淺談碳纖維跟數(shù)據(jù)中心的關(guān)聯(lián)

在生活中有各種有害細(xì)菌、病毒一直存在，也有一些看不見的“隱形殺手”在危害著我們的生命健康，同樣，在數(shù)據(jù)中心，特別是電力相關(guān)的動(dòng)力機(jī)房，也存在一些看不見的“隱形殺手”對(duì)數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行有著嚴(yán)重的安全隱患，同樣也是需要我們?nèi)フ_認(rèn)識(shí)，采取措施來(lái)避免或者降低對(duì)數(shù)據(jù)中心安全運(yùn)行的影響。

下面我們分別來(lái)看看常見的幾種隱患

01.

【碳纖維】

碳纖維是什么,怎么能在數(shù)據(jù)中心變隱形殺手?一般人可能常見的認(rèn)識(shí)就是碳纖維材質(zhì)的裝飾面,碳纖維材質(zhì)的車身/車架等這些生活中常見的應(yīng)用,可能有人還不是很清楚碳纖維跟數(shù)據(jù)中心有什么關(guān)系,那我們先來(lái)了解下碳纖維以及它跟數(shù)據(jù)中心的關(guān)聯(lián)。

【碳纖維簡(jiǎn)介】

碳纖維是一種纖維狀碳材料,如圖1所示。它是一種強(qiáng)度比鋼的大、密度比鋁的小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫、又能像銅那樣導(dǎo)電,具有許多寶貴的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能的新型材料。用碳纖維與塑料制成的復(fù)合材料所做的飛機(jī)不但輕巧,而且消耗動(dòng)力少,推力大,噪音小;用碳纖維制電子計(jì)算機(jī)的磁盤,能提高計(jì)算機(jī)的儲(chǔ)存量和運(yùn)算速度;用碳纖維增強(qiáng)塑料來(lái)制造衛(wèi)星和火箭等宇宙飛行器,機(jī)械強(qiáng)度高,質(zhì)量小,可節(jié)約大量的燃料。1999年發(fā)生在南聯(lián)盟科索沃的戰(zhàn)爭(zhēng)中,北約使用石墨炸彈破壞了南聯(lián)盟大部分電力供應(yīng),其原理就是產(chǎn)生了覆蓋大范圍地區(qū)的碳纖維云,這些導(dǎo)電性纖維使供電系統(tǒng)短路。

那我們先來(lái)對(duì)碳纖維的特性劃重點(diǎn):強(qiáng)度高(抗拉伸),輕,導(dǎo)電。所以在建筑物中需要加強(qiáng)地板承重時(shí),碳纖維就是一個(gè)可以考慮使用的很好的材料,跟鋼梁加固相比,更容易實(shí)施,提升效果也很明顯。而數(shù)據(jù)中心的功率密度逐年在上升,并且因?yàn)樵O(shè)備集中,也存在很多非常重的設(shè)備,所以對(duì)地板的承重要求很高。新建的機(jī)房在設(shè)計(jì)建造時(shí)會(huì)考慮到較高的承重要求,而一些舊機(jī)房在升級(jí)擴(kuò)容時(shí)就會(huì)遇到需要加固地板提升承重量的問題。

機(jī)房加固施工使用的是碳纖維材料編織的碳纖維布。施工方式一般都是把地面或天花板鑿開一定深度,把裁剪好的碳纖維布鋪設(shè)粘貼,最后再補(bǔ)上水泥,如圖2、圖3所示。

上面看到的都是好處,那碳纖維的加固方式對(duì)數(shù)據(jù)中心,特別是動(dòng)力機(jī)房會(huì)有什么影響呢?關(guān)鍵就是這個(gè)材料的良好導(dǎo)電特性帶來(lái)的。因?yàn)樵谑┕み^程,會(huì)涉及到整卷材料的裁剪會(huì)產(chǎn)生碎屑,在后期運(yùn)行階段,不規(guī)范的打孔等操作也會(huì)帶來(lái)碎屑。這些碎屑的碳纖維絲比頭發(fā)絲細(xì)得多,加上良好的導(dǎo)電特性,形成了漂浮在機(jī)房空氣中的不定時(shí)隱形炸彈,隨時(shí)可能破壞電氣絕緣形成拉弧短路等嚴(yán)重故障。

