UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

COORDINACIÓN DE POSTGRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA ESPECIALIZACIÓN EN CONFIABILIDAD DE SISTEMAS

INDUSTRIALES

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE COMPRESORES A TRAVÉS DEL MODELAJE DE CONFIABILIDAD Y CÁLCULO DEL CICLO DE VIDA.

Por: Javier Antonio Palencia Cuenca.

Octubre de 2009

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

COORDINACIÓN DE POSTGRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA ESPECIALIZACIÓN EN CONFIABILIDAD DE SISTEMAS

INDUSTRIALES

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE COMPRESORES A TRAVÉS DEL MODELAJE DE CONFIABILIDAD Y CÁLCULO DEL CICLO DE VIDA.

Trabajo Especial de Grado presentado a la Universidad Simón Bolívar por:

Javier Antonio Palencia Cuenca.

Como requisito parcial para optar al grado de Especialista en Ingeniería Mecánica en Confiabilidad de Sistemas Industriales

Con la asesoría del Prof. Sergio Díaz

Octubre de 2009

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR

DECANATO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO COORDINACIÓN DE POSTGRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA

ESPECIALIZACIÓN EN CONFIABILIDAD DE SISTEMAS INDUSTRIALES

METODOLOGÍA DE ANÁLISIS DE COMPRESORES A TRAVÉS DEL MODELAJE DE CONFIABILIDAD Y CÁLCULO DEL CICLO DE VIDA.

Por: Javier Antonio Palencia Cuenca

Carnet Nº: 94-78424 Tutor: Prof. Sergio Díaz.

Octubre de 2009

Los compresores reciprocantes juegan un papel importante en los procesos de la industria petroquímica, de gas y petrolera en general. Por consiguiente durante los últimos años, el enfoque de los usuarios se ha dirigido al aumento de ganancias de la producción a través de aumentos de la disponibilidad, disminución del mantenimiento y oportunidades perdidas que afectan la confiabilidad de equipos rotativos. El departamento de confiabilidad de INTEVEP, filial de Petróleos de Venezuela, entre sus objetivos plantea la realización de modelos que permitan predecir frecuencia de ocurrencia de modos de falla, para facilitar la planificación de actividades de mantenimiento de sus activos. El presente trabajo propone elaborar una metodología que facilite a los ingenieros encargados de mantenimiento la evaluación de Compresores Reciprocantes, modelaje de confiabilidad y cálculo del ciclo de vida del activo. La metodología propuesta incluye: Etapa uno: Análisis Funcional, en la cual se hizo un descripción funcional del equipo, Etapa Dos: Realización de modelos de modos de fallas. Etapa Tres: Desarrollo de actividades optimas de mantenimiento, Etapa Cuatro: Análisis de Ciclo de Vida, Etapa Cinco: Desarrollo o Aplicación Piloto. El presente modelo aplicado a la planta de compresión de hidrógeno del Complejo Refinador Paraguaná, dio como resultado el análisis de modos y efectos de fallas del tren de compresores, un modelo de tendencia de fallas y se reporta junto con la causa raíz de las fallas de los compresores un conjunto de recomendaciones para la solución del problema presentado.

Palabras Claves: Confiabilidad, compresores reciprocantes, predicción de fallas, Amef, causa raíz, análisis de costos y ciclos de vida.

v

INDICE GENERAL

Pag.

INDICE GENERAL ................................................................................................................................................................................................................ v

INDICE DE TABLAS...................................................................................................... vii

INDICE DE FIGURAS..................................................................................................... viii

INTRODUCCIÓN............................................................................................................ 1

CAPITULO I. MARCO REFERENCIAL........................................................................ 2

1.1 Planteamiento del porblema........................................................................................ 2

1.2 Objetivo General ........................................................................................................ 2

1.3 Objetivos Específicos ................................................................................................. 2

CAPITULO II MARCO TEÓRICO ................................................................................ 3

2.1 Reseña Historica......................................................................................................... 3

2.2 Requerimientos del Amef........................................................................................... 4

2.3 Beneficios Del Amef................................................................................................... 4

2.4 El Proceso del AMEF................................................................................................. 4

2.5 Algunas Definiciones.................................................................................................. 5

2.5.1 Falla.......................................................................................................................... 5

2.5.2 Falla funcional.......................................................................................................... 5

2.5.3 Modo de Falla......................................................................................................... 6

2.5.4 Efecto de Falla......................................................................................................... 6

2.5.5 Mecanismo de Falla................................................................................................. 6

2.5.6 Causade Falla........................................................................................................... 6

2.5.7 Probabilidad de Falla............................................................................................... 6

2.6 Caracterización de la falla........................................................................................... 7

2.7 Las siguiente definiciones son previas al establecimiento de un proceso

AMEF...............................................................................................................................

7

22..77..1 Sistema........................................................................................................................................................................................................................................ 7

vi

2.7.2 Limites de un sistema............................................................................................... 8

2.8 Formatos...................................................................................................................... 9

2.9 Cálculos referidos a la confiabilidad........................................................................... 11

2.9.1 Tiempo promedio entre fallas.................................................................................. 11

2.9.2 Tasa de Fallas........................................................................................................... 13

2.10 Análisis de costos y ciclo de Vida............................................................................ 14

2.10.1 Elementos de la ecuación para el cálculo del LCC ............................................... 14

CAPÍTULO III METODOLOGÍA PROPUESTA.......................................................... 15

3.1 Etapas del Trabajo....................................................................................................... 15

3.2 Desarrollo de la Metodología Propuesta..................................................................... 16

3.2.1 Modelos de predicción de fallas propuestos............................................................ 17

3.2.1.1 Modelo1................................................................................................................ 17

3.2.1.2 Modelo 2 .............................................................................................................. 18

3.2.2 Análisis de Modos y Efectos de Falla..................................................................... 28

3.2.3 Descripción de la metodología................................................................................. 29

3.3 Análisis de Costo de Ciclo de Vida............................................................................ 35

CAPÍTULO IV CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...................................... 37

4.1 Conclusiones............................................................................................................... 37

4.2 Recomendaciones........................................................................................................ 38

BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................................. 39

ANEXOS.......................................................................................................................... 41

vii

INDICE DE TABLAS Pag.

Tabla 2.1. Hoja de información propuesta........................................................................ 10

Tabla 2.2. Hoja de fallas propuesta................................................................................... 10

Tabla 2.3. Hoja para análisis Causa Raíz Propuesta......................................................... 10

Tabla 2.4. Distribuciones probabilísticas más usadas en análisis de confiabilidad de

equipos no reparables........................................................................................................

12

Tabla 2.5. las ecuaciones para el cálculo de F(t), C(t), h(t) y el TPPF............................. 13

Tabla 3.1. Extracto de Data Típica presentada en la bibliografía pública, tomada de

Barringer & Asociados.....................................................................................................

16

Tabla 3.2 Registro histórico par el compresor K-302D.................................................... 27

Tabla 3.3. Tiempo perdido por equipo.............................................................................. 31

Tabla 33.4 Metodología AMEF: Hoja de información del sistema de compresión de

H22.....................................................................................................................................

32

Tabla 3.55. Metodología AMEF: Hoja de Fallas sistema compresión de

Hidrógeno..........................................................................................................................

33

Tabla 3.66. Metodología AMEF: ACR parcial del sistema compresión de

Hidrógeno..........................................................................................................................

34

Tabla 3.7. Resumen de aplicación de análisis de costos de ciclo de vida, caso

uno.....................................................................................................................................

35

Tabla 3.8. Resumen de aplicación de análisis de costos de ciclo de vida, caso

dos.....................................................................................................................................

