TRATAMIENTO ANA LÍTICO DEL MANTENIMIENTO MANTENIMIENTO CONDICIONAL CONDICIONAL (PREDICTIVO Y PROACTIVO) Por el Ing. Aeronáutico Alejandro J. Pistarelli Pistarelli - Argentina Argentina Especialista en Ingeniería de Mantenimiento Autor del Libro: Manual de Mantenimiento. Ingeniería, Gestión y Organización. ISBN: 978-987-05-8420-9
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1° Parte Se sabe que los programas de Mantenimiento Preventivo proponen realizar, de manera sistemática, acciones de restauración o reemplazo periódico. Sin desconocer las ventajas asociadas a dichas tareas preventivas, que por cierto son muchas, en algunas ocasiones un Mantenimiento Preventivo deliberado hace perder efectividad pues no es sencillo determinar con exactitud en todos los casos, la vida útil de los elementos cuando actúan en su contexto particular de funcionamiento. Además, la dispersión de los fallos suele ser alta y las bases de datos generalmente incompletas. El patrón de fallas que rige al Mantenimiento Preventivo (curva de la bañera), y que sirve para fijar el intervalo entre tareas, se obtiene de una muestra de elementos iguales pero actuando en contextos operativos diferentes. Esto ocasiona que muchos elementos sean reparados o reemplazados antes de llegar a su máximo aprovechamiento. Además, y de estar vigentes programas de mantenimiento preventivo tendientes a evitar fallas imprevistas, queda la incógnita de cuánto habrían durado los componentes sustituidos, si no se hubiese aplicado el plan. Podría proponerse un estudio estadístico más ajustado, permitiendo que los elementos funcionen en su propio contexto hasta la falla catastrófica y evaluar, entonces, la vida particular de cada uno. Sin embargo, hay procesos demasiado riesgosos como para esperar el resultado de este tipo de ensayos. Por su lado, y como se describe en este artículo, el Mantenimiento Condicional sugiere un plan de inspecciones basado en el monitoreo del estado de funcionamiento de las partes del equipo (o alguna de sus variables de proceso) para aprovechar al máximo su vida de funcionamiento normal y aceptada, antes de intervenirlo o retirarlo de servicio. Resulta interesante, entonces, plantear alternativas como las que propone el Mantenimiento Condicional (expresión más general del Mantenimiento Predictivo y del Proactivo). Con una tarea de Mantenimiento Condic ional se mide el deterioro progresivo de cada equipo (o los síntomas prematuros de los defectos de sus partes) sin desarmes mayores, tiempo antes que se produzca la detención súbita e inesperada. Se procura llevar al límite de su utilización la vida remanente de los componentes. La expresión mantenimiento condicional ó a condición se fundamenta en que las partes bajo inspección se dejan en funcionamiento a condición de su estado al momento del chequeo. Si están bien, las dejamos funcionar; si están mal, las reemplazamos o restauramos. Los resultados de controlar parámetros, también llamados de salida, permiten a los responsables de Mantenimiento, definir si es conveniente una acción restaurativa y en qué momento llevarla a cabo. Este sistema de mantenimiento no supone únicamente aplicar tecnologías hoy vigentes. Si así fuese, podría pensarse que existe desde hace muy poco tiempo. En realidad, la predicción de defectos incipientes se utiliza desde los comienzos mismos de la actividad industrial. El hombre tiene tendencia natural a la predicción y algunos sentidos humanos (vista, audición, tacto y olfato) fueron las primeras armas predictivas. El inconveniente radica en que nuestras capacidades humanas son limitadas y subjetivas y, lamentablemente, se llega demasiado tarde sucediendo la pérdida de función total casi consecutivamente al síntoma. Conforme el desarrollo de la electrónica y otras ciencias, y con el advenimiento de nuevos métodos, algunas fallas prematuras pueden descubrirse hoy con mayor antelación y precisión que en el pasado, sin esperar a que acontezca la falla total para luego actuar en consecuencia. No obstante, sigue siendo sumamente poderoso el uso de los sentidos humanos porque puede