我國(guó)乏燃料貨包鐵路運(yùn)輸限界相關(guān)問(wèn)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(yùn)輸部，北京 100037)

隨著我國(guó)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(guó)的核燃料閉式循環(huán)政策[1-2]，乏燃料最終將運(yùn)輸至乏燃料后處理廠處理。我國(guó)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(yùn)輸距離長(zhǎng)、運(yùn)輸來(lái)源分散的特點(diǎn)。因此，可以將乏燃料貨包通過(guò)專用船舶運(yùn)輸至某一確定中轉(zhuǎn)港，通過(guò)鐵路集中運(yùn)輸至后處理廠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)安全、高效的乏燃料運(yùn)輸。在開(kāi)展鐵路運(yùn)輸前期，應(yīng)根據(jù)鐵路貨物運(yùn)輸相關(guān)規(guī)定，對(duì)其外形尺寸、重心等進(jìn)行核查驗(yàn)算，以確保乏燃料貨包鐵路運(yùn)輸組織的安全高效。

1 乏燃料貨包鐵路運(yùn)輸車(chē)型選擇

1.1 乏燃料貨包運(yùn)輸特征及主要參數(shù)

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

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

1.2 鐵路運(yùn)輸車(chē)輛選型原則

根據(jù)乏燃料運(yùn)輸貨包尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)，為保證鐵路運(yùn)輸車(chē)輛裝載貨物后的運(yùn)行穩(wěn)定性，車(chē)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(yùn)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(chē)輛，則車(chē)輛應(yīng)當(dāng)至少滿足載重130 t。

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

（3）車(chē)輛底架心盤(pán)中心距、銷(xiāo)距[3-4]。根據(jù)車(chē)輛自身構(gòu)造特點(diǎn)，車(chē)輛底架心盤(pán)銷(xiāo)距(L1)、中心距(L2)將直接影響列車(chē)在曲線行駛過(guò)程中車(chē)底板縱向中心線偏離車(chē)輛走行部的程度，應(yīng)盡量選擇L1，L2較小的的車(chē)輛，以降低貨包車(chē)的計(jì)算半寬度。

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

1.3 現(xiàn)有車(chē)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(yùn)輸規(guī)則中所列車(chē)輛[5]，選取D15B，D2，D9G，D15A 4種車(chē)型作為參考車(chē)型，鐵路貨車(chē)車(chē)輛參數(shù)如表2所示。車(chē)型參數(shù)對(duì)比分析雷達(dá)圖如圖1所示。

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

圖1 車(chē)型參數(shù)對(duì)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(xiàng)參數(shù)相對(duì)最優(yōu)，因而以D15B型車(chē)輛裝載為基礎(chǔ)，對(duì)乏燃料貨包鐵路運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)限界進(jìn)行計(jì)算分析。

2 鐵路貨物運(yùn)輸限界分析

2.1 檢定斷面及計(jì)算點(diǎn)的選定

檢定斷面應(yīng)選擇在橫斷面發(fā)生變化時(shí)橫向有突出的斷面。根據(jù)乏燃料運(yùn)輸貨包的外廓尺寸特征，當(dāng)采用均衡裝載時(shí)(即貨包重心所在斷面與車(chē)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(jì)算點(diǎn)為檢定斷面上需要核定貨物計(jì)算寬度以確定其是否超限的點(diǎn)[6]，即檢定斷面在不同高度區(qū)間寬度最大的點(diǎn)，根據(jù)乏燃料貨包外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取計(jì)算點(diǎn)位于貨包垂直方向上最高點(diǎn)(貨包中心斷面垂直方向處寬度為0，且鐵路運(yùn)輸貨包車(chē)輛高度低于鐵路運(yùn)輸高度限值，對(duì)計(jì)算點(diǎn)1不再進(jìn)行分析)，按照鐵路運(yùn)輸超限貨物運(yùn)輸規(guī)則[4-5]，貨包最大直徑外端點(diǎn) (1 250 mm ～ 3 600 mm)、運(yùn)輸托架外側(cè) (800 mm ～1 250 mm)。

