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對水力發(fā)電站引水管末端進(jìn)行掃描,。

法國，汝拉山脈的深處——達(dá)米安·德爾蒙特手里拿著一臺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),，頭頂四米開外就是一臺紋絲不動的巨型渦輪機(jī)，兩個舊閥門擋住了另一頭洶涌磅礴的水流——是時候開工了,。

這里是法國汝拉山脈的一處水電站,，自建成至今已有87年的歷史。在接下來的五個小時里,，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部位。

這座水電站滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,，發(fā)電量超過10兆瓦,，足以為5000個家庭供電,。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,，都會造成巨額損失。因此工時非常緊張,，達(dá)米安的團(tuán)隊(duì)必須爭分奪秒,。

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

01

87年以來第一次改造

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

△工程師正在監(jiān)測水位,。

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

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

更糟糕的是,，測量數(shù)據(jù)的誤差過大不僅可能引發(fā)功率損失、汽蝕等問題,，甚至可能導(dǎo)致渦輪機(jī)振動頻率過高,，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,，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使用,。

不合規(guī)范的,、誤差過大的數(shù)據(jù)不僅可能會造成設(shè)備損傷，帶來安全隱患,；也會讓渦輪機(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)比較簡單,，就能輕松使用傳統(tǒng)測繪工具采集數(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，僅用了短短五個小時,，我們就完整地捕獲了12米長的引水管,。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)米安請紀(jì)堯姆到項(xiàng)目現(xiàn)場協(xié)助,。經(jīng)過一番精心策劃后,，他們進(jìn)入水電站發(fā)電機(jī)組引水管，迅速開展行動,。

他們將引水管劃分成10個獨(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,，僅用了短短五個小時,，我們就完整地捕獲了12米長的引水管。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)米安請紀(jì)堯姆到項(xiàng)目現(xiàn)場協(xié)助。經(jīng)過一番精心策劃后,，他們進(jìn)入水電站發(fā)電機(jī)組引水管,，迅速開展行動。

他們將引水管劃分成10個獨(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：“此前我聽說，三維掃描儀在透過水掃描時精度表現(xiàn)會嚴(yán)重下降,。但Eva卻沒有出現(xiàn)任何問題,。為保險起見，我們對部分積水區(qū)域用激光遙測法驗(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個區(qū)域,，每個區(qū)域的掃描時間約為半小時,。整個水管的掃描從頭到尾共耗時5個小時左右。

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,，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�,！边_(dá)米安對AS的逆向功能贊不絕口,。

06

一次搞定，無需返工

達(dá)米安補(bǔ)充道：“有了Eva,，我們信心十足,。甚至這樣一個形態(tài)不規(guī)則的巨型引水管也可以一次搞定。也就是說,，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)某個部位的數(shù)據(jù)缺失,，那么重新回到項(xiàng)目現(xiàn)場進(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)又一次來到水電站，掃描了另一根引水管,，通過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。巨型物體各個部分的復(fù)雜程度不同,。所以,，要根據(jù)每個部分來動態(tài)調(diào)整采集方式�,！�

達(dá)米安說道：“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任務(wù),，解決了原始圖紙缺失的問題,。”

“有了Eva,，我們可以精準(zhǔn)采集測量數(shù)據(jù),，制作CAD模型，從幾厘米到幾米長都沒問題,。我認(rèn)為Eva最大的優(yōu)勢之一就是適用范圍非常廣泛,。對改造、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�,！