Resumen

En este trabajo, el autor presenta la aplicación de un Estudio RAM (Reliability, Availability, Maintainability, por sus siglas en inglés) en un sistema de bombeo de condensado instalado en una planta de proceso industrial. Basándose en el pronóstico de los escenarios de fallas, la configuración de los equipos, las políticas de mantenimiento, la filosofía operacional y la confiabilidad de los mismos, se identifican las consecuencias de dichas fallas, así como los subsistemas o componentes de mayor impacto. Esto permite definir acciones que adecúen los eventos no deseados y su impacto a los requerimientos de la organización.

El estudio se enfocó en realizar un diagnóstico de la confiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y el factor de servicio del proceso durante un período representativo en años (correspondiente al tiempo de mantenimiento mayor de los equipos). Se caracterizó el estado actual y futuro basado en los tiempos promedio para fallar (TPPF) y los tiempos promedio para reparar (TPPR).

La organización dispone de bancos de información propia recolectada de manera continua en las bombas. Sin embargo, en muchos casos, la información específica sobre los modos de fallas predominantes puede ser limitada. Por este motivo, se consideró necesario utilizar la opinión de expertos y complementar con información de bases de datos genéricas de fallas y reparaciones, como OREDA, IEEE, PARLOC, WELL MASTER, EXIDA, PHMSA, entre otras.

Palabras clave: Falla, Deterioro, Mejorabilidad, Confiabilidad, Disponibilidad, Ingeniería de Confiabilidad, Mantenibilidad, Simulación de Monte Carlo.

1.- Introducción

En los últimos años, las industrias han orientado sus esfuerzos hacia la maximización de sus ganancias, utilizando diversos enfoques que faciliten la toma de decisiones para realizar inversiones acertadas y de alta rentabilidad. Ejemplos de estos enfoques incluyen fusiones entre grandes corporaciones, estilos de gestión como la Gerencia Integral de Activos y la cuantificación del riesgo para evaluar escenarios. Todas estas estrategias tienen como objetivo, de manera implícita o explícita, optimizar la inversión de millones de dólares para reducir costos y aumentar los márgenes de ganancias.

La toma de decisiones sobre inversiones de capital es un aspecto crucial para cualquier gerencia, ya que la mayoría de las situaciones o escenarios suelen basarse en datos con poca certidumbre. Esto puede llevar a destinar los recursos financieros hacia oportunidades de menor valor para el negocio.

El análisis RAM (Reliability, Availability, Maintainability) permite pronosticar, para un período determinado, la disponibilidad y el factor de producción diferida de un sistema o proceso de producción. Este análisis se basa en la configuración del sistema, la confiabilidad de sus componentes, la filosofía de operación y mantenimiento, y, fundamentalmente, en los tiempos promedio para fallar (TPPF) y los tiempos promedio para reparar (TPPR) de los diversos componentes. Para ello, se utiliza información proveniente de bases de datos propias, bases genéricas de la industria y la opinión de expertos. El equipo de trabajo establece las premisas relacionadas con la confiabilidad de los equipos, considerando todas las fuentes posibles para conformar una base de datos que permita obtener las mejores estimaciones de los TPPF y TPPR.

El análisis RAM también facilita la realización de sensibilidades entre la capacidad instalada y la requerida, la modificación de planes de mantenimiento, y la identificación de diferencias respecto a una condición específica. Esto permite planificar opciones de redimensionamiento y generar planes de acción que cumplan con los compromisos de producción y seguridad exigidos.

Tal como se ilustra en la Figura 1, el análisis RAM comienza con la estimación de las tasas de falla y reparación de cada uno de los componentes o equipos que conforman los sistemas analizados. Esta estimación mejorada de las tasas de falla alimenta un modelo de Diagramas de Bloques de Confiabilidad (RBD), que representa la arquitectura del sistema y su filosofía de operación. Este modelo está soportado por una simulación que considera la configuración de los equipos, fallas aleatorias, reparaciones, mantenimiento planificado, así como paradas parciales y totales de los componentes del sistema.

Durante la ejecución de un estudio RAM, se lleva a cabo una adecuada caracterización probabilística de los procesos de deterioro que afectan los equipos, subsistemas y sistemas asociados al proceso de producción. Esto permite pronosticar la mayoría de los escenarios de paros o fallas. El objetivo principal de un estudio RAM es estimar la producción diferida de un sistema productivo. Una vez realizada la simulación, es posible determinar la disponibilidad promedio del sistema y, como complemento, su indisponibilidad.

