若いエンジニアが山奥の水力発電所の隠された秘密を明らかにする

課題: 水力発電所の巨大な水道管を 3D スキャンして CAD モデルを作成します。

使用ツール: Artec Eva、Artec Studio、Solidworks

結果: Artec Eva 3D スキャナーを使用して、巨大な水道橋をわずか 5 時間で完全にキャプチャしました。スキャンデータに基づいて、ミリメートル精度の CAD モデルが作成されます。データはタービン製造業者に送信され、水力発電所の新しいタービンの設計と製造に使用されます。

△ エンジニアは Artec Eva を使用して、水力発電所の水道管の端をスキャンします。
フランスのジュラ山脈の奥深く、ダミアン・デルモンテは、Artec Eva 3D スキャナーを手に、暗闇の中を蛇行しながら進むコンクリート製の水路の中に立っていました。彼の頭上 4 メートルには、動かずに立っている巨大なタービンがあり、反対側の端では 2 つの古いバルブが乱流する水の流れをブロックしていました。いよいよ作業に取り掛かる時が来ました。

建設以来87年の歴史を持つフランスのジュラ山脈にある水力発電所です。その後 5 時間にわたって、ダミアンと同僚のギヨーム・デマルシュは、暗いパイプの中を手探りで進み、Artec Eva を使用して巨大な水道橋のあらゆる部分を正確にキャプチャしました。

水力発電所はフル稼働すると10メガワット以上の電力を生産し、5,000世帯に電力を供給するのに十分な量になります。そして今、水力発電所は「一時停止ボタン」を押しました。タービンが1時間停止すると莫大なコストがかかります。そのため、労働時間は非常に短く、ダミアンのチームは時間と競争しなければなりません。

それだけでなく、彼らの仕事は非常に危険でもあります。貯水池の水位は危険なレベルまで上昇しており、人々はいつでも避難を余儀なくされる可能性があります。

01

1987年以来初の改修

この水力発電所は、第一次世界大戦の敗戦国への賠償の一環として、1934年にドイツ人技術者によってフランスのために建設されました。水力発電所は完成以来、稼働を続けています。最近、水力発電所は初の「大規模メンテナンス」を実施した。プロジェクトの請負業者は、水力発電所のフランシス水車を交換する予定です。

△技術者が水位を監視しています。
優れた性能を持つタービンを設計・製造するためには、まず巨大な水管の寸法を正確に決定する必要があります。

収集された測定値が十分に正確でない場合、設置された新しいタービンは定格出力を達成できず、発電所の基準を満たすことができない可能性があります。

さらに悪いことに、測定データに過度の誤差があると、電力損失やキャビテーションなどの問題が発生するだけでなく、タービンの振動周波数が高くなりすぎて、2009年のサヤノ・シュシェンスカヤ水力発電所の悲劇が繰り返される可能性もあります。

編集者注

2009年8月17日、ロシアのサヤノ・シュシェンスカヤ水力発電所で大事故が発生し、75人が死亡、10基がさまざまな程度の損傷を受け、発電所の建物が破壊された。事故により、この地域の電力供給が25%低下し、変圧器油40トンが流出し、養殖サケ400トンが死に、直接的な経済損失は130億米ドルに達した。

事故の直接的な原因は、過負荷運転により2号タービンが激しく振動し、ユニット上部カバーの固定ボルトが疲労損傷し、2号タービン上部カバーとローターが飛び出したことであった。タービンの空洞から水柱が主発電所建屋に噴出し、主発電所建屋の発電機フロアと下階が浸水した。

02

精度がすべてを決定する

水道管の原図が今も残っています。しかし、この87年間、昼夜の水の浸食により水道管の大きさはある程度変化してきました。元の図面は信頼できる設計図面として使用できなくなります。

規制に準拠しておらず、大きなエラーがあるデータは、機器の損傷や安全上のリスクを引き起こすだけでなく、タービンメーカーや水力発電所改修プロジェクトの請負業者に罰金や訴訟などの重大な結果をもたらす可能性があります。

そこで、プロジェクトの請負業者は 3DLM の Damian を見つけました。ダミアンは 3D スキャンの産業アプリケーションの専門家であり、特に古い構造物やコンポーネントのリバースエンジニアリングが得意です。

「水路の形状が単純であれば、従来の測量ツールを使ってデータを収集するのは簡単です」とダミアン氏は説明します。「しかし、ここでは水路が非常に複雑です。そのため、ミリメートル単位の CAD モデルを作成する場合は、3D スキャンに頼らざるを得ません。」

03

適切な 3D スキャナーを見つける

ダミアンは、Artec3D のゴールド認定ディーラーである Boreal3D を見つけ、3D スキャンエンジニアのギヨームと出会いました。ギヨームは彼に Artec Eva を勧めました。世界中のリバースエンジニアに愛用されている、0.1mmの精度を誇るハンドヘルド型プロフェッショナル3Dスキャナーです。

ダミアン氏は次のように付け加えました。「このプロジェクトは期限が厳しかったのですが、Artec Eva のおかげで、わずか 5 時間で 12 メートルの水道管全体をキャプチャすることができました。作成された CAD モデルは、CFD コンピューター流体力学シミュレーションでさらに使用して、正確なデータから完全なガイダンスを得て新しいタービンを設計および製造することができます。」

