海洋平臺電纜橋架的選型設(shè)計(jì)及電纜敷設(shè)問題的研究

劉思 張衛(wèi)濤 寧會朋 白保衛(wèi)

摘 要：海洋平臺橋架的電纜路徑設(shè)計(jì)包含橋架的選型設(shè)計(jì)和電纜路徑布置。橋架的選型設(shè)計(jì)需根據(jù)規(guī)格書基本要求，進(jìn)行嚴(yán)格的載荷和寬度計(jì)算選擇適合項(xiàng)目的橋架規(guī)格。電纜路徑布置需針對項(xiàng)目的特殊情況，靈活運(yùn)用設(shè)計(jì)方法，提供合理有效的工程解決方案。本文依托國內(nèi)渤海某井口平臺項(xiàng)目，詳述橋架的選型過程及對常見電纜敷設(shè)問題的研究分析，綜合考慮現(xiàn)有電纜路徑設(shè)計(jì)方法的不足并結(jié)合施工需求，選用一種截面電纜路徑設(shè)計(jì)方法，通過PDMS、Navisworks、Excel多軟件功能配合，針對性解決電纜敷設(shè)難題，取得較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：橋架選型;電纜敷設(shè);路徑;截面;設(shè)計(jì)

海洋平臺電力系統(tǒng)為平臺的正常運(yùn)行及油氣開采工藝處理提供動力。電力系統(tǒng)的長久可靠運(yùn)行對平臺起到重要的作用。電力通過電纜傳輸，而橋架為電纜提供路徑，因此橋架的電纜路徑設(shè)計(jì)顯得尤為重要。海洋平臺橋架的電纜路徑設(shè)計(jì)包含橋架的選型設(shè)計(jì)和電纜路徑布置。本文依托國內(nèi)某渤海井口平臺項(xiàng)目，通過橋架的選型設(shè)計(jì)和對常見電纜敷設(shè)問題的研究分析，提供合理的解決方案。

一、電纜橋架的選型設(shè)計(jì)

（一）電纜橋架材質(zhì)、結(jié)構(gòu)選型

電纜橋架的材質(zhì)分為碳鋼、玻璃鋼、無銅鋁、不銹鋼等。因適用的環(huán)境條件不同，材質(zhì)選取也不同。海洋平臺環(huán)境惡劣，電纜橋架的材質(zhì)應(yīng)具有防腐、防潮、附著力好、耐沖擊強(qiáng)度高等特點(diǎn)。一般優(yōu)先選用316材質(zhì)電纜橋架，如果基于節(jié)省成本考慮，也可采用無銅鋁或者玻璃鋼材質(zhì)橋架。無銅鋁材質(zhì)橋架相比不銹鋼具有重量輕、成本低、安裝方便等優(yōu)勢，近年來大量應(yīng)用于近海海洋平臺。

電纜橋架的結(jié)構(gòu)有槽式、網(wǎng)格式、托盤式和梯架式等形式。選型時需參考相應(yīng)的項(xiàng)目規(guī)格書要求，一個平臺項(xiàng)目盡量少的選擇1～2種結(jié)構(gòu)的橋架，以滿足橋架及安裝附件的通用性、標(biāo)準(zhǔn)性的要求。海洋平臺項(xiàng)目應(yīng)用托盤式和梯架式居多，從材料成本和利用率考慮，一般300及以上寬度的橋架多采用梯架式，300以下的橋架多采用托盤式。

（二）電纜橋架的規(guī)格參數(shù)選型

①電纜橋架的載荷計(jì)算

電纜橋架的載荷大小和橋架的材質(zhì)、規(guī)格以及支架的跨距有關(guān)。一般廠家通過電纜橋架的載荷特性曲線來表示。海洋平臺次級結(jié)構(gòu)梁跨距1m，項(xiàng)目規(guī)格書一般要求橋架支架的跨距不大于3m。通常以3m的支架跨距計(jì)算橋架載荷，后期圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，考慮設(shè)計(jì)余量，通常會將支架跨距調(diào)整為2m。