Adicionalmente, con los resultados obtenidos, se pueden identificar acciones para minimizar la ocurrencia de estos escenarios y analizar sus implicaciones al compararlos con un escenario basado en las "Buenas Prácticas", tal como lo establece el estándar ISO 55001 en sus requerimientos. Esto contribuye al establecimiento de estrategias óptimas de mantenimiento, orientadas a gestionar el negocio de manera optimizada.

2.- Marco Conceptual

2.1 Confiabilidad

La confiabilidad se define como la probabilidad de que un sistema o equipo opere sin fallar durante un período de tiempo determinado, bajo condiciones operacionales específicas y constantes, tales como presión, temperatura, caudal, densidad o pH. Dado que la función de confiabilidad depende del tiempo, esta disminuye a medida que aumenta su complemento, es decir, la probabilidad de falla.

Esta ecuación refleja la relación inversamente proporcional entre la confiabilidad y la tasa de falla: a medida que la confiabilidad disminuye, la tasa de falla aumenta. Además, muestra que la confiabilidad es una función acumulativa inversa del tiempo hasta la falla, ya que expresa la probabilidad de que el tiempo de falla (t) sea mayor o igual al tiempo misión (tm).

Para estudiar esta probabilidad, se recopilan datos y parámetros que afectan directamente la confiabilidad. Entre estos parámetros se encuentran el ambiente, la temperatura, las presiones y otros factores que influyen en el sistema. Sin embargo, la teoría de confiabilidad, utilizada como herramienta para optimizar el desempeño de los activos, se enfoca principalmente en las fallas de los sistemas. Aunque no profundiza en los fenómenos que las originan, se centra en la frecuencia con la que ocurren. No se trata de una teoría física de las fallas, sino de una teoría estadística.

Por este motivo, los datos empleados en el análisis son principalmente los relacionados con los "tiempos" del activo, ya que estos representan información concreta y con menor incertidumbre, siendo fundamentales para el estudio de la confiabilidad.

2.2 Datos Censurados a la Izquierda

Los datos censurados a la izquierda corresponden a situaciones en las que un ítem se encuentra en estado de falla solo después de un cierto período de tiempo, pero el momento exacto en el que ocurrió la falla es desconocido. Es decir, no se sabe cuándo falló exactamente, solo que la falla ocurrió en algún punto anterior al momento en que fue detectada.

2.3 Datos Censurados a la Derecha

Si nosotros ensayamos cinco ítems, pero solo tres fallan, en este caso nuestros datos están compuestos por tres ítems que fallaron, es decir, ítems de los que conocemos los tiempos hasta la falla, y dos ítems que no fallaron, que se consideran como datos censurados. Este es el tipo más común de datos censurados. Incluir datos censurados en un análisis de datos es conveniente porque hace menos pesimista el estudio de confiabilidad.

2.4 Disponibilidad

La disponibilidad es un término probabilístico exclusivo de los “equipos reparables” que se define como la probabilidad de que el equipo esté operando (es decir, que no esté en reparación) en 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 hasta la falla y los tiempos en reparación para un periodo de tiempo “t”.

2.4.1 Disponibilidad Inherente

La Disponibilidad Inherente representa el porcentaje del tiempo que un equipo está 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.

Donde:

MTTF: Tiempo Medio para la Falla

MTTR: Tiempo Medio para Reparar

2.4.2 Disponibilidad Alcanzada

La disponibilidad alcanzada representa el porcentaje de tiempo que el equipo estuvo disponible para el área de operación y pudo desempeñar su función durante un periodo de análisis. Esto toma en cuenta el tiempo que el equipo estuvo fuera de operación, tanto por paros programados como no programados. El objetivo de este indicador es medir el desempeño de los equipos y la eficiencia en la gestión de mantenimiento, comparándolos con los objetivos y metas del negocio. Esto tiene como finalidad que la operación disponga de más tiempo con el equipo disponible y que este pueda cumplir con la función para la que fue diseñado.

