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(dú)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(shè)計(jì)中，電纜作為信號(hào)傳輸?shù)臉蛄海?fù)責(zé)將各類儀表設(shè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)與控制。而電纜橋架作為電纜敷設(shè)的載體，廣泛應(yīng)用于儀表電源及信號(hào)傳輸系統(tǒng)的配線工程設(shè)計(jì)，對(duì)電纜進(jìn)行可靠地保護(hù)，確保電纜敷設(shè)路徑所在空間內(nèi)的環(huán)境安全、穩(wěn)定。同時(shí)，因?yàn)樵陧?xiàng)目設(shè)計(jì)中，儀表橋架主要以架空敷設(shè)為主，選型和布置對(duì)于整個(gè)裝置的美觀、施工進(jìn)度、后期維護(hù)等方面都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。文章對(duì)石油化工項(xiàng)目中儀表橋架的常見設(shè)計(jì)問題進(jìn)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(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)施工的重點(diǎn)，一直以來在各類儀表配線設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和文獻(xiàn)資料中對(duì)電纜橋架都有相應(yīng)的定義。如T/CECS 31—2017《鋼制電纜橋架工程技術(shù)規(guī)程》中對(duì)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(gòu)成，用于支承電纜線路且具有一定剛度的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)[1]?？偟膩碚f，電纜橋架應(yīng)該是一個(gè)由多個(gè)部件構(gòu)成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，由橋架本身、支撐件和連接件等共同組成，在設(shè)計(jì)和施工過程中要將其作為一個(gè)整體，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)橋架路由、支撐、填充率、接地、防火等各方面進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)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(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)電纜的保護(hù)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(shè)計(jì)的供電電纜，也常用于儀表電纜在控制室、機(jī)柜間、廠房等環(huán)境條件較好的場(chǎng)所。

3 常見設(shè)計(jì)問題及要點(diǎn)

3.1 橋架規(guī)格

電纜橋架設(shè)計(jì)的核心問題之一就是保證項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的電纜能夠有充足、合理的空間進(jìn)行敷設(shè)，即在電纜的選型和線路設(shè)計(jì)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)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(jì)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(shè)計(jì)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(jì)算填充率時(shí)，如果僅根據(jù)電纜橫截面和數(shù)量進(jìn)行線性疊加計(jì)算，很有可能會(huì)導(dǎo)致橋架規(guī)格設(shè)計(jì)的偏小，這是因?yàn)椋阂环矫?，根?jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，不同類型的儀表電纜應(yīng)分開敷設(shè)，裝置內(nèi)較大的主橋架一般采用隔板分開，隔板本身會(huì)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(shè)時(shí)并不是完美地平行敷設(shè)，會(huì)出現(xiàn)交叉從而產(chǎn)生間隙，這部分空間被浪費(fèi)了，因而橋架內(nèi)空間的利用率會(huì)受到施工方的施工技術(shù)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(bǔ)償以上情況產(chǎn)生的空間浪費(fèi)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以將電纜截面近似視作邊長(zhǎng)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(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)特別注意當(dāng)多個(gè)方向的電纜橋架交匯時(shí)，在交匯點(diǎn)的空間利用率往往較低，存在電纜在各個(gè)方向上交疊的情況，根據(jù)實(shí)際電纜敷設(shè)量可以適當(dāng)加大橋架的規(guī)格，以保證“路口”的通暢。

3.2 橋架材質(zhì)

作為一個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，電纜橋架的各個(gè)部件可能有多種材質(zhì)構(gòu)成，這里的橋架材質(zhì)主要指電纜橋架的主結(jié)構(gòu)材質(zhì)。常見的電纜橋架材質(zhì)分類有：鋼制、玻璃鋼制、鋁合金制和復(fù)合型等。

在各類材質(zhì)中，鋼制橋架易加工、成本較低，因而應(yīng)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(fù)合涂層、耐腐VCI雙金屬復(fù)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(shè)計(jì)規(guī)范》第11.1.2條規(guī)定：“儀表電纜槽應(yīng)采用封閉鋼板結(jié)構(gòu)”[4]。這是考慮到鋼鐵材質(zhì)對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)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(shè)計(jì)中，儀表電纜橋架應(yīng)選用全封閉鋼板材質(zhì)。

鋁合金橋架的熱塑性好，在制造過程中易處理成較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)重量輕，便于現(xiàn)場(chǎng)施工，也是較為常用的橋架材質(zhì)。但鋁合金橋架的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較差，運(yùn)輸和安裝過程中可能出現(xiàn)變形，同時(shí)表面吸熱系數(shù)大，與電纜絕緣層長(zhǎng)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(shí)機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較差、現(xiàn)場(chǎng)加工難度大，在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)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(fù)合環(huán)氧樹脂等，普遍具有耐腐蝕、重量輕、防火性能強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)，但有些產(chǎn)品價(jià)格偏高。在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)綜合考慮電纜敷設(shè)環(huán)境、項(xiàng)目統(tǒng)一規(guī)定以及業(yè)主使用習(xí)慣等，選擇安全可靠、易施工、易維護(hù)，同時(shí)性價(jià)比高的橋架材質(zhì)。

3.3 橋架路由

橋架的路由設(shè)計(jì)應(yīng)符合各標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的基本要求，同時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

