Ingenieria De Confiabilidad

INGENIERIA DE CONFIABILIDAD

INTRODUCCION La confiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS, por sus siglas en inglés: Reliability, Availability, Maintenance and Safety) de facilidades costa afuera (offshore) para la Exploración y la Producción (E&P), son de inmensa preocupación para empleados, compañías y autoridades. Los análisis RAMS se llevan a cabo para proporcionar una base que sirva en la toma de decisiones relacionadas con la ingeniería, la fabricación y las operaciones costa afuera. A fin de que sea posible efectuar estos análisis, se necesita de una fuente de datos confiable.

l Proyecto OREDA El proyecto Offshore Reliability Data (OREDA) se estableció en 1981 en cooperación con el Directorio Noruego del Petróleo. El objetivo inicial de OREDA fue la recolección de datos de confiabilidad para equipos de seguridad. La organización actual se estableció en 1983 como un grupo de cooperación entre varias compañías petroleras, al tiempo que el objetivo de OREDA se extendió para cubrir datos de confiabilidad de un amplio rango de de equipos utilizados en la exploración y producción de petróleo y gas. Los equipos submarinos y de plataformas costa afuera son cubiertos de una manera preponderante, aunque también se incluyen algunos equipos de E&P costa adentro. El principal objetivo del proyecto OREDA es el de contribuir al mejoramiento de la seguridad y a la optimización de costos en el diseño y la operación de facilidades para la exploración y producción de petróleo y gas, mediante la recolección y análisis de datos operacionales y de mantenimiento, el establecimiento de una base de datos con una confiabilidad de la más alta calidad, y el intercambio de tecnologías de confiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS), entre las compañías participantes en el proyecto. Este proyecto se ha desarrollado a través de 6 fases claramente definidas: 1983 – 1985, 1987 – 1990, 1990 – 1992, 1993 – 1996, 1997 – 2000 y 2001. Una séptima fase fue planificada para el 2002 – 2003.

Participantes El siguiente cuadro resume las compañías que han contribuido con sus datos en las fases IV y V: Compañías AGIP BPChevron ELF Esso/Exxon Norsk Hydro Philllips Petroleum Company Norway Statoil Saga Petroleum Shell Texaco TOTAL

Fase IV

Fase V

        

    



Comentarios Fusionada con Texaco Fusionada con TOTAL (Fusionada con Mobil)

 Vendida a Norsk Hydro  

Fusionada con Chevron Fusionada con ELF

Equipos y categorías cubiertas por los cuatro Manuales OREDA La siguiente tabla muestra la categorización de equipos que se han incluido en los cuatro Manuales OREDA. La mayoría son equipos de facilidades offshore (costa afuera), pero se incluyen algunos onshore (costa adentro). Sistema Equipo Rotatorio

Equipo Estático Otros equipos de alto nivel Equipo misceláneo Sólo fase I

Equipo Submarino

Clase de equipos                    

Turbinas de gas Compresores Motores a combustión Bombas Turboexpansores Generadores eléctricos Motores eléctricos Recipientes Calentadores y calderos Intercambiadores de calor Válvulas Detección de F&G Sensores/controles de procesos Sistemas eléctricos misceláneos Sistemas de seguridad misceláneos Sistemas utilitarios misceláneos Sistemas de perforación Sistemas de control Cabezales de pozos y árboles de Navidad Oleoductos

Total de unidades 247 243 103 1.289 15 220 178 941 9 832 3.372 10.839 4.436 1.321 1.703 1.035 880 31 104 144

    

4 29 42 6 15

Plataformas Manifolds Bajantes Herramientas de prueba de pozos Equipo misceláneo (Fase II) Total

27.565

Objetivo del Manual OREDA El Manual OREDA presenta datos de confiabilidad de alta calidad para equipos offshore, recolectados durante las fases IV y V del proyecto OREDA. La intención del Manual es la de proporcionar información tanto cualitativa como cuantitativa como base para un análisis RAMS. Para cada unidad de equipo de alto nivel, se presenta la siguiente información: 

Un esquema que ilustra los límites del equipo. Es decir, una especificación de las sub-unidades y de los llamados “ítems mantenibles” que son parte del equipo.



