Análisis de confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad de un sistema de Bombeo

Autor: Edgar Fuenmayor Ing. MSc. CMRP
Correo: edgarfuenmayor1@gmail.com

Las industrias en los últimos años, han orientado sus esfuerzos en maximizar sus ganancias, utilizando para ello diferentes enfoques que le faciliten la toma de decisiones para realizar inversiones asertivas y de máxima rentabilidad. Fusiones entre grandes corporaciones, estilos de conducción de negocios como la Gerencia Integral de Activos, cuantificación del riesgo para evaluar escenarios, son sin duda un ejemplo directo de tal situación, donde cada una de ellas tiene como finalidad implícita o explícitamente la inversión de millones de dólares para reducir los costos y aumentar los márgenes de ganancias.

El análisis RAM permite pronosticar para un período  determinado de  tiempo  la disponibilidad y el factor de producción diferida de   un   proceso   de   producción,   sistema   o proceso,  basado   en  su configuración,   en  la confiabilidad de  sus componentes,  la  filosofía de operación  y mantenimiento y fundamentalmente en los TPPF y TPPR de  los diversos componentes del sistema, con base en información proveniente de bases de datos propias, bases de datos genéricas de la industria y en la opinión de expertos.

El   equipo   de   trabajo   definirá   las  premisas referentes  a la base de datos de la información de   confiabilidad  de   equipos, considerando todas las fuentes  posibles de información para conformar una base de datos y obtener la mejor estimación de los TPPF y TPPR.

El análisis RAM permite  realizar sensibilidades entre   la  capacidad instalada   y  la  requerida, modificaciones del plan de mantenimiento, etc.; permitiendo determinar las diferencias con respecto  a una condición, planear opciones  de redimensionamiento y generar los planes de acción que permitan  cumplir los compromisos de producción y seguridad solicitados.

Tal como se muestra  en la Figura 1, el análisis RAM, se inicia con la estimación de las tasas de falla y reparación  de cada  uno  de los componentes o equipos  que conforman los sistemas  bajo  estudio. Esta  estimación mejorada   de  las  tasa  de  falla  alimenta   un modelo de Diagramas de Bloques de Disponibilidad (DBD); que representa la arquitectura del sistema y su filosofía  de operación, soportado en un modelo de simulación que toma en cuenta la configuración de los equipos, las fallas aleatorias, las reparaciones, el mantenimiento planificado  y las  paradas  parciales  y totales  de  los componentes del sistema.

Durante  la ejecución  de  un  estudio  RAM,  se realiza la adecuada caracterización  probabilística de los procesos  de deterioro  que afectarán  los equipos, sub-sistemas  y sistemas  asociados  al citado  proceso  de  producción  a   fin de pronosticar   la  mayoría  de  los  escenarios   de paros o fallas.

Adicionalmente  con  los resultados  obtenidos, se pueden identifican acciones para minimizar la ocurrencia de estos escenarios e identificar las implicaciones de cada uno al compararlo con el escenario  basado  en las “Buenas Prácticas” tal como lo establece el estándar  ISO 55000/PAS 55 en sus requerimientos, a  fin de contribuir con el establecimiento de estrategias óptimas de mantenimiento para el manejo del negocio.

MARCO CONCEPTUAL
Confiabilidad

Es la probabilidad de un sistema o equipo opere sin fallar durante un periodo  de tiempo determinado  bajo  condiciones   operacionales definidas  y  constantes  tales  como:  presión, temperatura, caudal, pH.

Confiabilidad (t) = Pr(t>=Tm)    C (t) = e – Λ t

Esta ecuación corresponde a la distribución acumulada inversa del tiempo  para la falla, ya que esta distribución expresa la probabilidad de que t (tiempo de falla) sea mayor o igual que tm (tiempo misión).

Esta ecuación corresponde a la distribución acumulada inversa del tiempo  para la falla, ya que esta distribución expresa la probabilidad de que t (tiempo de falla) sea mayor o igual que tm (tiempo misión).

Figura 1. Modelo General del Análisis RAM.

