Análise de Confiabilidade em Circuitos Elétricos Industriais

Análise de Confiabilidade em Circuitos Elétricos Industriais da Rhodia
utilizando a Metodologia de Árvore de Falhas (FTA)
Jeferson Fleury Haach (*)
Resumo
O objetivo deste trabalho é apresentar um exemplo real de aplicação da metodologia
FTA, como uma das ferramentas capazes de atender as novas exigências em relação à
Confiabilidade e Disponibilidade dos sistemas industriais.
Definiremos alguns conceitos básicos de confiabilidade e algumas terminologias usadas
na FTA, descrevendo as principais etapas do processo, os resultados, a interpretação e a
análise dos mesmos. Por fim, apresentaremos uma comparação entre os resultados
esperados (calculados) e valores reais obtidos no período de 1993 à 1996. À partir de
1997 o sistema foi modificado, incorporando as melhorias identificadas neste estudo.
(*)
Engenheiro Eletricista formado pelo Universidade de São Paulo, com especialização em
Qualidade Industrial e Gestão de Empresas pela Unicamp.
Trabalha na Rhodia – Conjunto Químico de Paulínia (SP) desde 1989. Foi responsável pelo
Departamento de Manutenção Elétrica ( 94 à 97 ), onde participou como multiplicador dos
seguintes programas:
• Qualidade Total – Processo Rhodia de Excelência ( PRHOEX ),
• I.F.P - Polivalência Operacional ( Manutenção-Produção )
• RCM - Manutenção Centrada em Confiabilidade.
Desde 1997, atua como Coordenador de Engenharia da Rhodia – Atividade Orgânica Fina
América Latina, responsável pelas áreas de manutenção e projetos nos sites de Paulínia e
Santo André.
É membro do Comitê Técnico ( SP ) e do Conselho Deliberativo da Abraman.
e-mail: [email protected] ou [email protected]
Trabalho apresentado no 5o. Congresso de Gestão e Técnicas na Manutenção, 11 e 12
de junho de 2001, Belo Horizonte, realização TECÉM-Tecnologia Empresarial Ltda
1
1 - Introdução
Temos observado nas últimas duas décadas uma evolução bastante significativa nos
conceitos de manutenção.
Isto se deve ao fato de que as instalações e os equipamentos estão se tornando cada
vez mais complexos. Além disso, há uma busca constante para que os mesmos tenham
uma
performance
elevada,
principalmente
com relação
à Confiabilidade e a
Disponibilidade.
Outro fator importante, é a maior conscientização do setor industrial com as
consequências adversas que uma falha de equipamento ou instalação pode trazer com
relação à Segurança, o Meio Ambiente e a Qualidade do Produto, além dos Custos
envolvidos direta ou indiretamente.
Todas essas mudanças tem impulsionado uma série de alterações no modo de pensar e
agir dos gerentes de manutenção, no sentido de desenvolver novos métodos de trabalho,
que permitam construir equipamentos e instalações mais confiáveis e performantes.
É neste contexto que tem se desenvolvido a utilização de várias metodologias para o
cálculo da Confiabilidade e da Disponibilidade. Entre elas, a Análise por Árvore de
Falhas (FTA - Fault Tree Analysis).
2 - Metodologia - Árvore das Falhas
É um processo lógico dedutivo utilizado para analisar eventos indesejados, de forma
qualitativa e quantitativa, buscando-se as causas possíveis que levem à ocorrência do
evento em questão.
Esta técnica pode ser aplicada à equipamentos ou sistemas, tanto na fase de projeto
como de operação, identificando de maneira estruturada os pontos frágeis dos mesmos.
Além disso, pode-se analisar diversos tipos de falhas, tais como: erros humanos, falhas
intrínsecas e de modo comum.
2.1 - Terminologias e Conceitos
Para que esta técnica possa ser aplicada com eficiência, algumas terminologias e
conceitos devem estar perfeitamente entendidos.
2
No exemplo que descrevemos à seguir foram adotadas as seguintes definições:
2.1.1 - Conceitos de Confiabilidade
a) Confiabilidade
Probabilidade de um sistema, equipamento ou componente cumprir sua missão com
sucesso, por um período e condições especificas.
b) Indisponibilidade
Probabilidade de um sistema, equipamento ou componente falhar no momento em que
for solicitado.
c) Falha
Condição em que determinado equipamento ou sistema não consegue cumprir a missão
para o qual foi designado.
d) Taxa de Falha
Quantidade de falhas num período de tempo ou ciclos determinados.
e) Tempo Médio de Reparo
Tempo necessário para reestabelecer a função de determinado equipamento.