Donde:

MTBM: Tiempo Medio entre Mantenimiento, tanto correctivas como preventivas

M=MDT: Tiempo Medio Abajo, incluye MTTR más tiempo fuera de control

2.4.3 Disponibilidad Operacional

La disponibilidad operacional incluye todos los tipos de paradas: administrativas, atrasos logísticos, entre otras. Es la disponibilidad más perceptible para el usuario o dueño del activo. En muchos casos, no es fácil controlarla. Esta disponibilidad es la más utilizada o calculada por las diferentes organizaciones para mostrar su desempeño durante el periodo de análisis y ayudar en la toma de decisiones, con el fin de direccionar los recursos y esfuerzos disponibles a las verdaderas oportunidades para mejorar el desempeño de los activos físicos.

Un ejemplo de la aplicación de la ecuación de la disponibilidad operacional sería si disponemos de un tiempo total del ciclo de operación para un año de 8,760 horas y el tiempo de operación fue de 7,000 horas debido a los paros programados y no programados. En un estudio RAM, esta disponibilidad es muy utilizada debido a la información valiosa que muestra en cada corrida de la simulación.

2.5 Mantenibilidad

La mantenibilidad trata sobre la duración de paros por fallas y paros por mantenimiento, o cuánto tiempo toma 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 los tiempos de reparación.

La figura 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 funcional. Cuantitativamente se define como la probabilidad de restaurar la condición operativa del equipo en un período de tiempo o tiempo misión. Se expresa a menudo como:

Donde µ= Tasa de Reparación

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

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2.6 Diagrama de Bloques 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. En un RBD, cada componente debe ser caracterizado probabilísticamente. Podemos tener tres tipos de arreglos en un sistema:

• Sistemas en Serie
• Sistemas en Paralelo
• Sistemas "k" de "n"

2.7 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 definido como aquel sistema en el que todos sus componentes deben operar para que el sistema en su totalidad opere. La confiabilidad del sistema es menor que la de la menor confiabilidad de los elementos del sistema.

2.8 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 define como aquel sistema en el que todos sus componentes deben fallar para que el sistema en su totalidad no opere.

2.9 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. La siguiente gráfica muestra la matemática que corresponde a un sistema con redundancia o respaldo a través de la distribución binomial.

De igual manera, se muestra una gráfica con la relación de la confiabilidad en función de la cantidad de equipos o componentes en operación, lo que demuestra que, a medida que se colocan más equipos en operación, la confiabilidad del sistema se hace vulnerable y se comporta como un sistema en serie, donde si falla uno, se afecta la producción del proceso productivo de manera correspondiente al porcentaje que contribuya en el sistema.

2.10 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 de Monte Carlo es el método prominente para la solución de problemas dinámicos de confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad de sistemas industriales.

Así, dados los desarrollos actuales en software y hardware, la simulación de Monte Carlo es una técnica poderosa para desarrollar análisis de confiabilidad-disponibilidad-mantenibilidad de sistemas industriales que están muy apegados a la realidad de los sistemas complejos. A través de esta simulación se generan números aleatorios que permiten realizar diferentes escenarios para tomar decisiones acertadas respecto a la dirección de los recursos financieros de la organización, disminuyendo en lo posible el impacto total al negocio.

3. Procedimiento de Trabajo

La metodología se concentra 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. El arreglo matemático para las simulaciones y el cálculo de los parámetros se enfoca 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 y 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 flujo, 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 en la producción en caso de ocurrir una falla en cualquier elemento o equipo del sistema.
6. Entrevistas con el personal de operaciones, mantenimiento, optimización de producción, ingenieros de producción y 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. Estimación de la confiabilidad, disponibilidad y mantenibilidad del sistema.
5. Estimación de la capacidad efectiva del sistema.
6. Conclusiones y recomendaciones.

4. Caso de Estudio

En el siguiente caso de estudio se dispone de los datos propios de los activos físicos que conforman el sistema, los cuales fueron complementados con datos genéricos del comportamiento típico de los equipos, basados en información tomada de fuentes como OREDA, Reliability Handbook, entre otros. Se generaron datos aleatorios tanto para los tiempos para falla (TPF) como para los tiempos para reparar (TPR), con los cuales se estimaron la disponibilidad y confiabilidad de cada uno de los equipos principales que conforman el sistema de bombeo.

