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CONSTRUCTION D’UNE MÉTHODOLOGIE DEDÉFINITION DE LA MAINTENANCE BASÉE SUR

LES RISQUES (RISK-BASED MAINTENANCE)A Berlatier, Abdelmalek Abdesselam

To cite this version:A Berlatier, Abdelmalek Abdesselam. CONSTRUCTION D’UNE MÉTHODOLOGIE DE DÉFINI-TION DE LA MAINTENANCE BASÉE SUR LES RISQUES (RISK-BASED MAINTENANCE).Congrès Lambda Mu 21 “ Maîtrise des risques et transformation numérique : opportunités et menaces”, Oct 2018, Reims, France. �hal-02074929�

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21e Congrès de Maîtrise des Risques et Sûreté de Fonctionnement λµ21 Reims 16-18 octobre 2018

CONSTRUCTION D’UNE MÉTHODOLOGIE DE DÉFINITION DE LA MAINTENANCE BASÉE SUR

LES RISQUES (RISK-BASED MAINTENANCE)

A. BerlatierGRTgaz, Research and Innovation Center for Energy

361 av. du Président Wilson 93210 Saint-Denis La Plaine

A. AbdesselamGRTgaz, Direction Technique

6 rue Raoul Nordling 92277 Bois-Colombes Cedex

RésuméDes travaux menés par GRTgaz ont contribué, au travers de

modélisations innovantes (réseaux de Pétri, modèles de maintenance imparfaite) à montrer que l’espacement despériodicités de maintenance de certains actes permettait de

diminuer les coûts sans dégrader la disponibilité des stations de compression. Mais ces travaux d’optimisation ont exclu de nombreux autres aspects tels la sécurité industrielle, le facteur

humain, la gestion des stocks, l’obsolescence etc. Ainsi, leséquipements intervenants dans des barrières de sécurité n’ont pas pu être pris en compte dans ces études.

Le développement d’une approche de maintenance basée surles risques (Risk-Based Maintenance ou RBM) constitue une

alternative intéressante à la maintenance systématique, dans la mesure où elle vise à s’adapter aux risques en évitant dessurcoûts.

Summary By innovative modeling (stochastic Petri nets with

predicates, virtual age model), old GRTgaz studies proposed alternative periods of preventive maintenance actions supposed to reduce the frequency of undesired

events and costs. However, this work ruled out others aspects : industrial safety, human and organizational factors, obsolescence etc.

The development of a Risk-Based Maintenance (RBM) approach is an interesting alternative to a planned

preventive maintenance. In fact, RBM aims to adapt the maintenance to the risks and reduce costs.

1. IntroductionGRTgaz est un transporteur de gaz naturel qui assure la gestion et le développement d’un réseau de canalisations sous haute pression sur le territoire français. Ce réseau

comporte notamment : - des canalisations qui acheminent le gaz naturel ;- des stations de compression qui permettent de

maintenir une pression suffisante dans lescanalisations ;

- des postes de détente qui assurent la livraison du

gaz vers la distribution publique ou bien desconsommateurs industriels.

Dans le cadre de ses activités, le Research and Innovation Center for Energy de GRTgaz (RICE) utilise et enrichit des bases de données relatives aux caractéristiques techniques

des ouvrages et aux interventions réalisées sur ceux-ci. Son appui se matérialise notamment par l’exploitation de ces bases pour des études de sûreté de fonctionnement. Cela

en vue d’identifier et de hiérarchiser les ouvrages « critiques » et d’optimiser la maintenance.

En effet, l’enjeu auquel est confronté GRTgaz consiste à tendre vers une maintenance optimale, dans un contexte où les informations sont incomplètes, les ressources

financières limitées et où les défaillances peuvent avoir des conséquences critiques.

Dans ce cadre, des travaux d’optimisation ont déjà été menés suivant une approche coûts / disponibilité (modélisation par réseaux de Petri). Mais de nombreux autres aspects ont été exclus comme la sécurité industrielle,

le facteur humain, la gestion des stocks, l’obsolescence etc. Ces manques ont motivé le développement d’une approche de maintenance basée sur les risques (Risk-Based

Maintenance). Aussi, afin d’adapter véritablement la maintenance aux risques, une approche a été développée

qui s’appuie sur les principales étapes suivantes (cf. Figure 1) :

- Analyse des risques

- Identification des éléments critiques- Caractérisation de la fiabilité- Caractérisation de l’acceptabilité de la défaillance

- Définition des actes et des périodicités

Figure 1 : schéma de l’approche RBM proposée

2. Analyse des risquesLes types de risques identifiés dans l’approche sont :

1. Les risques majeurs : notamment ceux couverts

par les études de danger ;

2. Les risques courants : ceux inhérents aux pièces

de maintenance, à leur obsolescence et à leurdisponibilité ;

3. Les risques humains : la bonne mise en œuvredes procédures d’exploitation et de sécuritérepose en partie sur la non-défaillance des

opérateurs.

