Análise sistêmica de falhas

De Carlos Alberto Scapin

No mundo moderno é preciso distinguir/reconhecer as boas e corretas decisões. Para tanto, é necessário identificar e avaliar criteriosamente as informações pertinentes à decisão, que envolvem aspectos alusivos à confiabilidade e à segurança de operação de um sistema.Dessa forma, utiliza-se a abordagem analítica, que pode ser classificada como intuitiva ou dedutiva. A intuitiva é efetuada com o auxílio de ferramentas, como FMECA (Failure Mode Effect and Criticality Analysis), e a dedutiva requer o uso da FTA (Fault Tree Analysis) - a melhor ferramenta de análise sistêmica dedutiva, focada em um evento particular de interesse.Este livro se propõe a apresentar métodos, técnicas e considerações aplicáveis para se construir e analisar uma FTA, utilizando teoria de conjunto, álgebra booleana e teoria da probabilidade na análise quantitativa.

• Idioma: Português
• Editora: Falconi Editora
• Data de lançamento: 1 de fev. de 2013
• ISBN: 9788598254906

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Ficha Catalográfica

S284a

Scapin, Carlos Alberto

     Análise sistêmica de falhas / Carlos Alberto Scapin. — 2. ed. — Nova Lima: Editora FALCONI, 2013.

     ISBN: 978-85-98254-62-3

     1. Engenharia — Confiabilidade. 2. Engenharia de Sistemas. 3. Engenharia — Localização de falhas. 4. FTA

CDD: 620.00452

Capa: África São Paulo Publicidade Ltda.

Editoração eletrônica: Editora FALCONI

Revisão do texto: Dila Bragança de Mendonça

Produção do e-book: Schäffer Editorial

Copyright © 2013 by CARLOS ALBERTO SCAPIN

Direitos comerciais desta edição: Editora FALCONI

Agradecimentos

Agradeço aos engenheiros que colaboraram comigo na elaboração deste livro e o apoio dado pelo Prof. Don Clausing do Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Agradeço ainda às seguintes empresas que me possibilitaram a oportunidade de aplicação da técnica da FTA até a presente data.

— TAM (Planejamento; Lean Manufacturing)

- MRO (S. Carlos)

— FORÇA AÉREA BRASILEIRA (Confiabilidade)

- PAMA (Rio de Janeiro)

— EMBRAER (Desenvolvimento de novos produtos)

- S. José dos Campos

— GERDAU / BRASIL (Confiabilidade; Análise de risco)

- Aços Finos (Porto Alegre)

- Usiba (Salvador)

- Cosigua (Rio de Janeiro)

- Aço Minas (Ouro Branco)

— GERDAU AMERISTEEL (Implantação do sistema integrado de gestão da manutenção)

USA:

- Perth Amboy

- Sayreville

- Saint Paul

Canadá:

- Whitby

- Cambridge

- Winnipeg

— CST (Arcelor Mittal) (Confiabilidade, análise de risco)

- Vitória

— TREFILAIRBED (Arcelor Mittal) (Implantação do sistema integrado de gestão da manutenção; análise de risco)

- USA - Pine Bluff, Arkansas

— CSN (Confiabilidade)

- Volta Redonda

— VALE (Confiabilidade; planejamento de manutenção; análise de risco)

- 10 Usinas de pelotização (Espírito Santo, Minas Gerais, Maranhão)

— VALE LOGÍSTICA (Implantação do sistema integrado de manutenção)

- Malha ferroviária/Oficinas/Engenharia (São Paulo, Minas Gerais, Bahia, Espírito Santo)

— VALE - DOCENAVE (Implantação do sistema integrado de manutenção)

- Gestão da frota (Rio de Janeiro/Navios)

— U&M (Implantação do sistema integrado de manutenção)

- Juiz de Fora

— MERCEDES-BENZ DO BRASIL (Confiabilidade; Kaizen; TPM)

- São Bernardo do Campo

— VOLKSWAGEN DO BRASIL (Controle de processo; confiabilidade)

- São Bernardo do Campo, Taubaté

— MULTIBRÁS (WHIRPOOL) (Desenvolvimento de produtos; confiabilidade; Concept to Client New Products Test Procedures)

- Joinville, Rio Claro, São Paulo, São Bernardo do Campo, Manaus

— SADIA (Desenvolvimento de novos produtos; confiabilidade; sistema integrado de gestão da manutenção)

- São Paulo

- Chapecó

- CD/Jundiaí

— AMBEV (Confiabilidade)

- Rio de Janeiro

— AMBEV (Sistema integrado de gestão da manutenção)

