LeandroLuizDaSilvaPereira-DISSERT

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
ANÁLISE DE MOTOBOMBAS SUBMERSAS COM DIFERENTES 
ACIONAMENTOS ELÉTRICOS A PARTIR DA RODA DE FALHAS 
 
 
 
LEANDRO LUIZ DA SILVA PEREIRA 
 
 
 
 
 
NATAL/RN, 2016 
 
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 Leandro Luiz da Silva Pereira 
 
 
 
Análise de motobombas submersas com diferentes acionamentos elétricos a 
partir da Roda de Falhas 
 
 
Dissertação apresentada ao Programa de 
Pós-graduação em Engenharia Mecânica 
da Universidade Federal do Rio Grande 
do Norte, como parte dos requisitos para 
obtenção do título de mestre em 
Engenharia Mecânica. 
Área de concentração: Termociências/ 
Energia e Meio Ambiente. 
 
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes 
 
 
 
 
 
Natal/RN, 2016 
 
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 Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN 
Sistema de Bibliotecas - SISBI 
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede 
 
 Pereira, Leandro Luiz da Silva. 
 Análise de motobombas submersas com diferentes acionamentos 
elétricos a partir da Roda de Falhas / Leandro Luiz da Silva 
Pereira. - 2016. 
 174 f.: il. 
 
 Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande 
do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em 
Engenharia Mecânica. Natal, RN, 2016. 
 Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes. 
 
 
 1. Motobomba - Dissertação. 2. Poço Tubular - Dissertação. 3. 
Parâmetros operacionais - Dissertação. 4. Roda de Falhas - 
Dissertação. 5. Manutenção - Dissertação. 6. Confiabilidade - 
Dissertação. I. Fontes, Francisco de Assis Oliveira. II. Título. 
 
RN/UF/BCZM CDU 621.43 
 
 
 
 
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
ANÁLISE DE MOTOBOMBAS SUBMERSAS COM DIFERENTES ACIONAMENTOS 
ELÉTRICOS A PARTIR DA RODA DE FALHAS 
 
 
Leandro Luiz da Silva Pereira 
Orientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes 
 
Dissertação de Mestrado defendida em 29/12/2016, 
sob o julgamento da seguinte Banca Examinadora 
 
 
 
 
 
 
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Aos meus pais Luizinho e Vânia, que me 
deram a educação e me guiaram, mostrando 
com sabedoria o caminho correto e confiando 
nos projetos em que decidi levar a diante. 
À Kalyana Monalyza, cujo carinho e 
compreensão foram essenciais, e que muitas 
vezes no percurso deste trabalho renunciou 
parte de nossa convivência, com o intuito de 
colaborar para sua realização. 
 
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AGRADECIMENTOS 
 
 
À Deus, pelas bênçãos da sabedoria, fé e resiliência. 
Ao Professor Francisco Fontes, pelo acolhimento e atenção dedicada nos momentos de 
orientação pelos quais galguei caminhos produtivos, que me levaram a atingir as metas deste 
trabalho e avanços importantes enquanto pesquisador. 
À minha esposa Kalyana e a todos os familiares e amigos pelo apoio e compreensão durante a 
construção deste trabalho. 
Ao Professor Luiz Guilherme, pelas virtudes que sempre se mostraram claras em suas atitudes 
e momentos de comunhão do conhecimento, à atenção e presteza dedicadas às atividades 
desenvolvidas no PPGEM. 
À UFRN, e demais professores do PPGEM que me induziram a reflexões acadêmicas e 
construções importantes sobre o conhecimento. 
Aos companheiros da CAERN que colaboraram com a instrumentação necessária e com 
informações apresentadas neste trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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O tempo é uma ilusão produzida pelos nossos 
estados de consciência à medida em que 
caminhamos através da duração eterna. 
Isaac Newton (1643 – 1727) 
 
viii 
 
 
SUMÁRIO 
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... xi 
LISTA DE QUADROS E TABELAS ..................................................................................... xiii 
LISTA DE GRÁFICOS ........................................................................................................... xiv 
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS .............................................................................. xv 
LISTA DE NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS ................................................................. xvii 
RESUMO ................................................................................................................................ xix 
ABSTRACT ............................................................................................................................. xx 
CAPÍTULO I ......................................................................................................................... 21 
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 21 
1.1. Cenário do estudo proposto ............................................................................................... 22 
CAPÍTULO II ......................................................................................................................... 26 
2. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA ..................................................................................... 26 
2.1. Definição de falha .............................................................................................................. 26 
2.2. Roda de Falhas ................................................................................................................. 28 
2.3. Teoria das restrições e gargalos na produção .................................................................... 29 
2.4. Breve histórico da Confiabilidade ..................................................................................... 30 
2.5. Grau de Confiabilidade ...................................................................................................... 31 
2.6. Modelos de distribuição de probabilidade ......................................................................... 34 
2.7. Sistemas em série e em paralelo ........................................................................................ 36 
2.7.1. Sistemas em série ......................................................................................................... 36 
2.7.2. Sistemas em paralelo .................................................................................................... 36 
2.8. Padrões de falhas ............................................................................................................... 38 
2.9. Disponibilidade média ....................................................................................................... 41 
2.10. Mantenabilidade .............................................................................................................. 43 
CAPÍTULO III ....................................................................................................................... 44 
3. RELEVÂNCIA DO ESTUDO DE CASO PARA A INDÚSTRIA ................................. 44 
3.1. Consumo energético no setor industrial ............................................................................ 44 
3.2. Perdas de energia em instalações elétricas ........................................................................ 45 
3.3. Papel da concessionária de abastecimento d’água sobre a qualidade da manutenção ...... 46 
3.4. Histórico de falhas recorrentes em instalações de poços tubulares de Parnamirim/RN .... 47 
3.5. CAUSAS GERAIS DE FALHAS EM POÇOS TUBULARES ........................................ 51 
3.5.1. Equipamento defeituoso ou instalação inadequada ......................................................51 
3.5.2. Projeto de dimensionamento inadequado ..................................................................... 51 
3.5.3. Deterioração por presença de plantas e animais ........................................................... 52 
3.5.4. Qualidade dos filtros sobre desgaste e perda de vazão em motobomba ....................... 53 
3.5.5. Atuação de ferrobactérias em poços ............................................................................. 54 
3.5.5.1. Incrustações por ferrobactérias ................................................................................ 54 
3.5.5.2. Incrustações por rochas calcárias ............................................................................ 56 
3.5.5.3. Ações para o combate de incrustações .................................................................... 56 
3.5.6. Corrosão em poços tubulares ....................................................................................... 58 
3.5.6.1. Corrosão Eletroquímica ........................................................................................... 58 
3.5.6.2. Corrosão Eletrolítica ................................................................................................ 59 
ix 
 
 
3.5.7. Rebaixamento do nível dinâmico ................................................................................ 59 
3.5.8. Relação do NPSH para ocorrência de cavitação ......................................................... 60 
3.5.9. Vibrações no sistema de motobombas ........................................................................ 61 
3.5.10. Temperatura da água ................................................................................................... 62 
3.5.11. Pontos quentes nas instalações elétricas de poços ...................................................... 62 
3.5.12. Temperatura de condutores em instalações elétricas ................................................... 64 
3.5.13. Máximas Temperaturas Admissíveis para instalações elétricas de motobombas ....... 65 
3.6. PROBLEMAS DE QUALIDADE DE ENERGIA ELÉTRICA ....................................... 66 
3.6.1. Distúrbios da energia elétrica em instalações de motobombas ................................... 68 
3.6.2. Distúrbios em inversores de frequência ...................................................................... 70 
3.7. CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE MOTOBOMBAS ................................................... 71 
3.7.1. Fator de Serviço (FS) ................................................................................................... 71 
3.7.2. Variação de tensão ....................................................................................................... 72 
3.7.3. Sobretensão e Subtensão ............................................................................................. 73 
3.7.4. Potência elétrica ............................................................................................................ 73 
3.7.5. Correção do Fator de Potência (FP) ............................................................................ 74 
3.8. PLANEJAMENTO DA MANUTENÇÃO ....................................................................... 75 
3.8.1. Funções e considerações sobre a manutenção .............................................................. 75 
3.8.2. Engenharia de Manutenção .......................................................................................... 75 
3.8.3. Manutenção corretiva ................................................................................................... 77 
3.8.4. Manutenção detectiva ................................................................................................... 78 
3.8.5. Manutenção preventiva ................................................................................................ 78 
3.8.6. Manutenção preditiva ................................................................................................... 80 
3.8.7. Justificativa para implantação da manutenção preditiva .............................................. 81 
3.9. CONCEITOS E MÉTODOS DE MANUTENÇÃO PLANEJADA ................................. 82 
3.9.1. Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC) ........................................................ 83 
3.9.2. Manutenção Produtiva Total (MPT) ............................................................................ 84 
3.9.3. Análise dos Modos de Falhas e Efeitos (FMEA) ........................................................ 84 
3.9.4. Análise de Árvore de Falhas (FTA) ............................................................................ 84 
3.10. TÉCNICAS DE MANUTENÇÃO PREDITIVA ............................................................ 85 
3.10.1. Inspeção termográfica .................................................................................................. 86 
3.11. Custo de manutenção ....................................................................................................... 88 
3.11.1. Consumo Específico de Energia (CEE): implicações para eficiência energética e 
custos ........................................................................................................................................ 90 
3.12. CARACTERÍSTICAS GERAIS E ESPECIFICAÇÕES DE CONJUNTOS 
MOTOBOMBAS SUBMERSAS ............................................................................................. 90 
3.12.1. Especificações de motobombas ................................................................................. 93 
3.12.2. Motor submerso ......................................................................................................... 93 
3.12.3. Bomba submersa........................................................................................................ 97 
3.12.4. Dimensionamento da AMT ..................................................................................... 101 
3.12.5. Ponto de operação da bomba ................................................................................... 102 
3.12.6. Cálculo da corrente nominal de motor submerso .................................................... 103 
3.13. SISTEMA ELÉTRICO DE ACIONAMENTO E PROTEÇÃO DE MOTOBOMBAS 
 ................................................................................................................................................ 104 
x 
 
