CAPÍTULO 1: FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE
1.2. FUNDAMENTOS DEL MANTENIMIENTO
1.2.5. Índices de mantenimiento
Como se ha indicado en el apartado 1.2.2 uno de los objetivos del mantenimiento es asegurar la disponibilidad de los elementos, siendo por tanto la disponibilidad el indicador técnico de mantenimiento más importante.
En la normativa UNE-EN 13306-2011, que aborda la terminología del mantenimiento, define la disponibilidad como “la aptitud de un elemento para encontrase en un estado en que pueda realizar su función, cuándo y cómo se requiera, bajo condiciones dadas, asumiendo que se dispone de los recursos externos necesarios” (AENOR, 2011).
Esta aptitud depende de la combinación de aspectos de fiabilidad, mantenibilidad y recuperabilidad de un elemento y de la capacidad logística del mantenimiento, que pasamos a continuación a definir.
1.2.5.1. Fiabilidad
La misma norma UNE-EN 13306-2011, define la fiabilidad como “la aptitud de un elemento de realizar una función requerida bajo unas condiciones determinadas durante un intervalo de tiempo dado”.
Mediante el concepto de fiabilidad y el uso de la teoría de la probabilidad podemos predecir la posibilidad de fallo. Para ello se utilizan las siguientes funciones relativas a la fiabilidad (Boucly, 1999):
• Función de fiabilidad 𝑅(𝑡)
La función de fiabilidad 𝑅(𝑡) representa la probabilidad de supervivencia (estado de no fallo) de un elemento a lo largo del tiempo 𝑡 (s).
• Densidad de probabilidad de fallos 𝑓 𝑡
La densidad de probabilidad de fallos 𝑓 𝑡 es la probabilidad de fallos por unidad de tiempo en el período 𝑡, definiéndose su relación con la fiabilidad mediante la ecuación 23 (Crespo Márquez et al., 2004):
𝑓 𝑡 𝑑𝑡
!
! = 1−𝑅(𝑡) (23)
• Tasa de fallos 𝜆 𝑡
La tasa de fallos la podemos definir como la probabilidad de fallo de los elementos que permanecen en un estado de no fallo durante un tiempo 𝑡. Por lo que se representa mediante la ecuación 24:
𝜆 𝑡 = !(!(!!)) (24)
Además con las ecuaciones 23 y 24 se obtiene la relación directa entre la tasa de fallos y la fiabilidad mediante la ecuación 25:
𝑅 𝑡 = 𝑒! !!! !!" (25)
Se define además el valor medio de los tiempos entre fallos como Mean Time Between Failure (MTBF), siendo la inversa de la tasa de fallos, como se muestra en la ecuación 26.
𝑀𝑇𝐵𝐹= !
La evolución de la tasa de fallos con el tiempo nos aporta una información muy valiosa sobre los fallos de los elementos y que debemos tener en cuenta:
o Cuando los elementos presentan elevadas tasas de fallo en su puesta en marcha nos indica la posibilidad de problemas relacionados con fabricaciones deficientes, defectos superficiales, defectos en la materia prima o errores relacionados con ajustes y montajes no correctos. Todos los problemas mencionados, excepto ajustes y montaje incorrectos, están relacionados con la calidad de los elementos y pueden ser reducidos con una política de calidad efectiva.
o Una vez sobrepasada la fase de puesta en marcha la tasa de fallos de los elementos suele mantenerse constante, o prácticamente constante, principalmente en componentes electrónicos, durante un largo periodo de tiempo. Los elementos que están expuestos a desgaste, piezas electromecánicas, presentan una tasa de fallo moderadamente creciente a la largo de su vida útil.
o En la última etapa de la vida útil de los elementos la tasa de fallo tiene un crecimiento exponencial, lo que nos indica un avanzado deterioro del elemento a estudio y la necesidad de acometer acciones de mantenimiento sobre el mismo para revertir esta situación.
Por tanto, es necesario conocer la evolución de la tasa de fallo en el tiempo para determinar en cada momento la estrategia de mantenimiento más conveniente para reducir la probabilidad de fallo.
Por otro lado, mediante la utilización de modelos matemáticos de distribución de probabilidad de fallos disponemos de diferentes técnicas para la cuantificación del valor de fiabilidad, siendo las más utilizadas la exponencial, la de Weibull y la lognormal.
En la función de distribución exponencial, se presenta una tasa de fallos constante por lo que se tiene la ecuación 27.
