石油化工儀表電纜橋架的常見設計問題探討

胡泊，徐翔，王麗娜

(1.新疆寰球工程公司儀電室，新疆 克拉瑪依 833699；2.獨山子石化公司熱電廠電氣車間，新疆 克拉瑪依 833699)

0 引言

在石油化工自控設計中，電纜作為信號傳輸?shù)臉蛄海撠煂⒏黝悆x表設備和控制系統(tǒng)互聯(lián)起來，以滿足石油化工工藝裝置和輔助裝置的自動化監(jiān)測與控制。而電纜橋架作為電纜敷設的載體，廣泛應用于儀表電源及信號傳輸系統(tǒng)的配線工程設計，對電纜進行可靠地保護，確保電纜敷設路徑所在空間內(nèi)的環(huán)境安全、穩(wěn)定。同時，因為在項目設計中，儀表橋架主要以架空敷設為主，選型和布置對于整個裝置的美觀、施工進度、后期維護等方面都會產(chǎn)生很大的影響。文章對石油化工項目中儀表橋架的常見設計問題進行探討，提出參考建議和做法。

1 電纜橋架的概念

電纜橋架又被稱作“槽盒”“匯線槽”“集線架”等。作為自控設計和現(xiàn)場施工的重點，一直以來在各類儀表配線設計的標準、規(guī)范和文獻資料中對電纜橋架都有相應的定義。如T/CECS 31—2017《鋼制電纜橋架工程技術規(guī)程》中對橋架的定義為：電纜橋架是由主體(托盤或梯架)、附件和支吊架等部件構成，用于支承電纜線路且具有一定剛度的結構系統(tǒng)[1]?？偟膩碚f，電纜橋架應該是一個由多個部件構成的結構系統(tǒng)，由橋架本身、支撐件和連接件等共同組成，在設計和施工過程中要將其作為一個整體，根據(jù)項目實際情況對橋架路由、支撐、填充率、接地、防火等各方面進行綜合考慮。

2 橋架類型

一直以來，電纜橋架主要按其外型結構進行分類。常見的電纜橋架可以分為：無孔托盤、有孔托盤、網(wǎng)格式托盤和梯架，如圖1所示。其中，許多資料將無孔托盤和有孔托盤歸類為“封閉式橋架”，將網(wǎng)格式托盤和梯架歸類為“開放式橋架”，這是從橋架整體密封的比例來進行分類的。

圖1 常見電纜橋架示意圖

經(jīng)過多年來的發(fā)展，封閉式橋架的品種規(guī)格更為齊全，施工操作相對簡單，對電纜的保護面積更大，大部分的儀表電纜橋架采用封閉式橋架。開放式橋架中的梯架主要用于電氣專業(yè)設計的供電電纜，也常用于儀表電纜在控制室、機柜間、廠房等環(huán)境條件較好的場所。

3 常見設計問題及要點

3.1 橋架規(guī)格

電纜橋架設計的核心問題之一就是保證項目所設計的電纜能夠有充足、合理的空間進行敷設，即在電纜的選型和線路設計結束以后，確定橋架的規(guī)格。常見的橋架規(guī)格有：50 mm(寬)×50 mm(高)、100 mm(寬)×50 mm(高)、200 mm(寬)×100 mm(高)……橋架的直線段單件標準長度一般為2 000 mm，寬度較大的直線段單件常選擇6 000 mm。

在確定電纜規(guī)格和數(shù)量后，就能夠根據(jù)電纜的參考線徑計算出電纜橋架的填充率(充滿系數(shù))。SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規(guī)范》第7.2.6條規(guī)定：“電纜槽內(nèi)電纜充滿系數(shù)宜為0.25～0.35”[2]。在計算填充率時，如果僅根據(jù)電纜橫截面和數(shù)量進行線性疊加計算，很有可能會導致橋架規(guī)格設計的偏小，這是因為：一方面，根據(jù)相關標準和規(guī)范的要求，不同類型的儀表電纜應分開敷設，裝置內(nèi)較大的主橋架一般采用隔板分開，隔板本身會占據(jù)一部分橋架內(nèi)的空間；另一方面，電纜在橋架內(nèi)敷設時并不是完美地平行敷設，會出現(xiàn)交叉從而產(chǎn)生間隙，這部分空間被浪費了，因而橋架內(nèi)空間的利用率會受到施工方的施工技術的影響。

