Autor: Universidade Federal do Rio de Janeiro

Título

    ANÁLISE DO PERFIL DE TEMPERATURA DO TUBO ABSORVEDOR DE CONCENTRADORES SOLARES POR MEIO DE SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL

Orientador(a)

    Profª. Elisa Pinto da Rocha

Resumo

    Esse estudo tem como objetivo a descrição do perfil de temperatura no tubo absorvedor de uma calha parabólica solar, o qual será utilizado como dados de entrada para o projeto CSP na UFRJ-Macaé. Foram desenvolvidas simulações através do software COMSOL Multiphysics® analisando os fenômenos de escoamento e transferência de calor entre o fluido térmico e o tubo. As simulações foram realizadas no regime turbulento, modelo k-ε, avaliando-se a eficiência térmica do sistema para quatro fluidos térmicos distintos (Therminol 66, Therminol VP-01, Therminol VP-59 e Syltherm 800) e em função de variações em parâmetros físicos, tais quais a velocidade e temperatura média de entrada. Para finalizar, foram inseridas aletas longitudinais retangulares para análise da intensificação da troca térmica. O Therminol VP-01 se mostrou o mais eficiente para o modelo criado e a aleta de 6 mm de altura e 6 mm de largura promoveu um aumento de eficiência térmica segundo parâmetros da literatura.

Abstract

    This study objectives the description of the temperature profile in the absorber tube of a parabolic trough concentrator which will be used as an input to the CSP project at UFRJ-Macaé. Simulations were developed with COMSOL Multiphysics® analyzing fluid flow and heat transfer phenomena. A turbulent flow was used, with the k-ε model, evaluating the thermal efficiency of the system for four heat transfer fluids (Therminol 66, Therminol VP-01, Therminol VP-59, and Syltherm 800) and for the variation of physical parameters as the inlet velocity and inlet mean temperature. A tube with longitudinal rectangular fins were built to analyze the heat transfer enhancement. Therminol VP-01 were the most efficient heat transfer fluid and the 6 mm height and 6 mm 6 mm width fin increased the thermal efficiency according to the literature.

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Título

    DESENVOLVIMENTO DE UM SOFTWARE PARA AUXÍLIO NO PROJETO E ANÁLISE DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS

Orientador(a)

    Profª. Raquel Jahara Lobosco

Resumo

    O processo de dimensionamento e análise de elementos de máquinas pode ser assistido pelo uso de computadores. Softwares específicos para essa finalidade são de difícil acesso e pouco difundidos pela comunidade. Este trabalho estuda o desenvolvimento de um software rápido e eficaz no auxílio de projetos de engrenagens e molas. A plataforma dispõe de uma interface gráfica intuitiva, permitindo ao usuário visualizar a geometria da peça e exportá-la no formato STL. Além disso, o software possui rotinas automáticas para a seleção ótima de engrenagens. Por fim, relatórios técnicos e arquivos binários são gerados como forma de armazenar as informações obtidas. A validação do software é feita através de estudos de caso comumente encontrados na rotina do projetista. A aplicação é gratuita e de código-fonte aberto para toda comunidade.

Abstract

    The process of sizing and analyzing machine elements can be assisted by the use of computers. Specific softwares for this purpose are difficult to access and are not widespread by the community. This work studies the development of fast and efficient software to aid in the design of gears and springs. The platform has an intuitive graphical interface, allowing the user to view the geometry of the part and export it in STL format. In addition, the software has automatic routines for optimal selection of gears. Finally, technical reports and binary files are generated as a way to store the information obtained. The validation of the software is done through case studies commonly found in the routine of the designer. The application is free and open source for the entire community.

