Gestión de Fallas y Confiabilidad en Equipos Industriales: Estrategias y Métodos
Introducción a la Mantención y las Fallas
¿Qué es la Mantención? R: Es una actividad destinada a mantener la disponibilidad y confiabilidad de los equipos, para cuando estos sean requeridos.
¿Qué es una Falla? R: Es una condición no deseada que hace que el elemento (estructural) no desempeñe la función para la cual existe y/o fue diseñado. Para detectar una falla, podríamos hacer una comparación de lo que está sucediendo con lo que debería suceder.
Consecuencias de una Falla
Las consecuencias pueden ir desde el lucro cesante o pérdida de producción, pasando por las horas hombre improductivas de operaciones, la rotura y degradación de las máquinas, sin dejar de lado un posible daño ambiental en determinadas empresas, así como también a las personas.
¿Cuándo Decimos que Hay una Falla?
- Cuando la pieza queda inservible.
- Cuando, a pesar de que funciona, no cumple satisfactoriamente.
- Cuando su funcionamiento es poco confiable y presenta riesgos.
¿Causas de una Falla?
Las fallas pueden originarse por diversas causas, entre las que se incluyen:
- Mal diseño: Elemento inapropiado.
- Mala confección: Marcas de maquinado pueden originar grietas.
- Mala selección del material: Criterios erróneos, costos.
- Error de servicio y montaje: Lubricación, herramientas inadecuadas.
- Errores en el control de calidad, mantenimiento y reparación: Soldaduras y/o reparaciones inadecuadas, falta de control en tratamientos térmicos.
- Desconocimiento de los esfuerzos: No se conocen los esfuerzos a los que están sometidos los elementos, lo que puede llevar a deformaciones.
Deficiencias en el Diseño
- Errores al no considerar adecuadamente los efectos de los ajustes.
- Insuficientes criterios de diseño por no tener la información suficiente sobre los tipos y magnitudes de las cargas, especialmente en piezas complejas (no se conocen los esfuerzos a los que están sometidos los elementos).
- Cambios al diseño sin tener en cuenta los factores elevadores de los esfuerzos.
Deficiencias en la Selección del Material
- Datos poco exactos del material (ensayo de tensión, dureza).
- Empleo de criterios erróneos en la selección del material.
- Darle mayor importancia al costo del material que a su calidad.
Imperfecciones en el Material
- Segregaciones, porosidades, incrustaciones, grietas (generadas en el proceso del material) que pueden conducir a la falla del material.
Deficiencias en el Proceso
- Marcas de maquinado pueden originar grietas que conducen a la falla.
- Esfuerzos residuales causados en el proceso de deformación en frío o en el tratamiento térmico que no se hacen bajo las normas establecidas (Temperatura, Tiempo, Medio de enfriamiento, Velocidad).
- Recubrimientos inadecuados.
- Soldaduras y/o reparaciones inadecuadas.
¿Por qué Debemos Identificar y Clasificar las Fallas?
- Debemos tener acotada la falla y cuándo esta se produce, dado que de esta forma podremos determinar no solo la causa-origen.
- Sino que, además, podremos determinar cuándo es conveniente cambiar el equipo que presenta la falla.
Teoría de Fallas y la Curva de la Bañera
Se pueden enmarcar las fallas en un equipo en tres etapas:
- Falla Inicial: Se caracteriza por tener una elevada tasa de fallos que desciende rápidamente con el tiempo (razones: desconocimiento, instalación incorrecta).
- Falla Normal: Etapa con tasa de errores menor y constante.
- Falla por Desgaste: Etapa caracterizada por una tasa de errores rápida y creciente. Los fallos se producen por desgaste en el tiempo.
Mecanismo de Generación de Fallas en Componentes de Equipos Mecánicos
“Las máquinas no fallan… sus componentes fallan e inician el proceso de averías, caídas de rendimiento y falla final del sistema.”
Curva de la Bañera
La curva de la bañera es una gráfica que representa los fallos durante el período de vida útil de un sistema o máquina. Se llama así porque tiene la forma de una bañera cortada a lo largo.
Beneficios de la Detección Temprana de Fallas
La detección oportuna de fallas ofrece múltiples ventajas:
- Reducción del tiempo de reparación.
- Minimización del tiempo de preparación y nueva puesta en servicio.
