液化天然氣鐵路罐車設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

何遠(yuǎn)新，黃政賢，劉鳳偉，呂長(zhǎng)樂，楊清義，徐衛(wèi)國(guó)，沈銑

液化天然氣鐵路罐車設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

何遠(yuǎn)新1,2，黃政賢1，劉鳳偉1，呂長(zhǎng)樂1，楊清義1，徐衛(wèi)國(guó)1，沈銑3

（1.中車長(zhǎng)江車輛有限公司 冷運(yùn)裝備研究所，武漢 430212；2.浙江大學(xué) 制冷與低溫研究所，杭州 310027；3.全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)低溫技術(shù)委員會(huì)，上海 200240）

本文通過對(duì)液化天然氣鐵路罐車的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行研究，為L(zhǎng)NG鐵路罐車的應(yīng)用提供參考。介紹液化天然氣鐵路罐車的技術(shù)參數(shù)確定和結(jié)構(gòu)組成，采用CAD、FEM技術(shù)對(duì)罐車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究及仿真分析，通過鐵路靜強(qiáng)度和沖擊試驗(yàn)、低溫性能測(cè)試等手段驗(yàn)證罐車的力學(xué)性能和真空絕熱指標(biāo)。液化天然氣鐵路罐車軸質(zhì)量為23 t、載質(zhì)量不超過41 t，在最高運(yùn)行速度120 km/h時(shí)能夠安全運(yùn)行，每天的靜態(tài)蒸發(fā)率（液氮）為0.08%，維持時(shí)間（液氮）達(dá)到92 d。液化天然氣鐵路罐車的技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

液化天然氣；鐵路罐車；靜態(tài)蒸發(fā)率

隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的改革和轉(zhuǎn)型升級(jí)，液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，已廣泛應(yīng)用于居民生活、工業(yè)生產(chǎn)等方方面面。由于我國(guó)天然氣資源主要分布在西北等偏遠(yuǎn)地區(qū)[1-3]，消費(fèi)需求又主要集中在北方、東南沿海、長(zhǎng)三角及華中等天然氣資源較為匱乏的地區(qū)，這種地理區(qū)位矛盾給天然氣供應(yīng)帶來(lái)了諸多困難，當(dāng)前我國(guó)的天然氣體主要通過管道輸送，輸送量難以保障不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用需求。國(guó)內(nèi)外研究表明，LNG鐵路運(yùn)輸是一種效率僅次于天然氣管道，成本僅次于LNG運(yùn)輸船的最高效的陸路運(yùn)輸方式[4-6]。與LNG公路運(yùn)輸相比，LNG鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)量大、距離遠(yuǎn)、成本低、全天候、高可靠[7-9]等優(yōu)勢(shì)，結(jié)合我國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、客貨分離等發(fā)展趨勢(shì)，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

LNG鐵路運(yùn)輸技術(shù)目前只有美國(guó)、日本等少數(shù)國(guó)家所擁有[10]。例如日本鐵路從2000年開始采用罐式集裝箱運(yùn)輸LNG，美國(guó)研制了容積130 m3液態(tài)乙烯鐵路罐車，該車最大工作壓力為0.61 MPa，載質(zhì)量為50 t，該車也可用于LNG的鐵路運(yùn)輸，且在加拿大投入應(yīng)用。我國(guó)LNG運(yùn)輸目前以公路半掛車為主，主要適用于運(yùn)輸距離較短、單次運(yùn)量不大的LNG接卸與轉(zhuǎn)運(yùn)，運(yùn)輸距離不超過1 000 km，最大許可容積為52.6 m3。本文結(jié)合我國(guó)鐵路運(yùn)輸環(huán)境、載荷工況等特點(diǎn)，對(duì)LNG鐵路罐車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)進(jìn)行了研究，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)LNG鐵路運(yùn)輸裝備空白。

