que, direta ou indiretamente, interajam em
instalações elétricas e em serviços com energia elétrica.
Em serviços com energia elétrica, a NR-10 se destaca ao relevar a segurança em
instalações elétricas, apresentando prescrições a uma diversidade de aplicações, dentre as
fases de: geração, transmissão, distribuição e consumo. Nestas, incluem-se etapas de projeto,
construção, montagem, operação e manutenção, onde além dessa norma, devem ser
observadas as normas técnicas estabelecidas pelos órgãos competentes, e nos casos de
omissão ou ausência destas, as normas internacionais cabíveis. Nesse sentido, é válido notar
se as instalações elétricas BT estão em conformidade com as especificações previstas na NBR
5410, norma que regulamenta este assunto.
Na manutenção das instalações elétricas de motobombas, alguns assuntos de interesse
da NR-10 estão relacionados aos procedimentos de segurança para manuseio nos quadros de
comandos e proteção, seccionamento, isolamento das partes vivas, isolação dupla ou
reforçada, aterramento, bloqueios e impedimentos, sinalização, desenergização, energização e
zonas de risco.
3.13.2 Diagrama multifilar
O diagrama multifilar de um poço é um instrumento balizador de trabalhos de instalação
e manutenção, que permite consultar as características das instalações elétricas com
objetividade. De modo similar aos diagramas multifilares, na definição apresentada por
Pereira e Souza (2010, p.16):
Os diagramas unifilares são a representação gráfica dos componentes elétricos e das
suas relações funcionais e contém apenas os componentes principais dos circuitos,
representados por uma linha. Estes diagramas devem estar acompanhados de dados e
especificações das medidas de proteção instaladas, especialmente, do sistema de
aterramento elétrico, elemento de fundamental importância à segurança de
trabalhadores e usuários e dos demais equipamentos e dispositivos de proteção que
integram a instalação elétrica, tais como, fusíveis, disjuntores, chaves e outros
componentes associados à proteção.
Manter as especificações das instalações elétricas documentadas garante a segurança
nos procedimentos de substituição de itens de proteção, por outros compatíveis com os
demais itens da instalação, sem que haja aleatoriedade, proporcionando a correta atuação
desses dispositivos. Ao longo das intervenções e manutenções sobre as instalações elétricas de
um poço é indispensável manter atualizados os esquemas multifilares, com as especificações
do sistema de aterramento e demais equipamentos e dispositivos de proteção, baseado no que
consta no item 10.2.3 da NR-10.
107
Na sequência, estão dispostos os diagramas multifilares representativos dos sistemas de
acionamentos das motobombas objetos desse estudo. Os diagramas disponíveis se referem aos
circuitos de potência e comando dos quadros de comandos e proteções, que reproduzem as
ligações elétricas e as cargas instaladas.
3.13.3 Acionamentos aplicados a motobombas: PD, PC, PS e PI.
Em aplicações de motobombas instaladas em poços tubulares o acionamento é realizado
através de chaves de partidas, selecionadas conforme potência instalada, carga aplicada,
percentual de redução desejado para a corrente e conjugado de partida, entre outros fatores.
Na concessionária envolvida neste estudo, as chaves de partidas mais aplicadas a motobombas
submersas nos SAA são as mencionadas a seguir.
Partida Direta
A partida direta é um método que se aplica a motores que partem a vazio ou a plena
carga. Possui elevada vida útil devido a utilização de contator para manobra, mas tem
desvantagem dentre as chaves de partidas elétricas quando aplicada a altas potências, devido
ao pico de corrente no início, que também acompanha o conjugado de partida.
Esse método de acionamento deve ser adotado sempre que a instalação permitir, pois a
condição de projeto dos motores elétricos estabelece que a máquina opere em tensão de rede e
corrente nominal, e, portanto, com conjugado (torque) nominal. Em face disso, a elevada
corrente de partida traz as seguintes consequências (WEG, 2015, p.76):
a) Elevada queda de tensão no sistema de alimentação da rede, provocando interferência em
equipamentos instalados neste sistema;
b) O sistema de alimentação (cabos, chaves, proteção, transformador) deverá ser
sobredimensionado, elevando os custos;
c) A imposição das concessionárias de energia elétrica que limitam a queda de tensão da rede;
d) Limitação no caso de redes isoladas operando com grupos geradores.
Devido à limitação da queda de tensão, imposta pelas concessionárias de energia
elétrica, a partida direta fica restrita a condições onde: os motores podem ter até 7,5 cv para
serem ligados na rede secundária da concessionária; a corrente de partida do motor deve ser
bem inferior à da rede; as instalações elétricas devem ter capacidade para conduzir a corrente
de partida (tempo curto) e a corrente nominal (regime permanente); os motores devem partir
sem carga (a vazio), somente depois de se ter atingido a rotação nominal é que a carga poderá
ser aplicada.
A figura 3.18 representa o diagrama multifilar, com o circuito de potência (à esquerda) e
circuito de comando (à direita).
108
Figura 3.18. Diagrama multifilar de partida direta. Fonte: Adaptado WEG (2013).
Partida com chave Compensadora
A chave compensadora se aplica ao acionamento de motores elétricos sob carga, com a
finalidade de reduzir a corrente de partida e de evitar sobrecarga no circuito de alimentação.
Esse método permite ao motor atingir um conjugado suficiente para a aceleração até o regime
de trabalho. Isso ocorre com a redução da tensão nas bobinas do motor por meio de
autotransformador ligado em série, que possui normalmente TAPs de 50, 65 e 80% da tensão
nominal (WEG, 2015, p.77).
A depender da terminação utilizada no autotransformador a corrente de partida pode ser
reduzida a 42% do valor de partida direta (TAP 65%), e a 64% (TAP 80%). Por outro lado, o
autotransformador acaba delimitando a potência máxima do motor, demandando ainda um
espaço maior para sua instalação. Para motores a partir de 15 cv a norma NBR IEC 60947-4-2
recomenda a utilização da partida compensadora.
Na figura 3.19, observam-se os circuitos de potência e comando dessa chave de partida.
109
Figura 3.19. Diagrama multifilar de partida compensadora. Fonte: Adaptado WEG (2013).
Partida com chave Soft-starter
Os avanços aplicados nos últimos anos, sobre a evolução das chaves de partidas,
trouxeram melhorias significativas no sentido de tornar mais eficazes os processos de
acionamentos de motores elétricos, bem como de agregar confiabilidade e vida útil aos
equipamentos envolvidos e à rede elétrica de alimentação, com o advento tecnológico das
chaves eletrônicas.
A Soft-starter é uma chave eletrônica composta de um conjunto de tiristores/diodos
SCRs (do inglês Silicon Controlled Rectifier - Retificador Controlado de Silício), que permite
o acionamento de cargas suavemente, por meio do controle da tensão para redução da corrente
de partida. Essa chave integra uma IHM capaz de programar tensão e tempos de rampas de
aceleração e desaceleração, e de configurar parâmetros de proteção, como limites de
subtensão, sobretensão, subcorrente e sobrecorrente, falta de fase, sequência, curto-circuito,
entre outros.
O controle da tensão de saída, assim como da corrente de partida, programados
previamente por usuário, leva a chave eletrônica a tirar proveito de vida útil em relação às
chaves eletromecânicas, por não possuir partes móveis ou que gerem arco elétrico (WEG,
2015, p.77).
O diagrama da figura 3.20 representa um típico sistema paralelo-série intertravado,
contendo os componentes essenciais do circuito de potência (à esquerda) e comando (à
direita) de um sistema de bombeamento submerso d’água acionado por soft-starter. A
descrição de seus itens permite identificar componentes comuns entre os diagramas alusivos
às 4 motobombas estudadas.
110
Figura 3.20. Diagrama multifilar de uma chave de partida Soft-Starter, modelo 3RW30 fabricante Siemens.
Nessa configuração de diagrama multifilar se utiliza chave de partida soft-starter com
automático para acionamento de motobomba. Na linha da chave seletora para automático, os
contatos normalmente abertos (NA) identificam os itens de proteção e comando do circuito,
que incluem relé de falta de fase (K1), relé de nível (K2) e programador horário (K3), os quais
na ausência de problemas, e conforme programação do usuário, habilitam o acionamento da
motobomba por meio dos contatos da soft-starter. O contactor e o relé térmico são itens de
série desse tipo de chave acionadora, assim como na partida por inversor de frequência.
Ao usar outros tipos de partidas para acionamento da carga, a soft-starter seria
substituída por contactores associados a relés de proteção térmica, e outros implementos como
autotransformador para o caso de partida compensadora. Um esquema simplificado das soft-
starters é apresentado na figura 3.21.
Figura 3.21. Diagrama simplificado de chave de partida Soft-starter para instalação de motor trifásico. Fonte:
Adaptado WEG (2013).
111
Partida com Inversor de frequência
O inversor de frequência é um equipamento com ampla aplicabilidade na automação
industrial, destinado ao acionamento de motores elétricos em corrente alternada, e que faz uso
de transistores de potência, IGBTs (do inglês Insulated Gate Bipolar Transistor – Transistor
Bipolar de Porta Isolada), para o processamento de suas funções em sistemas de controle.
Dentre os papéis que o inversor de frequência pode desempenhar estão a de transformar
tensão alternada em contínua, para em seguida converte-la em tensão de frequência e
amplitude ajustáveis na alimentação de um motor. O circuito interno do inversor utiliza uma
ponte retificadora trifásica e capacitores de filtro, tomando um terra como referência para
formar uma fonte CC simétrica. Quando comutados os contatos desse circuito interno,
seguindo lógica de controle, cria-se uma forma de onda alternada (quadrada) na qual a
frequência varia em função da frequência de chaveamento.
Com esse instrumento é possível reduzir o número de partidas e paradas repentinas de
motores e diminuir os danos mecânicos nos equipamentos, podendo realizar até 200 partidas
em um período de 24 horas, através de rampas de aceleração e frenagem (ELECTRIC, 2013).
Por meio de uma IHM é feita a parametrização das funções programáveis, que permitem
configurar o sistema de acionamento e proteção integrada de acordo com a necessidade de
aplicação.
Acionamentos que regulam a velocidade do motor, controlando a tensão e a frequência
da rede, têm alargado vastamente a abrangência das aplicações e capacidades dos motores
CA, entretanto, isso impacta no projeto, desempenho e confiabilidade dos mesmos (WEG,
2015, p.77).
Conforme WEG S.A (2015), a partida suave de um motor elimina os altos esforços da
partida no enrolamento do estator e barras do rotor que são comuns quando a partida ocorre
direto pela rede, além disso, velocidades baixas correspondem a ciclos menores, portanto,
fadiga minimizada sobre rolamentos e outros elementos girantes, refletindo em maior vida útil
para o motor. Contudo, existem alguns fatores importantes que geram problemas se não
considerados na especificação técnica inicial de motores que operam em velocidade variável:
Tensão de "Modo Comum"; Harmônicas; Frequências de Chaveamento e Ondas
Estacionárias; Faixa de Velocidade; Aspectos na Partida.
Os problemas relacionados a aplicações com velocidade variável que podem surgir, em
decorrência da não observância desses fatores, estão relacionados a: requisitos específicos da
carga, integridade da isolação, vibrações, qualidade dos materiais e da construção.
A Figura 3.22 representa um esquema de um circuito de potência típico de inversor de
frequência.
112
Figura 3.22. Chave inversor de frequência, instalação para motor trifásico. Fonte: Adaptado WEG (2013).