𝜆 𝑡 = 𝜆
𝑅
𝑡
=
𝑒
!!" (27)En la función de distribución de Weibull, se presenta una tasa de fallos que puede ser creciente o decreciente, siendo el modelo de la distribución reducida de Weibull de la forma mostrada por Boucly (1999) en la ecuación 28.
𝑥= 𝑡−𝛾 𝛼
𝑅(𝑡)
=
𝑒
!!! (28)siendo:
• 𝛼 : parámetro de jerarquía.
• 𝛾: parámetro de corrección del origen del tiempo.
• 𝛽: parámetro de forma:
o 𝛽 = 1, 𝜆 𝑡 permanece constante.
o 𝛽 < 1, 𝜆 𝑡 decrece con el tiempo. o 𝛽 > 1, 𝜆 𝑡 aumenta con el tiempo.
• 𝑡: tiempo de utilización.
En la función de distribución lognormal, se presenta una tasa de fallos creciente y su campo de utilización suele ser el análisis de fiabilidad de componentes estructurales y electrónicos, su tratamiento algebraico resulta complejo lo que representa una
1.2.5.2. Mantenibilidad
En la norma UNE-EN 13306-2011, se define la mantenibilidad como “la capacidad de un elemento bajo condiciones de utilización dadas, de ser preservado, o de ser devuelto a un estado en el que pueda realizar una función requerida”.
El indicador principal de la mantenibilidad de cualquier equipo es el valor que representa la media de tiempo de las tareas de reparación (Mean Time To Repair, MTTR) (Boucly, 1999). Las tareas o fases que forman parte de un proceso de reparación son:
• Detección de la avería. • Diagnóstico de la avería. • Desmontaje y montaje. • Reparación de la avería.
• Comprobaciones y puesta en marcha.
Por ello, tenemos factores de diseño como facilidad de desmontaje y montaje de los elementos e intercambiabilidad de los elementos; y factores humanos como la experiencia y formación del personal de mantenimiento y grado de supervisión del mismo. Estos factores van a tener un impacto directo sobre el MTTR y por tanto sobre la disponibilidad de estos elementos, es por ello que se deben aplicar acciones sobre estos factores con el fin de reducir el MTTR, y por tanto incrementar la disponibilidad de los elementos.
1.2.5.3. Logística de mantenimiento
La logística de mantenimiento está relacionada con la gestión y adquisición de todos los recursos necesarios para ejecutar las tareas de mantenimiento, siendo por tanto imprescindible que esta logística provea a los departamentos de mantenimiento los recursos necesarios para evitar pérdidas de tiempo motivadas por falta de los mismos que van a provocar una pérdida de disponibilidad de los equipos.
1.2.5.4. Disponibilidad
La disponibilidad se puede cuantificar utilizando medidas o indicadores adecuados, para ello vamos a utilizar los términos ya definidos en los anteriores subapartados:
• MTBF (Mean Time Between Failure): Valor medio del tiempo entre fallos. • MTTR (Mean Time To Repair): Valor medio de los tiempos de reparación.
y además definir los siguientes términos:
• MUT (Mean Up Time): Valor medio de los tiempos de funcionamiento.
• MDT (Mean Down Time): Valor medio de los tiempos de parada. En este valor
se incluye todo el tiempo de parada de un elemento, que abarca el tiempo de poner a disposición en modo seguro el elemento para su reparación, el tiempo de reparación propiamente dicho (MTTR), todo tipo de retrasos por causa de una deficiente logística de mantenimiento o por causas administrativas y el tiempo necesario para realizar las acciones operativas en el sistema para que el elemento vuelva a estar operativo.
A modo de resumen y suponiendo que los valores medios de los términos anteriores son constantes, tenemos que un elemento inicia su funcionamiento y mantiene su estado operativo durante el tiempo medio de funcionamiento hasta que se produce la avería. En este momento se inicia un período de indisponibilidad del elemento y, durante el mismo, se acometerá su reparación. Por último, una vez transcurrido este período de indisponibilidad, el elemento vuelve a recuperar su estado de disponibilidad quedando de nuevo operativo e iniciándose de nuevo el ciclo y así sucesivamente. Con el paso del tiempo, los valores medios pueden ir variando, siendo lo habitual que se reduzca el valor medio del tiempo de buen funcionamiento. A continuación se muestra en la Figura 16 los ciclos descritos.
