電纜橋架新型支吊架系統(tǒng)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究

王毅，王彥輝，王曉明，丁冬，杜海鵬

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300450）

引言

在海洋工程領(lǐng)域，傳統(tǒng)形式的電纜橋架支吊架多采用型鋼進行焊接制作，安裝也采取焊接形式與結(jié)構(gòu)物進行連接固定。傳統(tǒng)形式支吊架的預(yù)制和安裝存在幾個弊端：第一，支吊架預(yù)制過程需進行大量熱工焊接作業(yè)，工作效率低并且對環(huán)境污染嚴(yán)重。在目前國家環(huán)保政策日趨嚴(yán)格的情況下，作業(yè)區(qū)域需配置大量煙塵處理設(shè)施，增加了企業(yè)成本投入。第二、在空間安裝階段，如果出現(xiàn)支吊架修改，需要現(xiàn)場進行切割、焊接，一方面施工難度大，另一方面在一些動火作業(yè)限制區(qū)域，無法采用此方法進行修改。另外，切割、焊接位置需要重新對防腐涂層進行修補，離開噴涂車間的防腐作業(yè)難以控制施工質(zhì)量。如果結(jié)構(gòu)物在整個建造過程中現(xiàn)場修改量較大，結(jié)構(gòu)物的防腐蝕能力會存在隱患，在海洋這種高腐蝕環(huán)境下，防腐涂層出現(xiàn)問題會更早，幾率也更高，這樣會影響結(jié)構(gòu)物投用后的維護成本，甚至縮短結(jié)構(gòu)物使用壽命。第三、為提高建造效率，海洋工程領(lǐng)域的施工階段以一體化建造施工工藝為主導(dǎo)，這種施工工藝要求結(jié)構(gòu)物的每層甲板在車間預(yù)制階段裝上各種支吊架，然后一起送入噴涂車間進行整體噴涂。傳統(tǒng)形式的電纜橋架支吊架因為使用焊接形式安裝在結(jié)構(gòu)物上，這就需要噴涂車間在空間上，尤其是高度上能夠容納這些支吊架，如果碰到支吊架的長度超出噴涂車間能夠容納的范圍，又或者吊架長度超過了運輸車輛的做大離地高度，就無法實施一體化建造工藝，降低整體建造效率。

為了適應(yīng)海洋工程領(lǐng)域建造工藝的提升，以及提高支吊架本身施工效率，降低施工成本，需要開發(fā)一種新形式的電纜橋架支吊架及對應(yīng)施工工藝以克服上述傳統(tǒng)支吊架的缺點。

1 研究方向及思路

總結(jié)傳統(tǒng)形式電纜橋架支吊架的缺點主要有一下幾點：

（1）傳統(tǒng)支吊架預(yù)制、安裝所需的熱工作業(yè)較多；

（2）傳統(tǒng)支吊架的修改對防腐涂層破壞嚴(yán)重。

（3）傳統(tǒng)支吊架有時難以滿足一體化建造工藝的需求；

針對上述缺點研究方向考慮為：第一、以其他連接固定方式替代焊接；第二、后期的修改不會或者減少對母材防腐涂層的破壞；第三、不受一體化建造施工資源的限制（主要是噴涂、運輸?shù)母叨认拗疲?。通過調(diào)研有兩種方式來可以用來替代焊接形式：方案一采用螺栓連接，方案二采用膠粘接形式。前者在海洋工程領(lǐng)域是一種被廣泛使用的緊固方式，并且能夠滿上述三方面的要求，替代基礎(chǔ)比較好；后者在承載能力上能夠滿足設(shè)計要求，但缺乏在海洋工況下防腐性能和耐久性能的試驗數(shù)據(jù),，并且費用相對較高，大范圍應(yīng)用會影響項目成本。因此，確定采用方案一開展進一步研究工作。

制作傳統(tǒng)形式的電纜托架支吊架，主要使用材質(zhì)為Q235A(B)，規(guī)格為L75*L75*6mm角鋼、L63*63*6mm角鋼、L50*50*5mm角鋼、[100*48*5.3槽鋼等型鋼。如果采用螺栓形式代替焊接形式進行預(yù)制，預(yù)制材料也要進行相應(yīng)調(diào)整，最好的方案是使用多孔角鋼。一方面多孔角鋼比較接近原材料的形式，便于材料選型且替代風(fēng)險相對較?。涣硪环矫?，多孔角鋼與螺栓連接形式匹配較好，便于前期預(yù)制和后期調(diào)整。支吊架安裝時與結(jié)構(gòu)物的連接，考慮在結(jié)構(gòu)物上焊接一個預(yù)埋件（見圖2），支吊架與預(yù)埋件采用螺栓進行連接固定。預(yù)埋件可在一體化建造階段進行焊接。預(yù)埋件空間占用非常小，不會受后續(xù)施工資源的限制。