Un listado de todos los modos de falla, clasificados como crítico, degradado e incipiente.



El número de fallas observado para cada modo de falla.



El tiempo de servicio observado y acumulado para el equipo, clasificado como tiempo calendario, tiempo de operación y número de demandas.



Un estimado de la frecuencia de fallas para cada modo de fallaron los límites asociados de incertidumbre.



Un estimado del tiempo de reparación, es decir, el número de horas-hombre requeridas para reparar la falla y restaurar la funcionalidad.



Un estimado del tiempo de reparación, es decir, el tiempo transcurrido en número de horas, requerido para reparar la falla y restaurar la funcionalidad. Este tiempo es el tiempo activo de reparación, es decir, el tiempo en el cual el trabajo efectivo de reparación se estuvo realizando.



Información de soporte, como número de ítems e instalaciones.



Una tabla de referencias cruzadas de ítems mantenibles vs. modos de falla, y de descripción/causa vs. modo de falla.

Limitaciones La información proporcionada por cada compañía participante se ha mantenido confidencial al presentarla en forma anónima. Sólo se presentan datos genéricos. La información para cada evento simple, que es la base par las estimaciones, en la mayoría de los casos se ha colegido de dos o más instalaciones, de modo que los números presentados en al Manual OREDA reflejan un promedio ponderado de la experiencia. El proyecto OREDA está por lo pronto restringido a datos de falla recolectados sobre componentes físicos y sistemas; no se incluye información sobre errores humanos. NO obstante, las fallas de componentes pueden haber sido causadas por errores humanos y, por consiguiente, los errores humanos se han incluido en forma implícita en las frecuencias estimadas de falla. Para comparar eventos de fallas ocurridas en diferentes categorías de equipos, instalaciones o fuentes, es necesario tener una definición común para cada componente o parte que está incluida en un inventario. Los límites (boundary) definen las partes asociadas con el ítem genérico, y que se consideran esenciales para su funcionamiento, o que son vendidas por el fabricante como una parte del ítem. Por ejemplo, la transmisión de potencia (o sea los engranajes) se incluye dentro de los límites de una bomba, mientras que el elemento motriz (el motor), no. Normalmente, los límites quedan suficientemente determinados por un diagrama de límites:

LA ESTRUCTURA DE DATOS ALTO NIVEL DE OREDA A fin de recolectar los datos y analizarlos de una manera consistente, en el proyecto OREDA se ha desarrollado una descripción de taxonomía.

Taxonomía Basada en la Norma ISO 14224, explicada más adelante:

Categorías Principales de los Datos Para cada categoría de equipos la base de datos se divide en tres bases de datos separadas: 

Una parte de Inventario, que contiene una descripción de cada equipo para la cual la se han recolectado los datos; por ejemplo, una bomba.



Una parte de Mantenimiento, que contiene información acerca del programa de mantenimiento correctivo y preventivo programado para cada equipo; por ejemplo, acción de mantenimiento, intervalo, horas-hombre, etc.



Una parte de Falla, que contiene los eventos de falla que ha experimentado un equipo (inventario) durante un periodo de vigilancia; un registro para cada evento de falla.

Sistema Jerárquico Los varios equipos se han clasificado dentro de categorías de equipos denominadas Clases de Equipos; por ejemplo, bombas, compresores, válvulas, etc. Cada ítem individual dentro de una clase se denomina una unidad de equipo (ejemplo, una bomba). Posteriormente,

cada calase de equipo se clasifica de acuerdo con sus características de diseño y tipo de servicio (sistema). Los equipos dentro de una clase de equipos se subdividen dentro de dos niveles inferiores llamados sub-unidades e ítems mantenibles (MI). Esta subdivisión es puramente jerárquica. En la siguiente tabla se ilustra un ejemplo del sistema de clasificación de equipos:

CLASE DE EQUIPO Descripción Código Bombas PU

Detectores de

FG

DESIGNACION DE CLASE Descripción Código Centrífuga CE

SISTEMA Descripción Agua contra incendio

Código FF

Reciprocante

RE

Inyección de agua marina

WI

Rotativa

RO

Manejo de crudo

OH

Utilidades de gas

GU

Procesamiento de gas Fire detection

GP FD

Gas detection

GD

Humo/combustión

BS

Fuego y Gas

Calor

BH

(F&G)

