análise de risco de uma planta piloto de biodiesel usando fmeca e fta

09 a 12 de setembro de 2012

Bzios, RJ

ANLISE DE RISCO DE UMA PLANTA PILOTO DE BIODIESEL USANDO FMECA E FTA

L. S. MACEDO1, E. A. TORRES2 e S. A. B. VIEIRA DE MELO

1, 2, 3 Universidade Federal da Bahia, Escola Politcnica, Departamento de Engenharia

Qumica

E-mail para contato: [email protected]

RESUMO Nesse trabalho foram utilizadas as tcnicas quantitativas Anlise de Modos e Efeitos de Falha e Criticidade (FMECA) e Anlise de rvore de Falhas (FTA) para anlise de risco da planta piloto de biodiesel da Escola Politcnica da UFBA. O biodiesel produzido a partir da reao de transesterificao entre OGR (leo e gordura residual), metanol e hidrxido de sdio como catalisador. Como resultado desse estudo, foram identificados os principais pontos que podem colocar a operao da planta em risco, tais como emperramento mecnico das vlvulas, falha dos operadores e falha nas bombas por demanda, na partida e em operao. Para que sejam evitados acidentes na planta piloto de biodiesel, algumas recomendaes devem ser seguidas: a automao da planta com alarme nos equipamentos de forma a facilitar a deteco dos modos de falha; a implantao de sistema de bomba reserva, para reduzir a severidade da falha da bomba, permitindo a continuidade do processo; e a capacitao constante dos operadores da planta, visto que a mesma depende inteiramente de procedimentos manuais. A partir desses resultados, possvel subsidiar a tomada de deciso e aes para melhoria da segurana em plantas comerciais de biodiesel que utilizam a rota tecnolgica da catlise alcalina homognea.

1. INTRODUO crescente a preocupao com a segurana das plantas industriais. Entre as tcnicas de

anlise de risco quantitativas, podem-se citar a Anlise de Modos e Efeitos de Falha e Criticidade (FMECA) e a Anlise de rvore de Falhas (FTA).

De acordo com Bouti e Daoud (1994), FMECA uma tcnica utilizada para identificao dos potenciais mecanismos, causas, modos e efeitos de falha na operao e no produto de um sistema. Para que sejam desencadeadas aes que diminuam a probabilidade de ocorrncia de falhas, e, caso estas ocorram, que seus riscos sejam minimizados, so avaliados os produtos finais, componentes, subsistemas e sistemas relacionados ao processo em estudo.

A tcnica FTA uma representao grfica de eventos estruturada de maneira hierrquica ramificada, utilizada para a identificao das diversas combinaes de falhas que podem resultar em um risco ou em uma falha de sistema especfica, denominada evento topo.

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A anlise de risco com base nessa tcnica consiste na construo de um diagrama lgico (a rvore de falhas) atravs de um processo dedutivo, a partir de um evento indesejado pr-definido (evento topo), identificando-se suas possveis causas. O processo segue com a investigao das sucessivas combinaes de falhas dos componentes at atingir os chamados eventos bsicos, os quais constituem o limite de resoluo da anlise.

Este trabalho apresenta a aplicao de ambas as tcnicas quantitativas numa planta piloto de biodiesel, situada na Escola Politcnica da Universidade Federal da Bahia, cuja rota de produo a reao de transesterificao utilizando leo e gordura residual (OGR) e metanol como matrias-primas, e hidrxido de sdio como catalisador homogneo.

2. METODOLOGIA

2.1. FMECA

Para a tcnica FMECA, primeiramente foram selecionados os riscos a serem analisados por este mtodo. Esta seleo foi feita com base no estudo do HAZOP (Estudo de perigos e operabilidade), apresentado no trabalho de Macedo et al. (2012a) em relao aos ns identificados e em relao aos possveis modos de falha para cada equipamento ou item (tubulao, vlvulas, etc.) da planta. Em seguida, foram caracterizados os modos, efeitos e causas da falha para cada equipamento ou item avaliado.

Aps a identificao dos modos, causas e efeitos das falhas, foi realizada a avaliao dos ndices de ocorrncia (O), de severidade (S), e de deteco (D), que, multiplicados, resultam no nmero de prioridade de risco (NPR).

Cada ndice foi avaliado de 1 a 10, de acordo com critrios padronizados estabelecidos, como pode ser observado nas Tabelas 1 e 2, adaptadas de Kumamoto e Henley (1996) e Modarres (2010), e na Tabela 3.

