Saggiare la qualità degli strumenti di misurazione con il Gage R&R

Distribuzioni di valori estremi

Degradazione moltiplicativa in ingegneria dell’affidabilità

Personalizzazione dell’unità di misura in Weibull++

Nuovo all’analisi RCM

Introduzione

Questo articolo introduce il lettore alla metodologia RCM (Reliability Centered Maintenance) per la pianificazione degli interventi di manutenzione al fine di mantenere un asset funzionante. La trattazione teorica è corredata da un esempio pratico, di un impianto antincendio di un aeromobile sviluppato con l’ausilio del programma RCM++ Questo articolo è di per sè introduttivo. Per una trattazione più approfondita della metodologia, si consiglia il workshop RCM Dinamica.

L’approccio pre-RCM alla manutenzione

Si definisce manutenzione l’insieme di interventi effettuati su un sistema al fine di riparare uno o più guasti, oppure di mantenere l’efficienza produttiva ottimale durante l’arco della sua vita utile. Prima dell’introduzione della metodologia RCM, gli interventi di manutenzione si dividevano in 2 tipi:

Manutenzione correttiva – di tipo reattivo, effettuata a seguito di un guasto;
Manutenzione preventiva – di tipo programmato a cadenza periodica per mantenere efficienti le prestazioni del sistema.

In passato era profondamente radicata la convinzione che la probabilità di guasto fosse costante durante la vita utile della componente, e proporzionale all’età una volta superata la soglia di usura. Questa convinzione portò gli ingegneri ad eseguire interventi di manutenzione preventiva a cadenza ravvicinata, così da prevenire i guasti da usura che avrebbero richiesto delle manutenzioni correttive onerose.

Come prevedibile, i costi di manutenzione del prodotto lievitarono di conseguenza, ma l’effetto degli interventi fu inaspettato: i guasti aumentarono, in particolare durante i primi mesi di utilizzo dell’apparato. Questa scoperta introdusse il concetto di mortalità infantile, per cui la probabilità di guasto è alta per una popolazione di componenti nuove, e tende a diminuire e stabilizzarsi con l’utilizzo.

In aggiunta a questi interventi “dannosi”, la manutenzione era compiuta in maniera indiscriminata. Si pensi al caso dell’aeromobile Douglas DC-8 della United Airlines, per il quale, entro le 20000 ore di volo, avveniva una manutenzione su 339 sistemi, e il tempo di ispezione ammontava a 4 milioni di ore.

Si poneva dunque una duplice problematica: la sola manutenzione periodica era insufficiente a garantire l’affidabilità del sistema, e una manutenzione indiscriminata richiedeva un enorme dispendio di tempo e denaro. Una soluzione efficace richiedeva lo sviluppo di piani di manutenzione più razionali, e da questa esigenza nacque la metodologia denominata Reliability Centered Maintenance.

Pareto of hours of inspection and crtical system before and after RCM implementation

Fig. 1 – Confronto fra ore di ispezione e sistemi da mantenere con e senza metodologia RCM

Quando ha senso effettuare un’analisi RCM

L’analisi RCM è una metodologia concepita per ottimizzare la manutenzione in base alla criticità e affidabilità degli asset. Partendo da una dettagliata analisi FMEA, sviluppa strategie di manutenzione volte a preservare la funzione dell’asset. Per questa ragione non è applicata a qualsiasi apparecchiatura ma risulta particolarmente consigliata nei seguenti scenari:

Per la gestione di asset critici che impattano sulla sicurezza del personale o sull’ambiente. Per esempio, un impianto chimico, ferroviario, antincendio…
Per linee di produzione con elevati costi di downtime. Una revisione delle politiche di manutenzione può apportare benefici economici.
Per scenari di alta frequenza di guasti o manutenzione inefficiente. L’analisi RCM può svelare le vere cause dei guasti e aiutare a rivedere i piani di manutenzione.
Per il passaggio da una manutenzione di tipo reattivo ad una di tipo preventivo o predittivo.
Per impianti complessi con molte componenti interdipendenti e logiche di funzionamento complesso. Per esempio, centrali energetiche, aeroplano, elicottero…
Nuovi asset o in fase di progettazione. Poichè è fortemenete legata all’analisi FMEA, l’applicare l’analisi RCM, fin dall’inizio, aiuta a progettare una manutenzione più efficiente.