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    ANÁLISE REOLÓGICA DO ESCOAMENTO SANGUÍNEO NA BIFURCAÇÃO DA ARTÉRIA CARÓTIDA COM USO DO OPENFOAM

Orientador(a)

    Profª. Raquel Jahara Lobosco

    Prof. Guilherme Barbosa Lopes Júnior (Coorientador)

Resumo

    A hemodinâmica é uma área de estudo multidisciplinar de extrema importância, que, com o auxílio do CFD (Computational Fluid Dynamics) pode vir a desempenhar um papel fundamental para diagnóstico e tratamentos de doenças cardiovasculares como trombose e aterosclerose. A artéria carótida, responsável por distribuir o sangue para a cabeça e o pescoço, é uma das principais afetadas por estas patologias, principalmente o seio carotídeo, situado na carótida interna. O modelo utilizado nesse trabalho foi baseado nas dimensões médias de diversos angiogramas de adultos e crianças, visto que a fidelidade geométrica é de vital importância para reproduzir as características de um escoamento. A utilização do modelo reológico correto também é determinante, o que aumenta a complexidade desse tipo de estudo, visto que não há consenso sobre o modelo a ser utilizado. Os modelos escolhidos com mais frequência para representar o comportamento não-Newtoniano do sangue são a Lei de Potência, o modelo de Casson e o de Carreau-Yasuda. A hipótese de comportamento Newtoniano é válida apenas em algumas situações específicas. A definição das condições de contorno é de suma importância, portanto este trabalho avalia o impacto de diferentes magnitudes de velocidade na entrada. Também são feitas comparações entre modelos Newtonianos com diferentes viscosidades e diferentes modelos não-Newtonianos. O software utilizado para as simulações é o opensource OpenFOAM, sendo o nonNewtonianIcoFoam o solver escolhido para a hipótese não-Newtoniana e o icoFoam para a hipótese Newtoniana.

Abstract

    Hemodynamics is an extremely important multidisciplinary area of study, and, with assistance of CFD (Computational Fluid Dynamics) can play a fundamental role in diagnosis and treatment of cardiovascular diseases such as thrombosis and atherosclerosis. The carotid artery, responsible for delivering blood to the neck and head, is one of the most affected by these pathologies, in particular the carotid sinus, located on the internal carotid. The model used in this paper is based on the average dimensions of many angiograms performed on children and adults, since geometry fidelity is very important to reproduce flow characteristics. Use of the correct rheological model is also crucial, which raises the complexity of this type of study, as there is no agreement about which model should be used. The most used models to represent blood as a non-Newtonian fluid are the Casson model, Carreau-Yasuda model and Power Law. Moreover, the Newtonian hypothesis is valid only in certain situations. Definition of boundary conditions is very important, so this paper analyzes the impact of more than one value for the inlet velocity boundary condition. We also compared different non-Newtonian models and Newtonian assumptions with different viscosity values. The open-source software OpenFOAM is used for the numerical simulations, the solvers used were nonNewtonianIcoFoam (non-Newtonian assumption) and icoFoam (Newtonian assumption).

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    DESENVOLVIMENTO DE UM ROTOR SAVONIUS PARA BOMBEAMENTO DE ÁGUA EM PEQUENAS PROPRIEDADES RURAIS

Orientador(a)

    Prof. Maurício Aguilar Nepomuceno de Oliveira

    Prof. Rafael Malheiro da Silva do Amaral Ferreira (Coorientador)

Resumo

    Nos últimos anos, tem sido observado uma procura cada vez maior por alternativas que diminuam a agressão humana ao meio ambiente, tão como é perceptível uma crescente conscientização da população quanto às diferenças sociais e suas consequências. Nesse contexto, este trabalho se propõe a estudar a utilização da energia limpa dos ventos para facilitar o acesso de familias em zonas rurais à água. Para este fim, apresentam-se, ao longo do trabalho, o projeto de um rotor eólico Savonius e de um sistema de bombeamento de água, além de mecanismo de transmissão. Definido tais projetos, desenvolve-se a estrutura que suportará este conjunto, realizando cálculos estruturais para garantir a integridade do sistema para velocidades de vento de até 20m/s. Ao final, mostra-se que esta alternativa apresenta grande potencial para melhoria destas questões e que já é possível utilizá-la, embora deva-se continuar estudando tal método para que se obtenham sistemas ainda mais eficientes.

Abstract

    In recent years, there has been an increasing demand for alternatives that reduce the damages caused by humans in the environment, as well as it is noticeble the growing awereness about social differences and its consequences. In this context, this paper aims to study the use of wind energy to facilitate rural families’ access to water. For this reason, it is presented throughout this work the design of a Savonius wind rotor and a water pumping system, in addition to a transmission mechanism. Then, the structure, which will support this set, is developed and a few structural calculations are made to ensure system’s structural integrity for wind speeds up to 20m/s. Finally, it is shown that this option presents a great potential to improve these issues and it is already usable, but researches should still be carried on in order to get more efficient systems.

