MESTRADO EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
MESTRADO EM ENGENHARIA INDUSTRIALJOSÉ FILIPE MICHEL GAGLIANO FERREIRAANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO SISTEMA DE COMPRESSÃODE CO² NUMA PLANTA PETROQUÍMICA CONSIDERANDOOS FATORES TÉCNICO- OPERACIONAIS E HUMANOSSALVADOR2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAESCOLA POLITÉCNICAPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA INDUSTRIALJOSÉ FILIPE MICHEL GAGLIANO FERREIRAAnálise da confiabilidade do sistema de compressão de CO2numa planta petroquímica considerando os fatores técnicooperacionais e humanosSalvador2018
JOSÉ FILIPE MICHEL GAGLIANO FERREIRAANÁLISE DA CONFIABILIDADE DO SISTEMA DECOMPRESSÃO DE CO2 NUMA PLANTA PETROQUÍMICACONSIDERANDO OS FATORES TÉCNICOOPERACIONAIS E HUMANOSDissertação apresentada ao Programa de Pós-graduação emEngenharia Industrial, Escola Politécnica, UniversidadeFederal da Bahia, como requisito parcial para obtenção dograu de Mestre em Ciências em Engenharia IndustrialOrientadores: Prof. Silvio Alexandre Beisl Vieira de MeloProf. Salvador Ávila FilhoSalvador2018
Ferreira, José Filipe Michel GaglianoAnálise da confiabilidade do sistema de compressão de CO² numa plantapetroquímica considerando os fatores técnico-operacionais e humanos./José Filipe Michel Gagliano Ferreira – Salvador, 2018128 p. : il.Orientador: Prof. Silvio Alexandre Beisl Vieira de MeloCoorientador: Prof. Salvador Ávila FilhoDissertação (Mestrado - Engenharia Industrial) -- Universidade Federalda Bahia, Escola Politécnica - Universidade Federal da Bahia, 2018.1.análise de falha. 2.sistema complexo. 3.confiabilidade. I. Melo, SilvioAlexandre Beisl Vieira de. II.Filho, Salvador Ávila. III.Título.
Aos meus pais, Katia e Roberto.À minha irmã, Franciane.À minha filha, L. Sophie.À Yully, minha esposa.À meu tio Giovanniv
AGRADECIMENTOSPrimeiramente, agradecer a Deus por me proporcionar esta incrível experiência deconstrução de conhecimento, de amadurecimento profissional e pessoal.Agradeço a toda minha família, em especial minha mãe e irmã, por sempre meapoiarem e acreditarem no sucesso da pesquisa.Agradeço ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Industrial (PEI) pordepositar a confiança em mim para poder contribuir com a ciência e sociedade, e por fornecera estrutura e meios imprescindíveis para a realização da pesquisa.Agradeço à CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior)pelo auxílio financeiro concedido.Agradeço aos meus orientadores pela orientação, dedicação e ensinamentos.Agradeço aos queridos colegas do Grupo de Risco Operacional Dinâmico (GRODyn)ao qual faço parte, pela parceria, compartilhamento de conhecimento e pelos laços fraternosque foram construídos ao longo dessa jornada.Agradeço aos colegas do Grupo de Incerteza (GI-UFBa), pela atenção e auxíliodisponibilizado que tanto foi fundamental na pesquisa, em especial ao professor Daniel DinizSantana.Agradeço aos tantos outros que foram partícipes na construção do conhecimento emotivadores para finalização deste trabalho.Agradeço a empresa parceira que permitiu o desenvolvimento deste trabalho,disponibilizando tempo dos profissionais, permitindo visitas e coletas de dados.Agradeço a Liliane por sua extrema dedicação na coleta dos dados e acolhimento naempresa. Essa dedicação foi fundamental para o sucesso dessa pesquisa.vi