1 主要技術(shù)參數(shù)確定

結(jié)合我國(guó)23 t軸重鐵路貨車[11]總體技術(shù)參數(shù)和TB/T 3550.2—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范車體第2部分：貨車車體》、GB 146.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界第1部分：機(jī)車車輛限界》、GB 146.2—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界第2部分：建筑限界》等設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》（中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部令2022 年第 24 號(hào)）的要求，以及近年來(lái)在低溫深冷裝備方面的相關(guān)技術(shù)研究[12-13]，確定LNG鐵路罐車主要技術(shù)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 主要結(jié)構(gòu)組成

LNG鐵路罐車包含無(wú)押運(yùn)間和帶押運(yùn)間2種車型，主要結(jié)構(gòu)均由牽枕裝配、罐體裝配、管路系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架、制動(dòng)裝置、車鉤緩沖裝置及安全監(jiān)控系統(tǒng)等組成，其主要結(jié)構(gòu)見圖1a、圖1b。帶押運(yùn)間LNG鐵路罐車在車輛二位端設(shè)有可供押運(yùn)人員工作和生活用押運(yùn)間。

表1 LNG鐵路罐車主要技術(shù)性能參數(shù)

Tab.1 Main technical performance parameters of LNG railway tank car

注：限界符合GB 146.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路限界第1部分：機(jī)車車輛限界》的規(guī)定。

圖1 LNG鐵路罐車主要結(jié)構(gòu)

2.1 牽枕裝配

牽枕裝配采用了無(wú)中梁小底架結(jié)構(gòu)[14]，該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)增大罐體設(shè)計(jì)容積、降低整車重心的目的，同時(shí)也可以提升車輛動(dòng)力學(xué)性能，顯著降低無(wú)中梁鐵路罐車在傳遞縱向慣性力載荷時(shí)尾部的高應(yīng)力[15]。牽枕裝配由牽引梁組成、枕梁組成、橫梁組成、側(cè)梁組成、端梁組成等部件組焊而成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 罐體裝配

罐體裝配主要由外殼、內(nèi)容器、絕熱層、內(nèi)外罐體支撐和閥門操作箱等部件組成。其中內(nèi)容器充裝?162 ℃的LNG介質(zhì)，內(nèi)容器與外殼之間的夾層用于纏繞由“鋁箔+玻璃纖維紙”構(gòu)成多層絕熱層[16]，并抽真空達(dá)到真空絕熱的效果。內(nèi)外罐體支撐主要用于將內(nèi)容器的載荷傳到外殼，并降低外部熱量的傳導(dǎo)，具有承載能力強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)。

為防止內(nèi)容器泄漏造成夾層壓力驟升而致外殼爆炸失效，外殼一端封頭上設(shè)有外殼防爆裝置，正常工作情況下，依靠外部大氣壓力將接管、壓蓋和密封圈組合在一起工作，一旦內(nèi)容器泄漏的事故狀態(tài)導(dǎo)致夾層空間壓力升高，壓蓋自動(dòng)脫落釋放壓力，對(duì)外殼起到保護(hù)作用。

2.3 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)包括裝卸管路、增壓管路、氣相管路、差壓管路、溢流管路、緊急控制管路，并設(shè)置有罐體安全閥、管路安全閥、壓力表、抽真空及檢測(cè)系統(tǒng)等安全附件，所有管路、裝卸閥門及其附件均安裝在閥門操作箱內(nèi)。為防止低溫“穿透”，在罐體夾層管路設(shè)計(jì)時(shí)，液相管路設(shè)置了氣封（液）結(jié)構(gòu)[17]，并考慮了較大的熱力學(xué)計(jì)算熱橋安全裕度。

為方便使用單位在我國(guó)鐵路線路進(jìn)行裝卸LNG作業(yè)，LNG鐵路罐車的管路采用中部雙側(cè)充裝對(duì)稱設(shè)計(jì)，在車輛兩側(cè)均設(shè)有裝卸法蘭接口，避免鐵路罐車編組充裝LNG時(shí)，由于非對(duì)稱引起的充裝管口與地面設(shè)施不匹配。

2.4 轉(zhuǎn)向架

走行裝置中選用我國(guó)70 t級(jí)鐵路貨車通用成熟的轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架[18]。由于LNG鐵路罐車自質(zhì)量較大，為改善空車的動(dòng)力學(xué)性能，避開撓度轉(zhuǎn)換點(diǎn)，對(duì)轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的中央懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)整。為防止靜電積聚，轉(zhuǎn)向架設(shè)置有導(dǎo)電型心盤磨耗盤[19]，以利于靜電傳遞和有效釋放。