3.13.4 Comparativo entre principais tipos de acionamentos
No momento em que um motor elétrico de indução trifásico é acionado a corrente
elétrica solicitada se eleva muito acima do valor nominal de operação, normalmente de 5 a 6
vezes, o que caracteriza a partida direta. Isso ocorre porque no instante inicial é necessário um
torque superior para vencer a inércia do motor mais a carga, até alcançar a rotação de serviço,
na qual as bobinas recebem tensão nominal. Para reduzir a amplitude da corrente de partida
existem diferentes métodos de acionamentos de motores, onde no gráfico 3.7 se faz um
comparativo.
Gráfico 3.7. Comparativo entre correntes de partida, para diferentes tipos de acionamentos. Fonte: Adaptado de
Mascheroni et al. (2005).
Dentre as curvas de corrente de partida, a de Inversor de Frequência oferece menor
oscilação na rede elétrica, pois durante a partida a carga é suavemente solicitada, de maneira
que não haja pico de corrente. No entanto, por ser um sistema embarcado de eletrônica
sofisticada, capaz de controlar a velocidade de rotação, dentre outros parâmetros na partida,
113
em regime de operação e na parada, nem sempre apresenta melhor custo benefício, quando se
leva em conta a potência do motor e a aplicação a que ele se destina. Com isso, esse tipo de
acionamento acaba sendo mais indicado para motores com potência superior a 7,5cv
(conforme a concessionária de energia Cosern), e que demandam maior controle modular em
operação. Numa sequência decrescente, os tipos de partidas que apresentam melhores curvas
de corrente são: Inversor de Frequência, Soft-starter, Estrela-triângulo e Partida direta.
Para a maioria das motobombas que integram o SAA do qual as motobombas analisadas
fazem parte, o acionamento se dá normalmente através de partida Compensadora, invés da
partida Estrela-triângulo, esquematizada na figura 3.23.
Figura 3.23. Diagrama de partida estrela-triângulo. Fonte: Adaptado WEG (2013).
Em relação a este método de partida, a chave compensadora apresenta um pico de
corrente menor, pelo fato do motor continuar aumentando a rotação na passagem da tensão
reduzida para a tensão nominal da rede, além disso, o motor precisa apenas de três terminais
para alimentação.
Dentre as vantagens e desvantagens dos métodos de partidas, o quadro 3.13 apresenta as
principais.
114
Partida Controle Vantagem Desvantagem
Direta ─
Melhor condição para o
motor.
É a condição que causa o
menor aquecimento.
Menor custo e ocupa menor
espaço na instalação.
Pior condição para a rede de alimentação.
Pior condição em termos de solicitações
mecânicas.
Sobredimensionamento de cabos e
contatores.
Chave
Compensadora
Ou Auto -
Transformador
Tensão
Variação de “TAP” de 65% e
80% da tensão da rede.
Limitação da corrente de
partida.
Utiliza três condutores para
alimentação do motor.
Muito utilizada para cargas de
baixa inércia.
Há uma queda também do conjugado, o
que pode acarretar problemas na partida se
esta não for considerada.
Mudança brusca nos TAPs, causando
transitórios nos chaveamentos; Na
instalação necessita de espaço maior.
Inadequado para cargas com altas
inércias.
Vida útil limitada (número de manobras).
Possibilidade de gerar faíscas ou arcos de
tensão devido as chaves serem mecânicas.
Soft-Starter
Ou Partida
Estática
(Eletrônica)
Tensão
Limitação da corrente de
partida.
Partida e desligamento suaves
(existem rampas de tensão
controladas por meio de
tiristores).
Vida útil elevada (não possui
desgastes mecânicos por
número de manobras).
Proteções ao motor
incorporadas.
Preço devido ao uso de componentes
eletrônicos em alta e média tensão.
Problemas para cargas com altas inércias
e conjugado constante.
Inversor de
Frequência Ou
Variador de
Frequência
Tensão e
Frequência
Limitação da corrente de
partida (próxima a nominal).
Acionamento de cargas com
altas inércias.
Controle de velocidade do
motor.
Opera acima da rotação
nominal do motor.
Preço elevado.
Motor deve ter isolamento adequado (a
operação do inversor gera picos de tensão
no isolamento do motor).
Harmônicas, geram aquecimento
adicional.
Podem ser usados filtros para reduzir ou
eliminar os efeitos prejudiciais do inversor
ao motor, entretanto o custo deles é muito
alto.
Quadro 3.13. Comparação entre os principais métodos de partidas. Fonte: Adaptado WEG (2015, p.81).
Esses tipos de acionamentos utilizam contatores e outros dispositivos auxiliares, para
promover o fechamento ou abertura sincronizada de contatos elétricos, que ligam a
alimentação trifásica aos terminais do motor, com tensão reduzida ou com tensão plena
(partida direta).
115
CAPÍTULO IV
4. METODOLOGIA E PESQUISA DE DADOS
O presente cenário metodológico trata da análise preditiva de Conjuntos Motobombas
Submersas (CMBS) referentes a quatros poços tubulares d’água da concessionária CAERN,
unidade de Parnamirim, que operam com diferentes acionamentos e programações. Os poços
foram indicados no intuito de inferir sobre a confiabilidade das motobombas, devido à
criticidade desse equipamento para a garantia do fornecimento de água à população.
Optou-se por trabalhar um método alternativo pouco utilizado na área de manutenção
industrial, no entanto, promissor para a discussão sobre os principais modos de falhas que
afetam os equipamentos. Nessa convergência, foi aplicada a metodologia da Roda de falhas
para identificar os modos de falhas e estimar qualitativamente a confiabilidade, baseada nos
tipos de falhas recorrentes e na performance das motobombas submersas.
O fluxograma da figura 4.1 apresenta as etapas metodológicas deste trabalho,
destacando os passos desde a coleta de dados até a análise dos resultados.
116
Não Sim
1ª ETAPA
2ª ETAPA
Figura 4.1. Fluxograma de etapas do trabalho.
Os procedimentos deste estudo de caso são definidos em duas etapas que antecedem a
análise dos resultados, planejadas e executadas com base em relatos sobre falhas recorrentes,
medições de parâmetros operacionais, e, dados de consumo e produção dos poços.
Entrevista e definição
das falhas recorrentes
nos poços
Procedimentos
do checklist
Critérios NR 10,
Inspeção
termográfica
Coleta de
dados
operacionais
Poços (23, 31).
Operação
constante
Poços (34, 63).
Operação com
paradas
ANÁLISE DE
CONFORMIDADE DOS
DADOS
Roda de
falhas
Análises e
discussão dos
resultados
Manutenção
planejada
Manutenção
corretiva não
planejada
Estimativa da
Disponibilidade e
Confiabilidade dos
sistemas
Identificação dos
modos de falhas
Cálculo dos
Consumos específicos
de energia (CEE).
117
4.1 Descrição das etapas metodológicas
1ª ETAPA
Entrevista à equipe de manutenção
Destinou-se a colher informações sobre os tipos de falhas recorrentes nos poços, para
utilização na Roda de falhas, as quais foram obtidas por meio de relatos não formais e
experiência acumulada da equipe de manutenção da CAERN, em entrevista no dia
02/02/2016.
Dos eventos mais frequentes, a grande maioria está associada a falhas nas motobombas
(perda total ou parcial de vazão) e sobreaquecimentos em circuitos de potência a montante das
motobombas, nos quadros de comandos dos poços, as quais são causadoras de faltas de água
nos sistemas.
Medições de parâmetros operacionais
Realizada no dia 27/06/2016, as medições dos parâmetros elétricos e térmicos de
operação foram efetuadas sobre as grandezas tensão, corrente, potência e temperatura,
referentes a itens importantes dos circuitos de potência das motobombas, como: Disjuntores;
Contactores; Soft-starter e Inversor de frequência.
As medições destinadas ao diagnóstico foram conduzidas através do checklist (do
inglês “lista de verificações") de procedimentos genéricos (Apêndice A), utilizando a
instrumentação a ser descrita, com registro em ficha de inspeção de parâmetros operacionais,
para avaliar o estado operacional das motobombas. Os itens referentes às instalações
hidráulicas foram inspecionados sensorialmente (visão e audição), no entanto, apenas como
forma de verificar a conformidade do funcionamento, sem fins de utilização para a avaliação
destinada.
Nos procedimentos de inspeção não foi possível ter contato direto com as motobombas,
em virtude de estarem submersas, o que demandaria uma mão de obra e uma parada do SAA
não visados por este estudo. Os principais itens enumerados no checklist (14, 15, 16, 17, 18),
puderam auxiliar na avaliação da performance das motobombas em conjunto com as curvas
de performance do fabricante. Isso não dispensa a análise de conformidade das instalações a
partir dos demais itens.
Coleta, análise de dados e cálculo de Consumo Específico de Energia
Durou uma semana, a partir de 28/06/2016, para consulta de informações sobre
consumo e produção dos poços nos boletins de acompanhamento operacional, procedendo
com os cálculos dos Consumos Específicos de Energia Elétrica (CEE) mensal e anual por
poço.
O consumo especifico das motobombas dos poços é um índice indicador de eficiência
produtiva, expresso neste estudo pelas unidades KWh/m³, que relaciona, portanto, a energia
elétrica consumida a cada mês com o volume de água produzido.
118
De modo a caracterizar a eficiência energética dos motores submersos para bombeio de
água nos poços, ao transformar energia elétrica em energia hidráulica, foi determinado o CEE.
A expressão utilizada é dada pelo quociente entre a média do consumo energético (mensal em
KWhmês ou anual em KWhano) e o volume produzido pelo equipamento (em m³), conforme
equação abaixo:
Partindo da expressão foram obtidas as médias de consumos de energia mensais e anual.
Dados sobre tempo de operação, consumo de energia elétrica, vazão, volume produzido e
potência instalada foram consultados nos Boletins de Controle Operacional (BCO) do
operador, compreendendo um período entre julho de 2015 e julho de 2016.
Em síntese, as formas de obtenção de alguns dados seguiram os processos conforme
descritos no quadro 4.1.
Consultar Medir Calcular Dado
X Tensão, corrente, potência, temperatura
X Máxima corrente de operação “FS” (perfil do poço)
X X Fator de potência “FP”
X AMT (perfil do poço ou modelo no catálogo da bomba)
X Curva de performance (modelo no catálogo da bomba)
X X Consumo Específico de Energia (CEE)
Quadro 4.1. Formas de obtenção de dados.
2ª ETAPA
Metodologia da Roda de Falhas
A Roda de Falhas ou Failure Wheel foi aplicada ao desenvolvimento desse estudo, por
ser um método que possibilita uma abordagem visual mais direta e simplificada para
aplicação em campo, o que é bom para equipes que lidam diretamente com a manutenção de
sistemas.
De posse dos dados sobre a etapa descrita anteriormente, foi adaptado um modelo de
Rodas de falhas com a identificação dos principais mecanismos de danos atuantes nas
instalações das motobombas, para sistematizar os modos de falhas e mensurar o nível de
confiabilidade dos sistemas. Nessas condições, optou-se por fazer uma análise qualitativa
através da Roda de falhas e dos dados de CEE.
A avaliação sobre o funcionamento das motobombas se deu a partir da análise de
conformidade entre os dados coletados na 1ª etapa e os valores de referência, especificados
nos perfis das mesmas. Desse modo, os parâmetros operacionais e as variáveis de estresse
medidos in loco serviram para verificar o estado operacional das motobombas, fazendo uma
simples comparação com os valores de referência de tensão, corrente e temperatura (MTA dos
itens inspecionados), além de ponderar o fator de potência sobre as instalações em ficha de
inspeção.