Resumo da Dissertação apresentada à UFBA como parte dos requisitos necessários para aobtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)O presente trabalho tem por objetivo analisar os aspectos sociotécnicos que afetam acontinuidade operacional através de um estudo de caso com aplicação de ferramentas daconfiabilidade. Para alcançar tal objetivo, esta dissertação foi dividida em quatros etapas:análise preliminar para delimitação do objeto de estudo através do mapeamento da perda deprodução, análise do ambiente operacional, estudo das falhas através do diagrama de Ishikawae da aplicação da confiabilidade para modelagem da taxa de falha, e a aplicação do métodoSPAR-H (do inglês, Standardized Plant Analysis Risk Human) para quantificação do errohumano em uma tarefa crítica da operação. Foi analisado o ambiente industrial de uma plantapetroquímica de fabricação de fertilizantes. Devido às próprias características decomplexidade do sistema foram identificados elementos de natureza não técnica (humanos eorganizacionais) que influenciam o desempenho das operações e contribuem no processo dedesenvolvimento de falhas. Neste ambiente, o nível de automação apresentou-se como umfator limitante na caracterização da falha no formato sociotécnico.Palavras-chave: análise de falha, sistema complexo, confiabilidade.vii
Abstract of the Master Thesis presented to PEI/UFBA as part of the requirements needed toobtain the degree of Master in Science (M.Sc.).The present work aims to analyze the socio-technical aspects that affect the operationalcontinuity through a case study with the application of reliability tools. To achieve thisobjective, this dissertation was divided into four stages: preliminary analysis to delimit theobject of study through the mapping of production loss, analysis of the operationalenvironment, study of the failures through the Ishikawa diagram and the application of thereliability for modeling the failure rate, and the application of the SPAR-H (StandardizedPlant Analysis Human Risk) method to quantify human error in a critical task of theoperation. The industrial environment of a petrochemical fertilizer manufacturing plant wasanalyzed. Due to the complexity characteristics of the system, non-technical elements (humanand organizational) have been identified that influence the performance of operations andcontribute to the process of developing failures. In this environment, the level of automationwas presented as a limiting factor in the characterization of the failure in the sociotechnicalformat.Keywords: failure analysis; complex system; reliability tools.viii
LISTA DE FIGURASFigura 1 – Ilustração da diferença entre failure, fault e error. . 26Figura 2 – Exemplo de degradação de um sistema. . 27Figura 3 – Tendência da participação de causas humanas e técnicas em falhas de sistemas. . 29Figura 4 – Estrutura organizacional proposta. . 35Figura 5 – Evolução dos modelos de causalidade de acidente. . 37Figura 6 – Versão mais recente do modelo do “Queijo Suíço” de Reason. . 38Figura 7 – Resumo dos estágios envolvidos no acidente organizacional. . 40Figura 8 – Digital das Falhas. . 42Figura 9 – Exemplificação da relação entre fatores que originam um evento indesejado. . 43Figura 10 – Probabilidade de erro humano como uma função da influência do PSF. . 48Figura 11 – Fluxograma das atividades da metodologia. . 51Figura 12 – Metodologia utilizada na primeira etapa. . 54Figura 13 – Diagrama de blocos do mapeamento de perda para delimitação do objeto deestudo. . 54Figura 14 – Modelo do diagrama de Ishikawa ou diagrama de causa e efeito. . 56Figura 15 – Diagrama de bloco da etapa da análise de confiabilidade. . 59Figura 16 – Metodologia utilizada para o cálculo da taxa de erro humano. . 61Figura 17 – Processo industrial simplificado de fabricação da ureia. . 63Figura 18 – Sistema de compressão de CO2. . 66Figura 19 – Fluxo de CO2 no compressor alternativo. . 68Figura 20 – Perda de produção por grupo. . 