石油化工仪表电缆桥架的常见设计问题探讨

胡泊，徐翔，王丽娜

(1.新疆寰球工程公司仪电室，新疆 克拉玛依 833699；2.独山子石化公司热电厂电气车间，新疆 克拉玛依 833699)

0 引言

在石油化工自控设计中，电缆作为信号传输的桥梁，负责将各类仪表设备和控制系统互联起来，以满足石油化工工艺装置和辅助装置的自动化监测与控制。而电缆桥架作为电缆敷设的载体，广泛应用于仪表电源及信号传输系统的配线工程设计，对电缆进行可靠地保护，确保电缆敷设路径所在空间内的环境安全、稳定。同时，因为在项目设计中，仪表桥架主要以架空敷设为主，选型和布置对于整个装置的美观、施工进度、后期维护等方面都会产生很大的影响。文章对石油化工项目中仪表桥架的常见设计问题进行探讨，提出参考建议和做法。

1 电缆桥架的概念

电缆桥架又被称作“槽盒”“汇线槽”“集线架”等。作为自控设计和现场施工的重点，一直以来在各类仪表配线设计的标准、规范和文献资料中对电缆桥架都有相应的定义。如T/CECS 31—2017《钢制电缆桥架工程技术规程》中对桥架的定义为：电缆桥架是由主体(托盘或梯架)、附件和支吊架等部件构成，用于支承电缆线路且具有一定刚度的结构系统[1]。总的来说，电缆桥架应该是一个由多个部件构成的结构系统，由桥架本身、支撑件和连接件等共同组成，在设计和施工过程中要将其作为一个整体，根据项目实际情况对桥架路由、支撑、填充率、接地、防火等各方面进行综合考虑。

2 桥架类型

一直以来，电缆桥架主要按其外型结构进行分类。常见的电缆桥架可以分为：无孔托盘、有孔托盘、网格式托盘和梯架，如图1所示。其中，许多资料将无孔托盘和有孔托盘归类为“封闭式桥架”，将网格式托盘和梯架归类为“开放式桥架”，这是从桥架整体密封的比例来进行分类的。

图1 常见电缆桥架示意图

经过多年来的发展，封闭式桥架的品种规格更为齐全，施工操作相对简单，对电缆的保护面积更大，大部分的仪表电缆桥架采用封闭式桥架。开放式桥架中的梯架主要用于电气专业设计的供电电缆，也常用于仪表电缆在控制室、机柜间、厂房等环境条件较好的场所。

3 常见设计问题及要点

3.1 桥架规格

电缆桥架设计的核心问题之一就是保证项目所设计的电缆能够有充足、合理的空间进行敷设，即在电缆的选型和线路设计结束以后，确定桥架的规格。常见的桥架规格有：50 mm(宽)×50 mm(高)、100 mm(宽)×50 mm(高)、200 mm(宽)×100 mm(高)……桥架的直线段单件标准长度一般为2 000 mm，宽度较大的直线段单件常选择6 000 mm。

在确定电缆规格和数量后，就能够根据电缆的参考线径计算出电缆桥架的填充率(充满系数)。SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》第7.2.6条规定：“电缆槽内电缆充满系数宜为0.25～0.35”[2]。在计算填充率时，如果仅根据电缆横截面和数量进行线性叠加计算，很有可能会导致桥架规格设计的偏小，这是因为：一方面，根据相关标准和规范的要求，不同类型的仪表电缆应分开敷设，装置内较大的主桥架一般采用隔板分开，隔板本身会占据一部分桥架内的空间；另一方面，电缆在桥架内敷设时并不是完美地平行敷设，会出现交叉从而产生间隙，这部分空间被浪费了，因而桥架内空间的利用率会受到施工方的施工技术的影响。

电缆横截面一般被近似视作圆形，但为在一定程度上补偿以上情况产生的空间浪费，在实际设计中，可以将电缆截面近似视作边长为电缆外径的矩形，通过以下公式来选取合适的桥架规格，如公式1所示：

