Análise de Confiabilidade em Circuitos Elétricos Industriais da Rhodia utilizando a Metodologia de Árvore de Falhas (FTA)

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1 Análise de Cnfiabilidade em Circuits Elétrics Industriais da Rhdia utilizand a Metdlgia de Árvre de Falhas (FTA) Jefersn Fleury Haach (*) Resum O bjetiv deste trabalh é apresentar um exempl real de aplicaçã da metdlgia FTA, cm uma das ferramentas capazes de atender as nvas exigências em relaçã à Cnfiabilidade e Dispnibilidade ds sistemas industriais. Definirems alguns cnceits básics de cnfiabilidade e algumas terminlgias usadas na FTA, descrevend as principais etapas d prcess, s resultads, a interpretaçã e a análise ds mesms. Pr fim, apresentarems uma cmparaçã entre s resultads esperads (calculads) e valres reais btids n períd de 1993 à À partir de 1997 sistema fi mdificad, incrprand as melhrias identificadas neste estud. (*) Engenheir Eletricista frmad pel Universidade de Sã Paul, cm especializaçã em Qualidade Industrial e Gestã de Empresas pela Unicamp. Trabalha na Rhdia Cnjunt Químic de Paulínia (SP) desde Fi respnsável pel Departament de Manutençã Elétrica ( 94 à 97 ), nde participu cm multiplicadr ds seguintes prgramas: Qualidade Ttal Prcess Rhdia de Excelência ( PRHOEX ), I.F.P - Plivalência Operacinal ( Manutençã-Prduçã ) RCM - Manutençã Centrada em Cnfiabilidade. Desde 1997, atua cm Crdenadr de Engenharia da Rhdia Atividade Orgânica Fina América Latina, respnsável pelas áreas de manutençã e prjets ns sites de Paulínia e Sant André. É membr d Cmitê Técnic ( SP ) e d Cnselh Deliberativ da Abraman. jefersn.haach@br.rhdia.cm u jfhaach@ul.cm.br Trabalh apresentad n 5. Cngress de Gestã e Técnicas na Manutençã, 11 e 12 de junh de 2001, Bel Hriznte, realizaçã TECÉM-Tecnlgia Empresarial Ltda 1

2 1 - Intrduçã Tems bservad nas últimas duas décadas uma evluçã bastante significativa ns cnceits de manutençã. Ist se deve a fat de que as instalações e s equipaments estã se trnand cada vez mais cmplexs. Além diss, há uma busca cnstante para que s mesms tenham uma perfrmance elevada, principalmente cm relaçã à Cnfiabilidade e a Dispnibilidade. Outr fatr imprtante, é a mair cnscientizaçã d setr industrial cm as cnsequências adversas que uma falha de equipament u instalaçã pde trazer cm relaçã à Segurança, Mei Ambiente e a Qualidade d Prdut, além ds Custs envlvids direta u indiretamente. Tdas essas mudanças tem impulsinad uma série de alterações n md de pensar e agir ds gerentes de manutençã, n sentid de desenvlver nvs métds de trabalh, que permitam cnstruir equipaments e instalações mais cnfiáveis e perfrmantes. É neste cntext que tem se desenvlvid a utilizaçã de várias metdlgias para cálcul da Cnfiabilidade e da Dispnibilidade. Entre elas, a Análise pr Árvre de Falhas (FTA - Fault Tree Analysis). 2 - Metdlgia - Árvre das Falhas É um prcess lógic dedutiv utilizad para analisar events indesejads, de frma qualitativa e quantitativa, buscand-se as causas pssíveis que levem à crrência d event em questã. Esta técnica pde ser aplicada à equipaments u sistemas, tant na fase de prjet cm de peraçã, identificand de maneira estruturada s pnts frágeis ds mesms. Além diss, pde-se analisar diverss tips de falhas, tais cm: errs humans, falhas intrínsecas e de md cmum Terminlgias e Cnceits Para que esta técnica pssa ser aplicada cm eficiência, algumas terminlgias e cnceits devem estar perfeitamente entendids. 2