2.5 車鉤緩沖裝置

走行裝置選用我國(guó)70 t級(jí)鐵路貨車通用成熟的加強(qiáng)型17型E級(jí)鋼車鉤、鍛造鉤尾框、MT–2或HM–1緩沖器。

2.6 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)由120型控制閥、DAB–1型集成制動(dòng)裝置、KZW–A型空重車自動(dòng)調(diào)整裝置和40 L副風(fēng)缸等組成。手制動(dòng)選用NSW型手制動(dòng)機(jī)。

2.7 安全監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足罐車使用單位對(duì)罐車狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，在車體側(cè)面的閥門箱中設(shè)置了安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電子式液位數(shù)據(jù)采集裝置、壓力數(shù)據(jù)采集裝置、溫度數(shù)據(jù)采集裝置以及操作閥門箱內(nèi)介質(zhì)泄漏濃度數(shù)據(jù)采集裝置。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控調(diào)度人員以及押運(yùn)間內(nèi)車上押運(yùn)人員通過顯示裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控罐內(nèi)液位、壓力、溫度等參數(shù)，出現(xiàn)泄漏或者罐體內(nèi)相關(guān)參數(shù)異常時(shí)能立即獲得泄漏報(bào)警信號(hào)，并實(shí)時(shí)上傳至使用單位監(jiān)控平臺(tái)。

圖2 牽枕裝配

2.8 押運(yùn)間

帶押運(yùn)間的LNG鐵路罐車，其押運(yùn)間主要由鋼結(jié)構(gòu)和隔熱層組成。鋼結(jié)構(gòu)由底架、側(cè)墻、端墻和車頂?shù)冉M焊而成。隔熱層主要由隔熱料、骨架、地板、內(nèi)板和平頂?shù)冉M成，考慮防火要求，內(nèi)飾層和保溫層用材料選用具有良好阻燃性能材料，其保溫層選用自熄性聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫塑料，內(nèi)飾層選用防火貼面膠合板。押運(yùn)間內(nèi)設(shè)置有供押運(yùn)人員休息和生活的床鋪、水箱、馬桶、臉盆等設(shè)施。

3 主要計(jì)算及試驗(yàn)情況

3.1 計(jì)算分析

根據(jù)TB/T 3548—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范總則》進(jìn)行了整車靜強(qiáng)度有限元仿真分析計(jì)算。由于該車體結(jié)構(gòu)關(guān)于其縱向中央截面對(duì)稱，利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性準(zhǔn)則，分析時(shí)取其整車1/2結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，采用HyperMesh軟件對(duì)車體進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散。車體有限元模型如圖3所示，單元總數(shù)為521 802，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為348 975。

圖3 LNG鐵路罐車車體有限元模型

罐車縱向載荷按照第一工況拉伸1 780 kN、第一工況壓縮1 920 kN、第二工況壓縮2 500 kN的考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全評(píng)估。仿真結(jié)果表明最大應(yīng)力區(qū)位于牽引梁尾部的底架和罐體連接處，其仿真分析結(jié)果分別如圖4、圖5所示，應(yīng)力仿真值見表2。

圖4 第一工況罐體及底架應(yīng)力云圖

圖5 第二工況罐體及底架應(yīng)力云圖

表2 LNG鐵路罐車牽引梁尾部區(qū)域應(yīng)力仿真及試驗(yàn)

Tab.2 Simulation and test of stress in the tail area of traction beam of LNG railway tank car

從表2可以看出，在第一工況和第二工況下，車輛罐體及牽引梁處的最大應(yīng)力仿真分析值分別為271.3、174.3、319.3、177.5 MPa，均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

3.2 試驗(yàn)情況

3.2.1 靜強(qiáng)度和沖擊試驗(yàn)