電纜橫截面一般被近似視作圓形，但為在一定程度上補償以上情況產(chǎn)生的空間浪費，在實際設計中，可以將電纜截面近似視作邊長為電纜外徑的矩形，通過以下公式來選取合適的橋架規(guī)格，如公式1所示：

式中：dn為第n種規(guī)格電纜的外徑；Nn第n種規(guī)格電纜的數(shù)量；W為橋架水平截面的寬度；H為橋架水平截面的高度；a為橋架的填充率。

此外，設計時還應特別注意當多個方向的電纜橋架交匯時，在交匯點的空間利用率往往較低，存在電纜在各個方向上交疊的情況，根據(jù)實際電纜敷設量可以適當加大橋架的規(guī)格，以保證“路口”的通暢。

3.2 橋架材質

作為一個結構系統(tǒng)，電纜橋架的各個部件可能有多種材質構成，這里的橋架材質主要指電纜橋架的主結構材質。常見的電纜橋架材質分類有：鋼制、玻璃鋼制、鋁合金制和復合型等。

在各類材質中，鋼制橋架易加工、成本較低，因而應用最為廣泛，一般的電纜橋架廠家都可以生產(chǎn)。根據(jù)防腐層類別的不同，鋼制橋架選擇彩鋼復合涂層、耐腐VCI雙金屬復合涂層、熱浸鍍鋅等[3]。SH/T 3164—2012《石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計規(guī)范》第11.1.2條規(guī)定：“儀表電纜槽應采用封閉鋼板結構”[4]。這是考慮到鋼鐵材質對電場、磁場和電磁場的屏蔽效能比其他常用金屬材料好得多，成本較低。因而在儀表防雷工程的設計中，儀表電纜橋架應選用全封閉鋼板材質。

鋁合金橋架的熱塑性好，在制造過程中易處理成較為復雜的結構，同時重量輕，便于現(xiàn)場施工，也是較為常用的橋架材質。但鋁合金橋架的機械強度相對較差，運輸和安裝過程中可能出現(xiàn)變形，同時表面吸熱系數(shù)大，與電纜絕緣層長期接觸易造成絕緣層老化，影響電纜壽命。

玻璃鋼橋架自身有一定的防腐能力、重量較輕，在某些酸堿環(huán)境下比較常用。但因其不耐高溫，耐磨性低，同時機械強度相對較差、現(xiàn)場加工難度大，在現(xiàn)在的設計中已較少使用。

目前，許多廠家開始研發(fā)新型材料，如高分子合金(塑料)、復合環(huán)氧樹脂等，普遍具有耐腐蝕、重量輕、防火性能強、安裝方便等特點，但有些產(chǎn)品價格偏高。在設計過程中應綜合考慮電纜敷設環(huán)境、項目統(tǒng)一規(guī)定以及業(yè)主使用習慣等，選擇安全可靠、易施工、易維護，同時性價比高的橋架材質。

3.3 橋架路由

橋架的路由設計應符合各標準、規(guī)范的基本要求，同時應注意以下幾點。

(1)設計路由時應與其他各專業(yè)討論后進行確認，避免“錯”、“碰”的情況，在較大項目中，可根據(jù)裝置平面布置位置，將儀表橋架和電氣橋架布置在管架頂層的兩側，橋架較多時設置檢維修通道。

(2)橋架進入控制室、變配電室(所)、廠房時還應根據(jù)相應規(guī)范和建筑設計布局進行綜合考慮。儀表橋架在控制室、變配電室(所)等建筑的分界面處應采用防火及密封措施。

(3)橋架的路由設計在盡量橫平豎直的情況下，也應考慮設備和管線敷設的角度及尺寸。例如有時管廊考慮高差和管道敷設要求，會出現(xiàn)30°、45°等傾角敷設的情況，如果儀表橋架仍按直角敷設則不夠美觀統(tǒng)一，也增加了施工難度，這時應與管線路由保持一致為宜。

3.4 橋架支撐

橋架的支撐主要由結構專業(yè)進行設計，一般情況下需要自控設計人對橋架載荷進行計算，給出參考的橋架滿載重量，以便進一步設計支撐型式、間距和材料。

橋架滿載重量是橋架內(nèi)敷設電纜的自重和橋架自身重量之和，一般按照重量均勻分布計。在設計過程中，可根據(jù)業(yè)主擬用電纜的廠家樣本查得電纜重量，根據(jù)選用的橋架空間計算出滿載電纜時的重量，加上擬用橋架的廠家樣本查得橋架重量，即可得到橋架滿載重量。同種材料、同規(guī)格、同型式的電纜橋架重量接近，可以按照經(jīng)驗值進行設計。

