Estudio NPR (Número de Ponderación del Riesgo) de Modos de Fallo en AMFEC

De cara a realizar un Plan de Mantenimiento Optimizado se pueden utilizar diferentes técnicas, seleccionar los manuales de mantenimiento de los fabricantes, programar tareas por experiencia, planes basados en monitoreo de la condición, planes basados en análisis de causa raíz (RCA), entre otros y también utilizar el Mantenimiento Centrado en la Fiabilidad (RCM-Reliability Centred Maintenance), una de las partes es la famosa hoja AMFEC (Análisis de Modos de Fallos Efectos y Consecuencias) o FMEAC. El desarrollo de modos de fallos recoge conceptos del RCA, el objetivo es encontrar la estructura de todos los modos de fallos, desde más estratégicos a más detallados, de cómo un sistema puede dejar de cumplir su función. Para poder dar un valor de severidad de cada uno de los modos de fallos encontrados existe el indicador NPR (Número de Ponderación de Riesgo), que engloba los multiplicando de 1 a 10 Gravedad, Frecuencia de Fallos y Detectabilidad, con lo que el NPR puede ir desde el valor mínimo 1 (1 x 1 x 1 = 1) al 1000 (10 x 10 x10 = 1000).

Este trabajo muestra cómo puede afectar en el NPR los diferentes cambios de condiciones de operación de un sistema, ya que normalmente se calcula el NPR del AMFEC, para unas condiciones óptimas de trabajo, o implemente para unas condiciones de estado del activo concreto; pero, si cambian, ¿Qué pasa con el valor del NPR? ¿Debería variar? La respuesta es afirmativa, con lo que se describe el NPR variable, en función de si un sistema trabaja más cargado o menos, es más nuevo o no tanto, etc. De esta forma se pueden configurar hojas AMFEC variables acordes con las realidades científicas e ingenieriles de los procesos físicos y químicos de los sistemas de las máquinas e instalaciones que los mantenedores gestionan. Todo lo descrito lo podrán constatar con un caso de estudio real.

Introducción

En la realización de un estudio de AMFEC (Análisis de Modos de Fallos Efectos y Criticidad), se determina todos los fallos que pueden surgir en el funcionamiento de un activo; así como, su impacto en seguridad y medio ambiente, calidad, producción y mantenimiento. Posibilita asimismo una valoración de cada uno de estos fallos y cuantificarlos con un número que agrupa dicha valoración. Éste es el NPR, Número de Ponderación de Riesgo. Utilizado para cuantificar el riesgo que conlleva un fallo en una máquina o instalación. Se divide en tres componentes:

  • GRAVEDAD: Impacto en seguridad y medio ambiente según el fallo ocurrido.
  • FRECUENCIA DE FALLOS: Inversa del periodo o tiempo transcurrido entre fallos ocurridos en un equipo o instalación.
  • DETECTABILIDAD: Mayor o menor dificultad de asociar un suceso ocurrido, a una causa o modo de fallo.

La ecuación 1.1 indica el valor del NPR para un modo de fallo determinado.

Una de las desventajas de utilizar la ecuación 1.1 para calcular el NPR, es que su valoración es fija para la situación determinada en el AMFEC. Por ello, en los apartados 2 y 3 se desarrollan NPRMACROSCÓPICO y NPRMICROSCÓPICO, desarrollando formas diferentes de valoración de NPR.

NPR MACROSCÓPICO
Gravedad

Impacto en seguridad y medio ambiente según el fallo ocurrido. Además, puede tener implicación en:

  • Compras: Disponibilidad de instalaciones a través de sistemas productivos.
  • Logística: Disponibilidad de instalaciones y clientes.
  • Calidad: Desviaciones de parámetros cualitativos.
  • Producción: Desviaciones de parámetros productivos.
  • Ingeniería: Afecta a instalaciones, debiendo aplicar reingeniería.
  • Mantenimiento: Afecta a variables de mantenimiento y fiabilidad.

Cada concepto se puede dividir en el tipo de impacto ocurrido. La figura 1 muestra diversos tipos de gravedad en función de diferentes conceptos técnico-económicos.

