Mantenimiento Centrado en Fiabilidad: Análisis de mejoras en el mantenimiento y explotación de un sistema industrial

Resumen

Para el responsable de una instalación industrial existe el momento en que, debido a los problemas que se presentan en el funcionamiento normal de dicho sistema, debe de comenzar a analizar la posibilidad de realizar un estudio del estado actual para identificar las acciones que garanticen que el funcionamiento de dicho sistema se desarrolle con parámetros de fiabilidad más elevados y, que a la vez, se pueda ganar en eficiencia en el funcionamiento del propio sistema, teniendo en cuenta un ahorro en el mantenimiento futuro a desarrollar, así como un ahorro energético y económico en la manerwa de funcionar después de la adecuación. Para poder analizar la mejor solución en la adecuación del sistema obsoleto, es muy útil poder aplicar un análisis centrado en la fiabilidad denominado RCM (reliability centered maintenance), donde se pueda valorar la problemática actual del sistema en su funcionamiento, su criticidad, así como las diferentes estrategias de mantenimiento y/o rediseños a implementar para modernizar el sistema. Se explica un caso de estudio aplicado a un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico, como elemento crítico en el funcionamiento y la seguridad de este sistema industrial. 

Palabras clave: Fiabilidad, RCM, Mantenimiento preventivo, Análisis de modos de fallo del Sistema, central hidroeléctrica en caverna, Reliability. 

1. Objetivos y beneficios del mantenimiento centrado en la fiabilidad

La metodología de mantenimiento centrado en confiabilidad (RCM) es la mezcla óptima de las prácticas de mantenimiento reactivo, tiempo o basado en el intervalo, basado en la condición y proactivo. Estas estrategias de mantenimiento principal, en lugar de ser aplicadas de manera independiente, se integran para aprovechar sus respectivas fortalezas para maximizar la fiabilidad de instalaciones y equipos y minimizando los costos de ciclo de vida. 

Los objetivos de un programa eficaz de mantenimiento preventivo son los siguientes:

  • Mantener la función de un elemento en los niveles de confiabilidad requeridos en el contexto operativo.
  • Obtener la información necesaria para la mejora del diseño cuya fiabilidad resulte inadecuada.
  • Cumplir con estos objetivos con el mínimo coste total del ciclo de vida.
  • Obtener la información necesaria para el programa continuo de mantenimiento que mejore el programa inicial. 

El RCM mejora la eficacia del mantenimiento y proporciona un mecanismo para gestionar el mantenimiento con un alto grado de control y conocimiento. Los beneficios del RCM se pueden resumir en los siguientes:

  • La confiabilidad del sistema puede incrementarse mediante la ejecución de actividades de mantenimiento.
  • Los costes globales se pueden reducir mediante un esfuerzo en mantenimiento planificado más eficiente.
  • Los gestores del mantenimiento disponen de una herramienta de gestión que acrecienta el control y la dirección. 

2. Metodología del mantenimiento centrado en fiabilidad

El Mantenimiento Centrado en la Fiabilidad (RCM) es un método para identificar y seleccionar aquellas políticas de gestión de fallos que contribuyan a alcanzar de manera eficaz y eficiente los niveles requeridos de seguridad, disponibilidad y coste de explotación. 

El RCM proporciona un proceso de decisión para identificar los requisitos, o actividades de gestión, de un mantenimiento preventivo aplicable y eficaz de los equipos de una instalación, teniendo en cuenta las consecuencias operativas, económicas y de seguridad que pudieran derivarse de fallos identificables y de los mecanismos de degradación responsables de aquellos fallos. El resultado final de la aplicación de dicho proceso es el planteamiento de la conveniencia de realizar una tarea de mantenimiento, un cambio de diseño o cualquier otra alternativa que dé lugar a una mejora. 

Las etapas básicas de un programa RCM son las siguientes:

  • Inicio y planificación.
  • Análisis de fallos funcionales.
  • Selección de tareas.
  • Implementación y Mejora continua. 

La aplicación satisfactoria del RCM requiere un buen conocimiento de los equipos y las estructuras, el entorno operativo, el contexto operacional y los sistemas asociados, así como de los fallos potenciales y sus consecuencias. El RCM puede aplicarse a multitud de sistemas, tales como un tren, un barco, un avión, una central eléctrica, o cualquier otro sistema que esté constituido por subsistemas eléctricos, mecánicos o de instrumentación y control.

Dentro del mundo del Mantenimiento industrial, las preguntas que se hace un responsable técnico de mantenimiento en la realización de su trabajo suelen ser:

  • ¿Realmente estoy haciendo el mantenimiento correcto al equipo que mantengo? 
  • ¿Podría realizar algo más para aportar mayor fiabilidad al sistema mantenido?
  • ¿De qué forma podría mejorar el plan de mantenimiento del sistema analizado? 