2.2 重車(chē)重心高限定

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

若使貨包重車(chē)重心高低于2 000 mm，則需滿足[7]

式中：H為重車(chē)重心高，mm；Qc為鐵路車(chē)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(chē)輛車(chē)底板高度，mm。

當(dāng)采用D15B型凹底平板車(chē)進(jìn)行裝載時(shí)，Qc= 50 t，hh= 680 mm，hB= 800 mm，若使重車(chē)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(shí)，則貨包重車(chē)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(yùn)輸規(guī)則》[5]提出貨包超限驗(yàn)算方法，當(dāng)采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)D15B型凹底平車(chē)進(jìn)行裝載時(shí)，若使貨包在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中不超出限界，當(dāng)側(cè)高1 250 mm≤H≤3 600 mm時(shí)，應(yīng)滿足

式中：B為貨包計(jì)算半寬，mm；x為貨包橫斷面距車(chē)輛中心橫斷面之間的距離，為距離車(chē)底板中心橫斷面距離為x處的貨包實(shí)際半寬，mm。

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

據(jù)此計(jì)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(chē)輛橫向中心線對(duì)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(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)盡量使上下減震器內(nèi)斷面距離車(chē)底板中心橫斷面距離相等，以確保兩斷面距車(chē)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(yùn)輸限界分析

3.1 乏燃料貨包超機(jī)車(chē)限界基本輪廓

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

表3 超限運(yùn)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(chē)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(jī)車(chē)車(chē)輛限界的情況下，可通過(guò)優(yōu)化尺寸參數(shù)，使其盡可能對(duì)鐵路運(yùn)輸組織的影響最小，W為兩列車(chē)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(chē)按非超限條件運(yùn)行，取其外廓尺寸為標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛限界值)。相鄰線路列車(chē)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(chē)間距示意圖Fig.6 Schematic of train distance between adjacent lines

根據(jù)《鐵路線路設(shè)計(jì)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(yùn)輸?shù)那闆r下，相鄰線路之間列車(chē)裝載貨物之間距離大于規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，列車(chē)運(yùn)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(chē)運(yùn)行速V≤120 km/h，對(duì)驗(yàn)算貨包的尺寸限制更為嚴(yán)苛[12]。不限速運(yùn)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(yàn)算及分析

3.2.1 重車(chē)重心高驗(yàn)算

目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展乏燃料公路運(yùn)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(duì)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(chē)重心高驗(yàn)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(yùn)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(chē)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(chē)重心高驗(yàn)算分析圖Fig.8 Checking calculation diagram of center of gravity for heavy load cargo

3.2.2 超限界驗(yàn)算

按照貨包幾何中心在車(chē)底板中心橫斷面上進(jìn)行裝載時(shí)，TUK-153、NAC-STC 2種貨包減震器內(nèi)斷面距車(chē)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(jì)算半寬與該斷面處不超限允許最大半寬值進(jìn)行對(duì)比分析。減震器所在斷面處貨包計(jì)算半寬分析如表8所示。

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

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

由以上計(jì)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(yùn)輸限界要求。

表9 0 mm斷面處貨包計(jì)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(yùn)輸貨包尺寸、車(chē)輛選型對(duì)鐵路運(yùn)輸是否超限、限速有著十分顯著的影響，針對(duì)鐵路運(yùn)輸限界要求，對(duì)乏燃料鐵路運(yùn)輸?shù)贸鲆韵陆Y(jié)論。

（1）乏燃料貨包鐵路運(yùn)輸車(chē)輛需要根據(jù)貨包尺寸大、質(zhì)量大的特點(diǎn)選取車(chē)輛底架心盤(pán)距離小、車(chē)底板高度低的車(chē)輛。

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

（3）通過(guò)對(duì)超鐵路機(jī)車(chē)基本限界輪廓的情況進(jìn)行分析，提出鄰線運(yùn)行速度不高于160 km/h的條件下，不限制運(yùn)輸速度的貨包建議尺寸。

（4）乏燃料運(yùn)輸貨包的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮鐵路運(yùn)輸限界相關(guān)要求，因限界本身考慮了一定的安全余量，對(duì)于超出鐵路機(jī)車(chē)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。