海上平台电子机柜的刚度及隔振的选型研究

赵笑寒 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）

海上平台电子机柜的刚度及隔振的选型研究

赵笑寒 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）

电子机柜在海洋石油行业一直被看作附属产品，并不被重视。但是优质的机柜保证了柜内设备的安全运行，不受外界侵扰，保证了操作者的人身安全，在整个系统中起着至关重要的作用。为保证机柜在贮存、安装和使用中能够经受包括环境条件在内的各种考验，在机柜的选型时有很多需要考虑的方面，本文主要从分析机柜多重载荷的角度，参考相关标准规范，提出电子机柜刚度的选型要求，如需要还要采取一定的隔振手段，以确保机柜在内外部载荷的作用下，不产生永久性变形或疲劳损坏。

海上平台；机柜；刚度；隔振

0 引言

在石油化工行业中，机柜一直被看作是自动化控制应用领域中的附属产品，只是用来容纳PLC、变频器等设备的容器，并不被重视。但是优质的机柜保证了柜内设备的安全运行，不受外界侵扰，保证了操作者的人身安全，是这些昂贵的电气设备最直接的物理保护。海上平台的机柜，要受到环境载荷和振动载荷等多重载荷的联合作用。机柜作为电子设备载体，在选型时不仅要考虑其承载能力即刚度和强度，同时也要考虑其振动是否在电子设备的承受范围内，如果不满足，就要为机柜选择一套合适的缓冲隔振系统。

1 载荷分析

海上平台电子机柜在使用中所承受的载荷包括环境载荷和设备载荷。环境载荷包括风、波浪、海流、海冰和地震等，设备载荷一般指动设备运转而引起的振动载荷，如平台上的电站、泵和压缩机的振动引起的载荷等。浅水固定式平台结构的固有基频一般为1Hz左右，远远大于风、波浪和海流等环境载荷的频率（一般小于0.15Hz），因此这些环境因素所引起的影响将忽略。若对于水深较深（大于300米）的固定式平台、浮式平台及船舶的振动计算，则需要充分考虑风浪流、地震等环境荷载。海上平台主要动载荷包括各种泵，发电机、压缩机等。对某平台几个振动源（选取的设备为：注水泵，冲洗泵，消防泵，注剂泵，空压机，空调，发电机等）做叠加后的瞬态响应分析，下表列出选取的各关键点的z向（垂直方向）位移情况（即振幅），如表1。

表1中编号1～15的节点位于工作甲板，编号16～17的节点位于注水泵附近，编号18～19的节点位于空压机附近，编号20～23的节点位于发电机附近，编号24～25的节点位于二层房间走道，编号26～28的节点位于上层甲板。机柜所位于的中控室，坐落于平台的二层房间处。用选取的全部节点来模拟该平台的振动情况，可以看出该平台的振幅在（0.00026mm，0.027mm）之间。

表1 关键节点的Z向位移[1]

2 机柜刚度的基本要求

机柜刚度要求指机柜在内外部载荷的作用下，不得产生永久性变形或疲劳损坏，在机柜的选型时，应结合机柜的重量指标，寻求最佳平衡点。GB/T 18663.1-2002（等同于IEC 61587-1:1999）《电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第1部分：机柜、机架、插箱和机箱的气候、机械试验及安全要求》[2]提出了关于机柜提吊试验和刚度试验的要求，并提出了验证机柜刚度的性能指标。国内海上平台控制室用到的三种主要机柜：端子柜、系统柜和电池柜，它们在标准配置下的额定载荷近似为200kg，400kg和800kg。提吊试验和刚度试验的配置如图1和2。根据上述标准，计算得到如表2所示的三种机柜提吊试验和刚度试验的性能指标。

图1 提吊实验

图2 刚度实验

表2 提吊试验和刚度试验的性能等级

试验的验收标准为，在以上规定的提吊试验力和刚度试验力分别作用下，机架内插箱的最大挠度小于0.4mm。在机柜选型过程中，可以参照如上标准，需厂家提供其机柜的额定载荷和试验指标，并确保机柜所产生的变形在允许范围内。提高机柜刚度的方法可包括以下方面：机柜角连接处，焊口应牢靠、坚固，角连接件、螺钉、螺纹应有足够的强度，最好有定位系统等，可采用多重弯曲的框架形状和优良的角部焊接技术大幅提高了机箱的刚性[3]，如图3、图4。

