Cómo el Artec Eva ayudó a reacondicionar una planta hidroeléctrica de 87 años de antigüedad

Escaneando el extremo del difusor hidroeléctrico con el Artec Eva

En el profundo corazón de la montaña francesa Jura, el ingeniero Damien Delmont permaneció dentro de un largo difusor de concreto con su escáner Artec Eva 3D en mano; contemplando en medio de la oscuridad la turbina sin movimiento que estaba cuatro metros más arriba, en donde dos viejas válvulas retenían millones de litros de agua caudalosa del otro lado. Era el momento de empezar.

En las horas siguientes, Delmont y su compañero del proyecto, Guillaume Demarche, capturaron cada milímetro cuadrado del enorme difusor, usando andamios para ascender a los tramos superiores de la estructura debajo de la turbina.

El equipo necesitaba trabajar rápido. Cada hora extra que la turbina permanecía apagada significaba pérdidas económicas para la planta, la cual a capacidad completa genera más de 10 megawatts de potencia, suficiente para energizar 5.000 hogares.

Complicando más su trabajo, la planta estaba operando bajo un estado de emergencia, al borde de una evacuación, ya que el nivel del agua del río había subido a la etapa de inundación.

Después de 87 años, tiempo de reacondicionar

Construida por ingenieros alemanes hace casi un siglo, en 1934, como parte de unas reparaciones de la Primera Guerra Mundial, la central hidroeléctrica ha estado operando desde entonces. Cuando llegó el momento de reemplazar las primeras dos de las cuatro turbinas Francis de la planta, el contratista a cargo del proyecto entendió la compleja naturaleza de la tarea asignada.

Monitoreo del nivel del agua a lo largo de la planta hidroeléctrica.

Para que el fabricante de las turbinas pueda diseñar óptimamente unas unidades funcionales para la central, primero debe conocer las dimensiones exactas de los enormes difusores de forma irregular, los cuales actúan como tuberías de escape del agua después de que es canalizada a través de las turbinas y enviada al río, aguas abajo.

Si unas medidas inadecuadas fueran utilizadas, en el mejor de los casos, las turbinas nunca volverían a generar la salida eléctrica especificada, de tal manera que no se cumpliría con los estándares de rendimiento de la planta.

En el peor de los casos, las mediciones incorrectas podrían resultar en pérdidas de potencia, cavitación; y aún en altos y excesivos niveles de vibraciones, que posiblemente conlleven a un accidente parecido al desastre ocurrido en la planta hidroeléctrica Shushenskaya, en 2009.

La necesidad de una documentación precisa

Los planos originales de los difusores aún existen, pero considerando las casi nueve décadas desde que fueron dibujados, es claro que las dimensiones han cambiado en el tiempo, descartándolos así para algún uso de documentación ingenieril del cual se pueda depender.

Más allá del daño físico inmediato que pueda aparecer producto de cualquier falla que no cumpla con las especificaciones, el fabricante de la turbina y el contratista del proyecto también podrían enfrentar severas penalidades, incluyendo multas, daños en la reputación, etc.

Entendiendo que los métodos de medición tradicionales se quedarían cortos con la documentación precisa de los difusores dentro de los tiempos del proyecto, el contratista conversó con Damien Delmont de 3DLM, especialista en ingeniería y escaneo 3D para aplicaciones industriales, incluyendo reacondicionamiento, inspección, e ingeniería inversa de estructuras y componentes.

Delmont explicó: «si los difusores fueran de una forma geométricamente simple, podrían ser fácilmente medidos usando herramientas tradicionales. Pero no lo son. Y ese es el por qué elegimos escanearlos, para poder realizar modelos CAD precisos de esas tuberías».

En la búsqueda del escáner 3D correcto

Algunos años atrás, cuando Delmont lanzó su empresa de ingeniería, empezó a buscar un escáner 3D que pudiera cumplir con sus rigurosas necesidades.

Después de conseguir a Boreal 3D, distribuidor Gold Certificado de Artec, y reunirse con Demarche, pronto le fue presentado el Artec Eva, un escáner 3D profesional portátil de precisión submilimétrica, favorito entre ingenieros y otros especialistas en todo el mundo.

El Artec Eva

Delmont continuó: «la naturaleza de este proyecto demandaba fechas de entrega ajustadas, y con nuestro Eva, en tan sólo pocas horas, fuimos capaces de capturar los 12 metros (39.3 pies) completos del difusor de manera tan precisa que el modelo CAD puede ser usado para análisis y simulaciones CFD (dinámica de fluidos computacional), necesarias para fabricar la nueva turbina».

