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 Todas essas mudanças tem impulsionado uma série de alterações no modo de pensar e agir dos gerentes de manutenção. 2 . além dos Custos envolvidos direta ou indiretamente.Metodologia . que permitam construir equipamentos e instalações mais confiáveis e performantes. Outro fator importante. 2 . o Meio Ambiente e a Qualidade do Produto. Esta técnica pode ser aplicada à equipamentos ou sistemas.Fault Tree Analysis). Além disso. identificando de maneira estruturada os pontos frágeis dos mesmos. tais como: erros humanos. 2.1 . Isto se deve ao fato de que as instalações e os equipamentos estão se tornando cada vez mais complexos. tanto na fase de projeto como de operação. é a maior conscientização do setor industrial com as consequências adversas que uma falha de equipamento ou instalação pode trazer com relação à Segurança. É neste contexto que tem se desenvolvido a utilização de várias metodologias para o cálculo da Confiabilidade e da Disponibilidade. Além disso.Árvore das Falhas É um processo lógico dedutivo utilizado para analisar eventos indesejados. a Análise por Árvore de Falhas (FTA . buscando-se as causas possíveis que levem à ocorrência do evento em questão.1 .Terminologias e Conceitos Para que esta técnica possa ser aplicada com eficiência. falhas intrínsecas e de modo comum. no sentido de desenvolver novos métodos de trabalho. pode-se analisar diversos tipos de falhas. principalmente com relação à Confiabilidade e a Disponibilidade. Entre elas. algumas terminologias e conceitos devem estar perfeitamente entendidos.Introdução Temos observado nas últimas duas décadas uma evolução bastante significativa nos conceitos de manutenção. há uma busca constante para que os mesmos tenham uma performance elevada. de forma qualitativa e quantitativa. equipamento ou componente falhar no momento em que for solicitado.No exemplo que descrevemos à seguir foram adotadas as seguintes definições: 2. e) Tempo Médio de Reparo Tempo necessário para reestabelecer a função de determinado equipamento. equipamento ou componente cumprir sua missão com sucesso. 2. Corte Primeira Ordem Quando apenas um único evento básico provoca a ocorrência do evento topo.Conceitos de Confiabilidade a) Confiabilidade Probabilidade de um sistema. d) Taxa de Falha Quantidade de falhas num período de tempo ou ciclos determinados.Terminologia na Árvore das Falhas Evento Topo Evento de falha indesejável.1.1. Corte Mínimo Quantidade mínima de eventos básicos que provocam o evento topo. objeto de estudo. Corte Conjunto de eventos básicos que provocam o evento topo. b) Indisponibilidade Probabilidade de um sistema. c) Falha Condição em que determinado equipamento ou sistema não consegue cumprir a missão para o qual foi designado. 3 . Evento Básico Evento de falha que possui uma taxa de falha ou uma probabilidade. por um período e condições especificas.2 .1 . Sendo assim. projetos e de manutenção e um especialista em confiabilidade. 3.1. .Classificação dos Eventos Monitorados Testados Modo Comum Erros Humanos Probabilidade 3 . Análise e determinação de políticas de manutenção mais eficientes. 3. 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.1.Definição do Sistema Esta é uma etapa fundamental para o sucesso do trabalho.2.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. Todos os membros do grupo passaram por uma formação básica em confiabilidade e da técnica FTA.1. pois os limites e as fronteiras tem que estar perfeitamente definidas e em conformidade com o objetivo do estudo. .Etapas do Estudo 3.Formação de Equipe de Trabalho A equipe foi composta por técnicos da área de operação. .1. Determinação da indisponibilidade média esperada do sistema no período de um ano.2. 4 .1.3 . no sentido de tornar o sistema mais confiável. 