海洋性大氣環境當中戶外電器設備的防護新思路

摘 要：利用膨體聚四氟乙烯薄膜ePTFE材料構成的新一代的耐用、高效的濾膜可截留水分和腐蝕性顆粒的特性，針對海洋設施戶外設備特別是電器設備的特殊要求，提出對海洋設施戶外設備特別是電器類的設備進行防潮、防腐改造的新思路，使之有效提高設備的安全性及運行壽命，大大降低設備的危險隱患，減少作業費用。根據海洋設施戶外設備及透氣膜的各自實際特性，提出了一種改造、設計新型海洋設施戶外設備特別是電器設備防潮、防腐的新思路和新工藝。

關鍵詞：膨體聚四氟乙烯薄膜ePTFE 戶外防腐 電器設備

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0106-04

隨著科技進步和人類對海洋資源的開發，越來越多的海洋性設施，比如遠洋捕撈船舶、勘探船、貨輪、科學考察船舶、軍事艦艇、海洋采油平臺等設施被設計、建造及應用于海洋性大氣環境當中或者熱帶海洋性氣候環境當中。這些應用對設備的防腐及外殼防護提出了相當高的要求，以避免設備可靠性下降、壽命減小帶來的損失。

對于電器設備，特別是應用于惡劣大氣環境當中的電器設備，防護措施不到位就會帶來設備內部器件的快速污染、腐蝕，進而使這些器件的品質快速下降，大大縮短其使用壽命進而嚴重威脅到設施的安全運行。在器件受到污染及腐蝕的同時，也往往意味著電器絕緣性能的嚴重下降，這都嚴重威脅到人身與設施的安全。與此同時，設備的維護及使用成本都大大增加，既不符合設備的使用及維護要求，也不符合節能減排及創建綠色GDP的國家戰略。

上述所提的海洋設置當中，有些是迫于要求等原因不得不將電器設備設置在戶外運行。這些電器設備在運行時會產生不等的熱量。如果設備的發熱量大，則在外界惡劣的大氣環境當中，設備的散熱，防護及防腐就會成為一個相對矛盾的問題。熱量的積聚得不到及時的疏散就會給設備帶來危害。很多情況下，設備的元器件安裝于特定的外殼內，器件似乎好像生物一樣需要呼吸，以保持外殼內外的壓力平衡以及對器件進行及時散熱。

傳統的做法側重于提高電器產品本身的防護防腐性能，進而提高其本身品質并極力避免將其安裝于戶外。但使用電器的成套設備，避免不了有各種金屬器件的存在，在潮濕、高溫、含鹽份的海洋性大氣環境當中，器件本身很難抵抗這些不利因素。特別是有些功率大的電器設備本身要求強制通風，這大大提高了對設備的防護要求。為滿足這些要求，以往人們不得不采用更為昂貴和復雜的系統來進行處理，傳統方法提高這些設備的安全性和防腐蝕性能似乎走入了一個絕境。

人們希望設備能隨時隨地、在任何條件下使用，因此產品性能的可靠程度至關重要。然而，為電器設備設計一個能承受惡劣環境的密閉殼體或盡可能利用大氣通風散熱并且能有效保護殼體內的器件是一件極具挑戰性的事。

近年來，一種應用膨體聚四氟乙烯材料制成的透氣膜的逐步應用打開了一種對海洋設施上戶外電器電子設備保護的新思路，開拓了新方法。

采用這種材料專為戶外電器產品外殼設計的一種散熱過濾器被普遍應用于這些電器設備上，并取得了極好的效果。

這種散熱過濾器可直接替代換熱器（HEX）或空調（AC）系統，或結合空調使用，有助于有效降低運行成本。經實踐證明適用于各種極端工作條件，包括：含鹽空氣、疾風暴雨、重工業污染和高溫環境。這大大降低了設備的資本及作業費用，提高了設備的可靠性和安全性并明顯延長壽命。

它可以在-40°C～+65°C的溫度范圍內安全工作，完全滿足絕大多數戶外的氣候件。

濕度條件在0～100%RH之間，可以過濾掉直徑大于0.3μm以上大的顆粒物，透氣率在不增加輔助風機的情況下可以達到99%，壽命視使用環境等因素而定約為3年至5年。（如表1）

1 散熱過濾器介紹

散熱過濾器外觀及結構如圖1。

電子產品機柜的高度可靠散熱。

與高耗能的大型主動冷卻系統不同，這種冷卻過濾器能讓你充分利用環境空氣的自然散熱效率，同時降低系統成本。與龐大的熱交換基站和空調機組相比，這種直接空氣散熱過濾器體積更小，構造更簡單。這有利于減小空間占用，簡化設備維護。

實現環境空氣散熱。

引進具有最高效率和成本效益的散熱技術，可用于室外電子產品機柜而推出的散熱過濾器。與空調和換熱器等閉合回路系統不同，散熱過濾器可以實現大氣散熱并保護設備免受嚴酷污染物侵蝕—— 讓你充分利用環境空氣的自然散熱效率。

