鐵路液化天然氣罐式集裝箱設計

侯沖

受環境保護政策和社會經濟發展的影響，液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）在我國能源結構中的占比逐年提高，我國已經成為世界第二大LNG進口國。在此背景下，交通運輸部、國家發展和改革委員會等部門提出加快提升水路、鐵路、公路LNG運輸效率，推進多式聯運，探索研發LNG集裝箱運輸技術和裝備，增強LNG運輸的靈活性。目前，鐵路LNG罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）正在開展線路運行試驗，未來將迎來廣闊的發展空間和市場。本文針對鐵路運輸的特殊性，分析鐵路LNG罐箱的設計標準及選材、設計、安全、試驗和使用等要求，以期為鐵路LNG罐箱產品設計提供參考。

1 鐵路LNG罐箱設計標準

鐵路LNG罐箱設計應當符合相關國際公約、國家標準、行業標準、鐵路標準、專項技術條件等，涉及的主要標準和公約包括GB 150-2011《壓力容器》、GB/T 1413-2008《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質量》、GB/T 16563-2017《系列1集裝箱 技術要求和試驗方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》、GB/T 1836-2017《集裝箱 代碼、識別和標記》、NB/T 47059-2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》、TB/T 3550.2-2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范 車體 第2部分：貨車車體》、TG/HY 105-2017《鐵路危險貨物運輸管理規則》、TSG R0005-2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》、TJ/KH 013-2013《鐵路液化天然氣（LNG）罐式集裝箱運輸設施設備暫行技術條件》、中國船級社《集裝箱檢驗規范（2016）》、中國船級社《材料與焊接規范（2018）》、《國際集裝箱安全公約》和《集裝箱關務公約》等。

2 鐵路LNG罐箱選材要求

鐵路LNG 罐箱的外殼材料和框架材料應當與運輸路段月平均最低氣溫和最高氣溫相適應，并具有良好的可焊性和沖擊韌性，能承受運輸過程中的沖擊、振動及環境和溫度變化等產生的影響。鐵路LNG罐箱選材主要有兩點要求：一是材料嚴格符合相關標準的規定;二是材料屬性與工作溫度相適應。鐵路LNG罐箱具體選材要求見表1。若材料存在不符合設計標準的情況，須通過主管單位的技術評審才能使用，否則不允許使用。例如，S30458材料除了須滿足GB/T 24511-2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》的規定外，還須通過全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會相應的技術評審，才允許應用于LNG罐箱制造。

3 鐵路LNG罐箱設計要求

鐵路LNG罐箱設計除了須滿足相關國家標準和行業標準對剛度、強度、穩定性等的要求外，還要進行容積、安全泄放、傳熱、靜態蒸發率、充滿率、支撐結構強度、防爆口、吸附劑用量、維持時間、等效壓力、標準鋼、重心高度、管路應力及整體有限元等相關計算。在鐵路LNG罐箱設計過程中應當注意以下幾點：（1）設計壓力不低于0.6 MPa;（2）計算罐箱額定充滿率，并且僅允許罐箱在額定充滿率下運行;（3）放散口布置在罐箱后端，朝斜后方排放（見圖1）;（4）維持時間不短于90 d;（5）在進行等效壓力計算和仿真計算時，縱向慣性力的加速度至少設定為重力加速度的4倍;（6）采用多點徑向支撐方式，常見的為八點支撐;（7）設置2個5 kg干粉滅火器，并設置應急救援器材箱;（8）重心高度不超過;（9）在閥門顏色方面，要求液相閥為黃色，氣相閥和安全閥為紅色，其他閥門為銀灰色;（10）不設置防波板;（11）內容器不采用應變強化技術;（12）框架設置上側梁;（13）須通過主管部門的設計評審。

4 鐵路LNG罐箱安全要求

在設計鐵路LNG罐箱時，要求設置靜電接地裝置，以便連接場站的接地設備，提高安全性。鑒于鐵路運行的特殊性，鐵路LNG罐箱運輸采用電子押運方式保障運輸安全，即在箱內安裝具有超壓預警等功能的監控系統，實時監控罐箱的溫度、壓力、液位、環境溫度、位置等信息;當系統預警時，立即啟動應急預案處理報警罐箱。此外，隨箱配備防濺頭盔、防靜電服、防凍手套、防爆扳手、堵漏設備等應急救援物資，以備不時之需。

5 鐵路LNG罐箱試驗要求

鐵路LNG罐箱除了需要通過常規LNG罐箱的所有試驗（壓力試驗、氣密試驗、集裝箱靜強度試驗、UN沖擊試驗、低溫試驗等）外，還要通過鐵路沖擊試驗、容積測量以及LNG介質維持時間試驗。鐵路沖擊試驗要求模擬真實的鐵路沖擊工況，通過在罐箱內填充介質，模擬與實際填充LNG相同的質量和重心高度。容積測量由具備鐵路資質的單位執行，常用的測量方法為激光測量。鐵路LNG罐箱低溫試驗除了須開展液氮相關試驗外，還要求以LNG為介質實測罐箱維持時間，且試驗過程中的所有數據須實時上傳到中國鐵道科學研究院集團有限公司的監控系統，以確保數據的真實性。

6 鐵路LNG罐箱使用要求

（1）罐箱出廠前須取得壓力容器監檢證書、可移動罐柜證書、低溫試驗報告、UN沖擊試驗報告、鐵路沖擊試驗報告、容積檢定報告等。

（2）罐箱投入使用前須辦理壓力容器使用登記證和商業保險。

（3）罐箱正式上線運行前應完成安全評價（評估）并取得相關報告。

7 結束語

與常規LNG罐箱設計相比，鐵路LNG罐箱設計難度更大，尤其是在鐵路沖擊試驗方面，鐵路LNG罐箱的一次性通過率不超過50%。這要求設計人員采用多種計算方法聯合設計，不斷優化結構，以降低罐箱沖擊應力，提高罐箱結構強度。此外，鐵路LNG罐箱結構失效主要表現為振動疲勞、結構疲勞和焊接疲勞，在設計時應予以計算考慮。總之，只有設計計算全面、準確，才能夠生產出合格的鐵路LNG罐箱產品，從而保障鐵路LNG罐箱運輸安全。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2020-12-28）