2.1.2 - Terminologia na Árvore das Falhas
Evento Topo
Evento de falha indesejável, objeto de estudo.
Evento Básico
Evento de falha que possui uma taxa de falha ou uma probabilidade.
Corte
Conjunto de eventos básicos que provocam o evento topo.
Corte Mínimo
Quantidade mínima de eventos básicos que provocam o evento topo.
Corte Primeira Ordem
Quando apenas um único evento básico provoca a ocorrência do evento topo.
3
2.1.3 - Classificação dos Eventos
Monitorados
Testados
Modo Comum
Erros Humanos
Probabilidade
3 - Desenvolvimento do Estudo: Análise de um Sistema Elétrico da Rhodia
Os principais objetivos da realização deste estudo foram:
Análise qualitativa e quantitativa dos eventos de falha.
Determinação da indisponibilidade média esperada do sistema no período de um ano.
Análise e determinação de políticas de manutenção mais eficientes, no sentido de
tornar o sistema mais confiável.
3.1. - Etapas do Estudo
3.1.1. - Formação de Equipe de Trabalho
A equipe foi composta por técnicos da área de operação, projetos e de manutenção e um
especialista em confiabilidade.
Todos os membros do grupo passaram por uma formação básica em confiabilidade e da
técnica FTA.
3.1.2. - Definição do Sistema
Esta é uma etapa fundamental para o sucesso do trabalho, pois os limites e as fronteiras
tem que estar perfeitamente definidas e em conformidade com o objetivo do estudo.
Sendo assim, em função de nosso objetivo e da complexidade do sistema elétrico em
questão foi decidido calcular a indisponibilidade de um circuito elétrico que fornece
energia para quatro unidades de fabricação.
4
A análise considerou as falhas provenientes desde à concessionária de energia (CPFL)
até os disjuntores primários que alimentam cada uma das quatro unidades, além da
interface entre outros ramos do sistema elétrico que se fizeram necessário.
O esquema unifilar da figura 1 mostra o ramal analisado e sua interface com o restante
do sistema.
CH1010
o
o
CPFL
o
o
CH1014
DJ1010
CH1012
DJ1012
o
o
o
o
SUBESTAÇÃO SUL
CH1016
SEG 1010
138 KV - 60 Hz
o
o
o
o
CH1018
o
o
CH1020
TR1010
DJ1014
CH1022
12.5/15 MVA
138/69 KV
TR1012
DJ2012
DJ2014
12.5/15 MVA
138/69 KV
TR1014
15/18.75 MVA
138 - 3.8 KV
Cabo BZ0149
o
SEG 4010
3.8 KV
oCH2014
DJ2010
o
oCH2020
o
o CH2010
o CH2022
oo
o CH2012
o
o
SUBESTAÇÃO NORTE
SEG 2011
SEG 4210
SEG 4214
o
Cabo BZ0148
CTS
SEG 4216
C
A
S
A
M FENOL
Á
Q
APOA BISFENOL INEQ/SALAL
/ PTBF
o CH2011
o
DJ2011
66 KV
o
o
CH2015
SEG 2010
o CH2017
o
o CH2013
o
DJ2015
DJ2013
TR2011
TR2015
TR2013
5/0.25 MVA
66/3.8 KV
5/0.25 MVA
66/3.8 KV
5/0.25 MVA
66/3.8 KV
Figura 1 - Diagrama Unifilar do Estudo
5
3.1.3. - Construção da Árvore das Falhas
Com o sistema e suas interfaces definidas, determinamos o evento indesejável à ser
estudado, chamado de Evento Topo.
Através da utilização do software FTW, que permite um desenvolvimento gráfico da
árvore de falhas, construímos a mesma analisando à partir do evento topo todas as
possibilidades de falha que levam à sua ocorrência.
Cada um desses eventos possui uma descrição e um código que permite fazer uma
classificação dos mesmos de acordo com o tipo de falha em questão. (erro humano,
monitorados, testados, probabilidade e falha modo comum).
A figura 2 à seguir mostra uma parte da árvore com os seus respectivos eventos de falha.