71Figura 21 – Representação gráfica de equivalentes dias de perda da produção. . 72Figura 22 – Representação gráfica da perda de produção dos equipamentos rotativos. . 73Figura 23 – Representação gráfica da perda de produção por classe de equipamento rotativo. 74Figura 24 – Região de busca da função objetivo da distribuição Weibull. . 91Figura 25 – Região de busca da função objetivo da distribuição normal. . 92Figura 26 – Região de Abrangência dos modelos Weibull e normal. . 94Figura 27 – Função taxa de falha da distribuição normal e Weibull. . 95Figura B. 1 – Principais causas de parada do compressor alternativo de CO2 (C-02). . 119Figura C. 1 – Principais causas de ruído e vibração do compressor alternativo de CO2 (C-02). 120ix
LISTA DE QUADROSQuadro 1 – Pressão e temperatura de sucção e descarga nos quatro estágios. . 67Quadro 2 – Aspectos de SMS e potenciais riscos. . 78Quadro A. 1 – Resumo de descrições do termo falha (failure) encontrado na literatura. . 118Quadro D. 1 – Relação de causa de efeito dos principais fatores que afetam o compressoralternativo C-02. . 121x
LISTA DE TABELASTabela 1 – Pressão e temperatura de sucção e descarga nos quatro estágios. . 67Tabela 2 – Tempos entre falhas do compressor alternativo C-02. . 90Tabela 3 – Valores dos parâmetros estimados e as variâncias e incertezas de cada modelo. . 90Tabela 4 – Resultados do teste χ2 e do coeficiente de determinação. . 93Tabela 5 – Matriz de covariância e de correlação para a distribuição Weibull e normal. . 93Tabela 6 – Multiplicadores do PSF considerando um cenário mais brando. 102Tabela 7 – Multiplicadores do PSF considerando um cenário mais negativo. . 102Tabela A. 1 – Avaliação de cada PSF para tarefa de ação . 128Tabela B. 1 – Avaliação de cada PSF para tarefa de diagnóstico. 129xi
LISTA DE SÍMBOLOS𝜒2Distribuição de probabilidade chi quadrado, p. 58𝛽Parâmetro de forma da função weibull, p. 90𝜂Parâmetro de escala da função weibull, p. 90𝜇Parâmetro da função normal – em confiabilidade tambémrepresenta o tempo médio entre falha, p. 90𝜎Parâmetro da função normal, p. 90xii
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLASACHAnálise de Confiabilidade HumanaAGRÁgua de RefrigeraçãoAICHEAmerican Institute of Chemical EngineersASEPAccident Sequence Evaluation ProgramASP HRAAccident Sequence Precursor Human Reliability AnalysisCBOClassificação Brasileira de OcupaçõesEEEventos ExternosEIEventos InternosEQEquipamentosFGFolgaFMEAFailure Mode and Effect AnalysisFTAFault Tree AnalysisGRVGreveHEPHuman Error ProbabilityHFACSHuman Factors Analysis and Classification SystemICAMIncident Cause Analysis MethodISOInternational Organization for StandardizationMCCManutenção Centrada em ConfiabilidadeNHEPNominal Human Error ProbabilityPPParadas ProgramadasPSFPerformance Shaping FactorPSOParticle Swarm OptimizationSCSuprimento da CargaSCMSwiss Cheese ModelSMSSegurança, Meio Ambiente e SaúdeSPAR-HStandardized Plant Analysis Risk HumanTEFTempo Entre FalhasTERTempo Entre ReparosTHERPTechnique for Human Error Rate PredictionUTLUtilidadesWLSWeighted Least Squaresxiii
SUMÁRIOCAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO171.1 OBJETIVOS181.1.1Objetivo Geral181.1.2Objetivos Específicos191.2 JUSTIFICATIVA191.3 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO20CAPÍTULO 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA222.1 ABORDAGEM SOBRE FALHA EM SISTEMA TÉCNICO242.1.1Causas de Falhas272.2 FATORES LATENTES DA FALHA292.2.1Complexidade em Sistema Sociotécnico312.2.2O Erro Humano332.3 VISÃO SISTÊMICA DA FALHA342.4 FERRAMENTAS DE CONFIABILIDADE PARA ANÁLISE DE FALHA442.4.1Confiabilidade Operacional442.4.2Confiabilidade Humana – Método SPAR-H462.4.2.1Fatores de desempenho humano do Método SPAR-H472.4.2.2Quantificação da probabilidade do erro humano49CAPÍTULO 3. MATERIAIS E MÉTODOS513.1 METODOLOGIA PROPOSTA513.1.1Etapa 1 – Análise Preliminar533.1.2Etapa 2 – Análise da Tarefa (Contexto Operacional)553.1.3Etapa 3 – Diagrama de Ishikawa e Confiabilidade de Componentes563.1.3.1Diagrama de Ishikawa563.1.3.2Confiabilidade de componentes57Etapa 4 – Confiabilidade Humana593.1.4CAPÍTULO 4. CONTEXTUALIZAÇÃO DO ESTUDO DE CASO624.1 DESCRIÇÃO DO PROCESSO624.2 SISTEMA DE COMPRESSÃO DO CO2654.2.1 �TULO 5. RESULTADOS E DISCUSSÕESHorizontal–Funcionamentoe6670xiv
5.1 ETAPA 1: MAPEAMENTO DE PERDA DA PRODUÇÃO705.2 ETAPA 2: ANÁLISE DA TAREFA (CONTEXTO OPERACIONAL)745.2.1Descrição do Posto de Trabalho755.2.1.1Operação normal765.2.1.2Partida/Parada do compressor775.2.2Aspectos de SMS785.2.3Análise da Complexidade da Tarefa do Sistema de Compressão795.2.3.1Cumprimento de procedimentos operacionais padrão795.2.3.2Automação do sistema795.2.3.3Caracterização dos sistemas auxiliares805.2.3.4Nível de atenção desviada – sistema principal vs. sistema auxiliar825.2.3.5Nível de linhas de reciclo835.2.4Considerações Finais5.3 ETAPA 3: ANÁLISE DE FALHAS EM SISTEMA TÉCNICO83855.3.1Diagrama de Ishikawa855.3.2Análise da Confiabilidade895.3.3Considerações Finais955.4 ETAPA 4: ANÁLISE DA CONFIABILIDADE HUMANA (SPAR-H)965.4.1Tarefa de Partida do Compressor975.4.2Análise dos PSFs985.4.3Cálculo da Probabilidade do Erro Humano1025.4.4Considerações Finais103CAPÍTULO 6. CONCLUSÕES E SUGESTÕES1056.1 CONCLUSÕES1056.2 SUGESTÕES107REFERÊNCIAS109GLOSSÁRIO116APÊNDICE A118APÊNDICE B119APÊNDICE C120APÊNDICE D121APÊNDICE E122xv
APÊNDICE F123APÊNDICE G124APÊNDICE H125APÊNDICE I126ANEXO A128ANEXO B129xvi
CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃOO ambiente dinâmico e de elevada competitividade imposto pelo mercado globalizadoexige que as organizações se esforcem não apenas pela qualidade, mas também pelocomprometimento com o meio ambiente, com o social e com a legislação para garantir acontinuidade dos negócios. Com o desenvolvimento tecnológico houve um aumento daprodução, mas também aumentou a complexidade dos sistemas e organizações (JOHNSEN;KILSKAR; FOSSUM, 2017). Consequentemente, os eventos indesejados se tornaram cadavez mais sérios e ameaçadores da sustentabilidade da organização.Em uma unidade de processamento, espera-se que equipamentos e sistemasdesempenhem suas funções conforme o projetado para atender às exigências da produção. Noentanto, não importa quão boa seja a estratégia de manutenção e operação, sistemas eequipamentos falham (AHMED; KHAN; AHMED, 2014). Oliveira, Paiva e Almeida (2010,apud SLACK, 2002) declaram que, embora nenhum sistema seja indiferente às falhas, emalguns casos a falha não é uma opção, pois pode resultar em eventos catastróficos. Portanto, àmedida que se desenvolvem processos de alto risco e complexidade, mais esforços sãonecessários para a prevenção de falhas e para a melhoria do controle das unidades.O diagnóstico precoce de perturbações no processo, de mau funcionamento deequipamentos e de outros eventos indesejados desempenha um papel importante em termos desegurança, assim como melhora a eficiência de processos/equipamentos e proporcionamelhores resultados na garantia da qualidade do produto (GALICIA; HE; WANG, 2012).Nesse sentido, várias técnicas foram difundidas, como, por exemplo, a Análise dos Modos eEfeitos de Falhas (FMEA – acrônimo em inglês), Análise de Árvore de Falha (FTA –acrônimo em inglês), Diagrama de Causa e Efeito, Diagrama de Pareto, Cinco Porquês, entreoutras.Apesar da disponibilidade dessas técnicas, nem