36

viii

INDICE DE FIGURAS Pag. Figura 2.1. Probabilidad de falla típica de maquinas reciprocantes..................................... 7

Figura 2.2 Limites de un sistema de Compresión................................................................ 8

Figura 2.3. Hoja de información propuesta.......................................................................... 10

Figura 2.4. Hoja de fallas propuesta.................................................................................... 10

Figura 2.5. Hoja para análisis Causa Raíz Propuesta........................................................... 10

Figura 3.1. Modelo de predicción de fallas sin corrección.............................. 22

Figura 3.2. Proceso de generación de los valores de corrección de los tiempos de fallas. 22

Figura 3.3. Motor de inferencia utilizado.......................................................................... 23

Figura 3.4. Motor de inferencia, se pueden observar las cuatro funciones de membresía,

la función de salida o peso y un grupo de las reglas generadas...........................................

24

Figura 3.5. Ejemplo de datos de un activo afectado por la edad. Se representan fallas

acumuladas contra tiempo....................................................................................................

24

Figura 3.6. Esquema simplificado de un proceso de reforma catalítica. Fuente Osha

1996...............................................................................................................................

24

Figura 3.7. Diagrama Funcional Sistema de Compresion de Hidrogeno............................. 25

INTRODUCIÓN

El presente trabajo de grado es una aplicación en el campo de la Confiabilidad Operacional, el mismo propone elaborar una metodología que facilite a los ingenieros encargados de mantenimiento la evaluación de Compresores Reciprocantes, modelaje de confiabilidad y cálculo del ciclo de vida del activo. El departamento de confiabilidad de INTEVEP, filial de Petróleos de Venezuela, entre sus objetivos plantea la realización de modelos que permitan predecir frecuencia de ocurrencia de modos de falla, para facilitar la planificación de actividades de mantenimiento de sus activos. El desarrollo de esta aplicación se muestra en cuatro capítulos, como a continuación se explica. En el capítulo I, se plantea el marco referencial del estudio, a través del planteamiento del problema y los objetivos a desarrollar. En el capítulo II, se desarrolla un marco teórico referencial sobre las herramientas de confiabilidad que serán aplicadas a saber: Análisis de Modos y efectos de Fallas (AMEF), Análisis Causa Raíz y Análisis de Ciclo de Vida. El capítulo III, se describen las etapas en la que se desarrollara el proyecto y se desarrolla el modelo propuesto. La metodología propuesta incluye: Etapa uno: Análisis Funcional, en la cual se hizo un descripción funcional del equipo, Etapa Dos: Realización de modelos de modos de fallas. Etapa Tres: Desarrollo de actividades optimas de mantenimiento, Etapa Cuatro: Análisis de Ciclo de Vida, Etapa Cinco: Desarrollo o Aplicación Piloto. En el capítulo IV, se presentas las conclusiones y recomendaciones. Por último se reporta la bibliografía consultada. El presente modelo fue aplicado a la planta de compresión de hidrógeno del Complejo Refinador Paraguaná y dio como resultado el análisis de modos y efectos de fallas del tren de compresores, un modelo de tendencia de fallas y se reporta junto con la causa raíz de las fallas de los compresores un conjunto de recomendaciones para la solución del problema presentado.

CAPÍTULO I

MARCO REFERENCIAL

1.1 Planteamiento del Problema.

Para el momento de la elaboración de este Trabajo de Grado, el departamento de

confiabilidad de INTEVEP, filial de Petróleos de Venezuela, incluía entre sus objetivos la

realización de metodologías que les permitiesen predecir frecuencia de ocurrencia de

fallas, facilitándose así la planificación de actividades de mantenimiento de los activos de

PDVSA.

Este trabajo plantea la elaboración de una metodología aplicable a Compresores.

1.2 Objetivo General.

Elaborar una metodología que facilite a los ingenieros encargados de mantenimiento la

evaluación de Sistemas Dinámicos, modelaje de confiabilidad y cálculo del ciclo de vida

del activo.

1.3 Objetivos Específicos.

Evaluar el contexto operacional de un equipo, identificando funciones, modos y efectos de

falla.

Realizar modelos de modos de falla basados en referencias internacionales.

Desarrollar actividades óptimas de mantenimiento a través de la utilización de

herramientas APT.

Realizar análisis del ciclo de vida a través de herramientas de uso libre.

Aplicación práctica sobre un activo.

CAPÍTULO II

MARCO TEÓRICO

2.1 Reseña Histórica

La disciplina del Análisis de Modos y Efectos de Fallas, AMEF, fue desarrollada en el

ejercito de la Estados Unidos, por los ingenieros de la National Agency of Space and

Aeronautical (NASA), y era conocido como el procedimiento militar MIL-P-1629, titulado

"Procedimiento para la Ejecución de un Modo de Falla, Efectos y Análisis de criticibilidad" y

elaborado el 9 de noviembre de 1949; este era empleado como una técnica para evaluar la

confiabilidad y para determinar los efectos de las fallas de los equipos y sistemas, en el éxito

de la misión y la seguridad del personal o de los equipos [1].

En 1988 la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), publicó la serie de

normas ISO 9000 para la gestión y el aseguramiento de la calidad; los requerimientos de esta

serie llevaron a muchas organizaciones a desarrollar sistemas de gestión de calidad enfocados

hacia las necesidades, requerimientos y expectativas del cliente.

Actualmente, el AMEF se ha popularizado y ha empezado a ser utilizado en diversas áreas de

una gran variedad de empresas a nivel mundial.

El Análisis de modos y efectos de fallas, AMEF, es un proceso sistemático para la

identificación de las fallas potenciales de un proceso antes de que éstas ocurran, con el

propósito de eliminarlas o de minimizar el riesgo asociado a las mismas.

Por lo tanto, el AMEF puede ser considerado como un método analítico estandarizado para

detectar y eliminar problemas de forma sistemática y total, cuyos objetivos principales son:

1. Reconocer y evaluar los modos de fallas potenciales y las causas asociadas al modo de

falla.

2. Determinar los efectos de las fallas potenciales en el desempeño del sistema.

3. Identificar las acciones que podrán eliminar o reducir la oportunidad de que ocurra la

falla potencial.

4. Analizar la confiabilidad del sistema.

Aunque el método del AMEF generalmente ha sido utilizado por las industrias, éste es

aplicable para la detección y bloqueo de las causas de fallas potenciales en productos y

procesos de cualquier clase de empresa, ya sea que estos se encuentren en operación o en fase

de proyecto; así como también es aplicable para sistemas administrativos y de servicios.

2.2 Requerimientos del Amef.

Para hacer un AMEF se necesita lo siguiente:

1. Un equipo multidisiplinario de personas con el compromiso de mejorar la capacidad

del diseño, para satisfacer las necesidades del cliente.

2. Diagramas esquemáticos y de bloque de cada nivel del sistema, desde subensamblajes

hasta el sistema completo.

3. Especificaciones de los componentes, lista de piezas y datos del diseño.

4. Especificaciones funcionales de módulos, subensamblajes, etc.

5. Requerimientos de manufactura y detalles de los procesos que se van a utilizar.

6. Formatospara aplicación de la metodología AMEF (en papel o electrónicas) y una lista

de consideraciones especiales que se apliquen al producto.

2.3 Beneficios Del Amef.

La identificación y eliminación de los modos de fallas potenciales tiene beneficios tanto a

corto como a largo plazo. A corto plazo, representa ahorros de los costos de reparaciones, las

pruebas repetitivas y el tiempo de paro. El beneficio a largo plazo es mucho mas difícil medir

puesto que se relaciona con la satisfacción del cliente con el producto y con sus percepción de

la calidad; esta percepción afecta las futuras compras de los productos y es decisiva para crear

una buena imagen de los mismos.

5

2.4 El Proceso del AMEF.

1. Definir el sistema a ser analizado y establecer el desempeño de confiabilidad

requerido.

22.. Construir un diagramas de bloques funcionales y de confiabilidad (si es necesario) para

ilustrar como están interconectados los diferentes subsistemas.

3. Registrar todas las premisas que serán asumidas en el análisis y las definiciones de los

modos de falla del sistema y subsistemas.

