我國乏燃料貨包鐵路運輸限界相關(guān)問題研究

張 震，呂 鋼，王海良，安亞崢，李 佩

(中核清原環(huán)境技術(shù)工程有限責(zé)任公司 核運輸部，北京 100037)

隨著我國核電的快速發(fā)展，核電站卸出的乏燃料的累積量將迅速增加，根據(jù)我國的核燃料閉式循環(huán)政策[1-2]，乏燃料最終將運輸至乏燃料后處理廠處理。我國核電站主要分布在沿海，均具有自備碼頭，而后處理廠地處西北內(nèi)陸，呈現(xiàn)運輸距離長、運輸來源分散的特點。因此，可以將乏燃料貨包通過專用船舶運輸至某一確定中轉(zhuǎn)港，通過鐵路集中運輸至后處理廠的方式來實現(xiàn)安全、高效的乏燃料運輸。在開展鐵路運輸前期，應(yīng)根據(jù)鐵路貨物運輸相關(guān)規(guī)定，對其外形尺寸、重心等進(jìn)行核查驗算，以確保乏燃料貨包鐵路運輸組織的安全高效。

1 乏燃料貨包鐵路運輸車型選擇

1.1 乏燃料貨包運輸特征及主要參數(shù)

由于乏燃料的特殊性，為保障運輸安全，其運輸包裝容器應(yīng)嚴(yán)格按照國際原子能機構(gòu)(IAEA)及我國的核安全法規(guī)要求設(shè)計，一般乏燃料貨包直徑2 m以上，長度超過6 m、質(zhì)量達(dá)百噸，除了放射性物質(zhì)運輸?shù)奶攸c外，還屬于闊大貨物運輸。

乏燃料運輸貨包由乏燃料容器、兩端的減震器構(gòu)成，其通過運輸托架與運輸車輛通過螺栓緊固連接，容器外部設(shè)置有人員防護(hù)罩。乏燃料運輸貨包與運輸相關(guān)的特征參數(shù)主要有貨包長度、貨包外徑、運輸托架、貨包重心高、貨包質(zhì)量等。乏燃料運輸貨包參數(shù)如表1所示。

1.2 鐵路運輸車輛選型原則

根據(jù)乏燃料運輸貨包尺寸大、質(zhì)量大的特點，為保證鐵路運輸車輛裝載貨物后的運行穩(wěn)定性，車型的選擇應(yīng)遵循以下原則。

（1）載重。綜合考慮各型乏燃料運輸貨包的質(zhì)量，按照上述最終的乏燃料貨包為基礎(chǔ)選擇車輛，則車輛應(yīng)當(dāng)至少滿足載重130 t。

（2）車輛底板高度。為了滿足重車穩(wěn)定性的要求，應(yīng)盡量采用車底板高度較低的車輛。

（3）車輛底架心盤中心距、銷距[3-4]。根據(jù)車輛自身構(gòu)造特點，車輛底架心盤銷距(L1)、中心距(L2)將直接影響列車在曲線行駛過程中車底板縱向中心線偏離車輛走行部的程度，應(yīng)盡量選擇L1，L2較小的的車輛，以降低貨包車的計算半寬度。

表1 乏燃料運輸貨包參數(shù)Tab.1 Parameters of spent fuel transport package

1.3 現(xiàn)有車輛參數(shù)比較

根據(jù)乏燃料貨包的尺寸、質(zhì)量，按照超限超重運輸規(guī)則中所列車輛[5]，選取D15B，D2，D9G，D15A 4種車型作為參考車型，鐵路貨車車輛參數(shù)如表2所示。車型參數(shù)對比分析雷達(dá)圖如圖1所示。

表2 鐵路貨車車輛參數(shù)表Tab.2 Railway vehicle parameter list

圖1 車型參數(shù)對比分析雷達(dá)圖Fig.1 Comparative analysis of vehicle parameters

在滿足載重的情況下，D15B各項參數(shù)相對最優(yōu)，因而以D15B型車輛裝載為基礎(chǔ)，對乏燃料貨包鐵路運輸?shù)南嚓P(guān)限界進(jìn)行計算分析。

2 鐵路貨物運輸限界分析

2.1 檢定斷面及計算點的選定

檢定斷面應(yīng)選擇在橫斷面發(fā)生變化時橫向有突出的斷面。根據(jù)乏燃料運輸貨包的外廓尺寸特征，當(dāng)采用均衡裝載時(即貨包重心所在斷面與車底板中心斷面重合)，乏燃料貨包的檢定斷面分別選取在貨包中心斷面、減震器內(nèi)斷面。貨包裝載示意圖如圖2所示。