(4.1)
produzido
consumida
V
ExCe
119
Nessas análises, também foram consideradas informações sobre os quatro tipos de
acionamentos elétricos e estágios operacionais em que se encontravam as motobombas. Os
quais são descritos a seguir.
4.2 Descrição dos equipamentos analisados
O delineamento dos equipamentos não entrará em detalhes sobre todos os itens
constitutivos dos quadros de comandos, sendo suficiente no critério de análise deste trabalho a
descrição dos poços com as diferentes especificações das motobombas e chaves de partidas
trifásicas, como estão caracterizados através das figuras e tabelas mais adiante.
Em todas as chaves de partidas o acionamento na opção “automático” das motobombas
se dá de forma em que os comandos elétricos habilitam cada relé de proteção, até acionar a
bobina da chave de partida com tensão da rede elétrica 380 V, ou 220 V (fase e neutro). De
outra forma, a motobomba pode ser acionada manualmente sem que o comando passe pelas
proteções. Dessa maneira, etapas do circuito de comando e proteção são ignoradas,
permitindo uma seleção para acionamento direto em casos onde o percurso do circuito
automático esteja precisando de manutenção.
MOTOBOMBA PC: Equipamento possui acionamento por chave de Partida
Compensadora (PC), encontra-se na faixa de média vida com 2,48 anos de
funcionamento, sem registro histórico de manutenção.
Tabela 4.1. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PC.
PT-34 BOMBA MOTOR
Profundidade 84,0m Fabricante LEÃO Fabricante LEÃO
Diâmetro 8” Modelo S65-06 710 Série MB6-710/71E
Nível Estático 33,81m AMT 73 mca Potência 22,5 cv
Dinâmico 50,0m Vazão 55,0 Tensão 380V
Vazão 80,0m³/h N.º Estágios 6 Corrente “In” 35,9A
Crivo 54,0m Diâm. Coluna 4” Frequência 60Hz
Perfuração 02/03/2013 N. Colunas – Fator de serviço 1,15
Início-operação 21/03/2013 Comp. Coluna 6 m Rotação 3450 rpm
Último registro
de manutenção –
Acoplagem-
motor Chaveta Acionamento
COMPENSA-
DORA
Reg. Trabalho
até 11/07/2016 18h/dia
Bocal de
recalque 4”, rosca
BSP
Média de horas
de manutenção –
Vida útil média
da Motobomba 35040 h
Idade
operacional 21744 h
Confiabilidade
Motobomba –
Fonte: CAERN, 2016.
A figura 4.2 apresenta a parte frontal do quadro de comandos e o barrilete desse poço.
120
Figura 4.2. À esquerda, parte frontal do quadro de comandos, à direita barrilete do poço com motobomba PC.
A figura 4.3 mostra os itens internos do quadro de comandos e proteção, empregado
para acionamento da motobomba PC.
Figura 4.3. Quadro de comandos e proteção da motobomba PC (Partida Compensadora).
Os itens que compõem a chave de partida compensadora localizados nessa figura são o
autotransformador, com Tap’s 65-80% da tensão nominal (na parte de baixo do QCP), o
contactor de potência principal alinhado à esquerda, modelo CJX2-4011 BHS tripolar com
corrente nominal de operação 40 A, T≤ 55°C, e, à direita deste, o contactor auxiliar modelo
LC1-D25 BHS, de 25 A. Na linha a montante do contactor de potência principal está o
disjuntor geral do QCP, modelo SD-C63 3P STECK, e a jusante se encontra o relé térmico de
sobrecarga (RT), modelo JRS2-40/Z (3UA5) BHS, com faixa de atuação de proteção entre 32
e 40 A.
Comandos e
proteções
Autotransformador
Amperímetro,
Horímetro, Voltímetro
e chave manual/
automático
Contactor
principal e
auxiliar
Programação de
operação (on-off)
Orifício para
medição de
nível de água
Alimentação
do motor
121
MOTOBOMBA PD: Sistema discreto, com número reduzido de itens, através do qual
a motobomba é acionada por chave de Partida Direta (PD). A idade operacional desse
sistema é de 5,50 anos, o que caracteriza um tempo considerável para a realização de
manutenção preventiva, tendo em vista que não se tem registros de manutenção ao
longo de seu funcionamento.
Tabela 4.2. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PD.
PT-23 BOMBA MOTOR
Profundidade 80,00m Fabricante LEÃO Fabricante LEÃO
Diâmetro 6” Modelo R28A-04
610 Série MB6-610/61E
Nível Estático 28,35m AMT 50 mca Potência 8 cv
Dinâmico 33,98m Vazão 30 m3/h Tensão 380V
Vazão 30,00m3/h N.º Estágios 4 Corrente “In” 13,6A
Crivo 42,00m Diâm. Coluna 3” Frequência 60Hz
Perfuração 09/07/2010 N. Colunas – Fator de serviço 1,15
Início-operação 11/01/2011 Comp. Coluna 6 m Rotação 3450 rpm
Último registro
de manutenção –
Acoplagem-
motor Chaveta Acionamento
PARTIDA
DIRETA
Reg. Trabalho
até 11/07/2016 24h/dia
Bocal de
recalque 2 ½” BSP
Média de horas
de manutenção –
Vida útil média
da Motobomba 35040 h
Idade
operacional 48192 h
Confiabilidade
Motobomba –
Fonte: CAERN, 2016.
A figura 4.4 mostra o barrilete de exploração d’água do poço e o abrigo do quadro de
comandos e proteção.
Figura 4.4. À esquerda, o barrilete do poço com motobomba PD, à direita, o abrigo do QCP.
Barrilete do poço
Abrigo do quadro
de comandos
122
A figura 4.5 se refere à parte externa frontal (à esquerda) e interna (à direita) do quadro
de comandos e proteção, onde se destacam os componentes elétricos.
Figura 4.5. Quadro de comandos e proteção da motobomba PD (Partida Direta).
Este quadro de comando é composto por uma chave de partida direta, definida pelo
contactor modelo LC1D18 Telemecanique de corrente nominal 18 A, cujo aciona o motor
submerso com 100% de carga na presença da tensão requerida nas três fases, caso os relés de
falta de fase FSN e relé de nível RN estejam habilitados. Logo abaixo do contactor está o relé
térmico de sobrecarga LDR21 Telemecanique, com faixa de atuação de proteção entre 12 e
18A.
MOTOBOMBA PS: Nesse sistema a motobomba é acionada de modo suave por
Partida Soft-Starter (PS), onde o sistema de bombeamento possui controle de
aceleração e desaceleração com base no torque do motor de indução. Os parâmetros de
operação estão integrados numa IHM para configuração. Com toda a configuração
sendo feita através de sua interface, os itens de proteção e comando também integram
a Soft-Starter, sendo ela considerada a melhor relação custo benefício para o sistema
de abastecimento do qual faz parte. A idade operacional desse sistema é de 2,37 anos.
Comandos
e proteções Contactor
e relé
térmico
Horímetro e
ficha com perfil
de poço e de
Motobomba
Disjuntores
de potência
e comando
Amperímetro e
Voltímetro
Chave
manual/
automático Alimentação
do motor
123
Tabela 4.3. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PS.
PT-31 BOMBA MOTOR
Profundidade 73,00m Fabricante LEÃO Fabricante LEÃO
Diâmetro 8” Modelo S35-06 610 Série MB6-610/61E
Nível Estático 30,12m AMT 80 mca Potência 13 cv
Dinâmico 48,00m Vazão 30,0 Tensão 380V
Vazão 40,00m3/h N.º Estágios 6 Corrente “In” 22A
Crivo 57,00m Diâm. Coluna 4” Frequência 60Hz
Perfuração 21/11/2012 N. Colunas 9+(2m) Fator de serviço 1,15
Início-operação 25/02/2014 Comp. Coluna 6 m Rotação 3450 rpm
Último registro
de manutenção –
Acoplagem-
motor Chaveta Acionamento
SOFT-
STARTER
Reg. Trabalho
até 11/07/2016 24h/dia
Bocal de
recalque 3” BSP
Média de horas
de manutenção –
Vida útil média
da Motobomba 35040 h
Idade
operacional 20808 h
Confiabilidade
Motobomba –
Fonte: CAERN, 2016.
A figura 4.6 ilustra uma foto tirada do barrilete do poço com motobomba PS, onde estão
itens mecânicos como registro, válvula e ventosa, com diâmetros de 100 mm (DN 4”).
Figura 4.6. Barrilete do poço com motobomba PS.
A figura 4.7 apresenta a parte frontal do QCP (à esquerda) e os componentes internos do
circuito de potência e comando do QCP (à direita), referente ao poço com motobomba PS.
Figura 4.7. Quadro de comandos e proteção do poço com motobomba PS (Partida Soft-Starter).
Disjuntores
de potência
e comando
Chave Soft-Starter Caixa de
Fusíveis
Bornes de Alimentação
do QCP e do motor
Contactor
auxiliar Ventilação
lateral
Chave
manual/automático
Comutador voltímetro,
e horímetro
Sistema
ligado/desligado
124
A Soft-Starter utilizada no PT-31, modelo Altistart 22 (ATS22D32Q) Schneider, opera
a motobomba sob uma corrente elétrica de 22 A, em que se observa a máxima temperatura
ambiente de 40°C na qual o equipamento pode operar até o limite da corrente nominal
especificada (32A). Essa Soft-Starter pode ser utilizada em ambiente com temperatura de até
60°C, desde que a corrente permanente máxima de classe 10 seja desclassificada em 2,2%
para cada grau acima de 40°C (104°F). Exemplificando, um modelo ATS22D32Q
funcionando a 50°C (>40°C) é desclassificada por 10 X 2,2% = 22%, logo, a corrente de 32 A
passa a ser 32 x (1-0,22) = 24,96 A, que é a corrente nominal máxima para o motor nessa
condição de temperatura ambiente, conforme o manual do fabricante.
MOTOBOMBA PI: Sistema acionado por Partida Inversor de Frequência (PI),
aplicado ao controle operacional mais eficiente, no qual toda a automação desejada
para o motor pode ser programada em uma IHM, no painel de controle local (LCP).
Essa, por sua vez, é bastante versátil, permitindo a parametrização e controle de
diversas variáveis como rampa de aceleração e desaceleração, velocidade do motor,
programação de funcionamento, e uma série de comandos de automação associados a
sensores que podem trabalhar em conjunto com esse equipamento. No mesmo
equipamento estão, de modo integrado, diversos outros componentes que substituem
as funções dos relés, proteções e chaves auxiliares, que são encontrados
separadamente em QCP de chaves de partidas convencionais, como nos dois primeiros
apresentados anteriormente. A idade operacional dessa motobomba é de 2,01 anos.
Tabela 4.4. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PI.
PT-63 BOMBA MOTOR
Profundidade 64m Fabricante LEÃO Fabricante LEÃO
Diâmetro 8” Modelo S65-05 710 Série MB6-710/ 71E
Nível Estático 29,34m AMT 62 mca Potência 19 cv
Dinâmico 42m Vazão 50 m³/h Tensão 380V
Vazão 80 m³/h N.º Estágios 5 Corrente “In” ~~31A
Crivo 48m Diâm. Coluna 4” Frequência 60Hz
Perfuração 02/03/2011 N. Colunas 8 Fator de serviço 1,15
Início-operação 05/07/2012 Comp. Coluna 6 m Rotação máx.=3450 rpm
Último registro
de manutenção –
Acoplagem-
motor Chaveta Acionamento
INVERSOR
DE FREQ.
