Standby vs. Ersatzteile: Ein Beispiel für ein integriertes Zuverlässigkeits- und Wartungsdesign

 

Einführung:

Die Verfügbarkeit von Assets hängt sowohl von der Zuverlässigkeit der Subsysteme als auch von Ausfallzeiten aufgrund von Fehlern ab. Das Problem ist, dass Systemzuverlässigkeit und Ausfallzeit zu verschiedenen Disziplinen gehören: Die Zuverlässigkeit von Komponenten liegt in der Verantwortung des Zuverlässigkeitsingenieurs, während Ausfallzeiten ein Problem sind, das von Wartungs- und Betriebsingenieuren behandelt wird.

Ein eindrucksvolles Beispiel für die Verbindung zwischen Zuverlässigkeit und Wartung ist die Wahl zwischen dem Entwurf eines Systems mit Standby-Redundanz und dem Ersetzen der Redundanz durch eine Ersatzteilwartungsrichtlinie. Die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den beiden Ansätzen werden in diesem Dokument in Bezug auf Verfügbarkeit und Kosten untersucht.

Beispiel - Pumpe:

Wir haben ein einfaches Beispiel: Betrachten Sie eine Ölpumpe mit einer mittleren Ausfallzeit (MTBF) von 3 Jahren (26.280 Stunden). Wenn die Pumpe ausfällt, beträgt die durchschnittliche Reparaturzeit (MTTR) eine Woche (168 Stunden). Die Verfügbarkeit der Pumpe beträgt daher: 99.365%. Dies bedeutet, dass die Pumpe an durchschnittlich 2,3 Tagen pro Jahr nicht verfügbar ist. Um die Situation zu verbessern, kann man das System entweder mit einer zweiten Pumpe im Standby-Modus konstruieren oder eine zweite Pumpe als Ersatzteil in der Nähe platzieren.

Standby-Szenario:

Anfangs funktioniert die Hauptpumpe und die Reservepumpe funktioniert nicht (Cold Standby). Wenn die Betriebspumpe ausfällt, ersetzt die Reservepumpe sie sofort. Die ausgefallene Pumpe wird an die Reparaturwerkstatt geschickt (Heißreparatur). Wenn der Reparaturvorgang abgeschlossen ist, bevor die Reservepumpe ausfällt, kehrt das System in den Ausgangszustand zurück. Andernfalls tritt ein Systemfehler auf, bis eine der Pumpen repariert ist.

Das oben beschriebene Szenario kann als Erneuerungsprozess modelliert werden, für den in Abbildung 1 ein einfaches Markov-Kettendiagramm dargestellt ist:

Abbildung 1: Markov-Kettendiagramm für den Erneuerungsprozess. λ ist die Pumpenausfallrate und μ ist die Einzelpumpenreparaturrate. Der grüne Knoten bezeichnet den Zustand, in dem eine Pumpe arbeitet und eine Pumpe im Standby-Modus ist, der gelbe Knoten beschreibt einen Zustand, in dem eine Pumpe arbeitet und eine Pumpe repariert wird, und der rote Knoten beschreibt einen ausgefallenen Zustand, in dem sich beide Pumpen befinden repariert werden.

λ ist die Pumpenausfallrate und μ ist die Einzelpumpenreparaturrate. In vielen Fällen (einschließlich des obigen Beispiels) λ / μ << 1 Daher kann der Erneuerungsprozess durch einen Poisson-Prozess angenähert werden, für den die Verfügbarkeit im stationären Zustand ist:

Für die oben angegebenen Werte beträgt die Verfügbarkeit 99,998% (durchschnittliche jährliche Ausfallzeit von 10,5 Minuten), eine signifikante Verbesserung.

 

Einzelne Ersatzszenario:

Wenn die Pumpe vor Ort ausfällt, wird sie sofort durch die Ersatzpumpe ersetzt. Die ausgefallene Pumpe wird an die Reparaturwerkstatt geschickt. Wenn der Reparaturvorgang abgeschlossen ist, bevor die Ersatzpumpe ausfällt, kehrt das System in den Ausgangszustand zurück. Andernfalls tritt ein Systemfehler auf, bis eine der Pumpen repariert ist.

 

Verfügbarkeit:

Die beiden oben beschriebenen Prozesse sind nahezu identisch. Der einzige Unterschied besteht darin, dass im Einzelersatzszenario die Backup-Pumpe im Lagerraum wartet, während im Standby-Szenario die Backup-Pumpe vor Ort wartet.

