劉一博，楊津瑞，王陳帆，舒芝鋒，張高劍

（1.核動(dòng)力運(yùn)行研究所，湖北武漢 430223；2.武漢動(dòng)箭網(wǎng)絡(luò)有限公司，湖北武漢 430070）

0 引言

壓水堆核電站運(yùn)行過程中,蒸汽發(fā)生器二次側(cè)流動(dòng)受限區(qū)域的表面污垢及縫隙中的有害雜質(zhì)離子 (如Cl－,SO42－,Ca2+,Mg2+,Al3+等)因水的蒸發(fā)會(huì)出現(xiàn)局部濃縮。相當(dāng)一部分會(huì)在蒸汽發(fā)生器二次側(cè)內(nèi)部水平和垂直固體表面形成泥渣堆積層，如二次側(cè)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(shù)獲得的泥渣分布數(shù)據(jù)表明，對(duì)于運(yùn)行10 a左右的蒸汽發(fā)生器，其管板上的泥渣量僅占蒸汽發(fā)生器二次側(cè)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(fā)出支撐板沖洗工藝及設(shè)備。并在國內(nèi)某機(jī)組第十三次大修中首次得到應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的管板清洗技術(shù)，支撐板沖洗出的泥渣是前者的10倍左右。目前該工藝技術(shù)已推廣至國內(nèi)多個(gè)核電機(jī)組，并取得了良好的反響。為了更好的展示該項(xiàng)工藝，同時(shí)方便該工藝的推廣和培訓(xùn)，針對(duì)該工藝開發(fā)了專門的三維動(dòng)畫。

1 需求

為方便相關(guān)人員的技能培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，三維動(dòng)畫中需按照支撐板沖洗工藝的實(shí)際操作步驟進(jìn)行演示，對(duì)于沖洗槍體步進(jìn)等重復(fù)循環(huán)的工作進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖÷?。同時(shí)，為便于演示沖洗工作的效果，三維動(dòng)畫中加入了水射流清洗效果的演示。此外，三維動(dòng)畫中還增加了專門的字幕顯示和配音解說。

2 工藝腳本設(shè)計(jì)

根據(jù)支撐板沖洗工藝的特點(diǎn)，沖洗過程需先后使用3種沖洗噴嘴，為此在三維動(dòng)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(qū)趕噴嘴沖洗。每個(gè)部分又分解為直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)等元步驟，現(xiàn)以管束噴嘴沖洗為例，其動(dòng)作共分解為35步。

2.1 沖洗槍導(dǎo)軌安裝

導(dǎo)軌從手孔處沿流量分配板上表面飛入手孔（直線運(yùn)動(dòng)）；下落至流量分配板上表面（直線運(yùn)動(dòng)）；導(dǎo)軌回拉，勾住流量分配板內(nèi)邊緣（直線運(yùn)動(dòng)）；旋緊鎖緊螺絲（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；鎖緊塊向外側(cè)移動(dòng)，鎖緊滑軌（直線運(yùn)動(dòng)）。

2.2 前兩節(jié)槍桿和槍頭安裝

滑塊套在第一節(jié)槍桿前端（直線運(yùn)作）；旋緊第一支撐板管束噴嘴槍頭（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；旋緊第二節(jié)槍桿（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；將滑塊放入滑槽（直線運(yùn)動(dòng)）；將槍桿推入蒸汽發(fā)生器（直線運(yùn)動(dòng)）。

2.3 沖洗槍操作器安裝

將操作器的2個(gè)固定螺栓安裝在法蘭上（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；操作器安裝在固定螺栓尾端（直線運(yùn)動(dòng)）；旋緊操作器體固定螺母固定槍體（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）。

2.4 連接沖洗管線

將前兩節(jié)槍體從手孔內(nèi)拉出（直線運(yùn)動(dòng)）；安裝尾部旋轉(zhuǎn)接頭（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）。

2.5 支撐板沖洗過程

槍體運(yùn)行至第一管間（直線運(yùn)動(dòng)）；噴水并旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）；停止噴水，步進(jìn)至第二管間（直線運(yùn)動(dòng)）

噴水并旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）；省略中間步驟，步進(jìn)至第二十管間（直線運(yùn)動(dòng)）；噴水并旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）；停止噴水，拆卸尾部旋轉(zhuǎn)接頭（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；安裝第三節(jié)槍桿（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；安裝尾部旋轉(zhuǎn)接頭（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；步進(jìn)至第二十一管間（直線運(yùn)動(dòng)）；噴水并旋轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）；省略中間步驟，步進(jìn)至第三十六管間（直線運(yùn)動(dòng)）；噴水并旋轉(zhuǎn)，沖洗結(jié)束（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。