«Si por cualquier motivo no entregábamos los resultados dentro del tiempo establecido, todos los demás especialistas en el proyecto podrían haber sido impactados, y también podrían haberse afectado nuestras oportunidades de tomar parte en futuros proyectos».

Capturando un objeto de gran tamaño, escaneo tras escaneo

Con la fecha límite acercándose rápidamente, y considerando la magnitud y complejidad del proyecto, Delmont trajo a Guillaume Demarche para asistirle. Después de un planeamiento cuidadoso, llegaron a la central hidroeléctrica y velozmente expusieron su estrategia con relación a los pasos a seguir.

Para alinear más rápido los escaneos en el software Artec Studio durante la etapa de procesamiento, aplicaron spray a las paredes del difusor, diseñando diez secciones separadas para el rastreo.

Guillaume Demarche de Boreal escaneando el difusor con Artec Eva.

Al trabajar en secciones como esta, estuvieron mejor preparados también para realizar una salida inmediata del difusor en el caso de una emergencia, amenaza que siempre es cercana. Como ejemplo de esto, mientras el equipo estaba escaneando, el agua estaba tan sólo a diez centímetros de rebasar el borde superior de la ataguía, directamente detrás de ellos.

Los ingenieros de seguridad permanecieron vigilando en la parte superior de la presa, monitoreando el nivel del agua todo el tiempo. Si el clima cambiaba para peor, aún kilómetros aguas arriba, podía ocasionar que el agua se elevara a niveles peligrosos. En ese caso, el equipo tendría menos de un minuto para tomar todos sus implementos y escapar del difusor.

Escaneando a través de la oscuridad y el agua

Un recordatorio constante del riesgo era el agua vertiéndose dentro del difusor, a razón de diez litros por minuto, chorreando a través de las válvulas de arriba. A diferencia de las válvulas y grifos residenciales, aquellas viejas válvulas son diseñadas para dejar pasar pequeñas cantidades de agua. Para evitar el riesgo de daño por agua, el equipo armó una mesa de madera improvisada para poner sus computadoras e implementos sobre ella.

Pero la presencia de agua no se interpuso en el escaneo ni por un minuto. «Aún y cuando el piso del difusor se llegó a llenar de agua hasta unos 2 cm en algunos lugares, el Eva continuó escaneando estas áreas perfectamente», dijo Delmont.

Guillaume Demarche de Boreal capturando la sección superior del difusor con Artec Eva.

Continuó: «había escuchado que los escáneres 3D pueden complicarse aún con una fina capa de agua, pero no el Eva. Para estar doblemente seguro, verifiqué esas áreas con telemetría láser y vi que las mediciones del Eva eran correctas».

Cada sección tomó alrededor de media hora para escanearse, con la tubería capturada de extremo a extremo en aproximadamente cinco horas.

«El Eva probó ser un escáner ideal para este tipo de trabajo, porque es suficientemente preciso y nos permite escanear sin colocar ningún target en tal humedad, aún en un ambiente mojado que es relativamente hostil para la tecnología, en completa oscuridad, sin tomas de corriente presentes», dijo Delmont.

Creando modelos CAD para reacondicionamiento, inspección y más.

Duirante el escaneo, Delmont descubrió una capa de 5-10 mm de mineral solidificado en las paredes del difusor, depositándose ahí por décadas gracias a los incalculables millones de litros de agua que pasaron a través de las tuberias.

Tales depósitos afectan las características del flujo a través de la tubería, y necesitan estar precisamente documentados en el modelo 3D, pues de otra manera las simulaciones CFD subsecuentes no reflejarían el caudal de agua actual.

Después del escaneo y de regreso a la oficina, llegó el momento de procesarlo en un modelo CAD. De acuerdo a Demarche, «no hubo mucho trabajo para nosotros desde el lado del procesamiento del escaneo en Artec Studio, lo cual fue lo planeado».

Continuó: «básicamente, después de una limpieza menor, alineé las diez secciones escaneadas y creé un modelo 3D único abarcando todas las superficies del difusor entero».

Modelo 3D final del difusor hidroeléctrico entero escaneado con Artec Eva.