- São Paulo

O Autor

Sumário

1 Confiabilidade e FTA

1.1 Introdução

1.2 O que é confiabilidade

1.3 Fundamentos de confiabilidade

2 Fundamentos da engenharia de sistemas

2.1 Introdução

2.2 Ambiente atual

2.3 Fundamentos de sistemas

2.4 A lógica da arquitetura de um produto

2.4.1 Ambiente da engenharia de sistemas

2.4.2 Pensamento sistêmico

2.5 Abordagem baseada em engenharia de sistemas

2.5.1 Princípios de modelagem

2.5.2 Arquitetura hierárquica representada por um diagrama de blocos

2.5.3 Diagrama funcional do sistema

2.5.4 Definição do escopo da modelagem

2.5.5 Custos

2.6 Predição da confiabilidade

3 Fundamentos de probabilidade e estatística

3.1 Introdução

3.2 Falhas do ponto de vista estatístico

3.3 Modelos estatísticos para as falhas

3.4 Teoria estatística e confiabilidade

3.5 Taxa condicional de falha

3.5.1 Falhas casuais

3.5.2 Falhas por desgaste

3.5.3 Falhas precoces

3.6 Curvas de vida

3.7 Distribuição de probabilidade em confiabilidade

3.7.1 Introdução

3.7.2 Distribuição exponencial negativa

3.7.3 Distribuição normal

3.8 Distribuição de Weibull

3.9 Fundamentos de probabilidades

3.9.1 Teoria de conjunto

3.9.2 Definições

3.9.3 Operações com eventos

3.9.4 Formação de conjuntos

3.9.5 Leis básicas de conjuntos

3.9.5.1 Lei de identidade

3.9.5.2 Lei da complementaridade

3.9.5.3 Lei cumulativa

3.9.5.4 Lei associativa

3.9.5.5 Lei distributiva

3.9.5.6 Lei de absorção

3.10 Axiomas da probabilidade

3.10.1 Axioma 1

3.10.2 Axioma 2

3.10.3 Axioma 3

3.11 Teoremas da probabilidade

3.11.1 Teorema 1

3.11.2 Teorema 2

3.11.3 Teorema 3

3.11.4 Teorema 4

3.11.5 Teorema 5

3.11.6 Teorema 6

3.11.7 Teorema 7

3.11.8 Teorema 8

4 Tipos de falhas dos componentes abordados por uma FTA

4.1 Introdução

4.2 Descrição dos tipos de falhas

4.3 Dependência estatística

4.4 Falhas versus defeito

4.5 Mecanismo de falha, modo de falha e efeito de falha

5 Construção de uma árvore de falhas

5.1 Introdução

5.2 Benefícios advindos de sua utiliyação

5.3 Aspectos nos quais se baseia a versatilidade da FTA

5.3.1 Opiniões dos especialistas mundiais de confiabilidade

5.4 Elementos utiliyados na construção de uma árvore de falha

5.5 Portas lógicas

5.6 Simbologia dos eventos

5.6.1 Hexágono

5.6.2 Retângulo

5.6.3 Círculo

5.6.4 Diamante

5.6.5 Casa dos eventos

5.6.6 Triângulo de transferência

6 Procedimentos para construção da árvore de falha

6.1 Introdução

6.2 Análise da FTA elaborada por etapas

6.3 Pontos importantes na construção da FTA

6.4 Cuidados na construção da FTA

7 Análise qualitativa

7.1 Introdução

7.2 Quando iniciar e o porquê desta análise

7.3 Elementos da análise qualitativa

7.4 Cortes mínimos e partes críticas

7.5 Procedimento de análise para árvores relativamente complexas

7.6 Procedimento de análise para árvores complexas

7.7 Redução dos cortes mínimos

7.8 Análise crítica da estrutura dos cortes mínimos

7.9 Ordenação dos cortes mínimos reduzidos

7.10 Partes críticas do sistema

8 Análise quantitativa

8.1 Introdução

8.2 Cálculo do evento topo

8.3 Estrutura coerente

8.4 Sistemas não reparáveis

8.5 Sistemas reparáveis

8.6 FTA com configuração típica e modelagem matemática

8.7 Eventos terminais dependentes

8.8 Outros métodos

8.9 Documentação necessária para quantificar uma FTA

8.10 Construção de FTA computadoriyada

8.11 Empresas criadoras de software de FTA

8.11.1 Usando o cálculo na forma top-down

8.11.2 Usando o cálculo na forma bottom-up

9 Conceitos de atuação

9.1 Introdução

9.2 Redução do custo do ciclo de vida de um produto

9.3 Fatores de sucesso na implantação de programa de confiabilidade e de manutenabilidade

10 Enfoque proativo da confiabilidade e utilização da FTA

10.1 Introdução

10.2 A utilização da FTA durante o desenvolvimento de produtos, processos ou serviços

10.3 O uso da FTA em conjunto com o QFD

10.4 O uso da FTA em conjunto com a FMEA

10.5 O uso da FTA em conjunto com o DOE

10.6 O uso da FTA em conjunto com os testes de vida acelerados

10.7 O uso da FTA em conjunto com a análise de tempo de falha

10.8 O uso da FTA em conjunto com o DFA/DFM

10.9 A utiliyação da FTA e os sistemas de garantia da qualidade

10.10 Sumário/conclusões

11 Manutenção baseada em confiabilidade

11.1 Introdução

11.2 O porquê da utiliyação da FTA

11.3 Manutenção e confiabilidade

11.3.1 Item significativo de manutenção

11.3.2 Falha funcional

11.3.3 Fluxo de análise

11.3.4 Consideração sobre o uso do fluxo

11.3.5 Matriyes de análise

12 Exemplo de aplicação da FTA em um sistema eletromecânico

