Tipos de componentes y sistemas en ingeniería de confiabilidad, Guías, Proyectos, Investigaciones de Ingenieria de Mantenimiento

¡Descarga Tipos de componentes y sistemas en ingeniería de confiabilidad y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Ingenieria de Mantenimiento solo en Docsity!

Confiabilidad en Ingeniería

Carlos J. Zapata

Universidad Tecnológica de Pereira

Confiabilidad en Ingeniería

Primera Edición

Carlos J. Zapata

Profesor Asociado

Universidad Tecnológica de Pereira

Pereira, Colombia

Carlos Julio Zapata Grisales es ingeniero electricista de la Universidad Tecnológica de

Pereira (1991), magíster en ingeniería eléctrica de la Universidad de Los Andes (1996) y

doctor en ingeniería de la Universidad de Los Andes (2010). De enero de 1991 a enero de

2002 laboró para Consultoría Colombiana S. A ‐ Concol S. A. Desde diciembre de 2001

labora como docente e investigador en la Universidad Tecnológica de Pereira.

Para comentarios o preguntas al autor, enviar un email al correo [email protected]

Tabla de Contenido

• 1 Conceptos generales Página
• 2 Tipos de componentes y sistemas
• 3 Componentes no reparables
• 4 Componentes reparables
• 5 Sistemas no reparables
• 6 Sistemas reparables
• 7 Sistemas esfuerzo resistencia
• 8 Arboles de falla y de eventos

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

CAPÍTULO 1 – CONCEPTOS GENERALES

1.1 NECESIDAD DE LA CONFIABILIDAD

Figura 1.1 Algunos productos y servicios utilizados por las personas en la vida diaria

En la vida diaria de las sociedades modernas se utilizan muchos productos y servicios:

Ejemplos Productos Servicios Bombilla eléctrica Televisor Generador eléctrico Bicicleta Computador (hardware) Software Diodo Jeringa plástica Lente de contacto

Electricidad Gas domiciliario Televisión Telefonía Agua potable Alumbrado público Radiodifusión Correo Transporte público

Los productos pueden ser simples o complejos, dependiendo de la cantidad de subcomponentes o partes que los conformen. En realidad, un componente puede ser un sistema de muchos subcomponentes. Los subcomponentes pueden ser clasificados funcionalmente por subsistemas. Sin embargo, sin importar la cantidad de subcomponentes, usualmente el producto se considera exteriormente un solo “componente”.

Ejemplo

Una unidad de generación eléctrica está conformada por el sistema de suministro de combustible, el sistema mecánico que transforma la energía primaria en energía rotacional, el generador sincrónico, los controles de velocidad y voltaje, los servicios auxiliares, etc. Externamente, todo esto puede ser considerado un solo componente.

Los servicios son suministrados por sistemas conformados por muchos componentes más las personas encargadas de su operación. Dado el gran tamaño y complejidad de algunos sistemas, éstos suelen subdividirse por zonas funcionales o subsistemas.

Ejemplo

El servicio de electricidad es provisto por el sistema eléctrico de potencia, el cual suele subdividirse para su estudio y operación en sistema de generación, sistema de transmisión y sistema de distribución.

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

A su vez, un sistema puede ser considerado desde un sistema mayor o más importante como un componente. Por lo tanto, en este texto las palabras “componente” y “sistema” son intercambiables.

Se denomina “falla” a la situación en que [5], [6]:

1 El componente o sistema deja cumplir parcialmente o totalmente su función 2 Existe una diferencia inaceptable entre el desempeño esperado y el observado

Las fallas pueden ocurrir debido a [6]:

1 Defectos técnicos o físicos Incluye el diseño, materiales, manufactura, construcción, ensamblaje y mantenimiento

2 Errores operativos o procedimentales.

Administración y control de calidad, lo cuales están relacionados con factores humanos.

La fallas de los componentes o sistemas pueden causar efectos que van desde molestias e inconvenientes para algunos de los usuarios hasta un severo impacto en la sociedad.

Las fallas también pueden llevar a situaciones potencialmente peligrosas o de “riesgo” para los usuarios o el medio ambiente, diferentes a las aceptadas o permitidas.

