★北京广利核系统工程有限公司张伟，潘海波

关键词：核电；机柜；柜门；结构；设计；优化

“安全第一”是我国核电发展的基本方针。DCS机柜是核电站仪控系统重要设备之一，其安全可靠性直接关系到核电站的安全、稳定和可靠运行。随着标准化程度的不断提高，公司应用于核电仪控系统DCS机柜的结构型式已基本固化。其结构组成如图1所示：主要包括框架、柜门、门楣、风机帽等。其中，柜门作为DCS机柜的重要组成部分，其外观质量和抗震性直接影响着DCS机柜的产品质量。

图1 机柜外形示意图

相对其他部件而言，柜门的操作频率更高，因此其在加工、测试和使用过程中出现问题的频率也相对较高。本研究总结以往核电项目DCS机柜相关经验反馈，对其柜门进行了结构设计优化，有效提高了DCS机柜的产品质量。

1　抗震结构设计优化

核电站相关物项抗震等级共分为三个类别：抗震I类、抗震II类和非核抗震类。其中，抗震I类要求相关物项能承受S1（运行基准地震OBE）和S2（安全停堆地震SSE）载荷，并保证在地震发生时或（和）地震后能履行其安全功能；抗震II类要求物项在S1和S2载荷作用下自身完整或（和）不能影响抗震I类物项的安全性。核电仪控系统DCS机柜抗震等级为抗震I类。如果地震载荷下柜门被震开，则柜门对机柜内部设备的防护功能失效，有可能造成机柜功能丧失而影响核安全。

以往项目的DCS机柜在地震试验中，柜门有偶尔被震开而导致机柜抗震试验失败的现象。因此，要使DCS机柜满足抗震要求，需对其结构进行加强设计。结构加强方案有很多，优化柜门结构是其中一种。

1.1　抗震失败原因分析

如图1所示，DCS机柜为双开门机柜。其中，左门为被动门（自身不具备锁死功能），右门为主动门（带门锁，上下两点与机柜框架锁死，同时锁住左门）。上下锁杆顶端与框架的锁死结构如图2所示。为便于柜门关闭，锁杆顶端滚轮与机柜框架配合时有一个角度，以便旋转门把手时有一个拉紧动作。但锁杆的行程一般只有23mm～24mm，减去滚轮与框架缝隙，滚轮与框架配合交错尺寸约为20mm。地震载荷下，无论是框架、柜门还是锁杆都有不同程度的变形。当三者变形随机耦合到一起时，锁杆顶端滚轮则有与框架斜坡脱扣的可能。一旦脱扣，则右门震开，随即左门震开。

图2 锁杆与框架锁死结构示意图

1.2　柜门结构设计优化

（1）左门优化

原设计左门没有锁死功能，右门开启则左门开启。在使用便利性角度考虑该设计没有问题，但从抗震角度考虑左门宜设计为可锁死结构。在左门上方和下方均安装一个插销，与框架配合可以锁死左门。如图3所示，插销结构安装在左门上下方，插销与框架配合交错尺寸为25mm。打开左门时（插销收缩）弹簧处于压缩状态，锁死左门时（插销释放）弹簧处于释放状态。这样，右门打开时左门仍处于锁死状态，只有手动操作插销才可以打开左门。

图3 左门插销结构与框架锁死结构示意图

（2）右门优化

如前所述，右门为上下两点锁死，上下锁杆顶端为滚轮，且与框架为斜坡配合结构。增加锁点可以提高抗震性能。但原设计左门为被动门（不能锁死），右门无法实现多点锁死。在左门设计优化后，上下方增加插销而能与框架锁死后，则右门可以改两点锁为三点锁，即在门把手处增加安装锁舌与左门配合锁死。这样，即使上下滚轮与框架脱扣，中间锁舌也可保持锁死状态而保持柜门不开。

