化工工程中仪表电缆桥架的应用
2014-12-25黄甲宁
黄甲宁
摘要
本文根据国家和行业标准，结合作者自身的工程设计经验，介绍了化工工程设计和施工中仪表电缆桥架的选择、安装的方法和注意事项。
关键词：化工工程设计、电缆桥架、选择、敷设
中图分类号：E271文献标识码： A
1 概述
电缆桥架是由托盘（托槽）或梯架的直线段、非直线段、附件及支吊架等组合构成，用于支撑、保护电缆的具有连续的刚性结构系统。国内电缆桥架用于电缆的敷设是上世纪八十年代由国外引入。随着国内工业的高速发展，电缆桥架也正适应着各种环境的需要而高速发展。今天电缆桥架以品种全、结构轻、强度大、造价低、施工简单、配线灵活、安装标准、外形美观的特点成为现代工厂建设中电缆敷设的首选方式。
2 电缆桥架的选择
2.1 电缆桥架的分类
随着电缆桥架在各种工业环境条件下的应用，出现了不同结构形式和材质的电缆桥架，以适应不同种类的电缆在不同环境条件下的敷设。电缆桥架常按照以下两种方式分类：
（1）按结构形式分：梯架式、托盘式、槽式、组合式、大跨距式
（2）按材质分：钢质电缆桥架、铝合金电缆桥架、玻璃钢电缆桥架，阻燃防火电缆桥架；其中钢质电缆桥架按照防腐类别又分为涂漆、电镀锌、喷涂粉末、热浸镀锌、镀锌镍合金、VCI双金属复合涂层以及不锈钢桥架等。
2.2 仪表电缆桥架的选择
在化工工程中，仪表电缆几乎全部用于传输低电压、小电流的检测和控制信号。仪表电缆的敷设主要考虑对仪表电缆的保护和对干扰信号的屏蔽。因此仪表电缆桥架的结构形式一般都选择槽式电缆桥架，或者是大跨距槽式电缆桥架。槽式电缆桥架又称汇线槽。
仪表电缆桥架的选择主要是根据仪表电缆的数量和敷设现场的环境条件来选择汇线槽的规格和材质。
2.2.1 汇线槽规格的选择
汇线槽的规格是用其横截面的宽（B）×高（H）来表示。根据电缆桥架厂家的选型样本，槽式电缆桥架的标准规格尺寸有：50×25、100×50、150×75、200×100、250×125、300×150、400×200、500×200、600×200、800×200（单位：mm）。
在工程设计中，汇线槽的规格根据需要敷设的电缆的规格和数量来确定。汇线槽里面能装填多少根电缆一般都有一个充填率要求，又称充填系数。根据有关国家标准和行业规范的规定，汇线槽的充填系数不大于50%。在工程设计中，应根据所装填电缆类型、现场环境条件确定一个合适的值。
充填系数的计算式为：
（2-1）
仪表电缆多为传输低电压、小电流的信号电缆和控制电缆，汇线槽的充填系数常取40%，汇线槽宽和高可用下式计算：
（2-2）
式中：B——汇线槽的宽度，mm；
H——汇线槽的高度，mm；
S——汇线槽的横截面积，mm2 ；
S0——电缆总截面积，mm2 ；
40%——汇线槽选定的充填系数。
在工程设计中，电缆总截面积S0常采用简化计算方法，即：将电缆横截面当成以电缆外径为边长的正方形，计算单根电缆的截面积，再计算汇线槽内所装填电缆的总截面积，即：
（2-3）
式中：n1、n2、n3——电缆的根数
S1、S2、S3——单根电缆的横截面积，mm2 ；
2.2.2 汇线槽材质的选择
汇线槽的材质应根据敷设场所的环境特性来选择。
(1) 一般情况可采用镀锌碳钢汇线槽。
(2) 含有粉尘、水汽及一般腐蚀性的环境，可采用涂漆或热镀锌碳钢汇线槽。
(3) 严重腐蚀的环境，当不存在电磁干扰时，可采用玻璃钢汇线槽；当存在电磁干扰时，可采用锌镍合金镀层或涂高效防腐涂料（VCI）的碳钢汇线槽。也可采用带金属屏蔽网的玻璃钢汇线槽。
（4）火灾危险场所，应采用阻燃防火汇线槽，或有阻燃防火措施的金属汇线槽。
（5）根据需要也可选用铝合金或不锈钢材质的汇线槽；
(6) 同一装置宜采用同一材质的汇线槽。
2.3 汇线槽荷载的计算
仪表汇线槽的荷载与材质、支吊架的间距有关。汇线槽的工作均布荷载应不大于所选荷载等级的额定均布荷载。根据《钢制电缆桥架工程设计规范》（CECS31-2006），当支吊架跨距为2m，在按简支梁的条件下，托盘、梯架的额定均布荷载分级应符合下表的规定：
荷载等级 A B C D
