Análisis del Árbol de Fallas: Caso práctico para un motor eléctrico

Para diseñar sistemas que funcionen correctamente, a menudo necesitamos comprender cómo pueden fallar. Es por ello que los árboles de fallas proporcionan un buen marco para el análisis cualitativo para determinar las diferentes formas por la que un activo puede dejar de cumplir sus funciones para el cual fue diseñado.

En este artículo, además de definiciones, se evalúan dos eventos principales, uno donde el motor no puede arrancar y otro dónde este experimenta sobrecalentamiento durante su operación. Cada uno de estos eventos principales están desglosados en eventos secundarios y eventos básicos conectados por puertas lógicas (Logic gates).

¿Qué es el árbol de fallas?

El Análisis de Árbol de Fallas o Failure Tree Analysis (FTA), es una herramienta gráfica utilizada para explorar las causas de las fallas a nivel de sistema. Utiliza la lógica booleana para combinar una serie de eventos a nivel inferior. Básicamente, es un enfoque de arriba hacia abajo para identificar las fallas a nivel de componente (eventos básicos) que causan las fallas a nivel de sistema (eventos principales). El análisis de árbol de fallos se compone de eventos y puertas lógicas, que conectan los eventos para identificar la causa del evento no deseado principal. 

¿Quién utiliza o aplica el análisis de árbol de fallas? 

Históricamente, el FTA se ha usado para sistemas que representan un alto riesgo para la seguridad.  Inicialmente, se creó para evaluar el sistema de control de lanzamiento del misil balístico Minuteman en 1961. En esa misma década, fue adoptada por la compañía Boeing para detectar fallas en el sistema de control de navegación del 747.

Con el pasar de los años, se ha implementado en centrales nucleares donde el riesgo al medioambiente y a la seguridad personal se conviertieron en prioridad. Adicionalmente, se ha aplicado a la industria química, desarrollo de sistemas de seguridad y software.

Hoy en día, el análisis de árbol de fallas se puede utilizar para respaldar decisiones de ingeniería y gestión, análisis de compensación y evaluación de riesgos en cualquier organización donde exista el manejo de equipos que represente un riesgo al medioambiente, seguridad personal y a sus operaciones.

Las aplicaciones del FTA incluyen:

Análisis de Causa Raíz (RCA)

En este caso, el FTA funciona como una herramienta complementaria del análisis de causa raíz. El RCA se centra más en identificar la causa principal única, mientras que el FTA analiza sistemáticamente varios factores contribuyentes a la falla mediante puertas lógicas. Ambos métodos aportan información valiosa para resolver el problema y evitar que se repita en el futuro.

• Identificar todos los eventos y condiciones relevantes que conducen al Evento No Deseado.
• Determinar combinaciones de eventos paralelos y secuenciales.  
• Modelar interrelaciones de eventos diversos involucrados.

Evaluación de riesgos

• Calcular la probabilidad de un Evento No Deseado (nivel de riesgo).
• Identificar componentes/funciones/fases críticas para la seguridad.
• Medir el efecto de los cambios de diseño.

Evaluación de seguridad del diseño

• Demostrar el cumplimiento de los requisitos.
• Mostrar dónde se necesitan requisitos de seguridad.
• Identificar y evaluar posibles defectos/debilidades del diseño.
• Determinar fallas en modo común. 

Proceso de contrucción del Árbol de Fallas

El Análisis de Árbol de Fallas (FTA) emplea un diagrama para ilustrar diversas situaciones o condiciones que podrían desembocar en resultados no deseados. El proceso de FTA se compone de tres etapas principales:

• Identificar eventos de falla, eventos iniciadores y factores contribuyentes en tu diagrama. 

• Evaluar las relaciones entre las fallas y los eventos iniciadores (o factores contribuyentes). 

• Crear un diagrama de árbol de fallos

En la construcción del diagrama de árbol de fallas, es esencial comprender la nomenclatura empleada. Por lo tanto, requiere familiarizarse con la simbología utilizada para representar los eventos y las puertas lógicas que los conectan.

Cada industria utiliza el mismo conjunto de símbolos y convenciones de nomenclatura para los árboles de fallas. El árbol de fallas ilustra el vínculo y flujo entre diferentes situaciones y se lee de arriba hacia abajo. Los eventos y los gates (conocidas como puertas lógicas) son las dos categorías bajo las cuales caen las actividades. 

Símbolos de eventos

Los eventos ocurren cuando un sistema o proceso falla. Los tipos de eventos que aparecen en los árboles de fallas detallan a continuación.

• Evento Principal (EP): Estos tipos de eventos se encuentran en la parte superior del árbol de fallas y provocan una investigación sobre la falla del sistema. Tiene una sola entrada pero no tiene salidas relativas porque es el comienzo de la falla.

• Eventos Intermedios (EI): Estos eventos son generalmente causados por uno o más eventos. Tiene tanto una entrada como una salida. Otro evento puede causar su falla y, muy probablemente, causa más fallas en el árbol de fallas.

• Eventos básicos (EB): Estos tipos de eventos son generalmente la causa raíz del evento principal. Se encuentran en la parte inferior del árbol de fallas.

