Comment Artec Eva a permis de rénover une centrale hydroélectrique française de 87 ans

Scan de l’extrémité du tube d’aspiration hydroélectrique avec Artec Eva

Au cœur du Jura, l’ingénieur Damien Delmont se tient debout, son scanner 3D Artec Eva en main, à l’intérieur d’un long tube d’aspiration en béton, et fixe dans la pénombre la turbine immobile située quatre mètres au-dessus de lui, où deux valves vétustes retiennent des millions de litres d’eau déferlant de l’autre côté. C’est l’heure de commencer.

Au cours des heures précédentes, Damien Delmont et son partenaire de projet Guillaume Demarche ont numérisé chaque millimètre carré de l’imposant tube d’aspiration, utilisant un échafaudage pour atteindre la partie supérieure de la structure située en-dessous de la turbine.

L’équipe devait travailler rapidement. Chaque heure supplémentaire où la turbine restait éteinte signifiait une perte de revenus pour la centrale, qui, à plein régime, génère plus de 10 mégawatts d’électricité, soit assez pour alimenter 5 000 foyers.

Pour compliquer davantage les choses, la centrale fonctionnait en état d’urgence et était près d’être évacuée, car l’eau avait atteint le niveau d’inondation.

Après 87 ans, l’heure de la rénovation

Construite par des ingénieurs allemands il y a près d’un siècle, en 1934, dans le cadre de réparations après la Première Guerre mondiale, la centrale hydroélectrique n’a jamais cessé de fonctionner depuis. Quand il a fallu remplacer les deux premières des quatre turbines Francis, l’entrepreneur en charge du projet a compris la nature complexe de la tâche à accomplir.

Surveillance du niveau de l’eau le long de la centrale hydroélectrique

Pour concevoir des pièces au fonctionnement optimal pour la centrale, le fabricant de turbines devait d’abord connaître les dimensions exactes des immenses tubes d’aspiration à la forme irrégulière qui évacuent l’eau canalisée dans les turbines et envoyée dans le cours d’eau en contrebas.

Si des mesures inexactes étaient utilisées, dans le meilleur des cas, les turbines ne généreraient jamais la puissance électrique spécifiée, et ne répondraient par conséquent pas aux normes de performance de la centrale.

Dans le pire des cas, des mesures erronées pourraient entraîner des pertes de puissance, des cavitations, voire des niveaux de vibration de la turbine excessifs, capables de provoquer un accident tel que celui du barrage de Saïano-Chouchensk en 2009.

Besoin d’une documentation précise

Si les plans originaux des tubes d’aspiration existent toujours, au cours des presque neuf décennies qui ont suivi leur élaboration, leurs dimensions ont changé, les rendant inutilisables comme documentation d’ingénierie fiable.

Au-delà des dommages physiques immédiats provoqués par le non-respect du cahier des charges, le fabricant de turbines et le maître d’œuvre seraient également exposés à de lourdes sanctions, notamment des amendes, une réputation ternie, etc.

Comprenant que les méthodes de mesures traditionnelles ne permettraient pas de documenter précisément les tubes dans le délai imparti, le maître d’œuvre s’est tourné vers Damien Delmont, de 3DLM, un spécialiste de l’ingénierie et du scan 3D pour les applications industrielles, y compris la rénovation, l’inspection, et la rétro-ingénierie de structures et de composants n’étant plus produits.

« Si les tubes d’aspiration avaient une forme géométrique simple, ils pourraient facilement être mesurés avec des outils traditionnels, explique Damien Delmont. Mais ce n’est pas le cas. Et c’est pour cela que nous avons choisi de scanner ces tubes en 3D pour en faire des modèles CAO précis au millimètre près. »

À la recherche du bon scanner 3D

Il y a plusieurs années, lorsque Damien Delmont a ouvert sa société d’ingénierie, il a cherché un scanner 3D qui répondrait à ses besoins spécifiques.

Après avoir contacté Boreal 3D, partenaire certifié Or d’Artec, et rencontré Guillaume Demarche, il a rapidement fait la connaissance d’Artec Eva, un scanner 3D professionnel portable à la précision submillimétrique, chouchou des ingénieurs et autres spécialistes aux quatre coins du monde.

Artec Eva

« La nature de ce projet exigeait des délais serrés, mais avec notre Eva, en à peine quelques heures, nous avons pu numériser les 12 mètres (39,3 pieds) du tube d’aspiration si précisément que le modèle CAO peut être utilisé pour les analyses et les simulations de mécanique des fluides numérique (CFD) nécessaires pour construire la nouvelle turbine », raconte Damien Delmont.