Tabela 1 ndice de Ocorrncia ndice de Ocorrncia (O) Probabilidade de

Ocorrncia Ocorrncia Escala Frequncia 1 1:1.000.000 Improvvel (muito

remota) Excepcional

2 1:100.000 Muito pequena (remota) Muito poucas vezes 3 1:10.000 Pequena Poucas vezes 4 1:5000

Mediana (moderada) Algumas vezes (ocasionais) 5 1:2000 6 1:1000 7 1:500 Alta (significativa) Frequentes 8 1:100 9 1:10 Muito alta Alarmantes (inevitveis) 10 >1:5

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Tabela 2 ndice de Severidade Valores

Lingsticos Caractersticas ndices

Muito alta

O efeito da falha pode afetar tanto a segurana operacional como a ambiental, podendo ocasionar danos a bens ou

pessoas e/ou infringir alguma legislao ou regulamentao governamental.

9 e 10

Alta Afeta a eficincia do sistema ao qual est associado e/ou da

planta, ocasionando uma reduo de potncia ou at mesmo o seu desligamento.

7 e 8

Moderada Reduz a eficincia do sistema ao qual est associado,

gerando um estresse, no ambiente de trabalho que leva a planta a operar num nvel de risco mais elevado que o

normal.

4, 5 e 6

Baixa O efeito da falha no interfere na operao da planta, mas reduz de forma mnima o desempenho do sistema ao qual

est associado. 2 e 3

Remota O efeito da falha praticamente no percebido. 1

Aps nova reviso da literatura, optou-se pela criao de uma tabela especfica para este trabalho, de forma que as formas de deteco atual fossem abrangidas. Desta forma, a Tabela 3 foi utilizada para atribuir valores ao ndice de deteco:

Tabela 3 ndice de Deteco Item de deteco Fator de subtrao

Presena de alarme (PA) 3 Presena de medidor (PM) 3 Aviso visual/sonoro (AVS) 2

Percepo no equipamento seguinte (PES) 1

Assim, o ndice de deteco ser dado pela Equao 1:

D = 10 - Fatores de deteco (1)

De posse do valor dos trs ndices, calcula-se o fator NPR atravs da Equao 2:

NPR = O x S x D (2)

A partir do NPR calculado, pode-se classificar o risco conforme a Tabela 4:

Tabela 4 Classificao dos riscos Valor da escala 1 - 135 136 - 500 501 - 1000

Classificao de risco Pequeno Moderado Alto

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A partir dos valores calculados do NPR, foram feitas recomendaes e observaes para que os modos de falha fossem minimizados e suas conseqncias possussem menor impacto sobre o sistema, pessoas e instalaes.

2.2. FTA

Para a tcnica FTA foi definido primeiramente o sistema, suas fronteiras e interfaces. Em seguida, foi definido o evento topo e a rvore de falhas foi construda a partir dos principais eventos bsicos do sistema. Os eventos topo foram definidos com base nos modos de falha que apresentaram maior valor do NPR, segundo os resultados do FMECA, e maiores probabilidades de ocorrncia, segundo o resultado do LOPA, apresentado no trabalho de Macedo et al. (2012b). Foram levantados os dados de falha dos eventos presentes na rvore de falha para que os cortes mnimos fossem determinados. Os cortes mnimos foram determinados a partir da identificao dos eventos bsicos que no puderam ser reduzidos sem perder a condio de corte, ou seja, as combinaes mnimas de eventos que quando ocorridas levam falha do sistema.

Para os casos em que os dados de falha no foram encontrados na literatura, foram estimados trs valores para os mesmos (valor mximo, mnimo e intermedirio) e combinaes entre os valores mximo, mnimo e intermedirio de cada evento. Como resultado, foram obtidos trs valores de probabilidade de ocorrncia do evento topo. A partir dos resultados, foram listadas algumas sugestes e observaes.

3. RESULTADOS E DISCUSSO A anlise de risco foi realizada com base no estudo de HAZOP apresentado em Macedo

(2012). Um esquema simplificado da planta apresentado na Figura 1.

Figura 1 Representao esquemtica da planta piloto de biodiesel.

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3.1. FMECA

Como principal resultado obtido pelo estudo do FMECA, o nico n que apresentou valor de NPR classificado como risco moderado foi o 3.

A etapa da reao de formao do biodiesel se processa no n 3. Para os modos de falha vazamento e ruptura do reator os dados de falha foram valores pequenos, implicando em um ndice de ocorrncia baixo. J os modos contaminao e proporo de alimentao inadequada no possuem dados de falha. Para esses casos, foram estimados os ndices de ocorrncia de maneira conservativa. A severidade foi maior para o modo ruptura, pois este pode levar a danos materiais, ambientais e sade. Quanto deteco, os modos contaminao e proporo de alimentao inadequada apresentam maiores ndices, pois estes s so percebidos aps a reao, levando a perda de produto. Os modos vazamento e ruptura apresentam ndices menores, por haver indicao de nvel, e o efeito identificado rapidamente de forma visual, apesar de depender da presena e ao de um responsvel na rea. Combinando tais fatores, o maior NPR encontrado foi de 180 para o modo contaminao.

