关于仪表与控制电缆桥架荷载在工业自动化施工设计中的考虑与应用

关于仪表与控制电缆桥架荷载在工业自动化施工设计中的考虑与应用

石磊

  西安同陆工程技术服务有限公司

摘要：本文讨论了仪表与控制电缆桥架荷载对施工设计的影响与应用。在工业自动化体系中，所有仪器设备与控制系统均用电缆连接，电缆敷设是自动化控制中的重要一环。本文主要讨论了工业自动化工程中，通过合理的计算与设计桥架荷载，来减少设计与施工中产生的电缆敷设安全隐患，提高工业自动化装置的稳定性与设计寿命，提高生产装置及整个厂区的系统安全。

关键词：工业自动化、仪表与控制、电缆桥架、荷载、电缆敷设

中国目前已经成为世界第一大工业生产国，随着这些年各行业的设备与技术迭代，对于各生产行业的产能与质量的要求也愈来愈高。工业自动化设计之中，电缆敷设是重要的一项施工内容，而随着生产装置的增大，自动化控制系统的规模也越来越大。自然而然，其所敷设的电缆的数量与设备数量也越来越多，设计的复杂程度也越来越高。而仪表与控制电缆桥架荷载的准确计算，则会影响到各框架结构与桥架支架的承重设计，而且这些结构框架的强度与承重，在电缆敷设量巨大的今天，与工厂的生产安全也是息息相关，因此必须得到关注。

1关于仪表与控制电缆桥架在工业自动化设计中的要求

1.1各个规范对于电缆的敷设量的要求

在化工行业规范《仪表配管配线设计规范》（HG/T 20512-2014）第8.3.6条中，对电缆填充率的要求“电缆桥架电缆填充系数宜为 O.3~0. 5。”； 在石油化工规范《石油化工仪表管道线路设计规范》（SH/T 3019-2016 ）第7.2.6条，对电缆填充率的要求 “电缆槽内电缆充满系数宜为0.25~0.35”；在《低压配电设计规范》（GB50054-2011）第7.6.14条中，要求“电缆托盘和梯架内敷设时，电缆总截面面积与桥架横断面面积之比，电力电缆不应大于40%，控制电缆不应大于50%。”在《火力发电厂仪表与控制就地设备安装、管路、电缆设计规程》（DL/T5182-2021），与《电力工程电缆设计标准》（GB50217-2018 ）中对电缆的填充率甚至未做要求。

1.2关于规范的理解与考虑

对于电缆填充率的规定，主要是由于低压、中压等配电电缆发热严重，减少填充率可以减少发热，提高电缆的使用寿命，降低起火隐患。由于仪表与控制电缆电压等级小，往往小于36V，常用的模拟量信号电流4~20mA，发热也远小于电力电缆。且在各个规范中并非强条，因此在考虑仪表与控制电缆敷设荷载时，计算时的填充率可尽可能按实际能敷设的电缆数最大考虑。

2关于仪表与控制电缆桥架电缆敷设荷载的计算

2.1关于仪表与控制电缆的敷设数量统计

在工业自动化中，以最常用的主电缆桥架为例，规格为W400×H200的槽式桥架计算，其余规格的桥架敷设数量可按其横截面按比例与400宽桥架数量相乘。以常用的计算机电缆为例，如1×2×1.5 mm²与12×2×1.5 mm²，型号为 DJYPVP（铜芯聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套铜丝编织分屏蔽及总屏蔽电子计算机电缆）。1×2×1.5 mm²往往用于控制室与现场仪器仪表的单拉敷设或接线箱分支电缆敷设。12×2×1.5 mm²则主要用于接线箱电缆至控制室的电缆敷设。

DJYPVP的1×2×1.5 mm²外径为12.4mm，其所占横截面按边长为12.4mm的正方形考虑：

S1=a1²    a1=12.4；

S1=153.76；

DJYPVP的12×2×1.5 mm²外径为29.1mm，其所占横截面按边长为29.1mm的正方形考虑：

S2=a2²    a2=29.1；

S2=846.81；

W400×H200的横截面积分别为S3=400×200=80000；

W400×H200桥架中1×2×1.5 mm²的敷设数量n1=S3/S1=520 根（向下取整）；

W400×H200桥架中12×2×1.5 mm²的敷设数量n1=S3/S2=94 根（向下取整）；

在实际敷设中，由于桥架的连接附件、盖板、管接头及电缆敷设的弯曲半径影响，电缆桥架是不可能有100%的填充率的，需按使用率80%考虑最大敷设根数，可得出实际电缆根数如下：

“n1”=520×0.8=416 根；

“n2”=94×0.8=75 根（向下取整）；

2.2关于仪表与控制电缆的桥架荷载计算

1×2×1.5 mm²重量为142kg/km，每米荷载为0.142 kg/m；

12×2×1.5 mm²重量为1536kg/km，每米荷载为1.536 kg/m；

W1=“n1”×0.142 kg/m=59.072 kg/m ；

W2=“n2”×1.536 kg/m=115.2 kg/m 由于W2＞W1，因此电缆敷设所产生的载荷按W2的值来做计算。

关于W400×H200与W800×H200桥架自身重量，常用尺寸有2m与6m，两种尺寸的桥架重量分别为65.53 kg、132.26 kg与 595.20kg、776.11kg，分别除去自身长度可知荷载。

