海上平臺電子機柜的剛度及隔振的選型研究

趙笑寒 ZHAO Xiao-han；李季 LI Ji；付勃昌 FU Bo-chang

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

海上平臺電子機柜的剛度及隔振的選型研究

趙笑寒 ZHAO Xiao-han；李季 LI Ji；付勃昌 FU Bo-chang

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China）

電子機柜在海洋石油行業(yè)一直被看作附屬產(chǎn)品，并不被重視。但是優(yōu)質(zhì)的機柜保證了柜內(nèi)設(shè)備的安全運行，不受外界侵?jǐn)_，保證了操作者的人身安全，在整個系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為保證機柜在貯存、安裝和使用中能夠經(jīng)受包括環(huán)境條件在內(nèi)的各種考驗，在機柜的選型時有很多需要考慮的方面，本文主要從分析機柜多重載荷的角度，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出電子機柜剛度的選型要求，如需要還要采取一定的隔振手段，以確保機柜在內(nèi)外部載荷的作用下，不產(chǎn)生永久性變形或疲勞損壞。

海上平臺；機柜；剛度；隔振

0 引言

在石油化工行業(yè)中，機柜一直被看作是自動化控制應(yīng)用領(lǐng)域中的附屬產(chǎn)品，只是用來容納PLC、變頻器等設(shè)備的容器，并不被重視。但是優(yōu)質(zhì)的機柜保證了柜內(nèi)設(shè)備的安全運行，不受外界侵?jǐn)_，保證了操作者的人身安全，是這些昂貴的電氣設(shè)備最直接的物理保護(hù)。海上平臺的機柜，要受到環(huán)境載荷和振動載荷等多重載荷的聯(lián)合作用。機柜作為電子設(shè)備載體，在選型時不僅要考慮其承載能力即剛度和強度，同時也要考慮其振動是否在電子設(shè)備的承受范圍內(nèi)，如果不滿足，就要為機柜選擇一套合適的緩沖隔振系統(tǒng)。

1 載荷分析

海上平臺電子機柜在使用中所承受的載荷包括環(huán)境載荷和設(shè)備載荷。環(huán)境載荷包括風(fēng)、波浪、海流、海冰和地震等，設(shè)備載荷一般指動設(shè)備運轉(zhuǎn)而引起的振動載荷，如平臺上的電站、泵和壓縮機的振動引起的載荷等。淺水固定式平臺結(jié)構(gòu)的固有基頻一般為1Hz左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)、波浪和海流等環(huán)境載荷的頻率（一般小于0.15Hz），因此這些環(huán)境因素所引起的影響將忽略。若對于水深較深（大于300米）的固定式平臺、浮式平臺及船舶的振動計算，則需要充分考慮風(fēng)浪流、地震等環(huán)境荷載。海上平臺主要動載荷包括各種泵，發(fā)電機、壓縮機等。對某平臺幾個振動源（選取的設(shè)備為：注水泵，沖洗泵，消防泵，注劑泵，空壓機，空調(diào)，發(fā)電機等）做疊加后的瞬態(tài)響應(yīng)分析，下表列出選取的各關(guān)鍵點的z向（垂直方向）位移情況（即振幅），如表1。

表1中編號1～15的節(jié)點位于工作甲板，編號16～17的節(jié)點位于注水泵附近，編號18～19的節(jié)點位于空壓機附近，編號20～23的節(jié)點位于發(fā)電機附近，編號24～25的節(jié)點位于二層房間走道，編號26～28的節(jié)點位于上層甲板。機柜所位于的中控室，坐落于平臺的二層房間處。用選取的全部節(jié)點來模擬該平臺的振動情況，可以看出該平臺的振幅在（0.00026mm，0.027mm）之間。

表1 關(guān)鍵節(jié)點的Z向位移[1]

2 機柜剛度的基本要求

機柜剛度要求指機柜在內(nèi)外部載荷的作用下，不得產(chǎn)生永久性變形或疲勞損壞，在機柜的選型時，應(yīng)結(jié)合機柜的重量指標(biāo)，尋求最佳平衡點。GB/T 18663.1-2002（等同于IEC 61587-1:1999）《電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu)公制系列和英制系列的試驗第1部分：機柜、機架、插箱和機箱的氣候、機械試驗及安全要求》[2]提出了關(guān)于機柜提吊試驗和剛度試驗的要求，并提出了驗證機柜剛度的性能指標(biāo)。國內(nèi)海上平臺控制室用到的三種主要機柜：端子柜、系統(tǒng)柜和電池柜，它們在標(biāo)準(zhǔn)配置下的額定載荷近似為200kg，400kg和800kg。提吊試驗和剛度試驗的配置如圖1和2。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，計算得到如表2所示的三種機柜提吊試驗和剛度試驗的性能指標(biāo)。

圖1 提吊實驗

圖2 剛度實驗

表2 提吊試驗和剛度試驗的性能等級

試驗的驗收標(biāo)準(zhǔn)為，在以上規(guī)定的提吊試驗力和剛度試驗力分別作用下，機架內(nèi)插箱的最大撓度小于0.4mm。在機柜選型過程中，可以參照如上標(biāo)準(zhǔn)，需廠家提供其機柜的額定載荷和試驗指標(biāo)，并確保機柜所產(chǎn)生的變形在允許范圍內(nèi)。提高機柜剛度的方法可包括以下方面：機柜角連接處，焊口應(yīng)牢靠、堅固，角連接件、螺釘、螺紋應(yīng)有足夠的強度，最好有定位系統(tǒng)等，可采用多重彎曲的框架形狀和優(yōu)良的角部焊接技術(shù)大幅提高了機箱的剛性[3]，如圖3、圖4。