Por lo tanto, se requiere que todo componente o sistema ofrezca calidad, seguridad y confiabilidad:

Calidad Se refiere a su desempeño respecto a unas normas técnicas. Ejemplo: Calidad del agua, calidad de la imagen de televisión, calidad de la recepción de la una señal de audio, calidad del material.

Seguridad Que su uso no implique potenciales peligros o “riesgos” para los usuarios o el medio ambiente diferentes a los aceptados o permitidos.

Confiabilidad Que cumpla su función durante el tiempo requerido bajo unas condiciones operativas especificadas

Debe aclararse que las definiciones presentadas corresponden al contexto de la ingeniería pudiéndose encontrar otras definiciones particulares para otras áreas de aplicación y aún para sub‐áreas de la ingeniería.

Ejemplos

Confiabilidad en el área de las noticias: Se refiere al grado de veracidad de las mismas lo cual depende de factores como las fuentes de la información y su grado de detalle.

Seguridad en las transacciones bancarias: Se refiere al grado de protección existente para evitar el acceso de personas no autorizadas.

Seguridad en sistemas eléctricos de potencia: Se refiere a la habilidad para operar establemente ante disturbios como cortocircuitos, pérdida de componentes, etc.

En la definición de confiabilidad aparece el aspecto temporal durante el cual se requiere que el componente cumpla su función. Las condiciones operativas especificadas incluyen el rango de utilización (capacidad nominal, condiciones ambientales, etc.) y los requerimientos de calidad y seguridad.

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

Figura 1.2 Función de riesgo en un análisis de seguridad

La gravedad de los eventos no proviene de la naturaleza de su origen sino de sus consecuencias para los usuarios, el medio ambiente y para el mismo componente o sistema. En un análisis de riesgos se hace inventario de todas las situaciones potencialmente peligrosas debido a la presencia y utilización del componente o sistema y se establece su gravedad como costo económico o en otro tipo de escala cualitativa o cuantitativa.

1.2.4 Mantenibilidad

“Es la probabilidad de que una operación dada de mantenimiento pueda ser realizada en un intervalo de tiempo dado”

Se designa por la letra M (Maintainability). El mantenimiento puede ser correctivo (Salidas no planeadas) o preventivo (Salida planeada).

1.3 OTRAS MEDIDAS PARA LA CONFIABILIDAD

La probabilidad es la medida clásica para valorar la confiabilidad. Sin embargo, existen muchas otras medidas utilizadas extensamente, por lo cual, “confiabilidad” es un término genérico que describe todas estas medidas sin que necesariamente estén relacionadas con la probabilidad.

Gran parte de estas medidas corresponden a promedios estadísticos o valores esperados que se denominan “índices de confiabilidad”. Algunos ejemplos se presentan a continuación.

Índice de confiabilidad Definición Ejemplo

Vida media

Tiempo esperado para que ocurra una falla en un componente no reparable 10000 horas Frecuencia de fallas por año Número de fallas esperadas por año 0.1 fallas/año

Indisponibilidad Número esperado de horas de indisponibilidad por año 20 horas/año

Pérdida de carga Valor esperado de carga no atendida por año 180.2 kW

Tiempo medio de reparación

Tiempo medio esperado para cada reparación 4 horas/reparación

LOLE Número esperado de horas por año en que no se podrá atender la demanda 0.1 horas/año

Probabilidad del evento

Gravedad

Riesgo inaceptable

Riesgo aceptable

($)

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

Endurance

Número de operaciones que puede realizar un contactor, interruptor o seccionador antes de entrar en su periodo de obsolescencia

6000 operaciones

De otra parte, no existe una medida única que pueda aplicarse a todos los tipos de componentes o sistemas.

1.4 CÓMO MEJORAR LA CONFIABILIDAD

Existen dos formas básicas mediante las cuales puede mejorarse la confiabilidad de un componente o sistema:

Calidad Redundancia

Se refiere a la calidad de los materiales utilizados y a su fabricación, pruebas, calibración, transporte y puesta en servicio.