identificarse una amplia gama de fallos simultáneamente y a muy bajo costo. Las estrategias de diagnóstico basadas en el estado paramétrico, están tomando cada vez más protagonismo en la batalla contra las fallas, por su efectividad, confiabilidad y bajo costo integral. Por cierto, resultará ventajoso en aquellos casos para los que la falla avisa antes de llegar a su total deterioro. Si así sucede, y estamos lo suficientemente atentos (inspeccionando la variable física apropiada en el momento a propiado), podremos seguir la evolución del síntoma minimizando su impacto. Alcan ce y Defi ni ci ón del Mant eni mi ent o Cond ic io nal Un sistema o equipo sometido a un análisis condicional debe encontrarse en funcionamiento, y la ejecución de las inspecciones realizarse en forma periódica. De poco servirá estudiar una muestra
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de aceite de un transformador de potencia que lleva dos años fuera de servicio, o efectuar una termografía infrarroja sobre un tablero desconectado. En general, los parámetros que se miden en el equipo permiten poner de manifiesto sus fallas sintomáticas provocadas por desgaste, defectos o desviación de alguna variable física. Los mayores beneficios de aplicar una técnica condicional se obtienen en equipos vitales para el proceso productivo, o en aquellos cuyas fallas ponen en riesgo la integridad física de las personas o afectan el medio ambiente. En virtud de lo anterior, muchas veces se cae en el error de suponer que sólo porque un sistema es prioritario (alta gravedad por su falla), se justifica la utilización de una estrategia condicional; lamentablemente hay modos de falla que no dan indicio alguno de la falla sintomática. Para aplicar monitoreo condicional debe ser técnicamente posible (tecnología + diagnóstico) identificar la falla sintomática para el modo de falla estudiado. Además, la estrategia tiene que demostrar cierto nivel de confiabilidad en el diagnóstico. El Mantenimiento Condicional persigue poner en evidencia, con la mayor anticipación posible, defectos, desvíos o síntomas de falla (fallas sintomáticas) que se manifiestan sobre las piezas o componentes de los equipos en funcionamiento antes de su falla funcional, con la ayuda de instrumentos o pruebas no destructivas minimizando así el perjuicio sobre el servicio o la producción. Un programa de Mantenimiento Condicional no se limita exclusivamente a tareas de medición, análisis de muestras o captura de datos. Debe incluir el seguimiento permanente de la variable de estudio en el tiempo de operación, debe diagnosticar las causas raíz de falla y predecir con la máxima exactitud el momento oportuno para el reemplazo (vida remanente de seguridad ). Muchos síntomas de avería pueden descubrirse también a través de alteraciones en las propiedades de los productos que el equipo fabrica (controles de calidad ó control estadístico de proceso). Ciertas fallas sintomáticas inciden directamente en las especificaciones de los productos. Este tipo de rutinas son de baja complejidad técnica pero de gran beneficio porque pueden ser ejecutadas por los mismos operadores de la máquina a través de chequeos de inspección dinámica. Dentro de las inspecciones condicionales encontramos al Mantenimiento Predictivo. Suele decirse que una tarea es de mantenimiento predictivo cuando la medición de la variable física es capaz de identificar fallas sintomáticas irreversibles. Si el resultado de medir la variable refleja un estado de anormalidad en el elemento, se impulsa entonces una acción inevitable de reemplazo, restauración o investigación. No se evita el gasto que ocasionan estos trabajos, o los productos rechazados que pudieron haberse generado, pero sí se logra minimizar las consecuencias que la falla repentina ocasionaría. Algunas herramientas utilizadas por el Mantenimiento Predictivo son:
Los sentidos humanos a través de inspecciones Análisis de Vibraciones Termografía Infrarroja Inspección por Ultrasonido Cromatografía de líquidos y gases Emisión acústica Inspección con tintas penetrantes Endoscopia industrial Gammagrafía.
