★北京廣利核系統工程有限公司張偉，潘海波

關鍵詞：核電；機柜；柜門；結構；設計；優化

“安全第一”是我國核電發展的基本方針。DCS機柜是核電站儀控系統重要設備之一，其安全可靠性直接關系到核電站的安全、穩定和可靠運行。隨著標準化程度的不斷提高，公司應用于核電儀控系統DCS機柜的結構型式已基本固化。其結構組成如圖1所示：主要包括框架、柜門、門楣、風機帽等。其中，柜門作為DCS機柜的重要組成部分，其外觀質量和抗震性直接影響著DCS機柜的產品質量。

圖1 機柜外形示意圖

相對其他部件而言，柜門的操作頻率更高，因此其在加工、測試和使用過程中出現問題的頻率也相對較高。本研究總結以往核電項目DCS機柜相關經驗反饋，對其柜門進行了結構設計優化，有效提高了DCS機柜的產品質量。

1　抗震結構設計優化

核電站相關物項抗震等級共分為三個類別：抗震I類、抗震II類和非核抗震類。其中，抗震I類要求相關物項能承受S1（運行基準地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）載荷，并保證在地震發生時或（和）地震后能履行其安全功能；抗震II類要求物項在S1和S2載荷作用下自身完整或（和）不能影響抗震I類物項的安全性。核電儀控系統DCS機柜抗震等級為抗震I類。如果地震載荷下柜門被震開，則柜門對機柜內部設備的防護功能失效，有可能造成機柜功能喪失而影響核安全。

以往項目的DCS機柜在地震試驗中，柜門有偶爾被震開而導致機柜抗震試驗失敗的現象。因此，要使DCS機柜滿足抗震要求，需對其結構進行加強設計。結構加強方案有很多，優化柜門結構是其中一種。

1.1　抗震失敗原因分析

如圖1所示，DCS機柜為雙開門機柜。其中，左門為被動門（自身不具備鎖死功能），右門為主動門（帶門鎖，上下兩點與機柜框架鎖死，同時鎖住左門）。上下鎖桿頂端與框架的鎖死結構如圖2所示。為便于柜門關閉，鎖桿頂端滾輪與機柜框架配合時有一個角度，以便旋轉門把手時有一個拉緊動作。但鎖桿的行程一般只有23mm～24mm，減去滾輪與框架縫隙，滾輪與框架配合交錯尺寸約為20mm。地震載荷下，無論是框架、柜門還是鎖桿都有不同程度的變形。當三者變形隨機耦合到一起時，鎖桿頂端滾輪則有與框架斜坡脫扣的可能。一旦脫扣，則右門震開，隨即左門震開。

圖2 鎖桿與框架鎖死結構示意圖

1.2　柜門結構設計優化

（1）左門優化

原設計左門沒有鎖死功能，右門開啟則左門開啟。在使用便利性角度考慮該設計沒有問題，但從抗震角度考慮左門宜設計為可鎖死結構。在左門上方和下方均安裝一個插銷，與框架配合可以鎖死左門。如圖3所示，插銷結構安裝在左門上下方，插銷與框架配合交錯尺寸為25mm。打開左門時（插銷收縮）彈簧處于壓縮狀態，鎖死左門時（插銷釋放）彈簧處于釋放狀態。這樣，右門打開時左門仍處于鎖死狀態，只有手動操作插銷才可以打開左門。

圖3 左門插銷結構與框架鎖死結構示意圖

（2）右門優化

如前所述，右門為上下兩點鎖死，上下鎖桿頂端為滾輪，且與框架為斜坡配合結構。增加鎖點可以提高抗震性能。但原設計左門為被動門（不能鎖死），右門無法實現多點鎖死。在左門設計優化后，上下方增加插銷而能與框架鎖死后，則右門可以改兩點鎖為三點鎖，即在門把手處增加安裝鎖舌與左門配合鎖死。這樣，即使上下滾輪與框架脫扣，中間鎖舌也可保持鎖死狀態而保持柜門不開。

