JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）p. 29-33

3D 形状計測技術活用による設備の設計・点検・取替効率化
Efficient Design, Inspection and Replacement of Equipment
by Utilizing 3D Shape Measurement Technology西名慶晃

NISHINA Yoshiaki

JFE スチール

今野寛之

KONNO Hiroyuki

JFE プラントエンジ

倉敷事業所

建設センター

機械プラント部鈴木雅大

SUZUKI Masahiro

JFE プラントエンジ

千葉事業所

保全センター

機械メンテナンス部

スチール研究所主任研究員（副部長）

サイバーフィジカルシステム研究開発部

設計室（係長）圧延工事室（副課長）

要旨
最新の 3D 形状計測技術を活用して製鉄所内の設備の 3 次元形状を測定し，設備や配管等の設計，点検，並びに取替を効率化する技術開発に取り組んでいる。3D 形状計測技術活用による転炉炉底部の部分取替工事の効率化，炉内ラジアントチューブの点検・取替の効率化，3D 技術の組合せによる配管設計工事の業務効率化に取り組み，鉄鋼設備の設計，点検，取替の効率化を実現するとともに，プラントエンジニアリング事業へも展開している。

Abstract:
Technologies relating to design, inspection, and replacement efficiency of equipment has been developed bymeasuring three-dimensional shape of equipment utilizing the latest 3D Shape measurement technology. Through theuse of 3D measurement technology to improve efficiency of partial replacement work at the bottom of the converter
furnace, to improve efficiency of inspection and replacement of radiant tubes in the furnace, and to improve efficiencyof piping design work by combining 3D technology, efficient design, inspection and replacement of equipment wasarchived. Some selected technologies have been currently applied to plant engineering business of JFE Steel Group.

1． はじめにめる「Time of flight 方式」と，数種類のレーザ波長の「位相差（干渉波）」で計測距離を算出する「フェーズシフト方式」

JFE スチールグループでは，設備や配管等の設計，点検，5）の 2 種類がある 。Time of flight 方式は長距離・広範囲の並びに取替の効率化を目的とした取り組みのひとつとして，測定に向いており，一方でフェーズシフト方式は大量な点群最新の 3 次元（3D）計測技術を活用した技術開発に取り組データを短時間で取得できる特徴があるため，目的に応じてんでいる。3D 計測技術は，3D レーザスキャナーの登場に両方式を使い分けることが重要である。

より，大量に高速でかつ高精度の 3 次元情報が採取できることからさまざまな領域で活用が始まった

1-4）。3D レーザスキャナーが登場し始めたころは，モデル化に人手がかかるこ

本稿では，最新の 3D 計測技術活用による設計，点検，並びに取替の効率化に関する開発事例及び応用例について紹介する。とが普及のネックとなっていた。しかし，ここ数年，形状自動認識によるモデル化技術が急速に進歩したこと，点群密度の向上と CAD ソフトウェアの機能向上によりモデル化せ

2． 3D 形状計測技術の活用による転炉炉底部の部分更新工事の効率化ずにデザインレビューや干渉チェックが可能となったこと，更に，デジタル画像の大幅な精度向上と処理ソフトウェア

転炉炉底部の部分更新工事では，図 1 に示すように，旧の高度化もあり，3D レーザスキャナーの普及が進んだ。3D

炉体の炉底部を切断した上で旧炉体の膨張に合わせて新炉レーザスキャナーは，ミラーでレーザを偏光させ計測対象物底を接合する必要がある。3D 計測技術を活用し，溶接接合とセンサの間でレーザパルスを往復させることで距離を計面の目違いを 40 mm 以下に事前に造り込み，現地での接合測し，同時にレーザビームを放射した方向を計測することで，面の追加工時間を省略することで転炉炉底部の部分更新工

計測対象物の 3 次元座標を取得する手法である。測定方式は，事の工期短縮化を実現した開発事例を紹介する。

レーザが測定対象物で反射して帰ってくるまでの時間から2.1

距離を算出するとともにレーザの移動方向角度から角度を算出し，算出した距離と角度情報から 3 次元位置情報を求

部分更新工事の問題点

汎用レーザ距離計で切断部近傍の内径を 22.5°ごとに計 16点測定した結果，図面寸法に対して最大 240 mm 以上膨張2019 年 3 月 25 日受付

していることが判明した。しかし，距離計では，炉体が傾い－ 29 －

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3D 形状計測技術活用による設備の設計・点検・取替効率化

図 1 転炉炉底部の部分更新の概要
Fig. 1

Outline of partial update of converter furnace bottom

図 2 複数個所からの 3D 状測定状況
Fig. 2 Outline of 3D shape measurements from multipleplaces

図 3 基準点を用いた平滑化画像合成
Fig. 3Smoothing image synthesis using reference pointsている場合は十分な測定精度が得られないという問題があった。