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Algunas de estas técnicas pueden practicarse en forma continua , periódica o discrecional. Nota: El mantenimiento predictivo difiere del proactivo – ambos constituyen el mantenimiento a condición – por el carácter de reversibilidad o irreversibilidad que le confieren a las fallas sintomáticas. En el proactivo, el desvío de la condición normal (falla sintomática) es descubierto con más anticipación que en el predictivo, pudiéndose tomar acciones para desviar la tendencia natural hacia la falla funcional y evitar, en muchos casos, el reemplazo de más elementos. 1
Habitualmente los dispositivos de monitoreo continuo se consideran “protecciones indicativas” y su estrategia de mantenimiento se analiza por separado.
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Mantenimiento Proactivo Resulta interesante ver cómo ciertas técnicas de monitoreo de condición son capaces de identificar fallas sintomáticas en forma muy prematura. Aprovechar la potencia tecnológica para poner de manifiesto anomalías tan anticipadamente, resulta cada vez más conveniente porque minimiza o impide el proceso de transformación de una causa raíz en una falla funcional. El Mantenimiento Proactivo aparece como alternativa de mejora para anticiparse al momento en que una causa raíz de falla puede convertirse en una falla sintomática irreversible. Cabe aclarar que, aunque la estrategia pone de manifiesto síntomas de carácter reversible, no significa que el desarrollo de cualquier causa raíz pueda convertirse en reversible. Algunas tareas realizadas en Mantenimiento Proactivo son de carácter investigativo. Ejemplo 1 El monitoreo del contenido de agua en aceites dieléctricos de transformadores, es una acción proactiva. Una lectura superior, por ejemplo, a 15 ppm de agua disuelta (ASTM D1533) es síntoma de disminución en la rigidez dieléctrica. Cuando la variable supera cierto valor de alarma, podría realizarse una deshidratación y purificación para torcer la tendencia del parámetro desviado (contenido de agua). Así, el síntoma prematuro no culminará en la falla funcional del aceite (y una posible avería grave en el transformador), pudiendo recuperarse. Es muy difícil marcar estrictamente la frontera entre el Mantenimiento Predictivo y el Proactivo. Sin embargo, puede al menos considerarse que si existe una técnica capaz de identificar la falla sintomática en un estado prematuro tal que pueda tomarse alguna acción que evite la sustitución final de otro componente de importancia, se dice que ésta es proactiva. De todas maneras, el Mantenimiento Proactivo puede resultar poco efectivo y muy caro si no se planifica racionalmente y no se cuenta con el nivel de capacitación requerido. Debe enfocarse a equipos cuyos modos de falla provoquen graves consecuencias en el activo, en el proceso productivo o en la seguridad. A continuación se listan algunas herramientas de Mantenimiento Proactivo.
Análisis físico – químico de lubricantes, (oxidación, viscosidad, etc.). Alineación y Balanceo. Estudios de amperaje. Recuento de partículas contaminantes. Verificación de metales y aleaciones. Estudio de condición operativas en lubricantes.