EVENTO TOPO
Indisponibilidade de
Energia na Barrra
B4216
+
IndBa14A
Não Chega Energia
na Barra B4216
Curto Circuito na
Barra B4216 com
Sucesso da Proteção
+
FEnB14A
+
PORT055
Não Chega Energia
no Cabo Bz0148
+
FEnB14A
Disjuntor
DJ4016 esta
Aberto
DJ4012Abrt
Curto Circuito Cabo
/ Conexões BZ-0148
e Falha da Proteção
+
CCCaBZ148
Curto Circuito na
Barra B4216 com
Falha Sistema de
Proteção
CuB14AFPr
Curto Circuito
Monofásico na
Barra B4216
Curto Circuito
Bifásico na
Barra B4216
Curto Circuito
Trifásico na
Barra B4216
C1__B4216E
C2__B4216E
C3__B4216E
Não Chega
Energia no
Disjuntor
DJ4016
FEnDDJ4012
Curto Circuito Bifásico
no Cabo BZ-0148 e
Falha da Proteção
PORT 050
Curto Circuito Monofásico
no Cabo BZ-0148 e Falha
da Proteção
PORT 042
Curto Circuito Trifásico
no Cabo BZ-0148 e
Falha da Proteção
PORT 051
6
Curto Circuito
Monofásico no Cabo
BZ-0150 e Falha da
Proteção
+
PORT183
Curto Circuito
Monofásico no Cabo
BZ0150
Falha do Sistema de
Proteção de Terra do
Disjuntor DJ4014
+
PORT184
B1__Z0150E
Falta de Tensão
de Comando
para Proteção
Falha do
Disjuntor DJ4014 em Abrir
Falha no
Circuito de
Corrente (TC)
Falha do Rele de
Proteção de
Terra F 50/51 N
+
FV52D4014P
+
PORT185
+
FJTCD4014E
+
PORT186
Falha Mecânica na
Trava do
Disjuntor DJ-4014
(Não Abre)
Falha Elétrica no
Circuito de
Desligamento DJ4014
FI52D4014R FD52D4014R
Falha Intriseca do
Rele 50/51 N em
Não Atuar
FI5ND4014R
Erro Humano na
Calibração
HC5ND4014H
Falha do Rele de
Bloqueio em Não
Atuar (F-86)
+
PORT187
Falha Intriseca
do Rele de
Bloqueio
FI86D4014D
Falta de
Tensão de
Comando do
Rele Bloqueio
FV86D4014P
Figura 2 - Desenho da Árvore com Eventos
7
3.1.4. - Equações Matemáticas e Dados de Entrada
Uma vez concluída a construção da Árvore de Falhas, é possível agrupar todos os
eventos de falha conforme a sua classificação previamente determinada.
Para cada tipo de evento são associadas equações matemáticas que permitirão uma
análise quantitativa da Árvore.
À partir desta fase, passamos a atribuir valores às variáveis das equações relativos à
cada evento de falha.
É exatamente nesta etapa do trabalho que fica evidenciado a importância e as
dificuldades na obtenção de dados de confiabilidade tais como: taxa de falha, tempo de
reparo, probabilidade de falha, que sejam representativos para o sistema que está sendo
analisado.
Na maioria das vezes, temos dificuldade em saber qual a taxa de falha de determinado
equipamento, simplesmente devido a inexistência dos dados.
Diante disso, passamos à adotar valores constantes em Bancos de Dados Internacionais,
que podem ou não refletir a nossa realidade. Desta forma, passa a ser fundamental que o
grupo de trabalho
faça uma análise crítica desses valores, tornando-os mais
representativos. Além disso, existem alguns dados que não constam de bancos
internacionais, como por exemplo, o Tempo de Reparo. Neste caso o grupo de estudo
deve ter condições de estimar esse valor com base na experiência e na realidade da
instalação.
Fica evidente portanto, a necessidade de um Banco de Dados de Confiabilidade mais
específico e que represente da melhor maneira possível a realidade do seu próprio
sistema.
A qualidade do resultado final do estudo será função da qualidade dos dados adotados
para cada um dos eventos.
Na figura 3 temos um exemplo de equações adotadas para cada tipo de evento e na
figura 4, os dados adotados para os eventos em questão.