Muchas veces el mantenimiento a realizar de cualquier sistema industrial se realiza en base al “libro de mantenimiento” que hay en cada industria y que es intocable desde “siempre”, pero la experiencia del mantenimiento diario nos tiene que servir para tener la información necesaria a aportar en la mejora y modificación del propio mantenimiento del sistema. La sociedad actual requiere que cada vez más existan procesos industriales en los que se debe garantizar la máxima disponibilidad de los sistemas, y a la vez exista el mínimo número de incidencias que eviten la indisponibilidad del proceso. En los últimos 20 años, las estrategias de mantenimiento se han basado en asegurar que los procesos continúen haciendo lo que los usuarios quieren que hagan y en el momento que lo quieren hacer.

El objetivo principal de RCM es definir una política de mantenimiento de equipo componente basada en varios criterios, incluyendo falta, coste, fiabilidad y seguridad. RCM es realmente una guía para los gerentes de mantenimiento en la toma de decisiones sobre mantenimiento basado en el planeamiento desarrollado durante el análisis RCM. A pesar de ser la herramienta de gestión de mantenimiento, RCM debe actualizarse con la nueva información según sea necesario.

RCM fue desarrollado primero por la aeronáutica durante la década de 1960. A mediados del siglo XX las nuevas tecnologías en las plantas de energía nuclear, aviones, submarinos nucleares, dispositivos aeroespaciales condujeron a la necesidad de desarrollar herramientas que permitan el uso seguro de estas tecnologías. En particular de la línea aérea industrial creció hacia fuera de un enfoque sistemático para el desarrollo de mantenimiento conocido como mantenimiento centrado en confiabilidad (RCM).

Mediante el análisis RCM podemos definir el estado actual del sistema industrial, realizar el análisis del funcionamiento del sistema en cuanto a fiabilidad y definir los fallos que se han producido (análisis histórico), así como las posibles acciones de mejora en el funcionamiento y en el mantenimiento. Este análisis nos llevará a una serie de acciones a planificar que pueden incluso basarse en un rediseño que mejore aspectos importantes de la instalación como son la seguridad y el medioambiente.

2.1 RCM: Las siete preguntas básicas

Para el desarrollo del proceso RCM, es necesario realizar siete preguntas acerca del activo o sistema que se intenta analizar. En la gráfica 1 se adjuntan (Moubray, 1997). Estas 7 cuestiones, constituyen la base de análisis que nos tenemos que plantear para cada activo físico, de cara a conocerlo y definir realmente cuál es la función que le exigimos, cómo puede fallar y qué debemos realizar para minimizar dichos fallos. 

Grafica 1. 7 preguntas básicas del proceso RCM (Moubray, 1997).
Grafica 1. 7 preguntas básicas del proceso RCM (Moubray, 1997).

En el gráfico 2 (IAEA, 2007) se refleja el análisis lógico de análisis del RCM mediante la evaluación de las preguntas basadas en la funcionalidad, el análisis de los modos de fallo y sus consecuencias y posibles acciones factibles a implementar. 

Grafica 2. Analisis arbol lógico RCM (IAEA, 2007).
Grafica 2. Analisis arbol lógico RCM (IAEA, 2007).

2.2 Consecuencias del fallo

Un punto fuerte de RCM es que reconoce que las consecuencias de los fallos son más importantes que sus aspectos técnicos.

El proceso de RCM clasifica estas consecuencias en cuatro grupos, de la siguiente manera:

  • Consecuencias de fallos ocultos: los fallos ocultos no tienen un impacto directo, pero exponen a la organización a fallos múltiples con consecuencias serias y hasta catastróficas.
  • Consecuencias ambientales y para la seguridad: un fallo tiene consecuencias para la seguridad si es posible que cause daño o la muerte a alguna persona. Tiene consecuencias ambientales si infringe alguna normativa o reglamento ambiental tanto corporativo como regional, nacional o internacional.
  • Consecuencias operacionales: un fallo tiene consecuencias operacionales si afecta la producción (cantidad, calidad del producto, atención al cliente, o costos operacionales) además del costo directo de la reparación.
  • Consecuencias no-operacionales: los fallos que caen en esta categoría no afectan a la seguridad ni la producción, sólo se relacionan con el costo directo de la reparación

Al establecer una revisión obligada de las consecuencias de cada modo de fallo con relación a las categorías recién mencionadas, integra a los objetivos operacionales, ambientales, y de seguridad de la función del mantenimiento. Esto contribuye a incorporar a la seguridad y al medio ambiente en la corriente principal de gestión del mantenimiento.