En la siguiente imagen se muestran los resultados de la caracterización probabilística y el respectivo análisis de datos a través del uso de la herramienta computacional ADA-CONFIABILIDAD para una de las bombas del sistema. Estos datos, luego de ser tratados probabilísticamente, permitieron, mediante las expresiones matemáticas explicadas en el marco conceptual, estimar la disponibilidad, confiabilidad y mantenibilidad esperadas de cada equipo del sistema.

Como se puede observar en la ilustración anterior, de acuerdo con la caracterización probabilística, el mejor ajuste lo realiza la distribución de Weibull. Sin embargo, la herramienta, de manera simultánea, compara la distribución de Weibull con las distribuciones Exponencial, Normal, Lognormal y Gamma, en base al valor del test y el respectivo valor crítico para cada nivel de significancia. Para un tiempo misión de 100 horas, se estima que la confiabilidad sea igual al 87.06%, y los parámetros de Weibull son: Eta = 595 horas y Beta = 1.11. Esto indica que el equipo se encuentra en la etapa de desgaste, de acuerdo con un patrón de falla característico, lo cual sirve como apoyo para la toma de decisiones.

En la figura 4 se puede observar que el coeficiente de correlación R2=0.97 corrobora el buen ajuste de la distribución de Weibull. En la figura 5, se muestra el diagrama de bloques de confiabilidad (RBD) elaborado en el software RAPTOR 7, donde se aprecia la relación entre los diferentes componentes que conforman el sistema de bombeo, tales como bombas, válvulas y filtros.

En la tabla 1 se muestran los resultados obtenidos de la simulación, distribuidos mediante el uso del software RAPTOR 7. Lo recomendable es seleccionar el valor promedio de la disponibilidad, el cual nos ayudará a estimar la producción diferida del sistema de bombeo. De igual manera, se presentan los valores distribuidos de la confiabilidad y el número esperado de fallas. Esta simulación debe realizarse para diferentes tiempos de misión.

En la tabla 2 se muestran los resultados de la disponibilidad por año para el sistema de bombeo analizado. Además, se estima la pérdida anual de la producción del sistema, información que puede ayudar a la alta dirección a tomar decisiones para evitar la pérdida o el no aprovechamiento de esta cantidad de unidades. Este análisis tiene como objetivo principal anticiparse a las posibles fallas, estableciendo planes de acción que minimicen al máximo el impacto total al negocio y, de esta manera, contribuyan a mejorar la rentabilidad de la organización. El análisis se realiza considerando la capacidad instalada del sistema.

5. Conclusiones

• En el pronóstico de comportamiento de la capacidad efectiva de un proceso productivo, la indisponibilidad operacional por mantenimiento planeado y la indisponibilidad operacional por fallas deben ser analizadas tanto de forma independiente como en conjunto, con la finalidad de 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 realizar 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 mediante una simulación "what if" de las siguientes variables:
• Nuevas políticas de mantenimiento.
• Aplicación de nuevas tecnologías.
• Cambios en la mantenibilidad de los equipos.
• Modificaciones en la configuración de los procesos de producción.
• Cambios en la política de inventarios.
• Implantación de nuevos métodos de producción.

6. Referencia

1. Mohammad Modarres, Mark P. Kaminskry, Vasily Krivtsov, 2017: Reliability Engineering and Risk Analysis: A Practical Guide, Third Edition.
2. Blas Galván y Ernesto Primera, 2017: Estudios e Ingeniería RAM, MRI Institute.
3. Andrew K.S. Jardine and Albert H. C. Tsang, 2014: Maintenance, Replacement, and Reliability (Theory and Applications), Second Edition, CRC Press.
4. Edgar Fuenmayor, 2014: Análisis de Confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad de un Sistema de Bombeo, PMM Project Magazine Vol 29, ISSN 1887-018X.
5. D.T. O’Connor, Andre Kleyner, 2012: Practical Reliability Engineering, Fifth Edition.
6. R2M - Reliability and Risk Management Mexico S.A. de C.V., 2010: Confiabilidad Integral: Sinergias de Disciplinas Tomo I, II, III.
7. ReliaSoft RS403, 2008: Confiabilidad de Sistemas, Master the Subject Seminar Series.
8. ReliaSoft RS401, 2008: Análisis de Datos de Vida, Master the Subject Seminar Series.
9. Medardo Yáñez, Hernando Gómez de la Vega, Genebelin Valbuena, 2004: Ingeniería de Confiabilidad y Análisis Probabilístico de Riesgo, Venezuela, R2M.