根據(jù)TB/T 3550.2—2019《機(jī)車車輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范車體第2部分：貨車車體》完成了該型鐵路罐車的靜強(qiáng)度和沖擊試驗(yàn)。表2所示為牽引梁尾部區(qū)域應(yīng)力實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在第一工況和第二工況下，車輛罐體及牽引梁處最大實(shí)測(cè)應(yīng)力值分別為179.3、140.0、217.4、176.8 MPa，均小于許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求。

3.2.2 低溫性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測(cè)量》、GB/T 18443.7—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法第7部分：維持時(shí)間測(cè)量》，以無(wú)押運(yùn)間LNG鐵路罐車為典型產(chǎn)品對(duì)樣車進(jìn)行了低溫性能試驗(yàn)，主要包括靜態(tài)蒸發(fā)率和維持時(shí)間試驗(yàn)，試驗(yàn)介質(zhì)為液氮。試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果顯示，該罐車夾層封結(jié)真空度為0.023 Pa，漏放氣速率為8.4×10?7Pa·m3/s，真空漏率為3.9×10?9Pa·m3/s，真空絕熱性能優(yōu)越；每天的靜態(tài)蒸發(fā)率（液氮）為0.08%，維持時(shí)間（液氮）達(dá)到92 d，達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)液化天然氣鐵路罐車的研制和試驗(yàn)情況進(jìn)行了較為系統(tǒng)的總結(jié)和介紹，可為后續(xù)研制同類大型冷凍液化氣體鐵路罐車提供參考和借鑒。

隨著我國(guó)清潔能源的進(jìn)一步應(yīng)用提升，通過采用運(yùn)量大、效率高、成本低、全天候的鐵路運(yùn)輸方式來(lái)解決LNG資源分布及需求不平衡等問題，這將成為重要的解決方案之一。

針對(duì)后續(xù)發(fā)展，建議國(guó)家及政府行業(yè)監(jiān)督管理部門組織專題研討和系統(tǒng)性分析研究。由鐵路運(yùn)輸裝備制造企業(yè)、上游液化工廠及沿海接收站、下游加氣站點(diǎn)等用氣終端以及鐵路運(yùn)輸行業(yè)監(jiān)督管理部門共同參與，推動(dòng)開展示范應(yīng)用工程研究。進(jìn)一步全面分析系統(tǒng)安全性及相應(yīng)保障措施和風(fēng)險(xiǎn)控制措施，同時(shí)對(duì)該運(yùn)輸模式技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行進(jìn)一步深入詳細(xì)分析和運(yùn)用總結(jié)。對(duì)大力推進(jìn)我國(guó)LNG清潔能源使用，服務(wù)于我國(guó)社會(huì)高質(zhì)量清潔低碳發(fā)展帶來(lái)積極促進(jìn)作用。

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Design and Test of LNG Railway Tank Car

HE Yuan-xin1,2, HUANG Zheng-xian1, LIU Feng-wei1, LYU Chang-le1, YANG Qing-yi1, XU Wei-guo1, SHEN Xian3

(1. Institute of Cold Transportation Equipment, CRRC Yangtze Co., Ltd., Wuhan 430212, China; 2. Institute of Refrigeration and Cryogenics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 3. Technical Committee of Cryogenics, China Standardization Committee on Boilers and Pressure Vessels, Shanghai 200240, China)

The work aims to study the design and test verification of LNG railway tank car to provide reference for its application. Firstly, the technical parameters and structure composition of LNG railway tank car were introduced. The design, research and simulation analysis of the tank car structure were carried out by CAD and FEM technology, and the mechanical properties and vacuum insulation indexes of the tank car were verified by railway static strength and impact test, low temperature performance test, etc. With axle weight of 23 t and load not more than 41 t, the tank car could run safely at the maximum speed of 120 km/h, the static evaporation rate (liquid nitrogen) was 0.08%/d, and the maintenance time (liquid nitrogen) reached 92 days. The technical parameters and performance indexes of LNG railway tank car have reached the requirements of design documents and related standards.

LNG; railway tank car; static evaporation rate

U272.4

A

1001-3563(2023)13-0299-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.036

2023?06?19

何遠(yuǎn)新（1983—），男，碩士，教授級(jí)高工，主要研究方向?yàn)樯罾溲b備技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