圖2 貨包裝載示意圖Fig.2 Schematic diagram of loading cargo

計算點為檢定斷面上需要核定貨物計算寬度以確定其是否超限的點[6]，即檢定斷面在不同高度區(qū)間寬度最大的點，根據(jù)乏燃料貨包外形結(jié)構(gòu)特點，選取計算點位于貨包垂直方向上最高點(貨包中心斷面垂直方向處寬度為0，且鐵路運輸貨包車輛高度低于鐵路運輸高度限值，對計算點1不再進(jìn)行分析)，按照鐵路運輸超限貨物運輸規(guī)則[4-5]，貨包最大直徑外端點 (1 250 mm ～ 3 600 mm)、運輸托架外側(cè) (800 mm ～1 250 mm)。

2.2 重車重心高限定

根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》貨包裝車后的重車重心高度不得超過2 000 mm，當(dāng)超過該高度限值時，列車運行速度將受到很大限制。

若使貨包重車重心高低于2 000 mm，則需滿足[7]

式中：H為重車重心高，mm；Qc為鐵路車輛質(zhì)量，t；Qh為貨包重心高，mm；hh為貨包重心高度，mm；hB為鐵路車輛車底板高度，mm。

當(dāng)采用D15B型凹底平板車進(jìn)行裝載時，Qc= 50 t，hh= 680 mm，hB= 800 mm，若使重車重心高不超高，則需滿足

當(dāng)貨包重心坐標(biāo)在貨包重心限制邊界線以下的區(qū)域時，則貨包重車重心高不超高。貨包重心高限制邊界線如圖3所示。

圖3 貨包重心高限制邊界線Fig.3 Limitation line of center of gravity for heavy load cargo

2.3 貨包半寬超限限定

根據(jù)第《鐵路超限超重貨物運輸規(guī)則》[5]提出貨包超限驗算方法，當(dāng)采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)D15B型凹底平車進(jìn)行裝載時，若使貨包在鐵路運輸過程中不超出限界，當(dāng)側(cè)高1 250 mm≤H≤3 600 mm時，應(yīng)滿足

式中：B為貨包計算半寬，mm；x為貨包橫斷面距車輛中心橫斷面之間的距離，為距離車底板中心橫斷面距離為x處的貨包實際半寬，mm。

當(dāng)側(cè)高800 mm≤H≤1 250 mm時，應(yīng)滿足

據(jù)此計算出在滿足貨包不超限的情況下，各斷面處(以100 mm為間隔)貨包最大半寬。各斷面?zhèn)雀? 250 mm ～ 3 600 mm處最大半寬如圖4所示，各斷面?zhèn)雀?00 mm ～ 1 250 mm處最大半寬如圖5所示。

圖4 各斷面?zhèn)雀? 250 mm～3 600 mm處最大半寬Fig.4 Max allowable half width between the height of 1 250 mm and 3 600 mm

越靠近車輛橫向中心線對容器半徑要求越為嚴(yán)格，即越靠近中心，容器不超限所允許最大直徑越小。因此，乏燃料鐵路運輸過程中應(yīng)盡量使上下減震器內(nèi)斷面距離車底板中心橫斷面距離相等，以確保兩斷面距車底板中心斷面的最大距離最小。

圖5 各斷面?zhèn)雀?00 mm～1 250 mm處最大半寬Fig.5 Max allowable half width between the height of 800mm and 1250mm

3 乏燃料貨包鐵路運輸限界分析

3.1 乏燃料貨包超機車限界基本輪廓

在實際情況下，由于乏燃料運輸自身的特殊性，在滿足諸多限定條件的同時，乏燃料運輸容器的設(shè)計尺寸參數(shù)可能出現(xiàn)超出鐵路機車車輛限界基本輪廓的情況。其中，對于限速的超限貨物尺寸可以按照《鐵路超限超重貨物運輸規(guī)則》[5]的要求對貨物限制尺寸進(jìn)行測算。超限運輸限速如表3所示。

表3 超限運輸限速表Tab.3 Speed limit meter

當(dāng)貨包屬于超限貨包，不同尺寸貨包列車速度影響相同，因而當(dāng)貨包由于自身性能要求，尺寸不能滿足不超機車車輛限界的情況下，可通過優(yōu)化尺寸參數(shù)，使其盡可能對鐵路運輸組織的影響最小，W為兩列車之間距離，L為兩線路中心線之間距離(此處設(shè)定鄰線列車按非超限條件運行，取其外廓尺寸為標(biāo)準(zhǔn)車輛限界值)。相鄰線路列車間距示意圖如圖6所示。由圖可得：W=L- 1 700 -B。

