[ 連載：プラントライフサイクルにおける 3 次元計測の活用 ] 第３回 劣化・保全 合同会社スパーポイントリサーチ 河村幸二 Koji Kawamura １． はじめに プラントや社会インフラの設備の高経年化にともない、安全確保および長寿命化にむけ てメンテナンスの重要性が増してきている。今回のシリーズで繰り返し述べているように、 メンテナンス単独の効率化だけではなく、プラントライフサイクルにわたる全体最適化を 達成するために、情報の 3 次元モデル化と高度化が必要であり、3 次元計測が大きな役割を 果たす。また効果的なメンテナンスを行う上で、設備の劣化状態を正確に把握するために、 3 次元計測手法が用いられることが多くなってきた。 本報では、これらの二つの視点を中心に解説を試みる。 ２．保全における 3 次元計測の位置づけ 工場設備の保全活動には、さまざまな呼び方があり、その分類の仕方も目的によってい くつかの表現方法がある。図１は「メンテナンス便覧」 （文献[1]）に記載のひとつの分類様 式に、3 次元計測の可能性のあるところを関係付けたものである。 保全 維持活動 計画保全 予防保全 劣化診断 事後保全 非計画保全 改善活動 改良保全 緊急保全 3 次元計測 現場調査 保全予防 図１ 保全の種類と 3 次元計測 設備が故障もしくは損傷した後に行われる「事後保全（Breakdown Maintenance ）」も しくは「緊急保全（Emergency Maintenance）」においても、損傷の度合いを精密に計測 する場合もありうるが、極めて例外的であろう。故障したら直ちに修理もしくは交換作業 が行われるわけではない。重要な機能で、予測される故障に対しては、予備機の作動や代 替手段が講じられていて、生産活動は継続しておき、適切なるタイミングをみて修理が行 われる。それが、計画保全 / 事後保全である。 1 予防保全(Preventive Maintenance )は、さらに時間基準保全（TBM : Time Based Maintenance）と状態基準保全（CBM : Condition Based Maintenance）に分類されるが、 最近は劣化進捗状況を計測する技術が進歩してきたこともあり、CBM が適用される割合が 増えてきている。この劣化進捗把握に 3 次元計測が大きな役割をになうことがある。 保全予防(Maintenance Prevention) とは、抜本的に設備もしくは機器を改善し、保全し なくて済むような設備とする、もしくは保全するとしても極めて簡単にできるようにする、 という考え方であり、家電製品や消費者向けの商品においては、普及した概念であるが、 プラント設備に対しては、それほど浸透していない。このことは、メンテナンスで得られ た知見が、設計過程に十分には反映されていない、ということを表しており、ライフサイ クルにわたる最適化の視点から、今後重要性が増してこよう。 ３．3 次元モデルのメンテナンスへの活用 （財）石油産業活性化センターは、この問題についての体系的な研究と机上検証の報告 書（文献[2]）をだしており、その一部を引用し紹介する。 図２は、プラントの 3 次元モ デルのライフサイクルわたる活用イメージを表したものであり、メンテナンスもその重要 な活用局面である。 図２ 製油所における 3D CAD モデル活用イメージ 出典 :文献[2] 2 本研究ではPEC研究員、製油所所員、エンジ会社社員、工事業者が参加し、保全、改造工事、 運転、教育・訓練の4つのテーマを中心に、3D CAD モデルの具体的な活用アイディアを抽出･整 理した。抽出された活用アイデアは全体で101 件（保全：30 件、改造工事：25 件、運転：20 件、 教育・訓練：26 件）であった。 これまで3次元プラントCADの効用については、エンジニアリング会 社によるEPC業務中心の議論が多かったが、オーナの立場にたっての運転・保全（O&M）への効 用について、真正面から考察を加えたものであり、極めて意義深いものである。 