Reg. Trabalho
até 11/07/2016 *~12 h/dia
Bocal de
recalque 4” BSP
Média de horas
de manutenção –
Vida útil média
da Motobomba 35040 h
Idade
operacional 17604 h
Confiabilidade
Motobomba –
Fonte: CAERN, 2016.
A figura 4.8 mostra o quadro de comandos com o circuito de potência e um relé de
nível, no centro os terminais utilizados para o comando e alimentação do inversor e do motor,
e à direita o LCP.
125
Figura 4.8. QCP (à esquerda), terminais de comando e de alimentação (ao centro), e LCP do inversor (à direita).
O inversor ilustrado é projetado para uso em sistemas de água e efluentes, aplicado na
motobomba do PT-63. O modelo é o VLT AQUA Drive FC 202 P22K Danfoss, com
alimentação 3x380-480 VCA, 22kW, corrente de 31,7 A, eficiência 0,97, e com capacidade
de operar em diferentes valores de rotação (0-3450 rpm). A máxima temperatura ambiente de
operação é 50°C.
Sem entrar em detalhes em todas suas funções, a faixa de recursos padrão e opcionais
inclui uma série de funções que podem ser consultadas no manual do fabricante: Controle em
cascata; Detecção de funcionamento a seco; Detecção de final de curva; Alternação do motor;
Deragging; Rampas de dois degraus; Proteção da válvula de retenção; Torque de segurança
desligado; Detecção de fluxo reduzido; Fill Mode de tubagem; Sleep mode; Relógio de tempo
real; Proteção por senha; Proteção de sobrecarga; Smart logic control.
A função de sobrecarga corresponde a atuação sobre um valor de 110% da corrente do
motor, durante um tempo ajustável próximo a 1 minuto. Além de todas as vantagens, o
inversor de frequência funciona como um filtro, melhorando a qualidade da energia fornecida
à motobomba. A figura 4.9 representa as instalações do PT-63 com motobomba PI, no qual se
encontram itens típicos de barrilete com DN 4”: válvula de retenção, ventosa e registro. Após
o barrilete estão as caixas com a tubulação de recalque, onde se localizam os sensores de
pressão e vazão.
Figura 4.9. Barrilete do PT-63 com motobomba PI (à esquerda), transmissor de pressão (ao centro), e
macromedidor de vazão (à direita).
Circuito de
potência
alimentador do
Inversor de
frequência
Relé de nível
instalado no
comando do
inversor
Barrilete do poço
Caixa onde se
localizam o
pressostato e o
macromedidor
126
O regime operacional variável da motobomba PI é em função do comando do
transmissor de pressão MBS 1700 Danfoss (de 0 a 10 bar), instalado em sua tubulação, que
funciona baseado no princípio da piezoresistividade, o qual converte o valor de pressão em
um sinal na escala de 4-20 mA para uma entrada analógica do inversor de frequência. Por esse
motivo, o regime operacional varia entre 5 h/dia em períodos de chuva até 19 h/dia na
estiagem. O sensor de vazão modelo MC 608 Euromag é do tipo eletromagnético sem
palhetas.
Dentre os tipos de partidas aqui mencionadas (vide seção 3.13.3), os custos para
aplicação seguem a ordem crescente: PD < PC < PS < PI. O custo da chave de partida direta é
o menor, sendo também o sistema mais simples. O custo da chave inversor de frequência é o
mais elevado em relação aos outros três tipos de acionamentos, o que restringe sua aplicação a
uma parte do total de poços da empresa que exige um controle operacional mais preciso.
4.3 Requisitos para operação das motobombas
Em motobombas o aumento da taxa de falhas se apresenta conforme os equipamentos
evoluem para o período de envelhecimento, o qual pode ser representado pela curva da
banheira (Modelo A – seção 2.8), em que durante determinado período do fim da vida útil
mecanismos de desgaste atuam com mais frequência.
Em relação aos 4 modelos de motobombas, a vida útil média dos equipamentos é de
quatro anos (35.040 h) de funcionamento em condições normais de operação, ou seja, levando
em conta os seguintes pontos importantes a serem observados (LEÃO S.A, 2015):
Condições de submergência;
Presença excessiva de areia no poço;
Temperatura d’água;
Refrigeração (Fluxo adequado para arrefecimento do motor);
Qualidade Físico-químico d’água;
Qualidade da energia elétrica disponível;
Número de Partidas – pré-determinada;
Tipo de acionamento do painel de comando;
Proteções do Painel de comando.
O tempo de operação dos conjuntos pode ainda variar, conforme desgaste dos
componentes internos. Para essas condições de operação especificadas pelo fabricante das
motobombas (LEÃO S.A, 2015), são observados os seguintes critérios:
Teor máximo de areia permitido: 30 g/m³.
Temperatura máxima: 40 ºC.
Submergência mínima de 6 metros abaixo do nível dinâmico.
Proteção do motor: IP 68.
Número máximo de acionamentos por hora: 10/hora, com um intervalo mínimo de 90
segundos.
Água limpa com pH entre 6,5 a 8,0.
127
Os dados técnicos do fabricante recomendam ainda, proteção contra sobrecarga e curto-
circuito para as chaves de acionamento.
Como o número de manobras normalmente não ultrapassa 1 acionamento por dia entre
as motobombas, essa condição não será levada em conta para efeito comparativo entre os
fatores de redução da confiabilidade sobre os tipos de partidas desses equipamentos, e sim, o
modo como a disposição dos itens e como o comportamento da corrente de acionamento do
motor podem comprometer sua confiabilidade. A exceção está na motobomba PI, que pode
variar a rotação do motor e no número de acionamentos por dia, conforme a automação do
inversor de frequência a partir do transdutor de pressão.
4.4 Descrição da instrumentação utilizada e coleta de dados
A coleta dos dados nas instalações dos poços (vide planta de poço de captação Anexo B)
se deu por meio de colaboração da CAERN, sendo facilitada pelas práticas experimentadas no
dia a dia de trabalho com manutenção na empresa. Nas medições dos parâmetros elétricos e
térmicos de operação das motobombas utilizou-se a instrumentação com a descrição a seguir.
A medição da potência aparente foi feita por meio do Wattímetro da figura 4.10, modelo
ET-4091 de fabricação Minipa, com funções de medição de potência, fator de potência,
funções amperímetro/multímetro.
Figura 4.10. Alicate Wattímetro.
Inicialmente, foram efetuadas medições de tensão, corrente e potência elétrica com
carga balanceada sobre os circuitos de potência nos quadros de comandos, sendo este último
parâmetro medido conforme a instrução da figura 4.11. Na figura, o esquema elétrico de
montagem e medição é mostrado, usando a função potência trifásica balanceada do
wattímetro.
128
Figura 4.11. Função Potência Trifásica com Carga Balanceada, chave na posição “3~Bal * 1~”. Fonte: MINIPA,
2014.
O método não destrutivo de inspeção termográfica foi utilizado no registro das
assinaturas térmicas dos quadros de comandos (circuitos de potência) com ajuste de
emissividade em 0,95, para mostrar as temperaturas dos principais pontos de fragilidade
térmica dos itens relacionados na ficha de inspeção. As temperaturas registradas foram
comparadas com as MTAs para os pontos inspecionados.
Quanto aos requisitos de segurança aplicáveis às áreas inspecionadas, efetivou-se uma
análise preliminar de risco (APR), obedecendo a NR 10, sob a qual o trabalho de inspeção
termográfica foi realizado com utilização de EPIs (óculos, luvas, botas isolantes), mantendo
uma distância de 1,0 m dos itens verificados.
Durante essas medições, também foram registradas as temperaturas ambiente e a umidade
relativa do ar, para uma possível análise sob a perspectiva de variáveis de estresse. Nesse
procedimento não foi necessário utilizar anemômetro, pois a velocidade do vento no local foi
considerada desprezível para efeito de análise. A figura 4.12 ilustra a câmera termográfica
utilizada, de modelo ET-4091 Minipa, com funções de captura de imagens no comprimento
de onda infravermelho.
Figura 4.12. Câmera termográfica, cedida pelo Laboratório de Energia UFRN.
129
A identificação da umidade relativa do ar se deu com o auxílio do Termohigrômetro,
modelo MT-241 de fabricação Minipa, com as principais funções Umidade relativa do ar e
Temperatura ambiente, como retrata a figura 4.13.
Figura 4.13. Termohigrômetro utilizado durante as inspeções termográficas.
Em seguida, utilizou-se um manômetro na escala de 0 a 50 mca (metros de coluna
d’água) para auxiliar no cálculo da AMT da motobomba PC do PT-34, tendo em vista que na
ficha do perfil do poço registrava apenas o valor da pressão referente ao nível dinâmico de
operação. O manômetro foi instalado em um colar de tomada no barrilete do poço (do circuito
hidráulico do dosador de Cloro), a montante do início da adutora. Dessa forma, mediu-se a
pressão na boca do poço (equivalente a altura geométrica a partir do solo), a qual foi somada
ao ND para determinar a AMT a ser vencida pelo equipamento. Esta pressão foi confirmada
com o valor constante na tabela de especificação da motobomba, em Leão S.A (2015), no
modelo S65-06 710. O manômetro utilizado na medição da pressão em circuito hidráulico
fechado possui rosca de ¼” NPT saída reta, fabricante Cesar, com escala de 0 a 50 mca:
Figura 4.14. Manômetro utilizado.
130
CAPÍTULO V
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 RESULTADOS DA 1ª ETAPA
A ocorrência de falhas nas motobombas submersas frequentemente tem levado à
abertura de RA’s com ordens de serviços (OS), que resultam em trocas desses equipamentos
por falta de manutenção preventiva. Na concessionária, as RA’s associadas a esse tipo de
problema são geradas durante o atendimento aos consumidores que reclamam de falta d’água,
cujo registro cumula para a formação do gráfico 3.1.
O referido gráfico 3.1 deriva de um banco de dados do sistema “Gsan” da CAERN-
Parnamirim, referente ao período de 2015, o qual serviu como indicador de faltas de água nos
bairros. Dentre 20 bairros contabilizados, Nova Parnamirim atingiu 100 de um total de 366
RAs, representando 27,3 % das falhas no período. Apesar de não ser o bairro com maior
quantidade de poços ativos, 27 de um total de 108, sua população é a que mais aciona a
empresa a respeito de problemas de falta de água, sendo um dos fatores determinantes no
bairro a predominância de edificações elevadas, para as quais as motobombas devem manter
sua performance para garantir o abastecimento de água.
5.1.1 Análise da conformidade dos dados
Os dados registrados nas fichas de inspeção no dia 27/06/2016 partiram dos
procedimentos do checklist, a partir dos quais foi verificado a integridade das características
funcionais das motobombas, dos relés de proteção e sensores, de acordo com suas
especificações.
As figuras 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, apresentam os resultados obtidos das medições dos
parâmetros operacionais em ficha de inspeção.
131
Figura 5.1. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PC.
Figura 5.2. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PD.
132
Figura 5.3. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PS.
Figura 5.4. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PI.
Em geral, as medições no dia 27/06/2016 ocorreram em condições ambientes
favoráveis, onde em média a temperatura era de 32°C, umidade relativa de 53%, velocidade
do vento desprezível, com duração entre 9 e 14 minutos.
Ao comparar os dados medidos e registrados nas fichas de inspeção, destacados em
vermelho, com os valores de referência (VR) e MTA, os mesmos se mostraram dentro da
normalidade esperada, pois os valores de tensão estavam todos balanceados, dentro da faixa
adequada, não ultrapassando 399 V, nem se reduzindo abaixo de 350 V, conforme
recomendação constante no módulo 8 Prodist da ANEEL (2016).
