Concevoir pour la fiabilité au début d'un projet conduira à une opération réussie.

Un œil vigilant: un étudiant identifie les échecs de conception systémique dans les systèmes de caméras

Pendant des décennies, les mégaprojets de chaque industrie ont été conçus pour fournir des fonctionnalités ou de la valeur spécifiques avec la livraison et la mise en service comme objectif final. Les grands projets de traitement et de raffinerie, tels que la construction de nouvelles plates-formes pétrolières, d’usines de traitement ou d’exploitation minière, sont généralement considérés comme des mégaprojets et partagent les mêmes objectifs finaux.

La gestion de projet se concentre sur le contrôle du calendrier, de la portée et du budget pour atteindre les objectifs de livraison. Cependant, le taux de réussite de l’approche de gestion de projet a été inférieur aux attentes et ne montre aucun signe d’amélioration.

Les mégaprojets ont changé au fil des ans en raison de la technologie actuellement disponible, des paysages financiers et des problèmes environnementaux. Un exemple qui a touché l’industrie pétrolière et gazière a été lorsque le prix du pétrole a coûté des centaines de dollars le baril. À cette époque, les compagnies pétrolières avaient confiance dans leurs investissements dans les mégaprojets. L’implosion des prix du marché en 2014 pour un baril de pétrole a entraîné un changement pour l’industrie du pétrole et du gaz. Des arguments parallèles en faveur de l’exploitation minière étaient apparus quelques années plus tôt, la valeur du minerai ayant également chuté dans la plupart des régions du monde. Par conséquent, de nombreux projets d’immobilisations ont dû être revus lors de l’introduction de mesures de réduction des coûts.

Des raisons impérieuses de changement affectent tous les types d’industries à un moment donné de leur cycle de vie. Par exemple, il est devenu clair que de nouveaux modèles d’exploitation plus mûrs étaient nécessaires dans les secteurs de l’aviation, de l’automobile et de l’acier. Une façon de s’assurer que les industries étaient rentables était de renforcer la résilience au début du projet et d’éliminer de nombreux problèmes de fiabilité et d’exploitation dès le début et tout au long de son cycle de vie d’exploitation. Les prix du pétrole se stabilisant après le crash, les opérateurs sont désormais obligés de penser différemment en matière d’investissement dans les mégaprojets.

Concevoir pour la fiabilité au début d’un projet est essentiel pour une opération plus fiable, résiliente et réussie. L’inclusion d’un actif numérique est la clé d’une performance soutenue du cycle de vie des actifs, et l’incorporation de marges d’exploitation peut aider à prévenir les défaillances inattendues pendant le fonctionnement.

Concevoir pour la fiabilité au début d’un projet conduira à une opération réussie.

Défaillance dans le pétrole et le gaz

Une grande partie des infrastructures de raffinage et de traitement dans le monde, en particulier dans le pétrole et le gaz, a été construite à la fin des années 1960 et au début des années 1970. Bien qu’il existe des exceptions, bon nombre de ces actifs sont toujours exploités bien au-delà de leur durée de vie nominale (entre 30 et 40 ans) et de leur niveau d’exploitation. La documentation, si elle existe, est susceptible d’être inaccessible et inexacte.

De nombreuses régions du monde souffrent d’un déficit d’investissement où la croissance économique a dépassé l’investissement dans les infrastructures. L’industrie pétrolière et gazière est réputée pour être technologiquement en retard sur d’autres industries, ce qui aggrave encore plus le manque d’informations – en particulier la capacité d’accéder à des informations utilisables.

Chaque fois qu’un actif produit un flux de valeur inférieur à celui prévu, une défaillance se produit. Si une perceuse ou une pompe entraîne des problèmes de production ou de disponibilité, l’actif tend vers l’échec. Si la qualité de fabrication d’une pièce d’équipement est inférieure aux normes, entraînant des réparations fréquentes entraînant des arrêts planifiés et imprévus, elle est considérée comme un échec. Les actions correctives réactives entraînent une augmentation des coûts de maintenance quel que soit le type de panne survenu.

Qu’il s’agisse de fuites de pipelines entraînant des problèmes de sécurité et d’environnement ou de défaillances de pompes, les défaillances du résultat final peuvent coûter des millions de dollars aux entreprises. Les défaillances dues au vieillissement peuvent entraîner des temps d’arrêt imprévus qui affectent la réputation, les investisseurs et le service client, entraînant des clients insatisfaits et une publicité négative. L’incapacité à atteindre la valeur attendue signifie que l’actif n’est pas fiable et manque de résilience; il ne fonctionne pas comme prévu et les avantages d’investissement ne sont pas obtenus.