圖3 多重彎曲的框架

圖4 角部焊接

3 機柜隔振的基本要求

機柜選型時，還應(yīng)統(tǒng)籌考慮制造廠商的電子機柜允許的機械振動條件，表3給出了平臺常用電子機柜廠商的機械振動條件[4]。

表3 部分廠商電子機柜的機械振動條件

對比上述淺水固定平臺的振動參數(shù)，即振幅在（0.00026mm，0.027mm）之間。除SIMENES的電子機柜，其它都滿足要求。當(dāng)所選用廠商的機柜無法承受實際振動時，就需要對機柜進(jìn)行隔振緩沖設(shè)計，以提高設(shè)備的適裝性。目前我國船用電子設(shè)備選用的減振器品種較多，包括E型減振器、碗型減振器、鋼絲繩減振器、無諧振峰減振器等[5]。其中E型減振器對振動往往起放大作用，耐沖擊性能較差，表面橡膠層在海洋環(huán)境下會發(fā)生腐蝕等。另外，碗形減振器雖然具有較好的隔振緩沖性能[6]，但安裝較為復(fù)雜，占用空間尺寸大。在選型中主要是對不銹鋼制鋼絲繩減振器與無諧振峰隔振器進(jìn)行比較，兩種減振器都具有隔振緩沖性能良好、安裝簡單、使用廣泛、耐蝕性能較好的特點，經(jīng)過比較，考慮到鋼絲繩減振器在8～12Hz存在諧振點，容易與機柜產(chǎn)生共振，因此選用無諧振峰隔振器，最適于淺水固定平臺。GB/T 18663.1-2002（等同于IEC 61587-1:1999）《電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu)公制系列和英制系列的試驗第1部分：機柜、機架、插箱和機箱的氣候、機械試驗及安全要求》[2]中提出了關(guān)于機柜振動的試驗要求和驗證標(biāo)準(zhǔn)。

表4 機柜振動和沖擊要求的性能等級（按GB/T 2423.10）

試驗的驗收標(biāo)準(zhǔn)為不產(chǎn)生機械破壞（目測檢驗），例如產(chǎn)生裂紋，殘留尺寸變形，螺紋連接松動，插箱磨損。在具備減振處理后，要求廠家提供符合標(biāo)準(zhǔn)的振動試驗，例如，某機柜滿足美國NEBS（網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建造系統(tǒng)）認(rèn)證中的GR-63-Core（物理保護(hù)）標(biāo)準(zhǔn)的電子設(shè)備抗地震試驗Zone3(1108gal)的強度[6]；并且在出現(xiàn)10級左右強地震的情況下，機柜自身門板，安裝板，側(cè)板不脫落，不變形，有效保護(hù)柜體內(nèi)儀器儀表設(shè)備不受到損壞，從而加強對系統(tǒng)內(nèi)部件的保護(hù)性能。

4 結(jié)論

本文探討了海上平臺電子機柜選型中對于剛度、強度和隔振的基本要求和選型方法，可得出以下結(jié)論：在平衡載重和運輸條件的基礎(chǔ)上，保證機柜的剛強度，并提供權(quán)威機構(gòu)認(rèn)證的符合規(guī)范的驗證試驗（可參考GB/T18663.1-2002）；在計算出振動數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選擇抗振性良好的機柜，或加裝適當(dāng)?shù)臏p振設(shè)施，并需要進(jìn)行符合規(guī)范的機械振動及沖擊試驗（可參考GB/T18663.1-2002），以此證明此機柜所采用的隔振可靠。

隨著認(rèn)識的加深，不應(yīng)該再將電子機柜僅僅看作一個金屬機柜，僅僅考慮其價格而選擇，而是應(yīng)該將機柜視為控制中心的重要的不可分割的組成部分。隨著科技的發(fā)展，控制系統(tǒng)及其部件的形式越來越復(fù)雜和多樣化，機柜系統(tǒng)應(yīng)對不斷變化的要求有更強的適應(yīng)能力，才能增強其可用性和成本效益。

[1]劉菊娥,王巍巍,羅超等.海上固定平臺在運轉(zhuǎn)設(shè)備作用下的振動有限元分析[J].中國造船，2010，51:7-13.

[2]GB/T 18663.1-2002，電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu)公制系列和英制系列的試驗第1部分：機柜、機架、插箱和機箱的氣候、機械試驗及安全要求[S].

[3]GB/T 15395-1994，電子設(shè)備機柜通用技術(shù)條件[S].

[4]SH/T 3006-2012，石油化工控制室設(shè)計規(guī)范[S].

[5]沈文軍.艦用鑄鋁密閉機柜的隔振緩沖設(shè)計[J].電子機械工程，2005，21：8-14.

[6]GR-63-CORE Network Equipment-Building System(NEBS)Requirement:Physical Protection[S].2006.

Rigidity and Vibration Isolation Selecting of Electronic Cabinet in Offshore Platform

Electronic cabinet is always regarded as ancillary products in the offshore oil industry,and not taken seriously.But a cabinet with good quality ensure the safe operation of equipment in cabinet,protect from external interference and ensure the safety of the operator,it plays a crucial role in the system.To ensure the cabinets can withstand various tests including environmental conditions during storage,installation and use,when selecting the proper cabinet,there are many aspects need to be considered.This paper is presented from the perspective of analyzing multiple loads,refer to the relevant standards and specifications,and make requirements of the rigidity of electronic cabinet.If needed,take certain vibration isolation to ensure that the cabinet does not produce permanent deformation or fatigue damage under internal and external loads.

offshore platform；cabinet；rigidity；vibration isolation

趙笑寒（1987-），女，天津人，助理工程師，研究方向為儀表及系統(tǒng)設(shè)計。

TN957.8+3

A

1006-4311（2014）15-0040-03