« Si, pour une raison ou une autre, nous ne livrions pas les résultats dans le temps imparti, tous les autres participants au projet auraient été impactés, et cela aurait également nui à nos chances de prendre part à de futurs projets. »

Numériser un objet immense, scan après scan

La date butoir approchant rapidement et face à l’ampleur et à la complexité du projet, Damien Delmont a demandé l’aide de Guillaume Demarche. Après une planification minutieuse, ils sont arrivés à la centrale hydroélectrique et ont rapidement mis au point leur stratégie pour les étapes suivantes.

Pour accélérer l’alignement des scans dans le logiciel Artec Studio lors du traitement, ils ont aspergé de peinture la paroi du tube d’aspiration, délimitant dix sections distinctes pour le scan.

Guillaume Demarche, de Boreal, scanne le tube d’aspiration avec Artec Eva

En travaillant par section, ils étaient également mieux préparés à sortir immédiatement du tube d’aspiration en cas d’urgence, une menace qui planait constamment. À titre d’exemple, lorsque l’équipe scannait, l’eau était à dix centimètres de déborder du batardeau qui se trouvait juste derrière l’équipe.

Des ingénieurs sécurité montaient la garde au-dessus du barrage et surveillaient constamment le niveau de l’eau. Si la météo se dégradait, même quelques kilomètres en amont, l’eau aurait pu grimper à des niveaux dangereux. Auquel cas l’équipe aurait eu moins d’une minute pour attraper tout son matériel et quitter le tube d’aspiration.

Scanner dans le noir et dans l’eau

Rappel constant du risque encouru : l’eau qui coulait dans le tube d’aspiration, quelque dix litres par minute, depuis les valves situées au-dessus. À la différence des valves et robinets résidentiels, ces valves plus anciennes sont conçues pour laisser passer de petites quantités d’eau. Afin d’éviter le risque immédiat de dégâts dus à l’eau, l’équipe a assemblé une table en bois de fortune pour poser ses ordinateurs et son matériel.

Mais la présence d’eau n’a pas un instant entravé le scan. « Même s’il y avait par endroits 2 cm d’eau sur le sol du tube d’aspiration, Eva a scanné ces zones à la perfection », commente Damien Delmont.

Guillaume Demarche, de Boreal, numérise une section supérieure du tube d’aspiration avec Artec Eva

Et d’ajouter : « J’ai entendu dire que les scanners 3D peuvent connaître des difficultés quand il y a ne serait-ce qu’une fine couche d’eau, mais pas Eva. Pour redoubler de précautions, j’ai vérifié ces zones avec la télémétrie laser et j’ai vu que les mesures d’Eva étaient exactes. »

Chaque section a été scannée en une demi-heure, et le tube entier en cinq heures environ.

« Eva s’est révélé être le scanner idéal pour ce genre de travail car il est suffisamment précis et il nous permet de scanner sans devoir placer de cibles dans un environnement aussi humide, relativement hostile aux technologies, et dans l’obscurité la plus complète, sans prise électrique », commente Damien Delmont.

Créer des modèles CAO pour la rénovation, l’inspection, et bien plus

Au cours du scan, Damien Delmont a découvert une couche minérale de 5-10 mm sur les parois des tubes d’aspiration, formée pendant plusieurs décennies par les millions de litres d’eau qui ont traversé les tubes.

Ce genre de dépôt affecte les caractéristiques d’écoulement dans le tube et devait être documenté précisément dans le modèle 3D final. Dans le cas contraire, les simulations CFD ultérieures n’auraient pas reflété le débit réel de l’eau.

Après le scan, une fois de retour au bureau, l’heure est venue de transformer les scans en modèle CAO. « Nous n’avions pas grand-chose à faire en ce qui concerne le traitement des scans dans Artec Studio, et c’est ce que nous avions prévu », explique Guillaume Demarche.

Et de continuer : « Après un léger nettoyage, j’ai aligné les dix sections scannées et créé un modèle 3D unique englobant toutes les surfaces du tube d’aspiration complet. »

Modèle 3D final du tube d’aspiration hydroélectrique complet scanné avec Artec Eva

Utiliser les outils scan vers CAO d’Artec Studio pour des résultats optimaux

Après cette étape, Damien Delmont a utilisé les outils scan vers CAO d’Artec Studio pour ajuster le modèle 3D du tube d’aspiration avec des formes primitives CAO. Il a ensuite exporté ces formes au format STP dans SOLIDWORKS, où il les a utilisées comme références pour esquisser, dessiner et extraire le modèle CAO du tube d’aspiration.