2　压铆螺钉结构设计优化

压铆螺钉由于安装方便且具有高抗扭矩阻力等优点，广泛应用在钣金行业，因此压铆螺钉在机柜中应用较为普遍。但我们在加工和使用过程中发现，当对柜门压铆螺钉按如表1所示标准5.8级螺钉紧固力矩紧固时，压铆螺钉背面会出现“凹陷”（不影响使用，但影响外观质量）。

表1 标准紧固力矩

相关试验表明，要使柜门压铆螺钉按如表1所示标准5.8级螺钉紧固力矩紧固时其背面不出现“凹陷”，需按表2所示的特殊紧固力矩紧固。

表2 特殊紧固力矩

按特殊力矩紧固柜门压铆螺钉，一方面限制了其承重性能；另一方面一旦紧固力矩操作失误，就会导致柜门表面出现“凹陷”而造成损失。

2.1　优化方案一

改“柜门直接压铆螺钉”为“柜门焊接压铆螺钉板”。柜门直接压铆螺钉如图4所示，柜门焊接压铆螺钉板如图5所示（焊接板与柜门点焊或塞焊连接，焊点避开压铆螺钉位置）。

图4 柜门直接压铆螺钉

图5 柜门焊接压铆螺钉板

2.2　优化方案二

改“柜门直接压铆螺钉”为“柜门焊接压铆螺母板”。柜门直接压铆螺钉安装结构件如图6所示，柜门焊接压铆螺母板如图7所示（焊接板与柜门点焊或塞焊连接）。同时，该方案使用组合螺钉替代了弹、平垫圈和螺母，简化了安装。

图6 柜门直接压铆螺钉安装示意图

图7 柜门焊接压铆螺母板安装示意图

3　防尘装置结构设计优化

核电站不同区域环境条件有所不同，因此对电气设备外壳的IP防护等级要求各异。核电仪控系统DCS机柜机房环境条件相对较好，对温度、湿度及灰尘等的控制相对严格，所以公司核电仪控系统DCS机柜的外壳防护等级为IP30。

3.1　原防尘装置结构

原防尘装置结构的安装方式如图8所示，采用弹、平垫圈和螺母进行安装。整个防尘装置的安装至少如图9所示需要8套紧固件。更换防尘棉时需要用工具拆除8次螺母、弹簧垫圈和平垫圈，再安装8次螺母、弹簧垫圈和平垫圈，费时费力。

图8 原防尘装置安装方式图

图9 原设计紧固件安装示意图

3.2　优化防尘装置结构

如图10所示，改原防尘装置为“旋转门”结构样式可有效简化更换防尘棉过程。拧松右侧两个不脱出螺钉，防尘装置即可以绕旋转轴旋转打开（该技术受产权保护，专利号：ZL202021390666.X）。

图10 优化防尘结构图

4  结束语

本研究通过对核电仪控系统DCS机柜柜门结构进行优化，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机柜的产品质量。优化后的DCS机柜，已经通过加工和抗震试验验证，满足核电项目相关要求，目前已经在多个核电项目应用。

提高核电仪控系统DCS机柜抗震性能和操作便利性方案有很多，本文仅从柜门角度着手优化。一个好的结构产品，在满足尺寸、IP防护、抗震等功能性要求的同时，还应尽量降低加工难度、使用标准，以提高其适用性和经济性。

作者简介：

张　伟（1979-），男，北京人，高级工程师，学士，现就职于北京广利核系统工程有限公司，主要从事核电厂非安全级仪控系统产品结构设计方面的工作。

参考文献：

[1]张伟.核电站机柜门锁传动机构接地导通问题的研究与应用[J].自动化博览,2023,40(364):72-75.

[2]GB13625-1992,核电厂安全系统电气设备抗震鉴定[S].

[3]HAFJ0053-1995,核设备抗震鉴定试验指南[S].

[4]张伟,单士起,孙洪涛.核电站机柜压铆螺钉紧固力矩的研究[J].自动化博览,2021,38(339):58-61.

[5]张伟,王诗峰,孙洪涛.核电站机柜不同IP防护等级通风结构的设计[J].自动化博览,2017,34(283):84-88.

摘自《自动化博览》2025年4月刊