- Disminución de fallas repetitivas.
- Aumento en la disponibilidad de equipos.
- Reducción de retrabajos y desperdicio.
- Reducción en la frecuencia de fallas.
- Mejora del mantenimiento preventivo.
- Reducción de costos por fallas de calidad (en producción).
- Mayor eficiencia en el trabajo en equipo.
Proceso de Análisis de Fallas
Es indispensable que el departamento de Mantención pueda tener y llevar un inventario de mantención, una hoja de vida de equipos, es decir, un listado de los recursos por atender, sean estos equipos, instalaciones o construcciones; y que, además, se haya establecido un programa de atención.
De esta forma, utilizando el código máquina y combinándolo con el principio de Pareto, obtenemos el inventario jerarquizado de conservación (vital, importante y trivial).
El análisis de falla es un examen sistemático de la pieza dañada para determinar la causa raíz de la falla y usar esta información para mejorar la confiabilidad del producto.
Objetivos del Análisis de Fallas
El análisis de fallas está diseñado para:
- Identificar los modos de falla (la forma de fallar del producto o pieza).
- Identificar el mecanismo de falla (el fenómeno físico involucrado en la falla).
- Determinar la causa raíz (el diseño, defecto o cargas que llevaron a la falla).
- Recomendar métodos de prevención de la falla.
Causas Comunes de Fallas
Las causas comunes de fallas incluyen:
- Mal uso o abuso de los equipos.
- Errores de montaje.
- Errores de fabricación.
- Mantenimiento inadecuado.
- Errores de diseño.
- Material inadecuado.
- Tratamientos térmicos incorrectos.
- Condiciones no previstas de operación.
- Inadecuado control o protección ambiental.
- Discontinuidades de colada.
- Defectos de soldadura.
- Defectos de forja.
Principios Básicos del Análisis de Fallas
Es fundamental respetar tres principios básicos:
- LOCALIZAR EL ORIGEN DE LA FALLA.
- NO PRESUPONER UNA CAUSA DETERMINADA.
- NO REALIZAR ENSAYOS DESTRUCTIVOS SIN UN ANÁLISIS PREVIO CUIDADOSO.
Análisis Simple: El Método de los ‘5 Porqués’
Responder a veces cinco veces “por qué” nos puede ayudar a resolver un problema y llegar a la causa origen. Si no resolvemos esto, los problemas continuarán.
- Se paró el motor… ¿Por qué?
- Se trabó la bomba… ¿Por qué?
- Le entró un palo al rodete… ¿Por qué?
- Faltaba una escotilla en la captación… ¿Por qué?
- Personal la retiró para aseo y no la repuso.
- ¿Volverá a pararse el motor?
- ¿Qué debo hacer?
Etapas del Análisis de Fallas
Las etapas clave son:
- ANTECEDENTES.
- ENSAYOS Y CÁLCULO.
- ANÁLISIS DE RESULTADOS.
- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.
Antecedentes
Esta es la etapa inicial más importante: consiste en no hacer NADA, solamente pensar, estudiar la evidencia, hacer preguntas detalladas acerca de las partes, el equipo, las circunstancias de la falla y tomar nota de las respuestas. No destruir evidencias. Inicialmente, el analista se reúne con el personal involucrado (ingenieros de mantenimiento, de proceso, etc.) para discutir el problema.
Preguntas Clave del Analista para Determinar la Falla
El analista responsable realiza preguntas para determinar la falla, tales como:
- Proceso involucrado.
- Tipo de material.
- Especificaciones: forma, dimensiones, técnicas de proceso.
- Parámetros de diseño.
- Condiciones de servicio.
- Registros de mantención (historial).
- Frecuencia de la falla.
- Secuencias de eventos que antecedieron a la falla.
Ensayos y Cálculos
Se realiza un examen preliminar (visual) de la parte fallada, y se llevan a cabo ensayos no destructivos como: líquidos penetrantes, partículas magnetizables, radiografía, ultrasonido, etc.
Conclusiones y Recomendaciones
En esta etapa se combina toda la información (antecedentes y resultados de los ensayos) y se discute la causa más probable de falla. En las conclusiones se resume el modo de fractura y la causa de la falla. En las recomendaciones se presentan puntos de vista acerca de posibles soluciones al problema.