Los factores adversos comúnmente considerados sobre el Mantenimiento Condicional surgen de una evaluación técnica o económica desacertada. Suele referirse al costo que encierran como una desventaja; si la conveniencia económica se justifica, el costo total e integral será menor, aún cuando el valor de su aplicación parezca elevado. La necesidad de contar con personal más capacitado para el diagnóstico o interpretación de resultados, es más una ventaja que un aspecto negativo; dado que se eleva el nivel general de la organización. Hipótesis y Condiciones de aplicación Se mencionó que para aplicar mantenimiento condicional debe ser posible detectar alguna característica (variable) relacionada con el grado de deterioro del elemento. Tómese por caso la figura 1. La misma refiere que el nivel de buen funcionamiento de cierta variable, comienza a decaer en el punto E. A partir de E, el deterioro se hace progresivo hasta culminar en la falla funcional (punto F). No obstante, en raras ocasiones es posible notar el síntoma justo en E. Cuando el estado paramétrico de la variable (deterioro) alcanza cierto valor, se dice que existe una Falla Sintomática (falla incipiente identificable). Cuanto antes pueda detectarse el síntoma (punto S), más largo será el espacio de tiempo entre éste y la falla total de la función, ( ∆tSF en la figura 1). ∆tSF es el intervalo de tiempo durante el cual la falla advierte de su existencia. Para detectarla, el intervalo entre cada inspección debe ser, por cierto, menor que ∆tSF. El periodo ∆tSF define la fase final de la vida de un elemento; nada nos dice sobre su confiabilidad ni sobre el tiempo que vivió
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saludablemente con anterioridad. En adelante, la unidad adop tada para los intervalos, es el tiempo; sin embargo, caben las mismas consideraciones para cualquier otra magnitud como horas de marcha, kilómetros, volumen de producción, ciclos, etc. Un intervalo ∆tSF amplio permite hacer los chequeos con menor frecuencia y/o que haya más tiempo para tomar la acción contingente que evite la consecuencia final. Por tal motivo, se realizan grandes esfuerzos en establecer las condiciones físicas de una falla sintomática y desarrollar la técnica de detección temprana que permita un intervalo ∆tSF extenso. Nótese que un intervalo extenso hace que el punto S se acerque al punto E, siendo que el punto “móvil” es S y no E.
Estado paramétrico
Punto de quiebre en el estado
Estado paramétrico del componente
Síntoma identificable (Falla Sintomática)
E S
∆Es ∆TNormal Intervalo de tiempo no siempre conocido durante el cual la variable de estado toma valores normales.
Intervalo en que el síntoma no puede ser identificado.
Avería total del componente (Falla Funcional)
F ∆tSF
Tiempo
Intervalo de vida residual desde la posible identificación del síntoma hasta la avería completa.
Figura 1 Curva de estado paramétrico e intervalo ∆t SF.
La curva de la figura 1 muestra el estado paramétrico (grado de deterioro) de una condición física o variable. La magnitud medida, intrínseca al elemento, debe demostrar una relación directa entre los valores que adopta y el grado de deterioro. El nivel vibratorio de una máquina rotante, la temperatura de un motor eléctrico o la concentración de ácido disuelto en un aceite; son ejemplos de variables mensurables y relacionadas con la degradación del componente o del equipo al que pertenece. S se denomina falla sintomática y su empeoramiento total hasta allí es ∆ES. Si bien el empeoramiento aparece como decreciente a partir de E, éste puede obedecer al crecimiento de alguna magnitud física (temperatura, vibración, ruido, concentración de agua, etc.). El deterioro se considera decreciente, independientemente del comportamiento de la magnitud que se evalúa. La transición entre los puntos E y F no necesariamente adopta siempre la forma indicada en la figura anterior; la ley de degradación a partir de E puede ser cualquier otra, aún lineal. Para describir el deterioro paramétrico en función del tiempo, se acepta la siguiente expresión:
E = En – α .t β
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En representa el valor nominal de buen funcionamiento, α la intensidad y β su ley de variación. Cuando se registran alteraciones en la magnitud medida, se produce una disminución en el estado paramétrico E. Si β=1, se tiene una función lineal a partir de E en la variación del estado, como describe la figura 2. Conforme aumenta el parámetro de forma ( β > 1), el decaimiento se comporta según la figura 1. El signo menos en el parámetro α ratifica el concepto de deterioro; aunque la degradación de la variable pueda manifestarse aún por el aumento de su magnitud. Resulta evidente, entonces, que el intervalo ∆tSF depende tanto de α como de β; a medida que estos aumentan en valor absoluto, más repentino será el deterioro y menor el ∆tSF. Es imposible contar con la ley de variación para todas las magnitudes físicas y para todos los elementos. No sólo por la cantidad de parámetros existentes (infinitos valores para α y β), sino, además, porque cada uno adoptará distintas formas de acuerdo al contexto operativo en el que
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trabaja el equipo. Esto obliga, en principio, a establecer un intervalo ∆tSF particular para cada caso. Algunos especialistas en Ingeniería de Mantenimiento cuentan con buenas aproximaciones para equipos prioritarios. La experiencia y práctica sistemática del mantenimiento condicional, logran aproximaciones bastante confiables para el intervalo ∆tSF.