As correntes medidas não indicaram estados de sobrecarga dos motores, pois ficaram
abaixo dos fatores de serviço, com base nas correntes nominais dos diferentes modelos de
motores submersos trifásicos (Anexo C). A respeito da corrente de operação, ela mostra um
133
comportamento levemente variável quando a tubulação da rede de abastecimento está mais ou
menos cheia, (pressurizada), crescendo seu valor junto com a pressão.
As vazões das motobombas se mantiveram dentro das curvas de performance dos
modelos, constantes no Anexo D. De acordo com as curvas, verificou-se através da 1ª etapa
que os equipamentos estão dentro dos rendimentos especificados para cada modelo e potência
de motor.
Dos quatro poços analisados, todos possuem aterramento do QCP, mas, apenas dois
deles (PC e PD) atenderam às normalizações de aterramento funcional e de proteção,
conforme NR 5410. A ausência de aterramento da motobomba pode comprometer as
instalações elétricas em momentos de descargas, seja do motor para sua própria carcaça, ou
descargas atmosféricas, vindo a danificar os componentes e a gerar risco à segurança dos
manutentores.
Na ficha do PC, há uma exceção dentre as inspeções realizadas, onde numa ocasião foi
efetivado o primeiro registro de manutenção, após verificado que o contactor apresentava um
sobreaquecimento na fase “R”, sendo necessário a troca desse item e do cabo que ligava este
ao disjuntor. Feito a manutenção preventiva, a temperatura voltou a ser a de referência na fase
afetada.
As confiabilidades estimadas com base nas idades operacionais das motobombas, até o
dia 11/07/2016, foram determinadas pelos índices da tabela 5.1.
Tabela 5.1. Índices simbólicos de confiabilidades baseados nas idades operacionais e na vida média das
motobombas submersas.
POÇO Confiabilidade
Motobomba*
PC 0,620
PD -0,375
PS 0,593
PI 0,502
Observou-se, com base no critério analisado e nos dados dessa tabela, que as
motobombas operam com 62; -37,5; 59,3; e 50,2 % de confiabilidade, tendo as
disponibilidades os mesmos percentuais. Desses resultados verificou-se que um nível maior
disponibilidade está associado a:
• Utilização do menor número possível de componentes em série;
• Dimensionamento de equipamentos com margem de segurança adequada;
• Manutenção detectiva periódica das instalações das motobombas e poços;
• Prevenção de pontos quentes, com reapertos periódicos das conexões elétricas;
O maior grau conferido ao PC se deve ao fato de ser o sistema com menor idade
operacional, seguido do PS, PI e PD, sendo que este último apresenta maior risco de parada
funcional da motobomba, por estar no período pós vida útil (4 anos), em que excedeu o tempo
para ocorrência de manutenção. Ainda assim, esse critério usado tem limitação, pois vê
134
apenas o tempo de funcionamento do equipamento, sem considerar a análise dos danos em
curso por meio de Roda de falhas específica para o equipamento, que permite justificar o
prolongamento de sua vida útil, e sem ponderar sobre os tipos de chaves de partidas, que
procedeu na próxima seção.
5.1.2 Inspeção termográfica
As termografias foram utilizadas para complementar as análises dos parâmetros
elétricos de operação dos poços, na identificação de anomalias térmicas nos quadros de
comandos e proteções, visando pontos quentes em corpos de itens que podem implicar em
falhas.
Ao comparar os níveis térmicos com as MTAs dos itens inspecionados (fichas de
inspeção), não foram identificados valores críticos para a realização de manutenção. Com
isso, as termografias mostradas nas figuras a seguir são apenas uma amostra das assinaturas
térmicas dos QCPs inspecionados, com destaque para os circuitos de potência.
Figura 5.5. Quadro de comandos PC.
Figura 5.6. Quadro de comandos PD.
135
Figura 5.7. Quadro de comandos PS.
Figura 5.8. Terminais do inversor de frequência PI.
A figura 5.8 mostra a termografia da motobomba PI, operando em carga parcial
próxima de zero, onde o motor estava em baixa rotação na iminência de desligar, com baixa
temperatura registrada (32ºC) no alvo, próxima à temperatura ambiente (31,6°C), o que
confere uma das funcionalidades desse tipo de acionamento. Os demais equipamentos
responderam dentro da normalidade para as MTA nas termografias: PD (46,0ºC), PC
(56,5ºC), PS (43,1ºC).
Ainda na avaliação da ficha de inspeção, os fatores de estresse obtidos (temperatura
ambiente e umidade relativa do ar) não apresentaram riscos proeminentes de falhas às
instalações das motobombas, em virtude das condições regulares identificadas sobre esses
fatores (maior U.R. = 55; e, maior T.A.= 33,4).
Nesse sentido, os itens inspecionados estão em conformidade com as especificações
referidas dentro dos modos regulares de operação constatados, sem com isso apresentarem
motivos para realização de correções programadas nas instalações das motobombas. Como
forma de prevenir possíveis pontos quentes as conexões dos circuitos de potência foram
reapertadas.
136
5.1.3 Médias de CEE por produção
O Consumo Específico de Energia (CEE) das motobombas é um índice que facilita a
apuração das economias e resultados sobre a produção, onde a performance desses
equipamentos foi indicada neste estudo, satisfatoriamente a cada mês, de julho de 2015 a
julho de 2016, a partir dos dados do BCO.
As figuras a seguir mostram dados das quatro motobombas, reunidos a partir de
consultas aos boletins operacionais da rota de acompanhamento dos poços. Para efeito de
análise o CEE é o dado mais importante dentre as informações apresentadas, medido em
KWhmês/m³.
Figura 5.9. Motobomba PC - Operação: 18h/dia.
Figura 5.10. Motobomba PD - Operação: 24h/dia.
137
Figura 5.11. Motobomba PS - Operação: 24h/dia.
Figura 5.12. Motobomba PI - Operação: ~12h/dia.
Em casos particulares de motobombas onde se eleva a AMT e existam muitos fatores
para perdas de carga, entende-se que o indicador CEE possa apresentar valor superior em
relação a outras motobombas de poços, onde a AMT dimensionada para o sistema seja menor.
5.1.4 Comparativo do CEE por produção
A menor variação do índice CEE indica menor variabilidade na performance de
motobombas, o que implica em menores solicitações sobre o equipamento, e no consequente
aumento de vida útil e confiabilidade. A figura 5.13 expressa a comparação entre os CEEs das
4 motobombas analisadas em KWhmês/m³, no período de julho de 2015 a julho de 2016, em
que não houve paradas para manutenção nesses sistemas.
138
0,39
0,54
0,45
0,31
0,83
0,240,36
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
PC PD PS PI Médias 0,59 0,48 0,52 0,28
Gráfico 5.1. Resumo comparativo entre os resultados de CEE por produção dos poços.
Desse resultado, a motobomba PD apresentou a menor variabilidade de CEE por
produção e a maior confiabilidade relacionada ao regime operacional contínuo (24h/dia). A
ordem de variabilidade do CEE foi: ∆CEE = 0,09 (PD) < ∆CEE = 0,12 (PI) < ∆CEE = 0,44
(PC) < ∆CEE = 0,52 (PS).
A motobomba PI apresentou o menor CEE na média anual (CEE= 0,28), portanto, o
melhor aproveitamento de energia. Sua eficiência energética está associada ao tipo de
acionamento (Inversor de frequência) e ao controle operacional automatizado por meio de
transdutor de pressão.
Comparando o CEE entre os poços, a motobomba PI foi a que obteve melhor
rendimento, oferecendo maior eficiência energética para bombeio d’água, como esperado. A
mesmo demonstrou melhor equilíbrio da carga na produção, e risco reduzido de falhas típicas
em relação aos sistemas analisados, tendo em vista o menor nível térmico em operação
apresentado na termografia, a 61,2% da carga total. Para tanto, neste quesito seu nível de
confiabilidade foi o maior. Os demais resultados por ordem de qualidade foram: PS, PD e PC.
5.2 RESULTADOS DA 2ª ETAPA
5.2.1 Modelo de Roda de Falhas das motobombas submersas.
A aplicação da Roda de falhas foi essencial para a análise das motobombas submersas,
onde o critério visado na elaboração do modelo foi identificar as principais causas de paradas
desses equipamentos nas instalações dos poços, como eventos que sucedem os chamados
mecanismos de danos. Embora cada equipamento tenha um tipo de acionamento distinto, os
modos de falhas convergem para um único modelo de Roda de falhas, estando os principais
mecanismos de danos relacionados às causas gerais de falhas, onde estão implícitos os fatores
inerentes às especificações das motobombas, ao ambiente e ao uso operacional.
139
De posse dos dados alçados por meio das consultas e inspeções realizadas, a figura 5.14
contribuiu para traçar um modelo de Roda de falhas adaptado para as motobombas analisadas,
onde foram categorizados os mecanismos de danos e as transições que tendem para as falhas.
Figura 5.13. Modelo de Roda de falhas adaptado para motobombas submersas. Fonte: Adaptado de ASM
HANDBOOK, Tanzer e Westinghouse (2002, p. 733).
O modelo de Roda de falhas para os equipamentos avaliados ilustra os principais
mecanismos responsáveis por seus modos de falhas. A partir dessa visão foram indicados os
ambientes dos mecanismos de danos primários: Wear (Abrasion, Adhesion, Erosion);
Corrosion; Electricity, Temperature e Stress. Os mecanismos de danos secundários mais
atuantes sobre esse tipo de sistema são destacados por elipses que se relacionam com outros
mecanismos através de setas.
Ao tomar os quatro ambientes que caracterizam os modos de falhas típicos das
motobombas submersas, os mecanismos de danos secundários destacados na Roda de falhas
implicam em transições que levam em conta os comportamentos mecânico, elétrico e térmico,
com inclusão de variáveis de estresse sujeitas aos equipamentos, conforme diagrama da figura
5.15.
Electricity
Hot spot electric
Overheating
140
Figura 5.14. Principais mecanismos de danos secundários, envolvendo transições em ambientes do modelo da
Roda de falhas.
O diagrama demonstra os principais modos de falhas e seus mecanismos a partir dos
ambientes que caracterizam o modelo de Roda de falhas. Desse modo, os mecanismos de
danos que melhor representam os estados previstos para os modos de falhas são:
Overheating (Sobreaquecimento): Ocorre em partes dos circuitos de potência e/ou das
bobinas do motor e isolamento, que podem levar à queima no enrolamento. Para os
motores submersos esse mecanismo está relacionado a problemas de distúrbios
elétricos e falta de fase, além de danos por subarrefecimento, “Hot spot electric” e
“Lubrication Breakdown”.
Hot spot electric (Ponto quente elétrico): Devido ao aumento de resistência e
sobrecorrente em emendas de cabos e conexões elétricas.
Lubrication Breakdown (Baixa lubrificação): Ocorre em rolamentos, aquecimento de
mancais e do motor.
Oxidation (Oxidação): Fase que antecede a corrosão em meio aquoso, e a corrosão
microbiológica.
Hot corrosion (Corrosão a quente): Pontos quentes em emendas de cabos elétricos e
conexões, expostos à ambiente de estresse oxidativo, onde a umidade e o vapor de
produtos químicos como o Cloro, usado no tratamento de águas, tendem a acelerar
esse processo.
Microbiological corrosion (Corrosão microbiológica): Desgaste da tubulação edutora
do poço e do bombeador, por corrosão de ferrobactérias e desenvolvimento de
incrustações.