3 N exempl que descrevems à seguir fram adtadas as seguintes definições: Cnceits de Cnfiabilidade a) Cnfiabilidade Prbabilidade de um sistema, equipament u cmpnente cumprir sua missã cm sucess, pr um períd e cndições especificas. b) Indispnibilidade Prbabilidade de um sistema, equipament u cmpnente falhar n mment em que fr slicitad. c) Falha Cndiçã em que determinad equipament u sistema nã cnsegue cumprir a missã para qual fi designad. d) Taxa de Falha Quantidade de falhas num períd de temp u cicls determinads. e) Temp Médi de Repar Temp necessári para reestabelecer a funçã de determinad equipament Terminlgia na Árvre das Falhas Event Tp Event de falha indesejável, bjet de estud. Event Básic Event de falha que pssui uma taxa de falha u uma prbabilidade. Crte Cnjunt de events básics que prvcam event tp. Crte Mínim Quantidade mínima de events básics que prvcam event tp. Crte Primeira Ordem Quand apenas um únic event básic prvca a crrência d event tp. 3

4 Classificaçã ds Events Mnitrads Testads Md Cmum Errs Humans Prbabilidade 3 - Desenvlviment d Estud: Análise de um Sistema Elétric da Rhdia Os principais bjetivs da realizaçã deste estud fram: Análise qualitativa e quantitativa ds events de falha. Determinaçã da indispnibilidade média esperada d sistema n períd de um an. Análise e determinaçã de plíticas de manutençã mais eficientes, n sentid de trnar sistema mais cnfiável Etapas d Estud Frmaçã de Equipe de Trabalh A equipe fi cmpsta pr técnics da área de peraçã, prjets e de manutençã e um especialista em cnfiabilidade. Tds s membrs d grup passaram pr uma frmaçã básica em cnfiabilidade e da técnica FTA Definiçã d Sistema Esta é uma etapa fundamental para sucess d trabalh, pis s limites e as frnteiras tem que estar perfeitamente definidas e em cnfrmidade cm bjetiv d estud. Send assim, em funçã de nss bjetiv e da cmplexidade d sistema elétric em questã fi decidid calcular a indispnibilidade de um circuit elétric que frnece energia para quatr unidades de fabricaçã. 4

5 A análise cnsideru as falhas prvenientes desde à cncessinária de energia (CPFL) até s disjuntres primáris que alimentam cada uma das quatr unidades, além da interface entre utrs rams d sistema elétric que se fizeram necessári. O esquema unifilar da figura 1 mstra ramal analisad e sua interface cm restante d sistema. CH1010 CPFL CH KV - 60 Hz DJ1010 CH1012 DJ1012 CH1016 SUBESTAÇÃO SUL SEG 1010 CH1018 DJ1014 TR /18.75 MVA KV CH1020 TR /15 MVA 138/69 KV DJ2012 CH1022 TR /15 MVA 138/69 KV DJ KV Cab BZ0149 SEG 4010 CH2012 CH2014 DJ2010 CH2020 CH2010 CH2022 SEG 2010 SEG 4210 SEG 4214 Cab BZ0148 CTS SEG 4216 SUBESTAÇÃO NORTE SEG 2011 CH2011 DJ KV CH2015 DJ2015 CH2017 CH2013 DJ2013 FENOL C A S A M Á Q APOA BISFENOL INEQ/SALAL / PTBF TR2011 5/0.25 MVA 66/3.8 KV TR2015 5/0.25 MVA 66/3.8 KV Figura 1 - Diagrama Unifilar d Estud TR2013 5/0.25 MVA 66/3.8 KV 5