從圖4中可以看碳纖維絲直徑在10um的級(jí)別,這種碎屑肉眼看不見,并且質(zhì)量很輕隨氣流可以漂浮在空氣中。

因?yàn)樘祭w維材料加固導(dǎo)致的事故,有一例我印象特別深刻,跟大家分享下:

某客戶機(jī)房,建設(shè)部門堅(jiān)持要使用碳纖維材料進(jìn)行動(dòng)力機(jī)房地板的承重加固。施工過程中,發(fā)生了一例電源拉弧故障,雖然供應(yīng)商馬上完成了修復(fù)和分析,但建設(shè)部門堅(jiān)持認(rèn)為是設(shè)備自身故障導(dǎo)致。隨之而來(lái)的是另外一臺(tái)電源的拉弧故障,此時(shí)維護(hù)部門已經(jīng)相信了之前的故障分析但建設(shè)部門還是不認(rèn)可?？上攵氖堑谌_(tái)電源的拉弧故障不可避免的到來(lái)了,此時(shí)所有人都相信了,立刻停止了相關(guān)施工,然后問了一個(gè)問題：類似故障還會(huì)發(fā)生嗎？當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)沒人能夠確認(rèn)。

當(dāng)前大家對(duì)“帶口罩,勤洗手,多通風(fēng)”應(yīng)該有很深的認(rèn)識(shí)了,當(dāng)時(shí)在處理這個(gè)機(jī)房的問題時(shí),實(shí)際也是類似思路?？蛻舨少?gòu)了很多無(wú)紡布,對(duì)所有的電源設(shè)備進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行了全面包裹,加強(qiáng)了機(jī)房環(huán)境清理,加強(qiáng)了機(jī)房的通風(fēng)和空氣循環(huán)及空調(diào)的濾網(wǎng)更換。

不過好的消息是,碳纖維材料的加固方式在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用大概從2008年開始逐漸增多,發(fā)生的事故也比較頻繁,而在2013年以后就比較少見了,應(yīng)該跟設(shè)計(jì)人員和客戶對(duì)這個(gè)材料的認(rèn)識(shí)加深有關(guān)。知道了風(fēng)險(xiǎn)源就有助于規(guī)避風(fēng)險(xiǎn),從而提升運(yùn)行可靠性。

02.【硫化物】

機(jī)房常見的另一類“隱形殺手”就是硫化物。不同場(chǎng)地,硫化物的來(lái)源跟存在形式都有差異(不過一般都是肉眼不可見),對(duì)機(jī)房安全運(yùn)行的損害表現(xiàn)也不盡相同,我們只能根據(jù)外在表現(xiàn)去推斷、分析和檢測(cè)來(lái)定位,這一點(diǎn)跟當(dāng)前我們?nèi)ゲ檎液投ㄎ恍鹿跔畈《镜倪^程有些相似。

機(jī)房的硫化物對(duì)安全運(yùn)行來(lái)講主要有兩大類的損害，一是硫酸根離子的存在會(huì)降低空氣的絕緣引發(fā)短路拉弧故障，二是會(huì)對(duì)一些金屬產(chǎn)生反應(yīng)形成另外的傷害。我們可以通過一些實(shí)例來(lái)增進(jìn)更顯性的認(rèn)識(shí)。

2.1拉弧

某新建機(jī)房?jī)?nèi)多臺(tái)電源設(shè)備都發(fā)生過故障。但奇怪的是,有時(shí)一些電源設(shè)備正常工作,但檢查內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有些銅排之間有輕微打火跡象,如圖5所示。甚至有一次工作人員在打開機(jī)柜門巡視時(shí)看到過輕微打火。

我們知道，這種銅排間的打火都是空氣被擊穿的表象。在絕緣距離足夠，也不存在尖端放電的情況，電源及后端負(fù)載還在正常工作說明也沒有過電壓的存在，那只有一種可能就是空氣絕緣被破壞了。