8 KV Cabo BZ0149 SEG 4010 o CH2012 o o oCH2014 DJ2010 o oCH2020 o CH2010 CH2022 o o oo SEG 2010 SUBESTAÇÃO NORTE SEG 2011 SEG 4210 SEG 4214 66 KV o CH2017 o o CH2013 o DJ2013 TR2013 5/0.5/15 MVA 138/69 KV DJ2012 138 .8 KV DJ2014 o 3.8 KV o o CH2015 DJ2015 TR2015 5/0.A análise considerou as falhas provenientes desde à concessionária de energia (CPFL) até os disjuntores primários que alimentam cada uma das quatro unidades. CH1010 o o o o CPFL o o o o CH1014 DJ1010 DJ1012 SUBESTAÇÃO SUL CH1012 138 KV .60 Hz CH1016 SEG 1010 o o CH1018 DJ1014 TR1014 15/18.8 KV o Cabo BZ0148 CTS SEG 4216 o CH2011 o DJ2011 TR2011 5/0.25 MVA 66/3.25 MVA 66/3.25 MVA 66/3.3.75 MVA o o CH1020 TR1010 12.Diagrama Unifilar do Estudo 5 . além da interface entre outros ramos do sistema elétrico que se fizeram necessário.8 KV C A S A FENOL M Á Q APOA BISFENOL INEQ/SALAL / PTBF Figura 1 .5/15 MVA 138/69 KV o o CH1022 TR1012 12. O esquema unifilar da figura 1 mostra o ramal analisado e sua interface com o restante do sistema. (erro humano. probabilidade e falha modo comum). . testados. Através da utilização do software FTW. 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.Construção da Árvore das Falhas Com o sistema e suas interfaces definidas. EVENTO TOPO Indisponibilidade de Energia na Barrra B4216 + IndBa14A Não Chega Energia na Barra B4216 Curto Circuito na Barra B4216 com Sucesso da Proteção Curto Circuito na Barra B4216 com Falha Sistema de Proteção + FEnB14A Não Chega Energia no Cabo Bz0148 + PORT055 CuB14AFPr + FEnB14A Curto Circuito Cabo / Conexões BZ-0148 e Falha da Proteção Curto Circuito Monofásico na Barra B4216 Curto Circuito Bifásico na Barra B4216 Curto Circuito Trifásico na Barra B4216 + CCCaBZ148 C1__B4216E C2__B4216E C3__B4216E Disjuntor DJ4016 esta Aberto Não Chega Energia no Disjuntor DJ4016 DJ4012Abrt FEnDDJ4012 Curto Circuito Bifásico no Cabo BZ-0148 e Falha da Proteção Curto Circuito Monofásico no Cabo BZ-0148 e Falha da Proteção Curto Circuito Trifásico no Cabo BZ-0148 e Falha da Proteção PORT 050 PORT 042 PORT 051 6 . que permite um desenvolvimento gráfico da árvore de falhas. determinamos o evento indesejável à ser estudado.3. A figura 2 à seguir mostra uma parte da árvore com os seus respectivos eventos de falha. construímos a mesma analisando à partir do evento topo todas as possibilidades de falha que levam à sua ocorrência. chamado de Evento Topo. monitorados.1.3. Desenho da Árvore com Eventos 7 .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 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 + PORT184 Falha do Rele de Bloqueio em Não Atuar (F-86) + FV52D4014P + PORT185 + FJTCD4014E + PORT186 + PORT187 Falha Mecânica na Trava do Disjuntor DJ-4014 (Não Abre) Falha Elétrica no Circuito de Desligamento DJ4014 Falha Intriseca do Rele 50/51 N em Não Atuar Erro Humano na Calibração Falha Intriseca do Rele de Bloqueio Falta de Tensão de Comando do Rele Bloqueio FI52D4014R FD52D4014R FI5ND4014R HC5ND4014H FI86D4014D FV86D4014P Figura 2 . é possível agrupar todos os eventos de falha conforme a sua classificação previamente determinada.1. como por exemplo. os dados adotados para os eventos em questão. 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. Para cada tipo de evento são associadas equações matemáticas que permitirão uma análise quantitativa da Árvore. Além disso. tornando-os mais representativos. Diante disso. que sejam representativos para o sistema que está sendo analisado. Desta forma.Equações Matemáticas e Dados de Entrada Uma vez concluída a construção da Árvore de Falhas.3. Na figura 3 temos um exemplo de equações adotadas para cada tipo de evento e na figura 4. temos dificuldade em saber qual a taxa de falha de determinado equipamento. Na maioria das vezes. que podem ou não refletir a nossa realidade. o Tempo de Reparo. simplesmente devido a inexistência dos dados. passa a ser fundamental que o grupo de trabalho faça uma análise crítica desses valores. passamos à adotar valores constantes em Bancos de Dados Internacionais. passamos a atribuir valores às variáveis das equações relativos à cada evento de falha. probabilidade de falha. a necessidade de um Banco de Dados de Confiabilidade mais específico e que represente da melhor maneira possível a realidade do seu próprio sistema. À partir desta fase. existem alguns dados que não constam de bancos internacionais. 