• Eventos de transferencia (ET): Estos tipos de eventos ocurren cuando un árbol de fallas es demasiado largo para caber en papel. Partes más grandes del árbol se ocultan con un símbolo y se expanden en un árbol separado. Hay dos tipos: eventos de transferencia hacia afuera y eventos de transferencia hacia adentro. La transferencia hacia afuera tiene un triángulo y salida hacia la derecha, y los eventos de transferencia hacia adentro tienen entrada en la parte superior del triángulo. 

Símbolo de Puertas Lógicas (Logic Gates)

Las puertas representan las diversas formas en que pueden ocurrir fallas en un activo o sistema. A veces, un solo evento puede causar una falla a nivel superior (o falla catastrófica). Otras veces, una combinación de diferentes eventos puede causar un evento de falla a nivel superior. Los tipos de puertas lógicas en el FTA se detallan a continuación.

• Puerta Lógica AND: Este tipo de puerta está conectado a eventos de salida. Los eventos de salida solo ocurren si todos los eventos de entrada en la puerta, ademas de ser verdaderos, suceden al mismo tiempo.

• Puerta Lógica AND de Prioridad: Esta puerta se activa si todos los eventos de entrada ocurren en un orden específico.

• Puerta Lógica OR: Este tipo de puerta puede tener uno o más eventos de entrada, y un evento de salida ocurrirá si uno o más de los eventos de entrada ocurren.

• Puerta Lógica k/N: En una puerta K/N, "K" representa el número de entradas que deben estar activas para que la salida también esté activa, mientras que "N" representa el número total de entradas posibles. En otras palabras, la puerta K/N se activa cuando al menos un número específico de entradas de un conjunto total de entradas se activa.

Caso de aplicación del FTA para un motor eléctrico

El motor eléctrico es uno de los activos mas utilizados en la industria. Todo proceso industrial requiere de un motor eléctrico para generar movimiento tanto rotacional como lineal. Sin embargo, también son equipos muy frágiles que requieren operar obligatoriamente bajo los parámetros de operación para los cuales fueron diseñados. Cualquier alteración, mal funcionamiento, mala selección o instalación puede desencadenar en un sin numero de fallas que podrían afectar toda la cadena de producción.

Dependiendo de sus características y de su importancia dentro del proceso, los motores pueden ser considerados críticos dentro de una organización. A continuación, se presenta el análisis del árbol de falla para dos fallas en específico, motor con falla en el arranque y sobre calentamiento.

Evento Principal 1: Motor eléctrico no arranca

Un motor eléctrico podría no arrancar debido a una serie de razones que afectan su funcionamiento inicial. Algunas posibles causas incluyen problemas en la alimentación eléctrica, fallas en componentes internos como el interruptor de arranque, problemas mecánicos en la carga acoplada al motor, bloqueo del eje debido a la falta de lubricación, o incluso problemas en el sistema de control que impiden la señal de arranque.

Enseguida, se presenta el FTA para este evento.

Como se ilustra en la imagen anterior, existen varias razones por las cuales un motor eléctrico podría no arrancar (evento principal). Estas causas pueden incluir fallas mecánicas, problemas eléctricos o el motor simplemente está quemado. Estos elementos son conocidos como eventos intermedios y están vinculados al evento principal mediante una puerta lógica OR. Esto significa que la puerta lógica se activará si cualquiera de los tres eventos intermedios se activa.

Igualmente, este patrón se repite con los eventos intermedios de niveles inferiores, llevando a la identificación de eventos básicos que corresponden a componentes específicos del motor eléctrico. Cabe resaltar que el evento de "motor quemado" se configura como un evento de transferencia, ya que los eventos intermedios subsiguientes no se pueden contemplar en la misma visualización.

Es por ello que a continuación, se presenta el evento de motor quemado por separado a través de un evento de transferencia.

Evento Principal 2: Motor sobrecalentado

El sobrecalentamiento en un motor eléctrico puede ocurrir debido a una serie de factores que generan un aumento excesivo de temperatura en sus componentes. Estos factores pueden incluir una corriente eléctrica excesiva, fricción excesiva en partes móviles, falta de adecuada ventilación, condiciones ambientales adversas y problemas en el suministro eléctrico, entre otros.

Estas condiciones pueden provocar un aumento en la resistencia y la pérdida de eficiencia en el motor, lo que finalmente resulta en un aumento peligroso de la temperatura y potencialmente en un sobrecalentamiento.

Enseguida, se presenta el FTA para este evento.

¿Cuáles son las ventajas de utilizar el Análisis de Árbol de Fallas (FTA)? 

El FTA es un método descendente que se puede utilizar para analizar los efectos de una sola falla en un sistema. A continuación, se presentan algunas de las otras ventajas de utilizar el análisis del árbol de fallas.

• Reduce la causa de un evento de falla, lo que ahorra tiempo y dinero en la búsqueda de la causa raíz.

• Identifica formas de mitigar las consecuencias de una falla antes de que ocurra. Por ejemplo, si estás rediseñando la adaptación del motor eléctrico a un proceso, puedes utilizar el análisis de árbol de fallas para determinar qué sucedería si ocurren fallas específicas y cómo podrían evitarse. Utilizando esta información, podrías descubrir cómo evitar que esas fallas ocurran en primer lugar.

• Ayuda a determinar qué fallas son más propensas a ocurrir, lo que te permite enfocar tus esfuerzos en prevenir esas fallas primero.

• Identifica modos de falla comunes en múltiples sistemas o productos (como componentes similares), lo que puede ayudarte a determinar dónde son más necesarios los cambios de diseño.