Communication 7C /1 page 1/4


3. Identification des éléments critiquesSelon la fonction d’un matériel (est-il intégré dans une

barrière de sécurité ?) et son intégration dans l’architecture de la station (est-il redondé ?), sa défaillance est susceptible d’entraîner des conséquences plus ou moins

graves au niveau de l’installation ou à l’extérieur.

Par ailleurs, il est possible qu’un acte de maintenance ou

bien qu’une erreur opératoire puisse directement entraînerun incident. Cela est en grande partie lié à la fiabilité humaine qui dépend elle-même du contexte de

l’intervention (clarté de la procédure, complexité de l’action, temps disponible pour réaliser l’action, expérience etformation de l’intervenant etc.). Des facteurs humains et

organisationnels, dans certaines conditions, peuvent donc favoriser l’apparition de risques. Ils peuvent également contribuer à la mitigation des risques comme barrière de

sécurité. Dans tous les cas, il convient de quantifier l’impact de la fiabilité humaine sur la fiabilité et la sécurité globale du système.

À tout cela s’ajoutent les problématiques de gestion desstocks et d’obsolescence : la pièce nécessaire à la

réparation d’un matériel est-elle disponible en stock, voire est-elle encore disponible chez le fournisseur ?

L’identification de ces éléments (matériels et facteurs humains) « critiques » est donc primordiale si l’on cherche à mieux adapter la maintenance aux risques.

4. Caractérisation de la fiabilitéEn théorie, la maintenance préventive est censée survenir

avant que la défaillance n’apparaisse. Seulement, la nature aléatoire des processus de dégradation d’un matériel, sesconditions d’utilisation, la complexité du système dans

lequel il est intégré, font qu’il est bien illusoire d’ordonner de manière systématique ces deux instants (celui de la maintenance préventive, et celui de la panne).

La répartition dans le temps du préventif et du correctif étant captée dans la GMAO, il est possible d’émettre une

proposition d’ordonnancement tolérable sur la base de données quantifiées : il s’agit de caractériser la fiabilité desmatériels maintenus pour pouvoir anticiper l’occurrence

future de pannes, et de positionner ainsi le préventif de manière pertinente.

5. Caractérisation de l’acceptabilité de ladéfaillance

Constituant un degré de liberté dans la méthode, le paramètre d’acceptabilité de la défaillance résulte en

général du choix du décideur, selon la gravité des conséquences possibles.

6. Application aux risques majeurs

6.1 Identification des éléments critiques

Comme évoqué précédemment, les risques concernés par l’approche RBM sont multiples. Le focus est porté ici sur les risques majeurs.

Les stations de compression font l’objet d’études de dangers qui analysent les conséquences (en termes

d’effets, de gravité, de cinétique) et les possibilités d’apparition des phénomènes dangereux (incendies, explosions etc.) susceptibles d’engendrer des effets

néfastes (thermiques, de surpression etc.) à l’extérieur de l’enceinte des installations. En d’autres termes, et pour

employer le vocabulaire dédié, l’étude de dangers s’attache à examiner les accidents majeurs potentiels.

Dans le cadre de la méthodologie RBM, les risques majeurs sont donc ceux couverts par les études de dangers. Il s’agit en particulier des ruptures ou brèches de canalisations ou

d’éléments de tuyauterie.

Les équipements critiques identifiés sont alors :

- ceux impliqués dans une barrière de sécurité : ladéfaillance de l’équipement est susceptibled’engendrer la défaillance de la barrière, et de

contribuer au développement d’un phénomènedangereux potentiel ;

- ceux dont la défaillance constitue directement un

évènement initiateur d’un phénomènedangereux.

- ceux susceptibles d’engendrer une indisponibilitéimportante.

L’approche se voulant généralisable sur toutes les stations, plutôt que d’examiner des équipements critiques, il est proposé de cibler plutôt des profils (familles d’équipements)

susceptibles d’être impliqués dans des barrières de sécurité. Se basant sur le schéma proposé par l’INERIS pour les barrières instrumentées de sécurité, les profils

critiques identifiés sont : - pour le bloc « Prise d’information » : des

capteurs ;

- pour le bloc « Système de traitement » : desautomates ;

- pour le bloc « Action » : des robinets et desvannes de sécurité, des pompes, des groupes

électrogènes.

6.2 Caractérisation de la fiabilité

Des taux de défaillance ont été calculés par profil puis par mode de défaillance directement sur le retour d’expérience

GRTgaz.