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    ANÁLISE DO ÍNDICE DE CAPACIDADE PARA O TRABALHO DOS DOCENTES NA EDUCAÇÃO SUPERIOR: UM ESTUDO COMPARATIVO ENTRE A UNIVERSIDADE PÚBLICA E A UNIVERSIDADE PRIVADA NO INTERIOR DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

Orientador(a)

    Prof. Thiago Gomes de Lima

Resumo

    Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de analisar comparativamente o Índice de Capacidade para o Trabalho (ICT) dos docentes de duas universidades, uma pública e uma privada, ambas localizadas no interior do Estado do Rio de Janeiro. Logo, esta pesquisa possui caráter de avaliação do índice de capacidade de forma localizada e não generalizada para todo o Ensino Superior. A metodologia aplicada é o estudo tipo survey com a coleta de dados realizada por meio da aplicação do Questionário do Índice de Capacidade para o Trabalho. A amostra foi constituída de 53 docentes e seu valor foi validado pelos testes de Tukey e Mann-Whitney. Os resultados mostraram que os índices de capacidade para o trabalho de ambas as universidades foram semelhantes: 41,7 na Universidade Privada e 41,2 na Universidade Pública, classificadas no nível “bom”. Os fatores que contribuem para um nível “ótimo” de capacidade para o trabalho são diferentes entre as instituições analisadas e a faixa salarial pode contribuir para redução do índice de capacidade para o trabalho na Universidade Pública.

Abstract

    This work was developed with the objective to analize comparatively the teachers Work Ability Index (W.A.I) from two universities, one public and one private, both located in interior of state of Rio de Janeiro, Brazil. Then, this research has as an evaluation caracter not to study Ability Index as a general study about Higher Education, but as a locate study about this index. The applied methodology was a study survey type with the data collection made by the W.A.I. Questionnaire application. The sample was constituted of 53 teachers and this quantity was validated by Tukey test and Mann-Whitney test. The results demonstrated that the indexes of work capacity of both universities were similar: 41.7 in the Private University and 41.2 in the Public University, classified in the “good” level. The factors that contribute to an “great” level of work capacity are different among the analyzed institutions and the salary range can contribute to a reduction in the capacity index for work in the public university.

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    PROJETO DE FERRAMENTA DE ASSENTAMENTO DE BUCHAS DE DESGASTE NA SUPERFÍCIE

Orientador(a)

    Prof. Mauricio Aguilar Nepomuceno de Oliveira

Resumo

    Atualmente, os projetos de Árvores de Natal Molhada determinam que as buchas de desgaste sejam instaladas com a Base Adaptadora de Produção (BAP) já no leito marinho, porém sugestões das equipes responsáveis pela instalação destes equipamentos identificaram que o processo poderia ser feito mais eficiente se a instalação fosse feita antes da descida da BAP à cabeça de poço. A busca pela economia e aumento de eficiência dos processos fez com que esta sugestão seja seguida, porém sem uma ferramenta dedicada para esta nova operação, os operadores estão expostos a novos riscos. Neste trabalho é abordado o processo de desenvolvimento de uma ferramenta de assentamento de buchas de desgaste que utiliza um parafuso de potência, para eliminar os novos riscos existentes na nova sequência de instalação. O conceito inicial da ferramenta foi desenvolvido e cálculos foram realizados com base em conhecimentos de elementos de máquinas e a teoria de placas finas. Posteriormente, software de modelagem computacional e análise de elementos finitos foi utilizado para verificar os cálculos realizados. Em seguida, módulos de otimização do software SolidWorks foi utlizado para otimizar a ferramenta, com o objetivo de redução de peso total. Finalmente, foi possível detalhar a versão otimizada da ferramenta e realizar uma análise de elementos finitos na ferramenta completa. Um orçamento para a fabricação foi realizado em parceria com fornecedores de serviços de usinagem e oxi-corte na região sudeste, obtendo uma boa aproximação do custo real da ferramenta.