 
3.13.1 Considerações sobre a NR-10.................................................................................. 106 
3.13.2 Diagrama multifilar ................................................................................................. 106 
3.13.3 Acionamentos aplicados a motobombas: PD, PC, PS, PI ...................................... 107 
3.13.4 Comparativo entre principais tipos de acionamentos .............................................. 112 
CAPÍTULO IV ...................................................................................................................... 115 
4. METODOLOGIA E PESQUISA DE DADOS .............................................................. 115 
4.1 Descrição das etapas metodológicas................................................................................. 117 
4.2 Descrição dos equipamentos analisados ........................................................................... 119 
4.3 Requisitos para operação das motobombas ...................................................................... 126 
4.4 Descrição da instrumentação utilizada e coleta de dados ................................................. 127 
CAPÍTULO V ....................................................................................................................... 130 
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES ...................................................................................130 
5.1 RESULTADOS DA 1ª ETAPA ....................................................................................... 130 
5.1.1 Análise da conformidade dos dados ........................................................................... 130 
5.1.2 Inspeção termográfica................................................................................................. 134 
5.1.3 Médias de CEE por produção ..................................................................................... 136 
5.1.4 Comparativo do CEE por produção ........................................................................... 137 
5.2 RESULTADOS DA 2ª ETAPA ....................................................................................... 138 
5.2.1 Modelo de Roda de Falhas das motobombas submersas. .......................................... 138 
5.2.2 Análise sob o aspecto das chaves de partidas ............................................................. 142 
5.3 CONSIDERAÇÕES ......................................................................................................... 143 
5.3.1 Roda de Falhas ........................................................................................................... 143 
5.3.2 Manutenção ................................................................................................................ 144 
5.3.3 Performance e confiabilidade ..................................................................................... 144 
5.3.4 Gargalos nas instalações das motobombas ................................................................. 145 
CAPÍTULO VI ...................................................................................................................... 146 
6 CONCLUSÕES .................................................................................................................. 146 
6.1 PERSPECTIVAS DE TRABALHOS .............................................................................. 147 
REFERÊNCIAS ................................................................................................................... 148 
APÊNDICE A – Checklist genérico de inspeção e manutenção para poços ................... 154 
APÊNDICE B – Recortes das medições de parâmetros operacionais e de manutenções
 ................................................................................................................................................ 155 
APÊNDICE C – Simulação de vida de motobomba genérica via software Blocksim .... 157 
ANEXO A – Dados técnicos, perfil litológico, teste de produção e da qualidade da água 
de poço tubular ..................................................................................................................... 164 
ANEXO B – Planta da captação, com cortes e detalhes do tratamento, comando e poço 
tubular (CAERN) ................................................................................................................ 168 
ANEXO C – Informações necessárias para um dimensionamento correto da AMT, 
Vazão e Potência de MotoBombas Submersas .................................................................. 169 
ANEXO D – Curvas características das quatro bombas submersas analisadas ............ 172 
ANEXO E – Quadro com defeitos, causas e soluções sobre motobombas ...................... 174 
 
 
 
xi 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 1.1. Localização da área dos poços tubulares ............................................................... 23 
Figura 2.1. Esquematização de tipos de falhas ......................................................................... 26 
Figura 2.2. Esquema dos tipos de falhas .................................................................................. 27 
Figura 2.3. Roda de Falhas com quatro ambientes de falhas ................................................... 28 
Figura 2.4. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em série................................... 36 
Figura 2.5. Diagrama de blocos para sistema de itens ligados em paralelo ............................. 36 
Figura 2.6. Representação genérica em diagrama de blocos de sistemas série-paralelo e 
paralelo-série, com respectivas decomposições em subsistemas ............................................. 37 
Figura 2.7. Curvas de probabilidade condicional de falhas (função de risco) ......................... 39 
Figura 2.8. Exemplo de curva de banheira e ciclo de vida de equipamentos ........................... 40 
Figura 2.9. Falhas (em vermelho) ocorridas em um mês numa instalação de motobomba ..... 42 
Figura 3.1. Estrutura do consumo por classe (%) no Sistema Interligado Nacional (SIN) ..... 44 
Figura 3.2. Distribuição do consumo de energia elétrica por uso final na indústria ................ 44 
Figura 3.3. Ilustração de raízes invasoras, Jurema e Algaroba................................................. 52 
Figura 3.4. Colunas em estágios avançados de corrosão .......................................................... 55 
Figura 3.5. À esquerda o crivo de uma bomba submersa, à direita, tubulação edutora com 
incrustação de calcário.............................................................................................................. 56 
Figura 3.6. Diagnóstico de ponto quente em emenda de cabo, PT-09 Bairro Cohabinal, em 
23/06/2016 ................................................................................................................................ 63 
Figura 3.7. Diagnóstico de ponto quente em cabo do disjuntor, PT-20 Bairro Nova 
Parnamirim, em 08/11/2015 ..................................................................................................... 63 
Figura 3.8. Diagnóstico de descontinuidade entre terminais do enrolamento do motor, com 
sobrecarga nas fases R e T, PT-17 Bairro Nova Parnamirim, em 06/01/2016 ......................... 64 
Figura 3.9. Triângulo de potência ............................................................................................. 74 
Figura 3.10. Subdivisão tipológica da manutenção .................................................................. 77 
Figura 3.11. Evolução de trinca em suporte da roldana de um elevador .................................. 86 
Figura 3.12. Visões sobre a assimilação de falhas funcionais .................................................. 89 
Figura 3.13. Perfil típico de instalação de motobomba submersa em poço profundo .............. 92 
Figura 3.14. Típica aplicação de camisa indutora de fluxo ...................................................... 95 
Figura 3.15. Montagem de camisa de sucção em motobomba submersa ................................. 96 
Figura 3.16. Principais tipos de bombas e classificação das bombas submersas ..................... 99 
Figura 3.17. Cortes transversais em duas motobombas, uma com rotor radial e outra com rotor 
semi-axial ............................................................................................................................... 100 
Figura 3.18. Diagrama multifilar de partida direta ................................................................. 108 
Figura 3.19. Diagrama multifilar de partida compensadora ................................................... 109 
Figura 3.20. Diagrama multifilar de uma chave de partida Soft-Starter, modelo 3RW30 
fabricante Siemens .................................................................................................................. 110 
xii 
 