Estado paramétrico
Estado paramétrico del componente
Punto de quiebre en el estado
E
En
Síntoma identificable (Falla Sintomática)
∆TNormal
∆ES
Intervalo de tiempo no siempre conocido durante el cual la variable de estado toma valores normales.
S Avería total del componente (Falla Funcional)
F ∆tSF
Intervalo en que el síntoma no puede ser identificado.
Tiempo
Intervalo de vida residual desde la posible identificación del síntoma hasta la avería completa.
Figura 2 Decaimiento lineal del estado paramétrico e intervalo ∆t SF.
Aunque el comportamiento paramétrico de la variable adopta cualquier forma en función de los parámetros α y β, en adelante se utiliza la curva de la figura 1. Un deterioro lineal a partir de E, se vincula más con fallas sintomáticas relacionadas con la edad; mientras que un deterioro acelerado (β>1) guarda más relación con fallas sintomáticas del tipo aleatorias ( ∆Tnormal inconsistente). La situación nos obliga a establecer qué grado de deterioro debe tener el parámetro para que pueda ser identificado. El punto S, y por consiguiente el tamaño de ∆tSF, dependerá del parámetro a controlar y de la metodología utilizada. En la figura, S puede representar alguno de los siguientes síntomas:
Daño incipiente en un rodamiento. Zonas calientes en el refractario de un horno. Fisuras o grietas que indican la fatiga de un material. Presencia de metales en el aceite de una máquina. Contaminación con agua en un aceite lubricante. Puntos calientes en un circuito o en un tendido eléctrico. Grado de oxidación de un aceite, etc.
Si el intervalo de estado normal ∆TNormal (figura 1) fuese siempre conocido y de elevada repetibilidad, tal vez podría resultar más conveniente aplicar un reemplazo o restauración sistemática (Mantenimiento Preventivo); por el contrario si la dispersión de los ∆TNormal es alta (ley de distribución exponencial para la falla sintomática), podría ser útil una inspección condicional a intervalos fijos (tPR) siempre y cuando se cumplan las condiciones enumeradas a continuación. Es importante resaltar el concepto anterior dado que, si b ien puede ser posible encontrar a lguna tarea a condición aplicable a la situación estudiada, no necesariamente el intervalo ∆tSF cumpla con las condiciones necesarias. Si así fuese, la técnica perdería validez. En el esquema de la figura 3 se resumen las condiciones que debe satisfacer el intervalo ∆tSF para que sea posible (técnicamente) una tarea condicional. Desde luego, se deberá lograr también una validación económica (siempre que la consecuencia de la falla funcional sea sólo económica) para optar por su aplicación.
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La falla sintomática en S se manifiesta de tal manera que puede ser identificada. La tarea o técnica seleccionada, seleccionada, es es capaz capaz de de identificarla en la mayoría de los casos. c asos.
Condiciones a satisfacer por el intervalo ∆tSF
Debe existir la certeza que S constituye una falla sintomática. El tamaño de ∆t SF debe ser suficiente como para poder tomar alguna medida previa a la falla funcional. Debe existir baja dispersión en el tamaño del intervalo ∆t SF para todas las veces que ocurre S.