Para llevar a cabo  el estudio  de  esta probabilidad se toman  datos y parámetros que afectan   directamente  la  confiabilidad,  entre ciertos parámetros están el ambiente, la temperatura  y   presiones,   entre otros   que influyen  en  el sistema.  Sin embargo, la teoría que aplica la    confiabilidad    como     una herramienta para  el buen desempeño de  los activos, se ocupa principalmente de las fallas de los sistemas, no obstante, no indaga tanto en los fenómenos que  las causan  como  en la frecuencia  con que  ocurren.  No es una  teoría física de las fallas, sino una teoría estadística. Por lo que los datos  que se toman  para el análisis, son principalmente los “tiempos” relacionados con el   activo, los cuales juegan un papel fundamental.

Disponibilidad

La disponibilidad  es un termino  probabilistico exclusivo  de  los “equipos  reparables” que  se de  ne  como la probabilidad de que el equipo este operando (es decir que no este en reparación) a un tiempo “t”. Para estimar la disponibilidad  se requiere  estimar  la “tasa de falla λ(t)” y la “tasa de reparación  µ(t)”; es decir, se  requiere  analizar  estadísticamente  los tiempos  para la falla, y los tiempos  en reparación. Para un periodo de tiempo “t”.

Figura 2. Diagrama de tiempo de operación y
fuera de servicio.

Disponibilidad Inherente (%DI)

La Disponibilidad Inherente representa el porcentaje del tiempo  que  un equipo  esta  en condiciones  de operar  durante un periodo  de análisis, teniendo en cuenta  solo los paros  no programados. El objetivo  de este  indicador  es medir   la   Disponibilidad   inherente   de   los equipos, con la  finalidad de incrementarla,  ya que  en la medida  que  esto  ocurra, significara que  se disminuye  el tiempo  de  los paros  por falla o paros no programados del equipo.

Disponibilidad Operacional (%DO)
La disponibilidad Operacional representa el porcentaje de tiempo que el equipo quedo a disponibilidad del área de operación para desempeñar su función en un periodo de análisis. Teniendo en cuenta el tiempo que el equipo esta fuera de operación por paros programados y no programados. El objetivo de este indicador es medir el desempeño de los equipos y la e ciencia en la gestión de mantenimiento, de manera conjunta, comparándolos contra los objetivos y metas del negocio, con la finalidad que la Operación tenga cada vez mas tiempo el equipo disponible y que este pueda realizar la función para la que fue diseñado.

Mantenibilidad

La Mantenibilidad trata con la duración de paros por fallas y paros por mantenimiento o cuánto tiempo toma para lograr (facilidad y velocidad) restituir las condiciones  del equipo  a su condición operativa después de una parada por falla o para realizar una actividad planificada.

Las características  de Mantenibilidad  son normalmente determinadas por  el diseño  del equipo el cual especifica los procedimientos de mantenimiento y determina la duración de tiempos de la reparación.

La gura clave de mérito para la mantenibilidad es a menudo el tiempo  promedio  para reparar (TPPR). Cualitativamente  se refiere a la facilidad con que el equipo se restaura a un estado funcionando.   Cuantitativamente   se    de  ne como la probabilidad de restaurar  la condición operativa del equipo en un periodo de tiempo o tiempo misión. Se expresa a menudo como:

Donde µ= Rata de Reparación

Esta  ecuación   es  valida  para   tiempos   para reparar que sigan la distribución exponencial.

Diagrama de Bloque de Confiabilidad

Los diagramas de bloques de confiabilidad, DBC (RBD, por sus siglas en inglés), ilustran la funcionalidad de un sistema. La confiabilidad es la probabilidad de operación exitosa durante un intervalo de tiempo  dado. En un diagrama  de bloques  se considera que cada elemento funciona (opera exitosamente) o falla independientemente de los otros.

Sistemas en Serie

Si un  sistema  funciona  si y solo si todos  sus componentes funcionan, se dice que el sistema tiene una estructura en serie. Desde el punto de vista de  confiabilidad,  un  sistema  en  serie es de nido como  aquel  sistema  en donde  todos sus  componentes deben   operar  para  que  el sistema en su totalidad opere.