2　壓鉚螺釘結構設計優化

壓鉚螺釘由于安裝方便且具有高抗扭矩阻力等優點，廣泛應用在鈑金行業，因此壓鉚螺釘在機柜中應用較為普遍。但我們在加工和使用過程中發現，當對柜門壓鉚螺釘按如表1所示標準5.8級螺釘緊固力矩緊固時，壓鉚螺釘背面會出現“凹陷”（不影響使用，但影響外觀質量）。

表1 標準緊固力矩

相關試驗表明，要使柜門壓鉚螺釘按如表1所示標準5.8級螺釘緊固力矩緊固時其背面不出現“凹陷”，需按表2所示的特殊緊固力矩緊固。

表2 特殊緊固力矩

按特殊力矩緊固柜門壓鉚螺釘，一方面限制了其承重性能；另一方面一旦緊固力矩操作失誤，就會導致柜門表面出現“凹陷”而造成損失。

2.1　優化方案一

改“柜門直接壓鉚螺釘”為“柜門焊接壓鉚螺釘板”。柜門直接壓鉚螺釘如圖4所示，柜門焊接壓鉚螺釘板如圖5所示（焊接板與柜門點焊或塞焊連接，焊點避開壓鉚螺釘位置）。

圖4 柜門直接壓鉚螺釘

圖5 柜門焊接壓鉚螺釘板

2.2　優化方案二

改“柜門直接壓鉚螺釘”為“柜門焊接壓鉚螺母板”。柜門直接壓鉚螺釘安裝結構件如圖6所示，柜門焊接壓鉚螺母板如圖7所示（焊接板與柜門點焊或塞焊連接）。同時，該方案使用組合螺釘替代了彈、平墊圈和螺母，簡化了安裝。

圖6 柜門直接壓鉚螺釘安裝示意圖

圖7 柜門焊接壓鉚螺母板安裝示意圖

3　防塵裝置結構設計優化

核電站不同區域環境條件有所不同，因此對電氣設備外殼的IP防護等級要求各異。核電儀控系統DCS機柜機房環境條件相對較好，對溫度、濕度及灰塵等的控制相對嚴格，所以公司核電儀控系統DCS機柜的外殼防護等級為IP30。

3.1　原防塵裝置結構

原防塵裝置結構的安裝方式如圖8所示，采用彈、平墊圈和螺母進行安裝。整個防塵裝置的安裝至少如圖9所示需要8套緊固件。更換防塵棉時需要用工具拆除8次螺母、彈簧墊圈和平墊圈，再安裝8次螺母、彈簧墊圈和平墊圈，費時費力。

圖8 原防塵裝置安裝方式圖

圖9 原設計緊固件安裝示意圖

3.2　優化防塵裝置結構

如圖10所示，改原防塵裝置為“旋轉門”結構樣式可有效簡化更換防塵棉過程。擰松右側兩個不脫出螺釘，防塵裝置即可以繞旋轉軸旋轉打開（該技術受產權保護，專利號：ZL202021390666.X）。

圖10 優化防塵結構圖

4  結束語

本研究通過對核電儀控系統DCS機柜柜門結構進行優化，提高了其抗震性能和操作便利性，尤其降低了其加工和使用要求，有效提高了DCS機柜的產品質量。優化后的DCS機柜，已經通過加工和抗震試驗驗證，滿足核電項目相關要求，目前已經在多個核電項目應用。

提高核電儀控系統DCS機柜抗震性能和操作便利性方案有很多，本文僅從柜門角度著手優化。一個好的結構產品，在滿足尺寸、IP防護、抗震等功能性要求的同時，還應盡量降低加工難度、使用標準，以提高其適用性和經濟性。

作者簡介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學士，現就職于北京廣利核系統工程有限公司，主要從事核電廠非安全級儀控系統產品結構設計方面的工作。

參考文獻：

[1]張偉.核電站機柜門鎖傳動機構接地導通問題的研究與應用[J].自動化博覽,2023,40(364):72-75.

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[3]HAFJ0053-1995,核設備抗震鑒定試驗指南[S].

[4]張偉,單士起,孫洪濤.核電站機柜壓鉚螺釘緊固力矩的研究[J].自動化博覽,2021,38(339):58-61.

[5]張偉,王詩峰,孫洪濤.核電站機柜不同IP防護等級通風結構的設計[J].自動化博覽,2017,34(283):84-88.

摘自《自動化博覽》2025年4月刊