Artec Eva, 87년 된 프랑스 수력 발전소 개보수에 도움을 주다

Artec Eva를 사용하여 수력 전기 흡출관 끝 스캔

프랑스 쥐라 산맥의 중심부 깊은 곳에서 엔지니어 Damien Delmont(다미앙 델몽)은 Artec Eva 3D 스캐너를 손에 들고 긴 콘크리트 흡출관 안에 서서 4m 위의 움직이지 않는 터빈을 향해 어둠을 응시하고 있었는데, 그곳에서는 두 개의 오래된 밸브가 반대편의 수백만 리터의 밀려오는 물을 막았습니다. 시작할 시간이었습니다.

몇 시간 후, Delmont과 그의 프로젝트 파트너인 Guillaume Demarche는 비계를 사용하여 터빈 아래 구조물의 상층부로 올라가 거대한 흡출관을 속속들이 캡처했습니다.

팀은 빠르게 작업해야 했습니다. 터빈이 꺼진 채로 있는 매시간 발전소의 수익 손실이 발생했으며, 이 발전소는 최대 용량으로 5,000가구에 전력을 공급할 수 있는 10메가와트 이상의 전기를 생성합니다.

그들의 작업을 더욱 복잡하게 만든 것은 강의 수위가 홍수 단계까지 올라갔기 때문에 공장은 긴급 상황에서 대피 직전에 가동되고 있었다는 사실입니다.

87년 후, 개보수할 시간

거의 한 세기 전인 1934년 제1차 세계 대전의 배상금의 일부로 독일 기술자들에 의해 건설된 이 수력 발전 시설은 그 이후로 계속 가동되고 있습니다. 발전소에 있는 4개의 Francis 터빈 중 2개 터빈의 첫 번째 것을 교체해야 할 때가 되었을 때, 프로젝트를 맡은 도급업체는 당면한 작업의 복잡한 특성을 파악했습니다.

수력 발전소 옆의 수위 모니터링

터빈 제조업체가 설비에 최적으로 작동하는 장치를 설계하기 위해서는 먼저 물이 터빈을 통해 아래 강으로 보내진 후 배기관 역할을 하는 거대한 불규칙한 모양의 흡출관의 정확한 치수를 알아야 했습니다.

부정확한 측정값을 사용할 경우 터빈은 아무리 잘 해도 지정된 전기 출력을 생성하지 못하기 때문에 발전소의 성능 표준을 충족하지 못합니다.

최악의 경우, 잘못된 측정값으로 인해 전력 손실, 공동화, 심지어 과도하게 높은 터빈 진동 레벨이 발생하여 2009년의 사야노-슈센스카야(Sayano-Shushenskaya) 수력 발전소 재해와 같은 사고로 이어질 수 있습니다.

정확한 기록의 필요성

흡출관의 원래 청사진은 그대로 있지만 작성되고 나서 거의 90년이란 시간이 흘렀으며 치수가 바뀌어 신뢰할 수 있는 엔지니어링 문서로 사용하지 않게 되었습니다.

터빈 제조업체와 프로젝트 도급업체는 사양을 충족하지 못해 발생하는 즉각적인 물리적 피해 외에도 벌금, 명예 훼손 등을 포함한 중징계를 받게 됩니다.

기존의 측정 방법으로는 프로젝트 기간 내에 흡출관을 정확하게 기록할 수 없다는 것을 알게 된 도급업체는 구식 구조물 및 구성 요소의 개보수, 검사, 리버스 엔지니어링을 포함한 산업 응용 분야의 엔지니어링 및 3D 스캐닝 전문가인 3DLM의 Damien Delmont에게 도움을 요청했습니다.

Delmont은 "흡출관이 단순한 기하학적 모양이라면 기존 도구를 사용하여 쉽게 측정할 수 있었을 것입니다. 그러나 그렇지 않습니다. 그래서 우리는 이러한 흡출관의 밀리미터 단위 CAD 모델을 만들기 위해 3D 스캔을 선택했습니다."라고 말했습니다.

적합한 3D 스캐너를 찾아서

몇 년 전 Delmont은 엔지니어링 회사를 설립했을 때 자신의 엄격한 요구를 충족할 3D 스캐너를 찾기 시작했습니다.

Artec의 골드 인증 파트너인 Boreal 3D에 연락하여 Demarche를 만난 후 그는 곧 전 세계 엔지니어와 기타 전문가들이 많이 사용하는 1mm 이하의 정확도를 가진 휴대용 전문 3D 스캐너인 Artec Eva를 소개받았습니다.

Artec Eva

Delmont은 이어 "이 프로젝트의 특성상 기한이 촉박했으며, Eva를 사용하여 단 몇 시간 만에 12m 흡출관을 모두 정밀하게 캡처하여 CAD 모델을 분석 및 새로운 터빈 구축에 필요한 CFD(컴퓨팅 유체 역학) 시뮬레이션에 사용할 수 있었습니다.