式中：dn为第n种规格电缆的外径；Nn第n种规格电缆的数量；W为桥架水平截面的宽度；H为桥架水平截面的高度；a为桥架的填充率。

此外，设计时还应特别注意当多个方向的电缆桥架交汇时，在交汇点的空间利用率往往较低，存在电缆在各个方向上交叠的情况，根据实际电缆敷设量可以适当加大桥架的规格，以保证“路口”的通畅。

3.2 桥架材质

作为一个结构系统，电缆桥架的各个部件可能有多种材质构成，这里的桥架材质主要指电缆桥架的主结构材质。常见的电缆桥架材质分类有：钢制、玻璃钢制、铝合金制和复合型等。

在各类材质中，钢制桥架易加工、成本较低，因而应用最为广泛，一般的电缆桥架厂家都可以生产。根据防腐层类别的不同，钢制桥架选择彩钢复合涂层、耐腐VCI双金属复合涂层、热浸镀锌等[3]。SH/T 3164—2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》第11.1.2条规定：“仪表电缆槽应采用封闭钢板结构”[4]。这是考虑到钢铁材质对电场、磁场和电磁场的屏蔽效能比其他常用金属材料好得多，成本较低。因而在仪表防雷工程的设计中，仪表电缆桥架应选用全封闭钢板材质。

铝合金桥架的热塑性好，在制造过程中易处理成较为复杂的结构，同时重量轻，便于现场施工，也是较为常用的桥架材质。但铝合金桥架的机械强度相对较差，运输和安装过程中可能出现变形，同时表面吸热系数大，与电缆绝缘层长期接触易造成绝缘层老化，影响电缆寿命。

玻璃钢桥架自身有一定的防腐能力、重量较轻，在某些酸碱环境下比较常用。但因其不耐高温，耐磨性低，同时机械强度相对较差、现场加工难度大，在现在的设计中已较少使用。

目前，许多厂家开始研发新型材料，如高分子合金(塑料)、复合环氧树脂等，普遍具有耐腐蚀、重量轻、防火性能强、安装方便等特点，但有些产品价格偏高。在设计过程中应综合考虑电缆敷设环境、项目统一规定以及业主使用习惯等，选择安全可靠、易施工、易维护，同时性价比高的桥架材质。

3.3 桥架路由

桥架的路由设计应符合各标准、规范的基本要求，同时应注意以下几点。

(1)设计路由时应与其他各专业讨论后进行确认，避免“错”、“碰”的情况，在较大项目中，可根据装置平面布置位置，将仪表桥架和电气桥架布置在管架顶层的两侧，桥架较多时设置检维修通道。

(2)桥架进入控制室、变配电室(所)、厂房时还应根据相应规范和建筑设计布局进行综合考虑。仪表桥架在控制室、变配电室(所)等建筑的分界面处应采用防火及密封措施。

(3)桥架的路由设计在尽量横平竖直的情况下，也应考虑设备和管线敷设的角度及尺寸。例如有时管廊考虑高差和管道敷设要求，会出现30°、45°等倾角敷设的情况，如果仪表桥架仍按直角敷设则不够美观统一，也增加了施工难度，这时应与管线路由保持一致为宜。

3.4 桥架支撑

桥架的支撑主要由结构专业进行设计，一般情况下需要自控设计人对桥架载荷进行计算，给出参考的桥架满载重量，以便进一步设计支撑型式、间距和材料。

桥架满载重量是桥架内敷设电缆的自重和桥架自身重量之和，一般按照重量均匀分布计。在设计过程中，可根据业主拟用电缆的厂家样本查得电缆重量，根据选用的桥架空间计算出满载电缆时的重量，加上拟用桥架的厂家样本查得桥架重量，即可得到桥架满载重量。同种材料、同规格、同型式的电缆桥架重量接近，可以按照经验值进行设计。