2.2

3D 形状計測技術の活用による部分更新工事

旧炉体の膨張に合わせて，溶接による接合面の目違いを40 mm 以下になるように新炉底部を事前に造り込むため，旧炉体の切断面相当部の周囲 360°の炉体形状を 3D スキャナーを活用して効率的かつ精度良く現地測定することにした。図 2 に示すように，基準点を設け複数箇所から 3D 形状計測を実施した。
3D 形状計測は，1 箇所当たり 12 万点/s の速度で約 1 分間実施した。図 3（a）に示すように 4 箇所からの測定デー
タを平滑化画像合成処理することで，測定ノイズ除去及び不足データの近似処理を行い，図 3（b）に示すように周囲360°の炉体形状モデルを構築した。
構築した炉体形状モデルから切断面の旧炉体形状を取得
し，図 4 に示すように，真円で新作した炉底を旧炉体形状に合わせて異円形にプレス加工し，旧炉体との接合面の目JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）

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図 4 新炉底のプレス加工状況
Fig. 4

Outline of press working at the new furnace bottom

3D 形状計測技術活用による設備の設計・点検・取替効率化

違いを最大約 10 mm 以下に修正した。更にプレス加工後の暗所，狭所に多数配置されているため，的確な点検作業が接合面の 3 次元形状を測定した上で，旧炉体の切断時に再不可能であることから適切な保全計画ができず，鋼板と RT計測を実施し，プレス加工後の接合面との目違いが最小ととの接触による操業トラブルにつながりかねない。そこで，なる位置を選定した。その結果，現地での接合面の追加工

3D 計測技術を活用し，炉内全数の RT 変形量の点検方法をなしで，新旧炉体の接合面の溶接が可能となった。

開発した。RT 変形量の把握が可能になったことで，保全管2.3

理基準を見直し，効率的な大修理工事計画および安定操業まとめに寄与することができた。

転炉炉底部の部分更新工事に際し，旧炉体の炉底複数箇

3.1所から 3D 形状計測を実施し，基準点を用いた平滑化画像合

従来の RT 保全の問題点成技術により 3 次元炉体形状モデルを構築する，旧炉体切図 7 に示すように，従来の点検作業は大修理工事期間中断面の膨張量演算技術を開発した。演算結果に基づき新炉の作業員による目視点検が主体であり，点検結果は写真や底の形状を事前に造り込み，現地での溶接接合面の目違い記憶などに頼るものが多く，定量的でない信頼性の低いもを目標の 40 mm 以下とすることにより，現地での接合面ののであった。RT は大修理工事期間中しか取り替えられない追加工を省略し，転炉炉底部部分更新工事の工期を 3.5 日短にも関わらず，取替対象 RT の選定は信頼性の低い点検結縮した。本開発の 3D 形状計測技術を活用し，受託測定業務果と使用周期（6 年）に基づき行われ，最も重要な指標であやプラントエンジニアリング業務の外販も実施している。

る変形量に応じた取替計画は策定できていなかった。

3.2

3． 3D 計測技術の活用による炉内ラジアント
チューブ点検・取替の効率化

3D 計測技術の活用による RT 点検・取替作業

3D 計測技術の長所を最大限に活用することにより，これまで不可能であった炉内全数の RT 変形量の点検手法の開図 5，図 6 に示す冷延工場の縦型焼鈍炉内に配置されて発を試みた。

いるラジアントチューブ（以下 RT とする）は，高温環境下計測方法は，図 8 に示すような炉底レベルと炉中レベルで使用されるため，顕著な熱変形が生じる。RT は，高所，での 2 段階計測とし，図 9 に示す解析において基準とする

図 5 焼鈍炉加熱帯 RT 配置図
Fig. 5

RT layout of annealing furnace heating zone

図 6 RT 燃焼原理と温度
Fig. 6

図 7 炉内側面図及び断面図

RT combustion principle and temperature

Fig. 7－ 31 －Inner side and cross-sectional view of furnace
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3D 形状計測技術活用による設備の設計・点検・取替効率化

4． 3D 技術の組合せによる配管設計工事の業務効率化
広大な製鉄所における既設設備の改修工事や補修工事において，近年，設備等をスキャンしモデル化する 3D スキャン及び点群編集ソフトの有効性が実証されている。また配管応力解析ソフトなどの解析ソフトの利用も年々拡大しつつある。しかし，それらの 3D ソフト及び解析ソフトは，主にそれぞれ単独で利用されていた。組み合わせて利用しよ

図 8 3D 計測点
Fig. 8うとしても，受け渡しデータの互換性がないためモデルを各

3D measurement points

ソフトで作成する必要があり二度手間となるなど，効率的に利用できていなかった。今回，これらのソフト間に 3D-CADソフトをコンバーターとして組み込むことで，ソフト間のデータの送受を可能とする新システムを構築した。このシス
テムは，設計上の効率化のみならず，現場での打合せ資料への活用など，工事全体の業務効率を向上させていくベースとなりうるものであるので，ここに紹介する。