8
Probabilidade: Valor = “prob”
Monitorado: Valor = ‘(lambda * tau) / (1 + lambda * tau)’
Erro Humano: Valor = “prob”
Testado: Valor = 1 - (1/(lambda * teta)) * (1 - exp. (-lambda * teta)) + (t - teste/teta) + lambda * tau
λ = Lambda
θ = Teta
σ = Tau
Figura 3 - Equações Matemáticas
Nome Evento
B1-Z0150 E
FV 52D4014 P
FJ TC D4014 E
FI 52 D4014 R
FD 52 D4014 R
FI 5N D4014 R
HC 5N D4014 H
FI 86 D4014 D
FV 86 D4014 P
λ
1.75
e-4
--1.8 e-7
7.7 e-8
3.4 e-8
7.3 e-7
--1 e-7
---
σ
1.0
--1.0
2.0
2.0
1.0
--1.0
---
Valores
t - teste
------0.5
0.5
0
--0
---
θ
---
Prob
---
Referência
(2)
----26280
26280
4380
--4380
---
1 e-2
--------1 e-2
--1 e-2
(3)
(2)
(2)
(2)
(2)
(3)
(2)
(3)
Tabela de Referência
Ref 1 = IEEE std 500, 1977
Ref 4 = Rejmond, 1982
Ref 2 = IEEE std 500, 1984
Ref 5 = Eneida, Vol 1, 1991
Ref 3 = Estimativa Rhodia
Ref 6 = Histórico Rhodia
Figura 4 - Tabela de Dados e Referências
9
3.1.5. - Resultados dos Cálculos
Após inclusão de todos os dados de entrada, o software calcula a probabilidade do
Eventos Topo, bem como a dos demais eventos.
Desta forma é possível saber a contribuição de cada falha para a ocorrência do evento
topo e determinar os cortes mínimos de 1ª ordem, ou seja, aqueles eventos que sozinhos,
levam a ocorrência do evento topo. Do mesmo modo, pode-se determinar a ordem de
todos os cortes da árvore.
A figura 5, mostra a probabilidade dos evento e a figura 6 a dos cortes mínimos.
FTW - Min Cut Set Upper Bound
Eventos
Ind Ba 14 A (Topo)
B1-Z0150E
FV52D4014P
FJTCD4014E
FI52D4014R
FD52D4014R
FI5ND4014R
HC5ND4014H
FI86D4014D
FV86D4014P
Probabilidade
6,399 e-4
1,75 e-5
1,01 e-2
3,60 e-7
1,03 e-3
4,66 e-4
1,59 e-3
1,0 e-2
2,18 e-4
1,0 e-2
Figura 5 - Tabela Resultado Probabilidade dos Eventos Topo e Outros
Probabilidade
3.039E-04
5.700E-05
5.262E-05
5.262E-05
1.900E-05
1.754E-05
1.754E-05
1.710E-05
1.754E-06
1.754E-06
1.754E-06
Import.
47.49%
8.91%
8.22%
8.22%
2.97%
2.74%
2.74%
2.67%
0.27%
0.27%
0.27
Ord
1
1
1
1
1
1
1
1
2
2
Corte
I2__T1014M
FGL12CPFLE
C1__Z0149E
CC__Z0148E
IE52D4016M
C2__Z0149E
C3__Z0149E
NEL1__CPFLE
B1__Z0148E
FV52D4016P
B1__Z0148E
FV86D4016P
B2__Z0148E
FV52D4016P
Figura 6 - Tabela Resultado Probabilidade dos Cortes Mínimos
10
4 - Análise dos Resultados
No estudo em questão foram identificados e quantificados 284 eventos de falha
distribuídos conforme mostra na figura 7.
Cl assif i cação Even t os
T o t al dos Even t os = 2 8 4
120
100
80
60
40
20
0
Monit or ados
T est ados
Er r o Hum ano
Pr obabilidade
Modo Com um
Eventos
Figura 7 -Classificação dos Eventos
A indisponibilidade calculada para o seguimento de barra SEG 4216 foi de 5.6 horas /
ano, distribuídas conforme mostrado na figura 8 (a, b, c).
11
I n di sp o n i bi l i da de
SEG-4 2 1 6
Curto Circuito
25,8%
M anutenção
50,4%
Falha CPFL 13,4%
Outros 7,3%
Erro Humano 3,0%
Figura 8 a - Indisponibilidade SEG 4216
Fr equ ên ci a Ev en t o s
SEG-4 2 1 6
Manutenção
0,33%
Curto Circuito
0,46%
Erro Humano
0,63%
Falha CPFL 0,3%
Outros 0,18%
Figura 8 b - Frequência Evento Indisponibilidade SEG 4216
Co r t es M í n i m o s
Pr i m ei r a O r dem
Outros 50,6%
Erro Humano
49,4%
Outro s 0,6%
Operaç ã o 42,1%
M anute nç ão 57,3%
12
Figura 8 c - Cortes Mínimos - Primeira Ordem
Para cada um dos fatores que contribuem para a indisponibilidade total, é possível
separar e analisar quais são os tipos de eventos que o compõem.
As figuras 9 a e b mostram a decomposição do fator Erro Humano e Curto-Circuito
respectivamente.
