Los Mecanismos de Falla

Sobre algunos conceptos de
Confiabilidad & Gestión de Riesgo
Librado Magallanes R.
Junio 2011
Contenido
Sobre la confiabilidad
•  Algunas definiciones
•  Porqué es importante la confiabilidad
•  Los mecanismos de falla
•  Modelos de falla
•  Métricas de confiabilidad
•  Las matemáticas de confiabilidad
•  Sistema de reporte, análisis & acciones correctivas de fallas
•  Tareas de confiabilidad durante el ciclo de vida
Sobre la gestión del riesgo
•  Algunas definiciones
•  Componentes de la gestión del riesgo
•  El proceso de gestión de riesgos
•  El concepto de Pérdida Máxima Probable
•  Referencias
Algunas definiciones Confiabilidad
Es la habilidad de un ítem (producto, sistema, . . . etc.)
para operar bajo las condiciones diseñadas de operación
durante un período de tiempo o numero establecido de
ciclos.
Disponibilidad
Es la probabilidad de que un ítem, cuando sea usado bajo
las condiciones establecidas en un ambiente de soporte
ideal (por ejemplo, partes de repuesto adecuadas,
personal, equipo de diagnóstico procedimientos, etc.)
estuviera operativo en tiempo dado.
Porqué es importante la confiabilidad?
•  Porqué los sistemas de ingeniería, componentes y
dispositivos no son perfectos
•  Para minimizar la ocurrencia y recurrencia de fallas
•  Para entender “porqué y “como” las fallas ocurren
•  Para poder prevenirlas eficazmente
Y, con esto,
•  Maximizar el desempeño del sistema y además usar
eficientemente los recursos
Los Mecanismos de Falla
•  Los mecanismos de falla son el medio por el cual las fallas
ocurren.
•  Los diseñadores deben conocer los mecanismos de falla que
pueden estar asociados inherentemente al diseño, o que pueden
ser introducidos externamente. (usuarios, mantenimiento)
•  Cuándo los mecanismos de falla son considerados
apropiadamente en el diseño, manufactura, instalación y
operación, el transformador podrá protegerse, logrando un
equilibrio entre el valor económico de la solución y el nivel de
desempeño esperado.
•  Normalmente no todos las fallas potenciales son conocidas, de
manera que tanto la predicción de fallas y el análisis de
confiabilidad es un problema probabilístico.
Modelos de Falla
•  Modelo de resistencia – esfuerzo
La falla ocurre cuando el esfuerzo excede la resistencia
•  Modelo de daño acumulado
La falla ocurre cuando el daño acumulado excede los límites
mínimos requeridos para el uso
•  Modelo de respuesta a exigencia
La falla ocurre cuando el dispositivo no es capaz alcanzar el
límite de exigencia
•  Modelo de requerimiento de tolerancia
La falla ocurre cuando se exceden los límites de
tolerancia del dispositivo
Modelos de Falla (Ejemplos)
•  Modelo de resistencia – esfuerzo
Comportamiento de materiales dieléctricos
•  Modelo de daño acumulado
Fenómenos de corrosión o desgaste (por ejemplo, contactos
del CDBC)
•  Modelo de respuesta a exigencia
Capacidad de soporte al corto circuito
•  Modelo de requerimiento de tolerancias
Calibración de la válvula de sobrepresión o del relé Bucholtz
Mecanismos de Falla
•  Los mecanismos de falla son procesos físicos cuya
ocurrencia es causada por el esfuerzo y deteriora la
capacidad (por ejemplo, la resistencia o el aguante) de un
dispositivo o material.
•  La naturaleza de los mecanismos de falla depende de la
naturaleza física de los esfuerzos y del comportamiento de
los materiales a nivel molecular respecto a esos esfuerzos.
•  Los mecanismos de falla mecánicos pueden ser divididos en
tres clases: esfuerzo inducido, resistencia reducida,
esfuerzo incrementado.
•  Los mecanismos de falla eléctricos pueden ser divididos en
tres tipos: esfuerzo, intrínsecos y extrínsecos.
Mecanismos de Falla
Categorías de los mecanismos de falla mecánicos
Mecanismos de Falla
Algunos ejemplos de los mecanismos de falla eléctricos
• 
Magnitud del esfuerzo
Limites de esfuerzo mayores al valor de ruptura dieléctrica para
un material específico
• 
Intrínseco
Diseño de geometrías con gradientes eléctricos altos
(concentración de esfuerzos)
• 
Extrínseco
Defectos en materiales, por ejemplo, defectos en el papel o,
impurezas en los mismos
Normalmente una falla involucra la combinación de dos o más
mecanismos de falla
Métricas de Confiabilidad Tasa de Fallas
Es la frecuencia con la cual un ítem (producto, sistema, componente, .. )
falla. Es expresada, en fallas por unidad de tiempo en operación .
