Come Artec Eva ha contribuito al retrofit di una centrale idroelettrica francese vecchia 87 anni

Scansione dell'estremità del tubo idroelettrico con Artec Eva

Nel cuore della catena montuosa del Giura francese, l'ingegnere Damien Delmont si trovava all'interno di un lungo tubo di pescaggio di cemento con il suo scanner 3D Artec Eva in mano, fissando l'oscurità della turbina, immobile quattro metri più in alto, dove due vecchie valvole trattenevano la pressione di milioni di litri di acqua dall'altro lato. Era ora di iniziare.

Nelle ore successive, Delmont e il suo partner di progetto Guillaume Demarche hanno catturato ogni millimetro quadrato dell'enorme tubo di pescaggio, utilizzando delle impalcature per salire nella parte superiore della struttura sotto la turbina.

La squadra doveva lavorare velocemente. Ogni ora in più in cui la turbina rimaneva spenta significava una perdita di entrate per l'impianto, che a pieno regime genera oltre 10 megawatt di elettricità, sufficienti per alimentare 5.000 case.

A complicare ulteriormente il loro lavoro, l'impianto operava in stato di emergenza, sull'orlo dell'evacuazione, poiché il livello dell'acqua del fiume era salito fino alla fase di piena.

Dopo 87 anni, era tempo per il retrofit

Costruito da ingegneri tedeschi quasi un secolo fa, nel 1934, come parte delle riparazioni in seguito alla prima guerra mondiale, l'impianto idroelettrico è in funzione da allora. Quando è arrivato il momento di sostituire la prima di due delle quattro turbine Francis dell'impianto, l'appaltatore incaricato del progetto ha capito subito la natura complessa del compito da svolgere.

Monitoraggio del livello dell'acqua accanto alla centrale idroelettrica

Affinché il produttore di turbine potesse progettare unità funzionanti per l'impianto, doveva prima conoscere le dimensioni esatte degli enormi tubi di pescaggio, caratterizzati da forme irregolari, che agiscono come tubi di scarico per l'acqua dopo che è stata incanalata attraverso le turbine e inviata al fiume sottostante.

Se si utilizzassero misurazioni imprecise, nella migliore delle ipotesi, le turbine non genererebbero mai la potenza elettrica specificata, non soddisfacendo quindi gli standard di prestazione dell'impianto.

Nel peggiore dei casi, misurazioni errate potrebbero causare perdite di potenza, cavitazione e persino livelli di vibrazione della turbina eccessivamente elevati, che potrebbero portare a un incidente come il disastro della centrale idroelettrica Sayano-Shushenskaya del 2009.

Il bisogno di una documentazione accurata

I progetti originali dei tubi di pescaggio esistono ancora, ma nei quasi nove decenni dalla loro stesura è certo che le loro dimensioni sono cambiate nel tempo, escludendo così il loro uso come documentazione ingegneristica affidabile.

Oltre ai danni fisici immediati derivanti dal mancato rispetto delle specifiche, il produttore della turbina e l'appaltatore del progetto dovrebbero anche affrontare sanzioni severe, comprese multe, danni alla reputazione, ecc.

Comprendendo che i metodi di misurazione tradizionali non sarebbero stati in grado di documentare accuratamente i tubi entro i tempi del progetto, l'appaltatore si è rivolto a Damien Delmont di 3DLM, uno specialista in ingegneria e scansione 3D per applicazioni industriali, inclusi retrofitting, ispezione e reverse engineering di strutture e componenti legacy.

Delmont ha spiegato: "Se i tubi di pescaggio avessero una semplice forma geometrica, potrebbero essere facilmente misurati utilizzando strumenti tradizionali. Ma non lo sono. Ed è per questo che, per realizzare modelli CAD di precisione millimetrica di questi tubi, abbiamo scelto di scansionarli in 3D."

Alla ricerca del giusto scanner 3D

Diversi anni fa, quando Delmont ha lanciato la sua società di ingegneria, ha iniziato a cercare uno scanner 3D in grado di soddisfare le sue rigorose esigenze.

Dopo aver contattato il partner Artec Gold Certified Boreal 3D e aver incontrato Demarche, gli è stato presentato Artec Eva, uno scanner 3D professionale portatile con precisione submillimetrica, apprezzato da ingegneri e altri specialisti in tutto il mondo.

Artec Eva

Delmont ha continuato: "Il progetto aveva strettissime scadenze, e con il nostro Eva, in poche ore, siamo stati in grado di acquisire tutti i 12 metri (39,3 piedi) del tubo di pescaggio in modo così preciso che il modello CAD può essere utilizzato per le analisi e le simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) necessarie per costruire la nuova turbina."