図３は、そのうちのメンテナンス情報の 3 次元モデルとの対応の一例を示したものである。 図３ 3D CAD システムにおいて3D CAD モデル上の場所と保全管理データベースの内容との 関連付けおよび相互検索を行うイメージ図 出典 :文献[2] 本研究では 3D CAD モデル活用有効性を、（イ）習熟期間の短縮、エラー防止、利便性・快適 性などによる経済評価、 （ロ）｢3 次元位置情報の活用｣、｢１元管理情報の利用（全ての 2D CAD 図面が集約）｣、｢理解の容易さ｣などの効果、（ハ）「日常点検箇所」、「外面腐食データ」、「操作手 順」などの保全データ項目を 3D CAD モデルに直結させることの効果、さらには（二）将来展望とし て、①オンライン状態監視情報の 3D CAD モデルへの出力、②3D CAD モデルとプロセスシミュ レータとの連携による 3D CAD モデル上での仮想運転トレーニング、③環境影響・災害影響シミュ レーション結果の 3D CAD モデル上への出力、など、センサーやシミュレータとの連携により、製 油所設備の現場情報の取込みや、仮想トレーニングツールとして活用され、バーチャルプラントの 色彩を強めて行く発展性を示唆している。 ４． 3 次元計測の手法の比較 3 プラント設備の 3 次元計測には、写真法とレーザスキャナ法があるが一長一短があり、場所と目 的に応じて使い分けるべきであろう。 前記文献[2] の中でも比較検討がおこなわれているが、評 価した時機がちょうどレーザスキャナが市場に出回り始めた時であり、概してその適用範囲が狭く 評価されている。 この４，5 年でレーザスキャナは、 ①価格低下、②測定性能向上、③軽量化、④対環境性、⑤ 処理ソフトウェアの機能向上 など、大幅に改善してきているので、現時点で比較すればかなり違 ったものになるであろう。 ただし、写真法の特徴が発揮できるところも多々残されており、その使い 分け、もしくは共用で計測していくのが実用的な解であろう。 ５．改造工事のための計測 改良保全の中には、一部機器の入れ替えや 配管の引き直しなどの、工事をともなうことも少 なくない。 機器モジュールやプレハブ配管を、 短期間でできるだけ火気を使わずに据付する ためには、既設プラントとの取り合い点、および 干渉チェックや搬入・搬出検討のための周りの 環境制約条件の正確な３次元情報が不可欠で ある。 ３次元計測が最も力を発揮する場面で ある。 図５は、写真計測によるプラントの３次元 モデルと、そのアニメーションの例である。 図 5 プラントの 3 次元ﾓﾃﾞﾙ化とｱﾆﾒｰｼｮﾝ 出典：大浦工測 文献[4] 改造工事のための３次元計測については、本 シリーズ（２）工事 （文献[3]）で紹介したものと重なると ころが多いので、ここでは省略するが、一点だけ補足す る。 保全改造工事で一部の配管を設置するだけで済む 場合、時間をかけて周辺の３次元モデルを作り上げる 必要はない。 精度の高い取り合い点に関わる情報だ けが得られれば、プレハブおよび工事は可能である。 高価なレーザスキャナではなくて、汎用のトータルステ ーションに PC を組合せ、その部分だけをモデル化する システムも登場してきている。 しかも、配管部品ライブ ラリーを内臓させることによって、現場測定しながら即モ デルが作成されていく、という簡便さも持ち合わせてい る。 文献[5] 図 6 ｆieldPipe 出典:文献[5] 4 ６．劣化状態の３次元計測 図７は、プラントや社会インフラとしての大型構造物の劣化と寿命予測、延命化の課題のイメージ を表したものである。 この中での３次元計測は非破壊検査のセンサーとして、また破損監視のモ ニタリングのセンサーとして位置づけられる。 図７ : 社会インフラの劣化・寿命管理システム 出典：科学技術振興機構 文献[6] コンクリートおよび鉄骨構造物について、劣化診断技術が進んでおり、３次元情報を扱えるものも 増えている。 その中で公開されている情報からいくつかを紹介する。 １） コンクリート非破壊 3 次元健全性診断 飛島建設と日本大学（小林義和 文 献[7]）は、コンクリート構造物の健全 性診断を非破壊で行う分野で、今まで に無い技術として、3 次元構造物健全性 診 断 シ ス テ ム 『 DaCS-3D 』 ∼ Damage Diagnosis System for Civil Structure with 3D Tomography∼を完成させた。 ３次元弾性波トモグラフィ技術を用 い、医療で使用する CT スキャンと同じ 様にコンクリート構造物の内部の様子 図８：任意の断面で構造物内部の健全度を詳細 に把握することが可能 凡例：青は健全、黄∼赤にな るほど健全性低い 5 を様々な断面で切断・可視化でき、より正確な健全性評価が可能になった。また、従来よ り数少ないセンサで構造物の 3 次元健全性評価が可能で、解析期間を大幅に短縮できるよ うになった。 ２） 三次元赤外線構造物劣化診断システム クラボウは、市販のデジタルカメラで撮影した可視画像とサーモグラフィによる赤外線画像や温 度差画像を重ね合わせ、モルタル吹付のり面やのり面背面のうき・剥離、密着不良、空洞化などの 変状、構造物の内部腐食・劣化具合などを三次元診断するシステムを開発し商品化している。(文 献[8]) 三次元解析により、正確な劣化面積・形状、 傾斜角などが得られるため、診断精度が格段に向 上できる。３次元写真計測ソフトウェア「クラベスシリ ーズ」（Kuraves-K、Kuraves-G2）で培った 3Ｄ技術 をベースとして、３次元化された地形モデルや構造 物モデルにサーモグラフィ（赤外線熱画像装置）から 図 9：劣化診断図 (可視光線＋赤外線 温度差画像) の赤外線画像や温度差画像をマッピングすることが できる。 ３）ｶﾗｰ画像処理による鋼管内面の腐食の検出 香川大学工学部石井研究室では、画像処理を用 いた材料腐食の検出自動化の研究を進めている。 その中のひとつに工業用ファイバースコープで鋼管 内部を検査し、その画像から腐食による減肉をリアル タイムで自動判定する試みがある。(文献[9]) 図 10 は、配管内面を検査し、実時間で赤錆領 域を小ブロック（16*16 画素）単位で検出することによ り腐食を自動判定した結果である。 図 10：配管内面の腐食自動判定 ７．おわりに 大型対象物のレーザスキャンから得られた点群データの実用的な処理ソフトウェアは、欧米が先 行しているが、デジタル写真からの３次元モデル生成や、小型対象物の精密画像処理を用いた各 種検査解析については、わが国にも優れた研究と実用化が行われている。この両者の技術の融合 が始まってきており、日本発のソフトウェアが広く世界に広がることを期待したい。 その原動力とな るのが、現場からの具体的なニーズである。 高い目標をぶつけて、研究者やシステム開発者の意 欲をかきたててもらいたい。 6 参照文献 [1] 日本プラントメンテナンス協会「メンテナンス便覧」（2001） [2] (財)石油産業活性化センター PEC-2002T-06「生産システム高度化技術小委員会報告書 （平成 14 年度石油環境対策基盤等整備事業）」 の中の「3D CAD 活用による保全、改造工 事、教育・訓練適用の研究開発 」編 [3]「配管技術」Vol.50 No.4 p.36-40 [4] URL : http://www.oura.co.jp [5] URL : http://www.coade.com CADWorxfieldPipe [6] 科学技術振興機構 「社会インフラ劣化診断・寿命管理技術」CRDS-FY2007-SP02 研究開発戦略センター 井上グループ [7] 日本大学理工学部土木工学科 小林義和 URL :http://www.civil.cst.nihon-u.ac.jp/%7Ekobayasi/LABHP [8] URL :http://www.kurabo.co.jp/el/3d/kuraves_th_01.html [9] URL :http://www.eng.kagawa-u.ac.jp/ ishii 7
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