sempre a análise realizada tem oaprofundamento que possibilite o acesso à causa raiz. Na maioria dos casos, quando as causasimediatas do problema são conhecidas, a investigação é finalizada. Essas causas, quandorelacionadas a uma falha em equipamentos ou processo, são denominadas causas físicas –ruptura mecânica de componentes e corrosão são alguns exemplos.No entanto, outros fatores, como os relacionados ao homem e à organização, sãoconstantemente negligenciados no processo de investigação, impedindo a construção debarreiras mais eficazes. Segundo Bhaumik (2009), as falhas não “simplesmente acontecem”,17
mas frequentemente “são causadas”, e a identificação da causa gera o aprendizadoorganizacional que ajuda a evitar sua recorrência no futuro. Por esta visão, a questão daocorrência das falhas ganha uma nova dimensão, a interação homem-máquina-ambiente, etorna o processo de investigação complexo e desafiador.Os aspectos humano-organizacionais vêm sendo amplamente estudado por inúmerosacadêmicos tanto na área de ciências humanas, tais como psicologia – Stenberg Junior (2008),Muchinsky (2004), e sociologia do trabalho – Perrow (1984), quanto na área de ciênciasexatas, notadamente as engenharias – Embrey (2000), Reason (2016). O resultado dessesesforços resultou no desenvolvimento de várias técnicas que auxiliam a quantificação daprobabilidade de erro humano, bem como identificação dos fatores que influenciam nodesempenho de suas atividades.A inclusão desses aspectos em um processo de investigação geralmente é realizadaquando se quer encontrar as causas básicas de um acidente, que resultou em mortes ou emgrande impacto ambiental, ou ainda quando se quer estabelecer as barreiras de proteção ematividades de alto risco. Por outro lado, os impactos de um evento indesejado podem ternatureza diversa, isto é, as perdas podem ser materiais, humanas ou de qualidade, ou aindapodem estar relacionadas com a perda de tempo, de energia e de imagem. Em um cenário derestrições ambientais, as perdas relacionadas à energia podem representar um entrave aofuncionamento de instalações industriais.1.1OBJETIVOS1.1.1 Objetivo GeralO tema deste trabalho baseia-se na concepção de que nas indústrias com processos dealta complexidade, como é o caso de indústria química, petroquímica e nuclear, asanormalidades operam de forma sistêmica, interligando as áreas de processo, de qualidade, desegurança e de manutenção. Os eventos indesejados muitas vezes emitem sinais de falhas quepassam despercebidos pelo staff, pois não possuem em sua rotina uma leitura adequada e/ou oregistro correto desses sinais. Portanto, esse cenário sugere que um incidente resultante deuma falha pode ter suas origens em questões técnicas, humanas e/ou organizacionais.Com base nessa perspectiva, este trabalho tem por objetivo principal analisar aspectossociotécnicos que ocasionam a interrupção de operação através de um estudo de caso com18
aplicação de ferramentas da confiabilidade. Essa análise foi realizada em uma indústriapetroquímica considerada de alta complexidade e de alto risco.1.1.2 Objetivos EspecíficosOs objetivos específicos deste trabalho são: Apresentar as discussões sobre a caracterização da falha no formato sociotécnicoem sistema complexo. Identificar um sistema crítico (equipamento rotativo) com base no mapeamentodas perdas de produção e analisar os fatores sociotécnicos responsáveis porinfluenciar em seu desempenho; Analisar o ambiente operacional de uma indústria petroquímica, para identificaçãode influências no desempenho das atividades; Calcular a probabilidade de ocorrência de erros humanos n
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