Standby vs. Repuestos: un ejemplo de confiabilidad integrada y diseño de mantenimiento

Introducción:

La disponibilidad de los activos depende tanto de la confiabilidad de los subsistemas como del tiempo de inactividad debido a fallas. El problema es que la confiabilidad del sistema y el tiempo de inactividad pertenecen a diferentes disciplinas: la confiabilidad de los componentes está bajo la responsabilidad del ingeniero de confiabilidad, mientras que el tiempo de inactividad es un problema abordado por los ingenieros de mantenimiento y operaciones.

Un ejemplo sorprendente de la interconexión entre confiabilidad y mantenimiento es la elección entre diseñar un sistema con redundancia en espera y reemplazar la redundancia con una política de mantenimiento de repuestos. Las similitudes y diferencias entre los dos enfoques se explorarán en este documento en términos de disponibilidad y costo.

Ejemplo - bomba:

Estamos con un ejemplo simple: considere una bomba de aceite con un tiempo medio entre fallas (MTBF) de 3 años (26,280 horas). Cuando la bomba falla, el tiempo medio de reparación (MTTR) es de una semana (168 horas). La disponibilidad de la bomba es por lo tanto: 99.365%. Esto significa que la bomba no está disponible en promedio 2.3 días cada año. Para mejorar la situación, uno puede diseñar el sistema con una segunda bomba en espera o colocar una segunda bomba como repuesto cerca.

Escenario de espera:

Inicialmente, la bomba principal funciona y la bomba de respaldo no funciona (espera en frío). Cuando la bomba de operación falla, la bomba de respaldo la reemplaza inmediatamente. La bomba fallida se envía al taller de reparación (reparación en caliente). Si el proceso de reparación finaliza antes de que falle la bomba de respaldo, el sistema vuelve al estado inicial; de lo contrario, se produce un fallo del sistema hasta que se repara una de las bombas.

El escenario descrito anteriormente se puede modelar como un proceso de renovación para el cual se muestra un diagrama de cadena de Markov simple en la Figura 1:

λ es la tasa de falla de la bomba y μ es la tasa de reparación de una sola bomba. En muchos casos (incluido el ejemplo anterior) λ / μ << 1 por lo tanto, el proceso de renovación puede aproximarse mediante un proceso de Poisson para el cual la disponibilidad en estado estable es:

Para los valores presentados anteriormente, la disponibilidad es 99.998% (tiempo de inactividad anual promedio de 10.5 minutos), una mejora significativa.

Escenario de repuesto único:

Cuando la bomba en el campo falla, es reemplazada inmediatamente por la bomba de repuesto. La bomba fallida se envía al taller de reparación. Si el proceso de reparación finaliza antes de que falle la bomba de repuesto, el sistema vuelve al estado inicial; de lo contrario, se produce un fallo del sistema hasta que se repara una de las bombas.

Disponibilidad:

Los dos procesos descritos anteriormente son casi idénticos, la única diferencia es que en el escenario de repuesto individual, la bomba de respaldo está esperando en el cuarto de almacenamiento, mientras que en el escenario de espera la bomba de respaldo está esperando en el campo.

Para tener en cuenta la diferencia entre los casos, el tiempo de reemplazo de la bomba debe agregarse al modelo. Esto se hace de la siguiente manera:

Primero defina una tasa de reparación efectiva: μ * tal que la disponibilidad en la ec. 1 es

μ * se encuentra usando las ecuaciones. 1 y 2:

μ * representa el tiempo de inactividad medio inverso cuando ocurre una falla de la bomba. Luego, defina el tiempo de reemplazo de la bomba t, entonces la nueva disponibilidad UNA* es:

El coeficiente de t en la ec. 4 depende de los detalles del reemplazo de la bomba y del proceso elaborado resultante de la cadena de Markov. Eq. 4 muestra la disponibilidad esperada del sistema de bomba dependiendo del tiempo de reemplazo de la bomba. t generalmente es más grande para la caja de la pieza de repuesto en comparación con la caja de reserva debido a los tiempos de transporte, extracción y montaje. Por lo tanto, es mejor usar una bomba de reserva. Sin embargo, hay otro elemento que no se consideró hasta ahora: el costo.

Costo:

Generalmente se incurre en un alto costo por hora de inactividad del sistema. El tiempo de inactividad total durante el ciclo de vida es:

dónde t_abajo es el tiempo de inactividad y t_vida Es el período del ciclo de vida. Otros factores de costo para el escenario de espera se deben a la demanda de tuberías paralelas, suministros de energía y mayor espacio en el piso; mientras que el escenario de repuestos requiere gastos de almacenamiento y empaque.

Cuando el tiempo de inactividad es muy costoso, generalmente se prefiere una solución de reserva. De hecho, en muchas refinerías de petróleo, estaciones remotas de suministro de agua y sistemas críticos se utiliza un diseño de reserva.

La ventaja de usar bombas de repuesto en lugar de unidades de reserva se hace evidente cuando muchos sistemas idénticos usan un stock compartido. Entonces se deben comprar menos unidades de bombeo. Esto le da un ahorro financiero sustancial.

Ejemplo: 10 bombas:

Considere una línea con 10 bombas en serie. Para mantener una alta disponibilidad, se consideran dos posibilidades:

Escenario de espera:

Suponga que se agregó una bomba de reserva para cada bomba (que tiene un total de 20 bombas). Además, suponga que en caso de falla el tiempo de conmutación de la bomba es insignificante.

Los costos principales son: costo de la bomba individual de 500,000$, costo de reparación de la bomba individual de 5,000$ y daños por tiempo de inactividad de 20,000$ por hora. El costo total para un ciclo de vida de 20 años se calculó usando el software apmOptimizer para ser: 11,373,720$ con una disponibilidad de línea de 99.979%.

Escenario de repuestos:

En lugar de las 10 bombas de reserva, se almacenan 2 bombas de repuesto (un total de 12 bombas). El stock de dos bombas de repuesto es compartido por todas las bombas en el campo. Se supone que el tiempo de conmutación de la bomba es de 2 horas.

Los costos principales son: costo de la bomba individual de 500,000$, costo de reparación de la bomba individual de 5,000$ y daños por tiempo de inactividad de 20,000$ por hora. El costo total para un ciclo de vida de 20 años se calculó utilizando el software apmOptimizer para ser: 8,997,945$ con una disponibilidad de 99.924%.

Comparación:

El diseño de reserva ofrece una mayor disponibilidad en comparación con el diseño de repuestos, sin embargo, el costo del ciclo de vida de lograr esta disponibilidad es más alto que el diseño de repuestos en más de 2,375,000$. El número óptimo de repuestos para el escenario de repuestos es 2, menos repuestos incurren en una penalización alta debido a la baja disponibilidad, mientras que agregar repuestos adicionales (3 o más) proporciona una mejora insignificante en la disponibilidad.

Conclusión:

En este documento discutimos las similitudes y diferencias entre el uso de unidades de reserva y tener unidades de repuesto. Este es un ejemplo de la conexión que existe entre el diseño de redundancia, que generalmente es el trabajo del ingeniero de confiabilidad, y la política de mantenimiento que el ingeniero de mantenimiento establece de manera clásica.

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 y apmOptimizer software suites can greatly assist in such a process.