6 Cnstruçã da Árvre das Falhas Cm sistema e suas interfaces definidas, determinams event indesejável à ser estudad, chamad de Event Tp. Através da utilizaçã d sftware FTW, que permite um desenvlviment gráfic da árvre de falhas, cnstruíms a mesma analisand à partir d event tp tdas as pssibilidades de falha que levam à sua crrência. Cada um desses events pssui uma descriçã e um códig que permite fazer uma classificaçã ds mesms de acrd cm tip de falha em questã. (err human, mnitrads, testads, prbabilidade e falha md cmum). A figura 2 à seguir mstra uma parte da árvre cm s seus respectivs events de falha. EVENTO TOPO Indispnibilidade de Energia na Barrra B4216 IndBa14A Nã Chega Energia na Barra B4216 FEnB14A Curt Circuit na Barra B4216 cm Sucess da Prteçã PORT055 Curt Circuit na Barra B4216 cm Falha Sistema de Prteçã CuB14AFPr Disjuntr DJ4016 esta Abert Nã Chega Energia n Cab Bz0148 FEnB14A Nã Chega Energia n Disjuntr DJ4016 Curt Circuit Cab / Cnexões BZ-0148 e Falha da Prteçã CCCaBZ148 Curt Circuit Mnfásic na Barra B4216 C1 B4216E Curt Circuit Bifásic na Barra B4216 C2 B4216E Curt Circuit Trifásic na Barra B4216 C3 B4216E DJ4012Abrt FEnDDJ4012 Curt Circuit Bifásic n Cab BZ-0148 e Falha da Prteçã Curt Circuit Mnfásic n Cab BZ-0148 e Falha da Prteçã Curt Circuit Trifásic n Cab BZ-0148 e Falha da Prteçã PORT 050 PORT 042 PORT 051 6

7 Curt Circuit Mnfásic n Cab BZ-0150 e Falha da Prteçã PORT183 Curt Circuit Mnfásic n Cab BZ0150 B1 Z0150E Falha d Sistema de Prteçã de Terra d Disjuntr DJ4014 PORT184 Falta de Tensã de Cmand para Prteçã Falha d Disjuntr DJ em Abrir Falha n Circuit de Crrente (TC) Falha d Rele de Prteçã de Terra F 50/51 N Falha d Rele de Blquei em Nã Atuar (F-86) FV52D4014P PORT185 FJTCD4014E PORT186 PORT187 Falha Mecânica na Trava d Disjuntr DJ-4014 (Nã Abre) Falha Elétrica n Circuit de Desligament DJ Falha Intriseca d Rele 50/51 N em Nã Atuar Err Human na Calibraçã Falha Intriseca d Rele de Blquei Falta de Tensã de Cmand d Rele Blquei FI52D4014R FD52D4014R FI5ND4014R HC5ND4014H FI86D4014D FV86D4014P Figura 2 - Desenh da Árvre cm Events 7

8 Equações Matemáticas e Dads de Entrada Uma vez cncluída a cnstruçã da Árvre de Falhas, é pssível agrupar tds s events de falha cnfrme a sua classificaçã previamente determinada. Para cada tip de event sã assciadas equações matemáticas que permitirã uma análise quantitativa da Árvre. À partir desta fase, passams a atribuir valres às variáveis das equações relativs à cada event de falha. É exatamente nesta etapa d trabalh que fica evidenciad a imprtância e as dificuldades na btençã de dads de cnfiabilidade tais cm: taxa de falha, temp de repar, prbabilidade de falha, que sejam representativs para sistema que está send analisad. Na mairia das vezes, tems dificuldade em saber qual a taxa de falha de determinad equipament, simplesmente devid a inexistência ds dads. Diante diss, passams à adtar valres cnstantes em Bancs de Dads Internacinais, que pdem u nã refletir a nssa realidade. Desta frma, passa a ser fundamental que grup de trabalh faça uma análise crítica desses valres, trnand-s mais representativs. Além diss, existem alguns dads que nã cnstam de bancs internacinais, cm pr exempl, Temp de Repar. Neste cas grup de estud deve ter cndições de estimar esse valr cm base na experiência e na realidade da instalaçã. Fica evidente prtant, a necessidade de um Banc de Dads de Cnfiabilidade mais específic e que represente da melhr maneira pssível a realidade d seu própri sistema. A qualidade d resultad final d estud será funçã da qualidade ds dads adtads para cada um ds events. Na figura 3 tems um exempl de equações adtadas para cada tip de event e na figura 4, s dads adtads para s events em questã. 8

