蒸汽发生器支撑板泥渣冲洗三维动画设计

刘一博，杨津瑞，王陈帆，舒芝锋，张高剑

（1.核动力运行研究所，湖北武汉 430223；2.武汉动箭网络有限公司，湖北武汉 430070）

0 引言

压水堆核电站运行过程中,蒸汽发生器二次侧流动受限区域的表面污垢及缝隙中的有害杂质离子 (如Cl－,SO42－,Ca2+,Mg2+,Al3+等)因水的蒸发会出现局部浓缩。相当一部分会在蒸汽发生器二次侧内部水平和垂直固体表面形成泥渣堆积层，如二次侧管板表面、流量分配板表面、支撑板表面，以及传热管外表面等位置。通过传热管涡流检测技术获得的泥渣分布数据表明，对于运行10 a左右的蒸汽发生器，其管板上的泥渣量仅占蒸汽发生器二次侧总体泥渣量的不足5%，更多泥渣沉积在流量分配板和支撑板上。

为有效清洗支撑板上的泥渣，开发出支撑板冲洗工艺及设备。并在国内某机组第十三次大修中首次得到应用。相比传统的管板清洗技术，支撑板冲洗出的泥渣是前者的10倍左右。目前该工艺技术已推广至国内多个核电机组，并取得了良好的反响。为了更好的展示该项工艺，同时方便该工艺的推广和培训，针对该工艺开发了专门的三维动画。

1 需求

为方便相关人员的技能培训和学习，三维动画中需按照支撑板冲洗工艺的实际操作步骤进行演示，对于冲洗枪体步进等重复循环的工作进行适当的省略。同时，为便于演示冲洗工作的效果，三维动画中加入了水射流清洗效果的演示。此外，三维动画中还增加了专门的字幕显示和配音解说。

2 工艺脚本设计

根据支撑板冲洗工艺的特点，冲洗过程需先后使用3种冲洗喷嘴，为此在三维动画中将工作脚本分为三大部分，分别为管束喷嘴冲洗、平衡喷嘴冲洗和驱赶喷嘴冲洗。每个部分又分解为直线运动、旋转运动和旋转直线运动等元步骤，现以管束喷嘴冲洗为例，其动作共分解为35步。

2.1 冲洗枪导轨安装

导轨从手孔处沿流量分配板上表面飞入手孔（直线运动）；下落至流量分配板上表面（直线运动）；导轨回拉，勾住流量分配板内边缘（直线运动）；旋紧锁紧螺丝（旋转直线运动）；锁紧块向外侧移动，锁紧滑轨（直线运动）。

2.2 前两节枪杆和枪头安装

滑块套在第一节枪杆前端（直线运作）；旋紧第一支撑板管束喷嘴枪头（旋转直线运动）；旋紧第二节枪杆（旋转直线运动）；将滑块放入滑槽（直线运动）；将枪杆推入蒸汽发生器（直线运动）。

2.3 冲洗枪操作器安装

将操作器的2个固定螺栓安装在法兰上（旋转直线运动）；操作器安装在固定螺栓尾端（直线运动）；旋紧操作器体固定螺母固定枪体（旋转直线运动）。

2.4 连接冲洗管线

将前两节枪体从手孔内拉出（直线运动）；安装尾部旋转接头（旋转直线运动）。

2.5 支撑板冲洗过程

枪体运行至第一管间（直线运动）；喷水并旋转（旋转运动）；停止喷水，步进至第二管间（直线运动）

喷水并旋转（旋转运动）；省略中间步骤，步进至第二十管间（直线运动）；喷水并旋转（旋转运动）；停止喷水，拆卸尾部旋转接头（旋转直线运动）；安装第三节枪杆（旋转直线运动）；安装尾部旋转接头（旋转直线运动）；步进至第二十一管间（直线运动）；喷水并旋转（旋转运动）；省略中间步骤，步进至第三十六管间（直线运动）；喷水并旋转，冲洗结束（旋转运动）。

2.6 拆卸枪体

枪体回退至第二十一管间（直线运动）；拆卸尾部旋转接头（旋转直线运动）；拆卸第三节枪杆（旋转直线运动）；前两节枪杆和喷头推入蒸汽发生器（直线运动）；拆卸操作器的2个固定螺母（旋转直线运动）取下操作器（直线运动）；取出前两节枪体和枪头（直线运动）。

3 动画设计

动画设计主要分为三大部分，即设备建模，三维动画设计和渲染以及三维动画合成。

3.1 设备建模

三维动画中的设备主要包括蒸汽发生器和支撑板冲洗设备。为保证所建模型和零部件的装配精度，动画采用Solidworks软件进行工业建模。建模完成后进行格式转换，导出为step格式的文件。再将导出文件导入3DMax软件进行可编辑多边形处理。由于模型中蒸汽发生器结构复杂，特别是传热管数量多，模型整体面数庞大，超出主流图形工作站处理分析图形图像的能力，因此在动画设计前，需要在3DMax中依照导入模型的比例和大小重新建模并优化模型，再进行材质赋加，调整光泽度及环境背景等参数。其中蒸汽发生器的模型如图1所示。

3.2 三维动画设计和渲染

该三维动画的设计和渲染主要包括机械动画和水射流动画两部分。其中机械动画指冲洗设备的安装及冲洗过程中的步进、旋转等工艺步骤的动画部分，此处不包含液体水线部分。机械动画采用3DMax关键帧技术，按照支撑板冲洗工艺脚本，进行分段制作及渲染输出。

由于水射流动画涉及水的流动、分散和撞击等，运动轨迹较为复杂，采用3DMax难以模拟真实效果。因此，水射流动画采用了专业的流体设计软件RealFlow进行制作，RealFlow的设计界面如图2所示。水射流动画制作时先将带有机械动画的三维模型导入RealFlow中，再利用粒子喷发器并设定好水粒子碰撞体，最后解算为PRT文件。由于该解算过程计算量大，该过程也是整个动画设计中计算机耗时最长的过程。解算完成后，将该文件导入3DMax中，采用Krakatoa插件，对解算文件进行渲染，得到带α通道的逐帧图片。

图1 蒸汽发生器模型

3.3 三维动画合成

将机械动画原始文件和水射流动画原始文件在Adobe Premiere中进行合成叠加。叠加完成后进行剪辑和后期字幕及配音的添加，形成最终的三维动画文件。三维动画中针对支撑板冲洗工艺的特点，选取了有针对性的视角进行呈现，并对关键过程进行了特写展示，典型图像如图3、图4所示。

4 展望

图2 RealFlow设计界面

图3 旋转螺杆锁紧阀块

图4 冲洗各管间

随着我国核电机组的陆续投运，核电维修人才缺口日益明显。目前对维修技能的培训主要为理论培训和在模拟体上的操作培训。相比于以上两种方法，通过三维动画的展示可以使学员更直观生动地了解技能要点，同时对场地、设施的需求较低，是一种很好的补充方式。随着信息化的不断发展，相信三维动画等虚拟现实技术将在未来技能培训及宣传展示等方面发挥越来越重要的作用。

［1］但体纯，桂春.某核电站蒸汽发生器杂质隐藏返回研究［J］.腐蚀科学与防护技术，2012，24（3）：199－203.

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［3］姜海军.SolidWorks项目教程［M］.上海：复旦大学出版社，2010.

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