额定均布荷载（kN/m） 0.5 1.5 2.0 2.5
当支吊架的跨距不等于2m时，则工作均布荷载应满足下式：
（2-4）
式中：qG——工作均布荷载，N/m；
qE——额定均布荷载，N/m；
LG——实际跨距，m。
在工程设计过程中，电缆桥架厂家通常给出了电缆桥架荷载曲线，该曲线表示了支吊架跨距与桥架允许均布荷载的关系。在确定汇线槽的荷载时，只需根据汇线槽荷载曲线，查找出相应跨距下的允许均布荷载值，使该值不小于汇线槽的工作均布荷载即可。若工作均布荷载大于相应跨距下的允许荷载值，则需要减小跨距，以满足汇线槽的荷载要求。通常采取现场制作梯形钢架的方式，将汇线槽置于梯形钢架上，确保汇线槽能承受槽内电缆的重量及可能的附加荷载。
工作均布荷载的确定分为以下三种情况：
（1）工程条件下安装或检修无需考虑附加集中荷载时，工作均布荷载按电缆自重均匀分布计，则工作均布荷载qG的计算如下：
（2-5）
式中：qG——工作均布荷载，N/m；
g1、g2、g3…——各电缆单位长度的重量，N/m；
n1、n2、n3…——相应电缆的根数。
（2）安装或检修可能有附加集中荷载时，工作均布荷载按电缆自重均匀分布值与附加集中荷载的等效均布值之和计算。在安装或检修的过程中，有可能短暂上人时，附加集中荷载按900N计，附加集中荷载的等效均布值按下列公式换算：
（2-6）
总的工作均布荷载（qZ）：
（2-7）
式中：qP——附加集中荷载的等效均布值，N/m；
qZ——总工作均布荷载，N/m；
P——附加集中荷载，可按900N计；
LG——实际跨距，m。
（3）当汇线槽跨距大于6m、户外风雪作用等特殊荷载的汇线槽，应按工程条件进行强度、刚度、稳定性的计算或荷载试验，且应满足下列要求：
1 汇线槽的承载能力，不得超过使汇线槽最初产生永久变形时的最大荷载除以安全系数为1.5 的数值。
2 汇线槽在允许均布荷载作用下的相对挠度值，钢制不宜大于1/200；铝合金制不宜大于1/300。
3 钢制托臂在允许承载下的偏斜与臂长比值，不宜大于1/100。
桥架结构强度的计算及荷载试验参见《钢制电缆桥架工程设计规范》（CECS31-2006）
3、 汇线槽的敷设
汇线槽应按路径最短，集中敷设的原则，在装置内架空敷设。在敷设过程中不应敷设在强电磁场、高温、潮湿、腐蚀性介质排放口；不应敷设在影响操作、妨碍设备维修的位置，以及施工与检修时经常动火，易受机械损伤的场所；应避开运输、人行、消防通道和吊装孔。
汇线槽在敷设时应按照设计文件规定进行，若设计文件没有详细说明，则应严格按照国家和行业规范进行安装施工。在敷设过程中应特别注意以下事项：
1、汇线槽不宜平行敷设在高温工艺管道和设备的上方或有腐蚀性液体的工艺管道和设备的下方。与工艺设备、管道绝热层表面之间的距离应大于200mm，与其它工艺设备、管道表面之间的距离应大于150mm。
2、当线路周围环境温度超过65℃时，应采用隔热措施，处在火灾危险场所时，应加防火措阻燃施。通常可采用石棉板等进行隔热防火，或采用阻燃防火电缆桥架。
3、当汇线槽沿输送易燃气体或液体的管道栈桥敷设时，应沿危险程度较低的管道一侧。当易燃物质比空气重时，汇线槽在管道上方；比空气轻时，汇线槽在管道的下方。
4、在同一汇线槽内，交流电源线路和安全联锁线路应用L形金属隔板与仪表信号线路隔开敷设；本安信号与非本安信号线路应用L形金属隔板隔开敷设，并应有蓝色标志。金属隔板应可靠接地。电缆应选用铜丝编织屏蔽电缆。
5、仪表汇线槽与电气电缆桥架平行敷设时，其间距不宜小于600mm。若仪表汇线槽与电气电缆桥架在同一管架上敷设，宜分开敷设在管架的两边。
6、为避免电缆发生故障时危及人身安全，汇线槽及支吊架均应良好接地，且不得作为其他设备接地的接续导体。非镀锌汇线槽连接板的两端应跨接铜芯软线接地线，接地线截面面积不应小于4mm2；镀锌汇线槽可不跨接接地线，其连接板的螺栓应有防松螺帽或垫圈；采用玻璃钢桥架时，应沿桥架全长另敷设专用接地线；振动场所的汇线槽，包括接地部位的螺栓连接处，应装置弹簧垫圈；金属汇线槽当采用断开连接时，应采用相应的跨接线，保持汇线槽接地的连续性。