該新建機(jī)房投入運(yùn)行后,機(jī)房環(huán)境保持得很好,檢查沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常的情況。因?yàn)榭諝獬煞值臋z測(cè)對(duì)樣本采樣要求很高,并且檢測(cè)成本也很高,我們后面優(yōu)先對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)各處的灰塵進(jìn)行了取樣和檢測(cè),進(jìn)行了離子色譜檢測(cè)分析,其結(jié)果見表1。

離子色譜分析是將樣品溶于水后使用DX500分析儀進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明:電源設(shè)備周圍環(huán)境中含有大量可溶于水的硫酸根。通過進(jìn)一步的分析我們把根源定位到了機(jī)房的天花板材質(zhì)不合格,含有較多硫的成分。后面用戶更換了天花板后類似故障不再出現(xiàn),如圖6所示。

2.2腐蝕

在數(shù)據(jù)中心的各種設(shè)備和器件內(nèi)部,會(huì)有一些鍍銀或含銀的表面,銀很容易跟空氣中含有的硫成分作用,長(zhǎng)期會(huì)生成疏松粉末狀的硫化銀。對(duì)于一些器件,可能會(huì)造成參數(shù)的偏移,或者存在損壞的隱患。另外因?yàn)榱蚧y的導(dǎo)電性,疏松的硫化銀的延伸可能造成局部絕緣距離的縮小,如圖7所示。

從電鏡分析來(lái)看,銀表面有針狀或拉絲狀物質(zhì)時(shí),基本就是形成了硫化銀,如圖8所示。而這些硫化物來(lái)自何處呢?除了上面案例提到的不合格的裝修材料(如天花板),還有很多其他的可能來(lái)源需要去排查:

有的機(jī)房?jī)?nèi)部的硫化物并不是來(lái)自機(jī)房?jī)?nèi)部,可能來(lái)自室外。比如室外存在嚴(yán)重空氣污染,而這些污染空氣被新風(fēng)系統(tǒng)引入機(jī)房。這需要我們了解數(shù)據(jù)中心周邊的外圍環(huán)境。

有的動(dòng)力機(jī)房的沒有單獨(dú)的鉛酸蓄電池間,而是跟電源設(shè)備共處一室并且沒有良好的定期換氣。現(xiàn)在的免維護(hù)鉛酸蓄電池雖然說是密封電池,但在大電流充放電時(shí)還是會(huì)有少量含硫的酸性氣體逸出的。這需要我們對(duì)數(shù)據(jù)中心有良好的設(shè)計(jì)和運(yùn)維管理。

說到此處，有一個(gè)遇到多次的案例跟大家分享下:

某動(dòng)力機(jī)房巡檢時(shí)也是發(fā)現(xiàn)鍍銀表面存在硫化現(xiàn)象,后面經(jīng)過多方排查最終定位到了動(dòng)力機(jī)房地面鋪設(shè)的絕緣膠墊,如圖9所示。

此絕緣膠墊為早期機(jī)電施工方免費(fèi)贈(zèng)送,機(jī)房人員一直反饋有很大的刺鼻味道。后面我們?nèi)恿恳恍K做了初步的電鏡成分分析,結(jié)果見圖10。

對(duì)絕緣墊進(jìn)行了電鏡分析,發(fā)現(xiàn)絕緣墊含有硫成分達(dá)1.78%。為了進(jìn)一步確認(rèn)絕緣墊是否有揮發(fā)性硫化物釋放,送到專業(yè)機(jī)構(gòu)依據(jù)JY/T020-1996離子色譜分析通則,對(duì)樣品進(jìn)行了檢測(cè),測(cè)試結(jié)果摘要如表2,說明確實(shí)存在揮發(fā)性硫化物的釋放:

橡膠我們知道為了增強(qiáng)特性都會(huì)經(jīng)過硫化的過程,但現(xiàn)在材料和工藝的發(fā)展并不會(huì)大量使用硫磺來(lái)進(jìn)行硫化的過程。所以對(duì)于絕緣膠墊的采購(gòu)還是需要通過正規(guī)的渠道獲得合格的產(chǎn)品,一般來(lái)說長(zhǎng)期存在非常刺鼻性味道的絕緣膠墊需要引起大家的重視。