4. Hacer lista de los componentes, identificar sus modos de falla, y cuando sea apropiado

las tasas de falla de los modos (alternativamente se pueden utilizar rangos para las

tasas de falla). Completar los formatos del AMEF analizando el efecto de cada modo

de falla de subensamble o componente, en el desempeño del sistema.

5. Introducir índices de severidad y tasas de falla o rangos, según sea requerido, a los

formatos del AMEF, y evaluar la criticidad de cada modo de falla sobre la

confiabilidad del sistema.

6. Revisar los formatos del AMEF para identificar cuales son los componentes críticos

para la confiabilidad y emitir recomendaciones para mejoras de diseño o resaltar áreas

que requieren otros análisis.

2.5 Algunas Definiciones

2.5.1 Falla:

Es la terminación de la habilidad de un sistema / equipo / parte para realizar una función

requerida [2].

2.5.2 Falla funcional.

Son las descripciones de la o las maneras que un sistema o subsistema puede fallar en alcanzar

los requerimientos funcionales para los que fue diseñado el equipo. Un sistema o subsistema

que este operando en estado degradado, pero esto aun no afecta los parámetros de

funcionamiento establecidos, se dice que no ha fallado.

6

2.5.3 Modo de Falla:

Es la apariencia, manera o forma como un componente de un sistema se manifiesta por si

misma. No debe ser confundido con la causa de la falla, ya que la primera es el efecto y la

segunda es la causa del evento de falla.

Es la manera observada de falla [2]

Un modo dominante de falla es aquel responsable de un numero importante de fallas del

sistema.

Los modos de falla pueden ser definidos para todos los niveles de un sistema y la jerarquía de

ensamblado.

2.5.4 Efecto de Falla:

Es lo que experimenta el dueño de un sistema como resultado de la ocurrencia de un modo de

falla (costos, pérdidas de oportunidad, utilización de recursos, entre otras).

2.5.5 Mecanismo de Falla:

El proceso físico, químico u otro, que conlleva a una falla [2]

2.5.6 Causa de Falla:

La circunstancia durante el diseño, la manufactura o el uso que conlleva a una falla [2]

2.5.7 Probabilidad de Falla. La confiabilidad es la probabilidad de que un activo o componente de este, sobreviva a un

determinado periodo de operación, bajo condiciones de operación especificas, sin fallar. La

probabilidad de falla, mide la posibilidad de que un activo pueda fallar en un intervalo de

tiempo. Entonces el equipo dará muestras de estar operando fuera de las condiciones

especificada.

7

La tasa de falla o frecuencia es útil para realizar decisiones de costos y para establecer

intervalos de mantenimiento. Pero no dice nada de la naturaleza de la falla o si el programa de

mantenimiento es adecuado. Las soluciones de mantenimiento deben ser evaluadas en

términos de consecuencia económica o de seguridad.

2.6 Caracterización de la falla.

La curvas de probabilidad de falla están agrupadas en seis tipos, donde se grafica probabilidad

de falla (Pcond) contra Tiempo (T). A continuación se muestra una curva con tendencia

constante al comienzo y de un incremento gradual de la probabilidad de falla a medida que se

alcanza un tiempo limite. Esta curva es típica de equipos reciprocantes.

Figura 2.1. Probabilidad de falla, típica de equipos industriales.

Existe una relación entre la edad de una pieza y la confiabilidad. Factores como fatíga del

metal se traducen en que un elemento puede ser declarado consumible o de una vida útil corta.

En ese caso el tiempo límite de operación o número de ciclos sometido a estrés será el

elemento clave para definir la confiabilidad de un sistema.

2.7 Las siguiente definiciones son previas al establecimiento de un proceso AMEF. 2.7.1 Sistema.

Un sistema es cualquier grupo de componentes o instalaciones que soportan requerimientos

operacionales.

8

2.7.2 Limites de un sistema.

Una definición de interfaz, contiene la descripción de las entradas y salidas por cada borde.

Los limites son una manera de dividir sistemas en subsistemas, cuando se requiere flexibilizar

el análisis del sistema por uno de menor complejidad.

Los limites de un sistema definen los subsistemas y componentes que forman parte del

sistema.

Las razones por la que están importante la definición de límites en el AMEF las podemos

resumir como:

• Es importante saber que se incluye en el sistema, para poder definir las funciones, de

manera que no colinden con sistemas cercanos.

• Los límites establecen que entra y que sale del sistema, señales, flujos, calor, etc.

Figura 2.2. Limites de un sistema de Compresión en un proceso de reforma catalítica,

utilizados en el presente trabajo.

Para facilitar la documentación del análisis de fallas potenciales y sus consecuencias, existen

formatos estandarizados para la realización del AMEF; sin embargo, dado que cada empresa

representa un caso particular es necesario que éste sea preparado por un equipo

CompresorUnidad Motora Caja de Engranaje

Postenfriador

Lubricación

Interenfriador

Gas de entrada

Instrumentación Alarmas

Válvula de succión

Válvula de descarga

Válvula de reciclaje

Limites de sistema

9

multidisciplinario integrado por personal con experiencia en diseño, manufactura, ensamblaje,

servicio, calidad y confiabilidad.

Para el presente trabajo se acudió a documentos elaborados por NASA [1] y los estándares

militares del ejercito de los Estados Unidos [3].

2.8 Formatos.

Para facilitar la ejecución de un procedimiento AMEF, se propone la realización de un

procedimiento semicuantitativo a través de formatos, los mismos fueron elaborados en

conjunto con el equipo de Confiabilidad del Departamento de mantenimiento de la refinería

Cardón. Los mismos se explican a continuación:

1. Hoja de información: puede comenzase con cualquier sistema, subsistema o nivel. Se

define el sistema, su función, el tipo de falla funcional, modo de falla, recurrencia del

modo de falla y actividad de mantenimiento a ejecutar. Ver Fig. 2.3.

2. Hoja de fallas: es mas específica, se aplica a componentes o subsistemas. Se describe

el componente fallado, la falla funcional, su modo de falla y las posibles fuentes de

falla. Ver Fig. 2.4.

3. Análisis Causa Raíz, ayuda al encargado del mantenimiento con la estrategia a ser

seguida, ya que relaciona cada modo de falla con su causa raíz. Esta hoja es una

herramienta abreviada para la identificación de modos de falla. Se describen para cada

subsistema, los modos de falla, mecanismo de falla y la Causa Raíz de la falla. Ver Fig.

2.5.

10

Tabla 2.1. Hoja de información propuesta. Tipo de AMEF Parte del Proceso. Responsable Otras áreas involucradas, Fecha.

COMPRESOR RECIPROCANTE FUNCIÓN FALLA

FUNCIONAL MODO DE

FALLA FRECUENCIA FALLAS / AÑO

MANTENIMIENTO U OPERACIÓN

Tabla 2.2. Hoja de fallas propuesta.

COMPRESOR RECIPROCANTE Función Comprimir gas hidrogeno proveniente de planta de proceso catalítico.

COMPONENTE FALLA FUNCIONAL MODO DE FALLA FUENTE DE LA FALLA Tabla 2.3. Hoja para análisis Causa Raíz Propuesta.

ANÁLISIS CAUSA RAÍZ VÁLVULAS MODOS DE

FALLA MECANISMO RAZÓN CAUSA

RAÍZ COMENTARIOS

11

2.9 Cálculos referidos a la confiabilidad. 2.9.1 Tiempo promedio entre fallas.

La confiabilidad C(t), es expresada de la manera siguiente:

)(1)( tFtC −= (2.1)

Donde

F(t) es la función que expresa la probabilidad de falla del sistema o componente en un tiempo

t. F(t) es básicamente una función distribuida, también llamada no confiabilidad o

probabilidad de falla.

