三維模型在電纜橋架安裝設計中的應用

龐漢寵，王彥輝，魏躍橋

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300452）

電纜起著將海洋石油平臺電力網(wǎng)連接成一個完整系統(tǒng)的作用，而電纜橋架是承載這些電纜的重要組成部分。電纜橋架及其支撐的安裝在海洋石油平臺是一項較大的工作量，尤其是海洋石油平臺固有的空間狹小、設備密集、管線集中等特點，經(jīng)常與結(jié)構(gòu)物、管線或者其他設備設施發(fā)生碰撞，因此電纜橋架及支撐在設計過程中的準確性顯得尤為重要。通過三維模型的應用便可在設計中完全模擬海洋石油平臺的施工現(xiàn)場，在滿足電纜橋架及其支撐的設計原則下，最大程度地實現(xiàn)設計的準確性，減少碰撞。本文從電纜橋架的分類、電纜橋架的設計、電纜橋架的支撐這三部分進行分析，具體分析了設計步驟、設計原則以及三維模型的應用情況。

1 電纜橋架的分類

電纜橋架主要電纜托架分為托盤式、槽式、梯級式等形式。在海洋石油平臺的建造中一般選用梯級式橋架作為電纜主通路，選用托盤式橋架作為電纜分支通路，槽式橋架一般很少用到。本文從常用的托盤式和梯級式橋架為例進行分析。電纜橋架的材質(zhì)，有鋼制、鋁制、玻璃鋼等多種，海洋石油平臺由于所處為多鹽、潮濕、海水浪涌的海洋環(huán)境，一般選用鋁制電纜橋架。

1.1 托盤式橋架

由于托盤式橋架主要應用在電纜分支電路中，電纜相對于主干電纜來說較少，因此對于托盤式橋架規(guī)格的選用一般選用50mm～200mm

1.2 梯級式橋架

梯級式托架是由兩根縱向側(cè)邊與若干根橫檔構(gòu)成的梯形部件。梯級型電纜橋架一般應用在電纜數(shù)量較多或者較為集中的場所。梯級式電纜橋架的規(guī)格一般是從200～1200mm。如遇特殊工況可以定制。

2 電纜橋架的設計

2.1 電纜橋架路徑設計步驟

首先要對電纜主干通路進行設計，一般情況下，電纜的主干通路選擇梯級式橋架布置，在海上油氣田開發(fā)工程項目設計前期，要與結(jié)構(gòu)、工藝等相關(guān)專業(yè)協(xié)商，為電纜較為密集區(qū)預留出較經(jīng)濟合理的通道，這樣可以有效地降低與這些專業(yè)碰撞的概率。電纜主干通路一般是在設備布置圖、平臺總體布置圖、結(jié)構(gòu)圖紙等具備的基礎上完成的。

其次是在主干通路完成的基礎上，對電纜的分支通路進行設計。一般情況下，電纜的分支通路選擇有孔托盤式橋架布置，根據(jù)設備布置圖、電纜走向圖、工藝圖紙、結(jié)構(gòu)圖紙等進行規(guī)劃，在與其他結(jié)構(gòu)物、設備設施等不碰撞的前提下進行布置，相對于主干通路的設計，分支通路占用空間較小，通路布置較為靈活。

在前期準備工作完成后，就可將電纜橋架以及電纜橋架支撐建到模型里，直觀地看到橋架和支撐在平臺上的位置，如圖1所示。

圖1 電纜橋架及支撐在三維模型中的應用

2.2 電纜橋架路徑的設計原則和方法

(1)電纜主干路徑應在中控室、配電間、變壓器間、控制盤等用電設備較為集中的場所，并且盡可能地平直和易于接近。當幾組電纜橋架在同一高度平行或上下行敷設時，各相鄰電纜應考慮到維護、檢修的距離。

投擲遠度的決定因素：1.肌肉的速度力量和快速爆發(fā)力；2.實心球出手時的初速度；3.實心球出手時的角度和高度。

(2)電纜主干通路應盡量避開結(jié)構(gòu)的主梁及結(jié)構(gòu)柱，為了減少和工藝管線的交叉，應盡可能地與管線平行設計。當電纜橋架與各種管道平行或者交叉時，應符合一定的距離要求，如表1所示。

表1 最小凈距表

(3)電纜主干通路盡量不布置在腐蝕性氣體管道和熱力管道的上方及腐蝕性液體管道的下方，也不適宜敷設在易燃、易爆設施的場所。

(4)對于電纜分支通路的布置相對比較靈活，以不阻擋逃生通道、不碰撞其他設備設施、結(jié)構(gòu)物、管線等為宜。

2.3 電纜橋架減少碰撞的方法

海洋石油具有平臺空間小、設備設施密集等特點，安裝電纜橋架中難免會與管線、通風管道、結(jié)構(gòu)梁等出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，為了盡量減少碰撞問題發(fā)生，在設計中可以采取以下方法：

(1)轉(zhuǎn)化設計

轉(zhuǎn)化設計就是在設計過程中結(jié)合相關(guān)專業(yè)的設計圖紙，仔細核對各個部位，反復核對配管、風管等的走向及標高，將碰撞發(fā)現(xiàn)在設計階段。