7、当汇线槽通过不同等级的爆炸危险区的分隔间壁时，在分隔间壁处必须做充填密封；
8、当汇线槽穿过不同防火区的防火墙或楼板时，在防火墙或楼板处应采取防火封堵措施，对汇线槽有防火要求的区段，可在汇线槽内添加具有耐火或难燃性的板、网材料，使其构成封闭或半封闭式结构，并应在汇线槽表面涂刷符合国家现行标准《钢结构防火涂料应用技术规范》（CECS 24:90）要求的防火涂层等措施。
9、汇线槽由室外进入室内宜采用架空方式，且应有1:100以上的坡度，向下坡向室外。汇线槽或电缆穿墙处应采取密封措施，防止雨水、尘埃及有害气体进入室内。
10、汇线槽的上部与建筑物和构筑物之间应留有便于操作的空间；
11、汇线槽在安装时，支吊架之间的距离宜为2m。当采用大跨距式汇线槽时，可以根据现场具体情况适当增大和减小支吊架间距。汇线槽在转角或分支处、在始端、终端及连接处应增设支吊架，且离其边缘的距离不应大于0.5m。汇线槽在每个支吊架上应固定牢固。
12、支架安装时，应注意：
a) 在允许焊接的金属结构上和混凝土构筑物的预埋件上，应采用焊接固定；
b) 在混凝土上，宜采用膨胀螺栓固定，不宜在混凝土梁、柱上凿安装孔；
c) 在不允许焊接支架的管道上，应采用U型螺栓、抱箍或卡子固定；
d) 支架不应安装在高温或低温管道上；
e) 支架应固定牢固、横平竖直、整齐美观，在同一直线上的支架间距应均匀；
f) 支架安装在有坡度的电缆沟内或建筑结构上时，其安装坡度应与电缆沟或建筑结构的坡度相同；支架安装在有弧度的设备或结构上时，其安装弧度应与设备或结构的弧度相同；
g) 在有防火要求的钢结构上焊接支架时，应在防火施工之前进行；
h) 在有防腐蚀层的建筑物和构筑物上安装支架时，不应损坏防腐蚀层。
13、铝合金汇线槽在钢制支吊架上固定时，应有防电化腐蚀的措施。较为简便的方法是在铝合金汇线槽和钢制支吊架间加绝缘衬垫。可利用电缆上剥下来的塑料护套切割而成。
14、保护管应在汇线槽侧面高度1/2以上的区域内，采用锁紧螺母(带护线帽)或管接头与汇线槽连接。保护管不得在汇线槽的底部或顶盖上开孔进出。当电缆直接从开孔处引出时，应采用措施保护电缆。
15、垂直排列的电缆桥架拐弯时，其弯曲弧度应一致。数条汇线桥架垂直分层安装时，线路宜按下列规定顺序从上至下排列：
1） 仪表信号线路；
2） 安全联锁线路；
3） 仪表用交流和直流供电线路。
16、汇线槽的分支接口或与箱柜接口的连接端应设置在便于人员操作的位置。汇线槽的转角、分支、终端以及与箱柜的连接处等宜采用专用部件，转弯处的转弯半径，不应小于该桥架上的电缆最小允许弯曲半径的最大者。
17、当直线段钢制汇线槽超过30m、铝合金或玻璃钢制汇线槽超过15m时，应有伸缩缝，其连接宜采用伸缩连接板。汇线槽跨越建筑物伸缩缝处应设置伸缩缝。伸缩缝处采用伸缩连接板连接时，一般不必考虑伸缩缝的距离。厂家定型的伸缩连接板连接后的伸缩距离均能补偿桥架由于环境温度变化而引起的热胀冷缩。
5、 结束语
在仪表线路敷设和生产维护过程中，汇线槽垮塌的事故时有发生，事故造成的损失轻则工程返修，开车延期，重则生产过程失控，重大财产损失，甚至造成施工和维护人员伤亡等。究其原因，主要是汇线槽规格、材质选择不合适，支吊架跨距过大，汇线槽荷载过大，施工没有按照标准要求进行。所以在进行化工工程设计和施工的时，对仪表汇线槽的选择和安装必须严格认真对待，确保仪表汇线槽安全可靠，经久耐用。
参考文献：
《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》（GB 50168-2006）
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《石油化工仪表工程施工技术规范》（SH/T 3521-2007）
《石油化工仪表管道线路设计规范》（SH/T 3019）
《仪表配管配线设计规定》（HG/T 20512-2000）
《石油化工自动控制设计手册》（第三版）陆德民 主编 化学工业出版社
《自动化与仪表工程师手册》王树青、乐嘉谦 主编 化学工业出版社