Detección Analítica de Fallas
La detección analítica de la falla es una técnica de observación y análisis de la condición normal versus la anormal de una máquina y/o equipo, o alguno de sus componentes. Esto se fundamenta principalmente en la capacidad de análisis de lo observado o de lo medido a través de circuitos de inspecciones instrumentales. Seguido todo esto con una serie de preguntas con respecto a la especificación del cambio, ya sea del equipo y/o sus componentes. Luego, una serie de preguntas claves en torno a los cambios de lo observado y por medio del análisis fenómeno-causa-efecto, deducción y análisis racional de lo que provocó la falla, avería y/o caída de rendimiento de la máquina y/o equipo.
Reportes de Causas y Corrección de Fallas
Si los componentes fallan, los equipos fallan, los sistemas fallan o dejan estos de cumplir eficientemente su función productiva, con todo lo que esto significa. Para gestionar la investigación en causa de fallas, consideramos las siguientes etapas de estudio:
- Actuar sobre la detección de síntomas: Es decir, anteponernos a la ocurrencia de esta.
- Planificar acciones y revisiones a plazo fijo: Frente a las probabilidades de falla fundamentadas en cuadros estadísticos (desgaste, fatiga), pensando en que algo puede pasar. Parada programada.
- Planificación de acciones proactivas: Control operacional, mantenimiento técnico racional y oportuno sobre los equipos, es decir, mejorar las condiciones de servicio, hacer reingeniería.
Análisis de Modos y Efectos de Fallas (AMEF)
¿Qué es un AMEF?
El Análisis de Modos y Efectos de Fallas Potenciales (AMEF) es un proceso sistemático para la identificación de las fallas potenciales del diseño de un producto o de un proceso antes de que estas 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.
Objetivos Principales del AMEF
Los objetivos principales del AMEF son:
- Reconocer y evaluar los modos de fallas potenciales y las causas asociadas con el diseño y manufactura de un producto.
- Determinar los efectos de las fallas potenciales en el desempeño del sistema.
- Identificar las acciones que podrán eliminar o reducir la oportunidad de que ocurra la falla potencial.
- Analizar la confiabilidad del sistema.
- Documentar el proceso.
Requisitos para la Implementación del AMEF
Para implementar un AMEF se requiere:
- Un equipo de personas con el compromiso de mejorar la capacidad de diseño para satisfacer las necesidades del cliente.
- Diagramas esquemáticos y de bloque de cada nivel del sistema, desde subensambles hasta el sistema completo.
- Especificaciones de los componentes, lista de piezas y datos del diseño.
- Especificaciones funcionales de módulos, subensambles, etc.
- Requerimientos de manufactura y detalles de los procesos que se van a utilizar.
- Formas de AMEF (en papel o electrónicas) y una lista de consideraciones especiales que se apliquen al producto.
Beneficios del AMEF
La 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.
- A largo plazo: Es mucho más difícil de medir, puesto que se relaciona con la satisfacción del cliente con el producto y con su percepción de la calidad; esta percepción afecta las futuras compras de los productos y es decisiva para crear una buena imagen de los mismos.
Definición de AMEF
El A.M.E.F. es un método que nos permite determinar los modos de fallas de los componentes de un sistema, el impacto y la frecuencia con que se presentan. De esta forma, se podrán clasificar las fallas por orden de importancia, permitiéndonos directamente establecer tareas de mantenimiento en aquellas áreas que están generando un mayor impacto económico, con el fin de mitigarlas o eliminarlas por completo.
Este proceso necesita de cierto período de tiempo para aplicarlo en el estudio de un sistema, un análisis detallado y una documentación acertada para poder generar una jerarquía clara y bien relacionada.
Actividades Implicadas en el AMEF
- Definir el sistema: Se refiere a que se debe definir claramente el sistema a ser evaluado, las relaciones funcionales entre los componentes del sistema y el nivel de análisis que debe ser realizado.
- El análisis de los modos de fracaso: Consiste en definir todos los modos de falla potenciales a ser evaluados en el nivel más bajo. Por ejemplo, la pérdida del rendimiento, funcionamiento intermitente, etc.
- Análisis de los efectos de fallas: Define el efecto de cada modo de falla en la función inmediata, los niveles más altos de riesgos en el sistema y la función misión a ser realizada. Esto podría incluir una definición de síntomas disponible al operador.