Um den Unterschied zwischen den Fällen zu berücksichtigen, sollte die Pumpenwechselzeit zum Modell hinzugefügt werden. Dies geschieht wie folgt:

Definieren Sie zunächst eine effektive Reparaturrate: μ * so dass die Verfügbarkeit in Gl. 1 ist

μ * wird unter Verwendung von Gl. 1 und 2:

μ * stellt die inverse mittlere Ausfallzeit dar, wenn ein Pumpenausfall auftritt. Definieren Sie als Nächstes die Austauschzeit der Pumpe t, dann die neue Verfügbarkeit EIN* ist:

Der Koeffizient von t in Gl. 4 hängt von den Details des Pumpenwechsels und dem daraus resultierenden aufwändigen Markov-Kettenprozess ab. Gl. 4 zeigt die erwartete Verfügbarkeit des Pumpensystems in Abhängigkeit von der Pumpenwechselzeit. t ist aufgrund der Transport-, Demontage- und Montagezeiten für das Ersatzteilgehäuse im Vergleich zum Standby-Gehäuse normalerweise größer. Daher ist es besser, eine Standby-Pumpe zu verwenden. Es gibt jedoch ein anderes Element, das bisher nicht berücksichtigt wurde: die Kosten.

Kosten:

In der Regel fallen pro Stunde Systemstillstandszeit hohe Kosten an. Die Gesamtstillstandszeit während des Lebenszyklus beträgt:

wo tNieder ist die Ausfallzeit und tLeben ist die Lebenszyklusperiode. Weitere Kostenfaktoren für das Standby-Szenario sind auf die Nachfrage nach parallelen Rohrleitungen, Stromversorgungen und eine größere Stellfläche zurückzuführen. Das Ersatzteilszenario erfordert Lager- und Verpackungskosten.

Wenn Ausfallzeiten sehr kostspielig sind, wird normalerweise eine Standby-Lösung bevorzugt. In der Tat wird in vielen Ölraffinerien, entfernten Wasserversorgungsstationen und kritischen Systemen ein Standby-Design verwendet.

Der Vorteil der Verwendung von Ersatzpumpen anstelle von Standby-Einheiten wird deutlich, wenn viele identische Systeme einen gemeinsamen Bestand verwenden. Dann müssen weniger Pumpeneinheiten gekauft werden. Dies führt zu einer erheblichen finanziellen Einsparung.

Beispiel - 10 Pumpen:

Betrachten Sie eine Linie mit 10 Pumpen in Reihe. Um eine hohe Verfügbarkeit aufrechtzuerhalten, werden zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen:

 

Standby-Szenario:

Angenommen, für jede Pumpe wurde eine Standby-Pumpe hinzugefügt (mit insgesamt 20 Pumpen). Weiterhin wird angenommen, dass bei einem Ausfall die Pumpenschaltzeit vernachlässigbar ist.

Die Hauptkosten sind: Einzelpumpenkosten von 500.000$, Einzelpumpenreparaturkosten von 5.000$ und Ausfallzeiten von 20.000$ pro Stunde. Die Gesamtkosten für einen Lebenszyklus von 20 Jahren wurden unter Verwendung der apmOptimizer-Software wie folgt berechnet: 11.373.720$ mit einer Leitungsverfügbarkeit von 99.979%.

 

Ersatzteilszenario:

Anstelle der 10 Standby-Pumpen werden 2 Ersatzpumpen eingelagert (insgesamt 12 Pumpen). Der Bestand an zwei Ersatzpumpen wird von allen Pumpen im Feld geteilt. Die Pumpenschaltzeit wird mit 2 Stunden angenommen.

Die Hauptkosten sind: Einzelpumpenkosten von 500.000$, Einzelpumpenreparaturkosten von 5.000$ und Ausfallzeiten von 20.000$ pro Stunde. Die Gesamtkosten für einen Lebenszyklus von 20 Jahren wurden mit der apmOptimizer-Software wie folgt berechnet: 8.997.945$ bei einer Verfügbarkeit von 99.924%.

 

Vergleich:

Das Standby-Design bietet im Vergleich zum Ersatzteil-Design eine höhere Verfügbarkeit. Die Lebenszykluskosten für das Erreichen dieser Verfügbarkeit sind jedoch um mehr als 2.375.000$ höher als das Ersatzteil-Design. Die optimale Anzahl von Ersatzteilen für das Ersatzteilszenario beträgt 2, weniger Ersatzteile verursachen aufgrund der geringen Verfügbarkeit eine hohe Strafe, während das Hinzufügen zusätzlicher Ersatzteile (3 oder mehr) zu einer vernachlässigbaren Verbesserung der Verfügbarkeit führt.

 

Fazit:

In diesem Artikel haben wir die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der Verwendung von Standby-Einheiten und der Verwendung von Ersatzgeräten erörtert. Dies ist ein Beispiel für die Verbindung zwischen dem Redundanzdesign, das normalerweise vom Zuverlässigkeitsingenieur ausgeführt wird, und der vom Wartungsingenieur klassisch festgelegten Wartungsrichtlinie.

The examples above demonstrate the need for both reliability and maintenance to be considered as early as the asset design stage.

 

New design tools such as BQR’s CARE und apmOptimizer software suites can greatly assist in such a process.