散熱過濾器的優點。

散熱過濾器內部使用了最新一代的獨特微孔濾膜。于1973年最先將該技術引入關鍵工業應用領域，這種耐用、高效的濾膜可截留水分和腐蝕性顆粒，同時具有極高的透氣性。

各種苛刻應用領域的理想選擇。

提升用于苛刻環境的電子設備的可靠性。隨著時間的推移，安裝在設備殼體上的密封條可能損壞，從而影響產品的性能。造成這些問題的根本原因—— 由外部環境而導致殼體內外存在壓差。這種膜的應用會幫助用戶提升如下體驗。

（1）在設計性能可靠，用于苛刻環境的產品時所面臨的挑戰。

（2）壓差產生的原因以及造成的影響。

（3）上述問題對處在惡劣環境中的電子設備密閉殼體所產生的影響。

（4）能減輕壓力變化，延長產品壽命的最新技術。

（5）保護產品外殼不受壓力和污染的影響。對于電信設備和照明燈具等暴露在戶外環境中的產品，防水防塵透氣產品可以提供有效的防塵、防污屏障，同時又能確保產品殼體內部在環境條件變化時始終保持良好的透氣狀態。這樣的透氣解決方案可以有效防止產品因殼體內部壓力積聚而造成殼體密封條受損，從而避免了靈敏元件暴露于水和雜質的風險。

（6）透氣和防護。防水防塵透氣產品一方面可以有效防止產品殼體內部滲水，另一方面又能確保殼體內部始終保持良好的透氣。這對包括測深儀和全球定位系統（GPS）在內的各種可能與水接觸的電子設備而言非常重要。微孔結構的防水防塵透氣產品也是確保家電和其它產品的充電電池始終維持良好的透氣狀況，避免氫氣在電池艙內積聚的理想解決方案。

（7）防水保護膜。防水防塵透氣產品的結構既結實又輕巧，并允許聲音信號暢通無阻地通過，由此可以在毫不犧牲聲音信號音質或音量的情況下為發聲設備的元器件提供保護。同時，保護膜的耐化學腐蝕特性及微孔結構也意味著防水防塵透氣產品是用來保護傳感器，尤其是在惡劣環境下工作的傳感器內部元器件的理想材料。

（8）電信行業所使用的設備隨著環境溫度迅速波動的影響，同時還會接觸各種微粒，并始終暴露于風、雨、陽光照射等各種氣候條件下。給戶外通信設備安裝了防水防塵透氣產品后，由于溫度變化而造成的壓差將不再對設備殼體構成負面影響，而且它們還將為電信設備構建起有效的防護屏障，阻擋灰塵、水、鹽分和其它腐蝕性液體的入侵。

電信行業標準。

IEC 60529：外殼防護等級。

根據IEC60529規定的條件和要求，我們的過濾器提供充分保護，使機箱能夠達到IP55防護等級。

GR 487-CORE：電子設備機柜通用要求。

第3.28.1節風夾雨

安裝GORE散熱過濾器的機箱經實踐證明符合GR-487的70mph風夾雨要求。

GR -487-CORE：電子設備機柜通用要求。

第3.34.1節鹽霧

安裝散熱過濾器的機箱采取適當的門和電纜密封措施后，能夠通過30天持續鹽霧試驗。

NEMA 250散熱過濾器的機箱經合適的安裝以及防惡意破壞措施后，可達到NEMA 3R防護等級。

IEC 68-52-2 鹽霧試驗散熱過濾器的機箱在試驗中通過了 IEC 60068-52-2《環境試驗》規定的嚴酷等級第三級試驗。

UL 900 空氣過濾機組。

我們的過濾器已根據UL 900《空氣過濾機組》阻燃和煙密度標準進行試驗并通過實驗。我們的過濾器達到一級標準，即最高標準。

應用性能和結構材料。

2 應用性能（如表2）

3 結構材料（如表3）

風扇控制。

一般而言，散熱過濾器的初始阻力為50～100 Pa，隨使用壽命增加最終阻力可達200～250 Pa。針對其最終阻力還需要考慮所使用的風機。一般常用離心風機其風量/靜壓特性在此工作范圍。葉片有前彎葉片和后彎葉片兩種。前彎葉片需要特殊外殼，后彎葉片只需要一個機箱。兩種離心風機都應置于過濾器之后，防止其受環境污染。風扇的設置應確保溫度在規定范圍內保持最小波動。內部溫度的控制受到許多變量的影響，包括：環境溫度、太陽輻射、熱負荷和過濾器阻力。這些變量可以利用兩種風機轉速控制模式來實現，即簡單轉速控制或高級（精細溫控）控制，具體視系統要求而定。盡量選擇合適的風扇類型和位置，以優化電子元件和過濾器的壽命（如圖2、3）。

過濾器密封。

為了確保箱體和和散熱過濾器之間的密封良好，我們提供可選的、經認證專用于環境密封的一體式聚氨酯泡沫膠條。可通過計算實現安裝界面良好密封所需的扭矩（Nm）（如圖4）。