Se puede expresar la función confiabilidad como una función densidad f(t), en el rango t de la

forma:

dttftFtC )()(1)( =−= (2.2)

Asumiendo que el tiempo promedio para fallas es descrito por una función exponencial,

entonces la expresión queda de la forma:

(2.3)

Donde:

L es el tiempo promedio de vida.

t es el período de interés

El tiempo promedio de vida es un promedio aritmético de todos los elementos o subsistemas

considerados. Para la función exponencial es equivalente al tiempo promedio entre fallas

(TPEF o MTBF). Por lo tanto:

LtL

t

edt

eL

dtC

−

−

==)*1(

)( (2.4).

( )1( ) *t

LF t eL

−

=

12

La definición presentada en la ecuación 2.4, se refiere al caso especifico en el que la data de

fallas pueda ser descrita por una distribución exponencial.

A continuación se presentan, en tablas, las distribuciones mas comunes encontradas en la

bibliografìa y a acontinuación la representación de las funciones densidad de falla f(t),

confiabilidad C(t), y tiempo promedio para fallar TPEF, entre otros [4].

Tabla 2.4. Distribuciones probabilísticas más usadas en análisis de confiabilidad de equipos

no reparables. Tomado de Fundamentos de Confiabilidad de Equipos, Yañez et al.

13

Tabla 2.5. las ecuaciones para el cálculo de la probabilidad de fallas F(t), la confiabilidad

C(t), la velocidad de incremento del peligro o tasa de fallas h(t) y el TPPF,en base a la función

densidad de falla f(t), para las distribuciones probabilísticas más usadas en análisis de

confiabilidad de equipos no reparables. Tomado de Fundamentos de Confiabilidad de

Equipos, Yañez et al.

2.9.2 Tasa de Fallas.

La tasa a la cual una falla ocurre en un intervalo de tiempo, se define como:

__ _

N de fallasFrTiempo de operación

=o

(2.5)

La vida media y la tasa de fallas se relacionan como:

1FrL

= (2.6)

14

2.10 Análisis de costos y ciclo de Vida.

El costo de ciclo de vida, LCC por sus siglas en ingles, se define como el tiempo de vida para

cumplir con los costos de compra, instalación, operación, mantenimiento y depreciación del

equipo.

Cuando es usado como una herramienta de operación, es posible reajustar tiempos entre

paradas de planta, utilizando alternativas de bajo costo.

Los componentes típicos de un análisis de costo de ciclo de vida incluyen: costos iniciales,

instalación, comisiones, impuestos, costos de operación, costos de energía, costos de

mantenimiento y reparación, costos relativos al medio ambiente, costos de depreciación y de

desinstalación del activo.

2.10.1. Elementos de la ecuación para el cálculo del LCC [4].

ic in e o m s env dLCC C C C C C C C C= + + + + + + + (2.7)

Donde:

LCC = costo de ciclo de vida.

Cic = costo inicial, precio de compra.

Cin = costos de instalación y comisión, incluye costos entrenamiento y transporte.

Ce = costos de energía.

Co = costos de operación.

Cm =costos de mantenimiento y reparación.

Cs = costos por paradas, perdidas de producción.

Cenv = costos ambientales, contaminación por fugas, equipos de prevención.

Cd = costos de depreciación y desinstalación del activo, incluye posibles reparaciones

al local.

15

Cada negocio tiene una tasa mínima de retorno para cada proyecto la cual dependerá de la

cantidad de dinero. Si la tasa de retorno mínima es muy alta entonces muchos proyectos no

podrán ejecutarse, en cambio si es muy baja entonces muchos proyectos serán aceptados.

Las organizaciones establecen sus tasas de descuentos y tasas de retorno estándares para

facilitar la decisión de los ingenieros. Se usa el método de descuentos para resumir las

transacciones sobre la vida de una inversión en términos de valor presente y valor futuro; las

cuales están relacionadas por la siguiente ecuación:

(1 ) nFV PV i= + (2.8)

Donde:

FV = valor futuro.

PV = Valor presente.

i = Tasa de Descuento.

n = Numero de periodos.

El valor presente neto (NPV) es la medida económica para proyectos, tomando en cuenta los

factores de descuentos y el flujo de caja. el valor presente (PV) de una inversión es la cantidad

máxima que se puede pagar por la oportunidad de hacer inversiones sin tener impedimento

financiero. El valor presente neto, es el valor presente de las ganancias menos el valor

presente de las perdidas. Los cálculos de valor presente netos comienzan con la tasa de

descuento sumando el valor presente de las ganancias esperadas de la inversión mas el valor

presente de las perdidas, al realizar esta suma se obtiene el valor presente neto. Los proyectos

con NPV mayores serán los aceptados.

16

CAPÍTULO III

METODOLOGÍA PROPUESTA

3.1 Etapas del trabajo.

El trabajo fue dividido en etapas a saber:

Etapa uno: Análisis Funcional: se seleccionó un tipo de equipo rotativo de entre la cartera de

proyectos manejados por el Departamento de Confiabilidad de INTEVEP, Filial de PDVSA.

Se propuso la evaluación de compresores reciprocantes, basándose en teorías de confiabilidad

operacional.

Se realizaran sobre este activo las siguientes actividades:

Topología.

Desarrollo del contexto Operacional.

Identificación de Funciones

Fallas Funcionales.

Modos de Fallas.

Efectos

Etapa Dos: se realizó una búsqueda en referencias internacionales (OREDA, Barringer,

CPPS, etc.) de datos correspondientes a modos de falla presentes en compresores

reciprocantes, Estos datos sirvieron de base para modelos de modos de fallas.

Etapa Tres: Desarrollo de Análisis de Modos y Efectos de Falla.

Etapa Cuatro: investigación para elaborar un Análisis de Ciclo de Vida.

16

Etapa Cinco: Desarrollo o Aplicación Piloto. El modelo obtenido a través de la utilización de

referencias internacionales será evaluado en un equipo específico de PDVSA, se realizarán

comparaciones de indicadores que arrojen estas simulaciones con las referencias antes

mencionadas, a través de:

Descripción de tipos de falla.

Análisis de modo y efecto de falla (AMEF)

Modelaje de Confiabilidad.

Cálculo de Ciclo de Vida.

3.2 Desarrollo de la Metodología Propuesta.

Para el desarrollo de la topología y contexto operacional del activo, se propone la utilización

de formatos en hoja Excel realizados por el TSU Sergio Rodríguez durante su pasantía en la

Planta Lamargas, ubicada en el Lago de Maracaibo. Estos Formatos Pueden Ser Observados

en el anexo Nº 1.

La búsqueda realizada en documentos públicos en la Web y en la bibliografía consultada sobre

tasas de fallas de compresores reciprocantes y elementos de compresores reciprocantes, resultó

muy escueta. Los modos de fallas reportados solo se refieren a modelos establecidos sobre la

metodología Weibull. Como ejemplo se muestra los datos reportados por Barringer [5].

Tabla 3.1. Extracto de Data Típica presentada en la bibliografía pública, tomada de Barringer & Asociados. 1 Item Beta Values Eta Values

(Weibull Shape Factor) (Weibull Characteristic Life--hours) Low 2 Typical High Low 3 Typical High

Valves, recip comp. 0.5 1.4 4 3,000 40,000 80,000

17

3.2.1 Modelos de predicción de fallas propuestos.

En el proceso de deterioro de un equipo, inciden factores como edad del equipo, fatiga,

desgaste, operación fuera de límites de diseño, etc. En la bibliografía consultada [1], [5]

reportan el comportamiento de la probabilidad de falla de un equipo en función del tiempo,

dividido en dos tramos, uno de tasa de falla constante y otro a partir del momento en que el

desgaste es evidente de comportamiento exponencial (Ver Figura 3.1.).

Los tipos de modelos a proponer serán del tipo Empírico, derivados de observaciones directas

o de las mediciones de las fallas reportadas. De manera que a partir de data conocida, el

ingeniero de mantenimiento pueda evaluar la tendencia de falla de sus equipos, sin recurrir a

ecuaciones muy complejas.