- Acción correctiva (Opcional): Define cambios en el diseño, operando procedimientos o planes de prueba que mitigan o reducen las probabilidades críticas de falla.
- La rectificación (Opcional): Determina la acción inmediata que debe ejecutar el operador para limitar los efectos de las fallas o para restaurar la capacidad operacional inmediatamente, además de las acciones de mantenimiento requeridas para rectificar la falla.
- Cuantificación de la Tasa de Fallas (Opcional): Si existe suficiente información, la tasa de falla, la proporción de la tasa o la probabilidad de falla de cada modo de fallo deberían ser definidas. De esta forma, puede cuantificarse la proporción de fracaso total o la probabilidad de falla asociada con un efecto de un modo de fallo.
- Análisis crítico (Opcional): Nos permite determinar una medida que combina la severidad o impacto de la falla con la probabilidad de que ocurra. Este análisis puede ser cuantitativo o cualitativo.
¿En Qué se Basa un AMEF Funcional?
Un A.M.E.F. funcional se basa en la estructura funcional del sistema en lugar de los componentes físicos que lo componen. Un A.M.E.F. de este tipo debe utilizarse si cualquiera de los componentes no tienen identificación física o si el sistema es muy complejo. Es idéntico al A.M.E.F. normal, solo que los modos de fallas son expresados como fallas para desarrollar las funciones particulares de un subsistema.
Análisis de Árbol de Fallas (AAF)
La técnica del diagrama del árbol de falla es un método que nos permite identificar todas las posibles causas de un modo de falla en un sistema en particular. Además, nos proporciona una base para calcular la probabilidad de ocurrencia por cada modo de falla del sistema. Esta técnica es conveniente aplicarla en sistemas que contengan redundancia.
Pasos del Método AAF
Los seis pasos del método son:
- Definición del sistema, es decir, los elementos que componen el sistema, sus relaciones funcionales y las funciones requeridas.
- La definición del evento cima debe ser analizada, así como el límite de su análisis.
- La construcción del A.A.F. por rastreo de los eventos debajo de la cima y progresivamente eventos debajo por categorías y niveles con sus especificados funcionales.
- Estimación de la probabilidad de ocurrencia de cada una de las causas de fracaso.
- Identificación de cualquier fracaso de la causa común potencial que afecta las compuertas.
- Calcular la probabilidad de ocurrencia del evento de cima de falla.
Beneficios del Análisis de Árbol de Fallas
El análisis de árbol de fallas ofrece los siguientes beneficios:
- Lleva al analista a descubrir la falla de una forma deductiva.
- Indica las partes del sistema que son sumamente importantes debido a que en las mismas se localizan las fallas de interés.
- Proporciona medios claros, precisos y concisos de impartir información de confiabilidad a la gerencia.
- Provee un significado cualitativo y cuantitativo de análisis de confiabilidad.
El AMEF como Soporte al Proceso de Diseño
El AMEF apoya y refuerza el proceso de diseño ya que:
- Ayuda en la selección de alternativas durante el diseño.
- Incrementa la probabilidad de que los modos de fallas potenciales y sus efectos sobre la operación del sistema sean considerados durante el diseño.
- Proporciona información adicional para ayudar en la planeación de programas de pruebas concienzudos y eficientes.
- Desarrolla una lista de modos de fallas potenciales, clasificados conforme a su probable efecto sobre el cliente.
Análisis de Riesgo en Fallas
Primer Paso para el Análisis de Riesgo: Severidad
Es cuantificar la severidad de los efectos; estos son evaluados en una escala del 1 al 10, donde 10 es lo más severo. A continuación, se presentan las tablas con los criterios de evaluación para proceso y para diseño:
Causas de Fallas Potenciales
Luego de que los efectos y la severidad han sido listadas, se deben identificar las causas de los modos de falla.
- En el AMEF de diseño, las causas de falla son las deficiencias del diseño que producen un modo de falla.
- Para el AMEF de proceso, las causas son errores específicos descritos en términos de algo que puede ser corregido o controlado.
Ocurrencia
Las causas son evaluadas en términos de ocurrencia; esta se define como la probabilidad de que una causa en particular ocurra y resulte en un modo de falla durante la vida esperada del producto, es decir, representa la remota probabilidad de que el cliente experimente el efecto del modo de falla.