Flama

BF

Hidrocarburo gaseoso

AB

Gas H2S

AS

Muchas sub-unidades pueden ser relevantes para varias categorías de equipos (por ejemplo, sistema de lubricación, sistema de encendido y arranque, etc.). En estos casos, las sub-unidades reciben el mismo nombre y el mismo grupo de MI’s (ítems mantenibles); esto se lo hace con fines de estandarizar las sub-unidades y los MI’s, tanto como sea posible, aunque algunos de los MI’s en estas sub-unidades podrían no aplicar para todas las categorías de equipos.

La Norma ISO 14224:

Petroleum and natural gas industries – Collection and

exchange of reliability and maintenance for equipment Esta norma internacional proporciona una base comprensiva para la recolección de datos sobre confiabilidad y mantenimiento (RM), mediante un formato estándar para equipos en facilidades y operaciones dentro de las industrias de petróleo, gas natural y petroquímica, durante el ciclo de vida operacional del equipo.

El Anexo A de esta norma contiene un sumario de los equipos que esta norma pretende cubrir. Su objetivo es facilitar la recolección, el intercambio y el análisis de datos basados en puntos de vista comunes. La norma recomienda una mínima cantidad de datos que deberán ser recolectados, y se enfoca en dos asuntos principales: a) Requerimientos para el tipo de datos que serán recolectados para ser usados en varias metodologías de análisis; b) Formatos de datos estandarizados para facilitar el intercambio de datos sobre confiabilidad y mantenimiento entre plantas, dueños, fabricantes y contratistas, como en los siguientes ejemplos:

Las principales áreas en las cuales estos datos están siendo utilizados son: 

Confiabilidad, es decir, eventos de fallas y mecanismos de fallas;



Disponibilidad/Eficiencia, es decir, disponibilidad de equipos, disponibilidad de sistemas, disponibilidad de plantas de producción;



Mantenimiento, es decir, mantenimiento correctivo y preventivo, soportabilidad de mantenimiento;



Seguridad y ambiente, es decir, fallas de equipos con consecuencias adversas para la seguridad y/o el ambiente.

Esta norma no cubre: 

Datos sobre asuntos de costos (directos);



Datos sobre pruebas de laboratorio o de fabricación (es decir, pruebas de aceleración del tiempo de vida);



Hojas de Datos (Data Sheets) completas para equipos (sólo datos que pueden ser relevantes para evaluar el comportamiento de la confiabilidad);



Datos adicionales en servicio que un operador en forma individual pueda considerar útil para la operación y el mantenimiento;



Métodos para aplicar y analizar datos RM. Sin embargo, en los Anexos se incluyen ciertos principios para el cálculo de algunos parámetros básicos de confiabilidad y mantenibilidad.

PROCEDIMIENTOS DE ESTIMACION El principal propósito del Manual OREDA es presentar estimaciones promedio de las frecuencias de falla junto con estimaciones de tiempos de reparación. Se presenta a continuación una breve descripción de los métodos estadísticos utilizados.

Frecuencia de Fallas La función frecuencia de fallas nos dice qué tan probable es que un ítem que ha sobrevivido hasta un tiempo t, falle durante la próxima unidad de tiempo. Si el ítem se está deteriorando, esta probabilidad se incrementará con la edad t. Un hombre que ha alcanzado la edad de 95 años obviamente tendrá una probabilidad más alta de morir dentro del próximo año que un hombre de apenas 20 años. Por tanto, la función frecuencia de falla usualmente será una función del tiempo o de la edad del ítem.