 
Figura 3.21. Diagrama simplificado de chave de partida Soft-starter para instalação de motor 
trifásico ................................................................................................................................... 110 
Figura 3.22. Chave inversor de frequência, instalação para motor trifásico .......................... 112 
Figura 3.23. Diagrama de partida estrela-triângulo ................................................................113 
Figura 4.1. Fluxograma de etapas do trabalho........................................................................ 116 
Figura 4.2. À esquerda, parte frontal do quadro de comandos, à direita barrilete do poço com 
motobomba PC ....................................................................................................................... 120 
Figura 4.3. Quadro de comandos e proteção da motobomba PC (Partida Compensadora) .. 120 
Figura 4.4. À esquerda, o barrilete do poço com motobomba PD, à direita, o abrigo do QCP 
 ................................................................................................................................................ 121 
Figura 4.5. Quadro de comandos e proteção da motobomba PD (Partida Direta) ................ 122 
Figura 4.6. Barrilete do poço com motobomba PS ................................................................ 123 
Figura 4.7. Quadro de comandos e proteção do poço com motobomba PS (Partida Soft-
Starter) ................................................................................................................................... 123 
Figura 4.8. QCP (à esquerda), terminais de comando e de alimentação (ao centro), e LCP do 
inversor (à direita) ................................................................................................................. 125 
Figura 4.9. Barrilete do PT-63 com motobomba PI (à esquerda), transmissor de pressão (ao 
centro), e macromedidor de vazão (à direita) ........................................................................ 125 
Figura 4.10. Alicate Wattímetro ............................................................................................. 127 
Figura 4.11. Função Potência Trifásica com Carga Balanceada, chave na posição “3~Bal *1~”
 ................................................................................................................................................ 128 
Figura 4.12. Câmera termográfica, cedida pelo Laboratório de Energia UFRN .................... 128 
Figura 4.13. Termohigrômetro utilizado durante as inspeções termográficas ....................... 129 
Figura 4.14. Manômetro utilizado .......................................................................................... 129 
Figura 5.1. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PC...................... 131 
Figura 5.2. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PD ..................... 131 
Figura 5.3. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PS ...................... 132 
Figura 5.4. Ficha de inspeção de parâmetros operacionais da motobomba PI ....................... 132 
Figura 5.5. Quadro de comandos PC ...................................................................................... 134 
Figura 5.6. Quadro de comandos PD ...................................................................................... 134 
Figura 5.7. Quadro de comandos PS ...................................................................................... 135 
Figura 5.8. Terminais do inversor de frequência PI ............................................................... 135 
Figura 5.9. Motobomba PC - Operação: 18h/dia.................................................................... 136 
Figura 5.10. Motobomba PD - Operação: 24h/dia ................................................................. 136 
Figura 5.11. Motobomba PS - Operação: 24h/dia .................................................................. 137 
Figura 5.12. Motobomba PI - Operação: ~12h/dia ................................................................. 137 
Figura 5.13. Modelo de Roda de falhas adaptado para motobombas submersas ................... 139 
Figura 5.14. Principais mecanismos de danos secundários, envolvendo transições em 
ambientes do modelo da Roda de falhas ................................................................................ 140 
 
 
xiii 
 
 
LISTA DE QUADROS E TABELAS 
 
 
QUADROS 
 
Quadro 2.1. Classificação VS Tipos de falhas ......................................................................... 27 
Quadro 3.1. Problemas, causas e possíveis soluções em poços tubulares ................................ 48 
Quadro 3.2. Principais falhas, efeitos, causas e ações corretivas de rotina, da manutenção 
operacional nos poços da UNAP .............................................................................................. 49 
Quadro 3.3. Temperaturas características de condutores com diferentes tipos de isolação ..... 65 
Quadro 3.4. MTA para itens de instalações elétricas de motobombas submersas ................... 66 
Quadro 3.5. Exemplo de efeitos dos desequilíbrios de tensão em motor de indução trifásico.66 
Quadro 3.6. Discriminação dos setores da indústria, relativa ao gráfico 3.3 ........................... 68 
Quadro 3.7. Classificação e destaque dos principais distúrbios da QEE associados a danos nas 
instalações de motobombas ...................................................................................................... 69 
Quadro 3.8. Tensão nominal de atendimento para intervalos de variações em pontos de 
conexão igual ou inferior a 1 kV (380/220) ............................................................................ 72 
Quadro 3.9. Normas em vigor no Brasil sobre Termografia .................................................... 87 
Quadro 3.10. Custo de manutenção em relação ao faturamento bruto (Abraman 2011) ........ 88 
Quadro 3.11. Materiais utilizados nos principais itens de uma bomba submersa .................. 101 
Quadro 3.12. Parâmetros de monitoramento de poços ........................................................... 102 
Quadro 3.13. Comparação entre os principais métodos de partidas ....................................... 114 
Quadro 4.1. Formas de obtenção de dados ............................................................................. 118 
 
TABELAS 
 
Tabela 2.1. Tempos (em horas) de ocorrência de falhas para as condições de operação de uma 
motobomba na hipótese apresentada ........................................................................................ 42 
Tabela 3.1. Máximas velocidades de sucção ............................................................................ 61 
Tabela 3.2. Potência aparente de uma instalação elétrica de motobomba ................................ 73 
Tabela 3.3. Folga de potência em função do quociente entre potência nominal do motor e 
potência consumida pela bomba ............................................................................................... 94 
Tabela 3.4. Vazões e fluxos mínimos exigidos para a refrigeração de diversos diâmetros de 
motor e de poço, com água até 30°C ........................................................................................ 95 
Tabela 4.1. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PC ......................................... 119 
Tabela 4.2. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PD......................................... 121 
Tabela 4.3. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PS ......................................... 123 
Tabela 4.4. Dados do perfil do poço tubular e da motobomba PI .......................................... 124 
Tabela 5.1. Índices simbólicos de confiabilidades baseados nas idades operacionais e na vida 
média das motobombas submersas ......................................................................................... 133 
 
xiv 
 
 
LISTA DE GRÁFICOS 
 
 
Gráfico 3.1. Números de RA's de falta d'água em 2015 ........................................................... 47 
Gráfico 3.2. Proporção de efeitos sobre ocorrências de falhas (%) .......................................... 50 
Gráfico 3.3. Custos estimados para interrupção de processo por um intervalo inferior a 1 
minuto .......................................................................................................................................67 
Gráfico 3.4. Curva da banheira de probabilidade de falha para um sistema que passou por três 
substituições de itens ................................................................................................................ 80 
Gráfico 3.5. Custos versus nível de manutenção ...................................................................... 89 
Gráfico 3.6. Curvas do sistema e da bomba submersa para um ponto de operação/trabalho 
genérico .................................................................................................................................. 102 
Gráfico 3.7. Comparativo entre correntes de partida, para diferentes tipos de acionamentos
 .............................................................................................................................................. ..112 
Gráfico 5.1. Resumo comparativo entre os resultados de CEE por produção dos poços ....... 138 
 
 
xv 
 
 
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 
 
 
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas 
AMT Altura Manométrica Total 
AT Alta Tensão 
BCO Boletim de Controle Operacional 
BCS Bombeio Centrífugo Submerso 
BSP British Standard Pipe 
BT Baixa Tensão 
CAERN Companhia de Águas e Esgotos do Rio Grande do Norte 
CA Corrente Alternada 
CC Corrente Contínua 
CEE Consumo Específico de Energia Elétrica (KWhmês/m³) 
CMBS Conjunto MotoBomba Submersa 
Cosern Companhia de Energética do Rio Grande do Norte 
DN Diâmetro Nominal 
EPRI Electric Power Research Institute 
EPR Etileno-Propileno 
ETA Estação de Tratamento de Água 
FMEA Failure Mode and Effect Analysis 
FP Fator de Potência 
FS Fator de Serviço 
FTA Failure Tree Analysis (Árvore de Falhas) 
IHM Interface Homem-Máquina 
MTA Máxima Temperatura Admissível 
MTTF Tempo Médio até a Falha (Mean Time to Failure) 
MTTR Tempo Médio para Reparo (Mean Time to Repair) 
MTBF Tempo Médio Entre Falhas. (Mean Time Between Failures) 
NA Normalmente Aberto (contato elétrico) 
NBR Norma Brasileira Regulamentadora 
NF Normalmente Fechado (contato elétrico) 
NR-10 Norma Regulamentadora n.°10 
NPT National Pipe Thread (Rosca cônica de tubulação) 
xvi 
 
 
OS Ordem de Serviço 
PT Poço Tubular 
PVC Policloreto de Vinil (do inglês Polyvinyl chloride) 
QCP Quadro de Comandos e Proteção 
QEE Qualidade de Energia Elétrica 
RA Registro de Atendimento 
RS FCI ReliaSoft Failure Cricality Index (Índice de criticidade de falhas) 
SAA Sistema de Abastecimento de Água 
SEMARH Secretaria de Meio Ambiente e Recursos Hídricos do Rio Grande do 
Norte 
SEP Sistema Elétrico de Potência 
SIN Sistema Interligado Nacional 
TAP Terminação Central de enrolamentos de um transformador 
TMEF Tempo Médio Entre Falhas 
UNAP Unidade de Operação e Manutenção de Águas de Parnamirim 
UPS Fonte de Alimentação Ininterrupta (Uninterruptible Power Supply) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xvii 
 
 
LISTA DE NOMENCLATURAS E SÍMBOLOS 
 
 
R (t) – Confiabilidade, função confiabilidade ou probabilidade de sobrevivência no tempo t. 
RS – Confiabilidade do sistema. 
D – Disponibilidade. 
P – Probabilidade de falha condicional. 
T – Tempo de interesse para o analista. 
t – Intervalo de tempo. 
iR – Confiabilidade do i-ésimo item no momento da análise. 
Rij – Confiabilidade do j-ésimo componente localizado no i-ésimo subsistema. 
nx – Evento do n-ésimo item em um estado operante. 
nx – Evento do n-ésimo item em um estado não-operante. 


