Pièces de rechange et pièces de rechange: un exemple de conception intégrée de fiabilité et de maintenance

Introduction:

La disponibilité des actifs dépend à la fois de la fiabilité des sous-systèmes et des temps d'arrêt dus aux pannes. Le problème est que la fiabilité du système et les temps d'arrêt appartiennent à différentes disciplines: la fiabilité des composants est sous la responsabilité de l'ingénieur de fiabilité tandis que les temps d'arrêt sont un problème abordé par les ingénieurs de maintenance et d'exploitation.

Un exemple frappant de l'interconnexion entre fiabilité et maintenance est le choix entre la conception d'un système avec redondance de secours et le remplacement de la redondance par une politique de maintenance des pièces de rechange. Les similitudes et les différences entre les deux approches seront explorées dans cet article en termes de disponibilité et de coût.

Exemple - pompe:

Nous sommes avec un exemple simple: Prenons une pompe à huile avec un temps moyen entre panne (MTBF) de 3 ans (26 280 heures). Lorsque la pompe tombe en panne, le temps moyen de réparation (MTTR) est d'une semaine (168 heures). La disponibilité de la pompe est donc: 99.365%. Cela signifie que la pompe est indisponible en moyenne 2,3 jours par an. Afin d'améliorer la situation, on peut soit concevoir le système avec une deuxième pompe en attente, soit mettre une deuxième pompe comme pièce de rechange à proximité.

Scénario de veille:

Au départ, la pompe principale fonctionne et la pompe de secours ne fonctionne pas (veille à froid). Lorsque la pompe en fonctionnement tombe en panne, la pompe de secours la remplace immédiatement. La pompe défectueuse est envoyée à l'atelier de réparation (réparation à chaud). Si le processus de réparation se termine avant que la pompe de secours ne tombe en panne, le système revient à son état initial, sinon une panne du système se produit jusqu'à ce que l'une des pompes soit réparée.

Le scénario décrit ci-dessus peut être modélisé comme un processus de renouvellement pour lequel un simple diagramme en chaîne de Markov est donné dans la figure 1:

λ est le taux de défaillance de la pompe et μ est le taux de réparation d'une seule pompe. Dans de nombreux cas (y compris l'exemple ci-dessus) λ / μ << 1 par conséquent, le processus de renouvellement peut être approché par un processus de Poisson pour lequel la disponibilité en régime permanent est:

Pour les valeurs présentées ci-dessus, la disponibilité est de 99,998% (temps d'arrêt annuel moyen de 10,5 minutes), une amélioration significative.

Scénario de rechange unique:

Lorsque la pompe sur le terrain tombe en panne, elle est immédiatement remplacée par la pompe de rechange. La pompe défectueuse est envoyée à l'atelier de réparation. Si le processus de réparation se termine avant que la pompe de rechange ne tombe en panne, le système revient à l'état initial, sinon une panne du système se produit jusqu'à ce que l'une des pompes soit réparée.

Disponibilité:

Les deux processus décrits ci-dessus sont presque identiques, la seule différence est que dans le scénario de secours unique, la pompe de secours attend dans la salle de stockage tandis que dans le scénario de secours, la pompe de secours attend sur le terrain.

Afin de tenir compte de la différence entre les cas, le temps de remplacement de la pompe doit être ajouté au modèle. Cela se fait comme suit:

Définissez d'abord un taux de réparation efficace: μ * tel que la disponibilité dans Eq. 1 est

μ * est trouvé en utilisant les équations. 1 et 2:

μ * représente le temps d'arrêt moyen inverse lorsqu'une panne de pompe se produit. Ensuite, définissez le temps de remplacement de la pompe t, puis la nouvelle Disponibilité UNE* est:

Le coefficient de t dans Eq. 4 dépend des détails du remplacement de la pompe et du processus de chaîne de Markov élaboré qui en résulte. Eq. 4 montre la disponibilité prévue du système de pompe en fonction du temps de remplacement de la pompe. t est généralement plus grande pour le cas de pièces de rechange que pour le cas de secours en raison des délais de transport, de retrait et d'assemblage. Par conséquent, il est préférable d'utiliser une pompe de secours. Cependant, il y a un autre élément qui n'a pas été pris en compte jusqu'à présent: le coût.

Coût:

Un coût élevé est généralement engagé par heure d'arrêt du système. Le temps d'arrêt total pendant le cycle de vie est:

où t_{vers le bas} est le temps d'arrêt et t_{la vie} est la période du cycle de vie. D'autres facteurs de coût pour le scénario de secours sont dus à la demande de canalisations parallèles, d'alimentations électriques et d'une surface au sol accrue; tandis que le scénario des pièces de rechange nécessite des frais de stockage et d'emballage.

Lorsque les temps d'arrêt sont très coûteux, une solution de secours est généralement préférée. En effet, dans de nombreuses raffineries de pétrole, stations d'approvisionnement en eau éloignées et systèmes critiques, une conception de secours est utilisée.

L'avantage d'utiliser des pompes de rechange au lieu d'unités de secours devient évident lorsque de nombreux systèmes identiques utilisent un stock partagé. Ensuite, il faut acheter moins d'unités de pompage. Cela donne une économie financière substantielle.

Exemple - 10 pompes:

Considérez une ligne avec 10 pompes en série. Afin de maintenir une haute disponibilité, deux possibilités sont envisagées:

Scénario de veille:

Supposons qu'une pompe de secours a été ajoutée pour chaque pompe (avec un total de 20 pompes). De plus, supposons qu'en cas de panne, le temps de commutation de la pompe soit négligeable.

Les principaux coûts sont: le coût d'une seule pompe de 500 000$, le coût de réparation d'une seule pompe de 5 000$ et les dommages dus aux temps d'arrêt de 20 000$ par heure. Le coût total pour un cycle de vie de 20 ans a été calculé à l'aide du logiciel apmOptimizer comme suit: 11 373 720$ avec une disponibilité de ligne de 99,979%.

Scénario de pièces de rechange:

Au lieu des 10 pompes de secours, 2 pompes de rechange sont stockées (12 pompes au total). Le stock de deux pompes de rechange est partagé par toutes les pompes du terrain. Le temps de commutation de la pompe est supposé être de 2 heures.

Les principaux coûts sont: le coût d'une seule pompe de 500 000$, le coût de réparation d'une seule pompe de 5 000$ et les dommages dus aux temps d'arrêt de 20 000$ par heure. Le coût total pour un cycle de vie de 20 ans a été calculé à l'aide du logiciel apmOptimizer comme suit: 8 997 945$ avec une disponibilité de 99,924%.

Comparaison:

La conception de secours offre une plus grande disponibilité par rapport à la conception des pièces de rechange, mais le coût du cycle de vie pour atteindre cette disponibilité est supérieur à la conception des pièces de rechange de plus de 2 375 000$. Le nombre optimal de pièces de rechange pour le scénario de pièces de rechange est de 2, moins de pièces de rechange encourent une pénalité élevée en raison de la faible disponibilité, tandis que l'ajout de pièces de rechange supplémentaires (3 ou plus) donne une amélioration de la disponibilité négligeable.

Conclusion:

Dans cet article, nous avons discuté des similitudes et des différences entre l'utilisation d'unités de secours et les unités de rechange. Ceci est un exemple de la connexion qui existe entre la conception de la redondance, qui est généralement le travail de l'ingénieur de fiabilité, et la politique de maintenance qui est classiquement définie par l'ingénieur de maintenance.

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