Para poder dar una definición matemática de la función frecuencia de fallas, empecemos con el tiempo para la falla, T, del ítem, es decir, el tiempo desde que el ítem es puesto en funcionamiento hasta que la primera falla ocurre. Generalmente es imposible predecir el valor exacto del tiempo de falla, y T será por tanto una variable aleatoria con algún tipo de distribución. La función frecuencia de falla λ(t ) puede ahora definirse matemáticamente como: λ(t ) ⋅ ∆t = Pr( t < T < t + ∆t | T > t )

El lado derecho de esta ecuación denota “la probabilidad de que el ítem fallara dentro del intervalo (t , t +∆t ) , cuando el ítem está aún en funcionamiento en el tiempo t”, o, en otras palabras, “la probabilidad de que un ítem que ha alcanzado la edad t, falle en el próximo intervalo de tiempo (t , t +∆t ) ”. La aproximación es suficientemente exacta cuando ∆t ) es un intervalo de tiempo “bastante corto”. La vida de un ítem técnico puede generalmente dividirse en tres diferentes fases: la de quema inicial (asentamiento o mortalidad infantil), la de vida útil y la de deterioro (wearout). Esta función tendrá usualmente diferentes formas en las tres fases, como se ilustra en la figura siguiente:

La función frecuencia de fallas puede ser decreciente en la etapa de asentamiento o de mortalidad infantil, casi constante en la de vida útil y creciente en la de deterioro o desgaste. La curva de la figura recibe el nombre de “tina de baño” por la forma que adopta, y a menudo se proclama que este es un modelo realista para un equipo mecánico.

Si se asume que la función frecuencia de falla es constante durante la fase de vida útil, esto significa que el ítem no se está deteriorando durante este periodo. El deterioro o desgaste empezará cuando o si el ítem entra en la fase de deterioro o desgaste (wear-out). Problemas llamados de “asentamiento” pueden ser causados por problemas de calidad inherentes al ítem, o por problemas de instalación. Los problemas de calidad inherentes pueden a menudo ser eliminados mediante pruebas de calidad cuidadosas antes de la instalación. Los problemas de instalación no han sido considerados en la recolección de datos OREDA, principalmente para la mayoría de equipos de alto nivel. Por tanto, la fase de asentamiento no se incluye en la base de datos OREDA, y se puede asumir que la recolección de datos se inicia con la fase de vida útil. Muchos de los ítems cubiertos in OREDA están sujetos a alguna política de mantenimiento o reemplazo. Estos ítems por consiguiente a menudo serán reemplazados o repotenciados antes de que alcancen la fase de deterioro o desgaste. Por consiguiente, la parte principal de los eventos de falla en la base de datos OREDA provendrá de la fase de vida útil, donde la frecuencia de falla es casi constante. Todas las frecuencias estimadas de falla presentadas en el Manual están por tanto basadas en asumir que la función frecuencia de falla es constante e independiente del tiempo, en cuyo caso, λ(t ) = λ .

Una importante implicación de asumir una frecuencia de falla constante es que in ítem se considera “tan bueno como si fuera nuevo” en tanto en cuanto se encuentre funcionando. Todas las fallas son puras posibilidades de falla, y son independientes de la edad del ítem. El tiempo medio de falla MTTF (Mean Time To Failure), puede entonces calcularse como: MTTF =

1

λ

ESTIMADORES Y LIMITES DE INCERTIDUMBRE PARA UNA MUESTRA HOMOGENEA Cuando se tiene datos de fallas de ítems idénticos que han estado operando bajo las mismas condiciones operacionales y ambientales, se tiene lo que se conoce como una muestra homogénea. Los únicos datos que se necesitan para estimar la frecuencia de falla

λ en este caso, son el número observado de fallas, n, y el tiempo acumulado en servicio,

τ

.

El estimador de λ está dado por: λˆ =

Número de fallas n = Tiempo acumulado de servicio τ

El tiempo acumulado de servicio,

τ

, puede ser medido ya sea como tiempo calendario o

como tiempo de operación, como se presentan en la base de datos del Manual OREDA.

Intervalos de Incertidumbre para la Frecuencia de Fallas ˆ puede ser representada como un intervalo de La incertidumbre en la estimación de λ

confianza del 90%. A partir de estas y otras estimaciones, se puede llegar a establecer principalmente la frecuencia de fallas, la confiabilidad de un ítem y su vida útil, la cual puede ser indudablemente optimizada, en base al análisis de Confiabilidad o análisis RAMS.