3.2.1.1 Primer Modelo:

Basándonos en que la tendencia de comportamiento de muchos equipos industriales [4], esta

representada por una distribución exponencial (Weibull), para el primer modelo se

propusieron dos formas de ecuación: el primero en una ecuación exponencial y el segundo en

el desarrollo en serie de una ecuación exponencial.

La primera ecuación se presenta a continuación:

(3.1)

Donde:

f(t) = probabilidad de falla.

A, α, B = constantes.

t-to = intervalo de tiempo evaluado.

( )( ) t tof t A Beα −= +

18

Los resultados obtenidos de la aplicación de este modelo son casi idénticos a los esperados en

un desarrollo Weibull. La curva aunque se aproximaba a los datos reales, producía

predicciones con errores altos. La segunda ecuación es como sigue:

(3.2)

Donde:

f(t) = probabilidad de falla.

A, B, C = constantes.

t-to = intervalo de tiempo evaluado.

El desarrollo de una expresión polinómica tiene muchos cambios de pendiente, los resultados

no fueron buenos.

3.2.1.2 Segundo Modelo:

En un mas elaborado método se introduce una forma de valorar la opinión de expertos a través

de metodología Fuzzy, como sigue: el comportamiento histórico de un equipo se puede

analizar para construir una tendencia y pronosticar el número fallas en un periodo

determinado. Desde el punto de vista de la confiabilidad operacional, hay dos posibles

escenarios, una clasificación probabilística y otra subjetiva, las cuales son afectadas por

factores como: humanos o de operación, ambientales y edad del equipo. Estos son de difícil

evaluación por su carácter subjetivo.

Las decisiones de los analistas de confiabilidad, en cualquiera de los dos escenarios, se pueden

ver afectadas por factores como: software utilizado, factores humanos o de operación, factores

ambientales y edad del equipo. El primer factor es corregible con mejor entrenamiento o una

mejor evaluación del software a utilizar. Las otras tres son de difícil evaluación por su carácter

subjetivo.

Para enfrentar esto se propone tomar en cuenta la evaluación tradicional de la predictivilidad

de fallas y utilizar sistemas expertos para estimar la influencia de estas variables. Para lo cual

se debe generar una base de conocimientos y con el uso de un motor de inferencia comercial

2( ) ( ) ( )2Cf t A B t to t to= + − + − +L

19

(modulo Fuzzy) evaluar la base de conocimientos generada, la cual evalúa las tendencias de

fallas de los elementos significativos que componen un activo, a través de sistemas expertos,

para predecir el tiempo para la ocurrencia de la próxima falla, el próximo elemento en fallar, el

número de fallas esperadas por elemento en un tiempo determinado. Se utilizaran datos reales

de equipos y tendencias estadísticas presentes en la bibliografía publica para la elaboración de

las tendencias.

En otras disciplinas de ingeniería y ciencias en general se han utilizado diferentes métodos

para la predicción de eventos. Este es el caso de redes neuronales y sistemas expertos, que han

sido usadas para la predicción del precio de acciones en el mercado de valores, predicción del

tráfico vehicular, de errores en redes de computadoras , tornados entre otros.

Entre la ventajas de la aplicación de sistemas expertos tenemos: Programas o algoritmos que

reproducen de manera aproximada el proceso intelectual de un experto humano, en un campo

en particular, para ello utiliza el conocimiento almacenado y métodos de inferencia para

obtener soluciones confiables con un sistema experto, gracias al tratamiento automático de los

datos y a su comparación con la opinión de varios expertos.

El modelo propuesto consiste en la evaluación tradicional de la predictivilidad de fallas,

aplicando sistemas expertos para encontrar la influencia que podrían tener variables como

ambiente, operación, material, edad entre otros. Para lo cual se debe generar una base de

conocimientos y con el uso de un motor de inferencia comercial (modulo Fuzzy) evaluar la

base de conocimientos generada.

Este segundo modelo tiene como objetivo principal, elaborar una metodología que facilite a

los ingenieros encargados de mantenimiento la evaluación de equipos, el modelaje de

confiabilidad del mismo, así como predecir el tiempo para la ocurrencia de la próxima falla, el

próximo elemento en fallar, el numero de fallas esperadas por elemento en un tiempo

determinado.

Alcance del modelo.

El modelo propuesto consiste en la evaluación tradicional de la predictivilidad de fallas,

aplicando sistemas expertos para encontrar la influencia que podrían tener variables como

20

ambiente, operación, material, edad entre otros. Para lo cual se debe generar una base de

conocimientos y con el uso de un motor de inferencia comercial (modulo Fuzzy) evaluar la

base de conocimientos generada.

Cualquier usuario puede utilizar el sistema experto para resolver un problema con la “eficacia”

de un especialista, puede ajustar la precisión del modelo añadiendo mas opiniones de expertos.

En la actualidad se esta ampliando la recopilación de la base de conocimientos, con datos

históricos de activos industriales y opiniones de expertos de cómo influyen factores como

ambiente, edad de equipos, tasa de utilización, etc, en el funcionamiento de equipos

industriales.

El presente modelo propone presentar cada una de las tendencias de fallas de los elementos

significativos que componen un activo, evaluarlas de manera paralela a través de la utilización

de sistemas expertos y predecir el tiempo para la ocurrencia de la próxima falla, el próximo

elemento en fallar, el numero de fallas esperadas por elemento en un tiempo determinado. Se

utilizaran datos reales de equipos y tendencias estadísticas presentes en la bibliografía publica

para la elaboración de las tendencias de los distintos elementos del activo.

Metodología.

Proceso de análisis de fallas.

Un sistema reparable es un sistema que puede ser reparado cuando es afectado por fallas,

como motores eléctricos y compresores. Un sistema de no reparable es un sistema que es

descartado o reemplazado al fallar, como partes electrónicas y bombillos. Para modelar

sistemas reparables, se utilizan dos modelos desde el punto de vista estocástico. El proceso

homogéneo de Poisson (HPP por sus siglas en ingles) y el proceso no homogéneo de Poisson

(NHPP) [8]

Varios escritores sostienen que los métodos de confiabilidad para equipos no reparables (HPP)

que tradicionalmente se usan, como la distribución de Weibull, no son apropiados para los

sistema reparables y han sugeridos ampliar el modelo a través del modelo de proceso no

homogéneo de Poisson (NHPP) [8]; [9].

21

Técnicas de Análisis de tendencias

Hay diferentes métodos para analizar la data de fallas, estos son estadístico, probabilístico y

determinista. Para presentar un modelo fácil a los ingenieros de campo, se usará el modelo

propuesto por Álvarez [10]. El autor primero utiliza los métodos estadísticos para la existencia

de una tendencia en el histórico de datos.

Cuando se analizan los datos de fallas de una planta, el punto de vista estocástico determina si

el proceso tiene una tendencia o no. Las fallas parciales seguidas por trabajos de reparación

imperfectos, el deterioro de partes de un componente y el envejeciendo son fuentes

importantes de tendencias en los datos de fallas. La existencia de una tendencia en los datos

indica que las fallas siguientes no son independientes entre sí y por lo tanto, los valores de

intervalos de tiempo no son distribuidos de manera uniforme.

Para determinar si los datos de fallas tienen una tendencia y siguen al NHPP o al HPP, se

utilizará la prueba del Centroide o de Laplace [11]. Éste consiste en determinar el parámetro

U, tal que:

(3.3)

Donde: ti intervalo de tiempo i to intervalo de tiempo total n número de eventos.

La variable U, se aproxima a una distribución normal. Donde to, es la longitud del tiempo

durante la cual las fallas son observada, n es el número total de los eventos o fallas

observadas, y ti son los tiempos entre fallas sucesivas. La prueba de Centroide [11] es válida

para determinar tendencias en grupos de datos donde n > 3 y:

• si U = 0, no hay evidencia de tendencia y se asume el patrón HPP.

• si U > 0 la tendencia es evidentemente creciente y puede asumirse NHPP.

nto

ton

ti

U

n

i

121

21 −

=

∑=

22

• si U < 0 la tendencia es evidentemente decreciente y puede asumirse NHPP.

