磁懸浮列車運(yùn)行所需低真空管道環(huán)境制造與維持技術(shù)研究

劉海嬌

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

0 引言

現(xiàn)代客運(yùn)方式主要有公路、水路、鐵路和航空運(yùn)輸，地面運(yùn)輸工具的速度為0～400 km/h，民航客機(jī)的速度一般為900 km/h。真空管道交通的適用速度在400～1 000 km/h之間，速度優(yōu)于列車，可以與城市交通互聯(lián)，其乘坐的便利性優(yōu)于飛機(jī)。因此，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)真空管道交通系統(tǒng)開展了大量研究。

真空管道列車的概念在上世紀(jì)70年代被提出，從磁懸浮列車在低真空運(yùn)行的環(huán)境制造和維持角度著手進(jìn)行國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和分析，可知國(guó)內(nèi)外典型案例主要有：采用氣動(dòng)/永磁懸浮和輪軌列車的美國(guó)SpaceX Hyperloop[1]、Virgin Hyperloop One公司、HTT公司研究的Hyperloop，加拿大的TransPod等[2]；常導(dǎo)電磁懸浮有瑞士的Swissmetro[3]；采用高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的美國(guó)ET3和我國(guó)西南交通大學(xué)的方案[4]。

真空管道列車系統(tǒng)在速度、運(yùn)量、節(jié)能環(huán)保方面都存在優(yōu)勢(shì)。國(guó)外研究結(jié)果表明，采用效率為80%的壓縮機(jī)對(duì)1條800 km的管道保持0.2 atm的真空度，每年耗能3.6×1012J[5-6]；該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了不同交通工具之間的能耗差異，結(jié)果表明列車在0.2 atm低真空環(huán)境下運(yùn)行的能耗相當(dāng)于飛機(jī)達(dá)到并保持萬米飛行能耗的1/8，在速度達(dá)到普通鐵路5倍左右的情況下能耗僅為普通鐵路的1.23倍，在速度和能耗方面均具有優(yōu)勢(shì)[5-7]。

大尺寸管道低真空環(huán)境的構(gòu)建和安全控制對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)和安全保障至關(guān)重要。為此，本文將基于管道斷面尺寸、真空管道設(shè)計(jì)、管道真空度、阻塞比、磁懸浮列車速度和分段實(shí)施等因素的綜合考慮，探討低真空管道環(huán)境構(gòu)建技術(shù)方案；并基于磁懸浮列車運(yùn)行過程中的真空度控制精度要求、管道最大漏率等，探討真空管道環(huán)境維持技術(shù)方案。

1 低真空效應(yīng)

不同國(guó)家提出的代表性概念產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)包括：真空度、速度目標(biāo)值、低真空管道斷面積等，調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 部分磁浮列車低真空管道建設(shè)參數(shù)

以上參數(shù)為不同國(guó)家在綜合考慮了低真空管道環(huán)境建造和維持的施工難易程度、建造和維持成本投入、能耗、運(yùn)營(yíng)等因素的基礎(chǔ)上制定。建議我國(guó)低真空管道環(huán)境參數(shù)借鑒國(guó)內(nèi)外已有概念產(chǎn)品，并在充分考慮自身需求和實(shí)現(xiàn)程度的基礎(chǔ)上制定，本研究建議的參數(shù)范圍如表2所示。

為了降低運(yùn)行阻力，磁浮列車需要在低真空管道環(huán)境中運(yùn)行，因而首先應(yīng)對(duì)低真空效應(yīng)有充分的認(rèn)識(shí)，并借鑒航天領(lǐng)域的技術(shù)和研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低真空的定義為壓力區(qū)間102～105Pa，在該壓力區(qū)間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的真空效應(yīng)，主要包括：壓力差效應(yīng)、輻射傳熱效應(yīng)、真空放電效應(yīng)，以及材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)。相應(yīng)的影響和應(yīng)對(duì)措施包括以下方面。