Las técnicas de manejo de fallos se dividen en dos categorías:

  • Tareas proactivas: estas tareas se emprenden antes de que ocurra un fallo, para prevenir que el ítem llegue al estado de fallo. Abarcan lo que se conoce tradicionalmente como mantenimiento “predictivo” o “preventivo”, aunque veremos luego que RCM utiliza los términos reacondicionamiento cíclico, sustitución cíclica, y mantenimiento a condición.
  • Acciones a falta de: estas tratan directamente con el estado de fallo, y son elegidas cuando no es posible identificar una tarea proactiva efectiva. Las acciones “a falta de” incluyen búsqueda de fallo, rediseñar, y mantenimiento a rotura (correctivo). 

En la gráfica 3 (Chalifoux, 1999), se representa el análisis lógico de preguntas a realizarse en el análisis RCM de cara a poder analizar la acción más adecuada a ejecutar.

Grafica 3. Arbol lógico RCM. (Chalifoux,1999).
Grafica 3. Arbol lógico RCM. (Chalifoux,1999).

2.3 Introducción: Análisis de modo y efectos de fallos.

Análisis de modo y efectos de falla (FMEA, failure mode and effects analysis) es un enfoque cualitativo propuesto aclarar modos de falla de equipos en equipos de análisis o desarrollo de productos para apoyar las decisiones cuando hay falta de información y datos para llevar a cabo análisis cuantitativo. FMEA puede aplicarse también a los equipos operacionales para apoyar la confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad (RAM) análisis, análisis de riesgo, confiabilidad centrada en el mantenimiento (RCM) y la política de mantenimiento. La estrategia de análisis de fallos y efectos también se puede utilizar para evaluar cada pieza del equipo y su modo de falla. Dicho análisis puede centrarse en seguridad, medio ambiente o efectos operativos, en caso de fallos de equipos.

Fotografia 1. Izado estator de grupo hidroeléctrico. Ejemplo de equipo crítico que requiere planificación en las acciones de mantenimiento a ejecutar (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).
Fotografia 1. Izado estator de grupo hidroeléctrico. Ejemplo de equipo crítico que requiere planificación en las acciones de mantenimiento a ejecutar (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).

2.4 Análisis de criticidad para definir la lista de equipos críticos.

En muchos casos, es necesario priorizar el equipo más crítico en una planta industrial para evitar fallos críticos y definir un programa de mantenimiento. Por lo tanto, el objetivo principal del análisis de criticidad es definir el equipo crítico basado en las peores consecuencias de la falta con respecto a aspectos como seguridad, ambiente, producción y costos. En base a esto, el sistema de clasificación que se presenta en la tabla 1 (Sifonte, 2017), que oscila entre 1 y 4, evalúa y puntuaciones de cada aspecto. 

Tabla 1. Matriz de análisis criticidad de activos genéricos. (Sifonte, 2017).
Tabla 1. Matriz de análisis criticidad de activos genéricos. (Sifonte, 2017).

2.5 Patrones de fallo.

Uno de los puntos más importantes del análisis RCM es poder definir, para cada componente que interviene en el activo físico (sistema industrial), el patrón de fallo a considerar. Esta característica del componente es muy importante ya que nos permitirá definir el periodo de tiempo donde consideramos que el componente puede desarrollar su función sin fallo y, a la vez, nos permite controlar dicho periodo para planificar la acción que vayamos a definir una vez realizado el análisis RCM. Desde mitad del siglo XX se han realizado múltiples estudios en este campo, principalmente en sistemas industriales que requieren un nivel de fiabilidad muy alto de cara a evitar consecuencias catastróficas por la producción de fallos. United Airlines realizó a partir de 1950 un trabajo pionero en este campo al establecer el marco general y directrices específicas para la realización de este tipo de estudio. Estudió la relación entre la tasa de fracaso (probabilidad de falla condicional) y tiempos de operación de la aeronave. Una primera conclusión que surgió de ese trabajo fue la caracterización de los patrones de fallos de los distintos componentes de las aeronaves. En las décadas de los 60´s y 70´s produjeron un cambio fundamental en la importancia de los tipos de las tasas de fracaso. Se muestra en la tabla 2 los diferentes patrones analizados, así como las características de los Componentes Asociados. En la tabla 3 se indican los diferentes % de cada patrón de fallo que se estudiaron en varios estudios desarrollados, así como las características de cada patrón de fallos. Estas dos tablas nos permiten tener una idea sobre cómo se desarrolla la vida útil de los componentes y su aplicabilidad al sistema industrial que queramos analizar. 

