黑龍江測震臺站密封機柜的研究

徐建權，龔 飛，郭悅力，王 寧，閆 峰

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池火山監(jiān)測站，黑龍江 五大連池 164100）

黑龍江測震臺站密封機柜的研究

徐建權1，龔 飛1，郭悅力1，王 寧1，閆 峰2

（1.黑龍江省地震局，黑龍江 哈爾濱 150090；2.五大連池火山監(jiān)測站，黑龍江 五大連池 164100）

為改善臺站測震設備運行環(huán)境，提高設備運行質量與使用壽命，針對部分臺站存在觀測環(huán)境濕度過大問題，結合黑龍江省設備維護實踐經(jīng)驗，研制了適用于本省臺站測震設備的防潮密封機柜。根據(jù)應用與環(huán)境特點，在機柜選材設計上采用質量輕且耐腐蝕的玻璃鋼材質。對動、靜密封部位及機柜承壓、穩(wěn)定性做了針對性的設計。

玻璃鋼；動密封；靜密封；主動維護

0 引言

密封是防止流體或固體微粒從相鄰結合面間泄露以及防止外界雜質如灰塵與水分等侵入機器設備內部的零部件或措施[1]。

測震設備由于反應靈敏易受震動干擾以及拾振器監(jiān)測需要裸露基巖的特點，基本被放置在偏遠山區(qū)進行長期獨立的地震觀測。目前我省有無人值守臺站51個，均處于偏遠山區(qū)，山區(qū)水量豐富，雨水滲入山體從而進入觀測房、山洞后不易蒸發(fā)和流通，因此造成設備周圍長期潮濕的環(huán)境，出現(xiàn)地面返潮，墻體結露等。我省屬于高寒地區(qū)，季節(jié)性溫濕度和早晚溫濕度變化很大，因此設備受山洞滲水、擺坑滲水、觀測房防盜門和塑鋼門密封性能差、冷熱空氣對流、低溫影響嚴重，導致數(shù)據(jù)不正常，傳輸不穩(wěn)定、硬件表面結露腐蝕、設備死機等故障，例如寶清臺濕度除冬季外基本達到100%，墻體多處發(fā)霉，尼爾基臺地震計被水淹沒，引龍河臺積水達半米深并結冰等。而設備長年在無人養(yǎng)護的情況下運行，因此設備周圍的環(huán)境濕度變化及其對設備的影響很難及時察覺，易引發(fā)故障。不同程度上影響數(shù)據(jù)質量，損耗儀器壽命，增加維護支出。如圖1、圖2為受潮的臺站和設備。

圖1 墻漆受潮脫落Fig.1 Stripped wall paint because of damp

圖2 蓄電池電極受潮生銹Fig.2 Battery terminal rusting because of damp

基于我省部分臺站觀測室的環(huán)境不理想、對設備保護的針對性不強、設備周圍的溫濕度不夠穩(wěn)定或超出其承受范圍的現(xiàn)狀，為臺站設備的進一步規(guī)范和養(yǎng)護，研制一種適宜設備長期運行的防潮密封機柜。密封機柜通過針對性的設計和實地密封試驗得出了密封性能評估結果。

1 設計理念

研制防潮密封機柜從設備維護的角度而言屬于主動維護中的改進性維護。是針對設備及故障隱患對現(xiàn)有設施進行改裝和升級，是維護工作的擴展。由此不但可在設備發(fā)生故障或事故前及時排除隱患，也可提高設備性能。在最小程度或不影響設備正常運行的基礎上，達到維護目的。而被動維護雖然最終也可達到維護目的，但首先將破壞設備性能，影響其正常運行，很可能損失故障期間的數(shù)據(jù)，給科學研究和地震應急帶來很大不便，其被動維護的費效比也要高于主動維護。

2 密封防潮機柜材質選擇及其特性

密封機柜采用FRP材質制作，也指玻璃纖維或其織物增強的塑料，俗稱玻璃鋼[2]。玻璃鋼密封機柜重量輕；成本低；針對性強；密封性能顯著。便于維護且能有效地減小設備受潮濕、溫度、灰塵、動物的影響。適用于測震臺站設備的運行、存放。本研究所采用的玻璃鋼手糊成型工藝流程如圖3所示。