04

巨大パイプラインスキャンチャレンジ

プロジェクトの複雑さと膨大な作業量を考慮して、ダミアンはギヨームにプロジェクト現場での支援を依頼しました。彼らは慎重に計画を立てた後、水力発電所の発電機セットの分水管に入り、素早く行動を起こした。

彼らは水道を10のセクションに分割し、それぞれを個別にスキャンしました。データ接合の参考として、水道管の内壁にスプレー塗装を施しました。

ダミアン氏は次のように付け加えました。「このプロジェクトは期限が厳しかったのですが、Artec Eva のおかげで、わずか 5 時間で 12 メートルの水道管全体をキャプチャすることができました。作成された CAD モデルは、CFD コンピューター流体力学シミュレーションでさらに使用して、正確なデータから完全なガイダンスを得て新しいタービンを設計および製造することができます。」

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巨大パイプラインスキャンチャレンジ

プロジェクトの複雑さと膨大な作業量を考慮して、ダミアンはギヨームにプロジェクト現場での支援を依頼しました。彼らは慎重に計画を立てた後、水力発電所の発電機セットの分水管に入り、素早く行動を起こした。

彼らは水道を10のセクションに分割し、それぞれを個別にスキャンしました。データ接合の参考として、水道管の内壁にスプレー塗装を施しました。

△ギヨームさんはArtec Evaを使って水道管の内壁をスキャンしています。
ダミアン氏は次のように付け加えた。「3D スキャナーは水中をスキャンすると精度が落ちることがあると聞いています。しかし、Eva では問題はありませんでした。安全のために、浸水したエリアの一部でレーザーテレメトリーを使用して精度を確認したところ、Eva のデータは一貫して正確であることが確認されました。」

水道管全体は10のエリアに分かれており、エリアごとのスキャン時間は約30分です。水道管のスキャンは最初から最後まで約 5 時間かかりました。

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CADモデルの作成

水道管の内壁には5～10mmの厚さの鉱物層があり、これは数十年にわたる水の浸食によって残された堆積物です。その後の CFD シミュレーションでパイプ内の水の流量を正確に再現できるように、3D モデル上で鉱物層を正確に再現する必要がありました。

スキャン後、生データを後処理して CAD モデルをさらに生成する必要があります。

「Artec Studio で重複データを削除し、10 個の領域を整列させて、水道管のメッシュ 3D モデルをすばやく合成しました」と Guillaume 氏は言います。

△Artec Studioで後処理した水道管の3Dモデル。
次に、Artec Studio のリバースエンジニアリング機能を使用して、Damian はいくつかの基本的なプリミティブを作成し、それを水道橋の 3D モデルに適合させました。次に、すべてのグラフィック要素を STP 形式で Solidworks ソフトウェアにエクスポートし、グラフィック要素を参照として使用して、スケッチ、描画、CAD モデルの押し出しプロセスを迅速に完了しました。

「スキャン後、Artec Studio で直接 CAD の基本要素を作成できます。この操作により、ワークフローを大幅に短縮できます。」ダミアン氏は AS のリバースエンジニアリング機能を高く評価しました。

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一度で完了、やり直しは不要

ダミアン氏は次のように付け加えました。「Eva なら、私たちは絶対の自信があります。このような不規則な形状の巨大な水道管でも、1 回で処理できます。つまり、再度スキャンしたり、やり直したりする必要はありません。」

「オフィスに戻って後処理をしているときに、突然特定の部分のデータが欠落していることに気付いた場合、プロジェクト現場に戻って再スキャンするのは非常にコストがかかります。しかし、当社は違います。スキャンを終えた瞬間からデータに自信が持て、その正確性は常にオンラインで提供され、完全性が保証されています。」

ダミアンは納期に間に合うように CAD モデルを完成させました。彼は CAD モデルをプロジェクト請負業者に送信し、請負業者はそれをタービン製造業者に転送します。メーカーはデータの品質に非常に満足し、すぐにタービンの設計に取り掛かりました。

△分水管CADモデル。
数週間後、スキャンチームは水力発電所に戻り、別の水道管をスキャンし、同様のワークフローを使用して CAD モデルを作成しました。

07

原画は紛失？問題ありません

「水道橋などの巨大な物体をスキャンする際の最大の課題は、望ましい精度をいかに達成するかということです。巨大な物体の各部分は複雑さのレベルが異なります。したがって、取得方法は各部分に応じて動的に調整する必要があります。」

ダミアン氏は次のように語っています。「私たちが毎日受けているプロジェクトの約 70% は、元の図面が失われています。Artec Eva は、元の図面が失われる問題を解決し、すべてのタスクを完璧に完了することができました。」

「Eva を使用すると、数センチから数メートルの長さまで、正確な測定値をキャプチャして CAD モデルを作成できます。Eva の最大の利点の 1 つは、幅広いアプリケーションで使用できることです。作成された CAD モデルは、改修、検査、メンテナンスなど、さまざまな作業に不可欠です。」

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