"Per qualsiasi motivo non avessimo fornito i risultati entro il termine stabilito, tutti gli altri partecipanti al progetto sarebbero stati danneggiati e ciò avrebbe anche influito sulle nostre possibilità di prendere parte a progetti futuri."

Catturare un oggetto di grandi dimensioni, scansione dopo scansione

Con la scadenza che si avvicinava rapidamente, considerando l'entità e la complessità del progetto, Delmont ha chiamato Guillaume Demarche per assisterlo. Dopo un'attenta pianificazione, sono arrivati all'impianto idroelettrico e hanno rapidamente definito la loro strategia per i passi successivi.

Per rendere più veloce l'allineamento delle scansioni nel software Artec Studio durante la fase di elaborazione, hanno applicato vernice spray alla parete del tubo di pescaggio, designando dieci sezioni separate per la scansione.

Guillaume Demarche di Boreal che scansiona il tubo di pescaggio con Artec Eva

Lavorando in sezioni come questa, erano anche più preparati a uscire immediatamente dal tubo di pescaggio in caso di emergenza, la minaccia era sempre dietro l'angolo. Ad esempio, mentre la squadra stava scansionando, l'acqua era a soli dieci centimetri dal tracimare dalla parte superiore del cofferdam direttamente dietro di loro.

Gli ingegneri addetti alla sicurezza stavano a vegliare in cima alla diga, monitorando costantemente il livello dell'acqua. Se il tempo fosse peggiorato, anche a pochi chilometri a monte, l'acqua avrebbe potuto alzarsi fino a livelli pericolosi. In tal caso, la squadra avrebbe avuto meno di un minuto per afferrare tutta la propria attrezzatura e scappare dal tubo di pescaggio.

Scansione attraverso l'oscurità e l'acqua

Un costante promemoria del rischio era l'acqua che si riversava nel tubo di pescaggio, circa dieci litri al minuto, scorrendo attraverso le valvole. A differenza delle valvole e dei rubinetti residenziali, queste valvole più vecchie sono progettate per far passare piccole quantità d'acqua. Per evitare il rischio immediato di danni causati dall'acqua, il team ha assemblato un tavolo di legno improvvisato su cui appoggiare i computer e le apparecchiature.

Ma la presenza di acqua non ha impedito la scansione, nemmeno per un minuto. "Anche se il pavimento del tubo di pescaggio era coperto da fino a 2 cm di acqua, l'Eva ha comunque scansionato perfettamente queste aree", ha detto Delmont.

Guillaume Demarche di Boreal che cattura una sezione superiore del tubo di pescaggio con Artec Eva

Ha continuato: "Ho sentito che gli scanner 3D possono far fatica anche solo con un sottile strato d'acqua, ma non Eva. Per essere doppiamente sicuro, ho controllato queste aree con la telemetria laser e ho visto che le misurazioni di Eva erano esatte."

Ogni sezione ha richiesto circa mezz'ora per la scansione, con l'intero tubo da un capo all'altro catturato in circa cinque ore.

"Eva si è dimostrato lo scanner ideale per questo tipo di lavoro, perché è sufficientemente preciso e ci consente di scansionare senza posizionare alcun target in un ambiente così umido, relativamente ostile alla tecnologia, in completa oscurità, senza prese elettriche presenti", ha affermato Delmont.

Creazione di modelli CAD per il retrofit, l'ispezione e altro ancora

Durante la scansione, Delmont ha scoperto uno strato di 5-10 mm di accumulo di minerali sulle pareti dei tubi di pescaggio, depositato lì nel corso dei decenni dagli innumerevoli milioni di litri d'acqua passati attraverso i tubi.

Tali depositi influiscono sulle caratteristiche del flusso attraverso il tubo e devono essere accuratamente documentati nel modello 3D risultante, altrimenti le successive simulazioni CFD non rifletterebbero le portate effettive dell'acqua.

Dopo la scansione e di ritorno in ufficio, è arrivato il momento di trasformare le scansioni in un modello CAD. Secondo Demarche, "Non abbiamo avuto molto da fare sul lato dell'elaborazione della scansione in Artec Studio, proprio come avevamo pianificato."

Ha continuato: "Fondamentalmente, dopo qualche piccola pulizia, ho allineato le dieci sezioni scansionate e ho creato un unico modello 3D che comprende tutte le superfici dell'intero tubo di pescaggio."

