UTILIZAÇÃO DA METODOLOGIA FTA PARA A GARANTIA DA CONFIABILIDADE EM PLANTAS DE METALURGIA
JOÃO LUIS REIS E SILVA (1)
resumo Este trabalho apresenta a utilização da metodologia FTA – Análise de Árvore de Falhas (Fault Tree Analysis) em plantas de metalurgia com o objetivo principal de construir um programa de confiabilidade para a redução de falhas em equipamentos e processos de sistemas altamente complexos. Após a utilização do FTA foi possível obter um conhecimento aprofundado do sistema e de sua confiabilidade, possibilitando assim, a tomada de decisões assertivas para a eliminação de falhas incipientes e potenciais, garantindo aumento da confiabilidade geral e incremento ao valor do negócio da empresa.
1.
INTRODUÇÃO À METODOLOGIA FTA
1.1.
Histórico
A utilização prática da teoria da confiabilidade surgiu primeiramente na indústria aeronáutica após a primeira guerra mundial. No início da década de 60 os laboratórios Bell desenvolveram o conceito de FTA para um projeto da força aérea americana. Pouco tempo depois a Boeing utilizava extensivamente a metodologia FTA para o estudo de eliminação de falhas do sistema de trem de pouso de aeronaves. Devido aos excelentes resultados obtidos pela Boeing a metodologia FTA foi rapidamente absorvida por outros segmentos industriais (automobilística, petroquímicas, nucleares, etc). Atualmente a metodologia FTA é reconhecida como uma das melhores ferramentas de abordagem sistêmica de falhas, sendo o seu uso amplamente utilizado para produtos complexos, tais como, aviões, alto-forno e automóveis, além de ser utilizada também para a abordagem sistêmica de problemas organizacionais das empresas.
(1)
Engenheiro Eletricista (UFMG), Especialista em Tecnologias para Manutenção em Sistemas Industriais (CEFET-MG), Engenheiro de Confiabilidade Sênior da Votorantim Metais, unidade Três Marias/MG.
1.2.
A Metodologia
FTA é uma ferramenta de análise de confiabilidade em que a técnica de análise de falhas pode ser do tipo qualitativa ou quantitativa. Na análise qualitativa, o objetivo reside na determinação das causas básicas que levaram um evento qualquer a falhar. Para a análise quantitativa, o objetivo é determinar a probabilidade de ocorrência de falhas para o evento estudado. Os itens abaixo apresentam as principais vantagens do uso de FTA: • • • • • • • •
Fácil visualização do problema possibilitando um conhecimento aprofundado do sistema e de sua confiabilidade; Excelente ferramenta para o conhecimento sistêmico de processos complexos; Permite a determinação de falhas de difícil detecção; Identifica itens que necessitam ter um alto nível de confiabilidade; Possibilita uma análise qualitativa ou quantitativa visando a confiabilidade de um sistema; Possibilita introduzir reduções de custo no equipamento ou produto sem prejudicar o atual desempenho; Possibilita formular planos de manutenção centrados em confiabilidade; Permite identificar procedimentos de manutenção com o enfoque de diminuir a probabilidade de quebra.
Figura I – Base de construção de um FTA.
A base da estrutura de um FTA reside na definição de um evento topo (falha funcional de um item específico). O evento topo é interligado às falhas básicas, isto é, conjunto de falhas que originam a falha do evento topo (figura I). Os elementos utilizados para a construção de um FTA são classificados como: elementos que classificam (simbologia dos eventos) e conectam (portas lógicas). A figura II apresenta os principais símbolos utilizados para caracterizar os eventos, seguido de seus respectivos significados.
Figura II – Principais simbologias de eventos.
As principais portas lógicas que conectam e estabelecem a lógica Booleana (lógica binária), entre os eventos da árvore de falha, são simbolizadas conforme a figura abaixo.
Figura III – Simbologia de portas lógicas.
A figura IV ilustra o funcionamento das portas lógicas “E” e “OU” quando submetidas aos eventos-falha A e B. A porta “E” é utilizada quando o evento topo C ocorre devido às falhas simultâneas dos eventos A e B. A porta “OU” é utilizada quando o evento topo C ocorre devido à falha de A ou de B, simultaneamente ou não.
Figura IV – Exemplos de utilização das portas “E” e “OU”.