4.1

3D 技術の組合せによる配管設計

4.1.1

新システムによる設計業務効率化

本システムでは，図 10 に示すように配管応力解析ソフトに AutoPIPE（以下 AP），3D スキャン点群データ操作ソフ
トに GalaxyEYE（以下 GE），3DCAD ソフトに SolidWorks（以下 SW）を使用した。SW をコンバーターとして AP-GE 間に

図 9 3D 点群データ全景
Fig. 9組み込むことで，従来困難だったデータ送受の簡易化を実Full view of 3D point cloud data (Unit: mm)

現した。これにより，「3D スキャンで計測した現地情報上に上下ロールの点群データを取得した。この点群データの信作成したモデルを AP で強度解析」，「AP にて解析済みのモ頼性を確認するため，ロール間距離，ロール径を図寸と解

デルを GE にて現地情報に組み込み，取り合い確認」といっ析値で比較し，精度±3 mm 以内で問題ないことを確認した。

たことが可能となり，作業時間短縮につながった。また両ソ

その結果，図 9 のように RT の変形方向と定量的な変形量をフトで作成したモデルは SW にて図面化できるため，設計把握できるようになり，変形量に応じた RT 取替計画を策定

業務の効率化を図ることができた。

できた。更に複数回の点検結果から RT 本体の経時的な熱4.1.2

変形のメカニズムを特定し，RT 取替基準の見直しと RT 本
体強靭化への提言に至った。

3.3

新システムによる工事全体の業務効率化

本システムでは，作図や取合い検討，強度検討だけでなく，作成したモデルを図 11 に示すような 3D-PDF へ変換したり，既存設備について 3D スキャン点群データを含めたキャプ

まとめ

3D 計測技術を活用した炉内 RT 変形量の点検手法を開発した。今後，同様の設備に本手法を適用することで，お客様の CBM（Condition Based Maintenance）にご活用いただ
ければと考えている。
また，炉内の保全業務の課題として，仕切板や炉壁板の変形による鋼板との接触トラブルが挙げられる。RT のみな
らず炉内全域の点検手法を開発し，更なる保全業務の効率化につなげていく所存である。

図 10 新設計モデル
Fig. 10
JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）

－ 32 －New design model3D 形状計測技術活用による設備の設計・点検・取替効率化

図 13 システムの発展性
図 11 3 次元 PDF 図面
Fig. 11

Fig. 13

Expansibility of system

3-dimensional PDF drawingれらを活用すれば，配管，構造物，配線等を含めた機電一体型の工事においても，取合い検討，強度検討，作図等の設計作業の精度向上と短縮化，および視覚的資料による諸調整の効率化が可能となる。今後，本システムの利用実績を積み上げ，システムの適用範囲の拡大を図る所存である。

5． おわりに
本稿では，最新の 3D 計測技術活用による転炉炉底部部分更新工事の効率化，炉内ラジアントチューブの点検・取替の効率化，3D 技術の組合せによる配管設計工事の業務効率化に関する開発事例と応用例を紹介した。今後，鉄鋼設備の設計，点検，取替の効率化を実現するとともに，プラントエンジニアリング事業への一層の展開も進めていく。
参考文献
1）大澤尊光，高辻利之，佐藤理．モノづくり産業を支える高精度三次元形状測定．Synthesiology．2009, vol. 2, no. 2, p. 101-112.
2）福森秀晃，佐田達典，石塚隆，清水哲也，村山盛行．3 次元レーザスキャ

図 12 既存設備の 3D スキャン点群データキャプチャ
Fig. 12 3D scanner point cloud data capture of existingequipment

ナーを用いた路面形状計測に関する研究．土木情報利用技術論文集．
2008, vol. 17, p. 225-232.
3）前田憲治，織野祥徳，横手了，岡本良徳．地上型レーザスキャナーのチャなどの視覚的資料を出力したりすることも可能である。
その結果，図 12 に示すように既存設備との関係性を視覚的に確認することが可能となった。これらは CAD などの特別 な ビ ュ ー ワ ー が 不 要 で， 一 般 的 な ビ ュ ー ソ フ ト

精度検証．土木学会第 66 回年次学術講演会．2012, IV-008, p. 15-16.
4）篠田達也，永田優次．3D 計測技術の動向とその応用．コマツ技報．
2015, vol. 61, no. 168, p. 13-17.
5）河村幸二．3 次元計測の最近技術と市場動向．精密工学会誌．2013,vol. 79, no. 5, p. 388-391.

（AdobeReader 等）で誰でも閲覧，3D 操作が可能なため，打合せ用資料としての活用や施工部署・業者との確認・調整における伝達ミスの防止などに有効と考える。

4.2

まとめ

今後，配管敷設業務フローについて，本システムの利用を盛り込んだ見直しを行う。また，図 13 に示すとおり本システムは骨 組 構 造 物 解 析ソフト（STAAD.Pro）や，EYECAD など他のさまざまなソフトともリンク可能である。こ－ 33 －

西名 慶晃

今野 寛之

鈴木 雅大

JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）
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