Frecuencia de fallos

Inversa del periodo o tiempo transcurrido entre fallos ocurridos en un equipo o instalación. Puede acotarse en todo su valor de forma proporcional o de 0 a ∞ según el tiempo ocurrido entre sucesos. A cada valor de la escala de 1 a 10 se corresponde con una frecuencia de fallos, pero desde la presente investigación y debido a la experiencia adquirida en diversas implantaciones, es necesario utilizar escalas de frecuencias de fallos para tipologías de equipos. Un ejemplo de ello, se muestra en la figura 2, para tecnología de la industria de procesos.

La ecuación 2.1 indica el valor del NPRMACROSCÓPICO, según el desarrollo indicado.

Figura 1 - Tipos de gravedad en función de conceptos técnico-económicos
Figura 1 – Tipos de gravedad en función de conceptos técnico-económicos
Figura 2 - Frecuencias de fallos de tipologías de equipos de industria de procesos
Figura 2 – Frecuencias de fallos de tipologías de equipos de industria de procesos

NPR MICROSCÓPICO

En los equipos e instalaciones industriales existen fenómenos físico-químicos, cada uno de estos fenómenos disponen de ecuaciones para definirlos, que a su vez contienen variables científicas. Los fenómenos físico-químicos con los cuales se trabaja en la presente investigación son:

  • Transferencia de calor: Estudio de la transmisión de calor a través de un medio o a través de diferentes cuerpos.
  • Dinámica de fluidos o mecánica de fluidos: Estudio del comportamiento de fluidos al moverse y su interacción con estructuras de equipos.
  • Fatiga de materiales: Estudio de la resistencia y fatiga de los materiales, sometidos a cargas estáticas o fluctuantes en el tiempo.
  • Reacciones químicas: Estudio del comportamiento de las moléculas de cada una de las sustancias que participan en la reacción química.

Para aclarar, el funcionamiento del método de cálculo del NPR en la vertiente microscópico se observa las figuras 3 y 4.

Figura 3 - Las 5 dimensiones del cálculo del NPRMICROSCÓPICO
Figura 3 – Las 5 dimensiones del cálculo del NPRMICROSCÓPICO
Figura 4 – Espacio vectorial R5 para el cálculo del NPRMICROSCÓPICO

La figura 4 expresa la estructura del espacio vectorial en el que se integra el NPRMICROSCÓPICO; desde la dimensión 5 que es la variación en % de las variables (dimensión 4) que participan en las ecuaciones (dimensión 3), de los fenómenos físico-químicos (dimensión 2), de las tres partes en las que se dividen el NPR (gravedad, frecuencia de fallos y detectabilidad (dimensión 1)). Por tanto, una variación en el porcentaje del valor de una variable produce una variación en el NPRMICROSCÓPICO del modo de fallo de estudio, a través de influenciarles en las demás dimensiones del espacio vectorial R5 definido.

Las figuras 5 a 8 son una muestra y recordatorio de ecuaciones de fenómenos físicos y químicos, a modo de ilustrar al lector y facilitar la comprensión del estudio NPR.

Figura 5 - Ecuaciones del fenómeno Transferencia de Calor
Figura 5 – Ecuaciones del fenómeno Transferencia de Calor
Figura 6 - Ecuaciones del fenómeno Fatiga de Materiales
Figura 6 - Ecuaciones del fenómeno Fatiga de Materiales
Figura 6 – Ecuaciones del fenómeno Fatiga de Materiales
Figura 7 - Ecuaciones del fenómeno Mecánica de Fluidos
Figura 7 – Ecuaciones del fenómeno Mecánica de Fluidos
Figura 8 - Ecuaciones del fenómeno Reacciones Químicas
Figura 8 – Ecuaciones del fenómeno Reacciones Químicas
Figura 9 - Ejemplo de desarrollo de dimensiones 2, 3 y 4 de la figura 4
Figura 9 – Ejemplo de desarrollo de dimensiones 2, 3 y 4 de la figura 4

Cálculo NPR MICROSCÓPICO

La ecuación que rige el valor del NPRMICROSCÓPICO de un modo de fallo específico, tiene en cuenta en el presente desarrollo los términos gravedad, frecuencia de fallos y detectabilidad. Los dos primeros términos muestran un espacio vectorial R5, donde cada dimensión es respectivamente gravedad ó frecuencia de fallos, fenómeno físico-químico, ecuación, variable y variación de variable.