어떤 이유로든 명시된 기간 내에 결과물을 제공하지 않았다면 프로젝트에 연관되어 잇는 다른 모든 사람들이 영향을 받았을 것이고, 우리가 향후 프로젝트에 참여할 가능성에도 영향을 미쳤을 것입니다."라고 말했습니다.

초대형 물체 캡처, 스캔 후 스캔

기한이 빠르게 다가오자 Delmont은 프로젝트의 규모와 복잡성을 고려하여 Guillaume Demarche에게 지원을 요청했습니다. 신중하게 계획을 세운 후 그들은 수력 발전 시설에 도착하여 신속하게 앞으로의 단계에 대한 전략을 짰습니다.

처리 단계에서 스캔을 Artec Studio 소프트웨어에서 더 빨리 정렬할 수 있도록 흡출관의 벽에 스프레이식 페인트를 도포하고 스캐닝을 위해 10개의 분리된 섹션을 지정했습니다.

Artec Eva로 흡출관을 스캔하는 Boreal의 Guillaume Demarche

그들은 또한 이처럼 분리된 섹션에서 작업함으로써 항상 가까이에 있던 위협인 비상 사태가 발생할 경우 흡출관에서 즉시 빠져나갈 수 있도록 만반의 준비를 했습니다. 예를 들어, 팀이 스캔하는 동안 물 수위는 그들 바로 뒤에 있는 임시 물막이 댐 상단을 넘치기 전 10cm 지점까지 차올랐습니다.

안전 기술자들이 댐 꼭대기에 서서 내내 수위를 감시했습니다. 날씨가 더 나빠지면 불과 몇 킬로미터 상류에 물이 위험한 수위까지 올라갈 수 있습니다.  그럴 경우 팀이 모든 장비를 잡고 흡출관에서 탈출할 수 있는 시간이 1분도 채 되지 않을 것입니다.

어둠과 물 속에서도 스캔

위험을 지속적으로 상기시키는 것은 분당 약 10리터의 물이 흡출관으로 쏟아져 위의 밸브를 통해 흘러내리는 것이었습니다. 주택용 밸브와 수도꼭지와 달리, 이 오래된 밸브는 적은 양의 물을 통과하도록 설계되었습니다. 물 피해로 인한 즉각적인 위험을 피하기 위해 팀은 컴퓨터와 장비를 놓을 임시 나무 테이블을 만들었습니다.

그러나 물은 1분도 스캔에 방해가 되지 않았습니다. Delmont은 “흡출관 바닥에 2cm 정도의 물이 있었지만 Eva는 여전히 이 영역을 완벽하게 스캔했습니다."라고 말했습니다.

Artec Eva로 흡출관의 상부를 캡처하는 Boreal의 Guillaume Demarche

그는 이어 "저는 물이 얇게 덮여만 있어도 스캐너로 작업하는 데 어려움을 겪을 수 있다고 들었는데, Eva는 그렇지 않았습니다. 주의에 주의를 거듭하기 위해 레이저 원격 측정으로 이 영역을 확인했고 Eva 측정값이 정확하게 맞았습니다."라고 말했습니다.

각 섹션을 스캔하는 데 약 30분이 걸렸고 전체 흡출관을 끝에서 끝까지 캡처하는 데 약 5시간이 걸렸습니다.

Delmont은 "Eva는 이러한 유형의 작업에 이상적인 스캐너라는 것이 입증되었습니다. 매우 정확하고 기술에 상대적으로 악영향을 주는 습하고 심지어 물기가 있는 환경 그리고 전기 콘센트가 없는 완전한 어둠 속에서도 아무런 타깃도 없이 스캔할 수 있기 때문입니다.”라고 말했습니다.

개보수, 검사 등을 위한 CAD 모델 생성

스캔하는 동안 Delmont은 흡출관 벽에서 흡출관을 통과하는 수백만 리터의 엄청난 양의 물로 인해 수십 년 동안 침전된 5~10mm의 광물 축적층을 발견했습니다.

이러한 침전물은 흡출관을 통한 흐름 특성에 영향을 미치며 생성된 3D 모델에 정확하게 기록되어야 했습니다. 그렇지 않으면 후속 CFD 시뮬레이션에서 실제 물의 유량을 반영하지 못할 것입니다.

스캔을 마치고 사무실로 돌아온 후 스캔을 CAD 모델로 처리할 시간이 되었습니다. Demarche는 "Artec Studio에서 스캔을 처리할 때 우리가 할 일은 많지 않았습니다. 그것은 우리가 계획한 대로였습니다."라고 말했습니다.

그는 이어 "기본적으로 약간의 정리 후 10개의 스캔한 섹션을 정렬하고 전체 흡출관의 모든 표면을 포함하는 단일 3D 모델을 생성했습니다."라고 말했습니다.

Artec Eva로 스캔한 전체 수력 전기 흡출관의 최종 3D 모델

최적의 결과를 위한 Artec Studio의 Scan-to-CAD 도구 사용

이 단계에 따라 Delmont은 Artec Studio의 Scan-to-CAD 기능을 사용하여 흡출관의 3D 모델에 CAD 기본 도형을 피팅했습니다. 그런 다음 그는 기본 도형을 STP 파일로 SOLIDWORKS로 내보냈고 여기에서 기본 도형을 흡출관의 CAD 모델을 스케치, 그리기 및 압출하기 위한 참조로 사용했습니다.

