Relazioni fondamentali dell’affidabilità

In un precedente articolo abbiamo seguito i primi passi e l’evoluzione dell’affidabilità, sviluppata con lo scopo di fornire metodi per valutare se un prodotto o un servizio sarà funzionante per la durata in cui l’utilizzatore lo richiederà. Vediamo gli aspetti collegati a guasti, sicurezza, qualità e costi.

La definizione più completa di affidabilità di un impianto indica la probabilità per un elemento o un sistema di eseguire una specifica funzione senza guastarsi, sotto specifiche condizioni operative e ambientali e a un dato istante oppure per un prefissato intervallo di tempo. Si noti che l’affidabilità è una probabilità: non è quindi una grandezza deterministica, calcolabile in modo esatto con formule analitiche, ma piuttosto una variabile casuale, il cui valore può essere previsto solo attraverso considerazioni di tipo possibilistico.

Ricordiamo che si indica col termine guasto “la cessazione della attitudine di un dispositivo ad adempiere alla funzione richiesta” (norma UNI 9910), ovvero una variazione delle prestazioni del dispositivo che lo renda inservibile per l’uso al quale esso è destinato. In questi termini risulta guasto anche un dispositivo che non esegua correttamente la funzione per la quale è stato progettato. Ad esempio, una stampante che non stampa è certamente guasta, ma si può ritenere guasta anche una stampante che stampa i caratteri deformandoli o sporcando i fogli. In questo senso possiamo distinguere tre tipi di guasto:
1. guasti parziali, che determinano una variazione delle prestazioni del dispositivo tali da non compromettere del tutto il funzionamento, ma con degrado delle prestazioni o perdita di qualità del prodotto;
2. guasti totali, noti anche col termine di avarie, che causano una variazione delle prestazioni del dispositivo tale da impedirne del tutto il funzionamento;
3. guasti intermittenti, dovuti ad una successione casuale di periodi di guasto e di periodi di funzionamento, senza che ci sia alcun intervento di manutenzione: esempio tipico è il blocco di funzionamento di un computer, che riprende a funzionare dopo essere stato riavviato.

Occorre precisare che la condizione di guasto si riferisce in generale al solo dispositivo preso in esame: se tale dispositivo è inserito in un sistema più complesso, il suo guasto può anche non causare il guasto dell’intero sistema, pur avendo effetti negativi sulla sua affidabilità. Ad esempio: un guasto meccanico al motore rende inservibile un’automobile, mentre se si guasta il tachimetro l’automobile continua a funzionare, anche se non riusciamo a sapere a che velocità stiamo procedendo. In questo caso possiamo distinguere fra guasti di primaria importanza, che riducono la funzionalità dell’intero sistema del quale fanno parte (guasto al motore), e guasti di secondaria importanza, che non riducono la funzionalità dell’intero sistema del quale fanno parte (tachimetro rotto). Ancora più gravi dei guasti di primaria importanza sono i guasti che rappresentano un rischio per l’incolumità delle persone e che possiamo definire guasti critici. Ad esempio, il guasto dell’impianto frenante di un autoveicolo può mettere in serio pericolo la vita dei passeggeri e quindi si può considerare a pieno titolo guasto critico.

Distribuzione dei guasti

Un’altra classificazione che riguarda i guasti è quella che distingue tre tipologie di problema in base alla loro distribuzione durante la vita di una famiglia di componenti uguali e nelle stesse condizioni operative e ambientali:
• guasti infantili: avvengono nel primo periodo di vita dei componenti detto periodo di rodaggio; la probabilità che si verifichino decresce gradualmente. La natura di questi guasti è legata a difetti intrinseci dei componenti, che non sono emersi durante i collaudi; in presenza di una buona progettazione sono dovuti essenzialmente ad errori di costruzione e principalmente di montaggio; il periodo durante il quale si manifestano i guasti di questo tipo può variare da poche decine ad alcune centinaia di ore di funzionamento;
• guasti casuali: sono quelli che si verificano durante l’intera vita dei componenti e presentano una probabilità di verificarsi indipendentemente dal tempo; sono dovuti a fattori incontrollabili che neanche un buon progetto ed una buona esecuzione possono eliminare;
• guasti per usura: sono quelli che si verificano solo nell’ultimo periodo di vita dei componenti e sono dovuti a fenomeni di invecchiamento e deterioramento; perciò la loro probabilità di accadimento cresce al passare del tempo.

Se consideriamo una popolazione di componenti nuovi, tutti uguali, non riparabili e li facciamo funzionare tutti nelle medesime condizioni operative e ambientali, a partire dallo stesso istante, è possibile tracciare un diagramma che riporta, in funzione dell’età dei componenti, l’andamento del tasso di guasto istantaneo degli stessi. Tale funzione rappresenta la frequenza con la quale si guastano i componenti e si misura in numero di guasti, rapportato al numero di componenti ancora in vita, per ora di funzionamento. Il diagramma assume una caratteristica forma a “vasca da bagno” (bathtub curve), che consente di visualizzare in modo chiaro la precedente classificazione in guasti infantili, casuali e per usura. Il periodo dei guasti infantili corrisponde al tratto iniziale della curva (detto anche periodo di rodaggio), al quale corrisponde un tasso di guasto decrescente: la frequenza dei guasti, che inizialmente è elevata perché si guastano tutti quei componenti che risultano più deboli a causa di errore di costruzione o di montaggio, tende a decrescere rapidamente e si stabilizza su un valore minimo. Questo valore minimo del tasso di guasto si mantiene pressoché costante per un intervallo di tempo al quale si dà il nome di vita utile, caratterizzato da guasti solo di tipo casuale. Il periodo di vita utile dei componenti si può considerare concluso quando cominciano ad intervenire i fenomeni di usura, a causa dei quali la frequenza dei guasti tenderà ad aumentare, mettendo rapidamente fuori uso tutti i componenti sopravvissuti ai precedenti periodi di esercizio. La curva evidenzia che, durante il periodo di rodaggio, non sono presenti solo guasti infantili, ma anche guasti di tipo casuale, i quali si sovrappongono ai precedenti; allo stesso modo nel periodo finale dei guasti per usura, a questi si sovrappongono ancora i guasti di tipo casuale.

Affidabilità e sicurezza

In ambito industriale, per motivi economici occorre garantire la continuità di funzionamento degli impianti di produzione; ma anche per motivi etici oltre che economici, occorre garantire la qualità dei prodotti e del funzionamento in sicurezza sia degli impianti sia dei prodotti stessi. L’analisi di affidabilità risulta particolarmente utile in quelle tipologie impiantistiche che utilizzano sostanze pericolose (impianti soggetti a rischi di incidenti rilevanti, che possono coinvolgere anche aree adiacenti agli stabilimenti produttivi), per valutare la probabilità che il guasto di un componente o di un sistema di sicurezza possa determinare una sequenza incidentale, con gravi conseguenze sull’incolumità delle persone.

Anche in impianti che non sono soggetti a rischio di incidente rilevante, un’analisi di affidabilità può avere benefici effetti sulla sicurezza, per esempio per garantire l’incolumità del personale addetto ad operazioni critiche (sostanze pericolose o macchinari particolari) o per valutare l’affidabilità delle procedure operative normali e di quelle di emergenza.

 

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