图3 多重弯曲的框架

图4 角部焊接

3 机柜隔振的基本要求

机柜选型时，还应统筹考虑制造厂商的电子机柜允许的机械振动条件，表3给出了平台常用电子机柜厂商的机械振动条件[4]。

表3 部分厂商电子机柜的机械振动条件

对比上述浅水固定平台的振动参数，即振幅在（0.00026mm，0.027mm）之间。除SIMENES的电子机柜，其它都满足要求。当所选用厂商的机柜无法承受实际振动时，就需要对机柜进行隔振缓冲设计，以提高设备的适装性。目前我国船用电子设备选用的减振器品种较多，包括E型减振器、碗型减振器、钢丝绳减振器、无谐振峰减振器等[5]。其中E型减振器对振动往往起放大作用，耐冲击性能较差，表面橡胶层在海洋环境下会发生腐蚀等。另外，碗形减振器虽然具有较好的隔振缓冲性能[6]，但安装较为复杂，占用空间尺寸大。在选型中主要是对不锈钢制钢丝绳减振器与无谐振峰隔振器进行比较，两种减振器都具有隔振缓冲性能良好、安装简单、使用广泛、耐蚀性能较好的特点，经过比较，考虑到钢丝绳减振器在8～12Hz存在谐振点，容易与机柜产生共振，因此选用无谐振峰隔振器，最适于浅水固定平台。GB/T 18663.1-2002（等同于IEC 61587-1:1999）《电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第1部分：机柜、机架、插箱和机箱的气候、机械试验及安全要求》[2]中提出了关于机柜振动的试验要求和验证标准。

表4 机柜振动和冲击要求的性能等级（按GB/T 2423.10）

试验的验收标准为不产生机械破坏（目测检验），例如产生裂纹，残留尺寸变形，螺纹连接松动，插箱磨损。在具备减振处理后，要求厂家提供符合标准的振动试验，例如，某机柜满足美国NEBS（网络设备建造系统）认证中的GR-63-Core（物理保护）标准的电子设备抗地震试验Zone3(1108gal)的强度[6]；并且在出现10级左右强地震的情况下，机柜自身门板，安装板，侧板不脱落，不变形，有效保护柜体内仪器仪表设备不受到损坏，从而加强对系统内部件的保护性能。

4 结论

本文探讨了海上平台电子机柜选型中对于刚度、强度和隔振的基本要求和选型方法，可得出以下结论：在平衡载重和运输条件的基础上，保证机柜的刚强度，并提供权威机构认证的符合规范的验证试验（可参考GB/T18663.1-2002）；在计算出振动数据的基础上，选择抗振性良好的机柜，或加装适当的减振设施，并需要进行符合规范的机械振动及冲击试验（可参考GB/T18663.1-2002），以此证明此机柜所采用的隔振可靠。

随着认识的加深，不应该再将电子机柜仅仅看作一个金属机柜，仅仅考虑其价格而选择，而是应该将机柜视为控制中心的重要的不可分割的组成部分。随着科技的发展，控制系统及其部件的形式越来越复杂和多样化，机柜系统应对不断变化的要求有更强的适应能力，才能增强其可用性和成本效益。

[1]刘菊娥,王巍巍,罗超等.海上固定平台在运转设备作用下的振动有限元分析[J].中国造船，2010，51:7-13.

[2]GB/T 18663.1-2002，电子设备机械结构公制系列和英制系列的试验第1部分：机柜、机架、插箱和机箱的气候、机械试验及安全要求[S].

[3]GB/T 15395-1994，电子设备机柜通用技术条件[S].

[4]SH/T 3006-2012，石油化工控制室设计规范[S].

[5]沈文军.舰用铸铝密闭机柜的隔振缓冲设计[J].电子机械工程，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

赵笑寒（1987-），女，天津人，助理工程师，研究方向为仪表及系统设计。

TN957.8+3

A

1006-4311（2014）15-0040-03