W400×H200的荷载为：W3=65.53÷2=32.765 kg/m、W4=595.20÷6=99.2 kg/m ；

W4＞W3,因此桥架本身的载荷取W3、W4中的最大值99.2kg/m；

W800×H200的荷载为：W5=132.26÷2=66.13 kg/m、W6=776.11÷6≈129.36 kg/m；

W6＞W5,因此桥架本身的载荷W5、W6中的最大值129.36kg/；

我们计算桥架80%填充率下的最大荷载如下：

W（W400×H200最大荷载）=W2+W3=115.2+99.2=91.837 kg/m=214.4 kg/m

W（W800×H200最大荷载）=W2×2+W6=115.2×2+129.36=230.4+91.837 =359.76 kg/m

若参考HG/T 20512-2014规范中50%的要求，计算桥架50%填充率下的最大荷载如下：W400×H200（50%荷载）=214.4×5/8=134 kg/m、W800×H200（50%荷载）359.76×5/8=224.85 kg/m，50%荷载的计算是比80%更接近实际情况的计算。

2.3关于仪表与控制电缆的桥架垂直荷载计算

水平荷载的计算往往难以被人忽略，也较易计算。最容易忽略的地方是垂直处的桥架荷载。如下图1中的J2的荷载。

图1                                        图2

观察图1，当L大于4m时，垂直段应设置固定支架J2，垂直受力F2a转换为水平固定力F2b。设置J2的依据是石油化工规范《石油化工仪表管道线路设计规范》（SH/T 3019-2016 ）第7.2.7条， “电缆槽垂直段大于2m时，应在垂直段上、下端槽内增设固定电缆用的支架。当垂直段大于4m时，还应在其中部增设支架”。设置J2后，F1与F3则只受到其日常的水平荷载。无需考虑额外下拉力与下压力。

然而当L＜2m时，不设置J2支架，垂直段的J1与J2支架除了水平荷载外，还会分别受到垂直L段桥架重量的下压力F1与下拉力F3。则L按最大4m计算，垂直段的总重量为桥架长度4m×214.4 kg/m（W400×H200桥架80%荷载）=857.6 kg/m，将此处受力均分给J1与J2，则J1与J2处各增加了428.8 kg/m荷载。通过分析该组数值可知，不论桥架内实际荷载增加多少，与其规格型号无关。所有桥架垂直段的引上与引下位置处，其下方与上方的第一个支架。其所受荷载需按常规水平荷载的3倍考虑。

2.4施工与设计中的应用与影响

仪表与电缆桥架规划设计中，常要根据所需敷设的电缆数量设计桥架，所提出的荷载数值往往用于结构专业的承重计算。设计人员如只按常规思路设计，只考虑水平受力，遇见电缆桥架的引上与引下不做额外荷载的计算与考虑，如4m内的竖直段，中间不设额外支架。也未按照常规情况3倍荷载去考虑，则会造成提出去的局部的荷载较小。此种情况短时间内并不容易发现设计缺陷。随着时间流逝，桥架焊接的腐蚀与连接件的老化，很快便会暴露处局部荷载过大的问题，支架断裂，桥架塌陷，导致桥架内的电缆受到额外的拉力与压力，严重时电缆断裂，造成严重系统损坏，继而导致巨大的经济损失。

3结论：

在工业自动化仪表与控制电缆桥架施工与设计中，我们计算了常用的仪表与控制电缆桥架荷载，分别是W400×H200（50%荷载）134 kg/m，W800×H200（50%荷载）224.85 kg/m；W400×H200（80%荷载）214.4 kg/m，W800×H200（80%荷载）359.76 kg/m。也重点计算了常常容易被人忽略的垂直桥架荷载，其受力主要在桥架引下后与引上后的第一个支架。在垂直段桥架未设置中间支架情况下，其荷载至少需按常规荷载的3倍考虑。在向其他专业提出载荷条件时，需将此处的荷载按3倍考虑。按3倍荷载考虑，可以尽可能的避免结构承重过小，局部荷载过大的情况出现。正确的荷载计算对于桥架安全至关重要，桥架的安全对于电缆安全至关重要，而电缆的安全则对于整个自动化系统的安全至关重要，且是需要重点关注的一环。

参考文献：

[1]《仪表配管配线设计规范》（HG/T 20512-2014）第8.3.6条.

[2]《石油化工仪表管道线路设计规范》（SH/T 3019-2016 ）第7.2.6、7.2.7条.

[3]《低压配电设计规范》（GB50054-2011）第7.6.14条.

[4]《火力发电厂仪表与控制就地设备安装、管路、电缆设计规程》（DL/T5182-2021）  第6.1.5条.

[5]《电力工程电缆设计标准》（GB50217-2018 ）.

[6]《仪表信号电缆》（江苏华宇电缆有限公司）表 6-8.