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Estudos de Confiabilidade para Equipamentos e Instalações

Confiabilidade é definida como “a probabilidade de que um determinado item (componente, dispositivo, equipamento, máquina ou sistema) desempenhe com sucesso a sua função durante um determinado intervalo de tempo e em condições de operação específicas”. Desta forma, a confiabilidade é uma função do tempo de funcionamento do item em questão. Por exemplo, se queremos falar da confiabilidade de um compressor, devemos fazê-lo da seguinte forma: a probabilidade do compressor funcionar, de acordo com a suas especificações de projeto, é de 98,8% nas próximas 3000 horas. Não seria correto falarmos apenas que a confiabilidade desse compressor é de 98,8%.

Para muitos equipamentos, o comportamento da confiabilidade pode ser representado pela curva abaixo, também conhecida como “curva da banheira”. As três fases da curva representam: (a) infância, quando os componentes fora do padrão e problemas de fabricação são eliminados; (b) vida útil, quando as falhas são relativamente infrequentes e distribuídas aleatoriamente com o tempo; (c) desgaste, quando o equipamento já está fora da sua especificação de projeto e requer substituição.

Em muitas análises de confiabilidade a hipótese inicial é que todos os equipamentos operam na fase de vida útil, quando a taxa de falha é praticamente constante. Num estágio posterior podemos considerar os efeitos de características de falhas diferentes (ex.: dependente do tempo) para os subsistemas identificados como críticos para a operação.

Para equipamentos operando na fase da vida útil a probabilidade de sucesso (confiabilidade) num determinado intervalo de tempo dt pode ser representado pela simples expressão:

R(t) = e^-λd^t

onde e é a base dos logaritmos naturais, λ é a taxa de falha do equipamento e dt é o intervalo de tempo. Seu complemento, a probabilidade de falha no intervalo de tempo dt é:

F(t) = 1 – e^-λd^t

Com isso vemos que para se estimar a confiabilidade de um determinado equipamento precisamos conhecer seu histórico de falhas. Para caracterizar este histórico precisamos do parâmetro denominado “tempo médio entre falhas” (abreviado como MTBF na língua inglesa). MTBF é a média aritmética dos intervalos de tempo entre as falhas do equipamento durante seu tempo total de funcionamento. MTBF é dado por:

E a taxa de falha λ do equipamento será dada por:

λ = 1 / MTBF

Para sistemas ou componentes não reparáveis existe outro parâmetro chamado “tempo médio para acontecer a falha” (abreviado como MTTF na língua inglesa). Componentes como lâmpadas, resistores, transistores, diodos, certos relés, uma vez com falha, são imediatamente descartados e, por conseguinte, não terá sentido a determinação do MTBF. O tempo médio para acontecer a falha (MTTF) é dado por:

onde

n é o número de componentes testados

t₁, t₂, t₃……, t_n são os tempos observados para falhas nos componentes.

Por outro lado, a confiabilidade de componentes, itens ou sistemas não reparáveis deve ser calculada através da “Análise de Weibull” ou metodologia equivalente.

Taxas de falha podem ser determinadas para componentes individuais tais como lâmpadas, válvulas, sensores, chaves e outros. A variação na resistência de materiais pode ser determinada por ensaios físicos. Todo sistema ou estrutura grande é composto de componentes básicos. Se a confiabilidade dos componentes básicos é conhecida então a confiabilidade de todo o sistema ou estrutura pode ser prevista.

A grande diferença da teoria da confiabilidade é que ela admite a possibilidade de falha e estima uma probabilidade, enquanto a velha abordagem baseada no fator de segurança não. É verdadeiro que se um fator de segurança é aumentado saberemos que a falha será menos provável, mas não teremos nenhuma ideia de quanto menos.

O custo total de um determinado empreendimento é o custo do projeto, mais o custo do risco, mais o custo de manutenção, mais o custo de reparos, etc… Um empreendimento com uma concepção de baixa confiabilidade não vale a pena porque o risco é muito alto. Na verdade, parece haver um nível de confiabilidade e segurança economicamente ótimo. Entretanto, isto é enganoso. A confiabilidade e a probabilidade de falha são previstas através de modelos; e com certeza, os modelos não refletem a realidade com precisão e a extensão do erro envolvido é incerta. Diante desta incerteza há uma tendência a ser conservador e mover-se na direção aos níveis mais altos de confiabilidade. Isto é o mesmo que selecionar fatores de segurança maiores quando há desconhecimento sobre como uma estrutura ou sistema irá comportar-se. A penalidade para este desconhecimento é um aumento substancial no custo. Isto é muito relevante para estruturas sensíveis ao peso como, plataformas de petróleo e aviões. Para aumentar a resistência, o peso aumenta. Para mantê-lo no ar os motores do avião devem ser maiores e mais combustível precisa ser carregado. Isto aumenta o peso, e logo este ciclo vicioso reduz tanto o número de passageiros que podem ser carregados que todo o projeto se torna antieconômico.

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