Se colocan elementos de respaldo. Si un componente falla o sale, su función es asumida por componente de respaldo.

Existen dos tipos de redundancia:

• Activa: El componente redundante siempre está conectado en paralelo con el componente al cual da respaldo.
• Stand‐by: El componente redundante se conecta en el momento en que el componente al cual da respaldo falla o sale.

Otros métodos son: el mantenimiento preventivo, la diversidad de componentes, el stock de repuestos. La mejora de la confiabilidad conlleva a inversiones adicionales y cambios en el diseño que pueden afectar las prestaciones del componente o sistema.

1.5 COSTO DE LA CONFIABILIDAD

Figura 1.3 Función de costos de la confiabilidad

Confiabilidad

Costo ($)

Costo de las fallas o

Costo de inversión

R* Óptimo matemático

Valor aceptado

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

En la Figura 1.5 se muestra un ejemplo de la variación del costo de las interrupciones versus el tiempo de la interrupción para dos tipos diferentes de usuario. Esta función se conoce como función de daño del usuario (“customer damage function”).

Basados en el costo de las interrupciones, la empresa distribuidora y los usuarios deben definir cuál es el nivel de confiabilidad que están dispuestos a ofrecer y a pagar, respectivamente.

1.6 ENTIDADES QUE REGULAN LA CONFIABILIDAD

A nivel de componentes, la confiabilidad está regulada por las normas técnicas que cubren su diseño, fabricación y operación (Entorno de aplicación, rangos de uso). Ejemplo de estas entidades son:

Entidad Alcance IEC Internacional Electrotechnical Commision Equipo eléctrico NFPA National Fire Protection Association Instalaciones eléctricas, equipo contra‐incendio IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers UL Underwriter Laboratories Equipo eléctrico ASME American Association of Mechanical Engineers

Equipos mecánicos

ICONTEC Instituto Colombiano de Normas Técnicas Materiales, equipos eléctricos, postes de concreto, etc

A nivel de sistemas, la confiabilidad está regulada por las normas técnicas, leyes y resoluciones de entidades encargadas de regular y vigilar la calidad del servicio desde los puntos de vista técnico y comercial. Ejemplo de estas entidades son:

Comision de Regulación de Energía y Gas Servicios de electricidad y gas Comisión Nacional de Televisión Servicio de televisión Comisión Nacional de Telecomunicaciones Servicios de radiodifusión y telefonía Superintendencia de Servicios Públicos Todos los servicios públicos domiciliarios National Electric Reliability Council Servicio de electricidad en Norteamérica

1.7 TIPOS DE ANÁLISIS Ó ESTUDIOS EN CONFIABILIDAD

1.7.1 Cualitativo ó cuantitativo

Cualitativo Cuantitativo

Es una valoración subjetiva. No se establecen índices numéricos.

Ejemplos:

• “No fallará”
• “Es muy confiable”
• “Este equipo es mejor que aquél”

No sirve para comparar alternativas o hacer análisis económico.

Se conoce como “juicio de ingeniería”

Es una valoración objetiva. Se establecen índices numéricos, que pueden ser determinísticos o probabilísticos.

Ejemplos:

• “Probabilidad de falla del 50%”
• “Confiabilidad del 0.995”
• “Margen del 20%”

Sin embargo, la probabilidad puede ser establecida mediante un juicio de ingeniería por lo cual también sería subjetivo.

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

1.7.2 Determinístico o probabilístico

Determinístico Probabilístico

Las variables se consideran fijas o con funciones que determinan su valor para cualquier instante del tiempo.

Ejemplo: Potencia disponible en un generador

• P = 100 [MW]
• P = 125sin^2 (377t*38°) [MW]
• Demanda = (Potencia activa)1.

Generalmente, se selecciona el peor escenario lo cual conlleva a sobrediseño.

Se conocen todos los factores de las ecuaciones que modelan los componentes o el sistema.

No existe incertidumbre con respecto a las ecuaciones a utilizar ni con respecto al valor de sus parámetros.

Las variables se consideran aleatorias, es decir no tienen un valor fijo ni existe una función que permita determinar su valor en un instante de tiempo dado.