Individualmente para cada ítem fallado no reparable, se mediría el tiempo
a la falla
La tasa de fallas de un ítem depende y varía del tiempo. La tasa de fallas
en el primer año de servicio normalmente será menor que después de 5,
10, 15, 20 o más años en servicio.
Lo anterior se debe principalmente a dos causas, la primera relacionada
con el efecto del uso y la segunda por la exposición a esfuerzos o
condiciones extremas de naturaleza aleatoria.
La tasa de fallas indicada solamente en términos de número de fallas en
proporción a la población , no da elementos suficientes para evaluar la
confiabilidad en términos de su definición.
Este concepto en equipos estratégicos, se esta volviendo un requisito a
especificar porqué representa la primer barrera para gestionar el riesgo
y sus implicaciones económicas.
Las matemáticas de la confiabilidad
Dado que la ocurrencia de fallas es naturaleza aleatoria , el análisis y la
evaluación de la misma es de naturaleza estadística y probabilística.
La tasa de fallas o failure rate se define como el número total de fallas de
una población, dividido por el tiempo total que ha operado la población ,
durante un intervalo de medición operando bajo las condiciones
establecidas.
R(t1 ) − R(t 2 ) R(t ) − R(t + Δt )
λ (t ) =
=
(t 2 − t1 ) • R(t1 )
Δt • R(t )
Donde R(t) es la función de confiabilidad o función de sobrevivencia, que
describe la probabilidad de no ocurrencia de fallas antes del tiempo t
R(t ) = 1 − F (t )
t
F (t ) = ∫ f (x ) • dx
0
F(t) es la función de distribución de fallas
acumulada y f(x) la función de densidad
de la distribución de probabilidad que
ajusta con un cierto nivel de confianza
estadístico los datos de falla.
Frecuencia
Las matemáticas de la confiabilidad
Función de distribución
de probabilidad f(x)
99,99
Función de distribución
acumulada F(t)
t
F (t ) = ∫ f (x ) • dx
0
0.01
Tiempos a la falla
99.99
0.01
Función de Confiabilidad
R(t)
R(t ) = 1 − F (t )
Tiempos a la falla
Tiempos a la falla
Las funciones paramétricas de probabilidad
más utilizadas para estimar la confiabilidad
son:
•  Exponencial
•  Weibull
•  Lognormal
En particular la distribución Weibull es la
más flexible para adaptarse a los datos, por
contar tres parámetros (forma, escala &
posición)
Sistemas de Reporte, Análisis &
Acciones Correctivas de Fallas
(FRACAS) Es un medio, normalmente a través de software, que provee el proceso
para reportar, clasificar, analizar fallas y, planear las acciones correctivas
en respuesta a esas fallas.
Este método busca recolectar en forma sistemática la datos de falla, el
análisis y la gestión de la implantación de las acciones correctivas.
Este proceso es una herramienta útil para mejorar la confiabilidad y
seguridad de los productos.
Este método FRACAS es el más comúnmente utilizado para evaluar la
confiabilidad operacional, lo cual representa una oportunidad para
integrarlo entre las partes involucradas (usuarios y fabricantes)
La Confiabilidad Durante el Ciclo de Vida
La Gestión del Riesgo
Una definición de riesgo
Riesgo es la potencial de pérdida causada por un evento (o
serie de eventos) que pueden afectar adversamente el logro
de los objetivos de la compañía
El rol de la gestión del riesgo, es manejar un proceso que provee
a los responsables de los resultados la mejor oportunidad de
alcanzar los logros deseados.
El proceso se enfoca en aquellos elementos que influencian los
resultados:
• 
• 
• 
• 
Eventos
Riesgos
Impulsores de riesgo
Controles
La Gestión del Riesgo
Componentes de la gestión del riesgo
Eventos
Presencia del riesgo; Consecuencias; Influencian el resultado;
Se puede aprender de ellos
Riesgos
Situaciones que obstaculizan o inhiben el logro de los objetivos
Impulsores
Controles
Factores que incrementan la probabilidad de ocurrencia de
eventos
Factores que reducen la probabilidad de ocurrencia de eventos
La Gestión del Riesgo
Algunos ejemplos
Eventos
Corto circuitos externos a transformadores
Riesgos
Pérdida de integridad mecánica de los devanados,
indisponibilidad del transformador, apagón potencial, etc.
Impulsores
Controles
Diseño deficiente, no verificado mediante pruebas, falta de
control durante la manufactura, materiales inadecuados, etc.