9 Prbabilidade: Valr = prb Mnitrad: Valr = (lambda * tau) / (1 lambda * tau) Err Human: Valr = prb Testad: Valr = 1 - (1/(lambda * teta)) * (1 - exp. (-lambda * teta)) (t - teste/teta) lambda * tau λ = Lambda θ = Teta σ = Tau Figura 3 - Equações Matemáticas (2) Nme Event Valres λ σ t - teste θ Prb Referência B1-Z0150 E 1.75 e -4 FV 52D4014 P e -2 (3) FJ TC D4014 E 1.8 e (2) FI 52 D4014 R 7.7 e (2) FD 52 D4014 R 3.4 e (2) FI 5N D4014 R 7.3 e (2) HC 5N D4014 H e -2 (3) FI 86 D4014 D 1 e (2) FV 86 D4014 P e -2 (3) Tabela de Referência Ref 1 = IEEE std 500, 1977 Ref 4 = Rejmnd, 1982 Ref 2 = IEEE std 500, 1984 Ref 5 = Eneida, Vl 1, 1991 Ref 3 = Estimativa Rhdia Ref 6 = Históric Rhdia Figura 4 - Tabela de Dads e Referências 9

10 Resultads ds Cálculs Após inclusã de tds s dads de entrada, sftware calcula a prbabilidade d Events Tp, bem cm a ds demais events. Desta frma é pssível saber a cntribuiçã de cada falha para a crrência d event tp e determinar s crtes mínims de 1ª rdem, u seja, aqueles events que szinhs, levam a crrência d event tp. D mesm md, pde-se determinar a rdem de tds s crtes da árvre. A figura 5, mstra a prbabilidade ds event e a figura 6 a ds crtes mínims. FTW - Min Cut Set Upper Bund Events Prbabilidade Ind Ba 14 A (Tp) 6,399 e -4 B1-Z0150E 1,75 e -5 FV52D4014P 1,01 e -2 FJTCD4014E 3,60 e -7 FI52D4014R 1,03 e -3 FD52D4014R 4,66 e -4 FI5ND4014R 1,59 e -3 HC5ND4014H 1,0 e -2 FI86D4014D 2,18 e -4 FV86D4014P 1,0 e -2 Figura 5 - Tabela Resultad Prbabilidade ds Events Tp e Outrs Prbabilidade Imprt. Ord Crte 3.039E % 1 I2 T1014M 5.700E % 1 FGL12CPFLE 5.262E % 1 C1 Z0149E 5.262E % 1 CC Z0148E 1.900E % 1 IE52D4016M 1.754E % 1 C2 Z0149E 1.754E % 1 C3 Z0149E 1.710E % 1 NEL1 CPFLE 1.754E % 2 B1 Z0148E FV52D4016P 1.754E % 2 B1 Z0148E FV86D4016P 1.754E B2 Z0148E FV52D4016P Figura 6 - Tabela Resultad Prbabilidade ds Crtes Mínims 10

11 4 - Análise ds Resultads N estud em questã fram identificads e quantificads 284 events de falha distribuíds cnfrme mstra na figura Classificaçã Even t s T t al ds Even t s = Mnit r ads Test ads Er r Hum an Pr babilidade Md Cm um Events Figura 7 -Classificaçã ds Events A indispnibilidade calculada para seguiment de barra SEG 4216 fi de 5.6 hras / an, distribuídas cnfrme mstrad na figura 8 (a, b, c). 11

12 Curt Circuit 25,8% I ndi spnibil i dade SEG Manutençã 50,4% Falha CPFL 13,4% Outrs 7,3% Err Human 3,0% Figura 8 a - Indispnibilidade SEG 4216 Curt Circuit 0,46% Fr equênci a Even t s SEG Manutençã 0,33% Err Human 0,63% Falha CPFL 0,3% Outrs 0,18% Figura 8 b - Frequência Event Indispnibilidade SEG 4216 Cr t es M ín im s Pr im ei r a Or dem Outrs 50,6% Err Human 49,4% Outrs 0,6% Operaçã 42,1% Manutençã 57,3% 12