Figura 16. Ciclo funcionamiento de un elemento
Suponiendo, como se ha indicado, que los valores medios son contantes, se puede cuantificar la disponibilidad operacional a través de la ecuación 29.
𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑!"#$%&'!(%) = !"# !"#$=
!"#
!"#!!"# (29)
De la misma forma se puede cuantificar la disponibilidad con respecto al mantenimiento con la ecuación 30. 𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑!"#$%#&!&%#$' =!"#!"#!!""# (30) tiempo Es ta do de o pe ra ti vi da d Operativo disponible Avería no disponible MUT MDT MTBF MTTR MDT MUT
1.2.5.5. Cálculo disponibilidad en aerogeneradores
La disponibilidad representa para los propietarios de parques eólicos un indicador clave, no sólo por su importancia como indicador técnico que nos aporta una información muy valiosa del estado de los aerogeneradores, sino como indicador económico, ya que los aerogeneradores requieren disponer de altas disponibilidades para alcanzar una rentabilidad económica que asegure la supervivencia de la empresa. Hay que tener en cuenta que las averías en los aerogeneradores suceden en su mayor parte cuando están en producción o cuando se dan las condiciones para producir (vientos adecuados) por lo que conseguir disponibilidades altas representa un hándicap para los mantenedores. Cuando los propietarios de los parques eólicos subcontratan a una empresa externa el mantenimiento del parque eólico, es habitual en el sector que en la relación contractual se fije la disponibilidad como hito de pago, buscando de esta forma que la disponibilidad será un objetivo compartido de propietarios y empresas mantenedoras. Por este motivo el cálculo de la disponibilidad en los aerogeneradores tiene una gran importancia, no solo como indicador de mantenimiento sino como objetivo perseguido y valor de pago. La fórmula de cálculo es fijada, por tanto, en la relación contractual quedando determinadas las tareas, acciones y paradas que disminuyen la disponibilidad, y por tanto siendo un objetivo reducir el tiempo de las mismas para incrementar la disponibilidad.
A continuación, se muestra en la Tabla 4 una codificación de los diferentes estados, tareas y paradas que pueden darse en los parques eólicos y que son utilizados por los propietarios de los parques eólicos para el cálculo de la disponibilidad. Como unidad de medida se utiliza el tiempo en el que se encuentra en cada estado, acción o tarea cada aerogenerador, aunque el valor se presenta en formato de horas y minutos, en el cálculo de disponibilidad se realiza en base a los minutos que permanece en cada uno de ellos.
Código Texto Descripción
B Producc. Producción (hhh:mm)
C Mt. Corr. Mantenimiento Correctivo (hhh:mm) D Mt. Prev. Mantenimiento Preventivo (hhh:mm) E Ref/Mod. Reformas o Modificaciones (hhh:mm)
F Error. En Error (hhh:mm)
G V. Altos. Vientos Altos (hhh:mm)
H PxRgPt. Parada por Regulación de Potencia (hhh:mm)
I PxOMn. Parada por Orden Manual (hhh:mm)
J PxAEExt. Parada por Avería Equipo Exterior (hhh:mm)
K PxCExt. Parada por Causa Externa (hhh:mm)
L Calma En Calma (hhh:mm)
M SCom. Sin Comunicación (hhh:mm)
N PxARear. Parada por Alarma de Rearme (hhh:mm) Tabla 4. Codificación de estados, tareas y acciones en los aerogeneradores.
Utilizando dicha codificación definimos los siguientes valores de disponibilidad utilizados en los parques eólicos:
• Disponibilidad real, ecuación 31, entendiendo la misma como la disponibilidad
del aerogenerador descontando las paradas por mantenimiento y averías, por regulación de potencia, por causas externas y averías de equipos externos.
𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑!"#$ = !:!!!!!!!!!!!:! !!!!! (31)
• Disponibilidad técnica, entendiendo la misma como la disponibilidad del
aerogenerador descontando las paradas por mantenimiento y averías. Realizándose su cálculo como se observa en la ecuación 32.
𝐷𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑!é!"#!$ = !:!!!!!:!!!!!! (32)
• Indisponibilidad por regulación de potencia, representando la pérdida de
disponibilidad que se pierde por dicho motivo, calculada como muestra la ecuación 33.
𝐼𝑛𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑅𝑔𝑃𝑡= !
!:! (33)
• Indisponibilidad no gestionable, ecuación 34, representando la pérdida de
disponibilidad que se pierde por causas externas.