Verificación del diseño durante pruebas, revisión del diseño,
controles durante manufactura, control de materiales, etc.
La Gestión del Riesgo
Algunos ejemplos
Eventos
Transformadores con aceite dieléctrico con azufre corrosivo
Riesgos
Falla dieléctrica en devanados, indisponibilidad del transformador
Impulsores
Controles
Operación del transformador/reactor en condiciones de alta
temperatura
Incluir un elemento que ayude a pasivar el cobre para evitar su
reacción con el azufre corrosivo
Cuáles es el impacto?
Cuáles son?
Cómo mitigar su
ocurrencia y sus
consecuencias?
Qué factores
inciden
en su
crecimiento?
20
Proceso de Gestión de Riesgos
Análisis
•  Funciones
•  Entorno
•  Impulsores
Identificación
•  Eventos
•  Riesgos
•  Controles
Valoración
•  Impacto
•  Severidad
Evaluación
•  Pr. Ocurrencia
•  Pr. de
detección
previa
Planeación
Mitigar
•  Tolerar
•  Controlar
•  Transferir
•  Terminar
Gestión
•  Solución
Tratamiento del riesgo
• 
• 
• 
• 
• 
Evitar la ocurrencia
Reducir la probabilidad de ocurrencia
Reducir las consecuencias resultantes
Transferir o compartir el riesgo
Retener el riesgo y elaborar planes para recuperación de los efectos
22
23
IDENTIFICACIÓN DE RIESGOS DURANTE EL CICLO DE VIDA
24
25
Pérdida Máxima Probable
Es una metodología de análisis de riesgos que busca determinar el máximo
potencial de pérdidas, derivadas estas de daños tanto a personas como a
propiedades, que puedan ser razonablemente esperadas como resultado de
las operaciones.
La metodología busca medir probabilidades, no posibilidades, para identificar
eventos que sean suficientemente probables como para establecer una
cobertura financiera para cubrir las consecuencias de los eventos.
Las coberturas de los seguros se establecen a un nivel que provee la
suficiente protección financiera contra las consecuencias de los eventos que
se estima serían suficientemente probables de acuerdo a las regulaciones.
Normalmente se utiliza un umbral de probabilidad como medida cuantitativa
para distinguir eventos improbables de aquellos que deberían ser incluidos
en la estimación de la pérdida máxima probable y contar con una cobertura
financiera.
El nivel de umbral debe ser menor que la probabilidad de que las pérdidas
excedan la pérdida máxima probable
Probabilidad de exceder la PMP < Probabilidad del umbral de ocurrencia de eventos
Pérdida Máxima Probable
Algunas reflexiones sobre el tema de la PMP
La metodología busca medir probabilidades, es necesario contar con
estadísticas de ocurrencia de eventos.
Dichas estadísticas buscarían responder preguntas como las siguientes:
•  Cuantas veces en los últimos 20 años han ocurrido fallas en
transformadores que han traído como consecuencia un incendio?
•  Cuál ha sido el valor promedio y el valor máximo de los daños directos y
consecuenciales?
•  En que tipo de transformadores ha ocurrido este tipo fallas? (Aplicación,
Capacidades, Tensiones, etc.)
•  Cuál ha sido la causa de la falla?
Esto hace necesario contar con estadísticas confiables, mismas que pueden
ser nacionales o extranjeras, de manera de tener un nivel de incertidumbre
adecuado y permite resaltar la importancia de contar con un sistema
FRACAS (Failure Reporting, Analysis & Corrective Action System).
Referencias:
lEC 300-3-9 Risk analysis of technological systems
IEC 62198 Project Risk Management - Application guidelines
Chapman, Robert J. ,Tools and techniques of enterprise risk management /
Robert J. Chapman, ISBN-13: 978-0-470-01466-0
Guangbin Yang. , Life Cycle Reliability Engineering, John Wiley & Sons, Inc.
ISBN: 978-0-471-71529-0
Frame, J. Davidson., Managing risk in organizations : a guide for managers /
by J. Davidson Frame, ISBN 0-7879-6518-9
Reliability, maintainability, and risk: practical methods for engineers/David J
Smith, ISBN 0 7506 5168 7
Reliability and Risk Assessment by J D Andrews and T R Moss,
ISBN 1 86058 290 7
What is the FRACAS – Failure elimination made simple, Rick Smith, Bill Keeter,
www.nxtbook.com/nxtbooks/reliabilityweb/uptime_20100607/#/46
Preguntas?
Muchas Gracias
librado.magallanes@cfe.gob.mx librado.magallanes@magallanes.mx