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.4. . 8 . A qualidade do resultado final do estudo será função da qualidade dos dados adotados para cada um dos eventos. tempo de reparo. teste/teta) + lambda * tau λ = Lambda θ = Teta Figura 3 .Equações Matemáticas σ = Tau 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.Tabela de Dados e Referências 9 .0 --- Valores t .0 --1.exp.75 e-4 --1.5 0.8 e-7 7.Probabilidade: Valor = “prob” Monitorado: Valor = ‘(lambda * tau) / (1 + lambda * tau)’ Erro Humano: Valor = “prob” Testado: Valor = 1 .0 --1.0 2. 1991 Ref 6 = Histórico Rhodia Figura 4 . 1977 Ref 2 = IEEE std 500.(1/(lambda * teta)) * (1 . 1984 Ref 3 = Estimativa Rhodia Ref 4 = Rejmond.0 1.teste ------0.5 0 --0 --- θ ------26280 26280 4380 --4380 --- Prob --1 e-2 --------1 e-2 --1 e-2 Referência (2) (3) (2) (2) (2) (2) (3) (2) (3) Tabela de Referência Ref 1 = IEEE std 500.7 e-8 3.0 2. (-lambda * teta)) + (t .4 e-8 7. 1982 Ref 5 = Eneida. Vol 1.3 e-7 --1 e-7 --- σ 1. 97% 2. ou seja. levam a ocorrência do evento topo. Do mesmo modo. Desta forma é possível saber a contribuição de cada falha para a ocorrência do evento topo e determinar os cortes mínimos de 1ª ordem.710E-05 1. aqueles eventos que sozinhos. 47.Tabela Resultado Probabilidade dos Eventos Topo e Outros Probabilidade 3.0 e-2 2. .01 e-2 3.1.754E-06 1.262E-05 1.754E-06 1.66 e-4 1.75 e-5 1. bem como a dos demais eventos.67% 0.0 e-2 Figura 5 .Min Cut Set Upper Bound Eventos Ind Ba 14 A (Topo) B1-Z0150E FV52D4014P FJTCD4014E FI52D4014R FD52D4014R FI5ND4014R HC5ND4014H FI86D4014D FV86D4014P Probabilidade 6.Resultados dos Cálculos Após inclusão de todos os dados de entrada.27% 0. mostra a probabilidade dos evento e a figura 6 a dos cortes mínimos.74% 2.399 e-4 1. FTW .754E-05 1.754E-05 1.754E-06 Import.262E-05 5.49% 8.27 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 .22% 2.22% 8.900E-05 1.03 e-3 4.039E-04 5.91% 8.74% 2. o software calcula a probabilidade do Eventos Topo.Tabela Resultado Probabilidade dos Cortes Mínimos 10 .18 e-4 1.60 e-7 1. A figura 5.27% 0.59 e-3 1.700E-05 5. pode-se determinar a ordem de todos os cortes da árvore.5.3. 4 .Análise dos Resultados No estudo em questão foram identificados e quantificados 284 eventos de falha distribuídos conforme mostra na figura 7. c). distribuídas conforme mostrado na figura 8 (a. b. 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 Eventos Pr obabilidade Modo Com um Figura 7 -Classificação dos Eventos A indisponibilidade calculada para o seguimento de barra SEG 4216 foi de 5. 11 .6 horas / ano. 4% Falha CPFL 13.0% Figura 8 a .33% Erro Humano 0.63% Falha CPFL 0.Indisponibilidade SEG 4216 Curto Circuito 0.6% Operaç ã o 42.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 Erro Humano 49.8% I n di sp o n i bi l i da de SEG-4 2 1 6 M anutenção 50.3% Outros 0.3% 12 .Curto Circuito 25.6% M anute nç ão 57.4% Outro s 0.18% Figura 8 b .4% Outros 7.1% Outros 50.46% Fr equ ên ci a Ev en t o s SEG-4 2 1 6 Manutenção 0.3% Erro Humano 3. 