13 Figura 8 c - Crtes Mínims - Primeira Ordem Para cada um ds fatres que cntribuem para a indispnibilidade ttal, é pssível separar e analisar quais sã s tips de events que cmpõem. As figuras 9 a e b mstram a decmpsiçã d fatr Err Human e Curt-Circuit respectivamente. I ndi spnibil i dade - Er r Hum an SEG Curt-Circuit 25,8% Falha CPFL 13,4% Outrs 7,3% Err Human 3,0% Outrs 0,6% Operaçã 42,1% Manutençã 57,3% Manutençã 50,4% Figura 9 a - Indispnibilidade devid Err Human Manutençã 50,4% I ndi spnibil idade - Cu r t Ci r cu it SEG Curt-Circuit 25,8% Linha 66 KV 9,0% Outrs 6,3% Cab BZ ,8% Cab Bz ,9% Outrs 7,3% Falha CPFL 13,4% Err Human 3,0% Figura 9 b- Indispnibilidade devid Curt Circuit 13

14 Este mesm detalhament pde ser feit para tds s demais fatres que cntribuem para a indispnibilidade, send pssível detalhar pr exempl, quais sã s events de peraçã e manutençã que mais cntribuem Prdut d Estud A análise detalhada deste estud permitiu ganhs imprtantes tais cm: Equalizaçã ds cnheciments técnics à respeit d sistema elétric analisad para a equipe de manutençã, peraçã e prjet. Implantaçã de melhrias ns Prcediments de Operaçã e Manutençã. Mdificaçã n lay-ut de váris equipaments, desde chaves de cmand em painéis de cntrle até alterações em equipaments e instalações à nível de subestaçã (Prjet Paralelism). Alteraçã nas plíticas de manutençã Preditiva, Preventiva e Crretiva d sistema, envlvend plítica de testes e prcediments nas intervenções de manutençã. Valrizaçã d trabalh em grup e utilizaçã de técnicas estruturadas para identificaçã, análise e sluçã de prblemas Cmparaçã entre Valres de Indispnibilidade Esperads e Reais de 1993 à 1996 Após a realizaçã deste estud em 1993, fi elabrad um plan de melhria para reduzir valr de indispnibilidade calculada. Essas melhrias fram realizadas em etapas, pis muitas delas exigiam investiments financeirs que pr uma decisã da empresa fram escalnads em alguns ans. Apesar diss, uma série de ações fram realizadas à curt praz, principalmente aquelas relativas à prcediments de manutençã e de peraçã d sistema. Cm resultad dessas ações a indispnibilidade desse sistema, tem sid menr que a esperada, cnfrme mstrad na figura

15 20 I n dispn ibilidade Hr as SEG Nº Hras Figura 10 - Indispnibilidade Hras - SEG Cnclusã A aplicaçã da metdlgia FTA ns permitiu analisar em detalhes sistema elétric estudad, identificand e quantificand as falhas pssíveis e para cada uma delas, definind ações que pudessem diminuir prbabilidade de crrência e minimizar as suas cnseqüências. Fi pssível perceber a imprtância e a dificuldade na btençã de dads de falha que fssem representativs para sistema em questã, apesar da existência de bancs de dads internacinais e específics da empresa. Um fat que chamu a atençã durante s trabalhs fi a quantidade de errs humans identificads, tant em relaçã à peraçã quant à manutençã (Figura 8b). Iss fi imprtante pis, apesar da indispnibilidade gerada em cada event ser relativamente pequena (nrmalmente temp de repar é rápid), a frequência cm que estes events pdem crrer é muit elevada. Em cntra partida, a mairia destas falhas pdem ser facilmente reduzidas u eliminadas cm a utilizaçã de prcediments, treinaments mais adequads e interfaces hmem-máquinas mais eficientes. Verificams também a imprtância d trabalh em grup e d us de metdlgias estruturadas para identificaçã e sluçã de prblemas. É surpreendente cm grup cnsegue encntrar sluções quand mesm passa a se utilizar destas ferramentas. 15

16 Finalmente pdems cncluir que FTA é realmente uma ferramenta de grande utilidade n sentid de permitir cm que as equipes de manutençã, prjet e peraçã estejam mais preparadas para atingir s desafis atuais em relaçã à cnfiabilidade e a dispnibilidade de sistemas e equipaments. 6 - Referência Bibligrafica Manual FTW IEEE Std IEEE Std Rijmnd, 1982 Eireida, Vl 1, Octber 1991 Apstila Curs de Cnfiabilidade Dads Histórics de Falhas e Temp de Repar de Equipaments da UQP 16