I n di sp o n i bi l i da de - Er r o H u m a n o SEG-4 2 1 6
Falha CPFL 13,4%
Curto-Circuito
25,8%
Out ros 7,3%
Erro Humano 3,0%
Outros 0,6%
Operação 42,1%
Manutenção 57,3%
Manutenção 50,4%
Figura 9 a - Indisponibilidade devido Erro Humano
Manutenção 50,4%
I n di sp o n i bi l i da de - Cu r t o Ci r cu i t o
SEG-4 2 1 6
Curt o-Circuit o
25,8%
Linha 66 KV 9,0%
Outros 6,3%
Cabo B Z-0149 52,8%
Cabo B z-0148 31,9%
Out ros 7,3%
Falha CPFL 13,4%
Erro Humano 3,0%
Figura 9 b- Indisponibilidade devido Curto Circuito
13
Este mesmo detalhamento pode ser feito para todos os demais fatores que contribuem
para a indisponibilidade, sendo possível detalhar por exemplo, quais são os eventos de
operação e manutenção que mais contribuem.
4.1 - Produto do Estudo
A análise detalhada deste estudo permitiu ganhos importantes tais como:
Equalização dos conhecimentos técnicos à respeito do sistema elétrico analisado para
a equipe de manutenção, operação e projeto.
Implantação de melhorias nos Procedimentos de Operação e Manutenção.
Modificação no lay-out de vários equipamentos, desde chaves de comando em painéis
de controle até alterações em equipamentos e instalações à nível de subestação (Projeto
Paralelismo).
Alteração nas políticas de manutenção Preditiva, Preventiva e Corretiva do sistema,
envolvendo política de testes e procedimentos nas intervenções de manutenção.
Valorização do trabalho em grupo e utilização de técnicas estruturadas para
identificação, análise e solução de problemas.
4.2 - Comparação entre Valores de Indisponibilidade Esperados e Reais de 1993 à 1996
Após a realização deste estudo em 1993, foi elaborado um plano de melhoria para
reduzir o valor de indisponibilidade calculada. Essas melhorias foram realizadas em
etapas, pois muitas delas exigiam investimentos financeiros que por uma decisão da
empresa foram escalonados em alguns anos. Apesar disso, uma série de ações foram
realizadas à curto prazo, principalmente aquelas relativas à procedimentos de
manutenção e de operação do sistema.
Como resultado dessas ações a indisponibilidade desse sistema, tem sido menor que a
esperada, conforme mostrado na figura 10.
14
I n di spon i bi li dade H or as
SEG-4 2 1 6
20
15
10
5
0
93
94
95
96
Nº Horas
Figura 10 - Indisponibilidade Horas - SEG-4216
5 - Conclusão
A aplicação da metodologia FTA nos permitiu analisar em detalhes o sistema elétrico
estudado, identificando e quantificando as falhas possíveis e para cada uma delas,
definindo ações que pudessem diminuir o probabilidade de ocorrência e minimizar as
suas conseqüências.
Foi possível perceber a importância e a dificuldade na obtenção de dados de falha que
fossem representativos para o sistema em questão, apesar da existência de bancos de
dados internacionais e específicos da empresa.
Um fato que chamou a atenção durante os trabalhos foi a quantidade de erros humanos
identificados, tanto em relação à operação quanto à manutenção (Figura 8b).
Isso foi importante pois, apesar da indisponibilidade gerada em cada evento ser
relativamente pequena (normalmente o tempo de reparo é rápido), a frequência com que
estes eventos podem ocorrer é muito elevada. Em contra partida, a maioria destas falhas
podem ser facilmente reduzidas ou eliminadas com a utilização de procedimentos,
treinamentos mais adequados e interfaces homem-máquinas mais eficientes.
Verificamos também a importância do trabalho em grupo e do uso de metodologias
estruturadas para identificação e solução de problemas. É surpreendente como o grupo
consegue encontrar soluções quando o mesmo passa a se utilizar destas ferramentas.
15
Finalmente podemos concluir que o FTA é realmente uma ferramenta de grande utilidade
no sentido de permitir com que as equipes de manutenção, projeto e operação estejam
mais preparadas para atingir os desafios atuais em relação à confiabilidade e a
disponibilidade de sistemas e equipamentos.
6 - Referência Bibliografica
Manual FTW
IEEE Std 500 - 1977
IEEE Std 500- 1984
Rijmond, 1982
Eireida, Vol 1, October 1991
Apostila Curso de Confiabilidade
Dados Históricos de Falhas e Tempo de Reparo de Equipamentos da UQP
16