電纜橋架的載荷分為靜載荷、動載荷和附加載荷。靜載荷主要包含橋架內(nèi)電纜的總重。動載荷是考慮橋架安裝和后期維護(hù)過程中的臨時承重要求，如維護(hù)過程中，橋架上如允許站人，承載重量需要考慮。附加載荷通常在室外環(huán)境中需考慮，如雨雪冰凍天氣情況下的冰載、雪載等。

設(shè)計(jì)計(jì)算時，可使用以下公式表示：

橋架選取時，廠家提供的橋架允許載荷量必須大于計(jì)算的實(shí)際載荷量。

②橋架寬度的選型

不同電壓等級、不同系統(tǒng)的電纜鋪設(shè)方式不同，通常高中壓電纜單層鋪設(shè)，低壓、控制電纜允許多層鋪設(shè)。單層鋪設(shè)電纜選型橋架時，需采用以下計(jì)算公式：

③根據(jù)計(jì)算的橋架載荷和寬度信息，比對廠家載荷特性曲線，確保選定的橋架規(guī)格符合載荷要求。同時查閱載荷曲線對應(yīng)的撓度數(shù)據(jù)，確定滿足項(xiàng)目規(guī)格書的要求。通常橋架的最大撓度為支架跨距的1/250～1/150為宜[1～3]。

（三）電纜橋架選型設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

①彎曲半徑問題。設(shè)計(jì)橋架的連接件如彎通、三通、四通等，確保連接件的半徑和電纜允許的最小的彎曲半徑相匹配，電纜的彎曲半徑數(shù)據(jù)需優(yōu)先參考對應(yīng)電纜廠家的技術(shù)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其次是國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn);

②接地問題。設(shè)計(jì)橋架的接地形式和電纜規(guī)格。按照最新的平臺建造標(biāo)準(zhǔn)要求，托架跨接可使用35平黃綠接地電纜，托架結(jié)構(gòu)接地需使用70平接地電纜。

③熱脹冷縮問題。查閱項(xiàng)目的環(huán)境溫差考慮橋架直段的熱脹冷縮效應(yīng)，通常通過查閱橋架材質(zhì)的伸縮量設(shè)計(jì)間隔一定距離配置相應(yīng)的膨脹連接片。按照經(jīng)驗(yàn)值，通常鋼制橋架，環(huán)境溫差40°C時，應(yīng)每隔50m配置膨脹連接片。

④橋架電纜的保護(hù)問題。設(shè)計(jì)特殊區(qū)域加蓋板。如陽光直射的區(qū)域、易受機(jī)械損壞的區(qū)域等。

二、橋架電纜敷設(shè)問題

電纜敷設(shè)過程中遇到的主要問題有：

（1）電纜長度設(shè)計(jì)不精準(zhǔn)，尤其大規(guī)格中高壓電纜，無法預(yù)裁敷設(shè)，增加施工難度，浪費(fèi)施工人力，降低施工效率;

（2）橋架設(shè)計(jì)不到位，圖紙路徑局部缺失，造成電纜敷設(shè)路徑不可控，導(dǎo)致局部橋架爆滿;

（3）關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處（盤柜出線、主要路徑點(diǎn)）電纜信息不全，電纜敷設(shè)無法總體把握集中放線。

（4）因敷設(shè)順序不合理造成局部電纜在轉(zhuǎn)彎、穿艙處交叉、打結(jié);

橋架電纜敷設(shè)工藝基本大同小異，但影響電纜敷設(shè)好壞的關(guān)鍵在于電纜路徑的設(shè)計(jì)圖紙的精度和深度是否足夠。要解決電纜敷設(shè)問題，提高電纜敷設(shè)水平，需從設(shè)計(jì)層面提供精確的電纜清冊、電纜路徑圖和詳細(xì)節(jié)點(diǎn)的電纜排布圖。近年來，隨著3D建模軟件的深入應(yīng)用，極大促進(jìn)了電纜敷設(shè)技術(shù)的提升。目前基于3D軟件開發(fā)的配套電纜設(shè)計(jì)系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)電纜路徑的自動敷設(shè)功能，自動敷設(shè)采用典型的單源最短路徑Dijkstra算法，以電纜始端節(jié)點(diǎn)為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點(diǎn)截止，計(jì)算電纜始端到終端經(jīng)過所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑。雖然自動敷設(shè)功能實(shí)現(xiàn)批量電纜路徑自動排布，節(jié)省設(shè)計(jì)工時，但是在實(shí)際操作過程中，受局部空間的限制，完全按最短路徑設(shè)計(jì)會導(dǎo)致局部最優(yōu)路徑上電纜過于集中，超出空間允許的最大托架承載，所以即便采用自動敷設(shè)功能，也離不開手動敷設(shè)功能配合調(diào)線和檢查[5]。