12.1 Descrição do funcionamento do sistema

12.1.1 Subsistema de controle

12.1.2 Subsistema de tração/suporte

12.2 Determinação do evento topo

12.3 Construção da FTA

12.4 Determinação de cortes mínimos

12.5 Análise quantitativa

Referências

Alfabeto Grego

Prefácio

A consultoria operacional é muito difícil. Se queremos fazer o serviço bem feito, ao longo do tempo teremos que entrar cada vez mais em recursos da ciência para operar melhor nossos sistemas, tanto produtos quanto processos. Recursos da estatística, confiabilidade, probabilidade, além de conhecimentos de recursos ferramentais como o FTA (Fault Tree Analysis), o FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) e do domínio total da cadeia de valor pelo QFD (Quality Function Deployment) são utilizados por aquelas empresas mais avançadas ou que operam com produtos onde existe a necessidade da Garantia da Qualidade (alimentos, por exemplo).

O Scapin é uma pessoa extraordinária que tem trazido uma grande contribuição à gestão de ativos empresariais por sua percepção sistêmica do mundo que nos cerca, o que possibilita a utilização de recursos avançados da ciência no ambiente empresarial. Em uma das oportunidades em que estive com o Scapin num certo projeto de consultoria, causou-me uma impressão muito positiva a maneira como ele trabalha. Ele estava analisando um equipamento numa fábrica de bebidas junto com os operadores e em toda a parada do equipamento ele aproveitava para entrar no equipamento (ele literalmente entrava dentro do equipamento para enxergar o que queria) junto com operários para identificar os subsistemas, componentes e peças ali existentes. Quando terminava esse processo, as pessoas envolvidas, operadores incluídos, tinham um tremendo conhecimento do equipamento o que os fazia operadores excepcionais. Quando as pessoas da operação e da manutenção têm um conhecimento profundo de máquina, a manutenção, tanto preventiva quanto corretiva, fica muito mais fácil.

Este livro aborda, de forma interessante, a questão da utilização de certos recursos da estatística em abordagens sistêmicas de falhas com exemplos de casos em que o Scapin esteve envolvido. Este deveria ser um livro de referência para aqueles que desejam se aprofundar na gestão dos produtos e processos de sua empresa.

Belo Horizonte, 7 de setembro de 2013.

Vicente Falconi FALCONI

Consultores de Resultado

Prefácio do autor

Noções preliminares

A confiabilidade surgiu por meio da indústria aeronáutica, após a Primeira Guerra Mundial.

Em consequência do aumento do transporte aéreo, aumentaram sensivelmente os acidentes. Por conseguinte, se fez necessário o uso da técnica da confiabilidade, mediante os estudos realizados sobre a segurança dos aviões equipados com um motor somente e comparados com os resultados de aviões equipados com dois motores. Do resultado desses estudos efetuados, surgiu o avião de passageiros FORD, equipado com três motores.

Outro marco importante dessa época foi o início da investigação sobre a causa de acidentes aéreos, enumerando-os. Essa nova atitude resultou no estabelecimento de itens de controle de comparação entre o número de acidentes e o número de horas voadas.

Assim, em todos os anos 1960, os acidentes aéreos ocorreram na razão de 1 acidente por 1 milhão de aterrissagens efetuadas.

Nessa época, embora fabricantes de aeronaves, como a Boeing, tenham começado a desenvolver métodos lógicos de confiabilidade para análise dos sistemas no tocante ao seu desempenho, as condições de análise não eram padronizadas.

Todavia, em consequência dos estudos efetuados, surgiu a FTA, desenvolvida pela Boeing, dentro da sua atual configuração, e a primeira aplicação foi focada na eliminação de falhas do sistema de trem de pouso.

Da aplicação

Com o uso dessa técnica se conseguiu obter na época uma taxa de falha no sistema do trem de pouso, menor que 1 aterrissagem por 107 aterrissagens efetuadas, o que valorizou o uso da FTA.

Os resultados obtidos foram publicados e rapidamente absorvidos pelas indústrias petroquímicas e nucleares.

Do sucesso

Assim, outros exemplos bem-sucedidos apareceram, por exemplo, o caso da Electromotive Division da General Motors Corporation, que aplicou a técnica na sua divisão de locomotivas, estendendo a vida útil dos motores de tração de 250.000 milhas para 1.000.000 de milhas. Surpreendente!

Do conhecimento

Cumpre salientar que o sucesso da aplicação da FTA e os resultados benéficos obtidos tiveram um embasamento matemático como background. E que ferramentas, como um simples