★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司張偉，潘海波

關(guān)鍵詞：核電；機(jī)柜；柜門；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

“安全第一”是我國核電發(fā)展的基本方針。DCS機(jī)柜是核電站儀控系統(tǒng)重要設(shè)備之一，其安全可靠性直接關(guān)系到核電站的安全、穩(wěn)定和可靠運(yùn)行。隨著標(biāo)準(zhǔn)化程度的不斷提高，公司應(yīng)用于核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)柜的結(jié)構(gòu)型式已基本固化。其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示：主要包括框架、柜門、門楣、風(fēng)機(jī)帽等。其中，柜門作為DCS機(jī)柜的重要組成部分，其外觀質(zhì)量和抗震性直接影響著DCS機(jī)柜的產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 機(jī)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(xiàn)問題的頻率也相對較高。本研究總結(jié)以往核電項(xiàng)目DCS機(jī)柜相關(guān)經(jīng)驗(yàn)反饋，對其柜門進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，有效提高了DCS機(jī)柜的產(chǎn)品質(zhì)量。

1　抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

核電站相關(guān)物項(xiàng)抗震等級共分為三個(gè)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(guān)物項(xiàng)能承受S1（運(yùn)行基準(zhǔn)地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）載荷，并保證在地震發(fā)生時(shí)或（和）地震后能履行其安全功能；抗震II類要求物項(xiàng)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(xiàng)的安全性。核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)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(jī)柜內(nèi)部設(shè)備的防護(hù)功能失效，有可能造成機(jī)柜功能喪失而影響核安全。

以往項(xiàng)目的DCS機(jī)柜在地震試驗(yàn)中，柜門有偶爾被震開而導(dǎo)致機(jī)柜抗震試驗(yàn)失敗的現(xiàn)象。因此，要使DCS機(jī)柜滿足抗震要求，需對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案有很多，優(yōu)化柜門結(jié)構(gòu)是其中一種。

1.1　抗震失敗原因分析

如圖1所示，DCS機(jī)柜為雙開門機(jī)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(diǎn)與機(jī)柜框架鎖死，同時(shí)鎖住左門）。上下鎖桿頂端與框架的鎖死結(jié)構(gòu)如圖2所示。為便于柜門關(guān)閉，鎖桿頂端滾輪與機(jī)柜框架配合時(shí)有一個(gè)角度，以便旋轉(zhuǎn)門把手時(shí)有一個(gè)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(cuò)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(dāng)三者變形隨機(jī)耦合到一起時(shí)，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(jié)構(gòu)示意圖

1.2　柜門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）左門優(yōu)化

原設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)沒有問題，但從抗震角度考慮左門宜設(shè)計(jì)為可鎖死結(jié)構(gòu)。在左門上方和下方均安裝一個(gè)插銷，與框架配合可以鎖死左門。如圖3所示，插銷結(jié)構(gòu)安裝在左門上下方，插銷與框架配合交錯(cuò)尺寸為25mm。打開左門時(shí)（插銷收縮）彈簧處于壓縮狀態(tài)，鎖死左門時(shí)（插銷釋放）彈簧處于釋放狀態(tài)。這樣，右門打開時(shí)左門仍處于鎖死狀態(tài)，只有手動操作插銷才可以打開左門。

圖3 左門插銷結(jié)構(gòu)與框架鎖死結(jié)構(gòu)示意圖

（2）右門優(yōu)化

如前所述，右門為上下兩點(diǎn)鎖死，上下鎖桿頂端為滾輪，且與框架為斜坡配合結(jié)構(gòu)。增加鎖點(diǎn)可以提高抗震性能。但原設(shè)計(jì)左門為被動門（不能鎖死），右門無法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)鎖死。在左門設(shè)計(jì)優(yōu)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(diǎn)鎖為三點(diǎn)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(tài)而保持柜門不開。

2　壓鉚螺釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

壓鉚螺釘由于安裝方便且具有高抗扭矩阻力等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在鈑金行業(yè)，因此壓鉚螺釘在機(jī)柜中應(yīng)用較為普遍。但我們在加工和使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)對柜門壓鉚螺釘按如表1所示標(biāo)準(zhǔn)5.8級螺釘緊固力矩緊固時(shí)，壓鉚螺釘背面會出現(xiàn)“凹陷”（不影響使用，但影響外觀質(zhì)量）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)緊固力矩

相關(guān)試驗(yàn)表明，要使柜門壓鉚螺釘按如表1所示標(biāo)準(zhǔn)5.8級螺釘緊固力矩緊固時(shí)其背面不出現(xiàn)“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(dǎo)致柜門表面出現(xiàn)“凹陷”而造成損失。

2.1　優(yōu)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(diǎn)焊或塞焊連接，焊點(diǎn)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(yōu)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(jié)構(gòu)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(diǎn)焊或塞焊連接）。同時(shí)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

核電站不同區(qū)域環(huán)境條件有所不同，因此對電氣設(shè)備外殼的IP防護(hù)等級要求各異。核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)柜機(jī)房環(huán)境條件相對較好，對溫度、濕度及灰塵等的控制相對嚴(yán)格，所以公司核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)柜的外殼防護(hù)等級為IP30。

3.1　原防塵裝置結(jié)構(gòu)

原防塵裝置結(jié)構(gòu)的安裝方式如圖8所示，采用彈、平墊圈和螺母進(jìn)行安裝。整個(gè)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(shí)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(fèi)時(shí)費(fèi)力。

圖8 原防塵裝置安裝方式圖

圖9 原設(shè)計(jì)緊固件安裝示意圖

3.2　優(yōu)化防塵裝置結(jié)構(gòu)

如圖10所示，改原防塵裝置為“旋轉(zhuǎn)門”結(jié)構(gòu)樣式可有效簡化更換防塵棉過程。擰松右側(cè)兩個(gè)不脫出螺釘，防塵裝置即可以繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開（該技術(shù)受產(chǎn)權(quán)保護(hù)，專利號：ZL202021390666.X）。

圖10 優(yōu)化防塵結(jié)構(gòu)圖

4  結(jié)束語

本研究通過對核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)柜柜門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)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(jī)柜的產(chǎn)品質(zhì)量。優(yōu)化后的DCS機(jī)柜，已經(jīng)通過加工和抗震試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足核電項(xiàng)目相關(guān)要求，目前已經(jīng)在多個(gè)核電項(xiàng)目應(yīng)用。

提高核電儀控系統(tǒng)DCS機(jī)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(yōu)化。一個(gè)好的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，在滿足尺寸、IP防護(hù)、抗震等功能性要求的同時(shí)，還應(yīng)盡量降低加工難度、使用標(biāo)準(zhǔn)，以提高其適用性和經(jīng)濟(jì)性。

作者簡介：

張　偉（1979-），男，北京人，高級工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核電廠非安全級儀控系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的工作。

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摘自《自動化博覽》2025年4月刊