T/CECS 31—2017中规定：确定支、吊架的跨距时，应满足规程相应条款对桥架承载能力和安全工作载荷下的相对挠度的要求。“电缆桥架水平安装时，宜按载荷选取最佳跨距作支撑，且支撑点间距不宜大于2 000 mm，当不能满足要求时，宜采用大跨距电缆桥架。”竖直安装的电缆桥架的支架间距一般小于水平支架的间距，多层布置时，应进行结构计算。同时，在设计时，对于电缆桥架的交汇处，特别是弯通、三通等处，应根据实际的电缆桥架型式进行加强，可以增设支、吊架缩短支撑点距离来保证桥架的可靠支撑。实际设计中，常选用2 m/段(桥架宽度≤200 mm)或6 m /段(桥架宽度大于200 mm)的仪表桥架，相应的支撑距离可参考以下值设计：仪表桥架(2 m /段)的水平支撑距离不宜超过1.5 m，垂直支撑距离不宜超过2 m；仪表桥架(6 m/段)水平支撑距离不超过3 m，垂直支撑距离不超过2 m。

在中、大型项目中，仅凭经验值进行桥架支撑材料的选择可能过于保守，不但增加了桥架支撑的材料用量，还因此增加构架的载荷，进一步提升了材料等级和用量，导致成本的增加。桥架的支撑件选型应要求结构专业进行合理计算，在保证安全性和稳定性的前提下，优化尺寸结构和支撑材料的等级，提升项目的经济性。

3.5 防火

仪表电缆桥架的设计中，应主要从桥架本身和支吊架这两个方面综合考虑防火设计。

T/CECS 31—2017第2.0.1条术语描述电缆桥架“由主体(托盘或梯架)、附件和支、吊架等部件构成……”JB/T 10216—2013《电控配电用电缆桥架》第3.1.1条术语描述电缆桥架“由电缆托盘或电缆梯架的直线段、弯通及支吊架等构成……”[5]，结合文章对电缆桥架概念的定义，在设计中，桥架的支吊架应与桥架本身一同考虑防火设计。

SH/T 3019—2016第7.2.2条规定：“当有防火要求时，应选用耐火电缆槽”。T/CECS 31—2017第4.7.1和4.7.2条规定：“电缆桥架在穿越防火墙及防火楼板时，应采取防火封堵措施”“……防火封堵材料不应对电缆桥架的防腐层造成损害”。因此，在有相关标准、规范和统一规定等文件明确有防火要求时，应选用防火仪表桥架。防火仪表桥架应在技术文件和订货文件中明确要求其耐火维持工作时间。GB 29415—2013《耐火电缆槽盒》规定：耐火维持工作时间按照耐火性能分级，相应划分为≥30 min、≥45 min、≥60 min、≥90 min，四个等级[6]。在设计时，应根据工程的具体情况与工艺、安全专业进行讨论后确定，同时还应参考相关的消防设计要求，做到事故安全，保证桥架内环境在火灾情况下的稳定性和可靠性。有些改建、扩建项目和小型改造项目考虑到施工难度和成本问题，可以采用普通的金属封闭式桥架和电缆保护管，在外部刷防火涂料的方式进行防火设计[7]。但这种方式往往难以进行相应的耐火实验，无法验证其耐火性能，在关键性场合不宜采用此类防火设计。

4 结语

仪表桥架设计贯穿项目的全周期，从项目前期到施工阶段，应会同各专业结合现场情况进行分析，选择技术可靠、经济合理、施工便捷、和谐美观的方案。好的设计能够为建设单位节省包括构架、桥架、电缆电线等在内的大量投资，为项目建成后的长周期稳定运行打下坚实的基础。文章对电缆桥架常见设计问题及要点进行探讨，依据相关标准、规范的规定进行分析，希望提出一些有针对性、可操作性强的设计方案，为石油化工自控设计提供可供参考的思路。