La ocurrencia de determinados valores de la variable se expresa en términos de probabilidad.

Ejemplo: Potencia disponible en un generador 2 2 ( 100) [ ] 1 2* 2 * *

x P MW x x e dx π

− − ≤ = ∫−∞

En este tipo de análisis se puede determinar el “riesgo” del análisis, que en este caso es la probabilidad de que lo que se asume ocurra o no.

Existe incertidumbre con respecto al modelamiento del fenómeno físico bajo estudio.

El tipo de modelamiento a utilizar depende de la información de que se disponga para estudiar el fenómeno o proceso de interés.

En los problemas reales de ingeniería se encuentra que lo más común es que no existe la suficiente información o la certidumbre como para establecer los modelos determinísticos. Sin embargo, esta es la forma clásica de modelamiento que es enseñado en las universidades [2], [3], [8].

Figura 1.4 Conjunto de información para estudiar un fenómeno o proceso

Cuando se analiza la información disponible para estudiar los fenómenos físicos o procesos, se encuentra que solo una pequeña fracción de ésta es determinística o sin incertidumbre, tal como se muestra en la Figura 1.4 [6].

La incertidumbre en la información aparece por [6]:

Sin incertidumb

Con incertidumbre

Determinística

Aleatoria, ambigua, vaga, imprecisa

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

1.7.4 Histórico o predictivo

Histórico Predictivo

Se estudia el componente o sistema basado en los datos de su comportamiento operativo pasado.

Con estos datos se establecen índices históricos o medidas de desempeño que generalmente son estadísticas.

Ejemplo:

• Frecuencia de fallas promedia: 8 por año por circuito primario
• Tiempo promedio por interrupción: 4 horas

Mediante un estudio se predicen u obtienen los índices del componente o sistema para un instante de tiempo o periodo de tiempo futuro.

Se determinan los valores esperados de los índices de confiabilidad o las funciones de probabilidad.

Ejemplo:

• Frecuencia de fallas esperada: 9 por año por circuito primario
• Tiempo esperado por interrupción: 3 horas
• LOLE: 0.3 días por año

La predicción es la función del planeamiento de sistemas de potencia.

Los registros históricos se utilizan para construir los modelos probabilísticos con los cuales se hace la predicción de valores futuros de las variables aleatorias bajo estudio.

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 1 – Conceptos Generales

Universidad Tecnológica de Pereira ©

1.8 BIBLIOGRAFÍA

[1] Billinton R, Allan R, “Reliability evaluation of engineering systems ‐ Concepts and Techniques”, segunda edición, Plenum Press, 1992.

[2] Torres A, “Probabilidad, variables aleatorias, confiabilidad y procesos estocásticos en ingeniería eléctrica”, Universidad de los Andes, 1996.

[3] Anders G, “Probability concepts in electric power systems”, Wiley and Sons, 1990.

[4] Cabau E, “Introducción a la concepción de la garantía de funcionamiento”, Cuaderno Técnico No. 144, Schneider Electric, 2000. Disponible en www.schneiderelectric.es

[5] Sotskov B, “Fundamentos de la teoría y del cálculo de fiabilidad de elementos y dispositivos de automatización y técnica de cálculo”, Editorial Mir, 1972.

[6] Tan Y, “Damage of a distribution transformer due to through‐fault currents: An electrical forensics viewpoint”, IEEE Trans. Industry Applications, Vol. 38, No. 1, Enero/Febrero, 2002.

[7] Whitrow G. J, “Einstein – The man and his achievement”, Dover publications, 1973.

[8] Ross T. J, “Fuzzy logic with engineering applications”, Mc‐Graw Hill, 1995.

[9] Billinton R, Allan R, “Reliability evaluation of power systems”, Plenum Press, 1996.

[10] CIGRE, “Power system reliability analysis – Application guide”, 1987.

[11] IEEE, “Power system reliability evaluation”, tutorial course 82 EHO 195 ‐ 8 ‐PWR, IEEE, 1982.

[12] Ascher H, Feingold H, “Repairable systems reliability: Modeling, inference, misconceptions and their causes”, Marcel Dekker, 1984.