n
i 1
– Produtório de i=1 ao n-ésimo item. 
F (x) – Função distribuição acumulada de uma variável x. 
f (x) – Função densidade de probabilidade de uma variável x. 
F (t) – Função distribuição de probabilidade de falhas ou função distribuição acumulada de 
falhas no tempo t. 
f (t) – Função densidade de falha, densidade de falha ou função densidade no tempo t. 
h (t) – Taxa de falha ou taxa de falha instantânea. 
λ (t) – Taxa condicional de falha , função de risco ou taxa de falha em função do tempo. 
λ – Taxa de falha constante. 
x – Média. 
σ – Desvio padrão. 
In – Corrente Nominal. 
UL – Tensão de linha, alimentação. 
UF – Tensão de fase. 
Q – Vazão volumétrica. 
V – Volume. 
E – Energia. 
Ce – Consumo específico. 
η – Rendimento. 
xviii 
 
 
W – Trabalho. 
ρ – Massa específica. 
γ – Peso especifico do fluido. 
°C – Grau Celsius. 
% - Percentagem. 
R, S, T – Fases da rede de alimentação. 
N – Neutro. 
F1, F2, F3 – Fusíveis de potência. 
F21 – Fusível de comando. 
K1, K2, K3 – Contactores, ou relés de comando. 
FT1 – Relé de sobrecarga térmico. 
M – Motor elétrico assíncrono trifásico. 
S1, S0 – Botões de comando (liga, desliga). 
KT1 – Relé eletrônico temporizador, retardo na energização de 3-30s. 
L1, L2, L3 – Lâmpadas sinalizadoras de comando. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
xix 
 
 
RESUMO 
 
PEREIRA, Leandro Luiz da Silva (2016). Análise de motobombas submersas com diferentes 
acionamentos elétricos a partir da Roda de Falhas. Natal, 2016. 174 p. Dissertação 
(mestrado) – Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do 
Rio Grande do Norte. 
 
Evitar falhas é uma medida extremamente necessária quando se gerencia sistemas de 
produção e distribuição de água com 95% das redes pressurizadas diretamente por poços. 
Baseado nas frequentes faltas de água em 2015, registradas pela CAERN na Unidade de 
Operação e Manutenção de Águas de Parnamirim (UNAP), destacam-se as avarias causadas 
por sobreaquecimento e outros danos de natureza mecânica e elétrica que levam a falhas nas 
instalações de motobombas submersas. Nesse escopo, este trabalho foi dedicado a realizar um 
estudo de caso sobre as instalações de quatro motobombas dos poços PC, PD, PS e PI, com 
diferentes acionamentos elétricos, utilizando a proposta da Roda de Falhas (Failure Wheel) 
numa análise preditiva elétrica e termográfica, para inferir qualitativamente sobre o nível de 
confiabilidade e custo de manutenção na concessionária de abastecimento d’água. Para 
subsidiar as análises foram inspecionados itens importantes das referidas instalações, 
observando suas relações de conformidade com as especificações das motobombas, onde 
foram efetuadas medições de parâmetros elétricos e térmicos de operação, incluindo variáveis 
de estresse para auxiliar no diagnóstico e estimar os desempenhos dessas máquinas. A análise 
foi conduzida por ficha de inspeção de parâmetros operacionais, checklist e pela Roda de 
Falhas em discussão, que permitiram diagnósticos sobre os dados das inspeções e do histórico 
de falhas recorrentes. Nesse sentido, a aplicação da Roda de Falhas se deu com a adaptação de 
um modelo para as motobombas submersas, identificando os principais mecanismos de danos 
associados às causas gerais de falhas, que demonstrou viabilidade em rotinas de manutenção 
baseada na condição para análise detectiva-preditiva de falhas em curso nos equipamentos. 
Comparando o consumo específico de energia entre as motobombas, a PI, com acionamento 
por inversor de frequência, obteve melhor rendimento, oferecendo maior eficiência energética 
durante a captação d’água entre julho de 2015 e julho de 2016. A mesma demonstrou risco 
reduzido de falhas típicas de motobombas dentre os equipamentos, tendo em vista o menor 
nível térmico em operação apresentado nas termografias, e o menor estresse causado devido 
às características da chave de partida. Conclui-se, portanto, que seu nível de confiabilidade foi 
o maior, seguido da PS, PC e PD. As vantagens da aplicação sistemática da proposta, aliada a 
uma política de manutenção planejada, apontam para a redução de intercorrências por falhas e 
perdas de produção, e com isso, permitem diminuir trocas prematuras de equipamentos e 
custos com manutenção e energia elétrica. Como resultado da pesquisa obteve-se umametodologia de acompanhamento preditivo, visando ações de manutenção antes da falha 
catastrófica sobre itens em percurso de danos. 
 
Palavras-Chave: Motobomba; Poço Tubular; Parâmetros operacionais; Roda de Falhas; 
Manutenção; Confiabilidade. 
 
xx 
 
 
ABSTRACT 
 
PEREIRA, Leandro Luiz da Silva (2016). Analysis of submersible motor pumps with different 
electric drives from the Failure Wheel. Natal, 2016. 174p. Dissertation (masters) – Programa 
de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte. 
 
Avoiding failures is an extremely necessary measure when managing water production and 
distribution systems with 95% of networks pressurized directly by wells. Based on the 
frequent water shortages in 2015, registered by CAERN at the Parnamirim Water Operation 
and Maintenance Unit (UNAP), the most notable are the damages caused by overheating and 
other mechanical and electrical damages that lead to failures in the motor pump Submerged. 
In this scope, this work was carried out to carry out a case study on the installations of four 
well pumps PC, PD, PS and PI, with different electric drives, using the Failure wheel proposal 
in an electric predictive analysis And thermographic, to qualitatively infer about the level of 
reliability and cost of maintenance in the water supply concessionaire. In order to subsidize 
the analyzes, important items of the aforementioned facilities were inspected, observing their 
relations of conformity with the specifications of the pumps, where electrical and thermal 
parameters of operation were carried out, including stress variables to aid in the diagnosis and 
to estimate the performances of these machines. The analysis was carried out by a checklist of 
operational parameters, checklist and by Failure Wheel in discussion, which allowed for 
diagnoses on inspection data and the history of recurring faults. In this sense, the application 
of the Failure Wheel occurred with the adaptation of a model for the submersible pumps, 
identifying the main damage mechanisms associated to the general causes of failures, which 
demonstrated viability in maintenance routines based on the condition for detective-predictive 
analysis of faults in the equipment. Comparing the specific energy consumption between the 
pumps, the PI, with drive by frequency inverter, obtained better efficiency, offering greater 
energy efficiency during the water harvest between July 2015 and July 2016. It showed a 
reduced risk of failure Typical of motor pumps, among the equipment, considering the lower 
thermal level in operation presented in thermographs, and the lower stress caused due to the 
characteristics of the starter. It was concluded, therefore, that its reliability level was the 
highest, followed by PS, PC and PD. The advantages of the systematic application of the 
proposal, coupled with a planned maintenance policy, point to the reduction of intercurrences 
due to failures and losses of production, and with this, allow to reduce premature equipment 
changes and costs with maintenance and electric energy. As a result of the research, a 
methodology of predictive monitoring was obtained, aiming at maintenance actions before the 
catastrophic failure on items in the course of damages. 
 
Keywords: Motor pump; Tubular well; Operating parameters; Failure Wheel; Maintenance; 
Reliability. 
 
21 
 
 
CAPÍTULO I 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
A utilização dos recursos hídricos vem crescendo a cada dia, visto que a demanda 
acompanha o crescimento mundial junto às mudanças climáticas, o que torna a escassez da 
água uma preocupação combinada aos dilemas socioeconômicos e ambientais da “produção” 
e distribuição de água, para as diferentes necessidades dos consumidores. 
É perceptível a tendência atual a soluções que visem à redução do desperdício, como o 
reaproveitamento de águas pluviais, a captação de água de chuva, o reuso doméstico, o 
tratamento de esgotos, os métodos de lavagem a seco e os dispositivos economizadores de 
água em equipamentos hidráulicos. Mesmo a tecnologia avançando no mundo a exploração de 
águas de rios, e de poços, por meio de Conjuntos MotoBombas Submersas (CMBS), ainda 
persistirá como principais fontes de água potável. Enquanto a salgada água do mar não 
apresenta vantagens econômicas suficientes para viabilizar sua potabilidade, é imprescindível 
que o ser humano compreenda o reaproveitamento dos recursos naturais em todos os 
mecanismos ao seu redor. 
Em curso de pleno desenvolvimento, a economia globalizada tem sido afetada com o 
aumento notório na demanda por produtos, sistemas e novos processos de desempenho a 
custos competitivos. Nesse âmbito, surge a necessidade de manter a qualidade, a confiança, a 
integridade física e financeira nos processos de produção industrial, no que tange os 
envolvidos, o cliente, a empresa e seus equipamentos. Isso se traduz em relevar critérios para 
a operacionalização e manutenção industrial, prevendo a disponibilidade de equipamentos, e 
reduzindo a probabilidade de falhas que afetem os custos envolvidos na produção e a 
segurança homem/máquina. 
A confiabilidade e a manutenção preditiva industrial constituem uma área da engenharia 
mecânica de extrema importância na otimização da disponibilidade de sistemas e processos 
produtivos. A eletromecânica e a eletroeletrônica de máquinas e equipamentos são vastos 
campos de tecnologias aplicadas à produção industrial, que coexistem com os gargalos das 
falhas. Assim, exigem uma crescente busca por soluções em automação, mas com avanços em 
manutenção preditiva e economicidade de recursos, sendo um campo fértil e desafiante de 
pesquisas. 
A identificação e correção de problemas eletromecânicos de manutenção é um esforço 
que as indústrias fazem para elevar os níveis de confiabilidade dos sistemas e para aumentar o 
lucro operacional, sendo alavancados pela otimização do tempo de operação (idade) das 
máquinas e equipamentos. Nesse contexto, os motores elétricos merecem atenção especial, 
pois são responsáveis por cerca de 90% dos acionamentos de máquinas associadas a processos 
industriais (BULGARELLI, 2006). 
Em afirmação aos aspectos de produção em processos industriais, 
 