A probabilidade de falha baixa para as vlvulas, resultando em um ndice de ocorrncia baixo. Todavia, a deteco da possvel ocorrncia de uma falha difcil, visto que no h um plano de inspeo e manuteno peridico, levando assim a altos ndices de deteco. O modo vazamento apresenta pior deteco, pois o modo de falha fecha/abre presenciado pelo executante da ao e a ruptura tem efeito mais pronunciado. Diante dos efeitos no processo, as vlvulas apresentaram ndices altos de severidade.

3.2. FTA

A partir da anlise do resultado da tcnica FMECA, foram selecionados 3 eventos topo principais: perda de material por derramamento, interrupo do processo e produto fora de especificao.

Evento topo: Perda de material por derramamento

Entende-se por perda de material por derramamento, os eventos relacionados a vazamentos ou rupturas. No esto includos nesse evento topo os casos de produto fora de especificao. O interesse na repercusso desse evento se deve s consequncias ambientais e de segurana associadas exposio de materiais txicos e inflamveis, como metanol, biodiesel e glicerina. A rvore de falhas dos cortes mnimos para este evento topo est representada na Figura 2. A Tabela 5 apresenta as probabilidades de falha de cada corte mnimo, com as suas respectivas importncias. Com base na anlise quantitativa pelo mtodo dos cortes mnimos, foram identificados como cortes mnimos a falha do operador, o emperramento mecnico da vlvula, a falha da bomba e a corroso da vlvula. O corte mnimo que teve maior importncia foi falha do operador (I = 0,97).

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Perda de Material

por

Derramamento

Falha do

Operador

Emperramento

mecnico da

vlvula

Falha da

Bomba

Corroso em

Vlvula

K1 K2 K3 K4

Figura 2 Cortes Mnimos: Perda de Material por Derramamento.

Tabela 5 Probabilidades de falha e importncia dos cortes mnimos Corte Mnimo Probabilidade de falha Importncia

Falha do operador 0,01 0,97 Emperramento mecnico da vlvula

0,000000152 0,000015

Falha da bomba 0,000292 0,028 Corroso 0,000000152 0,000015

Evento topo: Produto fora de especificao

Para que o biodiesel seja definido como de boa qualidade e seguro para comercializao, ele deve apresentar caractersticas que atendam s especificaes estabelecidas pela resoluo n 7 da ANP (Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis).

Os principais eventos associados ao evento topo produto fora de especificao, indicados pela LOPA, so: falha na vlvula a montante do secador (cenrio 2), corroso na tubulao (cenrio 3), falha do operador em operaes de rotina (cenrio 4), falha na vlvula de alimentao de vapor (cenrio 5), falha do operador em operaes de rotina (cenrio 6), falha no indicador de temperatura (cenrio 7) e corroso da tubulao (cenrio 8). Segundo a FMECA, os principais eventos associados ao evento topo produto fora de especificao so: abastecimento de quantidade errada de metanol ou catalisador do n 2, secagem

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insuficiente das linhas do n 3, proporo de alimentao inadequada do n 3 e falha nas vlvulas a jusante do reator do n 3.

A rvore de falhas dos cortes mnimos para este evento topo est representada na Figura 3. A Tabela 6 apresenta as probabilidades de falha de cada corte mnimo, com as suas respectivas importncias. Com base na anlise quantitativa pelo mtodo dos cortes mnimos, foram identificados como cortes mnimos a falha do operador, a secagem insuficiente de linhas e tanques, a corroso do misturador e tubulao, e a falta de manuteno. O corte mnimo que teve maior importncia foi falha do operador (I = 0,99).

Produto Fora de Especificao

Falha do Operador

Secagem insuficiente de

linhas e tanquesCorroso no Misturador

Falta de Manuteno

Corroso na Tubulao

K1 K2 K3 K4 K5

Figura 3 Cortes Mnimos: Produto Fora de Especificao.

Tabela 6 Probabilidades de falha e Importncia para os Cortes mnimos Corte Mnimo Probabilidade de Falha Importncia Falha do Operador 0,01 0,999 Secagem insuficiente das linhas dos tanques

0,00000268 0,000027

Corroso no Misturador 0,00000121 0,000012 Falta de Manuteno 0,00000268 0,000027 Corroso da tubulao 0,0000000173 0,0000017

Evento topo: Processo interrompido

A planta piloto de biodiesel em estudo, por ser uma unidade voltada para o desenvolvimento de pesquisa, sem objetivo econmico, operada em grande parte

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manualmente e sem dispositivos de segurana. Por esse motivo, h um grande nmero de eventos que pode gerar a interrupo do processo.