1.3.
Construção da Árvore de Falha
A figura abaixo exemplifica uma aplicação de FTA para a análise de falha (explosão) num depósito de combustível. A porta “OU” conecta duas possibilidades de falhas (simultâneas ou não) que originam a fonte de ignição, se esta fonte de ignição estiver em contato com um vazamento de combustível (falhas simultâneas), ocorre então a explosão (falha no evento topo) do depósito.
Figura V – Exemplo de árvore de falha.
2.
UTILIZAÇÃO DE FTA EM PLANTAS DE METALURGIA
2.1.
Introdução
O FTA foi uma ferramenta amplamente utilizada para toda a planta de metalurgia de zinco da Votorantim Metais, unidade Três Marias/MG. O motivo desta utilização deve-se a necessidade inicial de se conhecer, de forma sistêmica, uma árvore de falhas para os equipamentos do setor, e desta forma, conhecer quais os equipamentos são de maior importância para a produção, e conseqüentemente, a representatividade financeira das falhas destes equipamentos para o negócio zinco. A tabela abaixo mostra os índices de aplicação desta ferramenta. No final do ano de 2003, 73% de todo o processo metalúrgico havia sido implementado com o FTA. A partir da análise do FTA observou-se que 83% dos equipamentos são vitais para a produção e que uma indisponibilidade, i.e, não disponibilidade dos mesmos, afeta diretamente o processo produtivo. Devido a esta particularidade do setor metalúrgico ficou evidenciado a importância de se criar um programa de confiabilidade para o setor.
Área
% Realização Número de Equipamentos Equipamentos FTA Equipamentos Porta (OU) Porta (E)
Eletrólise
100%
44
82%
18%
Fundição
20%
26
100%
0%
Óxido de Zinco
100%
62
66%
34%
Total
73%
132
83%
17%
Tabela I – Dados sobre a utilização do FTA em 2003.
2.2.
Índices e Custos em 2002
O primeiro passo para as ações de melhoria da confiabilidade foi identificar o percentual de não disponibilidade dos principais equipamentos do processo de produção de zinco que foram evidenciados pela análise dos FTA’s elaborados. A Figura VI apresenta os índices de não disponibilidade para os seis mais representativos equipamentos/sistemas da metalurgia.
Figura VI – Não disponibilidade dos principais equipamentos em 2002.
Posteriormente foi calculada a perda financeira em 2002, devido a não disponibilidade dos equipamentos/sistemas (Figura VII).
Figura VII – Custo da não disponibilidade em 2002.
2.3.
O Programa de Confiabilidade (Matriz de Confiabilidade)
Devido ao grande impacto econômico da não disponibilidade nos equipamentos, conforme visto pela figura VII, foi elaborado no início de 2003 uma matriz de ações de confiabilidade para todos os equipamentos da planta de metalurgia. Esta matriz tem como principal objetivo propor ações de melhorias na manutenção para se obter um aumento da disponibilidade dos equipamentos e, conseqüentemente, redução de custos devido à indisponibilidade dos mesmos. A tabela abaixo ilustra um exemplo de aplicação desta matriz para os equipamentos referenciados na figura VI.
Ferramentas de Confiabilidade Aplicada
Ações Propostas
Equipamento FTA
RCM
Planos de Manutenção
Reprojetos
Máquina de Estripar 01
Sim
Não
Sim
Sim
Máquina de Estripar 02
Sim
Não
Sim
Sim
Máquina de Escovar
Sim
Sim
Sim
Não
Bateria ZnO 01
Sim
Não
Sim
Não
Bateria ZnO 02
Sim
Não
Sim
Não
Bateria ZnO 03
Sim
Não
Sim
Não
Tabela II – Exemplo de aplicação da matriz de confiabilidade.
As principais ações advindas desta matriz residiram na elaboração de planos de manutenção e alguns reprojetos para determinados componentes críticos dos equipamentos. O FTA foi uma ferramenta essencial em todo o processo, principalmente na identificação de falhas fundamentais. As ações da matriz foram implementadas e acompanhadas durante todo o ano de 2003. A lista abaixo ilustra alguns dos principais ganhos na manutenção obtido pela experiência de trabalho com a matriz: • •
Aumento do conhecimento das equipes de manutenção sobre a criticidade dos equipamentos e de suas falhas; Melhoria na elaboração dos planos de manutenção (foco confiabilidade);
• •
2.4.
