Standby vs. ricambi: un esempio di progettazione integrata di affidabilità e manutenzione

 

Introduzione:

La disponibilità degli asset dipende sia dall'affidabilità dei sottosistemi che dai tempi di inattività dovuti a guasti. Il problema è che l'affidabilità del sistema e il tempo di fermo appartengono a discipline diverse: l'affidabilità dei componenti è sotto la responsabilità dell'ingegnere responsabile dell'affidabilità, mentre il tempo di fermo è un problema affrontato dagli ingegneri di manutenzione e operativi.

Un esempio lampante dell'interconnessione tra affidabilità e manutenzione è la scelta tra la progettazione di un sistema con ridondanza in standby e la sostituzione della ridondanza con una politica di manutenzione dei pezzi di ricambio. Le somiglianze e le differenze tra i due approcci verranno esplorate in questo articolo in termini di disponibilità e costo.

Esempio - pompa:

Facciamo un semplice esempio: si consideri una pompa dell'olio con un tempo medio tra guasti (MTBF) di 3 anni (26.280 ore). Quando la pompa si guasta, il tempo medio di riparazione (MTTR) è di una settimana (168 ore). La disponibilità della pompa è quindi: 99.365%. Ciò significa che la pompa non è disponibile in media 2,3 giorni all'anno. Per migliorare la situazione si può progettare il sistema con una seconda pompa in standby, oppure mettere una seconda pompa come ricambio nelle vicinanze.

Scenario di standby:

Inizialmente la pompa principale funziona e la pompa di riserva non funziona (standby freddo). Quando la pompa in funzione si guasta, la pompa di riserva la sostituisce immediatamente. La pompa guasta viene inviata all'officina (riparazione a caldo). Se il processo di riparazione termina prima che la pompa di riserva si guasti, il sistema torna allo stato iniziale, altrimenti si verifica un guasto del sistema fino a quando una delle pompe non viene riparata.

Lo scenario sopra descritto può essere modellato come un processo di rinnovamento per il quale viene fornito un semplice diagramma a catena di Markov nella Figura 1:

Figura 1: diagramma della catena di Markov per il processo di rinnovo. λ è il tasso di guasto della pompa e μ è il tasso di riparazione della singola pompa. Il nodo verde indica lo stato in cui una pompa funziona e una pompa è in standby, il nodo giallo descrive uno stato in cui una pompa funziona e una pompa è in riparazione e il nodo rosso descrive uno stato guasto in cui entrambe le pompe sono essere riparato.

λ è il tasso di guasto della pompa e μ è il tasso di riparazione della singola pompa. In molti casi (incluso l'esempio sopra) λ / μ << 1 pertanto il processo di rinnovo può essere approssimato da un processo di Poisson per il quale la disponibilità allo stato stazionario è:

Per i valori presentati sopra, la disponibilità è 99,998% (tempo di inattività medio annuo di 10,5 minuti), un miglioramento significativo.

 

Scenario di riserva singolo:

Quando la pompa in campo si guasta, viene immediatamente sostituita dalla pompa di ricambio. La pompa guasta viene inviata all'officina. Se il processo di riparazione termina prima che la pompa di ricambio si guasti, il sistema torna allo stato iniziale, altrimenti si verifica un guasto del sistema fino a quando una delle pompe non viene riparata.

 

Disponibilità:

I due processi sopra descritti sono pressoché identici, l'unica differenza è che nello scenario Single spare la pompa di backup è in attesa nel magazzino mentre nello scenario di standby la pompa di backup è in attesa sul campo.

Per tenere conto della differenza tra i casi, il tempo di sostituzione della pompa dovrebbe essere aggiunto al modello. Questo viene fatto come segue:

Definisci prima un tasso di riparazione effettivo: μ * tale che la disponibilità nell'Eq. 1 è

μ * si trova utilizzando le Eq. 1 e 2:

μ * rappresenta il tempo di fermo medio inverso quando si verifica un guasto della pompa. Quindi, definire il tempo di sostituzione della pompa t, quindi la nuova disponibilità UN* è:

Il coefficiente di t nell'Eq. 4 dipende dai dettagli della sostituzione della pompa e dal conseguente processo elaborato della catena Markov. Eq. 4 mostra la disponibilità prevista del sistema di pompaggio a seconda del tempo di sostituzione della pompa. t è solitamente più grande per la custodia dei pezzi di ricambio rispetto alla custodia di riserva a causa dei tempi di trasporto, rimozione e montaggio. Pertanto, è meglio utilizzare una pompa di riserva. Tuttavia, c'è un altro elemento che finora non è stato considerato: il costo.