L’époque où la réglementation sur le recouvrement des coûts permettait une ingénierie excessive et où la norme de performance signifiait investir plus d’argent dans le problème est révolue. Les projets de mise à niveau et de remplacement doivent être conçus avec des tolérances plus étroites, tout en étant fiables et résilients, pour répondre aux attentes plus élevées des clients les plus intelligents d’aujourd’hui. L’intégration de la déclaration de valeur initiale de l’actif et la mesure par rapport à ce niveau de référence tout au long de sa vie est devenue une exigence essentielle d’une organisation mature. L’échec n’est pas une option.

Concevoir pour la fiabilité et la résilience

La conception de la fiabilité et de la résilience prend une perspective de dépenses totales (TOTEX). Un terme initialement inventé par Ernst & Young, TOTEX est la somme des dépenses en capital et des dépenses opérationnelles (CAPEX et OPEX). La conception pour la fiabilité déplace le centre d’intérêt d’une vision myope de la création de l’enregistrement d’actif de raffinage et de traitement au moment de la construction, voire de la mise sous tension, à la prise en compte de l’ensemble du cycle de vie de l’actif. Il s’agit de la création d’une vision à pleine vue de l’actif sur toute sa durée de vie. À tout moment, un enregistrement numérique dans un environnement de données connecté est disponible pour informer avec intégrité et précision de ce que l’actif était censé faire et de ce qui a été fait avec l’actif (et jusqu’à l’actif) jusqu’à présent.

La conception de la fiabilité est centrée sur les actifs plutôt que sur les documents. Bien que l’accent soit mis sur des milliers d’actifs qui composent un système, les défaillances du système – qui sont tout aussi difficiles à maintenir et à réévaluer que les actifs individuels – doivent également être prises en compte. Le niveau de préparation pris après l’ouragan Katrina a frappé le golfe du Mexique est un excellent exemple de défaillance du système.

Dix ans plus tard, une tempête encore plus violente a frappé la région sous la forme de l’ouragan Harvey. Bien que les tempêtes elles-mêmes n’aient pas causé beaucoup de dommages aux actifs des raffineries, l’inondation a été un problème majeur car elle a provoqué des pannes d’électricité. La perte d’électricité, qui est nécessaire pour faire fonctionner les raffineries, a touché les sociétés pétrolières, ce qui a entraîné une déconnexion de 22% de la production de pétrole du golfe pendant deux à trois jours.

On pourrait soutenir que ces événements sont aléatoires; la science des données nous dirait que les événements aléatoires ne sont que des éléments de l’entreprise qui ne sont pas mesurés ou ne sont pas entièrement compris. Cependant, étant donné que la saison des ouragans est un événement annuel et compte tenu du coût global (humain, environnemental et financier), il serait négligent de ne pas préparer et intégrer ces réalités dans le modèle de gestion des actifs.

La création d’un actif numérique, ou d’un modèle d’information sur les actifs numériques qui permet des flux de travail numériques, est une première étape intégrale dans la conception de fiabilité et processus de résilience. Il y a peu de choses aussi durables dans le cycle de vie d’un actif ou d’une installation que son modèle d’information sur l’actif, y compris l’actif physique lui-même. Alors que les concepteurs, le personnel d’exploitation, les technologies et les applications logicielles vont et viennent, le modèle d’informations sur les actifs continue de fournir des informations précises, opportunes et pertinentes aux travailleurs qui exploitent le réseau et les actifs associés de manière efficace et sûre.

La structure des informations ne change pas beaucoup, mais les informations sur l’actif numérique sont le fil d’or qui relie la création de l’actif à son déclassement final. En fait, pour une grande partie des informations, même le déclassement ne marque pas la fin du cycle de vie des informations. Il existe d’innombrables types de documents et d’informations techniques qui, selon la nature de l’actif, doivent être conservés pour des raisons juridiques pendant des années après la fin du cycle de vie de l’actif.

La définition de la fonction de l’actif à l’actif permet de définir les bases de conception applicables, la marge de conception et opérationnelle, ainsi que les modes de défaillance associés. L’effet et les conséquences de l’incapacité de fonctionner conformément à la conception peuvent justifier une refonte ou, en cas de conséquences pour la sécurité ou l’environnement, une refonte pourrait être exigée.