Acompanhamento rotineiro dos índices de disponibilidade dos equipamentos de maneira a se construir um sólido banco de dados; Evidência da importância do FTA para a análise de falhas sistêmicas e localizadas em equipamentos e sistemas.
Resultados Obtidos em 2003
Durante todo o ano de 2003 foi possível verificar os ganhos crescentes em disponibilidade para os equipamentos, refletindo diretamente em ganhos para a produção. A figura a seguir ilustra um exemplo de aumento progressivo do MTBF (tempo médio entre falhas) para a linha de produção de Óxido de Zinco (Bateria II).
Figura VIII – MTBF (h) acumulado para a linha de ZnO da Bateria II (2003).
As figuras IX e X retratam a melhoria nos índices de não disponibilidade percentual para os equipamentos e também o custo para esta não disponibilidade em 2003. Pela análise destas figuras observam-se os principais ganhos entre 2002 e 2003: • •
Redução de 47% do índice de não disponibilidade geral; Ganho de 5,25 milhões de reais no ano de 2003 através da redução de 15% no custo global devido à redução da não disponibilidade.
Figura IX – Não disponibilidade dos principais equipamentos em 2003.
Figura X – Custo da não disponibilidade em 2003.
A tabela III apresenta, em detalhes, os ganhos obtidos entre 2002 e 2003.
Índice de Não Disponibilidade (%)
Custo da Não Disponibilidade (kR$)
Equipamento 2002
2003
2002
2003
Máquina de Estripar 01
8,15
4,45
11.138
7.472
Máquina de Estripar 02
7,76
5,83
10.600
9.779
Máquina de Escovar
3,97
3,34
10.859
11.196
Bateria ZnO 01
3,94
0,95
779
230
Bateria ZnO 02
3,69
0,58
388
75
Bateria ZnO 03
2,16
0,56
342
107
Total
4,95
2,62
34.106
28.859
Tabela III – Ganhos entre os anos de 2002 e 2003.
3.
CONCLUSÃO
Foi evidenciado neste trabalho o poder e a versatilidade do emprego da metodologia FTA na condução e no estabelecimento de um programa sólido de confiabilidade para a planta de metalurgia da Votorantim Metais, unidade Três Marias/MG. O grande mérito desta ferramenta residiu na simplicidade de aplicação da análise de falhas para sistemas complexos de manutenção. Todo o trabalho do FTA resultou, além do aprendizado e crescimento das equipes, no estabelecimento de planos de manutenção sistematizados e propostas de reprojetos para os componentes críticos dos equipamentos. Este resultado foi fundamental para a obtenção dos ganhos em disponibilidade e, principalmente, no ganho de 5,25 milhões de reais em custos (produção e manutenção) devido à redução de 47% dos índices de não disponibilidade dos equipamentos. Em 2003 o cenário econômico sofreu variações, que apesar de benéficas para a produção do zinco, poderiam ter um impacto negativo para os custos caso os índices de disponibilidade permanecessem iguais aos praticados em 2002. As alterações de cenário foram as seguintes: • •
Aumento de 5,5% na cotação do dólar médio de 2003, referente ao ano de 2002; Aumento de 6,3% em 2003 no preço da tonelada de zinco pela LME (London Metal Exchange).
Atualmente o emprego do FTA na manutenção da metalurgia está cada vez mais abrangente e consolidado, tendo como principal objetivo, o conhecimento das falhas nos equipamentos e sistemas, assim como a sistematização das ações corretivas para estas falhas.
4.
BIBLIOGRAFIA [1]
EBELING, C. E. An Introduction to Reliability and Maintainability Engineering. McGraw-Hill Book Co, Singapore, 1997.
[2]
LAFRAIA, J. R. B. Manual de Confiabilidade, Mantenabilidade e Disponibilidade. Qualitymark: Petrobras, Rio de Janeiro, 2001.
[3]
NUREG-0492. Fault Tree Handbook. U.S. Nuclear Regulatory Commission. USA.
[4]
SCAPIN, C. A. Análise Sistêmica de Falhas. Editora Desenvolvimento Gerencial, Belo Horizonte, Brasil, 1999.
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