Son sistemas conformados por múltiples elementos de los cuales deben operar todos para que el sistema cumpla con su función.

Sistemas en Paralelo

Un sistema que funciona si al menos uno de sus componentes  está  funcionando   se  dice  que tiene una estructura en paralelo. Desde el punto de vista de confiabilidad, un sistema en paralelo se de  ne  como aquel sistema en donde  todos sus  componentes  deben   fallar  para  que   el sistema en su totalidad no opere.

Son sistemas conformados por multiples elementos de los cuales debe operar al menos uno para que el sistema cumpla su funcion.

Sistemas “k” de “n”

Algunos  esquemas  de  redundancia, contemplan el  uso  de  un número  de componentes o  equipos  mayor  que  el requerido, a fin de poder  establecer  esquemas de   votación     que   permitan   incrementar  la confiabilidad global del sistema.

Simulación de Monte Carlo

En este  trabajo  se utilizó la simulación  con el método  de   Monte   Carlo   para   estimar   la confiabilidad,  disponibilidad  y mantenibilidad de   los  equipos   dinámicos   del   sistema   de bombeo de condensado. El método de Monte Carlo es una  técnica  que  involucra el uso  de números aleatorios y probabilidad para resolver problemas  complejos, ya que el sistema es muestreado en un número  de configuraciones aleatorias  y los datos  pueden ser usados  para describir el sistema como un todo. Por sus propiedades, la simulación Monte  Carlo es el método   prominente   para   la   solución   de problemas    dinámicos    de    la   con abilidad, disponibilidad  y mantenibilidad de sistemas industriales. Así, dados  los desarrollos actuales en software y hardware, actualmente la simulación  Monte Carlo es  una  técnica poderosa   para    desarrollar    análisis   de    la confiabilidad-disponibilidad-mantenibilidad de sistemas industriales que están muy apegados a la realidad de los sistemas complejos.

PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

La Metodología esta concentrada en utilizar los principios  de   Ingeniería  de   Confiabilidad  e Ingeniería de  Mantenimiento para estimar  el valor esperado de confiabilidad, disponibilidad y   mantenibilidad   de   sistemas   industriales, donde  el arreglo matemático para las simulaciones  y calculo  de  los  parámetros se concentra  inicialmente en los componentes principales del sistema, fundamentalmente en los  equipos   rotativos   y  estacionarios, manejando a discreción  los componentes de electricidad, instrumentación y control. A continuación  se describen  algunos de los aspectos  fundamentales requeridos  para un estudio RAM.

  1. Diagramas    de     flujo     de    proceso, diagramas de tuberías e instrumentación de las instalaciones de superficie.
  2. Bases de datos propias disponibles que contengan tasas de fallas y tiempos  de reparación de los equipos que conforman el sistema   (bombas,  separadores,  líneas  de ujo, líneas de  gas, compresores, tanques, válvulas, instrumentos, generadores, pozos, etc.)
  3. Descripción  de  la   filosofía   de operaciones del campo o planta.
  4. Plan de mantenimiento de las instalaciones.
  5. Simulación del  fluido de proceso, con la  finalidad de conocer el impacto  de producción  en caso de ocurrir una falla en cualquier elemento o equipo del sistema.
  6. Entrevista  con  el  personal  de operaciones, mantenimiento, optimización de producción, ingenieros de producción, planificadores.  (Durante  el  desarrollo  del proyecto).

Estas  son  las  fases  en   las  cuales  se  debe desarrollar un estudio RAM.