 
22 
 
 
[...] necessitam ser analisados de forma a possibilitar a produção com qualidade, 
segurança e a custos desejados. Os custos de investimento e de consumo de energia 
podem ser otimizados pela rígida coordenação entre o motor e a carga acionada, 
uma vez que a menor potência possível para o motor deve ser especificada, de forma 
a operar no valor de eficiência mais alto possível, o que não ocorreria se o motor 
tivesse sido sobredimensionado. A seleção e a aplicação adequada dos dispositivos 
de proteção do motor contribuem para minimizar os custos operacionais da indústria 
(BULGARELLI, 2006, p.2). 
 
Nessa perspectiva, é possível indicar o nível de eficiência produtiva, onde, no caso de 
motobombas voltados para o abastecimento d’água, é plausível analisar a energia despendida 
para produzir um determinado volume d’água, determinando o Consumo Específico de 
Energia (CEE). 
 
1.1. Cenário do estudo proposto 
 
O número de faltas de água em 2015 registrado pela Unidade de Operação e 
Manutenção de Águas de Parnamirim/RN (UNAP) da Companhia de Águas e Esgotos do Rio 
Grande do Norte (CAERN), levou à condução deste estudo como proposta de prevenção e 
predição de falhas com diversas causas nos sistemas de captação de água por bombeamento 
submerso. 
Para o caso abordado, o município aludido foi atribuído pelo fato de ter um número 
elevado de sistemas interdependentes, com 108 Poços Tubulares (PT) ativos, injetando 
diretamente na rede de distribuição, e por ter uma unidade de manutenção localizada no 
centro da cidade. Parnamirim/RN é um município do estado do Rio Grande do Norte que 
pertence à região metropolitana de Natal, à mesorregiãodo leste potiguar e à microrregião de 
Natal, distando desta 12 Km ao sul. Ocupa uma área de 123Km², e sua população estimada 
em 2016 era de 248.623 habitantes, estando como terceiro município mais populoso do 
estado, conforme dados do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE). 
A alta incidência de falhas nesse sistema de abastecimento se deve a inexistência de um 
programa de manutenção planejada na unidade da concessionária, limitando o atendimento às 
intervenções corretivas não planejadas (depois da falha), e, em determinados casos, a sistemas 
de captação de poços que necessitam de correção preventiva, quando identificada a iminência 
de falha. “O aquecimento atípico, que acompanha o excesso de corrente ou à alta resistência 
elétrica, é a principal causa de problemas em sistemas elétricos” (FLUKE, 2014). 
Havendo um forte potencial de exploração de reservatórios subterrâneos d’água na 
região de Parnamirim/RN, viabilizada por estudos geológicos da CAERN sobre o manancial, 
e diante do preceito maior que é garantir o fornecimento de água aos consumidores da região, 
torna-se importante garantir a integridade dos equipamentos para o sistema de abastecimento, 
agregando confiabilidade, mediante sistemática de manutenção preventiva e preditiva. 
Dentro de uma perspectiva de sustentabilidade, a otimização dos processos produtivos 
deve ser enxergada como resultado de avanços na manutenção planejada e nos níveis de 
confiabilidade e disponibilidade de equipamentos, além da qualidade que passa pela 
mantenabilidade do patrimônio e pela segurança do pessoal envolvido. Assim, a 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Instituto_Brasileiro_de_Geografia_e_Estat%C3%ADstica
23 
 
 
confiabilidade tratada neste trabalho evidencia-se como estratégia de maximização da 
produção, ao garantir maior retorno sobre o capital investido. 
Dessa maneira, a pesquisa desenvolvida fornece subsídios para uma logística de 
manutenção mais eficiente nas instalações dos poços de exploração d’água e na avaliação das 
motobombas com modos distintos de acionamentos, através de uma abordagem analítica 
sobre confiabilidade e falhas. 
Nesse escopo, este trabalho dedicou-se a realizar um estudo de caso sobre as instalações 
de quatro motobombas dos poços 34, 23, 31 e 63, com diferentes acionamentos elétricos. Os 
três primeiros poços localizam-se no bairro Nova Parnamirim e o último em Emaús. Para 
facilitar a compreensão ao tratar dos poços e tipos de acionamentos das motobombas, os 
mesmos foram intitulados, respectivamente como “PC”, “PD”, “PS" e “PI”, referindo-se às 
motobombas com partidas Compensadora, Direta, Soft-Starter e Inversor de frequência. O 
mapa da figura 1.1 representa a área de localização dos quatro poços com marcadores. 
Figura 1.1. Localização da área dos poços tubulares (Adaptado de Google Earth). 
 
A análise foi baseada numa metodologia preditiva elétrica e termográfica, e com 
aplicação do conceito da Roda de falhas (Failure Wheel), para inferir qualitativamente sobre o 
nível de confiabilidade e custo de manutenção na concessionária de abastecimento d’água. 
A descrição completa dos equipamentos analisados encontra-se no item 4.2. 
Subsidiando as análises, foram inspecionados itens importantes das instalações elétricas, 
como disjuntores, contactores, soft-starter e inversor de frequência, observando suas relações 
de conformidade com as especificações das motobombas. Dessa forma, foram efetuadas 
medições de parâmetros elétricos e térmicos de operação, incluindo variáveis de estresse, para 
auxiliar no diagnóstico e estimar os desempenhos das motobombas. 
888m 
451m 
1801m 
2204m 
24 
 
 
As análises das instalações dos poços consistiram em inspeções baseadas nas 
especificações dos “datasheets” (ficha de dados) das motobombas submersas, quanto à 
dispersão de valores dos parâmetros de operação do fabricante. Nessas análises preliminares 
duas ferramentas foram essenciais, a “ficha de inspeção”, para registro das medições dos 
parâmetros operacionais, e o “checklist”, para propor ações de manutenção a partir de 
condições iniciais e de observações, em um roteiro com 20 procedimentos preestabelecidos 
como importantes. Em seguida, o produto da avaliação conduzida por esse estudo foi 
direcionado para a elaboração de um modelo de Roda de falhas, voltado especificamente para 
identificação dos modos de falhas recorrentes em motobombas submersas. 
Os aspectos apresentados pelas ferramentas anteriores colaboraram para julgar o grau de 
confiabilidade das motobombas, considerando ainda os sistemas sob os tipos de acionamentos 
eletromecânicos. 
Dentro da finalidade deste trabalho não foram discutidas as falhas classificadas como 
mecânicas, devido a itens como válvulas de controle, de retenção e outros, tendo em vista que 
estes itens, em geral, não são considerados críticos para a disponibilidade dos sistemas. Com 
base nisso, entende-se que a manutenção sobre esses itens pode ser administrada com mais 
facilidade, em comparação com a logística demandada para a solução de problemas em 
motobombas submersas. 
Não serão apresentadas, ainda, as condições de validade estatística de distribuições dos 
tempos de falha sobre o conceito de confiabilidade, sendo factíveis de consultas nas 
referências bibliográficas. Nesse sentido, o assunto é centrado na análise de falhas e 
otimização da manutenção, partindo dos seguintes pontos: 
1. Consultar equipe de manutenção sobre as falhas recorrentes nos poços da 
CAERN/Parnamirim para balizar o estudo sobre quatros poços tubulares de 
exploração d’água subterrânea, PC, PD, PS e PI; 
2. Analisar a conformidade de medições e registros (em Ficha de inspeção) de 
parâmetros operacionais e variáveis de estresse nos quadros de comandos, seguindo os 
procedimentos de um Checklist para as instalações dos poços; 
3. Aplicar um modelo de “Roda de falhas” adaptado às motobombas submersas para 
identificação dos principais mecanismos de danos, baseado no conhecimento das 
causas gerais de falhas nas instalações de poços; 
4. Avaliar os níveis de confiabilidade das motobombas com base nos parâmetros 
operacionais medidos, nos dados de consumo específico de energia, nos modos de 
falhas apresentados na Roda de falhas, e nos diferentes tipos de acionamentos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
 