圖3 玻璃鋼成型工藝流程Fig.3 Fiber reinforced polymer moulding process

3 密封防潮機柜設計

本研究對密封防潮機柜進行了精細的結構設計。首先根據(jù)我省測震臺站在運行設備的尺寸和擺放位置，設計機柜整體長50cm、寬50cm、高160cm（可根據(jù)現(xiàn)場空間預制），底輪高5cm，箱體高度155cm。內部空間分為五層，底部兩層高度均為35cm用來放置A、B兩組（4塊）電瓶，第三層高25cm專門放置智能電源，第四層高30cm放置地震數(shù)據(jù)采集器，頂層高30cm，放置網(wǎng)絡通訊設備，如交換機、光電轉換器等。

機柜采用加有固化劑的樹脂混合液為基體，以玻璃纖維及其井字形織物為增強材料，在涂有脫模劑的模具上以手工鋪放結合，逐層使二者粘接在一起制成5mm厚的玻璃鋼板。用模具將機柜上下左右框架一次成形，以增強靜密封效果。前后門均為玻璃鋼板，前門側邊以折頁與柜體相連，背板用6枚螺絲固定于柜體內部的鐵架上，前后門板與柜體之間按縫隙尺度加裝密封條，通過動密封技術使兩者更加緊密的結合。密封機柜頂端鑲嵌O形穿線密封橡膠圈，臺站環(huán)境符合橡膠密封件適用條件：p＜35Mp，v＜6m/s,t=-40～200℃[1]。機柜內部的插排接線、數(shù)據(jù)采集器GPS天線以及智能電源的短信天線均由此穿出。操作完畢后鎖緊穿線膠圈，既防潮又方便維護。

機柜內4塊隔板，為使機柜內部溫濕度更均勻，用臺鉆將隔板統(tǒng)一打孔，放置在機柜內部的鋼架上，隔板靠機柜背板的一角統(tǒng)一預留穿線孔，使機柜內走線規(guī)則整齊。機柜底層隔板加厚至15mm，底板下部平行鑲嵌兩條鋼梁，起到輔助承擔電瓶重量和加固機柜的作用。機柜的4只底輪的螺絲及金屬部分采用不銹鋼材質，底輪螺絲與機柜底板鑲嵌的鋼梁以螺扣方式相接合，避免螺絲穿透底板，潮氣滲入箱體內。

玻璃鋼材質不導電，所以機柜內所有設備的接地就由柜體底部的鋼制導體來完成，將設備接地線統(tǒng)一固定在接地導體上，導體另一端出漏在機柜外并連接觀測房的避雷地線，由此完成機柜內設備的避雷接地。接地導體穿過機柜底板，為防止潮氣通過導體與機柜底板的縫隙滲入柜體內，接地體與機柜底板采用嵌入式連接，在制作過程中一次成型。圖4為玻璃鋼密封機柜設計及實物圖。

圖4 玻璃鋼密封機柜設計與實物圖Fig.4 Design and picture of the GFRP sealed cabinet

機柜內外分別放置兩臺我省測震臺站專用的集供電、通信、遠程控制功能為一體的野外智能電源，在電源上安裝環(huán)境溫濕度傳感器及其模塊，通過當?shù)嘏_站現(xiàn)有的傳輸信道遠程監(jiān)測及保存實驗現(xiàn)場實時的溫濕度數(shù)據(jù)。

4 試驗場地及方式

防潮密封機柜的實驗在五大連池地區(qū)引龍河地震臺站觀測房內進行。引龍河農場位于五大連池火山群東側邊緣，該地區(qū)絕大部分屬于第四紀沉積的黃粘土和砂礫層土，海拔在275～465m之間。引龍河臺地處中高緯度地區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)。季節(jié)差別顯著，冬季漫長寒冷，春季風大少雨，夏季高溫多雨，秋季氣溫日差較大并多變，降水量減少，冬季漫長而寒冷，多積雪。年平均氣溫在-0.5～1.5℃之間，一月份最冷，平均氣溫在-25.1～26℃，極端最低氣溫達-44℃。七月份氣溫最熱，平均氣溫在19～21℃之間，極端最高氣溫可達35℃。全年平均降雨量在480～550mm之間，全年降雨量70%集中在六至八月份，年平均濕度為7.5%。而臺站觀測房坐落于山腰上，換季室內結露，雨后滲水甚至積水，室內常年濕度在95%左右，適合防潮密封機柜的實地試驗。

密封試驗采用實地應用的方式，將臺站在運行的所有測震設備按照供電、采集、通訊的順序依次放入玻璃鋼密封機柜內相應位置，波形數(shù)據(jù)及電源日志全部正常后，固定天線及電線，將設備避雷全部接地，在機柜內、外各放置一臺智能電源，用來實事監(jiān)測機柜內外的環(huán)境及設備溫濕度變化。最后封閉柜門，開始測試、記錄。測試時間從2016年8月29日至2017年2月28日。