Abstract

    Currently, Subsea Christmas Tree projects determine that wear bushings be installed with the Production Adapter Base (PAB) already on the seabed, but suggestions from the teams responsible for installing this equipment identified that the process could be made more efficient if the installation were to be done before the scent of the BAP onto the wellhead. The search for savings and increased efficiency resulted in the approval of this suggestion, but without a dedicated tool for this new operation the offshore team is exposed to new risks. In this project, the design process for a new wear bushing installation tool that utilizes a lead screw is discussed, in order to eliminate the new risks related to this new installation process. The initial concept for the tool was developed and calculations were performed based on knowledge of machine element design and plate theory. Later, Computer Aided Design and Finite Element Analysis Software was used to verify the validity of these calculations. After that, the SolidWorks optimization module was utilized to optimize the tool, with the objective of minimizing the total weight.Finally, the weight-optimized version of the tool is detailed and a final Finite Element Analysis is performed on the tool as a whole. A cost estimate was done in partnership with machining and oxy-fuel cutting service providers in the Southeastern region of Brazil, resulting in a reasonable estimate for the real total cost for the tool.

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    ANÁLISE DE PERFORMANCE DE EQUIPAMENTOS DE DESSALINIZAÇÃO POR EBULIÇÃO EM MÚLTIPLOS EFEITOS

Orientador(a)

    Prof. Diego Malagueta

Resumo

    A demanda mundial por água doce cresce ao mesmo tempo e velocidade que a disponibilidade de água doce prontamente disponível diminui. A sociedade necessita desse recurso natural tanto para consumo direto, quanto para utilização em processos industriais. Diversas técnicas já foram desenvolvidas para atender à crescente demanda de água doce. Um dos métodos em desenvolvimento é a dessalinização. Existem vários métodos de dessalinização que permitem gerar água doce independentemente do local, fonte de água e fonte de energia. Considerando este contexto, este trabalho almeja discutir o atual cenário e os principais desafios da dessalinização ao redor do mundo e apresenta uma visão geral do funcionamento dos principais métodos atualmente utilizados. Este documento também descreve o funcionamento dos componentes de um dessalinizador e inclui o desenvolvimento de um sistema de equações para o dimensionamento de um equipamento de dessalinização por ebulição em múltiplos efeitos (MEB), que utiliza trocadores de calor do tipo casco-serpentina como evaporador e trocadores de calor do tipo casco-tubo como pré-aquecedores e condensador final. Por fim, o sistema de equações é resolvido de diversas formas, alterando o valor dos parâmetros e número de efeitos do equipamento com o objetivo de fazer um estudo comparativo do dimensionamento de um dessalinizador por ebulição em múltiplos efeitos.

Abstract

    The world-wide demand of freshwater is growing at the same time and speed of the decreasing of its availability in the world. The society needs this natural resource to be used as direct consumption, and also to be used on industrial processes. Some techniques have already been developed to meet the growing demand of freshwater. One of these techniques is desalination. There are several desalination methods which allows freshwater to be generated regardless of location, water source and energy source. Considering the outlined, this document aims to discuss the current scenario and the main challenges of desalination worldwide, presenting an overview of the operation of the main methods currently used. This document also details the operation and the components of a desalination equipment, including the development of a system of equations for the design of a multiple effect boiling desalination equipment, which uses helical-coil heat exchangers as evaporator and shell-tube heat exchangers as pre-heaters and final condenser. Finally, the system of equations developed is solved in several ways, changing some parameters values and the number of effects of the equipment in order to carry out a comparative study of the design of a multiple effect boiling desalination equipment.

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    ESTUDO EXPERIMENTAL DO COMPORTAMENTO MECÂNICO DE UMA CHAPA DE AÇO AUSTENÍTICO 304 POR MEIOS DE ENSAIOS DE TRAÇÃO UNIAXIAL E LAMINAÇÃO A FRIO

Orientador(a)

