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我国首座EPR核电项目是台山核电站，主设备包括压力容器、一环蒸发器、二环蒸发器、三环蒸发器及四环蒸发器等。本文以压力容器为例讲述三维模拟在主设备吊装过程中的应用。压力容器位于反应堆厂房中心位置，具有尺寸大、重量大的特点；同时，EPR堆型在我国核电安装中属于首堆，没有成熟的安装数据及经验；压力容器在相对狭小的核岛厂房内吊装引入时容易存在隐患风险，因此需要正式吊装前对吊装过程进行4D模拟，检查各个环节是否存在碰撞情况，同时对吊装方案的合理性进行验证。
1 4D技术原理及应用
4D技术是建模技术、算法技术和动画技术三者的有机结合，首先在计算机中按实际尺寸建立三维模型和场景，根据要求设定模型的运动轨迹，虚拟摄像机的运动和其他参数，为模型赋予特定的材质，生成模型的运动过程。由于其精确性、真实性和可操作性，目前被广泛应用于医学、教育、军事等诸多领域，由于效果直观，更加适用于尚未实现或准备实施的项目。
2 反应堆压力容器简介
反应堆压力容器是核电站最关键的设备，是核电站的“心脏”，位于反应堆厂房中心位置，是包容和支承堆芯核燃料组件、控制组件、堆内构件和反应堆冷却剂的钢制承压容器，是保证核电站安全和寿命的重要部件，其具有尺寸大、重量大的特点，对吊装过程要求严格。台山核电站反应堆压力容器是外形尺寸为10562mm×7339mm×7304mm，净重为423吨，庞大的尺寸和重量给吊装引入工作带来挑战。
3 吊装过程三维模拟应用研究
3.1 PDMS三维建模
研究人员根据搜集相关的图纸，包括土建图纸、压力容器图纸、工机具图纸等，统计对应的外形尺寸；现场人员对实际外形尺寸进行测量，将数据反馈给研究人员。建模人员对不同专业进行分类，统计所需建立的数据库资料，由建库人员根据需求建立相应的元件库、等级库、特性库等数据库；建模人员以实际尺寸在PDMS软件中按1：1的比例建立核电站三维模型，建立出反应堆压力容器吊装环境。
3.2 反应堆压力容器吊装引入过程及路径分析
（1）压力容器由临时液压龙门架提升和水平运动过程置于运输轨道，运动过程为线性运动；
（2）压力容器在轨道上运输过程，分为直线轨道上的线性运动；在30度轨道上的曲线运动。
（3）压力容器与环吊液压提升装置TLD A、TLD B连接后，由环吊吊运到枕木的旋转运动过程；
（4）压力容器翻转直立及下落就位过程，翻转过程为曲线运动；下落就位过程为线性运动。
3.3 吊装模拟研究过程
反应堆压力容器吊装过程模拟过程中，需要设置与实际吊装过程一致的路径，以真实的反映现场吊装过程情况。压力容器的吊装引入过程主要分为线性运动和曲线运动。
3.3.1 线性运动
线性运动中压力容器坐标设置相对简单。压力容器线性运动，重心坐标位置同样也是线性运动，因此根据运动路径分析出压力容器吊装过程中的重心坐标，将模拟中的坐标位置与实际位置设置一致。
3.3.2 曲线运动
曲线运动中，压力容器及运输托架前部、后部装置、环吊液压提升装置TLDA、TLDB等部分运动均要与其在实际的运动一致，由于运动方向和距离不相同，因此每个运动物体分别建组，对每个组单独进行坐标设置，使模拟中运动与实际相符。坐标设置根据各组的相对位置、旋转角度等设置。过程中各组的相对距离保持不变，根据这一原则，确定出各组的位置，再根据位置确定出旋转的角度。
4 风险区域检查
压力容器吊装三维模拟中，通过对每个细节进行观察分析，得出主要的风险区域包括压力容器通过设备闸门、压力容器与TLDA及TLDB连接过程、压力容器在核岛中心下落就位过程。
4.1 压力容器通过设备闸门
经过测量，上部管嘴与闸门上侧的距离约为100mm，测量时，选择平面与平面的距离，这样测量的距离为两个平面之间的最短距离，在此过程中，不存在碰撞情况，但需重点关注此区域。如图1所示。
图1 压力容器通过设备闸门
4.2 压力容器与TLDB连接过程
当压力容器牵引至与TLDB连钩位置时，观察压力容器管嘴与四环蒸发器墙体的间隙，无碰撞情况发生，测量间距为26mm；厚重墙上侧与前部吊耳之间无碰撞情况，间距为240mm，此过程中无碰撞情况发生。
4.3 压力容器旋转直立及就位过程
压力容器经过旋转、翻转直立后，通过环吊牵引至核岛中心上方，由于存在堆坑池壁凹槽偏离设计位置约50mm的情况，如将压力容器在核岛中心位置下落就位，管嘴与凹槽存在碰撞情况，需要对方案进行调整：压力容器同样偏移50mm在凹槽实际位置处下落，待管嘴全部通过凹槽后，再将压力容器中心移至核岛中心位置，经过此种调整，避免了实际吊装过程中的碰撞情况，如图3所示。
图2 方案调整前后对比图
5 主设备4D吊装技术总结
路径的设置是模拟的关键，设备的运动分线性运动和曲线运动。线性运动中，首先根据图纸分析主设备的运动轨迹，总结出相应的坐标位置，还需要根据运动速度计算出运动时间，根据不同时间和对应的坐标信息设置主设备的路径。曲线运动路径的设置复杂，由于主设备及吊装工机具在运动过程中位移、角度等存在不同，需要分析各自的运动轨迹，根据时间和坐标位置设置主设备及工机具的路径。
主设备吊装模拟过程中，及时跟踪运动情况，检查是否有隐患发生，同时对吊装方案的合理性进行验证。
6 结论
本文讲述研究人员利用PDMS软件建立台山核电站三维模型，并进行4D吊装模拟的过程，对于容易发生碰撞的隐患区域进行重点模拟，得出了如下总结：
（1）对于压力容器下落就位过程中，管嘴和堆坑池壁发生碰撞的情况给出合理建议，避免实际吊装过程中风险的发生；
（2）此项技术对现场施工人员的技术交底和培训提供可视化的渠道，使人员全面掌握吊装细节；
（3）此项技术对核电站主设备的吊装提供技术支持，同样可应用于其他行业大型设备的吊装作业。
在后续的实际吊装过程中，现场实测数据与4D模拟的得到的数据一致，从而验证了模拟准确性；本次研究提高了EPR核电站压力容器施工的安全性和质量性，可以完整、有效地预测可能存在的碰撞风险，是核电站建造的技术创新之一。
参考文献：
[1]VANTAGE Review使用指南.
[2]刘璇、韩延峰.PDMS三维软件在海洋工程中的应用[J].中国造船，2011，52：224-225.
论文作者:杨远松,张勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/10/29
标签：压力容器论文; 过程论文; 主设备论文; 核电站论文; 反应堆论文; 过程中论文; 位置论文; 《基层建设》2019年第22期论文;