T/CECS 31—2017中規(guī)定：確定支、吊架的跨距時，應滿足規(guī)程相應條款對橋架承載能力和安全工作載荷下的相對撓度的要求?！半娎|橋架水平安裝時，宜按載荷選取最佳跨距作支撐，且支撐點間距不宜大于2 000 mm，當不能滿足要求時，宜采用大跨距電纜橋架?！必Q直安裝的電纜橋架的支架間距一般小于水平支架的間距，多層布置時，應進行結構計算。同時，在設計時，對于電纜橋架的交匯處，特別是彎通、三通等處，應根據(jù)實際的電纜橋架型式進行加強，可以增設支、吊架縮短支撐點距離來保證橋架的可靠支撐。實際設計中，常選用2 m/段(橋架寬度≤200 mm)或6 m /段(橋架寬度大于200 mm)的儀表橋架，相應的支撐距離可參考以下值設計：儀表橋架(2 m /段)的水平支撐距離不宜超過1.5 m，垂直支撐距離不宜超過2 m；儀表橋架(6 m/段)水平支撐距離不超過3 m，垂直支撐距離不超過2 m。

在中、大型項目中，僅憑經(jīng)驗值進行橋架支撐材料的選擇可能過于保守，不但增加了橋架支撐的材料用量，還因此增加構架的載荷，進一步提升了材料等級和用量，導致成本的增加。橋架的支撐件選型應要求結構專業(yè)進行合理計算，在保證安全性和穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化尺寸結構和支撐材料的等級，提升項目的經(jīng)濟性。

3.5 防火

儀表電纜橋架的設計中，應主要從橋架本身和支吊架這兩個方面綜合考慮防火設計。

T/CECS 31—2017第2.0.1條術語描述電纜橋架“由主體(托盤或梯架)、附件和支、吊架等部件構成……”JB/T 10216—2013《電控配電用電纜橋架》第3.1.1條術語描述電纜橋架“由電纜托盤或電纜梯架的直線段、彎通及支吊架等構成……”[5]，結合文章對電纜橋架概念的定義，在設計中，橋架的支吊架應與橋架本身一同考慮防火設計。

SH/T 3019—2016第7.2.2條規(guī)定：“當有防火要求時，應選用耐火電纜槽”。T/CECS 31—2017第4.7.1和4.7.2條規(guī)定：“電纜橋架在穿越防火墻及防火樓板時，應采取防火封堵措施”“……防火封堵材料不應對電纜橋架的防腐層造成損害”。因此，在有相關標準、規(guī)范和統(tǒng)一規(guī)定等文件明確有防火要求時，應選用防火儀表橋架。防火儀表橋架應在技術文件和訂貨文件中明確要求其耐火維持工作時間。GB 29415—2013《耐火電纜槽盒》規(guī)定：耐火維持工作時間按照耐火性能分級，相應劃分為≥30 min、≥45 min、≥60 min、≥90 min，四個等級[6]。在設計時，應根據(jù)工程的具體情況與工藝、安全專業(yè)進行討論后確定，同時還應參考相關的消防設計要求，做到事故安全，保證橋架內(nèi)環(huán)境在火災情況下的穩(wěn)定性和可靠性。有些改建、擴建項目和小型改造項目考慮到施工難度和成本問題，可以采用普通的金屬封閉式橋架和電纜保護管，在外部刷防火涂料的方式進行防火設計[7]。但這種方式往往難以進行相應的耐火實驗，無法驗證其耐火性能，在關鍵性場合不宜采用此類防火設計。

4 結語

儀表橋架設計貫穿項目的全周期，從項目前期到施工階段，應會同各專業(yè)結合現(xiàn)場情況進行分析，選擇技術可靠、經(jīng)濟合理、施工便捷、和諧美觀的方案。好的設計能夠為建設單位節(jié)省包括構架、橋架、電纜電線等在內(nèi)的大量投資，為項目建成后的長周期穩(wěn)定運行打下堅實的基礎。文章對電纜橋架常見設計問題及要點進行探討，依據(jù)相關標準、規(guī)范的規(guī)定進行分析，希望提出一些有針對性、可操作性強的設計方案，為石油化工自控設計提供可供參考的思路。