Detección
La detección es una evaluación de las probabilidades de que los controles del proceso propuestos (listados en la columna anterior) detecten el modo de falla, antes de que la parte o componente salga de la localidad de manufactura o ensamble.
Cálculo del NPR (Número de Prioridad de Riesgo)
El número de prioridad de riesgo (NPR) es el producto matemático de la severidad, la ocurrencia y la detección, es decir: NPR = S * O * D. Este valor se emplea para identificar los riesgos más serios para buscar acciones correctivas.
Acciones Posteriores a la Obtención del NPR
Cuando los modos de falla han sido ordenados por el NPR, las acciones correctivas deberán dirigirse primero a los problemas y puntos de mayor grado e ítems críticos. La intención de cualquier acción recomendada es reducir los grados de ocurrencia, severidad y/o detección. Si no se recomienda ninguna acción para una causa específica, se debe indicar así.
Se registra el área y la persona responsable de la acción recomendada, así como la fecha meta de terminación. Después de que se haya completado una acción, registre una breve descripción de la acción actual y fecha efectiva o de terminación.
Modo de Falla Potencial
Se define como la manera en que una parte o ensamble puede potencialmente fallar en cumplir con los requerimientos de liberación de ingeniería o con requerimientos específicos del proceso. Se hace una lista de cada modo de falla potencial para la operación en particular; para identificar todos los posibles modos de falla.
Tipos de Fallas
Existen diversos tipos de fallas:
- Falla Total.
- Falla Parcial.
- Falla Intermitente.
- Falla Gradual.
- Falla por Desgaste.
- Falla por Fatiga Superficial.
- Fallas por Fractura.
- Fallas por Flujo Plástico.
MAFEC: Metodología para la Clasificación y Recopilación de Información de Componentes Críticos
MAFEC es una metodología que permite clasificar y recopilar información de los componentes críticos, y con ello proyectar y diseñar las estrategias de mantenimiento para un equipo o sistema.
Fases de MAFEC
- Selección de Máquina Crítica.
- Descomposición de la máquina.
- Individualización del modo de falla y evaluación de la criticidad de los elementos.
- Análisis de las causas de fallas e individualización de los componentes críticos.
Factores Relevantes para Evitar Fallas
Para evitar fallas, es crucial considerar:
- VIBRACIÓN.
- LUBRICACIÓN.
- DESGASTE.
- GOLPES – MONTAJE.
Detección de Fallas: Enfoques y Sistemas
Dentro del proceso para determinar y/o prevenir una posible falla, se han visto distintos sistemas, unos más complejos que otros. Algunos que van a pesquisar en base a características cualitativas y/o cuantitativas. Otros que tratan de evitar la repetición de eventos, detectando la causa-origen. Pero todos estos han ido apuntados a los elementos de máquina (repuestos) y/o equipos.
Análisis Funcional de Operatividad (AFO)
Este es un método que se basa en la identificación y caracterización de los riesgos, así como en los principios de riesgos de operatividad, los cuales tienen su origen en las desviaciones de las variables de proceso, respecto de los límites normales de operación, para un sistema o proceso en un intervalo de tiempo determinado.
Etapas del Método AFO
Definición del Área de Estudio
Esta consiste en delimitar las áreas a las cuales se aplica la técnica. En una determinada instalación de proceso, considerada como el área objeto de estudio, se definirán para mayor comodidad una serie de subsistemas o líneas de proceso que corresponden a entidades funcionales propias:
- LÍNEA DE DESCARGA A UN DEPÓSITO.
- SEPARACIÓN DE DISOLVENTES.
- REACTORES.
Definición de los Nudos
En cada uno de estos subsistemas o líneas se deberán identificar una serie de Nudos, o puntos claramente localizados en el proceso, por ejemplo:
- TUBERÍA DE ALIMENTACIÓN DE UNA MATERIA A UN REACTOR.
- IMPULSIÓN DE UNA BOMBA.
- DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO.
Consideraciones Humanas en la Confiabilidad y Mantenibilidad
En general, se tiende a pensar o se hace referencia a la confiabilidad y mantenibilidad de los equipos, al comportamiento de los mismos y de sus propias características, sin considerar muchas veces el entorno y, en forma particular, el de las personas, tanto de los que los operan como de los que los mantienen.