中海石油中國有限公司番禺作業公司42及51平臺上采用電潛泵變速驅動，所配的變頻器放置于中央空調電氣開關間內，與之相配套的正弦濾波器因為設計及平臺空間上的原因，放置于戶外。其出廠防護等級低只達到IP22，每臺設備在額定功率輸出情況下的散熱量達14 kW，在運行時有兩臺風機通過送風及排風直接與空氣交換進行強制散熱，長期以來，沒有解決防潮防腐的問題，設備腐蝕嚴重且每當避臺回去復產時大費周折，非常影響生產。自從應用了這種過濾器重新進行了正弦濾波器的外殼設計及更換后，取得了明顯的效果。潮汽及鹽霧積聚腐蝕不再困擾設備的運行，試安裝經過一年多的運行考驗后，效果非常好，柜內保持非常干凈、干燥及無鹽粒結晶。下圖為原現場安裝的效果對比（如圖5～7）。

單臺正弦濾波器的正面效果圖及組圖，只有一個簡單的百葉窗進行透氣散熱，無防雨措施，設備腐蝕嚴重（如圖8～11）。

上表4為最初在番禺油田42平臺的A06及A10兩口生產井試更換兩臺室外正弦濾波器機柜前后實測其絕緣的對比表。從中可以看出更換完成后絕緣水平有了非常大的提升。

為了增加新機柜的防水能力及抗臺風破壞的能力，我們當初在設計時要求在機柜進風口的透氣膜框架外面及排風機出口的外面增加防水蓋板，這幾臺先后安裝的新設備經過幾次臺風的考驗，證明效果不錯。躲避臺風回去復產操作時馬上打開此蓋，測量得主回路對地的絕緣電阻達到了7 MΩ以上，不開機打開蓋板24小時后測得的主回路絕緣電阻在2 MΩ左右。完全避免了舊機柜在躲避臺風后絕緣電阻下降太厲害達不到開機要求需要人工加熱吹風烘干費時費力的弊端。臺風鲇魚過去后，51平臺電工反映，換過的三臺濾波器機柜內的絕緣均高于17 MΩ，最大達70多MΩ，而沒有換過的其他11口井的舊機柜的絕緣都為零。42平臺A06井和A10兩口井更換正弦波濾波器機柜外殼后的機柜主回路絕緣在臺風鲇魚過去后復測的結果分別是114 MΩ和94.8 MΩ。這肯定了我們當初的設想的實施計劃，同時也找到了一個海油平臺戶外電器設備改造的新方法。用新設計的不銹鋼機柜外殼并配置透氣膜代替原有設備外殼在原位置上重新安裝，不僅費用大幅度降低，而且簡單易行。它將對生產的影響降到了最低，同時解決了原先設備容易進水受潮腐蝕帶來的設備可靠性降低、避臺期間設備損壞率高、影響生產時率的問題。這種思路也為其他海洋設施戶外電器設備的防護及改造提供了一種新的好方法，按照此思路，番禺作業公司于2010年9月份在番禺42平臺對應急發電機的戶外干式變壓器遮雨房進行了改造，這個改造就是吸收了這種思路。51平臺的一臺同類變壓器就是因為復臺時上電受潮而發生短路燒毀的事故。下圖為改造前后的效果對比圖（如圖12～14）。

圖12舊變壓器防護罩，只通過百葉窗進行空氣對流散熱，潮汽及鹽份很容易進行去。

改造前的效果圖，只有簡單的百葉窗呼吸透氣。不能有效防雨及防潮，避臺回去恢復生產很麻煩。

改造后的效果圖，加裝透氣膜后，完全杜絕了水汽進入變壓器防雨房內部造成設備絕緣下降及短路的隱患。

4 結語

作者應用此原創性的工程解決辦法，不但在中海油番禺作業公司的采油平臺的戶外正弦濾波器、戶外干式變壓器防雨房的改造中成功進行應用和實施，而且在國產冷凍式壓縮空氣干燥機的防潮外殼中進行了應用，事實上都取得非常好的效果。這一原創性的發明，解決了長久以來在海洋性大氣戶外電器設備設計、應用、維護當中的諸多困擾和限制，可大大降低設備投資及運行維護費用，帶來直接和間接的效益十分可觀。舉例來說，番禺作業公司用了持續兩年零八個月的時間完成了共28臺套戶外正弦濾波器的外殼更新工作，全部是在修井、鉆井和計劃性平臺停產檢修期間完成的，沒有因為這項工作而使正常的生產作業受到任何影響，直接和間接為公司的帶來了十分可觀的效益。這一方法實施非常簡單，投資、運行、維護成本低廉，為海洋性大氣環境當中戶外電器設備的應用開辟了一個非常廣闊的前景。

參考文獻

[1]馬偉明，張曉鋒，焦俊，等.中國電氣工程大典第十二卷：船舶電氣工程[M].中國電力出版社，ISBN 978—7—5083—7044—6.

[2]Alan L.Sheldrake.《Handbook of Electrical Engineering》for Practitionesr in the Oil，Gas and Petrochemical Industry. ISBN 7—5025—7628—2.

[3]GORE○R 散熱過濾器技術.