ESTRESSE:
Umidade e Temperatura
ELECTRICITY E TEMPERATURE
Overheating;
Hot spot electric;
Lubrication Breakdown;
Oxidation
CORROSION
Hot corrosion;
Microbiological corrosion;
Pitting;
Corrosion fatigue
Cavitation
WEAR
Abrasion;
Adhesion;
Erosion.
141
Pitting (Corrosão alveolar): Arrancamento de material, associado à corrosão
localizada em tubulação edutora;
Corrosion fatigue (Fadiga por corrosão): Fadiga de material com carga aplicada
associado à corrosão, que normalmente afeta a tubulação edutora e com o tempo leva à
ruptura pela conexão/rosca.
Cavitation (Cavitação): Bombas que operam em poços com ND rebaixado, ou sob
critério do NPSHd
Abrasion, Adhesion e Erosion (Abrasão, Adesão e Erosão): Desgastes provocados por
partículas de areia e outros fragmentos, por processo de cavitação e tempo prolongado
de uso.
A partir do modelo de Roda de falhas é possível verificar que uma falha de lubrificação
(exemplo: Lubrication breakdown) estaria presente na interface entre desgaste e aquecimento
(Wear-Temperature), uma falha por sobreaquecimento estaria no ambiente de eletricidade
com temperatura (Electricity-Temperature), no entanto, uma falha por abrasão só é possível
no ambiente de desgaste (Wear).
Dentre uma variedade de problemas que afetam as motobombas estão alguns sintomas
externos importantes, relacionados a atuação dos mecanismos de danos e à diminuição da
confiabilidade desses conjuntos, são eles: redução da vazão; redução do fluxo de água para
arrefecimento do motor submerso; e; redução da capacitância e resistência de isolamento das
bobinas. A respeito deste último sintoma, a deterioração do isolamento é indicada por
alterações da temperatura do material, por perdas superficiais, tendo como fatores de estresse
a temperatura da água elevada, e a infiltração de umidade e sujeira.
Os mecanismos de danos presentes até a falha das motobombas levam a crer que o
sobreaquecimento, os desgastes corrosivo e abrasivo sobre os rotores do bombeador, e os
distúrbios de parâmetros operacionais, como tensão e corrente, são alguns dos mais
importantes que limitam a confiabilidade dos equipamentos.
Entende-se que os mecanismos de desgaste por corrosão são importantes para as
motobombas deste estudo de caso, uma vez que os equipamentos estão numa região litorânea,
que naturalmente intensifica os danos, e que existem outros processos como os de corrosão
ferrobacteriana identificados outrora em campo. O fato de que os poços se encontram em
região litorânea também impõe que o ambiente seja propício a um nível mais elevado de
umidade, constituindo-se como uma variável de estresse importante, pois ela intensifica a
oxidação tanto para equipamentos expostos ao ar como para os submersos em água,
provocando perdas de espessura em tubulações, surgimento de fendas, além da redução da
capacitância e resistência de isolamento nas bobinas dos motores quando houver infiltração.
Nas informações colhidas e na literatura discutida, a respeito das causas gerais de falhas
em poços, o sobreaquecimento (overheating) está presente como principal causa na maioria
das falhas típicas de motobombas. Esse fato levou a considerar esse mecanismo de dano como
o mais importante efeito no critério de análise em Roda de falhas, dentro do ambiente
“Electricity” e “Temperature”. Apesar disso, dentre as causas gerais de falhas das
motobombas, um ou mais efeitos podem surgir, simultaneamente, ou de forma independente,
como resultados da atuação desses mecanismos de danos ao longo da vida operacional,
afetando a vida útil dos equipamentos.
142
5.2.2 Análise sob o aspecto das chaves de partidas
Ao considerar as altas correntes que podem percorrer os enrolamentos dos motores, as
chaves de partidas foram ordenadas quanto aos níveis de confiabilidades, relacionados aos
danos térmicos que podem provocar aos motores submersos, ao comprometer a resistência do
isolamento elétrico. Esses danos são originados por picos de correntes nas partidas e por
variações de tensão, que refletem na redução das confiabilidades das motobombas como
partes críticas dos sistemas. Além disso, é importante destacar que o pico de corrente durante
o acionamento, quando prolongado ou intermitente, afeta consideravelmente o acoplamento
do conjunto motobomba, implicando em solicitações mecânicas severas devido a variações no
conjugado de partida.
Comparou-se as quatro motobombas submersas, embora com idades, potências e tipos
de acionamentos diferentes, avaliou-se a suscetibilidade a danos térmicos e mecânicos já
mencionados sobre os conjuntos, ocasionados pelos tipos de partidas e seus arranjos de
componentes. Assim, segue a descrição das chaves de partidas dos poços analisados,
qualitativamente, por ordem crescente de confiabilidade:
PC – Poço/partida compensadora: sistema paralelo-série intertravado entre o circuito
de comando e o de potência, com maior quantidade de itens montados no QCP.
PD – Poço/partida direta: sistema paralelo-série intertravado entre o circuito de
comando e o de potência, com menor quantidade de itens em relação ao sistema PC.
PS – Poço/soft-starter: sistema paralelo-série intertravado entre o circuito de comando
e o de potência, com proteções integradas à IHM. Após o acionamento ocorre o “by-
pass” desse sistema, passando a opera a motobomba em rotação nominal.
PI – Poço/inversor de frequência: sistema paralelo-série intertravado entre o circuito
de comando e o de potência, com proteções integradas à IHM. Após o acionamento
esse sistema possibilita controlar a carga através da rotação do motor, e, com isso,
manter a vazão constante com variação de pressão na bomba, ou manter a pressão
constante com variação da vazão, sendo esse controle feito por meio de comando
associado a um transdutor de pressão.
Como discutido na fundamentação teórica, entre dois sistemas, um com n elementos
associados em série e outro com a mesma quantidade de itens associados em paralelo, a
confiabilidade será maior no segundo. Nesse sentido, de acordo com a avaliação procedida, as
condições operacionais das motobombas diagnosticadas “in loco” permitiram estimar graus
de importância de disponibilidade e confiabilidade, seguindo a ordem: PC< PD< PS< PI.
As motobombas PC e PD admitem modos de falhas relacionados aos tipos de
acionamentos, onde as correntes de partidas estão fortemente associadas a problemas nos
isolamentos elétricos dos motores, representando uma perspectiva de confiabilidade reduzida
em relação aos poços PS e PI, que possuem chaves de partidas eletrônicas com acionamentos
e desligamentos suaves. A motobomba PC diferencia-se da PD pelo fato de ter mais itens
associados à chave de partida, apresentando menor pico de corrente na partida, e tendo isso
como maior vantagem. Por outro lado, a partida direta é preferível para as características
funcionais dos motores elétricos, quando se dispensa controlar de modo variável a rotação da
bomba para as necessidades do sistema de abastecimento. No entanto, sua potência se limita a
143
valores recomendados pelas concessionárias de energia elétrica, que em média é de 7,5cv,
estando a motobomba PD dentro da tolerância com 8,0 cv de potência.
A motobomba PI configura-se como mais eficiente e menos suscetível a falhas, em
virtude de ser um sistema capaz de controlar progressivamente a rotação do motor, associado
ao controle de pressão da bomba por transdutor, sem picos de corrente e de tensão, contando
ainda com alarmes de proteção sobre incoerências operacionais. Em razão desse sistema
oferecer maior disponibilidade, mostram-se algumas vantagens operacionais em relação às
outras motobombas: melhoria nas condições de abastecimento de água; melhoria do fator de
potência para valor próximo a 0,99; redução do consumo de energia elétrica e do CEE;
supressão do pico de corrente na partida; redução das perdas de água na rede de distribuição;
redução de falhas sobre a motobomba; retorno do custo da instalação.
As características operacionais da motobomba PS se aproximam bastante da
motobomba PI, excetuando o controle da rotação em operação, que se distingue como
principal vantagem desta.
Dessa maneira, os níveis de confiabilidades das motobombas também foram associados
às funções gerais das chaves de partidas, as quais dependem das confiabilidades dos circuitos
de potência, comando e proteção, para redução das probabilidades de falhas.
5.3 CONSIDERAÇÕES
5.3.1 Roda de Falhas
Diante da proposta metodológica da Roda de falhas, procura-se reduzir ao máximo os
danos sobre as motobombas em operação, em que para a análise são realizadas inspeções nas
instalações elétricas, QCP, e hidráulicas, barrilete, executando as correções necessárias e o
reaperto fundamental em conexões elétricas. Nesse âmbito, a Roda de falhas é útil como
ferramenta guia para identificação de danos durante a manutenção detectiva. O modelo prevê
os mecanismos de danos mais atuantes, a partir da inspeção e investigação dos fenômenos que
afetam a operação da máquina, colaborando para a tomada de decisões sobre ações corretivas
e preventivas de manutenção, e para a restituição da disponibilidade média dos sistemas.
A motobomba submersa foi classificada como item potencialmente mais crítico nos
sistemas dos poços, pois alterações na qualidade da energia e uma série de danos apresentados
no capítulo 2 geram reduções na sua performance, tendo um agravante que nem sempre a
falha do conjunto é evidente para o operador, o que motiva a realização de inspeções
periódicas. A prática de inspeções permite o aprimoramento contínuo da rotina de
manutenção da empresa, correlacionando medidas de temperatura e demais parâmetros
operacionais com as origens dos modos de falhas, identificados sobre um modelo de Roda de
falhas para diferentes equipamentos.
Uma forma de ampliar a aplicabilidade de uma Roda de falhas dedicada a uma
motobomba ou qualquer outro equipamento, em que se pretenda analisar falhas, é utilizar
softwares de gerenciamento da manutenção, possibilitando extrair informações de forma mais
ágil e reuni-las para determinação de tendências de falhas.
144
5.3.2 Manutenção
A operação contínua de sistemas de bombeamento sem manutenção planejada leva ao
crescimento da probabilidade de falhas, o que foi identificado mediante os modos de falhas
que atuam nos poços estudados. A presença de um ambiente operacional com variáveis de
estresse pode não ser identificada sensivelmente de imediato, sendo necessário utilizar
instrumentos de medição de temperatura ambiente, umidade e outros sensores correlatos.
Muitos dos problemas surgem de forma silenciosa, na parte submersa do sistema
(motobomba), por isso a importância da manutenção detectiva e preditiva.
Como já discutido no capítulo 1 a manutenção corretiva não planejada traz sérios
entraves à disponibilidade de equipamentos e aos custos envolvidos na produção, devido a
maior frequência de falhas (como as que constam no Anexo E) quando não se acompanham os
ativos. Isso acaba limitando investimentos importantes no próprio sistema de abastecimento,
em detrimento dos custos com sobressalentes, energia elétrica e despesas extras com pessoal.
A respeito das instalações elétricas das motobombas, é fundamental que toda equipe de
manutenção, quando realizar intervenções, esboce um croqui com as modificações dos
diagramas multifilares, para anexação nos quadros de comandos, deixando acessível também
as especificações das motobombas, bitola de cabos e perfil do poço, para facilitar o acesso e
manutenção.
5.3.3 Performance e confiabilidade
Mesmo que uma motobomba tenha sido bem dimensionada, instalada, e esteja operando
dentro da performance desejada (como no exemplo do Apêndice C, que simula a
confiabilidade de um sistema genérico), este equipamento ficará sujeito a reduções
imperceptíveis de vazão e a falhas precoces. Com o passar do tempo, as curvas características
de altura versus vazão e rendimento versus vazão dessas bombas, podem afastar-se das
referências de desempenho informadas pelos fabricantes. Esse afastamento decorre do
desgaste natural do equipamento eletromecânico (conjunto motor-bomba) e da tubulação
edutora, ou ainda, de avarias causadas por mecanismos de danos como os identificados no
modelo de Roda de falhas, devendo ser verificado caso a caso.