Cuando los ingenieros analizan la historia de fallas de un equipo, evalúan el total de la data sin

hacer diferencia entre los elementos de ese equipo. En el presente trabajo, los datos son

procesados utilizando gráficos de Pareto, para tener el número de elementos que causan fallas,

este proceso nos da un grupo de cinco o seis elementos culpables de las paradas. La tendencia

de cada elemento será evaluada por separado, y los resultados obtenidos se corregirán usando

opinión de expertos (a través del uso de motores de inferencia o lógica difusa) de manera de

predecir la ocurrencia de la próxima falla de cada elemento y cuántas fallas tendrá en un

período en particular.

Figura 3.1. Modelo de predicción de fallas sin corrección.

Para el modelo propuesto se construirá una matriz F, de 6 vectores y n elementos, donde n es

el número de fallas de cada elemento, de modo que F(i,j), significa la falla i del elemento j.

Figura 3.2. Proceso de generación de los valores de corrección de los tiempos de fallas.

23

En la figura 10, podemos observar el motor de inferencia utilizado, donde se proponen como

funciones de membresía, los siguientes elementos:

Figura 3.3. Motor de inferencia utilizado.

Las funciones de membresía propuestas las podemos describir de la siguiente manera:

Ambiente: cuanto afecta el ambiente a la operación del equipo. Se propone evaluar

equipos similares en locaciones distintas.

Operación: se refiere al régimen de operación al que trabaja el equipo. Se propone

evaluar el mismo equipo a diferentes tasa de producción.

Material: se refiere a la calidad de materiales y repuestos utilizados.

Edad: se refiere al tiempo de uso del equipo. Se propone evaluar equipos que ya han

consumido su periodo de vida útil, con varios reparaciones mayores en su haber, para

evaluar su comportamiento entre mantenimientos mayores. Es la única función de

membresía evaluada hasta el momento en la presente investigación.

Cada función de membresía tendrá 3 posibles valores, lo que resultará en: 34=81 reglas,

pudiéndose aumentar estas al evaluar un mayor numero de funciones de membresía.

24

Figura 3.4. Motor de inferencia, se pueden observar las cuatro funciones de membresía, la función de salida o peso y un grupo de las reglas generadas.

Al graficar la data conseguida, se observa la distribución de la misma en grupos con una

pendiente similar, a continuación en la figura 3.5, tenemos un ejemplo de lo comentado.

Figura 3.5. Ejemplo de datos de un activo afectado por la edad. Se representan fallas acumuladas contra tiempo.

Estas tendencias a trazos son aproximadamente lineales, con pendientes entre 30 y 60 grados.

Este dato gráfico es utilizado para proponer el peso de la función de membresía EDAD entre

1.0 y 1.3, como una primera aproximación.

25

La metodología propuesta incluye la evaluación de expertos en aspectos no cuantificables de

la predicción de fallas, como lo son impacto de ambiente, edad de equipos entre otros. Se

propone modelo de evaluación de fallas, que combina la predicción del número esperado de

fallas con la opinión de expertos a través del uso de lógica difusa.

El siguiente paso fue realizar visitas a una planta de PDVSA donde se encontraran en

operación compresores reciprocantes. La planta visitada fue el Complejo Refinador Paraguaná

(CRP). En esta etapa de la reforma catalítica se producen cantidades importantes de hidrógeno

en forma gaseosa. Este hidrógeno es reinyectado a las etapas iniciales del proceso, para lo

cual es necesaria la elevación de presión. En el siguiente esquema se puede apreciar un

proceso de reforma catalítica.

Figura 3.6. Esquema simplificado de un proceso de reforma catalítica. Fuente Osha 1996.

El sistema compresor estaba conformado por cuatro compresores reciprocantes de dos etapas

de compresión y seis cilindros, marca Tomasen International. Tres de estos compresores

comenzaron operación entre mayo y julio del año 1996, el cuarto comenzó operaciones en

enero del año 1997. A partir de ese momento han operado en un esquema de tres activos (K-

26

302A, K-302B y K-302D) y uno de respaldo (K-302C). De los registros de mantenimiento de

estos activos, se extrajeron los históricos de las actividades de mantenimiento realizadas desde

su puesta en marcha hasta el año 2002. Estos registros fueron cotejados con entrevistas al

personal que realizó dicho mantenimiento, para lograr una mejor descripción de la falla

presentada y del proceso de reparación de la misma. A continuación se puede apreciar un

registro histórico para el compresor K-302D.

Tabla 3.2.. Registro histórico par el compresor K-302D.

TIPO DE FALLA DESDE HASTA TIEMPO PARADA COMENTARIOS

Golpeteo válvula de succión de alta presión 18/06/1996 20/06/1996 48,00 Suciedad

Mantenimiento Programado 09/04/1997 15/04/1997 144,00

Semestral, Gasolina en válvula de succión de baja

ruido interno, alta temperatura en cilindro de baja presión

28/08/1997 03/09/1997 144,00

Alta temperatura en cilindro N° 5

13/10/1997 13:30

14/10/1997 10:00 20,50

Corrosión en espárragos de tapa válvulas

02/12/1997 16/12/1997 336,00 Corrosión avanzada

Alta temperatura en cilindros de 2da etapa 06/01/2000 07/01/2000 24,00 Asientos de descanso

rotos Mantenimiento programado 21/03/2000 24/04/2000 816,00 Anual

Ruido y alta temperatura en cilindros de 1re y 2da etapa

11/02/2002 25/02/2002 336,00 Platos asientos de descarga rotos en ambas etapas

Alta temperatura en cilindros 2 y 4 de alta presión

27/06/2002 28/06/2002 24,00

Anual, Resortes de platos de asientos rotos en varias valvulas, se instalaron juego de válvulas en cilindros 2 y 4 con nueva metalurgia (NIMONY).

Ruido y alta temperatura en cilindro 6 de 2da etapa 18/09/2002 19/09/2002 24,00

Resortes y asientos rotos en válvula de descarga

27

Los registros restantes se reportan en anexo Nº 2.

Utilizando los datos de tiempos de ocurrencia de falla, tiempo de parada y cantidad de fallas,

se realizó un diagrama de Pareto que se muestra a continuación.

Grafico 3.1. Diagrama de Pareto, Sistema de compresores reciprocantes y componentes

reportados que causan paradas no previstas.

Sistema de Compresores Reciprocantes y Componentes Reportados que Causan

Paradas no Previstas

46

15 13 137 7

0

25

50

Vál

vula

s

Ani

llos

Proc

eso

Em

paqu

etad

uras

Rid

er B

ands

Otr

os

Causante de Falla

% O

curr

enci

a

Del Pareto se puede apreciar que cinco elementos son causantes del 93 % de las fallas

reportadas.

3.2.2 Análisis de Modos y Efectos de Falla.

Aplicación:

Confiabilidad del sistema de compresión de la Planta de Reforma Catalítica.

28

Descripción del Problema:

Un análisis de criticidad realizado durante el año 2002 ubico el sistema de compresión de la

planta de reforma catalítica entre los 10 equipos mas problemáticos de la refinería.

Objetivo de la aplicación:

La presente aplicación tiene como objetivo principal el aumento de la confiabilidad de los

equipos asociados al sistema de compresión de la Planta de Reforma Catalítica.

Metodología Utilizada:

Análisis de Modos y Efectos de Fallas (AMEF).

3.2.3 Descripción de la metodología:

Con la finalidad de aumentar la confiabilidad de los equipos del sistema de compresión de la

Planta de Reforma Catalítica. se propuso la utilización de la metodología conocida como

Análisis de Efectos y Modos de Fallas (AMEF). El objetivo de esta metodología es determinar

que fallas están realmente ocurriendo en la planta, y cual es su impacto y frecuencia.

A continuación de hace una descripción de los pasos a seguir para llevar a cabo esta

aplicación:

PASO 1: Preparación para el análisis.