Delmont은 Scan-to-CAD 기능의 중요성을 강조하면서 "작업 흐름의 한 단계에 너무 많은 시간이 걸리면 효율성이 떨어지고 비용이 증가하므로 경쟁력을 유지하고 새로운 프로젝트를 수주할 기회가 줄어들 것입니다.”라고 말했습니다.

 “Artec Studio의 스캔에서 직접 CAD 기본 요소를 생성할 수 있기 때문에 물체를 스캔한 직후에 품질 면에서 어떤 것도 희생하지 않으면서 작업 흐름에서 귀중한 시간을 단축하고 있습니다."

1차 스캐닝부터 모든 것을 완벽하게 캡처

Delmont은 “Eva를 사용하면 수력 전기 흡출관처럼 거대하고 균일하지 않은 물체의 모든 치수를 단번에 캡처할 수 있습니다. 즉, 2차 스캐닝도 필요 없고, 발전소를 다시 멈추게 할 필요도 없습니다.“라고 덧붙였습니다.

“스캔을 처리하기 시작하고 표면 데이터가 누락된 경우, 발전소로 돌아가서 터빈을 멈추는 것은 발주자의 수익 손실 측면에서 큰 비용이 될 수 있기 때문입니다. 다행히도 Eva는 스캔 작업을 마치고 나면 마지막 밀리미터까지 모든 데이터가 저장되어 있다는 것을 알게 됩니다."

Delmont은 기한이 되기 훨씬 전에 CAD 모델을 완성한 후 이를 발주자에 보냈고, 발주자는 이를 터빈 제조업체에 전달했습니다. 이 모델은 모든 사양을 충족했으며 즉시 CFD 시뮬레이션 및 기타 분석에 사용되었습니다.

Artec Eva 스캔에서 생성된 흡출관의 CAD 모델

몇 주 후, 팀은 수력 발전소로 돌아와 두 번째 흡출관을 스캔하고 기존 작업 흐름을 사용하여 CAD 모델을 생성했습니다.

개보수 및 그 이상을 위한 정밀한 CAD 모델

이제 두 흡출관의 CAD 모델은 쉽게 입수할 수 있으므로, 예를 들어 Artec Studio에서 소프트웨어의 표면 거리 매핑 도구를 사용하여 3D 스캐닝을 통해 흡출관을 검사하기 위한 참조 모델로 사용할 수도 있습니다. CAD 모델과 스캔 간의 차이점은 읽기 쉬운 컬러 히트 맵에 표시됩니다.

오늘날, 프랑스에만 개보수가 필요한 수십 개의 구식 수력 발전소가 있으며, 이러한 발전소가 세계 각국에 수천 개는 아니더라도 수백 개가 더 있는 것으로 나타났습니다.

이러한 프로젝트에 대한 엔지니어링 전문성과 관련하여 Delmont의 말에 의하면 궁극적인 질문은 ‘어느 정도의 정확도가 진정으로 필요한가?’입니다. 왜냐하면 단순한 물체만이 한 레벨만 필요로 하기 때문입니다.

Delmont은 이어 "많은 회사가 구성 요소의 작고 중요한 측면에 대해 낮은 정확도 허용 오차를 받아들이는 반면, 다른 회사는 필요하지 않은 부분에서도 전체 구성 요소에 대해 가장 높은 허용 오차를 요구할 것입니다."라고 자세히 설명했습니다.

Delmont은 "그러나 이러한 접근 방식에는 결함이 있을 뿐만 아니라 프로젝트 시간이 길어지고, 자원이 낭비되고, 비용이 증가하며 결과적으로 결과가 좋지 않게 됩니다."라고 말했습니다.

원본 문서가 없는 복잡한 프로젝트 수행

“가장 큰 과제는 흡출관과 같은 복잡도가 다른 다양한 섹션을 가진 매우 큰 물체를 개보수할 때 어떻게 이상적인 수준의 정확도를 달성하느냐입니다. 동시에 어떻게 각 개별 프로젝트에 맞게 자신만의 레트로 엔지니어링 방식을 적용하느냐입니다."

Delmont은 “제가 Artec Eva로 수행한 모든 프로젝트에서 Artec Eva는 우리가 경험한 개보수 프로젝트의 약 70%에 해당하는 원본 도면이나 문서를 찾을 수 없는 공백을 메우는 데 도움이 되는 중요한 솔루션임이 입증되었습니다."라고 말했습니다.

그는 이어 “저는 Eva를 사용하여 크기가 몇 센티미터에 불과한 물체에서 길이가 수 미터인 다른 물체의 정확한 측정값 및 CAD 모델을 생성하고 있습니다. 이것이 Eva의 가장 큰 장점 중 하나인 다용도성이라고 생각합니다.  그 결과로 생성된 CAD 모델은 개보수에서 검사, 유지 보수 등에 이르기까지 모든 작업에 필수적입니다."라고 말했습니다.