Quando non ha senso effettuare un’analisi RCM

L’analisi RCM dato il suo costo non è adatta a qualsiasi apparecchiatura soprattutto se non critica o con bassi costi di sostituzione/manutenzione. Una regola pratica, in aggiuta alle metodologie di equipment selection (video sotto), sta nel quantificare i costi del guasto per l’impatto che ha e paragonarli con il costo dell’analisi. Più precisamente,

Q(t) × Severity > costs of the analysis

dove Q(t) è la probabilità di guasto e Severity rappresenta l’effetto economico del guasto stesso.

In questo contesto, l’analisi QCPN (Quantitative Consequence Priority Number) presente in RCM++ può essere d’aiuto per discriminare apparecchiature da sottoporre ad analisi RCM.

Fig. 2- Esempio di analisi QCPN

Video 001 RCM++: Equipment Selection

Processo RCM

L’analisi RCM è un processo lungo e dispendioso che parte dall’analisi FMEA per sviluppare poi le politche di manutenzione e terminare con la creazione dei piani di manutenzione.

Fig. 3 – Processo RCM

Le 7 domande chiave del metodo RCM

Il processo RCM consta di numerose fasi, le quali sono illustrate nel diagramma di flusso in fig. 3. La definizione di un piano efficace si basa innanzitutto sulle risposte date a 7 domande relative al sistema e ai possibili guasti.

In un contesto pratico, useremo l’empio di una RCM di un impianto antincendio di un aeromobile.

Fig. 3 - Estratto di analisi RCM di sistemi critici di un veivolo

Fig. 4 – Estratto di analisi RCM di sistemi critici di un veivolo

1 – Quali funzioni sono associate al sistema, e quali standard di funzionamento devono essere mantenuti?

Innanzitutto occorre definire quali sono le funzioni svolte dal sistema in esame, e quali sono i requisiti ai quali le prestazioni di queste si devono attenere. Un sistema possiede una funzione primaria, ovvero lo scopo per cui esiste, e delle funzioni secondarie accessorie. È inutile (e in molti casi pericoloso), utilizzare sistemi sviluppati secondo standard diversi da quelli richiesti, poiché questi potrebbero non supportare il carico di lavoro richiesto. Nella finestra a fianco sono evidenziate le funzioni del sistema antincendio. E’ fondamentale osservare che manca una parte di informazione associata alla funzione che la qualifica in maniera completa ed aiuta a creare i guasti. Per essere completa, la prima funzione dovrebbe essere del tipo “Store extinguishing agent under the pressure of XY bars“.

Fig. 4 - Funzioni evidenziate di un Engine Fire Extinguishing [system]

Fig. 5 – Funzioni evidenziate di un Engine Fire Extinguishing [system]

Fig. 5 - Guasti evidenziati di un Engine Fire Extinguishing [system]

Fig. 6 – Guasti evidenziati di un Engine Fire Extinguishing [system]

2 – In quali modi il sistema può fallire nel portare a termine le proprie funzioni?

Un guasto funzionale si definisce come una condizione non soddisfacente, ovvero una condizione nella quale il sistema non soddisfa i requisiti richiesti. Questo non è semplicemente la negazione della funzione stessa ma ne esistono almeno 7 varianti come estratto dal workshop WKS07: FMEA AIAG-VDA.

Fig. 7 – sette tipologie di guasto preso dal workshop WKS07

3 – Qual è la causa di ciascun guasto funzionale?

Le modalità di guasto o failure mode offrono una risposta alla domanda “perché la componente si è guastata?” Un’analisi RCM non raccoglie tutte le modalità di guasto, ma solo quelle significative, determinate dalle risposte alle seguenti domande:

Questa modalità di guasto si è manifestata in precedenza?
Se la modalità di guasto non si fosse manifestata, qual è la possibilità che lo faccia?
La modalità di guasto è infrequente, ma può portare a gravi conseguenze?
La modalità di guasto viene gestita con manutenzione preventiva o predittiva?

La maggior parte delle failure mode indicate riguarda guasti di natura chimico-fisica, ma esse potrebbero non essere sufficienti. Altri tipi di guasto da considerare sono di tipo organizzativo.

Fig. 6 - Failure modes evidenziati di un Engine Fire Extinguishing [system]

Fig. 8 – Failure modes evidenziati di un Engine Fire Extinguishing [system]

Per esempio, errori umani, la presenza di manuali errati, ecc. Questi offrono una visione più ampia del problema, al fine di sviluppare degli interventi preventivi o predittivi da compiere sul sistema. Nell’esempio a lato sono riportate le modalità di guasto o failure mode della sezione dell’impianto antincendio dell’aeromobile.