三、電纜敷設(shè)解決方案

國內(nèi)渤海某井口平臺項(xiàng)目，我們采用一種截面電纜路徑設(shè)計(jì)方法來解決電纜敷設(shè)問題。該方法主要步驟如下：根據(jù)初步電纜路徑規(guī)劃PDMS預(yù)建模托架及截面、Excel錄入各電纜經(jīng)過的路徑截面、Excel宏編程批量篩選截面電纜信息、通過截面核查托架承載、PDMS調(diào)整托架模型、Navisworks精確測量電纜長度并保存路徑視點(diǎn)、整理數(shù)據(jù)提交電纜清冊、電纜路徑、所有截面的電纜數(shù)據(jù)表等圖紙文件，同時提供Naviswork保存的路徑視點(diǎn)供現(xiàn)場施工參考。該方法采用半手動敷設(shè)方式實(shí)現(xiàn)了電纜路徑的精細(xì)化設(shè)計(jì)，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）平臺結(jié)構(gòu)空間非常緊湊，路徑復(fù)雜，繞線情況多，自動敷設(shè)功能限制較多，使用半手動方式可實(shí)現(xiàn)對特殊區(qū)域的路徑點(diǎn)對點(diǎn)特殊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)指向精準(zhǔn);

（2）提供精確的電纜清冊長度，可實(shí)現(xiàn)電纜敷設(shè)的預(yù)裁防線;

（3）電纜路徑精確可控，從設(shè)計(jì)層面控制所有托架承載，解決托架爆滿的問題;

（4）提供所有節(jié)點(diǎn)的電纜排布信息和所有電纜路徑的3D視點(diǎn)信息，方便施工總體把握電纜敷設(shè)順序，極大避免了電纜交叉、打結(jié)。

通過該平臺項(xiàng)目應(yīng)用，電纜敷設(shè)完成后效果如圖1、2所示：

海洋平臺項(xiàng)目通過程序化的電纜橋架選型，可以選擇符合基本設(shè)計(jì)參數(shù)的橋架，但是后續(xù)橋架電纜敷設(shè)可能遇到的各種問題，需要設(shè)計(jì)人員在前期橋架設(shè)計(jì)時進(jìn)行預(yù)判。針對每個項(xiàng)目的特殊情況，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該眼界開闊，不能拘泥于一種電纜設(shè)計(jì)模式，通過綜合考慮電纜敷設(shè)施工問題及現(xiàn)場需求，從設(shè)計(jì)層面提出合理有效的工程解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國家標(biāo)準(zhǔn)GB50217-2007《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》

[2] NEMA VE1 ：2002 Metal cable tray systems

[3] Q/HS 3063—2016 海洋油氣工程電氣、儀表、通訊、施工工藝指南

[4] CB/T 3908—2007 船舶電纜敷設(shè)工藝

[5] 王繼洋.基于PDMS的三維電纜設(shè)計(jì)方法在火力發(fā)電廠的應(yīng)用[J].云南化工， 2016， 43（2）：55-59.

作者簡介：劉思，男，1985年生，碩士，電氣工程師。主要從事海洋平臺設(shè)計(jì)及研究工作。

張衛(wèi)濤，男，1983年生，學(xué)士，高級工程師。主要從事海洋平臺設(shè)計(jì)及新工藝研究。

寧會朋，男，1986年生，碩士，電氣工程師。主要從事海洋平臺設(shè)計(jì)及研究工作。

白保衛(wèi)，男，1986年生，學(xué)士，儀表工程師。主要從事海洋平臺設(shè)計(jì)及研究工作。