(1)設(shè)計(jì)路由時(shí)應(yīng)與其他各專業(yè)討論后進(jìn)行確認(rèn)，避免“錯(cuò)”、“碰”的情況，在較大項(xiàng)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(cè)，橋架較多時(shí)設(shè)置檢維修通道。

(2)橋架進(jìn)入控制室、變配電室(所)、廠房時(shí)還應(yīng)根據(jù)相應(yīng)規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)布局進(jìn)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(yīng)采用防火及密封措施。

(3)橋架的路由設(shè)計(jì)在盡量橫平豎直的情況下，也應(yīng)考慮設(shè)備和管線敷設(shè)的角度及尺寸。例如有時(shí)管廊考慮高差和管道敷設(shè)要求，會(huì)出現(xiàn)30°、45°等傾角敷設(shè)的情況，如果儀表橋架仍按直角敷設(shè)則不夠美觀統(tǒng)一，也增加了施工難度，這時(shí)應(yīng)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(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般情況下需要自控設(shè)計(jì)人對(duì)橋架載荷進(jìn)行計(jì)算，給出參考的橋架滿載重量，以便進(jìn)一步設(shè)計(jì)支撐型式、間距和材料。

橋架滿載重量是橋架內(nèi)敷設(shè)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(jì)。在設(shè)計(jì)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(jì)算出滿載電纜時(shí)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(yàn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。

T/CECS 31—2017中規(guī)定：確定支、吊架的跨距時(shí)，應(yīng)滿足規(guī)程相應(yīng)條款對(duì)橋架承載能力和安全工作載荷下的相對(duì)撓度的要求。“電纜橋架水平安裝時(shí)，宜按載荷選取最佳跨距作支撐，且支撐點(diǎn)間距不宜大于2 000 mm，當(dāng)不能滿足要求時(shí)，宜采用大跨距電纜橋架。”豎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(shí)，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于電纜橋架的交匯處，特別是彎通、三通等處，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的電纜橋架型式進(jìn)行加強(qiáng)，可以增設(shè)支、吊架縮短支撐點(diǎn)距離來保證橋架的可靠支撐。實(shí)際設(shè)計(jì)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(yīng)的支撐距離可參考以下值設(shè)計(jì)：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(xiàng)目中，僅憑經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)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(gòu)架的載荷，進(jìn)一步提升了材料等級(jí)和用量，導(dǎo)致成本的增加。橋架的支撐件選型應(yīng)要求結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行合理計(jì)算，在保證安全性和穩(wěn)定性的前提下，優(yōu)化尺寸結(jié)構(gòu)和支撐材料的等級(jí)，提升項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

3.5 防火

儀表電纜橋架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)主要從橋架本身和支吊架這兩個(gè)方面綜合考慮防火設(shè)計(jì)。

T/CECS 31—2017第2.0.1條術(shù)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(gòu)成……”JB/T 10216—2013《電控配電用電纜橋架》第3.1.1條術(shù)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(gòu)成……”[5]，結(jié)合文章對(duì)電纜橋架概念的定義，在設(shè)計(jì)中，橋架的支吊架應(yīng)與橋架本身一同考慮防火設(shè)計(jì)。

SH/T 3019—2016第7.2.2條規(guī)定：“當(dāng)有防火要求時(shí)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)采取防火封堵措施”“……防火封堵材料不應(yīng)對(duì)電纜橋架的防腐層造成損害”。因此，在有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和統(tǒng)一規(guī)定等文件明確有防火要求時(shí)，應(yīng)選用防火儀表橋架。防火儀表橋架應(yīng)在技術(shù)文件和訂貨文件中明確要求其耐火維持工作時(shí)間。GB 29415—2013《耐火電纜槽盒》規(guī)定：耐火維持工作時(shí)間按照耐火性能分級(jí)，相應(yīng)劃分為≥30 min、≥45 min、≥60 min、≥90 min，四個(gè)等級(jí)[6]。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況與工藝、安全專業(yè)進(jìn)行討論后確定，同時(shí)還應(yīng)參考相關(guān)的消防設(shè)計(jì)要求，做到事故安全，保證橋架內(nèi)環(huán)境在火災(zāi)情況下的穩(wěn)定性和可靠性。有些改建、擴(kuò)建項(xiàng)目和小型改造項(xiàng)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(hù)管，在外部刷防火涂料的方式進(jìn)行防火設(shè)計(jì)[7]。但這種方式往往難以進(jìn)行相應(yīng)的耐火實(shí)驗(yàn)，無法驗(yàn)證其耐火性能，在關(guān)鍵性場(chǎng)合不宜采用此類防火設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

儀表橋架設(shè)計(jì)貫穿項(xiàng)目的全周期，從項(xiàng)目前期到施工階段，應(yīng)會(huì)同各專業(yè)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行分析，選擇技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便捷、和諧美觀的方案。好的設(shè)計(jì)能夠?yàn)榻ㄔO(shè)單位節(jié)省包括構(gòu)架、橋架、電纜電線等在內(nèi)的大量投資，為項(xiàng)目建成后的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文章對(duì)電纜橋架常見設(shè)計(jì)問題及要點(diǎn)進(jìn)行探討，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行分析，希望提出一些有針對(duì)性、可操作性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案，為石油化工自控設(shè)計(jì)提供可供參考的思路。