 
O presente trabalho é composto de 6 capítulos, estruturados em ordem sucinta: 
 
Capítulo 1: apresenta-se uma introdução levantando as principais discussões a respeito do 
cenário do estudo proposto; 
Capítulo 2: a fundamentação teórica traz à luz os pressupostos teóricos do tema 
confiabilidade, e da metodologia da Roda de falhas, onde se faz a revisão bibliográfica; 
Capítulo 3: apresenta as implicações da manutenção na produção industrial, tratando sobre 
uma série de falhas típicas de poços tubulares, dos conceitos e métodos de manutenção 
planejada; 
Capítulo 4: aborda a metodologia explorada, onde são descritas duas etapas procedimentais 
que correspondem à Entrevista não formal à equipe de manutenção; Medições de parâmetros 
operacionais; Coleta, análise de dados e cálculo de Consumo Específico de Energia; e, 
Metodologia da Roda de Falhas como proposta para análise dos modos de falhas e 
performance das motobombas. 
Capítulo 5: apresenta os resultados e discussões acerca da metodologia e pesquisa de dados. 
Capítulo 6: apresenta as conclusões e perspectivas para a continuação da pesquisa. 
Referências 
Apêndices 
Anexos 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
26 
 
 
CAPÍTULO II 
 
2. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA 
 
Com a finalidade de estabelecer critérios para a estimativa de até quando é viável a 
manutenção de equipamentos, torna-se necessário definir os elementos que afetam essa 
avaliação, ao tratar de assuntos chaves como falha, confiabilidade, tipos e metodologias de 
manutenção. 
 
2.1. Definição de falha 
 
 A falha ou fracassode um item qualquer é definida como um evento no qual é cessada 
sua função especificada. Para Lafraia (2001), a falha funcional de qualquer item é sua 
incapacidade de atingir o padrão de desempenho esperado. 
 A figura 2.1 apresenta um esquema com os principais tipos de falhas: 
 
 
Figura 2.1 Esquematização de tipos de falhas. Fonte: Blache & Shrivastava (1994) apud Oliveira et al. (2012). 
 
Nessa esquematização os tipos de falhas são classificados sob critérios distintos, 
conforme o quadro 2.1 (LAFRAIA, 2001). 
27 
 
 
 
Quadro 2.1. Classificação VS Tipos de falhas. Fonte: Lafraia (2001). 
 
A respeito desse quadro, Unfer (2011) descreve os tipos de falhas quanto ao grau de 
importância na operação de um sistema, e em relação ao surgimento: 
 Falha Parcial: Desvios de características, além de limites estabelecidos, mas que não 
causam perda completa da função requerida. 
 Falha Completa: Desvios além de limites estabelecidos, causando perda total da função 
requerida. 
 Falha Gradual: Ocorrência pode ser prevista através de inspeção e/ou acompanhamento. 
 Falha Súbita: Ocorrência imprevisível e falha aleatória 
 
Em geral, um sistema que é afetado por uma falha total/completa gradual distingue-se 
pela negligência na falta de acompanhamento sobre os ativos. Já no tipo de falha parcial 
gradual, a degradação está relacionada aos mecanismos de danos e intempéries. 
Quando ocorre uma falha, seja em um ativo ou em uma instalação, a função prejudicada 
pode ser completa ou parcial (conforme diagrama da figura abaixo), desta maneira, a ação de 
correção pode também ser temporária (paliativa), caracterizando a ação realizada sobre o 
efeito, ou final (reparo completo), caracterizando a ação realizada sobre a causa (JUNIOR, 
2011). 
 
Figura 2.2. Esquema dos tipos de falhas. Fonte: JUNIOR, 2011. 
 
 Dentro de um sistema produtivo existem vários ângulos de visualização de uma falha. 
Por exemplo, um conjunto motobomba que fornece uma vazão especificada para 60 m³/h de 
água, em um dado momento, passa a produzir 35m³/h. Mesmo perdendo a capacidade de 
transportar o fluido para pontos mais elevados e provocando a falta d’água nesses, a 
motobomba continua produzindo. Neste caso, considera-se a ocorrência de uma falha parcial 
28 
 
 
pelo fato do equipamento ainda fornecer movimento ao fluido (vazão), porém com perda de 
performance. 
 Em outra situação, o mesmo equipamento pode ser observado em um estado inoperante, 
caracterizando uma falha completa devido à vazão nula, seja por causa de falha do rotor da 
bomba, falha do motor ou operação em vazio, que pode se enquadrar como um problema de 
negligência operacional, ou ainda, a coexistência de todos esses problemas. Em ambos os 
casos, os modos de falhas típicos do equipamento são responsáveis pela perda parcial ou total 
de sua função, os quais serão estudados mais adiante. 
Para a definição da necessidade de aplicação de análise de falhas, são utilizados alguns 
parâmetros, entre eles (JUNIOR, 2011): 
 Criticidade do ativo; 
 Riscos de segurança; 
 Riscos ambientais; 
 Indisponibilidade dos ativos; 
 Riscos a qualidade do produto; 
 Reincidência da falha. 
A falha de motobombas em poços será tratada como um evento de falta d’água, que 
corresponde a parada de funcionamento (indisponibilidade do ativo) devido a avarias no 
próprio equipamento, nos circuitos de força e comandos ou na rede elétrica. 
 
2.2. Roda de Falhas 
 
Identificar mecanismos de danos potenciais em qualquer item/ sistema é fundamental na 
determinação de como estes possam falhar, o que reflete nos modos de falhas. O modo de 
falha pode ser definido como a descrição da característica física do efeito observado. 
A “Roda de Falhas” (Failure Wheel) ou “Roda do fracasso”, conforme Tanzer e 
Westinghouse (2002, p. 733), é uma metodologia de classificação de mecanismos de danos 
representada por um sistema gráfico, a qual está ilustrada na figura 2.3. 
 
Figura 2.3. Roda de Falhas com quatro ambientes de falhas. Fonte: Tanzer e Westinghouse (2002, p. 733). 
29 
 
 
Segundo Tanzer and Westinghouse (2002), a investigação de falhas se dá a partir de 
suas causas base e de ações corretivas voltadas para a prevenção. A metodologia da Roda de 
falhas se destaca por sua simplicidade e organização na discussão de mecanismos de danos de 
casos práticos, sendo ainda pouco aplicada na manutenção industrial. 
A análise dos modos de falhas pode se concentrar em diferentes causas, como falhas de 
fabricação, instalação, mecanismos de danos, e outros. Nos modos de falhas do modelo 
acima, estão representados o sobreaquecimento (Temperature); a corrosão (Corrosion) o 
desgaste (Wear), e a tensão/fadiga (Stress). 
Em contrapartida o mecanismo de dano descreve como se dá o processo de deterioração 
do item/sistema até sua falha. Sua determinação começa por categorizar o 
componente/sistema em análise e conhecer suas especificações. Um método de categorização 
comum é dividir mecanismos de danos potenciais entre quatro categorias de modos de falha: 
Distorção; Fratura; Corrosão e Desgaste. 
Na Roda de Falhas as classificações são baseadas em categorizar mecanismos de danos 
de um dado equipamento em termos de ambiente. Na prática, seis modos de falhas são 
identificados em ambientes relacionados aos mecanismos de danos, dos quais quatro devem 
ser selecionados como os mais importantes para um item/sistema: 
 Estresse 
 Temperatura 
 Corrosão 
 Desgaste 
 Radiação 
 Eletricidade 
A compreensão que se deve ter sobre os mecanismos de danos individuais é de 
reconhecer que muitos deles atuam em mais de um ambiente de falha. O analista responsável 
deve descobrir e compreender o máximo de mecanismos de danos atuantes em um dado 
item/sistema, incluindo a distinção entre mecanismos primários e secundários de falhas. 
O principal mecanismo é a único responsável pela falha, os mecanismos de falhas 
secundários podem ser divididos em três categorias: 
 Mecanismos que foram induzidos por causa da presença do mecanismo de falha 
primário ou proveniente da mesma causa raiz do mecanismo primário; 
 Mecanismos independentes que contribuíram para o fracasso. Por exemplo, tais 
mecanismos podem ter contribuído acelerando o tempo ou a severidade dos danos; 
 Mecanismos que estavam presentes, mas sem relação com o fracasso. 
No caso específico de motobombas submersas, as falhas podem ocorrer através de 
modos distintos, em geral, por desgaste, sobreaquecimento, corrosão, fadiga e outros. 
 