4% I n di sp o n i bi l i da de .8% Out ros 7.0% Falha CPFL 13.1% Manutenção 57.3% Manutenção 50.8% Linha 66 KV 9. é possível separar e analisar quais são os tipos de eventos que o compõem.Cortes Mínimos .0% Outros 6.6% Operação 42.3% Erro Humano 3.3% Cabo B Z-01 52.Er r o H u m a n o SEG-4 2 1 6 Falha CPFL 13.0% Outros 0.Cu r t o Ci r cu i t o SEG-4 2 1 6 Curt o-Circuit o 25.Indisponibilidade devido Erro Humano Manutenção 50. I n di sp o n i bi l i da de .4% Figura 9 b.Indisponibilidade devido Curto Circuito 13 .Primeira Ordem Para cada um dos fatores que contribuem para a indisponibilidade total.8% 49 Cabo B z-01 31 48 .Figura 8 c .4% Curto-Circuito 25.4% Figura 9 a . As figuras 9 a e b mostram a decomposição do fator Erro Humano e Curto-Circuito respectivamente.9% Out ros 7.3% Erro Humano 3. Apesar disso. envolvendo política de testes e procedimentos nas intervenções de 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).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. Essas melhorias foram realizadas em etapas. uma série de ações foram realizadas à curto prazo. tem sido menor que a esperada. Preventiva e Corretiva do sistema. análise e solução de problemas. quais são os eventos de operação e manutenção que mais contribuem. principalmente aquelas relativas à procedimentos de manutenção e de operação do sistema. Implantação de melhorias nos Procedimentos de Operação e Manutenção. sendo possível detalhar por exemplo.1 . Como resultado dessas ações a indisponibilidade desse sistema. Alteração nas políticas de manutenção Preditiva. pois muitas delas exigiam investimentos financeiros que por uma decisão da empresa foram escalonados em alguns anos. Valorização do trabalho em grupo e utilização de técnicas estruturadas para identificação. foi elaborado um plano de melhoria para reduzir o valor de indisponibilidade calculada. 14 .Comparação entre Valores de Indisponibilidade Esperados e Reais de 1993 à 1996 Após a realização deste estudo em 1993. conforme mostrado na figura 10. 4.Este mesmo detalhamento pode ser feito para todos os demais fatores que contribuem para a indisponibilidade.2 . operação e projeto. 4. Um fato que chamou a atenção durante os trabalhos foi a quantidade de erros humanos identificados. 15 . a frequência com que estes eventos podem ocorrer é muito elevada. treinamentos mais adequados e interfaces homem-máquinas mais eficientes. É surpreendente como o grupo consegue encontrar soluções quando o mesmo passa a se utilizar destas ferramentas. Verificamos também a importância do trabalho em grupo e do uso de metodologias estruturadas para identificação e solução de problemas. apesar da indisponibilidade gerada em cada evento ser relativamente pequena (normalmente o tempo de reparo é rápido). Foi possível perceber a importância e a dificuldade na obtenção de dados de falha que fossem representativos para o sistema em questão. Em contra partida.I n di spon i bi li dade H or as SEG-4 2 1 6 20 15 10 5 0 93 94 Nº Horas 95 96 Figura 10 .SEG-4216 5 .Conclusão A aplicação da metodologia FTA nos permitiu analisar em detalhes o sistema elétrico estudado. apesar da existência de bancos de dados internacionais e específicos da empresa. Isso foi importante pois. a maioria destas falhas podem ser facilmente reduzidas ou eliminadas com a utilização de procedimentos. tanto em relação à operação quanto à manutenção (Figura 8b). identificando e quantificando as falhas possíveis e para cada uma delas.Indisponibilidade Horas . definindo ações que pudessem diminuir o probabilidade de ocorrência e minimizar as suas conseqüências. 1982 Eireida. Vol 1.Finalmente podemos concluir que o FTA é realmente uma ferramenta de grande utilidade no sentido de permitir com que as equipes de manutenção. 6 . October 1991 Apostila Curso de Confiabilidade Dados Históricos de Falhas e Tempo de Reparo de Equipamentos da UQP 16 . projeto e operação estejam mais preparadas para atingir os desafios atuais em relação à confiabilidade e a disponibilidade de sistemas e equipamentos.1977 IEEE Std 500.Referência Bibliografica Manual FTW IEEE Std 500 .1984 Rijmond.