En cas d’impact sur le cycle de vie ou d’efficacité opérationnelle, une analyse coûts-avantages peut être requise. Les informations sur le mode de défaillance doivent être fournies sous forme de programme de fiabilité prédéfini. Lorsque nous concevons le modèle d’information en gardant à l’esprit la fin, nous relions les informations de conception, de construction et d’exploitation afin que les actifs puissent être exploités en toute confiance dans leurs marges de conception, de sécurité et d’exploitation. Ces marges sont contenues dans les exigences fonctionnelles du composant, qui est à son tour incarné par la balise d’ingénierie.

À mesure que la conception progresse et que la construction commence, l’actif numérique peut être amélioré avec un modèle 3D du contexte dans lequel les actifs vivront. À l’aide de photographies aériennes et d’autres types de photographies, ainsi que de LiDAR, un modèle 3D de l’actif (par exemple, une usine de transformation) est créé et utilisé pour comprendre et analyser l’impact de la situation réelle dans laquelle l’actif existe, créant une compréhension de la topographie, des structures, des bâtiments, des routes et bien plus encore.

L’incorporation de modèles 3D issus de la photographie aérienne, comme ContextCapture de Bentley, peut aider à comprendre et à analyser l’impact de situations réelles.L’incorporation de modèles 3D issus de la photographie aérienne, comme ContextCapture de Bentley, peut aider à comprendre et à analyser l’impact de situations réelles.

La conception traditionnelle considère le comment, quoi, pourquoi, quand et où un équipement. Pour répondre à ces nouvelles questions, les modèles numériques et la simulation sont utilisés pour concevoir l’actif optimal dans une perspective TOTEX et dans le contexte du monde réel pour optimiser le flux de valeur sur la durée de vie totale de l’actif. L’enregistrement de l’actif est créé au stade de la conception et est soumis à la gestion de la configuration pour le reste de son cycle de vie.

Tout aussi important, l’enregistrement numérique suit l’actif dans sa vie opérationnelle, facilitant l’analyse et les décisions éclairées à mesure qu’il vieillit. La capture de la connaissance du système (sur la façon dont tout fonctionne ensemble) dans un environnement de données connecté pour que les utilisateurs finaux puissent accéder aux opérations et à la maintenance est cruciale pour conserver la valeur conçue.

Le défi consiste à penser le modèle d’information comme une collection continue et évolutive d’éléments d’information connectés, tous structurés pour permettre et soutenir des opérations et des activités de modification efficaces. La richesse des informations, l’interopérabilité et la collaboration rendent possibles les options tout au long du cycle de vie des actifs.

Conception centrée sur la fiabilité

A ses débuts, la fonction de raffinage ou de traitement des équipements est déterminée et documentée ainsi que les critères de performance des actifs. La conception de la fiabilité et de la résilience repose sur l’évaluation des risques au début du processus de conception en posant une question clé: «Quelles sont les conséquences d’une défaillance de l’équipement?» Les conséquences liées à la défaillance incluent la sécurité, l’environnement, la perte de clientèle et les impacts opérationnels tels que les temps d’arrêt.

Avec une estimation de probabilité, le risque peut être défini comme le produit de la conséquence et de la probabilité. La conception de la fiabilité identifie les plans d’action de maintenance pour réduire les conséquences des pannes, minimiser les impacts des pannes et plus encore. Les plans d’action de maintenance sont des actions prescrites pour identifier les écarts d’actifs (inspections) ou les plans correctifs, de rénovation et de remplacement qui permettent à l’actif de continuer à fournir de la valeur.

La connaissance des méthodes d’analyse des risques, des stratégies d’identification des défaillances et des stratégies d’intégrité et de dégradation des actifs en amont et en aval permet de réaliser des simulations pour déterminer la stratégie optimale d’atténuation des risques basée sur la tolérance au risque par rapport aux coûts. Traçage risque contre coût au stade de la conception est le plus proactif processus d’optimisation de la valeur des actifs TOTEX.

Conception de processus de fiabilité et de résilience.Conception de processus de fiabilité et de résilience.

Définition de la marge

La conception de la fiabilité et de la résilience établit une référence de performance pour les actifs et sert d’enregistrement de la performance de conception attendue de l’actif. La disponibilité de cette base de référence au début de la phase opérationnelle de l’actif permet de documenter et de communiquer aux parties prenantes les écarts opérationnels par rapport aux valeurs fonctionnelles prévues de l’actif.

La gestion des marges consiste à être conscient des écarts par rapport à chacun des points de départ indépendants (lignes de base) à chacune des phases de conception, de construction, de mise en service et d’exploitation. Le processus de mesure du changement de marge (dégradation) permet des actions de maintenance proactives et appropriées pour restaurer la sortie à une valeur dans une plage acceptable.