Figura 3 Condiciones a satisfacer por el intervalo ∆t SF para que sea técnicamente útil.
La fijación del punto S en la curva de deterioro es vital para estimar el intervalo ∆tSF. La manifestación de la falla sintomática sucede en forma progresiva sobre la curva y va tomando diferentes estados hasta llegar a la falla funcional. Es por ello que S no siempre es la causa raíz de falla, sino un síntoma del estado de gravedad del componente en cada momento. Una causa raíz evoluciona a lo largo del tiempo y, durante su desarrollo, puede presentarse en distintos estados, lo que obliga a utilizar diferentes técnicas de inspección. Ejemplo 2 El eje de una turbina de secado se encuentra montado con rodamientos de alta velocidad serie 6208. La lubricación se logra por medio de un sistema forzado de bombeo y la evolución de la falla sintomática (y su detección), en el conjunto rodamientos más lubricante, podría transcurrir de la siguiente forma. En primer lugar puede aparecer contaminación con partículas en el lubricante, falla sintomática reversible e identificable con conteo de partículas (ISO 4406); además, se debería disparar una tarea de investigación para evidenciar la fuente u origen de la contaminación (causa raíz). La posible solución consistiría en filtrar el aceite y evitar el ingreso definitivamente. De no actuarse a tiempo, y como consecuencia de la contaminación, se manifestará alguna falla incipiente en los rodamientos (falla irreversible para el rodamiento), lo que podría detectarse a través de un análisis de vibraciones. Si el deterioro avanza aún más, la termografía infrarroja tal vez acusaría un incremento en la temperatura fuera de lo normal (en la medida que sea físicamente posible efectuarla). Finalmente, y cerca del colapso, el daño provocado en los rodamientos emitiría un ruido detectable por el oído humano. Finalmente, el posible colapso del sistema. Obsérvese que la causa raíz de falla evoluciona manifestando distintos estados y, en función de su gravedad y estado de avance, pueden aplicarse distintas técnicas de chequeo. Este ejemplo es sólo ilustrativo y en ningún caso debe tomarse como aplicable a la realidad. Algunas herramientas condicionales permiten intervalos ∆tSF más prolongados, pudiendo disminuirse la cantidad de inspecciones. Muchas veces esto justifica la aplicación de un técnica por sobre otra y se cuenta con más tiempo para programar los trabajos de restauración o recambio. Pero quizás el factor más importante para intervalos extensos es que la falla sintomática puede pasar de irreversible a reversible; con los beneficios económicos que esto implica. Cuanto más alto y a la izquierda se encuentre S en la curva, habrá menores desviaciones respecto a la condición normal ( ∆ES pequeño), especialmente si en las primeras fases el deterioro no es lineal. Cuanto más pequeña sea la desviación, más sensible debe ser la técnica de monitoreo condicional. Frecuencia de las Tareas Condicionales Una acción de mantenimiento condicional puede obedecer a tres tipos distintos de monitoreo; dependiendo del equipo, sistema productivo, falla sintomática o contexto operativo.
Periódico.
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Discrecional.
Continuo.
Continuará…
Bibliografía Manual de Mantenimiento. Ingeniería, Gestión y Organización – Alejandro J. Pistarelli Mantenimiento Industrial. Organización, Gestión y Control . Raimundo H. González. RCMII Mantenimiento Centrado en Confiabilidad . John Moubray. Seminario de Mantenimiento Proactivo y Análisis de Aceites, Ing. Esteba. Lantos. Noria – Laboratorio Dr. Lantos, Buenos Aires – Argentina. Norma SAE JA1011 “Evaluation Criteria for Reliability-Centered Maintenance (RCM) Processes”. Norma SAE JA1012 “A Guide to Reliability-Centered Maintenance (RCM)”. Norma MIL-STD 2173 (AS) Reliability – Centered Maintenance Requirements for Naval Aircraft, Weapons Systems and Support Equipment .
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