Fig. 9 – Effetti dei guasti evidenziati di un Engine Fire Extinguishing [system]

4 – Cosa accade a seguito del guasto?

Ogni modali à di guasto esercita un effetto sul sistema, definito come failure effect. Questo effetto è la descrizione di cosa accadrebbe se non venisse praticato alcun intervento preventivo o predittivo ed il guasto si manifestasse. Failure effect inteso come l’effetto del guasto e può includere informazioni come possibili danni secondari causati dal guasto stesso. Nel programma RCM++ sono infatti incluse tre varianti dell’effetto del guasto a seconda se si vuole mappare anche un effetto locale (esempio l’effeto del guasto sulla componente) o ad un livello superiore (impatto a livello di sottosistema). Nel caso non venga specificato, l’effetto rappresenta l’effetto finale (sul sistema, utente, operatore…)

5 – Perché il guasto è significativo?

Le conseguenze di un guasto variano per gravità e tipologia. Di queste ultime, ne distinguiamo 4:

Mette a repentaglio la sicurezza del personale;
Incide negativamente sull’ambiente;
Impatta direttamente sulla produttività dell’azienda;
Non-operazionale. Causa spese ulteriori per l’azienda, ma non impatta la produttività.

Nell’esempio a fianco in Fig. 10 è riportato una rappresentazione schematica della FEC (Failure Effect Categorisation) secondo uno degli standard riportati nel programma RCM++. In questo caso lo standard RAC (Reliability Analysis Center). Per un breve approfondimento si consiglia il Video 002 RCM++: failure effect categorization (FEC)

Fig. 10 – Failure Effect Categorisation a 5 livelli mappata su un effetto specifico

Video 002 RCM++: Failure Effect Categorization (FEC)

Fig. 11 – Curva P-F di degradazione di un asset

6 – Come si può prevedere o prevenire ciascun guasto?

Dopo aver identificato le modalità di guasto, occorre definire delle strategie di prevenzione e previsione, tra cui:

Riparazione programmata. Viene effettuata per scongiurare il guasto, e ogni intervento avviene dopo un certo intervallo di tempo, senza considerare l’effettiva condizione della componente;

Sostituzione programmata. La componente viene sostituita completamente ad un certo intervallo di tempo, a prescindere dalla sua condizione al momento dell’intervento;
Intervento su condizione. Viene eseguito dopo un’ispezione che rivela una potenziale condizione di guasto. L’intervento manutentivo può essere eseguito immediatamente, oppure nel prossimo futuro, secondo le previsioni basate sulla curva P-F.

Il programma RCM++ ha una vasta e potente interfaccia di configurazione dell’intervento basato sulla condizione (Condition Based Maintenance) che si lega alla degradazione dell’asset per correttamente determinare i punti caratteristici della curva P-F.

7 – Come agire se non fosse possibile individuare un’azione preventiva o predittiva adeguata?

Le cosiddette default strategies sono messe in pratica laddove non sia possibile attuare interventi di manutenzione sulla componente. Questo tipo di azioni include interventi come:

Redesign della componente affinché le sue funzionalità siano conformi alle specifiche;
Aggiornamenti della documentazione;
Formazione del personale riguardo al corretto uso del macchinario;
Aggiornamento delle procedure operative.

Un’analisi RCM è svolta secondo delle metodologie presentate in vari standard, tra i quali i più noti Maintenance Steering Group-3 (MSG-3), nato in ambito aeronautico, e il Society of Automotive Engineers JA1011 (SAE JA1011).

Organizzazione degli interventi o piani di manutenzione

La fase finale del processo RCM è la definizione del piano di manutenzione, raggruppando gli interventi in base a una serie di criteri, tra cui:

Tipo di intervento;
Tempo con raggruppamenti come da Fig. 13
Accesso e zona.

Fig. 12 – Criterio di filtraggio per la creazione dei piani di manutenzione

Fig. 13 – Creazione di un piano di manutenzione sulla base dei Task creati

Conclusione

Questo articolo offre una panoramica sia della metodologia RCM per la pianificazione degli interventi di manutenzione preventiva e predittiva applicata a sistemi critici per i quali ha un senso applicare l’analisi RCM. La trattazione teorica è arricchita da un esempio pratico basato sulla creazione di un piano di manutenzione semplificato per una aeromobile supportata dal programma RCM++.