(2)障礙物避讓措施

電纜橋架在遇到垂直走向的配管、風管及結(jié)構(gòu)等障礙時，電纜橋架必須做水平避讓。大面積水平避讓可采用“水平彎頭”繞道避開碰撞，小范圍水平避讓可采用“水平鉸鏈連接彎頭”進行調(diào)節(jié)。如圖2所示。在三維模型建模時要將水平鉸鏈連接彎頭的位置與該單元一起建到模型里，如圖3所示。

圖2 水平鉸鏈連接彎頭

圖3 水平鉸鏈連接彎頭三維模型

電纜橋架在遇到水平走向的配管、風管及托架本身等障礙時，電纜橋架必須做垂直避讓。垂直避讓可采用“垂直鉸鏈連接單元”進行調(diào)節(jié)，如圖4所示。在三維模型建模時也要將這個單元建到模型中去，如圖5所示。

圖4 垂直鉸鏈連接單元

圖5 垂直鉸鏈連接單元三維模型

3 電纜橋架支撐的設計

3.1 電纜橋架的荷載

電纜橋架的安全載荷與電纜橋架的安裝、橋架支撐的布置間距等有關(guān)，特別是鋁合金材質(zhì)的橋架，其彈性模量較低，約為鋼材的1/3，抗壓穩(wěn)定性不及鋼性結(jié)構(gòu)，容易失穩(wěn)。在橋架支撐跨距為2m時，在簡支梁計算條件下，橋架可認為是額定均勻分布荷載，并分為五級，如表2所示。

表2 荷載等級

電纜橋架的工作均布荷載應不大于所選荷載等級的額定均布荷載。因此，當電纜橋架支撐的實際跨距不等于2m時，工作均布荷載應滿足以下公式要求：

qG≤qE(2/LG)2（式1）

式中：qG—工作均布荷載，N/m；qE—額定均布荷載，N/m；LG—實際跨距，m。

在進行電纜橋架支撐設計時，從安全荷載的角度考慮，一般情況下對橋架支撐間距的設置水平方向以1.5～2m為宜，垂直方向不大于1m為宜。

3.2 電纜橋架支撐的形式

電纜托架支撐安裝形式一般選用吊裝形式，也可以根據(jù)電纜橋架所處位置的現(xiàn)場情況選擇墻裝，在中控室的電纜橋架的布置靠近地面，因此這些地方的電纜橋架形式為地面安裝。電纜橋架支撐的預制一般采用角鋼或槽鋼，樣式有門字型、L型等。

圖6 門字型吊裝支撐三維模型（一）

圖7 門字型吊裝支撐三維模型（二）

圖8 L型吊裝支撐三維模型

3.3 電纜橋架支撐設計原則

電纜橋架支撐是按照一定的原則布置在電纜橋架的直段、彎頭、三通、四通、連接處等位置，目的是為了保證電纜橋架的荷載安全使用不變形。在進行電纜橋架支撐設計之前，要參考電纜橋架布置圖、結(jié)構(gòu)布置圖、工藝管線布置圖等圖紙，在模型中根據(jù)電纜橋架的布置位置，按照一定的設計原則，為電纜橋架支撐選取合適的生根位置以及適當?shù)闹涡问剑罱K形成電纜橋架支撐布置圖，用于指導施工。(1)設置電纜橋架水平直線段支撐，應將電纜橋架連接處設置在處于支撐點與1/4跨距之間，兩個電纜橋架支撐的間距不應大于單節(jié)直通的長度，在兩個橋架支撐之間不應出現(xiàn)一個以上的連接點。如圖9所示。

圖9 電纜橋架連接處支撐布置

(2)某些情況下，應選擇可伸縮的連接板，這種連接形式的電纜橋架在設計支撐位置時，應在伸縮連接板每側(cè)的600mm以內(nèi)應各設一個支撐，如圖10所示。

圖10 電纜橋架可伸縮連接處支撐布置

圖11 電纜橋架彎頭處支撐布置

(3)電纜橋架彎頭處支撐的布置，應在距離圓弧與直線段連接處不超過600mm的地方設置一個橋架支撐；在1/2圓弧處加一個橋架支撐。當α為30°、45°時，可以不加。如圖11所示。(4)電纜橋架的三通、四通的每個接口處外側(cè)600mm內(nèi)各設一個橋架支撐。當彎曲半徑大于300mm時，在三通、四通的每個接口內(nèi)側(cè)2/3R處，也要各設置一個支撐，如圖12、圖13所示。

圖12 電纜橋架三通處支撐布置

圖13 電纜橋架四通處支撐布置

圖14 電纜橋架及支撐的三維模型

4 總結(jié)

本文主要討論了在電纜橋架安裝設計中，應滿足電纜橋架及支撐的設計原則及在此原則基礎上的具體應用。本文對于電纜橋架支撐的設計僅從滿足電纜橋架荷載的角度出發(fā)。電纜橋架及支撐在三維模型中應用的優(yōu)勢在于，可以直觀地看到橋架和支撐在平臺上的位置是否合理，是否會發(fā)生碰撞。可以在設計階段將碰撞等問題加以解決，節(jié)約了施工成本并可有效地控制項目周期。

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