5 機柜試驗數(shù)據(jù)對比

通過截取35天的實地應用監(jiān)測數(shù)據(jù)得到對比結果如下圖：圖5為密封機柜內外環(huán)境溫度對比，縱坐標為環(huán)境溫度，橫坐標為測試時間。

圖5 防潮機柜內外環(huán)境溫度對比Fig.5 Comparison of environmental temperature inside and outside damp proof cabinet

圖6為機柜內外的環(huán)境濕度對比，縱坐標為環(huán)境濕度，橫坐標為測試時間。

通過圖表數(shù)據(jù)證明機柜內部環(huán)境溫、濕度均比機柜外穩(wěn)定，濕度減小至20%左右，且在設備最佳運行范圍內。

圖6 防潮機柜內外環(huán)境濕度對比Fig.6 Comparison of humidity inside and outside of damp proof cabinet

6 與臺站現(xiàn)用機柜的對比

我省臺站在用機柜基本為圖騰鋼制機柜，以SPCC冷軋鋼板制成，重量大、成本高且無密封措施 ，觀測房設備不同程度受到灰塵、潮濕、鼠害等環(huán)境影響。本次研制的玻璃鋼機柜以玻璃纖維增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂為材料制成，重量輕、成本較低，在動密封與靜密封方面采取了針對性的措施。

表1 玻璃鋼機柜參數(shù)

試驗數(shù)據(jù)與觀測房濕度常年在95%左右的寶清臺做對比，如表1所示，玻璃鋼機柜2016年8月至2016年10月，內部最大濕度82%在設備運行允許范圍內。寶清臺的圖騰不銹鋼機柜2016年8月至2016年11月濕度在92%以上，影響設備壽命及運行。而兩者的內部環(huán)境溫度均在設備運行允許范圍內。

7 功能拓展

基于目前試驗所得的密封成果，在今后的應用中可以視情增加機柜的功能：（1）前門板中間鑲嵌中空玻璃，可通過觀測室攝像頭監(jiān)視機柜內設備現(xiàn)實參數(shù)及情況。將機柜內框架安裝滑道，將隔板分層置于滑道上，維護時可抽拉隔板，便于維護；（2）為防止停電影響維護或監(jiān)視，機柜內部加裝12V照明設備；（3）在密封柜內安裝溫濕度監(jiān)測裝置和加溫裝置，自動觸發(fā)加溫功能，當密封箱內溫度≤0度時，自動觸發(fā)加溫功能，恢復預定范圍后自動或遠程手動關閉加溫功能。

8 結論

通過對防潮密封機柜內、外部溫濕度半年的觀測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，防潮密封機柜內的溫濕度對測震設備而言明顯優(yōu)于外部溫濕度，且穩(wěn)定保持在理想數(shù)值范圍內。該研究表明，科學有效的防護，可較好提高設備保養(yǎng)水平、減少環(huán)境問題造成的故障率，從而提升臺站數(shù)據(jù)質量和觀測質量等，此外，由此節(jié)約設備維護費用和觀測房防潮費用等，為該研究產生了一定的經(jīng)濟效益。

[1]黃志堅.密封原理.應用與維護[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013：68.

[2]鄒寧宇,姜肇中,龐愛飛.玻璃鋼詞典[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008：386.

Abstract：In order to improve the seismic station equipment operating environment，and the service life of equipment and operation quality, to solve the high humidity problems of the observation environment in some stations, the seismic stations equipment moisture sealing cabinet was developed. Combined with practical experience in equipment maintenance in Heilongjiang province. According to the application and environmental characteristics, the insulation and corrosion resisting FRP material is adopted in the selection of the material for the cabinet. This design is designed for the dynamic and static seals and the stability of the cabinet.

Key words：Glass fiber reinforced polymer；dynamic seal；static seal；active maintenance

Study on Sealing Cabinet of Heilongjiang Seismic Station

XU Jian-quan1，GONG Fei1，GUO Yue-li1，WANG Ning1，YAN Feng2
（1. Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Heilongjiang Harbin 150090，China 2. Volcano Monitoring Station of Wudalianchi， Heilongjiang wudalianchi 164100，China）

P315.62

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.012

1674-8565（2017）03-0068-05

黑龍江省地震局一般性課題（201501）資助

2017-02-05

2017-06-16

徐建權（1985-），男，黑龍江省哈爾濱市人，2010年畢業(yè)于吉林大學，本科，助理工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測與設備維護工作。E-mail：xujianquan2008@126.com