Usando las herramientas scan-to-CAD de Artec Studio para resultados óptimos

Siguiendo este paso, Delmont utilizó las operaciones del scan-to-CAD de Artec Studio para encajar el modelo 3D del difusor con las formas primitivas CAD. Luego, exportó estas formas como formato STP hacia SOLIDWORKS, en donde las usó como referencias para el croquizado y extrusión del modelo CAD del difusor.

Destacando la importancia de la funcionalidad scan-to-CAD, Delmont dijo: «si una etapa del flujo de trabajo toma demasiado tiempo, reducirá nuestra eficiencia y elevaría nuestros costos, lo cual lastimaría nuestras oportunidades de permanecer competitivos y ganar nuevos proyectos».

«Al ser capaz de crear primitivas CAD directamente del escaneo en Artec Studio, justo momentos después de escanear un objeto, estamos ahorrando tiempo valioso del flujo de trabajo, mientras no se sacrifica nada en el sentido de la calidad».

Capturando todo perfectamente desde el primer escaneo

Delmont añadió: «el Eva hace posible el capturar todas las dimensiones de un objeto, aún uno tan gigantesco y no-uniforme como un difusor hidroeléctrico, en la primera oportunidad. Eso significa que no es necesario un segundo turno de escaneo, ni necesidad de parar la planta otra vez».

«Porque si empiezas a procesar los escaneos y ves que hacen falta ciertos datos de superficie, regresar a la planta y parar las turbinas puede ser muy costoso en términos de pérdidas económicas para el cliente. Afortunadamente, con Eva, cuando nos retiramos de un trabajo de escaneado, sabemos que todos los datos están ahí, hasta el último milímetro».

Después de terminar el modelo CAD mucho antes de la fecha límite, Delmont lo envió al cliente, quien a su vez lo reenvió al fabricante de la turbina. El modelo cumplió con todas las especificaciones y fue usado inmediatamente para simulaciones CFD y otros análisis.

Modelo CAD del difusor creado a partir de los escaneos con Artec Eva.

Semanas después, el equipo regresó a la planta hidroeléctrica, escaneó el segundo difusor, y produjo un modelo CAD del mismo usando el flujo de trabajo establecido anteriormente.

Modelos CAD precisos para reacondicionar y más allá

Ahora que los modelos CAD de ambos difusores están listos y disponibles, también pueden ser utilizados como modelos de referencia para inspección de las tuberías vía escaneo 3D, por ejemplo en Artec Studio, usando la herramienta de mapeo de distancia del software. Cualquier diferencia entre el modelo CAD y el escaneo mostrará un mapa de calor fácil de leer.

Hoy, solamente en Francia existen docenas de plantas hidroeléctricas históricas parecidas, en necesidad de modernización, con cientos si no miles más a ser encontradas en países alrededor del mundo.

Cuando se trata de experticia en ingeniería para estos proyectos, en palabras de Delmont: «la última pregunta es esta: ¿qué tipos de precisión se necesitan realmente? Porque sólo los objetos simples requieren un solo nivel».

Elaborando, Delmont continuó: «muchas empresas aceptarán baja precisión en las tolerancias de aspectos pequeños y cruciales de un componente, mientras que otras empresas se esforzarán por las más altas exigencias en tolerancias a lo largo de un componente entero, aún en secciones que no las requieren».

«Pero esas aproximaciones no sólo son fallidas; también ocasionan largos tiempos en los proyectos, recursos desperdiciados, altos costos, y finalmente, resultados pobres», dijo Delmont.

Tomando proyectos complejos en donde no existe documentación original

«El reto más grande es cómo alcanzar niveles ideales de precisión cuando se reacondicionan objetos muy grandes, tales como los difusores, con varias secciones necesitando diferentes niveles de complejidad. Y al mismo tiempo, adaptar tu propia forma de retro-ingeniería a cada proyecto individual».

«En cada proyecto que he emprendido con mi Artec Eva», dijo Delmont, «ha probado ser una solución crítica para ayudarme a unir la brecha en donde no se encuentran planos o documentación original, lo cual es el caso del 70% de los proyectos de modernización que he encontrado».

Continuó: «con Eva, estoy creando mediciones precisas y modelos CAD de objetos desde pocos centímetros de tamaño hasta otros de muchos metros de longitud. Creo que esta es una de las grandes fortalezas del Eva, su versatilidad. Los modelos CAD resultantes son esenciales para todo; de reacondicionamiento a inspección, mantenimiento, y mucho más».