03.【水汽（的凝結(jié)）】

水汽到處都存在,可以認(rèn)為不凝結(jié)的水汽對(duì)設(shè)備并沒有明顯的影響,一般的電源設(shè)備可以接受高達(dá)99%的相對(duì)濕度(注意:會(huì)注明無(wú)凝露條件)?？墒?我們能夠做到完全避免水汽的凝結(jié)嗎?通過下面的一些示例可能會(huì)讓我們有所警示:

3.1沒有濕度控制

一些非專業(yè)的機(jī)房,比較常見的是沒有濕度的控制。某個(gè)客戶的多個(gè)站點(diǎn),到了5月份梅雨季節(jié),外面一下雨機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備故障隨之而來(lái)。到機(jī)房現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)凝露非常嚴(yán)重,如圖11所示。電氣設(shè)備內(nèi)部累積的粉塵,加上嚴(yán)重的濕氣,對(duì)內(nèi)部電氣絕緣有著絕大的破壞作用。

3.2不合理的分區(qū)使用

現(xiàn)在有些較大規(guī)模的新建數(shù)據(jù)中心,因?yàn)闃I(yè)務(wù)量暫時(shí)不飽和,會(huì)存在電源設(shè)備負(fù)載率過低的情況。為了節(jié)能,有時(shí)客戶會(huì)考慮分區(qū)關(guān)閉一些電源設(shè)備和附近的空調(diào),這樣容易導(dǎo)致不同區(qū)域的溫度、濕度存在較大的差異。運(yùn)行中的設(shè)備會(huì)有發(fā)熱損耗,一般即使遇到高濕空氣也不容易形成凝露,而停機(jī)的設(shè)備內(nèi)部遇到高濕空氣則產(chǎn)生凝露的可能較大。電氣設(shè)備的內(nèi)部凝露,會(huì)嚴(yán)重影響電路板和器件長(zhǎng)期工作的可靠性。

下面就是某機(jī)房在春季停機(jī)2個(gè)月后再次上電發(fā)生故障的一臺(tái)設(shè)備內(nèi)部拆解狀況。經(jīng)過拆解，發(fā)現(xiàn)電路板下部的托盤上面有較明顯的水漬跡象，說明前期有過濕度過高產(chǎn)生凝露的情況，如圖12所示。

3.3機(jī)房各個(gè)環(huán)節(jié)配合的影響

這是一個(gè)電氣和暖通方面設(shè)計(jì)等級(jí)很高的機(jī)房，但在一個(gè)溫暖潮濕的日子里，卻局部發(fā)生了水災(zāi)。

可以看到,因?yàn)槭彝獾呐瘽窨諝鈴耐饷孢M(jìn)入排煙管內(nèi)部,而排煙管外部處于溫度相對(duì)較低的機(jī)房環(huán)境中,導(dǎo)致了排煙管內(nèi)部水汽凝結(jié)并從拼接處往下滴漏。該機(jī)房的消防系統(tǒng)的排煙管起碼有兩個(gè)明顯問題:一是外部沒有包裹保溫材料,二是管道使用拼接沒有密封,如圖13所示。

這種小的細(xì)節(jié)缺陷,在一年大部分的時(shí)間內(nèi)并不會(huì)表現(xiàn)出異常,容易讓人忽視。所以機(jī)房運(yùn)維無(wú)小事,并且要求對(duì)“風(fēng)火水電”各個(gè)系統(tǒng)都有足夠的了解。

總 結(jié)

上面我們通過一些案例的介紹,讓大家對(duì)數(shù)據(jù)中心動(dòng)力機(jī)房的一些“隱形殺手”有了比較直觀的認(rèn)識(shí)。也希望通過這些分享,讓大家能提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)源和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，有了問題也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和整改，一起為數(shù)據(jù)中心的安全穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)自己的力量。

編輯：黃飛