年輕工程師揭示大山深處水電站的塵封奧秘

挑戰(zhàn)：為水電站的巨型引水管進(jìn)行三維掃描，制作CAD模型。

使用工具：Artec Eva, Artec Studio, Solidworks

效果：借助Artec Eva三維掃描儀，在5小時(shí)內(nèi)完整捕獲巨型引水管。隨后基于掃描數(shù)據(jù)，創(chuàng)建毫米級(jí)精度的CAD模型。將數(shù)據(jù)發(fā)送給渦輪機(jī)制造商，用于水電站新渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)與制造。

△工程師使用Artec Eva對(duì)水力發(fā)電站引水管末端進(jìn)行掃描。

法國(guó)，汝拉山脈的深處——達(dá)米安·德?tīng)柮商厥掷锬弥�一臺(tái)Artec Eva三維掃描儀，站在于黑暗中蜿蜒前伸的混凝土引水管內(nèi)，頭頂四米開(kāi)外就是一臺(tái)紋絲不動(dòng)的巨型渦輪機(jī)，兩個(gè)舊閥門擋住了另一頭洶涌磅礴的水流——是時(shí)候開(kāi)工了。

這里是法國(guó)汝拉山脈的一處水電站，自建成至今已有87年的歷史。在接下來(lái)的五個(gè)小時(shí)里，達(dá)米安和他的同事紀(jì)堯姆·德馬爾什一同在漆黑的管道中摸索前進(jìn)，使用Artec Eva精準(zhǔn)采集了巨型引水管的每個(gè)部位。

這座水電站滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電量超過(guò)10兆瓦，足以為5000個(gè)家庭供電。而現(xiàn)在，水電站按下了“暫停鍵”。渦輪機(jī)關(guān)閉的每一小時(shí)，都會(huì)造成巨額損失。因此工時(shí)非常緊張，達(dá)米安的團(tuán)隊(duì)必須爭(zhēng)分奪秒。

不僅如此，他們的工作還面臨著相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)：水庫(kù)水位已經(jīng)上升至危險(xiǎn)等級(jí)，人員隨時(shí)都有可能被迫疏散。

01

87年以來(lái)第一次改造

1934年，作為第一次世界大戰(zhàn)戰(zhàn)敗國(guó)賠償?shù)囊徊糠�，一位德�?guó)工程師為法國(guó)人主持建造了這座水電站。自建成以來(lái)，水電站始終處于運(yùn)行狀態(tài)。近日，水電站迎來(lái)了第一次“大保養(yǎng)”。項(xiàng)目承包商計(jì)劃對(duì)水電站的混流式水輪機(jī)進(jìn)行更換。

△工程師正在監(jiān)測(cè)水位。

為了設(shè)計(jì)并制造出性能優(yōu)異的渦輪機(jī)，必須首先對(duì)巨型引水管的尺寸進(jìn)行精確采集。

如果采集到的測(cè)量數(shù)據(jù)不夠精確，那么安裝上去的新渦輪機(jī)可能就無(wú)法達(dá)到額定功率，無(wú)法滿足發(fā)電站的標(biāo)準(zhǔn)。

更糟糕的是，測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差過(guò)大不僅可能引發(fā)功率損失、汽蝕等問(wèn)題，甚至可能導(dǎo)致渦輪機(jī)振動(dòng)頻率過(guò)高，重演2009年薩揚(yáng)-舒申斯克水電站的悲劇。

編者按

2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大事故，造成75人死亡；10臺(tái)機(jī)組不同程度破壞，廠房被摧毀；事故造成該地區(qū)25%的電力缺口；40噸變壓器油溢出，400噸養(yǎng)殖鮭魚死亡 ；直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)130億美元。

事故直接原因是超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致2#水輪機(jī)劇烈振動(dòng)，機(jī)組頂蓋固定螺栓發(fā)生疲勞破壞，導(dǎo)致2#水輪機(jī)上蓋及轉(zhuǎn)子射出，水柱從水輪機(jī)處的空腔噴入主廠房，淹沒(méi)主廠房發(fā)電機(jī)層及下面各層。