Antes de comenzar el análisis es importante realizar ciertos trabajos preliminares.

Definición de “FALLA”:

Una vez seleccionado el sistema a estudiar, el equipo de trabajo deberá definir que eventos

representan una “FALLA” de este sistema.

Para el sistema de compresión de la Planta de Reforma Catalítica, se definió falla como:

29

Cualquier desviación que ocasione disminución en la capacidad para comprimir el gas,

parcial o totalmente.

Diagrama Funcional:

Una vez definida la “FALLA” se deberá proceder a elaborar el diagrama funcional del

sistema.

Para el sistema de compresión se definió el diagrama mostrado en la Figura Nº 2, que a

continuación se repite.

Figura 3.7. Diagrama Funcional Sistema de Compresion de Hidrógeno.

Análisis de Oportunidades:

Antes de comenzar el AMEF, se debe realizar un análisis de la situación actual del sistema y

compararla con la situación deseada. De esta manera se obtendrán los potenciales incentivos

economicos en el sistema seleccionado.

En la tabla 3.2 se puede observar el tiempo perdido, en el sistema de compresión de

hidrógeno.

CompresorUnidad Motora

Caja de Engranaje

postenfriador

Lubricación

InterenfriadorGas de entrada

Instrumentación Alarmas

Válvula de succión

Válvula de descarga

Válvula de reciclaje

Limites de sistema

30

Tabla 3.3. Tiempo perdido por equipo.

COMPRESOR TIEMPO ACUMULADO DE FALLAS POR COMPRESOR

K-302A 7859 K-302B 1973 K-302C 2544 K-302D 1916 Total 14292 Promedio Anual 2382

PASO 2: Recolección de información

Existen dos formas de recolectar información para el análisis, una es a través del registro

histórico de eventos (Bases de datos) y el otro es por medio de entrevistas a las personas que

están cerca del proceso (operadores y mantenedores).

En presente caso se decidió trabajar combinando ambas metodologías.

PASO 3: Filtrar y formatear

En este paso se realiza el diagrama de Pareto para jerarquizar las fallas por su tasa de

ocurrencia.. Una vez terminado este proceso se procederá a transcribir la información en los

formatos Propuestos en el parágrafo 2.8. Ver los formatos elaborados en las tablas a

continuación.

PASO 4: Calculo de Pérdidas

En este paso simplemente la atención se centra en el cálculo del impacto total que tiene cada

uno de los modos de falla (Ver ultima columna de la Tabla 2). Es importante hacer notar que

las unidades del “impacto total” deben ser seleccionadas de manera que representen de la

mejor manera la pérdida en que se esta incurriendo.

En el presente caso el monto gastado durante el año 2002 en el mantenimiento del sistema

compresor totalizó 912 000 000.00 Bs. (calculado a 500 Bs./$ se traduce en US$

1824000.00.). En este cálculo se incluyen costos de repuestos y costos de horas hombres, no

se evalúa el aspecto impacto sobre la producción por no haber tenido acceso a este dato.

16

Tabla 3.4. Metodología AMEF: Hoja de información del sistema de compresión de H2

FUNCIÓN FALLA FUNCIONAL MODO DE FALLA FRECUENCIA

FALLAS/HORAS

Subsistema Compresor Reciprocante

Compresor reciprocante en servicio en planta de reforma catalítica

No ser capaz de comprimir el gas (total o parcial)

Falla eléctrica (evento externo) No reportado

Falla suministro de gas combustible No reportado Falla (fuga) la línea de succión (1) de planta.

No reportado

Falla (fuga) la línea de descarga(2) de planta.

No reportado

Fuga en línea gas combustible No reportado Daños en las válvulas de los cilindros compresores(asiento, disco, resorte)

6,24916E-05

Rider Bands 5,95158E-06 Descargadores 2,97579E-06 Empaquetaduras 1,19032E-05 Problemas de Proceso 1,19032E-05 Falla en los anillos del pistón cilindro compresor

1,19032E-05

Sistema de Lubricación de Cilindros

0

Instrumentación 0

Otros 2,97579E-06

16

Tabla 3.5. Metodología AMEF: Hoja de Fallas sistema compresión de Hidrógeno.

COMPRESOR RECIPROCANTE

FUNCIÓN Comprimir gas hidrógeno proveniente de planta de proceso catalítico.

COMPONENTE FALLA FUNCIONAL MODO DE FALLA

FUENTE DE LA FALLA

Cuerpo de válvulas Ruido Asiento Roto Fatiga Estrés Ensuciamiento Empacaduras rotas Fatiga Estrés Ensuciamiento Resortes rotos Fatiga Estrés Alta Temperatura Asiento Roto Fatiga Estrés Ensuciamiento Empacaduras rotas Fatiga Estrés Ensuciamiento Resortes rotos Fatiga Estrés Ensuciamiento

oxido en tapa válvulas

Desgaste en tornillos Corrosión

Baja eficiencia Asientos rotos en

Válvula de descarga Fatiga Estrés Ensuciamiento

Fuga en Válvulas Asiento roto Válvula

de Succión Fatiga Estrés

Rider bands Rider en malas condiciones

Daños en canales de Rider Sucio

Descargador Fuga Accionamiento del

descargador Dañado Estrés

Cilindro Ruido y alta Temperatura

Cilindro Agrietado Estrés

33

Tabla 3.6. Metodología AMEF: ACR parcial del sistema compresión de Hidrógeno

MODOS DE FALLA

MECANISMO RAZÓN CAUSA RAÍZ

Asiento Roto Fatiga Fatiga por impacto causada por repetidos golpes entre la protección y asientos, Corrosión.

Altas velocidades, presencia de líquido

Estrés causado por una variante presión

diferencial sobre el elemento. Presencia de líquido

Ensuciamiento Contaminantes provenientes del

Proceso suciedad

Empacaduras rotas

Fatiga Fatiga por impacto causada por repetidos impactos en la protección, asientos, corrosión.

Altas velocidades, presencia de líquido

Estrés Causado por una variante presión

diferencial sobre el elemento. Presencia de líquido

Ensuciamiento Contaminantes provenientes del

Proceso suciedad

Resortes rotos

Fatiga Fatiga por impacto causada por repetidos impactos en la protección, asientos, corrosión.

Dinámica de los resortes difíciles de controlar.

Estrés Causado por una variante presión diferencial sobre el elemento.

Composición metálica del resorte no adecuada

Asiento Roto Fatiga Contaminantes provenientes del Proceso

Altas velocidades, presencia de líquido

Estrés Fatiga causada por una variante presión diferencial sobre el elemento.

Presencia de líquido

Ensuciamiento Contaminantes provenientes del

Proceso suciedad

Empacaduras rotas

Fatiga Fatiga por impacto causada por repetidos impactos en la protección, asientos, corrosión.

Altas velocidades, presencia de líquido

34

La culminación del proceso exige la emisión de un reporte, recomendación de tareas en cada

tipo de mantenimiento e inspección del sistema de compresión de hidrógeno. Por ultimo, se

deberán definir equipos de trabajo que elaboraran los Análisis Causa Raíz de cada uno de los

problemas cuyas soluciones no estén claramente definidas. Posteriormente al ACR se deberá

verificar que las tareas, derivadas de este análisis, pasen a formar parte de los planes

preventivos respectivos.

Es de hacer notar que la causa raíz de los modos de fallas que mayores tiempos de parada

ocasionaron, es una relación entre altas velocidades y presencia de liquido en el cilindro del

compresor. Esto apunta a un estudio del régimen de operación del compresor, ya que tal vez se

este operando a velocidades por encima de las que puede operar este equipo bajo las presentes

condiciones de trabajo.