圖6 相鄰線路列車間距示意圖Fig.6 Schematic of train distance between adjacent lines

根據(jù)《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》[8-9]，客貨共線鐵路線間距(直線部分)如表4所示。

表4 客貨共線鐵路線間距(直線部分)Tab.4 Railway line spacing (straight line)

在超限運輸?shù)那闆r下，相鄰線路之間列車裝載貨物之間距離大于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時，列車運行速度可不受影響[10-11]，定義滿足該要求的貨包半寬為貨包的超限不限速半寬。超限不限速條件如表5所示，鄰線不同速度條件下貨包超限不限速半寬如圖7所示。

表5 超限不限速條件Tab.5 Unlimited speed limit condition

由圖7可以得出，當(dāng)鄰線列車運行速V≤120 km/h，對驗算貨包的尺寸限制更為嚴(yán)苛[12]。不限速運輸條件下貨包各斷面允許最大半寬如表6所示。

3.2 既有乏燃料貨包超限驗算及分析

3.2.1 重車重心高驗算

目前國內(nèi)開展乏燃料公路運輸采用的2種容器裝載后貨包重心高、貨包質(zhì)量參數(shù)如表7所示。利用貨包重心高限制線對2種容器裝載后的貨包重心高、貨包質(zhì)量進(jìn)行判斷，貨包重車重心高驗算分析圖如圖8所示。

圖7 鄰線不同速度條件下貨包超限不限速半寬Fig.7 Package half width without speed limitation of different cross sections under different speed of the Adjacent lines

表6 不限速運輸條件下貨包各斷面允許最大半寬Tab.6 Package half width without speed limitation of different cross sections

TUK-153、NAC-STC貨包重心坐標(biāo)在貨包重心高最大限制線之下，滿足重車重心高均不超高的限制條件。

表7 貨包重心高、貨包質(zhì)量參數(shù)Tab.7 Center of gravity and high center of gravity for packages

圖8 貨包重車重心高驗算分析圖Fig.8 Checking calculation diagram of center of gravity for heavy load cargo

3.2.2 超限界驗算

按照貨包幾何中心在車底板中心橫斷面上進(jìn)行裝載時，TUK-153、NAC-STC 2種貨包減震器內(nèi)斷面距車底板中心斷面之間距離分別為：XNAC-STC=2 146 mm，XTUK-153= 20 766 mm。將減震器內(nèi)斷面處的貨包計算半寬與該斷面處不超限允許最大半寬值進(jìn)行對比分析。減震器所在斷面處貨包計算半寬分析如表8所示。

表8 減震器所在斷面處貨包計算半寬分析表Tab.8 Half width analysis table of the impact limiter

將距離車底板中心橫斷面0 mm處的貨包計算半寬與該斷面處不超限允許最大半寬值進(jìn)行對比分析得到0 mm斷面處貨包計算半寬分析表如表9所示。

由以上計算結(jié)果可知，TUK-153、 NAC-STC 2種貨包采用D15B均衡裝載的條件下均不超限，滿足鐵路運輸限界要求。

表9 0 mm斷面處貨包計算半寬分析表Tab.9 Half width analysis table of 0 mm form center cross section

4 結(jié)論

乏燃料鐵路運輸貨包尺寸、車輛選型對鐵路運輸是否超限、限速有著十分顯著的影響，針對鐵路運輸限界要求，對乏燃料鐵路運輸?shù)贸鲆韵陆Y(jié)論。

（1）乏燃料貨包鐵路運輸車輛需要根據(jù)貨包尺寸大、質(zhì)量大的特點選取車輛底架心盤距離小、車底板高度低的車輛。

（2）以D15B車輛為基礎(chǔ)，計算提出貨包滿足不超限要求的限界及重心建議設(shè)計指標(biāo)，經(jīng)核算現(xiàn)有特定乏燃料運輸貨包滿足鐵路運輸?shù)南藿缫蟆?/p>

（3）通過對超鐵路機車基本限界輪廓的情況進(jìn)行分析，提出鄰線運行速度不高于160 km/h的條件下，不限制運輸速度的貨包建議尺寸。

（4）乏燃料運輸貨包的設(shè)計應(yīng)考慮鐵路運輸限界相關(guān)要求，因限界本身考慮了一定的安全余量，對于超出鐵路機車基本限界輪廓的貨包，應(yīng)當(dāng)根據(jù)線路情況、超出限界量做出具體決策。