Tabla 2. División en porcentajes de diferentes estudios relacionados con los patrones de fallos en los componentes industriales. (Smith, 2003).
Tabla 2. División en porcentajes de diferentes estudios relacionados con los patrones de fallos en los componentes industriales. (Smith, 2003).
Tabla 3. Clasificación de los patrones de fallos y características (Parte 1). (Smith, 2003).
Tabla 3-A. Clasificación de los patrones de fallos y características. (Smith, 2003).
Tabla 3. Clasificación de los patrones de fallos y características (Parte 2). (Smith, 2003).
Tabla 3-B. Clasificación de los patrones de fallos y características. (Smith, 2003).

2.6 Estrategia de Mantenimiento.

A continuación, y como conclusión de lo explicado, se analiza un caso práctico de estudio con un equipo crítico dentro de un sistema industrial de alta fiabilidad como es el caso de un grupo hidroeléctrico: el interruptor de potencia.

2.6.1 Interruptor de potencia automático.

Se define un interruptor automático como un aparato destinado a la apertura y cierre de un circuito y que tiene la capacidad de establecer, soportar e interrumpir tanto la corriente nominal, como en estado de sobrecarga y en estado de defecto en cortocircuito. Las características de rapidez de corte para eliminar la corriente de defecto cuanto antes y de robustez para soportar las solicitaciones del cortocircuito aún en estado de ruptura, hacen que el interruptor automático no sea adecuado para gran número de maniobras. No obstante, como se verá después, la ejecución de los interruptores modernos permiten una cantidad y frecuencia de maniobras muy elevadas.

Cuando se usa el nombre específico de interruptor automático se quiere definir a un interruptor que siempre tiene la posibilidad de recibir una orden de apertura desde unos relés de protección o a voluntad de un operador a distancia, que le hacen abrir en caso de avería, desconectando el circuito que ha sufrido el defecto. El interruptor automático es un aparato totalmente automático no solamente en cuanto a su posibilidad de apertura y cierre, sino con carga de muelles motorizada, bobinas de cierre, disparo a distancia y gran cantidad de accesorios para su propia supervisión.

La característica fundamental que diferencia al interruptor de otros aparatos que veremos después, es su capacidad para cortar las grandes intensidades de un cortocircuito, por lo que se suele decir que el interruptor es un aparato con capacidad de corte o capacidad de ruptura del arco aún a grandes corrientes.

Fotografia 2. Interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).
Fotografia 2. Interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).
Fotografia 3. Características técnicas de placa de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico. (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).
Fotografia 3. Características técnicas de placa de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico. (Fuente: Enel Green Power-Endesa Generación).

Aplicando lo explicado en el artículo, lo primero que deberemos analizar del interruptor de potencia son los diferentes parámetros recogidos en la tabla Amfec (funciones, fallas funcionales, modos de falla, efectos, acciones de mantenimiento), así como el análisis de la criticidad de cada uno de los modos de falla analizados de cara a considerar las averías mas críticas si se producen en base a los cuatro aspectos a analizar en la asignación de recursos de mantenimiento en cualquier sistema industrial (tabla 1, Matriz de análisis de criticidad) en cuanto a: Seguridad, Medioambiente, Producción y Mantenimiento. 

Tabla 4. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Parte 1).
Tabla 4-A. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico.
Tabla 4. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Parte 2).
Tabla 4-B. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico.
Tabla 4. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Parte 3).
Tabla 4-C. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico.
Tabla 4. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Parte 4).
Tabla 4-D. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico.
Tabla 4. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico (Parte 5).
Tabla 4-E. Amfec de análisis RCM de un interruptor de potencia de grupo hidroeléctrico.
Grafica 4. Número de maniobras de un interruptor en función de la intensidad de corte a despejar ( k A).
Grafica 4. Número de maniobras de un interruptor en función de la intensidad de corte a despejar ( k A).

Conclusión

Del análisis Amfec descrito, se observa claramente que el parámetro a controlar del equipo analizado es la intensidad de corte que se produce en cada apertura de interruptor, ya que su degradación como equipo eléctrico vendrá relacionada con las maniobras producidas de apertura así como la intensidad que ha tenido que cortar. Este parámetro es muy difícil de analizar en la vida útil de un interruptor, por lo que deberemos ir realizando un seguimiento en dos periodos definidos para que vayamos analizando esta degradación del equipo. Estos periodos podrían ser:

INSPECCIÓN INTERRUPTOR. Cada 1 año.
REVISIÓN INTERRUPTOR. Cada 3 años. 

Autor: Francisco Javier Martínez Monseco.
Responsable técnico de las centrales hidroeléctricas de Enel Green Power Hydro en la Agrupación Ter (Barcelona, Girona.España). Doctorando en el programa de tecnologías industriales. ETSI UNED.
Correo: jmartinezm@ebcn.cat 

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