La segunda causa raíz presentada es de mayor impacto, ya que la presencia de líquido en el

proceso (gasolinas y olefinas), son las causantes de los aumentos de los esfuerzos recibidos

por válvulas, pistones y anillos, con su consecuente rotura. Este trabajo preliminar recomienda

la realización de un estudio para retirar o eliminar los líquidos presentes en el proceso de

compresión, antes que estos ingresen a el. Una posible solución seria la implementación de

filtros separadores de líquido en la línea de alimentación de la planta de compresión de H2.

3.3 Análisis de Costo de Ciclo de Vida.

En la elaboración de este análisis se utilizó una hoja de calculo de uso libre, elaborada por

Barringer & Asociados [3].

Dos escenarios, por petición del departamento de mantenimiento de CRP, serán evaluados:

1. Continuar como hasta ahora. En este escenario se propone continuar realizando el

mantenimiento correctivo que se realizaba hasta ahora, colocando como repuestos y

partes las recomendadas en el manual de servicio del equipo.

2. Proponer el cambio de la metalurgia de todas las válvulas. Debido al desarrollo de

nuevos materiales, existen en el mercado válvulas con nuevos materiales que ofrecen

mayor resistencia a esfuerzos e impactos, lo que de manera teórica promete alargar el

tiempo en operación de las válvulas.

35

Durante la investigación no se permitió el acceso a los archivos, ni a datos del proyecto inicial

de la planta compresora. Por lo cual los datos reflejados de costos fueron obtenidos a través de

entrevistas con el personal de mantenimiento, un extracto del proyecto de mantenimiento

2003: “Equipos de propósito especial Cardón” y fotocopias de las hojas de reporte del

departamento de compras. Esto puede ser visto en el anexo N° 4.

Se solicitó expresamente que se utilizará la divisa dólares americanos (US$) para la

realización de los cálculos del costo de ciclo de vida.

Para el Primer Caso los costos asociados serán:

Costos de instalación US$ 4000000

Costos de operación ( año 2002) US$ 1824000

Costos de mantenimiento, programado y no programado.

Costos de operación de las instalaciones.

Costos de depreciación del equipo, se asume una tasa de descuento lineal a 20 años

Ahorros US$ 100000

Tabla 3.7. Resumen de aplicación de análisis de costos de ciclo de vida, caso uno.

Para el Segundo Caso los costos asociados serán:

Costos de instalación US$ 4000000

Costos de operación (año 2002) US$ 1824000

Costos de mantenimiento, programado y no programado.

Costos de operación de las instalaciones.

36

Costos de depreciación del equipo, se asume una tasa de descuento lineal a 20 años

Ahorros US$ 100000

Tabla 3.8. Resumen de aplicación de análisis de costos de ciclo de vida, caso dos.

Aunque en ninguno de los dos casos se tomaron en cuenta los costos asociados al impacto por

dejar de producir, al comparar los resultados es mejor la segunda opción por dar un valor

presente neto positivo.

No se reporta ninguna de las opciones como recomendadas, debido a la poca certeza de los

datos obtenidos (entrevistas no corroboradas con data escrita), no poder incluir el impacto por

dejar de producir y al hecho de que la tasa interna de retorno obtenida era menor a la utilizada

de manera estándar en PDVSA (TIR estándar PDVSA 10%)

CAPÍTULO IV

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1 Conclusiones

1. El análisis AMEF realizado arroja altas velocidades y presencia de líquidos como

las causas raíz de los modos de fallas de mayor impacto en los compresores de la

planta compresora de hidrógeno de CRP.

2. Evaluar el proceso aguas arriba del hidrogeno para identificar las condiciones fuera

de diseño las cuales pueden redundar en prevención de formación de líquidos y

acarreo de partículas en la corriente de gas.

3. Evaluar utilización de monitoreo de condición pata detección temprana de fallas.

4. Solo uno de los compresores de la instalación evaluada estaba dentro de los

parámetros internacionales para este tipo de instalación.

5. Las medidas de sustitución de la metalurgia de las válvulas del compresor, no

resuelven la causa raíz de las fallas presentadas.

6. Se propone una metodología de evaluación de equipos industriales en cinco etapas

o fases, basados en la evaluación de equipos, modelaje de confiabilidad y el

cálculo del ciclo de vida del activo.

38

7. Se reportan modelos de modos de falla basados en referencias internacionales.

8. Se propone modelo de evaluación de fallas, que combina la predicción del número

esperado de fallas con la opinión de expertos a través del uso de lógica difusa.

9. La metodología y modelos propuestos incluyen la evaluación de expertos en

aspectos no cuantificables de la predicción de fallas, como lo son impacto de

ambiente, edad de equipos entre otros.

4.2 Recomendaciones

1. Añadir removedores de líquidos o sistemas coalescentes aguas arriba del compresor

para retirar líquidos relacionados con el proceso.

2. Añadir filtros para el gas aguas arriba del compresor para retener cualquier tipo de

impurezas que puedan entrar al cilindro del compresor.

3. Actualizar los anillos del pistón, rider band y empaquetaduras a los no metálicos.

4. Revisar la compatibilidad de los materiales utilizados con la composición del gas

de proceso.

5. Añadir cubierta de carburo de tungsteno a la varilla impulsora del pistón.

6. Abrir línea de investigación en el área de modelos de confiabilidad, teniendo como

punto de arranque lo reportado en el presente trabajo especial de grado.

BIBLIOGRAFÍA

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National Aeronautics and Space Administrator, Diciembre de 1996.

[2] ISO 14224, INTERNATIONAL STANDARD. Petroleum, petrochemical and natural

gas industries, Collection and exchange of reliability and maintenance data for equipment.

Reference number ISO 14224:2006(E).

[3]. MIL TD-1629A, Procedures for Performing a Failure Mode Effects and Critical

Analysis, November 1998.

[4]. Yañez, M., Gómez, H. y Valbuena, G, 2004. Ingeniería de Confiabilidad y Análisis

Probabilístico de Riesgo. Reliability and Risk Management, S.A. Venezuela.

[5]. Barringer, H. P., Life Cicle Cost Tutorial, Fith International Conference on Process

Plant Reliability. Houston Texas, October 2-4, 1996

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[7]. Skilling, H. Circuitos en Ingeniería Eléctrica, editorial CECSA, México, 1980.

[8]. Stephen, L., Increasing reliability of reciprocating hydrogen compressor. Hydrocarbon

Procesing. Pags 67-74. Enero 1996

32

[9]. Yánez M., et al. (2002). “Mathematical Formulation of the Generalized Renewal

Process for Modeling Failures in Repairable Systems for Performance-Based

Applications”, Reliability Engineering and Systems Safety J., 77

[10] Alvarez A. Maintenance Inspection Intervals Based on Statistical Analisys of Failure

Data. Thesis submitted to the faculty of the Graduated School of The University of

Maryland in partial fulfillment of the requirements for the degre of Master of Science,

Maryland 1999.

[11] Palencia, J. y otros. Aplicación de sistemas expertos en el modelaje de la predicción

de fallas en activos industriales. Fourth LACCEI International, Latin American and

Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCET’2006), “Breaking

Frontiers and Barriers in Engineering: Education, Research and Practice”, 21-23 June

2006, Mayagüez, Puerto Rico.

Anexo 1 Análisis de Modos y Efectos de Falla

ANEXO 2 Proyección de fallas

Representación de Fallas Acumuladas (FACUM) contra Tiempo acumulado de fallas (TACUM) para el compresor 302A.

Representación de Fallas Acumuladas (FACUM) contra Tiempo acumulado de fallas (TACUM) para el compresor 302B.

ANEXO 3 Análisis de Costo de Ciclo de Vida

A B Análisis de costo y ciclo de vida para el caso No hacer nada. La imagen A muestra del año inicial hasta el año 8, la imagen B del año 9 al año 20.

A B Análisis de costo y ciclo de vida para el caso Cambiar Válvulas. La imágen A muestra del año inicial hasta el año 8, la imágen B del año 9 al año 20.

ANEXO 4. Informe Proyecto de Mantenimiento Año 2003

Equipos de Propósito Especial Cardón.