2.3. Teoria das restrições e gargalos na produção 
 
Atualmente, a indústria vive um cenário de procura por melhores resultados, utilizando 
métodos que tendem a dar celeridade na produção e correção de erros, o que favorece a 
30 
 
 
competitividade, e, consequentemente a meta do lucro. Nessa visão, além dos métodos citados 
neste trabalho, vale destacar a Teoria das Restrições (TOC - Theory of Contraints) publicada 
no livro “A meta”, de autoria de Goldratt e Jeff Cox, que sugere a eliminação de gargalos e 
maximização da produtividade de uma empresa. 
De acordo com Alves et al. (2010), essa teoria teve início na década de 80 
fundamentada na criação do software Optimized Production Tecnology (OPT), como sistema 
de administração de produção, que surgiu de um planejamento de um sistema de pequena 
produção de gaiolas (ou galinheiros), desenvolvido na época pelo estudante de física 
israelense Eliyahu Moshe Goldratt, para ajudar um amigo. Com base nisso definiu que, 
“gargalo é qualquer recurso cuja capacidade seja igual ou menor que a demanda exigida deste 
recurso” (GOLDRATT, p.145, 1992). 
A ideia em torno do gargalo é que existe uma limitação física diante de um processo 
produtivo, ou, analogamente, uma restrição transposta para outros setores que não têm contato 
direto com a operacionalização da produção. Para Barcaui e Quelhas (2008), a TOC consideraa empresa não em partes isoladas, mas como um sistema integrado, onde o item global 
depende dos empenhos de todos os envolvidos. Neste sentido é plausível observar a relação 
da Teoria das Restrições com a Gestão de manutenção e processos, destacando-se a 
manutenção industrial com base na confiabilidade e disponibilidade de itens. 
Nesse âmbito, é importante impor condições de manutenção aos itens, do tipo: qualquer 
parada maior que “x” minutos nas máquinas gera-se um gargalo, e isso é condição para que se 
realize uma análise de falha para a manutenção, do contrário o prejuízo financeiro total sobre 
o sistema será “y”. Assim, reduzir gargalos significa reduzir horas perdidas no sistema inteiro, 
o que vai ao encontro da teoria das restrições, que aponta a melhoria da eficiência produtiva 
pela redução de restrições e despesas operacionais, com manutenções corretivas e reposição 
de itens. 
 Para tanto, é possível analisar poços voltados para o abastecimento d’água como um 
sistema produtivo com pontos suscetíveis a falhas, logo, dependentes de um balanceamento 
de recursos a nível de aperfeiçoamento de pessoal, manutenção e aquisição de itens de 
qualidade. Neste trabalho, pode-se dizer que a TOC se relaciona com a termografia, aliada à 
manutenção preditiva, quando sua aplicabilidade favorece a redução danos maiores, por esse 
lado, implicando na predição de falhas que se manifestam como gargalos. 
 
2.4. Breve histórico da Confiabilidade 
 
Há pouco mais de 50 anos o conceito de confiabilidade vem sendo aplicado em sistemas 
técnicos. Na descrição evolutiva da história da confiabilidade, Knight (1991 apud 
FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009) coloca o significado tecnológico adquirido após a Primeira 
Guerra Mundial, período em que a confiabilidade foi empregada para apresentar estudos 
comparativos em aviões com um, dois ou quatro motores. Naquela conjuntura a 
confiabilidade era medida como um número de acidentes por hora de voo. 
Os protótipos de mísseis V-1 desenvolvidos na Alemanha por um grupo de engenheiros 
da equipe de Von Braun, durante a Segunda Guerra mundial, não obtiveram sucesso nos 
31 
 
 
testes, aterrissando antes do alvo ou explodindo durante o voo. Diante dessas falhas, o 
matemático Robert Lusser foi contratado para analisar o sistema operacional dos mísseis. 
Segundo a análise de Lusser, proposta pela lei de probabilidade de um produto com 
componentes em série, em que a confiabilidade de um sistema em série é igual ao produto das 
confiabilidades de suas partes componentes, sistemas com muitos componentes em série 
tendem a apresentar baixa confiabilidade. Embora ocorra melhora individual da 
confiabilidade em componentes o efeito tende a ser pequeno sobre o sistema (FOGLIATTO e 
RIBEIRO, 2009, p.3-4). 
Na perspectiva dos autores, a aplicação da confiabilidade seguiu um percurso 
importante, motivado pelas necessidades de desenvolvimento de produtos, processos e armas 
cada vez mais competitivas, além de disputas como a Guerra Fria. 
Nesse contexto, nos Estados Unidos, “A corrida para ser a primeira nação a enviar uma 
missão tripulada à Lua, em particular, motivou avanços na área da confiabilidade, tendo em 
vista os riscos humanos envolvidos”. A análise dos riscos associados à construção e operação 
de usinas nucleares centralizou o estudo da confiabilidade na década de 1970. Suas aplicações 
se consolidaram a partir daí nas mais diversas áreas, a exemplo de algumas ligadas à 
engenharia de produção, como: análises de risco e segurança, qualidade, otimização da 
manutenção, proteção ambiental e projetos de produtos (Ibid., p.4-5). Dentre essas, a 
otimização da manutenção assume uma relação estreita com a confiabilidade, através da 
adoção de programas de Manutenção Centrada em Confiabilidade (MCC). 
 
2.5. Grau de Confiabilidade 
 
A concepção da confiabilidade estabelece a probabilidade de um sistema ou item de 
realizar sua função com sucesso durante determinado intervalo de tempo. Os valores que pode 
assumir, de forma adimensional, são obtidos por cálculo que resultam entre zero e um, sendo 
que quanto maior esse valor maior o grau de confiabilidade. 
Na descrição dos tempos até a falha de um sistema, eles podem ser discretos (n.° de 
rotações até falha, n.° de partidas até falha, etc.), ou contínuos (tempo de calendário), sendo a 
variável aleatória representada por “T” e expressa na prática por “t”. As variáveis discretas 
podem ser aproximadas por variáveis contínuas, assim, supõe-se “T” continuamente 
distribuída com densidade de probabilidade f(t) e função acumulada de probabilidade F(t), em 
que as relações são dadas pelas equações (2.1), (2.2) e (2.3) (FOGLIATTO e RIBEIRO, 
2009): 
 
 (2.2) 
 
 (2.3) 
 (2.1) 
)('
)(
)( tF
dt
tdF
tf 
 
2
1
)()()( 12
t
t
dttftFtF
 
2
1
)()(
t
t
dttftF
32 
 
 
A função densidade de probabilidade f(t) expressa a variação da probabilidade de falhas 
pelo tempo. Já a função distribuição de probabilidade ou função acumulada de falhas F(t) 
exprime a probabilidade de falhas sobre um dado sistema em um intervalo de tempo de t1 a t2. 
Nessa descrição, a função de confiabilidade é dada pela probabilidade da unidade 
(componente/sistema) não falhar, ou seja, de sobreviver no intervalo (0, t], sendo expressa 
pela equação (2.4) (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009): 
 (2.4) 
A função de risco, ou taxa de falhas h(t) (hazard function ou hazard rate λ(t)) é uma 
medida de confiabilidade associada ao nível de risco de um sistema/item falhar dentro de um 
intervalo de tempo t. Unidades com mesma confiabilidade em t podem ter funções de risco 
bastante diferentes, sendo essa uma medida útil na comparação entre sistemas com 
propriedades distintas (ibid). 
Accioly (1995); Fogliatto e Ribeiro (2009) descrevem a relação entre a função de risco 
h(t), a função densidade de probabilidade f(t) e a função de confiabilidade R(t), para a 
estimativa dos tempos de vida de equipamentos, conforme a expressão (2.5). 
 
 (2.5) 
Essa taxa de falhas está intimamente ligada às características de um determinado objeto 
de estudo e representa sua probabilidade de funcionar até o tempo t, podendo a função ser 
ajustada aos dados reais de falhas encontrados. No entanto, 
A tarefa de ajustar uma distribuição seria extremamente fácil se tivéssemos dados de 
toda a população a ser estudada e esta população fosse homogênea. Entretanto o que 
geralmente ocorre é que temos apenas uma amostra de uma população, que 
poderíamos considerar infinita, e que dentro destes dados coexistem diversos tipos 
de causas responsáveis pelas falhas de nosso objeto de estudo (ACCIOLY, 1995, 
p.8). 
 