  1. Evaluación General del sistema.
  2. Diseño del arreglo físico del sistema.
  3. Revisión de referencias internacionales y/o históricos reales del sistema.
  4. Estimado      de      la      confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad del sistema.
  5. Estimado de la capacidad  efectiva del sistema.
  6. Conclusiones y recomendaciones.
Figura 3. Resultados del Análisis RAM.
CASO DE ESTUDIO

Tomando datos genéricos del comportamiento típico de equipos en base a información tomada del OREDA, Reliability Handbook, entre otros, se generaron datos aleatorios tanto para los tiempos entre fallas (TEF), como de los tiempos fuera de servicio (TFS), con los cuales se estimo la disponibilidad y confiabilidad de cada uno de los equipos principales que conforman el sistema de bombeo. La tabla 1, muestra un conjunto de datos para una de las Bombas del sistema, luego de ser tratada probabilisticamente, y con los cuales utilizando las expresiones matemáticas que se explicaron en el Marco Conceptual, permitieron estimar la disponibilidad, confiabilidad, y mantenibilidad esperada de cada equipo del sistema.

Tabla 1. Datos Históricos del equipos
Figura 4. Caracterización Probabilistica con el software RARE.
Figura 5. Diagrama de Bloques de Confiabilidad.
Figura 6. Disponibilidad del sistema de Bombeo.
Tabla 2. Resultados del Análisis con el programa Raptor.
Figura 7. Perfil Estocastico Analizado.
Tabla 3. Aporte a la producción diferida.
CONCLUSIONES
  • En el pronóstico  de  comportamiento de capacidad efectiva de un proceso productivo, la indisponibilidad  operacional por mantenimiento planeado como la indisponibilidad  operacional por  fallas, deben ser analizadas independientemente y en conjunto, con la  finalidad de poder diagnosticar  y predecir estrategias que aseguren el cumplimiento de la producción.
  • El efecto del plan de mantenimiento preventivo  y correctivo sobre  la capacidad efectiva del sistema evidencia la necesidad de  análisis de  mantenibilidad en  los sistemas y subsistemas, en la búsqueda por disminuir los tiempos de parada por mantenimiento.
  • El análisis de Confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad (RAM) permite pronosticar el impacto en la disponibilidad   y la  producción   diferida  a través  de  una simulación “what  if ” de  las siguientes variables:

  1. Nuevas políticas de mantenimiento Aplicación de nuevas tecnologías Cambios  en  la  mantenibilidad  de  los equipos.
  2. Modificaciones en  la configuración de los procesos de producción.
  3. Cambios en la política de inventarios
  4. Implantación  de  nuevos   métodos de producción.
Bibliografía
  1. ISO – 55000 Asset Management — Overview, Principles and Terminology, 2014.
  2. Rosendo Huerta: “Proceso de Análisis Integral de Disponibilidad y Confiabilidad como Soporte para el Mejoramiento Continuo de las Empresas.2006. Noria Latín América.
  3. Yañez, Medardo – Gómez de la Vega, Hernando, Valbuena Genebelin, Ingeniería de Confiabilidad y Análisis Probabilístico de Riesgo – ISBN 980-12-0116-9 – Junio 2003.
  4. ReliaSoft RS403. “Confiabilidad de Sistemas”. Master the Subject Seminar Series,2008.
  5. ReliaSoft RS401. “Analisis de Datos de Vida”. Master the Subject Seminar Series, 2008.
  6. Reliability and Risk Management (R2M, S.A.), Confiabilidad Integral Un Enfoque Practico Tomo I, II, III – ISBN 978-980-12-2789-2 – 2007.
  7. Melo-Gonzalez, Lara-Hernandez, Jacobo-Gordillo, “Estimación de la confiabilidad-disponibilidad-mantenibilidad mediante una simulación tipo Monte Carlo de un sistema de compresión de gas amargo durante la etapa de ingeniería Reliability-availability-maintainability estimates using a Monte Carlo simulation for a sour gas compression system during the engineering stage”, PEMEX 2009.

One thought on “Análisis de confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad de un sistema de Bombeo

  1. Me parece muy completo este analisis, y como se aborda los distintos escenarios para la implementacion de una eficaz gestion de mtto que procure pronosticar los tiempos de disponibilidad, confiabilidad y mantenibilidad en un sistema de bombeo. Hay forma de descargar esta publicacion ? Saludos.

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