圖1 多孔角鋼示意圖

圖2 預(yù)埋件示意圖

多孔角鋼的規(guī)格使用Q235碳鋼材質(zhì)的L100*100*2.75mm角鋼（見圖1）。選用這種規(guī)格主要考慮其在慣性矩上與傳統(tǒng)形式Q235碳鋼材質(zhì)的L75*L75*6mm角鋼相近，從力學(xué)性能角度可以進行替代[1]。與之匹配的預(yù)埋件使用Q235碳鋼材質(zhì)的L100*100mm*8角鋼（見圖2）。另外，為了方便在某些場合進行安裝，使用一種規(guī)格為Q235碳鋼材質(zhì)的L100*22*2.75mm多孔板型鋼（見圖3）。

圖3 多孔板型鋼示意圖

預(yù)埋件、多孔角型鋼和多孔板型鋼之間的相互連接，均采用M10*35 A4-80 316SS螺栓，各節(jié)點采用四條同種規(guī)格螺栓固定，連接方式見圖4所示。新型支吊架系統(tǒng)可以在現(xiàn)場進行任意拼接，無需動火作業(yè)，因此可以很好地應(yīng)對空間安裝階段的修改。

圖4 各桿件連接方式示意圖

2 電纜橋架新型支吊架系統(tǒng)強度計算

2.1 支架計算部分

新型支吊架材料的慣性矩計算值為84.62cm4，與L75x75x6mm角鋼慣性矩46.88cm4接近。由于SACS軟件無法計算多孔材料，因此在軟件內(nèi)進行受力計算時采用L75x75x6mm角鋼進行等效建模，搭建的托架支架模型如圖5。A、B、C值選取了可能會遇到的極端工況和典型工況的數(shù)據(jù)，軟件計算結(jié)果見表1。通過計算，幾種工況的UC值均小于1[2]，證明支架的材料本身的強度可以滿足要求。

表1 SACS計算結(jié)果

圖5 SACS模型

2.2 螺栓計算部分

利用ANSYS軟件計算，螺栓計算結(jié)果如圖7所示。螺栓的最大Von米塞斯應(yīng)力為210MPa＜320x0.8=256MPa。[3]

圖6 螺栓von米塞斯應(yīng)力（單位：N／mm2）

2.3 負(fù)荷計算

負(fù)荷計算主要對比支吊架系統(tǒng)的最大靜態(tài)允許載荷，在各種工況下是否能夠滿足所需的承載力要求，能夠反映支吊架在實際使用時的承載能力。支吊架系統(tǒng)的靜態(tài)載荷主要來自于所承托的橋架及內(nèi)部電纜。對各種規(guī)格的電纜進行重量計算的結(jié)果顯示，在橋架內(nèi)部相同電纜填充率下（例如100%填充率），大截面積的電纜比小截面積的電纜單位重量要重，比如100%填充率下，1P電纜的單位重量只有3C*150mm2電纜的55%。因此，為了計算出在更嚴(yán)苛的工況下的使用情況，以托架內(nèi)填充電氣3C*150mm2電纜來計算填充的電纜重量。填充率設(shè)置為三擋，分別為100%（實際按正常設(shè)計要求，托架的填充率是不能達到100%的，此計算結(jié)果作為極限參考值）、60%、40%。橋架規(guī)格選取共4擋，從最大的1200（W）*150（H）mm，到600（W）*150（H）mm（更小的常用規(guī)格沒有進行計算，因為選取的規(guī)格已經(jīng)可以充分反映支吊架的稱重能力）。支吊架間隔距離選取常規(guī)1500mm值。計算結(jié)果如下表2所示：

表2 承載力計算結(jié)果

從上述計算結(jié)果可以看出，各工況下總負(fù)荷遠低于支吊架能夠承受的負(fù)荷。

3 結(jié)語

通過上述計算論證，新型支吊架能夠滿足實際使用場景中各工況下對電纜橋架及內(nèi)部填充電纜的承載。新型支吊架針對性地克服了傳統(tǒng)支吊在施工的幾個缺點，其工藝形式非常適合目前海洋工程建造環(huán)節(jié)的需求，本文受篇幅所限沒有列出兩種形式支吊架的費用分析，研究結(jié)果顯示新型支吊架在鋼材費用上比傳統(tǒng)支吊架要高，但因為新型支吊架對比傳統(tǒng)支吊架基本省去了預(yù)制焊接過程，所以在人工、焊材、防腐涂覆等費用上有明顯優(yōu)勢，在綜合成本上能夠節(jié)省約10%的費用，適合在工程項目中推廣應(yīng)用。