蒸汽發生器支撐板泥渣沖洗三維動畫設計

劉一博，楊津瑞，王陳帆，舒芝鋒，張高劍

（1.核動力運行研究所，湖北武漢 430223；2.武漢動箭網絡有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

壓水堆核電站運行過程中,蒸汽發生器二次側流動受限區域的表面污垢及縫隙中的有害雜質離子 (如Cl－,SO42－,Ca2+,Mg2+,Al3+等)因水的蒸發會出現局部濃縮。相當一部分會在蒸汽發生器二次側內部水平和垂直固體表面形成泥渣堆積層，如二次側管板表面、流量分配板表面、支撐板表面，以及傳熱管外表面等位置。通過傳熱管渦流檢測技術獲得的泥渣分布數據表明，對于運行10 a左右的蒸汽發生器，其管板上的泥渣量僅占蒸汽發生器二次側總體泥渣量的不足5%，更多泥渣沉積在流量分配板和支撐板上。

為有效清洗支撐板上的泥渣，開發出支撐板沖洗工藝及設備。并在國內某機組第十三次大修中首次得到應用。相比傳統的管板清洗技術，支撐板沖洗出的泥渣是前者的10倍左右。目前該工藝技術已推廣至國內多個核電機組，并取得了良好的反響。為了更好的展示該項工藝，同時方便該工藝的推廣和培訓，針對該工藝開發了專門的三維動畫。

1 需求

為方便相關人員的技能培訓和學習，三維動畫中需按照支撐板沖洗工藝的實際操作步驟進行演示，對于沖洗槍體步進等重復循環的工作進行適當的省略。同時，為便于演示沖洗工作的效果，三維動畫中加入了水射流清洗效果的演示。此外，三維動畫中還增加了專門的字幕顯示和配音解說。

2 工藝腳本設計

根據支撐板沖洗工藝的特點，沖洗過程需先后使用3種沖洗噴嘴，為此在三維動畫中將工作腳本分為三大部分，分別為管束噴嘴沖洗、平衡噴嘴沖洗和驅趕噴嘴沖洗。每個部分又分解為直線運動、旋轉運動和旋轉直線運動等元步驟，現以管束噴嘴沖洗為例，其動作共分解為35步。

2.1 沖洗槍導軌安裝

導軌從手孔處沿流量分配板上表面飛入手孔（直線運動）；下落至流量分配板上表面（直線運動）；導軌回拉，勾住流量分配板內邊緣（直線運動）；旋緊鎖緊螺絲（旋轉直線運動）；鎖緊塊向外側移動，鎖緊滑軌（直線運動）。

2.2 前兩節槍桿和槍頭安裝

滑塊套在第一節槍桿前端（直線運作）；旋緊第一支撐板管束噴嘴槍頭（旋轉直線運動）；旋緊第二節槍桿（旋轉直線運動）；將滑塊放入滑槽（直線運動）；將槍桿推入蒸汽發生器（直線運動）。

2.3 沖洗槍操作器安裝

將操作器的2個固定螺栓安裝在法蘭上（旋轉直線運動）；操作器安裝在固定螺栓尾端（直線運動）；旋緊操作器體固定螺母固定槍體（旋轉直線運動）。

2.4 連接沖洗管線

將前兩節槍體從手孔內拉出（直線運動）；安裝尾部旋轉接頭（旋轉直線運動）。

2.5 支撐板沖洗過程

槍體運行至第一管間（直線運動）；噴水并旋轉（旋轉運動）；停止噴水，步進至第二管間（直線運動）

噴水并旋轉（旋轉運動）；省略中間步驟，步進至第二十管間（直線運動）；噴水并旋轉（旋轉運動）；停止噴水，拆卸尾部旋轉接頭（旋轉直線運動）；安裝第三節槍桿（旋轉直線運動）；安裝尾部旋轉接頭（旋轉直線運動）；步進至第二十一管間（直線運動）；噴水并旋轉（旋轉運動）；省略中間步驟，步進至第三十六管間（直線運動）；噴水并旋轉，沖洗結束（旋轉運動）。

2.6 拆卸槍體

槍體回退至第二十一管間（直線運動）；拆卸尾部旋轉接頭（旋轉直線運動）；拆卸第三節槍桿（旋轉直線運動）；前兩節槍桿和噴頭推入蒸汽發生器（直線運動）；拆卸操作器的2個固定螺母（旋轉直線運動）取下操作器（直線運動）；取出前兩節槍體和槍頭（直線運動）。

3 動畫設計

動畫設計主要分為三大部分，即設備建模，三維動畫設計和渲染以及三維動畫合成。

3.1 設備建模

三維動畫中的設備主要包括蒸汽發生器和支撐板沖洗設備。為保證所建模型和零部件的裝配精度，動畫采用Solidworks軟件進行工業建模。建模完成后進行格式轉換，導出為step格式的文件。再將導出文件導入3DMax軟件進行可編輯多邊形處理。由于模型中蒸汽發生器結構復雜，特別是傳熱管數量多，模型整體面數龐大，超出主流圖形工作站處理分析圖形圖像的能力，因此在動畫設計前，需要在3DMax中依照導入模型的比例和大小重新建模并優化模型，再進行材質賦加，調整光澤度及環境背景等參數。其中蒸汽發生器的模型如圖1所示。

3.2 三維動畫設計和渲染

該三維動畫的設計和渲染主要包括機械動畫和水射流動畫兩部分。其中機械動畫指沖洗設備的安裝及沖洗過程中的步進、旋轉等工藝步驟的動畫部分，此處不包含液體水線部分。機械動畫采用3DMax關鍵幀技術，按照支撐板沖洗工藝腳本，進行分段制作及渲染輸出。

由于水射流動畫涉及水的流動、分散和撞擊等，運動軌跡較為復雜，采用3DMax難以模擬真實效果。因此，水射流動畫采用了專業的流體設計軟件RealFlow進行制作，RealFlow的設計界面如圖2所示。水射流動畫制作時先將帶有機械動畫的三維模型導入RealFlow中，再利用粒子噴發器并設定好水粒子碰撞體，最后解算為PRT文件。由于該解算過程計算量大，該過程也是整個動畫設計中計算機耗時最長的過程。解算完成后，將該文件導入3DMax中，采用Krakatoa插件，對解算文件進行渲染，得到帶α通道的逐幀圖片。

圖1 蒸汽發生器模型

3.3 三維動畫合成

將機械動畫原始文件和水射流動畫原始文件在Adobe Premiere中進行合成疊加。疊加完成后進行剪輯和后期字幕及配音的添加，形成最終的三維動畫文件。三維動畫中針對支撐板沖洗工藝的特點，選取了有針對性的視角進行呈現，并對關鍵過程進行了特寫展示，典型圖像如圖3、圖4所示。

4 展望

圖2 RealFlow設計界面

圖3 旋轉螺桿鎖緊閥塊

圖4 沖洗各管間

隨著我國核電機組的陸續投運，核電維修人才缺口日益明顯。目前對維修技能的培訓主要為理論培訓和在模擬體上的操作培訓。相比于以上兩種方法，通過三維動畫的展示可以使學員更直觀生動地了解技能要點，同時對場地、設施的需求較低，是一種很好的補充方式。隨著信息化的不斷發展，相信三維動畫等虛擬現實技術將在未來技能培訓及宣傳展示等方面發揮越來越重要的作用。

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