« Si une étape du workflow prend trop de temps, cela réduit notre efficacité et augmente nos coûts, ce qui nuira à nos chances de rester concurrentiels et de décrocher de nouveaux projets », commente Damien Delmont, soulignant l’importance de la fonctionnalité scan vers CAO :

« En étant capables de créer des primitives CAO directement à partir du scan dans Artec Studio, quelques instants à peine après avoir scanné l’objet, nous gagnons un temps considérable et précieux, sans sacrifier la qualité. »

Tout numériser à la perfection dès le premier scan

« Eva permet d’acquérir toutes les dimensions d’un objet, même un aussi massif et non uniforme qu’un tube d’aspiration hydroélectrique, et ce dès la première tentative. Il n’est donc pas nécessaire de scanner une deuxième fois ni d’éteindre de nouveau la centrale », ajoute Damien Delmont.

« Si vous commencez à traiter les scans et vous apercevez que des données de surface manquent, il peut être très coûteux pour le client de retourner à la centrale et d’éteindre les turbines. Heureusement, avec Eva, quand nous quittons le lieu du scan, nous savons que nous avons toutes les données, jusqu’au dernier millimètre. »

Après avoir terminé le modèle CAO bien avant la date butoir, Damien Delmont a envoyé celui-ci au client, qui l’a à son tour transféré au fabricant de turbines. Le modèle respectait le cahier des charges et a immédiatement servi pour des simulations CFD et d’autres analyses.

Modèle CAO du tube d’aspiration créé à partir des scans d’Artec Eva

Quelques semaines plus tard, l’équipe est retournée à la centrale hydroélectrique, a scanné le deuxième tube d’aspiration, et en a produit un modèle CAO en suivant la même méthode.

Modèles CAO précis pour la rénovation et davantage

Maintenant que les modèles CAO des deux tubes d’aspiration sont disponibles, ils peuvent également servir de modèles de référence pour inspecter les tubes via le scan 3D, par exemple dans Artec Studio, en utilisant l’outil de cartographie des distances de surface du logiciel. Toutes les différences entre le modèle CAO et le scan s’afficheront dans une carte thermique en couleur facilement lisible.

Aujourd’hui, rien qu’en France, il existe des dizaines de centrales hydroélectriques vétustes devant être rénovées. Dans le reste du monde, on en trouve des centaines, voire des milliers d’autres.

En ce qui concerne l’expertise en ingénierie pour ces projets, « la question ultime est la suivante : quel genre de précision est vraiment nécessaire ? Parce que les objets simples n’exigent qu’un seul niveau », explique Damien Delmont.

Et de poursuivre : « Beaucoup d’entreprises accepteront des tolérances de précision plus faibles sur de petits aspects cruciaux d’un composant, tandis que d’autres demanderont les tolérances les plus élevées sur un composant entier, même sur des sections qui ne l’exigent pas. »

« Or ces approches, en plus d’être erronées, peuvent allonger la durée du projet, faire gaspiller des ressources, augmenter les frais, et, enfin, donner de moins bons résultats », commente Damien Delmont.

Entreprendre des projets complexes sans documentation d’origine

« Le plus grand défi est d’atteindre des niveaux idéaux de précision lors de la rénovation de très grands objets, tels des tubes d’aspiration, avec différentes sections présentant différents niveaux de complexité. Et, en même temps, d’adapter votre propre méthode de rétro-ingénierie à chaque projet individuel. »

« Dans chaque projet que j’ai entrepris avec mon Artec Eva, ce dernier s’est avéré être une solution cruciale pour combler l’absence de dessins ou de documentation d’origine, une absence qui existe dans environ 70 % de nos projets de rénovation », commente Damien Delmont.

Et de continuer : « Avec Eva, je crée des mesures et des modèles CAO précis d’objets qui ne font que quelques centimètres et d’autres qui font plusieurs mètres. Je pense que cette polyvalence est une des plus grandes forces d’Eva. Les modèles CAO finaux sont essentiels pour tout ce qui va de la rénovation à l’inspection, la maintenance, et bien davantage. »