Modello 3D finale dell'intero tubo idroelettrico di pescaggio scansionato con Artec Eva

Utilizzo degli strumenti di scan-to-CAD di Artec Studio per risultati ottimali

Dopo questo passaggio, Delmont ha utilizzato le funzionalità scan-to-CAD di Artec Studio per adattare il modello 3D del tubo di pescaggio a forme primitive CAD. Ha poi esportato queste forme come file STP su SOLIDWORKS, dove le ha usate come riferimenti per progettare, disegnare ed estrudere il modello CAD del tubo di pescaggio.

Sottolineando l'importanza della funzionalità scan-to-CAD, Delmont ha affermato: "Se una fase del flusso di lavoro richiede troppo tempo, ciò ridurrà la nostra efficienza e aumenterà i nostri costi, il che danneggerà le nostre possibilità di rimanere competitivi e vincere nuovi progetti."

"Potendo creare primitive CAD direttamente dalla scansione in Artec Studio, pochi istanti dopo la scansione di un oggetto, riduciamo il tempo inestimabile del flusso di lavoro, senza sacrificare nulla in termini di qualità."

Catturare tutto perfettamente fin dalla prima scansione

Delmont ha aggiunto: "L'Eva consente di catturare tutte le dimensioni di un oggetto, anche uno massiccio e non uniforme come un tubo idroelettrico, fin dalla prima volta. Ciò significa che non c'è bisogno di un secondo ciclo di scansione, non c'è bisogno di fermare di nuovo l'impianto".

"Se inizi a elaborare le scansioni e vedi che ti mancano alcuni dati di superficie, tornare all'impianto e fermare le turbine può essere molto costoso in termini di perdita di entrate per il cliente. Fortunatamente, con Eva, quando lasciamo un luogo di scansione, sappiamo che tutti i dati sono lì, fino all'ultimo millimetro."

Dopo aver terminato il modello CAD ben prima della scadenza, Delmont lo ha inviato al cliente, che a sua volta lo ha inoltrato al produttore della turbina. Il modello ha soddisfatto tutte le specifiche ed è stato immediatamente utilizzato per simulazioni CFD e altre analisi.

Modello CAD del tubo di pescaggio creato dalle scansioni Artec Eva

Settimane dopo, il team è tornato alla centrale idroelettrica, ha scansionato il secondo tubo di pescaggio e ne ha prodotto un modello CAD utilizzando il flusso di lavoro già collaudato.

Modelli CAD precisi per il retrofit e altro

Ora che i modelli CAD di entrambi i tubi di pescaggio sono prontamente disponibili, possono anche essere utilizzati come modelli di riferimento per l'ispezione dei tubi tramite scansione 3D, ad esempio in Artec Studio, utilizzando lo strumento di mappatura della distanza di superficie del software. Eventuali differenze tra il modello CAD e la scansione verranno visualizzate in una mappa termica a colori di facile lettura.

Oggi, solo in Francia esistono dozzine di centrali idroelettriche che necessitano di retrofit, e centinaia se non migliaia di altre in paesi di tutto il mondo.

Quando si tratta della competenza ingegneristica per questi progetti, secondo le parole di Delmont, "La domanda finale è questa: che tipo di precisione è veramente necessaria? Perché solo gli oggetti semplici richiedono un solo livello."

Elaborando, Delmont ha proseguito: "Molte aziende accettano tolleranze di precisione inferiori su aspetti piccoli e cruciali di un componente, mentre altre aziende spingeranno per tolleranze più elevate su un intero componente, anche su sezioni che non lo richiedono."

"Ma questi approcci non sono solo imperfetti, causano anche tempi di progetto più lunghi, spreco di risorse, costi più elevati e, infine, risultati peggiori", ha affermato Delmont.

Affrontare progetti complessi in cui non esiste documentazione originale

"La sfida più grande è come ottenere livelli di precisione ideali durante il retrofit di oggetti molto grandi, come i tubi di pescaggio, con varie sezioni con diversi livelli di complessità. E allo stesso tempo, per adattare il proprio metodo di reverse engineering a ogni singolo progetto."

"In ogni progetto che ho intrapreso con il mio Artec Eva", ha detto Delmont, "si è dimostrato una soluzione fondamentale per aiutare a colmare il divario quando non è possibile trovare disegni o documentazione originali, come nel caso di circa il 70% dei progetti di retrofit che abbiamo affrontato."

Ha continuato: “Con Eva, creo misurazioni precise e modelli CAD di oggetti di pochi centimetri così come altri lunghi diversi metri. Credo che questo sia uno dei maggiori punti di forza di Eva, la sua versatilità. I modelli CAD risultanti sono essenziali per qualsiasi cosa, il retrofit, l'ispezione, la manutenzione e molto altro."