À titre d’illustration, c’est la loi exponentielle qui est utilisée

ici pour exprimer la probabilité de défaillance des profils critiques considérés (taux de défaillance constant). À noter que cette loi a été appliquée à certains équipements pour

lesquels une étude a montré que le passage du temps n’avait pas d’influence sur le taux de défaillance [R3]. Pour les autres équipements, c’est une loi de Weibul qui a été

utilisée dont les paramètres ont été calés sur le retour d’expérience.

La probabilité de défaillance (Pt) des profils critiques est entièrement décrite au cours du temps t par le taux de défaillance λ (par heure) :

𝑃𝑡 = 1 − 𝑒−𝜆∙𝑡 {1}

Comme évoqué, en première approche, la caractérisation

de la fiabilité des équipements se fait par une loi exponentielle en considérant un taux de défaillance moyen constant (λ). Cela donne la relation suivante avec la durée

moyenne entre deux pannes (MTTF ou Mean Time To Failure) :

λ = 1 𝑀𝑇𝑇𝐹⁄ {2}

Or cette durée suit en réalité une certaine distribution autour de la valeur moyenne (loi du Khi-deux), et rigoureusement,

des simulations (afin de tirer aléatoirement des valeurs de MTTF sur cette loi du Khi-deux) devraient être mises en œuvre dans le cadre de l’expression du taux de défaillance.



Une autre approche, plus conservative, consisterait à prendre la borne supérieure de l’intervalle de confiance à 95%. La prise en compte de ces incertitudes relatives au

taux de défaillance sera étudiée dans le cadre de prochainstravaux.

À noter que le taux λ est actualisé chaque année avec la dernière période de REX écoulée.

6.3 Caractérisation de l’acceptabilité de la défaillanceLa probabilité acceptable de défaillance (Pa) est formulée à

partir de niveaux de confiance NC adaptés de ceux définis par l’INERIS [R1]. Elle donne l’exigence en termesd’indisponibilité moyenne :

𝑃𝑎 = 10−𝑁𝐶𝑎𝑑𝑎𝑝𝑡é {3}

Attention, le NCadapté est estimé selon une approche

d’allocation simplifiée généralisable à toutes les stations de compression, différente de la méthode INERIS. De plus, il est attribué à l’équipement or l’INERIS l’attribue à la barrière

dans son ensemble.

L’exigence est attribuée de la façon suivante :

𝑁𝐶𝑎𝑑𝑎𝑝𝑡é = 𝐸{−𝑙𝑜𝑔(1 − 𝑒−𝜆∙𝑇)} + 1 {4}

Où : E est la fonction partie entière T est la période de maintenance préventive (en heures)

λ est le taux de défaillances par heure, fonction du profil

Pour les stations où les systèmes de sécurité sont redondés, il est proposé de réduire l’exigence :

𝑁𝐶𝑎𝑑𝑎𝑝𝑡é = −𝐸{𝑙𝑜𝑔(1 − 𝑒−𝜆∙𝑇)} {5}

Cette approche donne des exigences compatibles avec les

valeurs présentes dans les études SIL réalisées. Néanmoins, en cas de conflit, c’est bien l’étude SIL envigueur qui fait autorité.

6.4 Définition des périodicités

La maintenance préventive est censée survenir avant que la défaillance n’apparaisse. Comme aucune certitude n’existe sur l’instant de la prochaine panne, et à l’instar de

ce qui est proposé pour le choix des instants de maintenance d’ouvrages du génie civil [R2], cela peut se traduire de la façon suivante :

Probabilité de défaillance de l’équipement lors de la visite préventive ≤ Probabilité de défaillance acceptable

𝑃𝑡 ≤ 𝑃𝑎 {6}

𝑡 ≤−𝐿𝑁(1−10

−𝑁𝐶𝑎𝑑𝑎𝑝𝑡é)

𝜆{7}

Où : LN est la fonction Logarithme Népérien t est la période de maintenance préventive

minimale tolérable (en heures) λ est le taux de défaillances par heure, selon le profil

Illustration sur un robinet de sécurité actionné manuellement :

λ = 6.10-6 défaillances par heure (taux de défaillance fictif ; dans la démarche, les taux de défaillance sont calculés sur le REX GMAO de GRTgaz)

T = 8 760 h (exemple de périodicité annuelle de maintenance préventive)

NCadapté exigé = 1 (action manuelle)

Périodicité maximale :

𝑡 ≤−𝐿𝑁(1−10−1)

6∙10−6{8}

𝑡 ≤ 17 560 ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒𝑠 {9}

Sur cet exemple, la méthode donne une périodicité maximale tolérée de 2 ans (1 année = 8 760 heures). Si la périodicité réelle est inférieure à 2 ans (ce qui est le

cas ici : T = 8 760 h), alors elle est pertinente en termes de risques majeurs.

7. ConclusionsLa présente étude propose une approche de définition de la maintenance basée sur les risques (ou RBM pour Risk-

based maintenance). Elle a pour objectifs : - d’adapter la maintenance à l’ensemble des

risques identifiées sur les stations de

compression : risques majeurs, courants et ceuxliés aux facteurs humains ;

- de proposer une méthode structurée etopposable.