Ocorrendo a queda do rendimento da motobomba pode ser conveniente substituí-la
junto com a tubulação danificada, em decorrência do acréscimo do consumo de energia
elétrica. Essa substituição será tão necessária quanto maior for o afastamento entre as curvas
características observadas, quando comparadas com as curvas características do equipamento
novo.
Nos diferentes tipos de acionamentos dos motores submersos percebeu-se que o excesso
de calor no circuito de potência (pontos quentes) e a variação no CEE de cada sistema
refletem numa menor confiabilidade.
O fato de não existirem registros de falhas sobre as motobombas e equipamentos
associados dificultou a obtenção dos MTTF dos equipamentos, tendo em vista que as ordens
de serviços de manutenção na unidade da concessionária não apresentam descrição suficiente
145
para inclusão em banco de dados de sistema gerenciador. Os MTTF para os itens que
compõem os quadros de comandos dos poços não foram identificados, em consequência
também de serem considerados itens complexos (Modelo F componentes eletroeletrônicos –
seção 2.8) e com taxas de falhas aleatórias.
5.3.4 Gargalos nas instalações das motobombas
Percebeu-se um gargalo de produção no sistema ao qual os poços fazem parte. Nele a
maioria dos outros poços operam em regimes de trabalho de 24h todos os dias, ou seja, na
máxima produção. Os mesmos só param de funcionar para realização de correções necessárias
no próprio sistema e em algumas ocorrências de serviços para a retirada de vazamentos nas
redes de distribuição. Isso gera uma margem de insegurança para o sistema de distribuição,
pois as redes ficam pressurizadas indefinidamente. Por outro lado, esse regime operacional
aumenta a dependência sobre os poços, quando da ocorrência de falhas ou da exploração
continuada do manancial, gerando riscos de falta d’água generalizada, caso um ou mais poços
que já operam no limite falhem.
Uma vez que a pressão na rede de distribuição deixa de ser a mesma, recomenda-se o
controle por gravidade, através da aplicação de reservatórios elevados, ou ainda, da utilização
de pressostatos em todos os comandos dos poços.
Devido a pressão ser uma grandeza que varia sazonalmente com o período de consumo,
seu controle da forma mais eficiente traz muitos benefícios. A exemplo disso, o estudo
desenvolvido por Oliveira (2012) mostrou vantagens de sistemas de distribuição sem
reservatório, operados com controle inteligente de pressão, obtendo redução da potência
requerida pela bomba ao motor, diminuição do desperdício de produto químico e de água.
Fica evidente que o uso de transdutores de pressão, associados a inversores de
frequência ou controladores, favorece a redução de perdas de energia elétrica, da saturação
das redes de distribuição abastecidas diretamente por poços, e, portanto, reduz vazamentos,
com aumento da confiabilidade do SAA.
146
CAPÍTULO VI
6 CONCLUSÕES
Ao reduzir as intercorrências, causadas por paradas indesejáveis e perdas de
produtividade nos poços, desonera-se a elevação dos custos de ordem produtiva e sanitária,
com manutenção e energia elétrica, com trocas prematuras de equipamentos, consumo de
produtos desinfetantes como Cloro, além dos transtornos gerados aos consumidores. Nesse
sentido, a exploração dos recursos hídricos pela CAERN, designada pela UNAP, motivou a
realização de um estudo relevante acerca de falhas em motobombas, mediante a pesquisa e o
trabalho vivenciado em campo na empresa.
Nos propósitos pelos quais este trabalho se desenvolveu, a identificação dos principais
modos de falhas recorrentes, dentre as causas gerais de falhas em poços tubulares, alicerçou a
descrição de um modelo de Roda de falhas para as motobombas submersas analisadas. Esse
modelo forneceu, como principal vantagem para a manutenção, uma visão abrangente sobre
os danos atuantes e suscetíveis aos equipamentos, permitindo seu uso qualitativo como
ferramenta para análises preditivas ágeis sobre as causas raízes das falhas dos sistemas
abordados em campo, e com isso, colaborando para a tomada de decisão sobre as
manutenções. Dentre as maiores vantagens da aplicação da Roda de falhas, está a de tornar
eficiente a substituição de componentes em percurso de falha, aliada à inspeção, e baseada nas
condições de operação e tempo de uso, servindo, portanto, como indicador decisivo para a
execução de planos de manutenção.
O conjunto de dados coletados em campo expressaram de maneira satisfatória um
diagnóstico qualitativo sobre as quatro motobombas instaladas nos poços. Baseado nos
critérios de análise, em que o prognóstico considerou a conformidade operacional das
motobombas para o sistema de abastecimento, os modos de falhas, e as características das
chaves de partidas sobre essas máquinas, chegou-se à conclusão. Foi estimado para a
motobomba PI o melhor grau de confiabilidade e disponibilidade, seguido dos demais
equipamentos PS, PC e PD. Dessa forma, considerando a tipificação das chaves de partidas,
reforçou-se à ideia de que a motobomba PI tem vantagem operacional em relação às outras,
como visto nos resultados e considerações.
É relevante que as inspeções nas instalações das motobombas submersas satisfaçam
uma periodicidade para que as intervenções de manutenção não sejam executadas em
intervalos de tempo curtos ou longos de mais, sob o risco de gerar indisponibilidade no
fornecimento de água. Do contrário, o custo de produção tende a sair caro pela
indisponibilidade provocada por paradas frequentes de manutenção, ou por falhas
catastróficas devido à falta de manutenção. Frente a essa discussão, acredita-se que a análise
em torno dos modos de falhas das motobombas, a partir do modelo de Roda de falhas, mostra
viabilidade como método para predição de falhas prematuras desses conjuntos tão importantes
para o cotidiano da população.
A continuidade desse trabalho sistemático permite atingir resultados ainda melhores
com a implantação de uma política de manutenção planejada. Para tanto, torna-se importante
147
criar um banco de dados de relatórios de inspeção e manutenção de poços, integrando a
medição da temperatura como parâmetro relevante, tanto quanto os parâmetros operacionais
já utilizados. Assim, a perspectiva de implantação dessa metodologia teria como base a
manutenção detectiva (inspeções e acompanhamento) e a preditiva (análise de mecanismos de
danos em Roda de falhas), para redução da manutenção corretiva não planejada.
Por fim, investir na engenharia de manutenção é um novo caminho que começa a ser
trilhado nas empresas brasileiras. O reflexo disso está na necessidade de acompanhar os
avanços tecnológicos, de máquinas, equipamentos e processos, e de atender ao crescente
número de usuários cada vez mais exigentes. Nesse sentido, manter os equipamentos
funcionando pela maior parte do tempo, identificar os modos de falhas para corrigi-las com
agilidade, e, evitar falhas catastróficas de itens críticos, como motores e bombas, são
premissas alcançadas através da aplicação sistemática dessa proposta.
6.1 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS
A produção deste trabalho indica que ele não se esgote por aqui, por esse motivo,
sugere-se uma série de ideias baseadas na inspeção e nas condições operacionais, para o
acompanhamento preditivo e aprimoramento da manutenção em poços:
Aplicar a Roda de falhas dentro de um programa de manutenção planejada, com roteiros de
inspeção e registro de falhas com MTTF em banco de dados de motobombas, para
identificar as tendências de falhas e a confiabilidade dos sistemas por meio de simulações
(exemplo Apêndice C), e, com isso, retroalimentar a manutenção, otimizando a
disponibilidade desses conjuntos.
Realizar medições periódicas de temperatura nas instalações elétricas, para levantar um
histórico com curvas do comportamento térmico de equipamentos, úteis no controle das
MTA como indicadores de manutenção.
Investigar o melhor modo de monitorar a temperatura do motor submerso e da água, por
meio de sensores de fluxo, a fim de verificar a influência da temperatura na vida útil das
motobombas submersas.
Avaliar o CEE das motobombas considerando as paradas dos sistemas, com base no
histórico do banco de dados a ser levantado.
Analisar variáveis de estresse como umidade, temperatura, e vapor de Cloro, utilizando
sensores para identificar o grau de influência sobre danos causados às instalações dos
poços.
Desenvolver um aplicativo “mobile” com interface para entrada de dados do BCO, que
permita ao operador de sistema registrar eletronicamente os dados operacionais dos poços,
contribuindo para consultas e tomadas de decisões por equipe de manutenção.
148
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154
APÊNDICES
APÊNDICE A – Checklist genérico de inspeção e manutenção para poços
Nº POÇO:______ DATA: ___/___/_____
Sim
Não
Guia de procedimentos em campo
Descrição do roteiro Notas/ Providências Ações de Manutenção
1
As instalações elétricas estão aterradas? X Exceto a Motobomba. Aterrar a Motobomba.
2 A tensão de alimentação entre as fases da carga está
dentro da tolerância (conforme módulo 8 Prodist)? X
Acompanhar parâmetro no BCO.
Programar inspeção com Wattímetro ou analisador de energia.
3 As correntes de operação nas fases da carga estão
equilibradas? X
Valores medidos próximos da corrente nominal.
─
4 As temperaturas medidas nos principais itens do
circuito de potência estão dentro da tolerância (MTA)? X
Acompanhar na próxima inspeção térmica.
Termografia/termometria programada para 3 meses.
5 A resistência elétrica das bobinas do motor submerso
está normal? X
Conforme teste de continuidade e resistência elétrica do enrolamento.
Teste programado para 3 meses.
6 A resistência do isolamento das bobinas do motor
submerso está dentro da tolerância? X
Conforme teste de resistência à massa do motor.
Teste com Megôhmetro, quando houver cabo terra.
7 A vazão está compatível com a AMT, curva de trabalho
da Motobomba e com o perfil do poço? X
Conforme macromedidor de vazão.
Providenciar teste de vazão e aferição do macromedidor.
8 Os diâmetros do motor submerso e do poço são
compatíveis para que haja a correta refrigeração? X
Não há necessidade de camisa indutora de fluxo.
Conferir fluxo de refrigeração recomendado pelo fabricante.
9 Existe alguma vibração excessiva no barrilete ou no
quadro de comandos? X Funcionamento normal.
Verificar itens 10 e 11 do roteiro/ Realizar limpeza nos contatos do contactor.
10
A estanqueidade da válvula de retenção está normal? X Há fluxo negativo quando ocorrem paradas.
Substituição urgente.
11
A seção de abertura do registro gaveta está livre? X Não há obstrução. Verificar integridade durante manutenção (item 10).
12
O tempo operacional do poço está de acordo a programação ou faixa de pressão ajustada?
X ___h diárias conforme o BCO.
Medir pressão no ponto mais alto da rede de distribuição.
13
O ajuste da corrente de sobrecarga no relé térmico está de acordo com o fator de serviço (FS) do motor?
X FS ( )1,15 In ; ( )1,20 In. Conferir cálculo com base na In.
14
O fator de potência (FP) da instalação está adequado? X Cos =___, medido
com Wattímetro.
Instalar banco de capacitores para reduzir a pot. Reativa.
15
O consumo de energia elétrica está compatível com a programação?
X Consumo regular, de acordo com o BCO.
Acompanhar eficiência da Motobomba a cada 3 meses.
16
O CEE mensal da Motobomba sofreu alterações nos últimos 6 meses?