2.6 拆卸槍體

槍體回退至第二十一管間（直線運(yùn)動(dòng)）；拆卸尾部旋轉(zhuǎn)接頭（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；拆卸第三節(jié)槍桿（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）；前兩節(jié)槍桿和噴頭推入蒸汽發(fā)生器（直線運(yùn)動(dòng)）；拆卸操作器的2個(gè)固定螺母（旋轉(zhuǎn)直線運(yùn)動(dòng)）取下操作器（直線運(yùn)動(dòng)）；取出前兩節(jié)槍體和槍頭（直線運(yùn)動(dòng)）。

3 動(dòng)畫設(shè)計(jì)

動(dòng)畫設(shè)計(jì)主要分為三大部分，即設(shè)備建模，三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)和渲染以及三維動(dòng)畫合成。

3.1 設(shè)備建模

三維動(dòng)畫中的設(shè)備主要包括蒸汽發(fā)生器和支撐板沖洗設(shè)備。為保證所建模型和零部件的裝配精度，動(dòng)畫采用Solidworks軟件進(jìn)行工業(yè)建模。建模完成后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，導(dǎo)出為step格式的文件。再將導(dǎo)出文件導(dǎo)入3DMax軟件進(jìn)行可編輯多邊形處理。由于模型中蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是傳熱管數(shù)量多，模型整體面數(shù)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(dòng)畫設(shè)計(jì)前，需要在3DMax中依照導(dǎo)入模型的比例和大小重新建模并優(yōu)化模型，再進(jìn)行材質(zhì)賦加，調(diào)整光澤度及環(huán)境背景等參數(shù)。其中蒸汽發(fā)生器的模型如圖1所示。

3.2 三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)和渲染

該三維動(dòng)畫的設(shè)計(jì)和渲染主要包括機(jī)械動(dòng)畫和水射流動(dòng)畫兩部分。其中機(jī)械動(dòng)畫指沖洗設(shè)備的安裝及沖洗過程中的步進(jìn)、旋轉(zhuǎn)等工藝步驟的動(dòng)畫部分，此處不包含液體水線部分。機(jī)械動(dòng)畫采用3DMax關(guān)鍵幀技術(shù)，按照支撐板沖洗工藝腳本，進(jìn)行分段制作及渲染輸出。

由于水射流動(dòng)畫涉及水的流動(dòng)、分散和撞擊等，運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，采用3DMax難以模擬真實(shí)效果。因此，水射流動(dòng)畫采用了專業(yè)的流體設(shè)計(jì)軟件RealFlow進(jìn)行制作，RealFlow的設(shè)計(jì)界面如圖2所示。水射流動(dòng)畫制作時(shí)先將帶有機(jī)械動(dòng)畫的三維模型導(dǎo)入RealFlow中，再利用粒子噴發(fā)器并設(shè)定好水粒子碰撞體，最后解算為PRT文件。由于該解算過程計(jì)算量大，該過程也是整個(gè)動(dòng)畫設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)耗時(shí)最長的過程。解算完成后，將該文件導(dǎo)入3DMax中，采用Krakatoa插件，對(duì)解算文件進(jìn)行渲染，得到帶α通道的逐幀圖片。

圖1 蒸汽發(fā)生器模型

3.3 三維動(dòng)畫合成

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

4 展望

圖2 RealFlow設(shè)計(jì)界面

圖3 旋轉(zhuǎn)螺桿鎖緊閥塊

圖4 沖洗各管間

隨著我國核電機(jī)組的陸續(xù)投運(yùn)，核電維修人才缺口日益明顯。目前對(duì)維修技能的培訓(xùn)主要為理論培訓(xùn)和在模擬體上的操作培訓(xùn)。相比于以上兩種方法，通過三維動(dòng)畫的展示可以使學(xué)員更直觀生動(dòng)地了解技能要點(diǎn)，同時(shí)對(duì)場地、設(shè)施的需求較低，是一種很好的補(bǔ)充方式。隨著信息化的不斷發(fā)展，相信三維動(dòng)畫等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將在未來技能培訓(xùn)及宣傳展示等方面發(fā)揮越來越重要的作用。

［1］但體純，桂春.某核電站蒸汽發(fā)生器雜質(zhì)隱藏返回研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2012，24（3）：199－203.

［2］夏清友，姚傳黨.蒸汽發(fā)生器傳熱管二次側(cè)結(jié)垢分布及檢測方法［J］.無損檢測，2016,38（9）：70－74.

［3］姜海軍.SolidWorks項(xiàng)目教程［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2010.

［4］彭國安.3DMAX建模與動(dòng)畫［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

［5］雷桐.RealFlow流體制作經(jīng)典實(shí)例解析［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.