Gestion de la marge de vie entière.Gestion de la marge de vie entière.

La base de référence des performances définit un ensemble de plages de fonctionnement allant de la capacité maximale (éventuellement définie par un critère de fonctionnement ou par le biais de tests) à la limite de conception à la limite de fonctionnement et, enfin, à la défaillance fonctionnelle. L’ensemble constitue l’enveloppe de performance de l’actif et permet de répondre à la question: «Suis-je en train d’obtenir la valeur que j’attendais de mon investissement?»

Prenons un exemple de pompe à vis: le processus de conception établit une limite de fonctionnement de la pompe à vis de 880 gallons américains par minute (USgpm); cependant, la plage de fonctionnement normal du transformateur est de 550 à 700 USgpm. La limite de conception fonctionnelle constitue une tolérance marginale pour un fonctionnement excessif sans défaillance. Le transformateur peut être capable de fonctionner réellement au-dessus de la limite de conception, disons 900 USgpm ou plus, bien que le point de défaillance de la charge maximale ne soit pas prédéterminé et qu’un fonctionnement au-delà de la limite de conception comporte des risques.

Dans la figure ci-dessous, la limite de conception est la ligne de base de mise en service, 880 USgpm. Telle que mise en service, la capacité analysée et testée peut être hypothétiquement de 800 USgpm, mais toujours supérieure à la limite de fonctionnement de 550 à 700 USgpm. L’inspection peut détecter une défaillance qui abaisse la limite supérieure à 780 USgpm, tout en restant au-dessus des exigences fonctionnelles pour les opérations.

Cette déviance est toujours documentée dans le dossier de la pompe dans le cadre du processus de gestion des changements du cycle de vie, ainsi que dans toutes les procédures de test ou de maintenance entreprises. À un certain point, la capacité de fonctionnement peut tomber à 550 USgpm ou moins, en dessous de l’exigence fonctionnelle, à quel point le transformateur doit être réparé, remplacé ou déclassé.

Gestion des marges: un exemple pratique de pompe à vis.Gestion des marges: un exemple pratique de pompe à vis.

Le processus d’inspection qui détecte les écarts d’exploitation et les plans d’action de maintenance déclenchés par l’inspection est considéré comme une gestion des marges dans le but d’éviter les défaillances fonctionnelles imprévues.

La défaillance aléatoire ou courbe P-F de la pompe à vis.La défaillance aléatoire ou courbe P-F de la pompe à vis.

Pratiquée sur l’ensemble du cycle de vie de l’actif, ou dans ce cas de la pompe, la gestion des marges permet une assurance progressive et continue des performances. À chaque étape du cycle de vie des actifs, les mesures représentent un instantané qui est comparé à la référence de performance initiale. Les variations des informations entre les étapes du cycle de vie des actifs sont des deltas de performances qui doivent être examinés et compris davantage.

Ajouter du contexte à la réalité

Les concepts d’un modèle d’information numérique persistant et axé sur les actifs et d’un flux de travail numérique sont des éléments essentiels pour assurer le succès et maximiser les performances. Au fur et à mesure qu’un actif progresse de la conception à la construction et aux opérations, le modèle devient plus précieux car il est entièrement rempli d’informations de conception complètes, de données de construction et, enfin, de données de mesure.

Surtout, il est désormais possible de générer encore plus de valeur dans le modèle d’informations sur les actifs lorsqu’il est associé à une représentation visuelle 3D très réaliste de l’actif physique dans son contexte réel; un jumeau numérique, ou une représentation virtuelle complète de l’actif réel, peut être créé. Lors de la conception, le modèle d’ingénierie numérique est une capacité puissante, offrant aux concepteurs et aux ingénieurs la possibilité d’interagir virtuellement avec l’actif pour mieux comprendre l’emplacement et l’environnement dans lequel il opère.

Pendant la construction, le modèle numérique continue d’être mis à jour, permettant aux ingénieurs de rester étroitement informés des progrès. Cette transparence et cette visibilité les aident à comprendre et à résoudre les problèmes s’ils surviennent, souvent sans avoir besoin de visiter le chantier de construction.

Lorsque l’actif entre dans la phase opérationnelle, les mesures des capteurs ajoutent des informations opérationnelles au modèle et un historique opérationnel est enregistré. À ce stade, le modèle est devenu un jumeau numérique complet, offrant aux concepteurs, ingénieurs et opérateurs un aperçu détaillé de la manière dont il atteint ses objectifs opérationnels.