Ao longo do tempo a relação da confiabilidade no envelhecimento de equipamentos 
vem sendo estendida, onde muitas vezes nesse percurso acreditou-se que todo equipamento 
apresentaria características de desgaste. 
A otimização de processos industriais é uma forma de contribuir diretamente sobre a 
confiabilidade dos sistemas produtivos, aliada ao uso racional dos recursos disponíveis leva 
ao aumento da disponibilidade, e com isso, à sustentabilidade ambiental. 
Nesse contexto, a confiabilidade permeia basicamente duas formas de abordagens: 
 Qualitativa – abordagem baseada na Manutenção Centrada na Confiabilidade (MCC), 
a qual analisa os modos de falhas e seus efeitos para o sistema. 
 Quantitativa – abordagem baseada em modelos estatísticos de distribuições de 
probabilidades de falhas, os quais permitem estimar o tempo de vida do sistema, 
através de variáveis associadas, como número de ciclos de operação, número de 
falhas, tempo de paradas, e custos da manutenção e da perda de produção. 
)(
)(
)(1
)(
)(
tR
tf
tF
tf
th 


0),()(1)(1)(  ttTPtTPtFtR
33 
 
 
Na manutenção industrial, ambos os enfoques permitem aos profissionais da área 
atribuir graus de confiabilidade aos sistemas a partir da descrição de seus subsistemas.Na 
identificação dos objetos de estudo, um item pode ser analisado como sistema formado por 
um arranjo de equipamentos diversos, ou como um equipamento em particular, dependendo 
do propósito de estudo. Conhecendo os equipamentos e suas funções dentro de um sistema 
industrial, é conveniente utilizar ferramentas, métodos e normas que determinem a criticidade, 
a confiabilidade e a previsão de sobressalentes do sistema, promovendo com essas ações o 
aumento da disponibilidade e produtividade. 
A definição de confiabilidade, como função de um período de tempo, tem cinco 
implicações (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009): 
I. O analista deve definir uma unidade de tempo (exemplo: horas ou anos) para realização 
das análises; 
II. Modelos que descrevem os tempos até falha utilizam a variável aleatória T (e não X, 
como é usual na Estatística clássica); 
III. O tempo não deve ser interpretado literalmente, já que o número de ciclos também pode 
representar o tempo até a falha de um item; 
IV. A confiabilidade deve ser associada a um período de tempo ou duração de missão; e 
V. A determinação do que deveria ser usado para medir vida de um item nem sempre é 
óbvia; por exemplo, o tempo até falha de uma lâmpada pode ser definido como o 
número somado de horas até falha, considerando o número típico de acionamentos a que 
a lâmpada é submetida e desconsiderando o tempo desligada. 
Além disso, as condições ambientes são preponderantes na estimativa da confiabilidade, 
uma vez que operando em ambientes de calor ou umidade intensos um mesmo produto pode 
apresentar desempenho distinto, se confrontado a produtos sob condições climáticas amenas 
de uso. 
Embora haja proximidade entre os conceitos de confiabilidade e qualidade, a primeira 
introduz a passagem do tempo e a definição das especificações de uso pretendido para o item 
em estudo. Já a ideia de qualidade consiste em uma descrição atemporal e estática de um item, 
ou serviço, e determina o cumprimento de suas especificações com a menor variabilidade 
possível. Ao dar seguimento, a confiabilidade, 
 
[...] está associada à operação bem-sucedida de um produto ou sistema, na ausência 
de quebras ou falhas. Em análises de engenharia, todavia, é necessária uma definição 
quantitativa de confiabilidade, em termos de probabilidade. [...]. Os principais 
conceitos associados à confiabilidade são: qualidade, disponibilidade, 
mantenabilidade, segurança e confiança (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009, p.1-7). 
 
Nesse sentido, a confiabilidade se relaciona com a probabilidade quando se definem 
modelos de ciclo de vida de equipamentos, os processos que levam às falhas e as condições e 
regimes de operacionalização que venham a corromper seus desempenhos. Accioly (1995) e 
Sellitto (2005) repartem ideias complementares, ao afirmarem que o conceito de 
confiabilidade implica na probabilidade de que um item ou produto industrial execute suas 
funções com sucesso, sem que ocorra falha ou intervenções para manutenção dentro de um 
34 
 
 
tempo específico, e que isso deve obedecer a condições operacionais preestabelecidas. A 
NBR-5462 (1994) acrescenta a importância de algumas considerações como: 
 Condições ambiente de operação dos equipamentos 
 Tempo de operação do sistema, como indicativo da severidade dos danos. 
 Periodicidade de manutenção. 
Como modelo de estudo aplicado, Accioly (1995) realiza um estudo de confiabilidade 
de bombas centrífugas submersas considerando fatores de prognóstico relacionados. Nos 
objetivos, são investigados os dados de falha de um sistema de Bombeio Centrífugo 
Submerso (BCS), de modo a elucidar fatores que tem principal influência em seu 
desempenho, para obter os tempos médios de vida dos equipamentos. 
Para ajustar modelos estatísticos que admitam avaliar o risco de falha em equipamentos 
deve-se considerar o tempo de vida útil ou de sobrevivência até que ocorra a falha como 
variável de importância. O tempo de vida útil corresponde ao período de operação onde há a 
menor probabilidade de falhas. Nesse âmbito, 
 
A operação e o reparo de uma máquina em ambiente fabril são experimentos. O 
tempo até a falha, a produção até a falha e o tempo até o reparo são algumas das 
saídas do experimento. São variáveis aleatórias, entre outras, as: (i) horas entre 
falhas; (ii) unidades produzidas entre falhas; e os (iii) minutos até o reparo (LEWIS, 
1996 apud SELLITTO, 2005). 
 
Estas variáveis são consequências de outras variáveis aleatórias, tais como o tempo 
alocado para operação, a resistência dos materiais e a carga exigida pelo serviço. Como não se 
consegue conhecer e controlar todos os fatores ativos, usam-se técnicas probabilísticas para 
prever o comportamento das variáveis (Ibid, p.48). Essas afirmações caracterizam itens 
isolados, enquanto em sistemas é preciso considerar além das variáveis mencionadas o fator 
humano, que envolve riscos durante intervenções realizadas por operadores, muitas vezes 
ligadas à mau interpretação de instruções. 
 
2.6. Modelos de distribuição de probabilidade 
 
Na literatura, existem diversos modelos paramétricos que são utilizados de forma 
satisfatória para expressar os tempos de vida de sistemas e equipamentos, denominados 
modelos de distribuição de probabilidade para o tempo de falha. De acordo com o tipo de 
equipamento analisado e com o tipo de dados de falhas disponível é selecionada a distribuição 
de probabilidades para análise. 
Em Fogliatto e Ribeiro (2009), quatro distribuições de probabilidade frequentemente 
utilizadas para descrever tempos até falha de componentes e sistemas são detalhadas: (i) 
Exponencial, (ii) Weibull, (iii) Gama, e (iv) Lognormal. As funções mais comumente usadas 
em estudos de confiabilidade são: f(t), R(t), h(t) e MTBF (Tempo Médio Entre Falhas, do 
inglês "Mean Time Between Failures”). 
35 
 
 
Alguns modelos de distribuição expressam o comportamento de tempos até a falha com 
base na função de risco (MAGALHÃES, 2013): 
 h(t) constante, sugerindo o modelo exponencial que explica o comportamento de 
componentes eletroeletrônicos; 
 h(t) linear crescente, sugerindo o modelo de Rayleigh, que explica o comportamento de 
modelos mecânicos; e 
 h(t) exponencial, que sugere o modelo de Weibull para explicar o comportamento de 
sistemas cuja falha nasce da competição entre diversos modos de falha. Neste caso, o 
tempo até a falha de um equipamento é uma variável aleatória que segue este modelo se os 
modos de falha atuarem em série, competindo pela falha. 
A distribuição exponencial restringe sua aplicação a alguns componentes elétricos, que 
não apresentam memória de falha, no entanto, aplica-se também à modelagem sobre unidades 
que apresentam desgaste ou fadiga apenas durante seu período de vida útil, quando a 
ocorrência de falhas for relativamente constante no tempo (FOGLIATTO e RIBEIRO, 2009). 
As relações de confiabilidade de interesse para uma distribuição exponencial são 
representadas (para 0t ) nas equações (2.6), (2.7), (2.8) e (2.9), onde a taxa de falhas ( ) é 
constante e seu inverso é conhecido como Tempo Médio Entre Falhas (TMEF, ou do inglês 
MTBF) (LAFRAIA, 2001). 
 (2.6) 
 
 (2.7) 
 
 (2.8) 
 
 (2.9) 
Conforme análise de Fogliatto e Ribeiro, (2009, p.17, questão 13), sobre um grupo de 
dados de conjuntos motobombas, a distribuição de probabilidade que melhor se ajusta aos 
dados para a estimativa do tempo até falha (MTTF) foi a lognormal, numa simulação 
utilizando o software Proconf. 
A lognormal é um tipo de distribuição com bastante aplicação na modelagem de tempos 
até reparo em unidades reparáveis. A função de risco da lognormal exibe formato de uma 
curva de banheira invertida, com h(t) crescendo inicialmente e, após, decrescendo 
assintoticamente. Costuma-se supor que a taxa de reparo (isto é, a intensidade com que 
reparos são concluídos) se assemelha à função de risco de uma distribuição lognormal,