X CEE regular, de acordo com cálculos realizados a partir do BCO.
Acompanhar eficiência da Motobomba a cada 3 meses.
17
O CEE no ano anterior esteve próximo ao valor encontrado atualmente, para a mesma configuração operacional?
X O CEE sofreu uma redução. Inspeção das instalações da carga e teste de vazão.
18
Os parâmetros analisados estão de acordo com as especificações da Motobomba?
X ─ ─
19
O diagrama multifilar das instalações elétricas encontra-se atualizado?
X Não está disponível junto ao QCP. Consultar setor de manutenção.
Esboçar croqui com modificações/ Afixar cópia dos diagramas no QCP.
20
Existe algum item das instalações da Motobomba com anomalia?
X ─ ─
155
APÊNDICE B – Recortes das medições de parâmetros operacionais e de manutenções
Figura B.1. (PC) PT-34. À esquerda medição da pressão na boca do poço (24 mca), para determinação da AMT.
À direita, medições no quadro de comandos do PC. Potência aparente (22,36 KVA) e fator de potência (0,88).
Figura B.2. PT-20. Ponto quente em terminal de disjuntor geral, causado por erro de instalação de cabos de
alumínio. A seção dos cabos foi substituída por cabos de cobre, normalizando as temperaturas nas fases R=
35,8ºC, S=37,6ºC e T= 35,3ºC, registro em 05/12/2015.
Figura B.3. PT-24 NPA. Teste de vazão de motobomba (38m³/h), registro em 28/09/2015.
156
Figura B.4. PT-07. À esquerda ponto quente em terminal de fusível à montante do inversor de frequência; à
direita, dados operacionais antes da falha. Registro em 22/12/2015. Nota: Por falta de manutenção preventiva
este equipamento e a motobomba precisaram ser substituídos semanas depois.
Figura B.5. PT-24. Substituição de motobomba com efeito de falha no enrolamento do motor, realizada com
auxílio de caminhão munck. Motobomba nova: Q= 80m³/h, i= 44,6 A, P= 27,5cv, registro em 07/04/2015.
Figura B.6. (PC) PT-34. Modelo TP-20 de dosador de Cloro pastilha, registro em 04/08/2015.
157
APÊNDICE C – Simulação de vida de motobomba genérica via software Blocksim
A título de exemplificação, um sistema de poço genérico foi simulado para análise de
vida, no software comercial BlockSim® 10 da Reliasoft, a fim de mostrar a utilidade dessa
ferramenta na estimativa da confiabilidade, probabilidade de falhas e disponibilidade dos
sistemas, no entanto, sem demonstrar os axiomas da estatística.
A continuidade do estudo de caso, a partir da criação de um banco de dados e
implementação de política de manutenção preditiva, conforme colocado nas Perspectivas de
trabalhos, pode trazer resultados ricos para a predição e para a tomada de decisão nas
manutenções de equipamentos com tempos de vida e condições operacionais diferentes. A
partir do conhecimento dos MTTFs, para os tipos de acionamentos de cada sistema, seria
viável uma análise mais apurada sobre a influência das chaves de partidas para a ocorrência
de falhas em motobombas. Por essa razão é fundamental ter informações sobre os MTTF e
MTTR de todos os equipamentos.
A plataforma do BlockSim permite converter uma FTA em diagramas de blocos,
facilitando a compreensão e os cálculos, visto que neste arranjo é possível inserir os dados
quantitativos, de acordo com estudo aplicado feito por Santos (2011, p.65).
O Diagrama de Blocos de Confiabilidade (sigla do inglês RBD) considerado nas
simulações de vida adotou os blocos Circuito de Potência e CMBS (Conjunto MotoBomba
Submersa), em que predominam componentes elétricos. A distribuição exponencial de
probabilidade, com taxa de falhas constante, foi atribuída ao processamento dos eventos por
se tratar de uma função bastante utilizada por vários autores em aplicações desse caráter. Na
simulação não foi possível incluir os blocos denominados Chave de Partida e, Circuito de
Comando e proteção por falta de conhecimento e registro a respeito dos MTTF e taxas de
falhas para os sistemas analisados neste trabalho, além das incertezas relatadas na entrevista à
equipe de manutenção.
Entrada de dados
A simulação foi realizada em 100mil eventos, para um tempo final de 87600 horas (10
anos), com resultados em intervalos a cada 730 horas, e sem paradas para manutenção.
Devido a carência de dados históricos sobre os MTTF, para os blocos “Circuito de
comando e proteção” e “Chave de Partida”, e por serem considerados itens complexos
(conforme Modelo F – seção 2.8), estes foram desconsiderados, e inserido apenas os valores
do primeiro e do último bloco. No primeiro (circuito de potência) incidiu a opinião técnica,
sobre a média de ocorrência de falhas em sistemas de poços da concessionária. O CMBS
genérico refere-se a um modelo S35-06 610, com MTTF consultado no fabricante (Leão, S.A,
2015), em que o sistema considerado é novo, com idade zero.
Mesmo assim, no diálogo com a equipe de manutenção e na entrevista não formal a
funcionários mais antigos se obteve a informação de que o MTTF dos quadros de comandos,
numa situação sem manutenção planejada, varia bastante, mas que em média gira em torno de
2,5 anos (21.900 h), especificamente o “circuito de potência”. O quadro a seguir apresenta o
resumo dos dados de entrada para o modelo processado no BlockSim:
158
Fonte: ReliaSoft-BlockSim.
Diagrama de Blocos de Confiabilidade (RBD) na interface do BlockSim
A seguinte figura representa o diagrama de blocos elaborado no software BlockSim para
estimativa dos parâmetros de confiabilidade de um sistema genérico de motobomba.
Fonte: ReliaSoft-BlockSim.
Interface para entrada de dados
Na interface do software o tempo de vida esperado para o equipamento é colocado no
campo “Tempo Médio” em “Parâmetros e Entradas”, dentro da opção “Modelo de
Confiabilidade (h)”, na tela de “Propriedades do bloco”. O tempo operacional é inserido no
campo “Idade Atual”, conforme a figura a seguir.
Blocos MTTF (horas)
(relatado) Distribuição
Tempo final
da
simulação
Número de
eventos de
simulação
Circuito de Potência 61320 (7 anos) Exponencial
Circuito de Comando e
Proteção Indeterminado O bloco não falha
87600 horas
(10 anos)
100.000
Chave de Partida Indeterminado O bloco não falha
CMBS (modelo S35-06
610) 35040 (4 anos)
fabricante Exponencial
159
Fonte: ReliaSoft-BlockSim.
Na tela “Simulação da Mantenabilidade/ Disponibilidade”, no campo "tempo final da
simulação", é inserido o tempo referente à análise, 87600 h (10 anos). Na mesma interface
coloca-se no campo correspondente o número de simulações fixas, 100 mil vezes, de acordo
com a figura abaixo.
Fonte: ReliaSoft-BlockSim.
Resultados da simulação – BlockSim
A próxima tabela apresenta os resultados do ciclo de vida para os blocos e para o
sistema genérico de motobomba.
Parâmetros e Entradas do bloco: Idade operacional
(0 h); e Modelo de distribuição com tempo médio
do bloco (Exponencial – 35040 h).
160
Fonte: ReliaSoft-BlockSim.
As confiabilidades dos blocos “Chave de Partida” e “Circuito de comando e proteção”
apresentaram valor 1 (100%); indisponibilidade e total de paradas igual a 0 (zero); e
disponibilidade 1 (100%), igualando o tempo total disponível ao tempo final para a simulação,
como definido inicialmente.
No RBD, os itens denominados Chave de Partida, e Circuito de Comando e proteção
foram classificados como os menos críticos, conforme o índice RS FCI (0,00%), seguido do
Circuito de Potência (RS FCI: 36,19) e do CMBS (RS FCI: 63,81).
Em 35040 horas, “tempo de vida do CMBS”, o sistema mostra uma confiabilidade de
20,7%. Os resultados pontuais do sistema genérico de CMBS se encontram na tabela mais a
frente.
Curva da Confiabilidade pontual vs Tempo:
PARÂMETROS DO SISTEMA DE
POÇO TUBULAR
(Tempo Final 87600 h)
PARÂMETROS POR BLOCO
UNIDADES CMBS Circuito
de
Potência
Chave
de
Partida
Circuito de
Comando e
Proteção
Confiabilidade “R(t)” 1,97 37,45 64,53 100 100 %
Disponibilidade Média
(Todos Eventos) 24,94
52,13 72,81 100 100 %
Tempo Disponível 41825,41
(4,77 anos)
45666,18 63784,69 87600 87600 Horas
Tempo Indisponível
Total
45774,58
(5,23 anos)
41933,81 23815,30 0 0 Horas
Desvio Padrão
(Disponibilidade Média) 0,2338
- - - - Unitário
Quantidade Esperada de
Falhas “F(t)” 0,9802
0,6255 0,3547 0 0 Unitário
Desvio Padrão
(Quantidade de Falhas) 0,1390
- - - - Unitário
RS FCI 63,81 36,19 0,00 0,00 %
161
Probabilidade de falha do sistema:
A primeira falha ocorre com 4,77 anos (41825,4 h), conforme o gráfico da
disponibilidade/ indisponibilidade do sistema:
Os resultados mostram que confiabilidade e disponibilidade dos sistemas são máximas
no início das simulações, referindo-se às supostas condições de início operacional. A predição
de vida do sistema de motobomba em condições normais de operação mostra razoável
aproximação do tempo médio de vida deste equipamento (4 anos), especificado pelo
fabricante, no entanto, é limitada por não levar em consideração os MTTFs de todos os blocos
dos itens.
Na tabela a seguir são apresentados os resultados pontuais da simulação, levando em
consideração os tempos para o modelo genérico de motobomba e circuito de potência.
162
Resultados pontuais para os Tempos do Sistema genérico de motobomba (todos os eventos):
163
Fonte: ReliaSoft.
164
ANEXOS
ANEXO A – Dados técnicos, perfil litológico, teste de produção e da qualidade da água
de poço tubular (CAERN)
165
166
167
168
ANEXO B – Planta da captação, com cortes e detalhes do tratamento, comando e poço
tubular (CAERN)
169
ANEXO C – Informações necessárias para um dimensionamento correto da AMT,
Vazão e Potência de MotoBombas Submersas
Fonte: Apostila de dimensionamento, EBARA, 2012.
1- Perdas de carga aproximadas em metros para algumas vazões, entre a carcaça e
a camisa indutora:
Fonte: ELECTRIC, Franklin (2013, p.7).
170
2- Vazão mínima requerida para um fluxo de 0,91 m/s:
Fonte: ELECTRIC, Franklin (2013, p.7).
3- Fator Multiplicador de Temperatura para Fluxos de 0,91 m/s:
Fonte: ELECTRIC, Franklin (2013, p.7).
4- Potência no Fator de Serviço:
Fonte: ELECTRIC, Franklin (2013, p.7).
171
5- Correntes para diferentes modelos de motores:
Fonte: Leão S.A. (2015).
172
ANEXO D – Curvas características das quatro bombas submersas analisadas
Curva de performance da bomba submersa Leão S.A., (2015) – PC (PT-34):
Curva de performance da bomba submersa Leão S.A., (2015) – PD (PT-23):
173
Curva de performance da bomba submersa Leão S.A., (2015) – PS (PT-31):
Curva de performance da bomba submersa Leão S.A., (2015) – PI (PT-63):
174
ANEXO E – Quadro com defeitos, causas e soluções sobre motobombas
Fonte: Leão S.A (2015).