02

精準(zhǔn)決定了一切

引水管的原始圖紙還在。但在87年的時(shí)間里，在水流的日夜沖刷下，引水管的尺寸已經(jīng)產(chǎn)生了一定變化。原始圖紙已不能作為可靠的工程圖來(lái)使用。

不合規(guī)范的、誤差過(guò)大的數(shù)據(jù)不僅可能會(huì)造成設(shè)備損傷，帶來(lái)安全隱患；也會(huì)讓渦輪機(jī)制造商和水電站改造項(xiàng)目承包商面臨罰款、訴訟等嚴(yán)重后果。

于是，項(xiàng)目承包商找到了3DLM公司的達(dá)米安。達(dá)米安是三維掃描工業(yè)應(yīng)用方面的專家，非常擅長(zhǎng)為老舊結(jié)構(gòu)或零部件進(jìn)行逆向工程。

達(dá)米安解釋道：“如果引水管的幾何形態(tài)比較簡(jiǎn)單，就能輕松使用傳統(tǒng)測(cè)繪工具采集數(shù)據(jù)。但是此處的引水管形態(tài)非常復(fù)雜。所以如果要制作毫米級(jí)別的CAD模型，我們必須選擇三維掃描�！�

03

尋找合適的三維掃描儀

達(dá)米安找到了Artec3D金牌授權(quán)經(jīng)銷商Boreal3D公司，結(jié)識(shí)了三維掃描工程師紀(jì)堯姆。紀(jì)堯姆向他推薦了Artec Eva。這是一款手持式專業(yè)三維掃描儀，精度達(dá)到0.1mm，深受世界各地的逆向工程師青睞。

達(dá)米安補(bǔ)充道：“本項(xiàng)目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個(gè)小時(shí)，我們就完整地捕獲了12米長(zhǎng)的引水管。所生成的CAD模型可進(jìn)一步用于CFD計(jì)算機(jī)流體力學(xué)模擬，在精確數(shù)據(jù)的全面指導(dǎo)下設(shè)計(jì)并制造新的渦輪機(jī)�！�

04

巨型管道掃描挑戰(zhàn)

考慮到項(xiàng)目復(fù)雜，工作量巨大，達(dá)米安請(qǐng)紀(jì)堯姆到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助。經(jīng)過(guò)一番精心策劃后，他們進(jìn)入水電站發(fā)電機(jī)組引水管，迅速開(kāi)展行動(dòng)。

他們將引水管劃分成10個(gè)獨(dú)立部分，分別進(jìn)行掃描。并且在引水管內(nèi)壁涂上了噴漆，作為數(shù)據(jù)拼接的參照。

達(dá)米安補(bǔ)充道：“本項(xiàng)目工期很緊。但有了Artec Eva，僅用了短短五個(gè)小時(shí)，我們就完整地捕獲了12米長(zhǎng)的引水管。所生成的CAD模型可進(jìn)一步用于CFD計(jì)算機(jī)流體力學(xué)模擬，在精確數(shù)據(jù)的全面指導(dǎo)下設(shè)計(jì)并制造新的渦輪機(jī)�！�

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巨型管道掃描挑戰(zhàn)

考慮到項(xiàng)目復(fù)雜，工作量巨大，達(dá)米安請(qǐng)紀(jì)堯姆到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助。經(jīng)過(guò)一番精心策劃后，他們進(jìn)入水電站發(fā)電機(jī)組引水管，迅速開(kāi)展行動(dòng)。

他們將引水管劃分成10個(gè)獨(dú)立部分，分別進(jìn)行掃描。并且在引水管內(nèi)壁涂上了噴漆，作為數(shù)據(jù)拼接的參照。

△紀(jì)堯姆正在使用Artec Eva掃描引水管內(nèi)壁。

達(dá)米安進(jìn)一步補(bǔ)充道：“此前我聽(tīng)說(shuō)，三維掃描儀在透過(guò)水掃描時(shí)精度表現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重下降。但Eva卻沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，我們對(duì)部分積水區(qū)域用激光遙測(cè)法驗(yàn)證了精度，發(fā)現(xiàn)Eva的數(shù)據(jù)仍然保持一貫的精度�！�

整根水管劃分成10個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的掃描時(shí)間約為半小時(shí)。整個(gè)水管的掃描從頭到尾共耗時(shí)5個(gè)小時(shí)左右。

05

創(chuàng)建CAD模型

引水管內(nèi)壁有一層5-10mm厚的礦物層，這是數(shù)十年來(lái)水流沖刷水管留下的沉積物。我們需要在3D模型上準(zhǔn)確地重現(xiàn)礦物層，以便在后續(xù)CFD模擬中精確地再現(xiàn)水在管道中的流速。

掃描結(jié)束后，我們需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，進(jìn)一步生成CAD模型。

紀(jì)堯姆表示：“我在Artec Studio中刪除了一些多余數(shù)據(jù)，隨后把十塊區(qū)域?qū)�齊，就迅速合成了引水管的網(wǎng)格3D模型�！�

△在Artec Studio中經(jīng)過(guò)后處理的引水管3D模型。

下一步，利用Artec Studio的逆向功能，達(dá)米安創(chuàng)建了一些基礎(chǔ)圖元，并將圖元擬合到引水管3D模型上。接下來(lái)，他將所有圖元以STP格式導(dǎo)出至Solidworks軟件，并以圖元為參考，快速完成了草圖、繪制以及CAD模型擠壓等工序。

“掃描完成后，可以在Artec Studio中直接創(chuàng)建CAD基礎(chǔ)圖元，這樣的操作能幫我們大幅縮短工作流程。”達(dá)米安對(duì)AS的逆向功能贊不絕口。

06

一次搞定，無(wú)需返工

達(dá)米安補(bǔ)充道：“有了Eva，我們信心十足。甚至這樣一個(gè)形態(tài)不規(guī)則的巨型引水管也可以一次搞定。也就是說(shuō)，我們不需要二次掃描，不需要返工。”

“如果你已經(jīng)回到了辦公室，正在做數(shù)據(jù)后處理，突然發(fā)現(xiàn)某個(gè)部位的數(shù)據(jù)缺失，那么重新回到項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)掃，成本將非常昂貴。但我們不一樣——掃描完的那一刻，我們對(duì)自己的數(shù)據(jù)就胸有成竹，精度始終在線，完整度有保證�！�

達(dá)米安趕在交付日期前完成了CAD模型。他將CAD模型發(fā)送給項(xiàng)目承包商，再由承包商轉(zhuǎn)發(fā)給渦輪機(jī)制造商。制造商對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量非常滿意，立刻投入了渦輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。

△引水管CAD模型。

數(shù)周后，掃描團(tuán)隊(duì)又一次來(lái)到水電站，掃描了另一根引水管，通過(guò)類似的工作流程同樣制作了CAD模型。

07

原始圖紙散佚？不是問(wèn)題

“掃描巨型物體，例如引水管，最大的挑戰(zhàn)是如何獲得理想的精度效果。巨型物體各個(gè)部分的復(fù)雜程度不同。所以，要根據(jù)每個(gè)部分來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整采集方式�！�

達(dá)米安說(shuō)道：“在我們?nèi)粘＝拥降捻?xiàng)目中，約有70%的項(xiàng)目原始圖紙?jiān)缫焉⒇�。而Artec Eva圓滿地完成了每一個(gè)任務(wù)，解決了原始圖紙缺失的問(wèn)題。”

“有了Eva，我們可以精準(zhǔn)采集測(cè)量數(shù)據(jù)，制作CAD模型，從幾厘米到幾米長(zhǎng)都沒(méi)問(wèn)題。我認(rèn)為Eva最大的優(yōu)勢(shì)之一就是適用范圍非常廣泛。對(duì)改造、檢驗(yàn)、維護(hù)等多種工作而言，制成的CAD模型都能發(fā)揮關(guān)鍵作用。”