La ecuación 3.1, indica de qué depende el NPRMICROSCÓPICO de un modo de fallo en concreto, para los diferentes conceptos mencionados en la descripción de la ecuación.

Las ecuaciones 3.2, 3.3 y 3.4 muestran el cálculo de Gravead, Frecuencia de Fallo y Detectabilidad sucesivamente.

Caso de estudio de NPR MICROSCÓPICO. Cálculo de NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado en una bomba centrífuga

Cálculo de la variación del NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado, en una bomba centrífuga. Para ello, se hace servir la fuerza de empuje radial. Aparece cuando se trabaja con caudales que difieren del punto óptimo que da el máximo rendimiento de la bomba. La figura 10 muestra el comportamiento de la fuerza de empuje radial en función de la desviación del caudal de la bomba respecto al de diseño.

Figura 10 - Fuerza de empuje radial respecto el caudal de trabajo
Figura 10 – Fuerza de empuje radial respecto el caudal de trabajo

Con los valores de la fuerza de empuje radial, se puede estudiar el comportamiento del mayor o menor desgaste de rodamientos a través de su vida, gracias a la ecuación 3.6.

En las figuras 11 y 12 se puede observar como varía el NPR en función de la variación de la frecuencia de aparición del fallo rodamiento deteriorado provocado por una variación de las condiciones de trabajo de la bomba.

Figura 11 – Tabla de vida y NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado, para diferentes puntos de trabajo respecto del punto de diseño de una bomba centrífuga
Figura 11 – Tabla de vida y NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado, para diferentes puntos de trabajo respecto del punto de diseño de una bomba centrífuga
Figura 12 – Gráco de vida y NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado, para diferentes puntos de trabajo respecto del punto de diseño de una bomba centrífuga
Figura 12 – Gráco de vida y NPR del modo de fallo rodamiento deteriorado, para diferentes puntos de trabajo respecto del punto de diseño de una bomba centrífuga

Conclusiones

Se plantean infinidad de comportamientos físicos y químicos de equipos e instalaciones, donde se puede utilizar la valoración del NPR, función de la dinámica de operatividad. En el caso de estudio de NPR, se puede observar cómo se parametriza el NPR en función de la variación de una variable y con ello se llega a la conclusión de integrar diferentes situaciones para el desarrollo de AMFEC’s; de esta forma, se dispone de un estudio AMFEC en la que su situación de trabajo es variable. El trabajo futuro de investigación del NPR, es conseguir curvas de fiabilidad de modos de fallos, variando el punto de trabajo del equipo de estudio. De esta manera, se conocerá la frecuencia de aparición del modo de fallo; que será la base de una excelente planificación de mantenimiento, para prevenir los fallos y el camino hacia la optimización de sus costes.

La utilización de la herramienta NPR variable, es decisión del implantador de RCM, el cual se puede ayudar para encontrar mayor precisión en los resultados de NPR de modos de fallos críticos. Si la implantación de RCM, no se realiza en un entorno industrial con grandes impactos causados por sus fallos, estas herramientas pueden ser gratuitas en su utilización, no así en entornos industriales altamente exigentes con la seguridad, medio ambiente y disponibilidad de instalaciones.

Referencias

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[14] Shigley J. E., Mischke C. R. Diseño en Ingeniería Mecánica. McGraw-Hill. 2002.
[15] White F.M. Mecánica de Fluidos. McGraw-Hill. 1979.

Autor: Marc Gardella
Director SIMRO CONSULTING
Sant Ferrán, 210-212, 08205 Sabadell (Barcelona-España)
Correo: marc.gardella@simroconsulting.com

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