Os principais eventos presentes nos estudos de LOPA e FMECA associados ao evento topo de interrupo do processo so: LOPA e FMECA - falha na bomba do n 4, falha na bomba do n 5. FMECA falha nas vlvulas a montante do reator, falha na bomba do n 1, falha na bomba do n 5 e ruptura.

A rvore de falhas dos cortes mnimos deste evento topo est representada na Figura 4. A Tabela 7 apresenta as probabilidades de falha de cada corte mnimo, com as suas respectivas importncias. Com base na anlise quantitativa pelo mtodo dos cortes mnimos, foram identificados como cortes mnimos falha do operador, emperramento mecnico da vlvula, falha da bomba por demanda, partida e operao, corroso da vlvula e falta de manuteno. Os cortes mnimos que apresentaram maior importncia foram falha do operador (I = 0,92, para os valores intermedirios) e falha na bomba por demanda, partida e operao (I = 0,33, para os valores mnimos).

Tabela 7 Probabilidades de falha e Importncia para os Cortes mnimos Corte Mnimo Probabilidade de

Falha Importncia

(valores mdios) Importncia

(valores mnimos) Falha do Operador 0,011 0,000012 0,92 0,011 Emperramento mecnico da vlvula

0,000000152 0,000014 0,00017

Falha na Bomba por Demanda

0,000292 0,027 0,33

Falha na Bomba na Partida

0,000292 0,027 0,33

Falha na Bomba em Operao

0,000292 0,027 0,33

Corroso na vlvula 0,000000152 1,52x10-10 (2)

0,000014 0,00000017

Falta de manuteno 0,00000268 2,68x10-9 (2)

0,00025 0,000003

4. CONCLUSO Como resultado do FMECA, a partir dos NPR calculados, observou-se que apenas um

item foi classificado como item de risco moderado, sendo que os demais foram classificados como de risco pequeno. Com isso, as aes tomadas no so emergenciais e, portanto, as sugestes podem ou no ser acatadas, conforme condio tcnico-financeira dos gestores da planta.

1 Foram considerados valores mdios de Probabilidade de Falha

2 Foram considerados valores mnimos de Probabilidade de Falha

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Processo Interrompido

Falha do Operador

Emperramento mecnico da

vlvula

Falha na Bomba em operao

Corroso em Vlvula

Falha na Bomba por demanda

Falta de Manuteno

Falha na Bomba na

partida

K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7

Figura 4 Cortes Mnimos: Processo Interrompido.

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A partir da anlise dos cortes mnimos das trs rvores de falhas, pode-se observar que, se um evento bsico ocorre, leva diretamente ocorrncia do evento de topo, devido ausncia de sistema de segurana e automatizao da planta. Foram identificados como cortes mnimos a falha do operador, o emperramento de vlvula, a falta de manuteno de tubulao e equipamentos, a falha nas bombas, a corroso de vlvulas e tubulaes, sendo os que apresentaram maior importncia, ou seja, maior probabilidade de levar ao evento de topo, a falha do operador e falha nas bombas, seja por demanda, partida ou operao.

Como principais sugestes, podem-se citar: a automao da planta com alarme nos equipamentos, de forma a facilitar a deteco dos modos de falha, alm de diminuir probabilidade de ocorrncia, uma vez que seria necessria a falha do controle antes da falha do equipamento ocorrer; realizao de manuteno peridica nas linhas e equipamentos, a fim de diminuir a ocorrncia das falhas e aumentar os meios de deteco; realizao de uma anlise do teor de gua do leo bruto aps a secagem, a fim de melhorar a deteco do problema de contaminao do reator; implantao de sistema de bomba reserva, para reduzir a severidade da falha da bomba, permitindo a continuidade do processo, e a capacitao constante dos operadores da planta, visto que falhas humanas levam diretamente ocorrncia de problemas como derramamento de material, interrupo do processo e produo de biodiesel fora de especificao.

5. BIBLIOGRAFIA

ANP Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis.

BOUTI, A.; DAOUD, A. K.; A state-of-the-art review of FMEA/FMECA. IJRQSE. Volume 1, Issue: 4 (1994) p. 515 543.

KUMAMOTO, H., HENLEY, E. J., Probabilistic Risk Assessment and Management for Engineers and Scientists. IEEE Press, New York,1996.

MACEDO, L.S; VIEIRA DE MELO, S.A.B; TORRES, E.A. Estudo de Perigos e Operabilidade (HAZOP) em uma Planta Piloto de Biodiesel, aceito para apresentao no COBEQ 2012.

MACEDO, L.S; VIEIRA DE MELO, S.A.B; TORRES, E.A. Anlise de Camadas de Proteo (LOPA) em uma Planta Piloto de Biodiesel, aceito para apresentao no COBEQ 2012.

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MODARRES, M., KAMINSKIY, M., KRIVTSOV, V., Reliability Engineering and Risk Analysis, 2nd. Ed., CRC Press, Boca Raton, 2010.

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