    Prof. Marcelo Costa Cardoso

Resumo

    Este estudo tem como a principal razão de obter um melhor entendimento do comportamento mecânico de uma chapa de aço inoxidável austenítico AISI 304 por meios de ensaios de tração uniaxial e laminação a frio. Neste sentido, foi divido em quatro partes: na primeira, realizou-se uma caracterização microestrutural utilizando técnicas de indução magnética a fim de se identificar a fração volumétrica de martensita presente no material conforme recebido. Na segunda parte, o comportamento plástico da chapa foi avaliado por meio de ensaios de tração uniaxial realizados em duas velocidades distintas, no qual foi verificada a sensibilidade à taxa de deformação. Ainda, foram realizados ensaios de tração uniaxial em três direções, a saber: 00, 450 e 900 em relação a direção de laminação, com intuito de avaliar as propriedades mecânicas, tais como: tensão de escoamento, tensão limite de resistência, tensão de ruptura, expoente de encruamento, anisotropia plástica, anisotropia planar, entre outras. Na terceira parte, uma simulação por meios de elementos finitos de um ensaio de flexão de três pontos foi realizada utilizando os resultados obtidos no ensaio de tração uniaxial como parâmetros de entrada. Para validar a simulação computacional, um ensaio experimental de flexão de três pontos foi realizado. Na quarta parte, realizou-se uma redução na espessura da chapa, através do processo de laminação a frio, com objetivo de observar o efeito TRIP (transformation-induced plasticity), ou seja, plasticidade induzida por transformação. Por fim, as etapas 1 e 2 foram novamente executadas para as chapas de aço laminadas a frio. Após a metodologia realizada, foi observado que o aço laminado obtivera maior resistência após laminação quando comparado ao aço conforme recebido, podendo ser concluído que esse aumento de tensão é devido ao efeito TRIP no qual parte da austenita se transformou em martensita, durante a laminação, que, por sua vez, é uma fase mais rígida do que a austenita.

Abstract

    This work was divided in four parts: In the first, a microstructural characterization was performed using magnetic induction techniques to identify the magnetic phases present, of a 304 austenitic stainless steel sheet (AISI 304). In the second part, the plastic behavior of the sheet was evaluated by means of uniaxial tensile testing performed at two distinct speeds, in which the sensitivity to the strain rate was verified. Also, a uniaxial tensile test was carried out in three directions, namely: 0°, 45° and 90° in relation to the rolling direction, in order to evaluate the mechanical properties, such as: yield stress, tensile strength, Rupture, hardening exponent, plastic anisotropy, planar anisotropy, among others. In the third part, a finite element simulation of a three-point flexural test was performed using the results obtained in the uniaxial tensile testig as input parameters. To validate the computational simulation, an experimental three-point bending test was performed. In the fourth part, a reduction in the thickness of the sheet was carried out, through the cold rolling process, in order to observe the TRIP (transformation-induced plasticity). Finally, steps 1 and 2 were again performed for cold rolled steel sheets. After the methodology, it was observed that the rolled steel obtained greater resistance after rolling when compared to the steel as received. It can be concluded that this increase in tension is due to the TRIP effect in which part of the austenite was transformed into martensite during the rolling, which in turn is a more rigid phase than the austenite.

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    ESTACA HÉLICE CONTÍNUA: COMPARAÇÃO DA CAPACIDADE DE CARGA À RUPTURA GEOTÉCNICA ENTRE METODOLOGIAS SEMIEMPÍRICAS NACIONAIS E INTERNACIONAL

Orientador(a)

    Prof. Gustavo Vaz de Mello Guimarães, D.Sc.

Resumo

    O presente trabalho apresenta uma análise comparativa entre sete métodos convencionais adotados no Brasil para estimativa de capacidade de carga geotécnica de estacas tipo hélice continua e o método internacional da Federal Highway Administration (FHWA, 2007). Para realizar a comparação também foram utilizados os resultados de sete provas de carga estáticas em estacas hélice contínua, com características geométricas (diâmetro e comprimento) diferentes, implantadas em tipos de solos diversos. Para cada prova de carga apresenta-se a sondagem de reconhecimento do solo com medida de NSPT . Destaca-se que, para obter a carga de ruptura a partir das curvas “carga versus recalque” das estacas foram realizadas extrapolações baseadas nos métodos de Van Der Veen (1953) e função hiperbólica apresentado por Silva (2019). Além disso, sempre que possível o critério de ruptura da NBR 6122 (ABNT, 2019) foi empregado. A partir destas metodologias foi realizada uma análise comparativa de previsão versus desempenho, para verificar em cada caso o método semiempírico mais adequado para dimensionamento geotécnico de estacas tipo hélice contínua submetidas a esforços de compressão. Em linhas gerais, observou-se que o método da FHWA (2007) apresentou resultados a favor da segurança em quase todos os casos apresentados.