Costo:

Di solito si verifica un costo elevato per ogni ora di inattività del sistema. Il tempo di inattività totale durante il ciclo di vita è:

dove tgiù è il tempo morto e tvita è il periodo del ciclo di vita. Altri fattori di costo per lo scenario standby sono dovuti alla domanda di tubazioni parallele, alimentatori e maggiore spazio a pavimento; mentre lo scenario dei pezzi di ricambio richiede spese di stoccaggio e imballaggio.

Quando i tempi di inattività sono molto costosi, di solito è preferibile una soluzione di standby. In effetti, in molte raffinerie di petrolio, stazioni di approvvigionamento idrico remote e sistemi critici viene utilizzato un progetto di standby.

Il vantaggio di utilizzare pompe di ricambio invece di unità di riserva diventa evidente quando molti sistemi identici utilizzano uno stock condiviso. Quindi è necessario acquistare meno unità di pompaggio. Questo dà un notevole risparmio finanziario.

Esempio - 10 pompe:

Considera una linea con 10 pompe in serie. Per mantenere un'elevata disponibilità, vengono considerate due possibilità:

 

Scenario di standby:

Si supponga di aver aggiunto una pompa di riserva per ciascuna pompa (con un totale di 20 pompe). Inoltre, si supponga che in caso di guasto il tempo di commutazione della pompa sia trascurabile.

I costi principali sono: costo di una pompa singola di 500.000$, costo di riparazione della singola pompa di 5.000$ e danno da fermo macchina di 20.000$ all'ora. Il costo totale per un ciclo di vita di 20 anni è stato calcolato utilizzando il software apmOptimizer per essere: 11.373.720$ con una disponibilità di linea di 99.979%.

 

Scenario ricambi:

Invece delle 10 pompe di riserva, vengono messe in magazzino 2 pompe di ricambio (totale di 12 pompe). Lo stock di due pompe di ricambio è condiviso da tutte le pompe in campo. Si presume che il tempo di commutazione della pompa sia di 2 ore.

I costi principali sono: costo di una pompa singola di 500.000$, costo di riparazione della singola pompa di 5.000$ e danno da fermo macchina di 20.000$ all'ora. Il costo totale per un ciclo di vita di 20 anni è stato calcolato utilizzando il software apmOptimizer come: 8,997,945$ con una disponibilità di 99,924%.

 

Confronto:

Il design in standby offre una maggiore disponibilità rispetto al design dei pezzi di ricambio, tuttavia il costo del ciclo di vita per ottenere questa disponibilità è superiore di oltre 2.375.000$ rispetto al design dei ricambi. Il numero ottimale di parti di ricambio per lo scenario delle parti di ricambio è 2, meno parti di ricambio incorrono in una penalità elevata a causa della bassa disponibilità mentre l'aggiunta di parti di ricambio aggiuntive (3 o più) offre un miglioramento della disponibilità trascurabile.

 

Conclusione:

In questo articolo abbiamo discusso le somiglianze e le differenze tra l'utilizzo di unità di standby e l'utilizzo di unità di riserva. Questo è un esempio della connessione che esiste tra la progettazione della ridondanza che di solito è compito dell'ingegnere dell'affidabilità e la politica di manutenzione che è classicamente impostata dall'ingegnere della manutenzione.

Gli esempi precedenti dimostrano la necessità di considerare sia l'affidabilità che la manutenzione già nella fase di progettazione degli asset.

 

Nuovi strumenti di progettazione come BQR CARE e apmOptimizer le suite di software possono essere di grande aiuto in tale processo.