Le jumeau numérique fournit également une rétroaction dans le processus de conception global pour une amélioration continue de la conception pour la fiabilité et la résilience. En tant que représentation numérique, il permet l’analyse et les tests sans nécessiter d’interaction avec l’actif physique lui-même. De même, des scénarios de simulation peuvent être étudiés, le personnel peut être formé et des simulations peuvent être exécutées, le tout dans un environnement virtuel.

Ensemble, la conception TOTEX, la gestion des marges et le modèle d’information sur les actifs numériques changent la donne pour l’optimisation de la valeur du projet, ainsi que pour la refonte, l’analyse de fin de vie, les réclamations de garantie, la détermination de l’adaptation à l’usage et plus encore.

Les données de référence et de marge doivent être saisies tout au long de la vie de tous les équipements importants, de la conception à la fin de vie, pour fournir une performance précise de l’usine ou du champ dans son ensemble.

La numérisation – création de l’actif numérique – est essentielle pour aller de l’avant. Une transformation numérique est en cours, entraînée par un ensemble émergent de technologies de rupture. Ces technologies ont un impact significatif sur la façon dont les actifs d’infrastructure sont conçus, construits, entretenus et exploités. De nouvelles solutions, applications et plates-formes qui prennent en charge le Big Data, l’analytique, le cloud computing, l’Internet industriel des objets (IIoT), la mobilité, le balayage laser et la modélisation virtuelle convergent pour combiner le physique avec le numérique.

Le «fil numérique» relie tous les aspects du cycle de vie des actifs et permet à toutes les parties prenantes de la conception et de la construction techniques et de l’exploitation et de la maintenance de travailler à partir d’un référentiel commun d’informations numériques. À l’avenir, l’accès aux informations fondamentales sera activé via le fil numérique qui connecte l’actif physique et virtuel.

La gestion des marges permet une assurance progressive et continue tout au long du cycle de vie de l'actif.La gestion des marges permet une assurance progressive et continue tout au long du cycle de vie de l’actif.

Commencer en ayant la fin à l’esprit

Les projets de raffinage ou de processus réussis se produisent lorsque les dépenses totales sur l’ensemble du cycle de vie du projet sont prises en considération. La conception de la fiabilité et de la résilience commence par une vue individuelle des actifs du berceau à la tombe. Cette méthodologie renforce la fiabilité de l’actif en tenant compte des modes de défaillance possibles et en fournissant des plans d’action de maintenance corrective qualifiés par la tolérance au risque.

En outre, une référence de performances pour l’actif est définie au stade de la conception. Un enregistrement numérique axé sur les actifs est établi lors de la conception, et non lors de la mise en service, et est amélioré pendant la phase de construction pour le transfert aux opérations. À l’aide de plusieurs types de données d’enquête, un modèle 3D visuellement réaliste est développé conjointement avec l’enregistrement numérique de l’actif. L’écart entre CAPEX et OPEX est comblé par la remise de l’enregistrement numérique complet du projet aux opérations.

En phase opérationnelle, l’acquisition de données de capteurs permet au modèle de devenir une véritable représentation numérique du système réel, soutenant ainsi l’analyse, l’apprentissage automatique et d’autres approches prédictives pour mieux comprendre et optimiser les performances opérationnelles des actifs. La même chose peut être dite en tirant parti de l’IoT, du Big Data et de l’analyse prédictive, ainsi que de la mobilité et de la technologie cloud – ils doivent tous être intégrés dans la phase de conception. En fait, plus le système est complexe, plus il est important de commencer à réfléchir et à concevoir tôt.

Le fait de ne pas tenir compte d’une représentation numérique et de la façon dont elle peut être utilisée pour améliorer la fiabilité, la résilience, les performances et l’efficacité du système entraînera des performances sous-optimales tout au long du cycle de vie du système et des actifs individuels, entraînant un coût total de propriété beaucoup plus élevé que celui-ci. devrait être. Il est impératif de s’assurer que la conception a les bonnes capacités au début. Tirer parti de la fiabilité dans la phase de conception d’un équipement est tout aussi important que d’intégrer la fiabilité dans la conception et la mise en page d’un projet.

L’utilisation de produits issus du portefeuille de conception et de modélisation de Bentley pour accélérer la conception et la prise en compte d’AssetWise de Bentley pour concevoir la fiabilité et gérer les performances des actifs entraîneront une opération plus résiliente.

David Armstrong est directeur du développement commercial de Bentley Systems.

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