Les différentes étapes de l’approche sont les suivantes :

7.1 Analyse des risques

Il s’agit de capitaliser sur les différentes études disponibles et approuvées par GRTgaz et/ou l’Administration.

Les trois types de risques identifiés dans la démarche sont : - Les risques majeurs : ceux couverts par les

études de dangers ;

- Les risques courants : ceux inhérents aux pièces

de maintenance, à leur obsolescence et à leurdisponibilité ;

- Les risques humains : la bonne mise en œuvredes procédures d’exploitation et de sécuritéreposant en partie sur l’efficacité des actions

humaines.

7.2 Identification des éléments critiques

Selon la fonction d’un matériel (est-il intégré dans une barrière de sécurité ?), son intégration dans l’architecture de la station (est-il redondé ?), la disponibilité de ses pièces

de rechange et son interaction avec l’opérateur, sa défaillance est susceptible d’entraîner des conséquences plus ou moins graves.

7.3 Caractérisation de la fiabilité

La répartition dans le temps du préventif et du correctif étant captée dans la GMAO, il est possible d’anticiper le correctif

sur la base de données quantifiées.

Il s’agit en fait de caractériser la fiabilité des matériels

maintenus (par une loi exponentielle) pour pouvoir anticiper l’occurrence future de pannes, et de positionner ainsi le préventif de manière la plus pertinente possible.

7.4 Caractérisation de l’acceptabilité de la défaillance

L’acceptabilité est définie sur la base des exigences requises en termes d’indisponibilité moyenne des barrières

de sécurité, traduite à l’aide de niveaux de confiance adaptés de ceux définis par l’INERIS.



7.5 Définition des actes et des périodicités

La maintenance préventive doit survenir en moyenne avant que la défaillance n’apparaisse. Traduit autrement, cela

donne :

Probabilité de défaillance de l’équipement lors de la visite

préventive ≤

Probabilité de défaillance acceptable

7.6 Synthèse

Selon l’implication d’un matériel dans la sécurité industrielle relative à l’exploitation d’une station de compression, l’approche RBM permet de proposer les périodicités pour la maintenance préventive.

Quelques exemples d’application ont pu être mis en œuvre sur des barrières de sécurité identifiées sur une station de

compression.

À noter que la principale difficulté observée a résidé dans la

phase d’allocation de fiabilité depuis la barrière de sécurité vers les équipements qui la composent.Rigoureusement, la connaissance de l’arbre de défaillance

de la barrière de sécurité dans laquelle est impliqué l’équipement critique est nécessaire car la panne d’un équipement de la barrière n’entraîne pas nécessairement la

défaillance de la barrière (celle-ci survient en général suite à la concomitance de plusieurs modes de défaillance).Compte-tenu d’une certaine hétérogénéité des études SIL

disponibles, une approche simplifiée a été proposée pour définir la notion de probabilité de défaillance acceptable.

7.7 Perspectives

Ici, seul le traitement des risques majeurs a été abordé.

Concernant les risques liés aux facteurs humains, destravaux sont actuellement en cours cette année. Il s’agit de concevoir une méthode d’évaluation de la fiabilité humaine

lors des activités de maintenance, à partir d’observations de terrain menées par un ergonome et spécialiste en Facteurs Humains du RICE. Les objectifs de l’intervention sont de :

- mieux comprendre le déroulement des activitésde maintenance ;

- collecter des bonnes pratiques ;

- identifier les situations à risque,- proposer éventuellement des axes de progrès

pour améliorer l’efficacité et la fiabilité des actes

de maintenance.

Une réflexion autour de la gestion des stocks et de

l’obsolescence a également été initiée.

Par ailleurs, dans le cadre du déploiement de l’approche

RBM, des « tables » d’analyses à destination des exploitants ont été imaginées où apparaissent les périodicités minimales préconisées pour chaque type

d’équipement, selon leur fiabilité. L’idée étant que chaque exploitant doit pouvoir vérifier que la maintenance préventive de ses équipements critiques est

bien à la hauteur des risques identifiés, selon le processus visible dans la Figure 2.

Figure 2 : Processus d’application de la démarche RBM

proposé

8. Références

[R1] INERIS (2008). Ω10 – Évaluation des Barrières

Techniques de Sécurité, guide méthodologique

[R2] D. BREYSSE, S.M.ELACHACHI, S. YOTTE (2009).Utilisation dynamique du contrôle non destructif pourune maintenance basée sur les risques des ouvrages

du génie civil, 19ème Congrès Français de Mécanique

[R3] F. BRISSAUD, D. FAURE (2016). Analyse des

facteurs de fiabilité des équipements de transport degaz


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