Prueba de carrera parcial en la válvula (PVST)

La prueba de carrera parcial se utiliza en las Funciones Instrumentadas de Seguridad (SIF) para diagnosticar fallos en la válvula sin tener que parar el proceso. El problema de las válvulas de corte en SIFs de baja demanda es que permanecen en una posición (abierta o cerrada) durante muchos meses, sin que sepamos si van a funcionar correctamente cuando se demande la actuación de la SIF. Con la prueba de carrera parcial lo que hacemos es mover la válvula un pequeño porcentaje de su carrera  (entre 5 a 20%), sin perturbar apenas al proceso.

La prueba PVST no sustituye a la prueba de carrera total (“Full Stroke Test”) que debemos realizar de forma periódica.

¿Qué porcentaje de fallos podemos detectar con la prueba de carrera parcial?

Dependiendo de cómo hagamos la prueba los fallos detectados pueden variar entre el 15 y el 80%. El Informe Técnico de ISA TR96.05.01 (Partial Stroke Testing of Automated Valves) nos muestra algunos ejemplos de la efectividad de esta prueba (el término “Diagnostic Coverage” que podemos traducir como “cobertura de diagnóstico” es el porcentaje de fallos peligrosos detectados por los diagnósticos):

NivelTipo de PVST% fallos detectados
(sólo con PVST)
1PVST sin instrumentación (se realiza la prueba con inspección visual)15%
2PVST con medición del tiempo de carrera 40%
3PVST con instrumentación en el actuador (se monitoriza la relación entre la presión y la posición proporcionada por la instrumentación del actuador con objeto de detectar la degradación de la válvula).60%
4PVST con sistema de monitorización de condición externo (incluye sensores y dispositivos de acquisición de datos instalados en la válvula y actuador, como sensores de par, presión, posición, así como sensores acústicos y de caudal para detectar fugas con válvula cerrada). Puede también realizarse de forma automática una Prueba FST (Full Stroke Test) sin parada del proceso si el tipo de montaje y de proceso lo permite.80%
prueba de carrera parcial

El inconveniente de la Prueba de Carrera Parcial es el riesgo de que se produzca un fallo espúreo, es decir, un fallo que produzca la parada no deseada del proceso. Esto puede ser debido a diferentes causas, por ejemplo:

-Exceso de carrera de la válvula (se puede evitar con topes mecánicos).

-Exceso de par en el vástago (superior al máximo par permitido en el eje – M.A.S.T.)

-Fallo de alguno de los componentes utilizado para la prueba PST.

Error habitual al utilizar la prueba PVST

En la tabla siguiente mostramos valores extraidos de Certificados SIL de varios fabricantes. En la columna “Diagnostic Coverage” vemos el porcentaje de fallos peligrosos detectados si implementamos la prueba de carrera parcial (PVST). Es importante darse cuenta de que el parámetro Cpt (“Coverage of Proof Tests”), que mide el porcentaje de fallos peligrosos detectados en las pruebas manuales de mantenimiento (“proof tests”), disminuye cuando realizamos la prueba PVST de forma automática, pues una parte de los fallos DU son detectados por la prueba PVST.

partial valve stroke test

Veamos esto con un ejemplo sencillo. Supongamos que la tasa de fallos peligrosos no detectados es 442 FITs (fallos por hora x 10-9). Si las pruebas manuales fueran perfectas (Cpt=100%) detectaríamos todos estos fallos. El fabricante de la válvula nos recomienda realizar cada año una serie de pruebas (prueba FST, inspección visual y, si fuera el caso, prueba de fugas) para detectar el 55% de los fallos, es decir, hay 199 fallos que no detectamos (442 x 45% = 199).

partial valve stroke test

Si implementamos la prueba PVST de forma automática entonces 162 de los fallos DU se convierten en fallos DD (“Dangerous Detected”), y por tanto, después de la prueba PVST nos quedarán 280 fallos peligrosos DU (“Dangerous Undetected”). Si realizamos cada año las mismas pruebas recomendadas por el fabricante entonces detectaremos un 29% adicional, es decir, 81 fallos (280 x 29% = 81). Por tanto, tendremos 199 fallos peligrosos no detectados ( 280-81=199) ni por la prueba PVST ni por las pruebas funcionales manuales (FST, inspección visual).

Es un error muy habitual no reducir, o incluso subir, el valor de Cpt cuando calculamos la Probabilidad de Fallo (PFDavg) con prueba de carrera parcial, es decir, utilizar 55% en vez de 29% en el ejemplo anterior. Hay que darse cuenta que si las pruebas funcionales periódicas (“proof tests”) son las mismas, los fallos totales detectados (bien con la prueba PVST o con la FST) son más o menos los mismos.

Por tanto, el beneficio que nos da la prueba PVST es pequeño en cuanto a Probabilidad de Fallo, pero nos aporta una detección temprana de algunos fallos del elemento final, de forma que puedan repararse para que la SIF esté disponible si es requerida. Por otro lado, tiene un impacto positivo sobre el valor de SFF (“safe failure fraction”).

En la siguiente imagen vemos los cálculos realizados con SILcet. Hemos supuesto Beta=5% y TI=1 año.

Caso 1: no se realiza la prueba PVST. Utilizamos Cpt=73% calculado con los valores proporcionados por los fabricantes de cada elemento (válvula, actuador y solenoide).

Caso 2: realizamos la prueba PVST cada 30 días y consideramos Cpt=42% calculados con los valores Cpt indicados por los fabricantes de cada elemento. Como tiempo de detección del fallo suponemos el peor de los casos (30 x 24 = 720 horas).

Caso 3: hay prueba PVST pero utilizamos los valores Cpt del caso 1. El valor de PFDavg es muy superior y válido para SIL-3.

Caso 4: hay prueba PVST y suponemos un valor de Cpt del 90%. En general, esto no es correcto si las pruebas funcionales periódicas (“proof tests”) son las mismas que en los casos 1 y 2.

partial valve stroke test

Conclusión

La prueba PVST es un complemento a la prueba FST recomendada por los fabricantes de válvulas y actuadores. Su beneficio principal es la detección temprana de problemas, y no tanto su impacto sobre la Probabilidad de Fallo (PFDavg), aunque hay que analizar cada caso, especialmente en el caso de servicios severos. En estos casos, el hecho de realizar cualquier prueba en condiciones reales de operación es sin duda positivo y podemos detectar fallos indetectables de otra forma.

Si implementamos una prueba de carrera parcial más sofisticada, con dispositivos específicos para ello, y que además mejoran también la prueba de carrera total (FST), entonces sí que reduciremos el número final de fallos no detectados, y por tanto el valor de PFDavg será claramente menor.

La prueba PVST puede utilizarse como herramienta de diagnóstico (ver ejemplos anteriores), o como parte de las pruebas funcionales manuales (“proof tests”) para aumentar el intervalo de pruebas TI (ejemplo: se realiza la prueba PVST cada 30 días, y la prueba FST cada 2 años).

Enlaces relacionados:

Video: PVST demonstration

http://functionalsafetyinsights.blogspot.com/2017/12/calculating-proof-test-effectiveness.html