Abstract

    This research presents a comparative analysis between seven traditional methods adopted in Brazil to estimate the ultimate load capacity of continues auger piles and the international method of the Federal Highway Administration (FHWA, 2007). To perform it, seven static load tests in continuous auger piles, with different geometric characteristics (diameter and length), implanted in different soil types were also used. For all seven static load tests, it is present the result of the Standard Penetration Tests (NSPT ). It is noteworthy that, to obtain the ultimate load capacity from the curves “load versus settlement” of the piles were used Van Der Veen (1953) and hyperbolic function presented by Silva (2019). In addition, whenever possible, the criteria of ultima load capacity of NBR 6122 (ABNT, 2019) was employed. Based on these methodologies, a comparative analysis of prediction versus performance was done to verify in each case the most appropriate semi empirical method for prediction of geotechnical ultimate load capacity of continuous auger piles submitted to compression efforts. Indeed, FHWA (2007) showed to be the safest method to be employed in analyzed cases.

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    ANÁLISE DO MODELO DE GERENCIAMENTO DE RISCOS DE UMA EMPRESA DO SETOR DE ÓLEO E GÁS FRENTE AOS REQUISITOS DAS NORMAS ISO 9001:2015, API SPEC Q1(2014) E API SPEC Q2

Orientador(a)

    Prof. Thiago Gomes de Lima, D.Sc.

Resumo

    As empresas que atuam no setor de petróleo e gás estão inseridas em um mercado bastante dinâmico, principalmente, em função da exposição às questões de mudanças políticas e econômicas no mundo. Como forma de se antever a essas mudanças e aos riscos e oportunidades que as mesmas podem trazer, a Gestão de riscos se apresenta como um ator importante na sobrevivência das organizações, cada vez mais necessária e exigida principalmente, enquanto requisito normativo. Nesse contexto, destacam-se as normas ISO 9001, API Spec Q1 e API Spec Q2: normas voltadas para implantação e manutenção do Sistema de Gestão da Qualidade (SGQ) das empresas que trazem a Gestão de Riscos enquanto parte de seus requisitos. O presente trabalho, tem como objetivo analisar o modelo de Gestão de Riscos de uma empresa do setor de petróleo e gás, frente aos requisitos normativos internacionais. Para tal, foi utilizada a metodologia de estudo de caso realizado em uma empresa prestadora de serviços do mercado Oil Country Tubular Goods (OCTG). Os resultados apontam uma boa aderência do modelo praticado frente aos disponíveis na literatura, principalmente o da ISO 31000 e um bom percentual de atendimento aos requisitos das normas de SGQ na qual a empresa é certificada, salvo as debilidades em identificar oportunidades e realizar comunicação externa dos riscos, refletidos nos resultados das auditorias pelo qual o SGQ da empresa foi submetido. Por fim, a pesquisa mostrou que o modelo de gerenciamento de riscos adotado pela empresa é uma importante estratégia enquanto ferramenta de mitigação e antecipação aos sinistros, é valorizada e faz parte da rotina da empresa.

Abstract

    The oil and gas companies operates in a very dinamic market, mainly, due to exposure to issues of political and economics changes in the world. As a way of anticipating theses changes, the risks and opportunities that they can bring, Risk Management is an important tool in the companies survival, increasingly necessary and required, mainly as a normative requirement. In this context, there are the Quality Management System standards like ISO 9001, API Spec Q1 and API Spec Q2, that bring Risk Managemente as a part of their requirements. The present work aims do analyze the Risk Managemente model of a studied company in view of the requirements from aforementioned standards. For this purpose, the case study methodolgy was adopted. The results point to a good adherence of the model used in relation to those available in the literature, mainly the ISO 31000 model and the requirements of the Quality Management System standards in which the company is certified, except for the weaknesses in identifying opportunities and carrying out external communication of the risks, reflected in the audits results. Finally, this work presented that the risk management model adopted by the company is an important strategy as a tool for mitigating and anticipating claims is valued and is part of the company routine.

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