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 2 – Tipos de componentes y sistemas

Universidad Tecnológica de Pereira ©

2.2 CLASIFICACIÓN DE COMPONENTES Y SISTEMAS POR TIPO DE FUNCIONAMIENTO

2.2.1 Orientados a una misión

Deben operar sin falla durante un tiempo estipulado que se denomina “tiempo de misión”. Se aceptan fallas de algunos de los subcomponentes siempre y cuando el componente o sistema continúe cumpliendo su función.

En este tipo de componentes y sistemas, existen dos formas operativas:

• El componente o sistema empieza a operar una vez se chequea y se encuentra operable.

Figura 2.2 Ciclo operativo de un componente o sistema orientado a una misión

Ejemplos

Avión, cohete; en estos casos el tiempo de misión es el tiempo de vuelo

• El componente o sistema queda activo (“idle”) una vez se chequea y se encuentra operable. Después de un tiempo aleatorio empieza su misión.

Figura 2.3 Ciclo operativo de un componente o sistema cuya misión empieza después de un tiempo aleatorio

Ejemplos

Relés de protección, alarma; En el primer caso, el tiempo de misión es el tiempo para disparo o setting del relé. El tiempo aleatorio en que se inicia la misión es el tiempo en que ocurre la falla en el componente o sistema protegido (no en el relé)

Para estos componentes o sistemas se establece la función de vida con la cual se puede determinar el tiempo esperado para falla o “vida media del componente”. Como las fallas son eventos de naturaleza aleatoria, la función de vida es una función de probabilidad.

Estos componentes o sistemas pueden someterse a procesos de reparación una vez fallan, o de mantenimiento preventivo una vez cumplen su misión. Generalmente, estos procesos no se incluyen en el

(^0) tmisión t

Operativo

Estado

tfalla

Inactivo/fallado

0 t

tmisión

Operativo

Estado

tfalla

Fallado/inactivo

Activo

taleatorio

Confiabilidad en Ingeniería – Carlos J. Zapata Capítulo 2 – Tipos de componentes y sistemas

Universidad Tecnológica de Pereira ©

modelamiento que del componente o sistema se hace para la misión, por lo cual, se consideran “no reparables”. Sin embargo, no siempre tiene que ser así, pues también se puede modelar toda la vida operativa del componente o sistema (proceso de nacimiento y muerte).

2.2.2 Continuamente operados

Operan en forma continua. Se toleran los estados de indisponibilidad siempre y cuando estos no sean muy frecuentes o muy prolongados.

Figura 2.4 Ciclo operativo de un componente o sistema continuamente operado

Ejemplos

Sistema eléctrico de potencia, Sistema de TV por cable, radiodifusión, sistema de agua potable, refrigerador.

En estos componentes y sistemas se habla en general de las “salidas” que afectan su disponibilidad. Las salidas pueden ser:

Tipo de salida Descripción Ejemplo

No planeadas No se conoce cuándo ocurrirán

• Fallas propia de componente o sistema
• Vandalismo
• Incendios, inundaciones, terremotos, etc

Planeadas Se conoce de antemano cuándo ocurrirán. Se pueden posponer

• Mantenimiento preventivo
• Ampliación/mejoramiento del sistema
• Solicitud de entidad externa

Las salidas definen la secuencia operativa o secuencia de estados de disponibilidad e indisponibilidad mostrada en la Figura 2.4.

No se consideran en la secuencia mostrada: salidas simultáneas, que el componente pueda ser reparado mientras opera (falla parcial), ni que el componente vuelva a fallar mientras es reparado.

Cada salida (s i) tiene asociado un tiempo para salida (ttoi) y un tiempo para restauración (ttrs i), los cuales son independientes entre sí en cuanto a su duración.

Los tto de las salidas no planeadas son aleatorios; para las salidas planeadas son determinísticos, al menos para el corto plazo.

Los tiempos para restauración se denominan tiempos para reparación si la salida es no planeada; para las salidas planeadas se denomina tiempo para reconexión.

Indisponible

s 1 s i

t

Estado

Disponible

(^0) tto i ttrsi T