表2 低真空管道環(huán)境參數(shù)建議范圍

（1）壓力差效應(yīng)是指低真空管道內(nèi)外存在壓力差，需優(yōu)選管道材料，滿足低真空環(huán)境下的受力要求。

（2）輻射傳熱效應(yīng)是指隨著真空度增高，分子密度降低，能量傳遞減小，傳熱逐漸由對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射向著主要通過輻射變化，在低真空管道環(huán)境下需要采用相變制冷和氣體絕熱膨脹制冷的方式對(duì)列車與空氣摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)行處理(如利用液氮制冷等)。

（3）真空放電效應(yīng)是指在低真空條件下，對(duì)于低真空中必須工作或通電的電子儀器，當(dāng)電極之間發(fā)生自激放電時(shí)擊穿的現(xiàn)象，需要采用熱處理技術(shù)或真空鍍膜技術(shù)對(duì)電子元器件的表面進(jìn)行特殊處理。

（4）材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)是指低真空環(huán)境會(huì)使材料迅速脫氣并加快蒸發(fā)速率，引起材料質(zhì)量損失，造成有機(jī)物的彌散而改變材料原有性能，需要在材料表面鍍保護(hù)膜以防止真空放電和材料的蒸發(fā)、升華[7]。

2 低真空環(huán)境制造

根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果，低真空環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要有活塞推排方案、車載空壓機(jī)方案及真空泵方案等?；钊婆攀窃诹熊嚽胺降墓艿涝O(shè)置排氣口，利用活塞效應(yīng)將管道內(nèi)的空氣排出。車載空壓機(jī)方案是指在運(yùn)行車輛前端安裝空氣壓縮機(jī)吸入管道內(nèi)的氣體，經(jīng)壓縮后收集在車輛所帶的高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)，并在線路終點(diǎn)將氣體帶出管道。真空泵方案是指在管道沿線每隔一定距離布置真空泵站，通過真空泵站對(duì)管道抽真空或補(bǔ)抽氣。

在航天領(lǐng)域、我國(guó)西南交通大學(xué)試驗(yàn)線、美國(guó)Hyperloop試驗(yàn)線上所采用的低真空制造技術(shù)均為真空泵方案。真空泵方案技術(shù)成熟，可滿足最低工作壓強(qiáng)1×10-5Pa的低真空要求，抽氣速率快(現(xiàn)有技術(shù)可達(dá)2×104m3/h)。考慮低真空環(huán)境的實(shí)現(xiàn)、維持及檢維修等情況，該方案是現(xiàn)階段最適合的方案。

3.3 白點(diǎn)病。最近，牙鲆開始在陸地水槽中飼養(yǎng)，而這種疾病易發(fā)于夏季高水溫期水槽內(nèi)飼養(yǎng)的當(dāng)年魚，一旦發(fā)生該病死亡率很高，因此需要重視。

2.1 真空泵方案

真空泵方案的實(shí)現(xiàn)是沿管道線路均勻布置真空泵站，真空泵站中設(shè)置2套真空泵，一套為大抽速真空泵，用于低真空制造前期，可快速排除管道中空氣；另一套為小抽速、極限真空度較低的真空泵，可用于低真空環(huán)境制造的末期，并可用作低真空維持設(shè)備，補(bǔ)償運(yùn)行階段因管道泄漏而升高的真空度。另外，結(jié)合工程條件，采取與真空管道就近、直線布置，以減少配管長(zhǎng)度及抽氣阻力，設(shè)備縱向間距宜為5 km。低真空設(shè)備的總體布置方案如圖1所示。

圖1 真空泵方案設(shè)備布置

2.2 真空泵選型

在充分考慮低真空管道中0.001＜真空度＜0.05的要求，以及大尺寸真空管道中抽氣容積量巨大，參考Hyperloop真空泵選型，對(duì)制造和維持低真空環(huán)境的真空泵主要性能參數(shù)提出建議?？紤]抽真空過程和真空泵在制造低真空管道環(huán)境中的有效抽速和極限壓力，計(jì)算達(dá)到指定真空度的時(shí)間應(yīng)滿足

轉(zhuǎn)換得

式中：t為抽真空時(shí)間，s；V為管道體積，m3；Se為真空泵的有效抽速，m3/s；p為真空管道內(nèi)某一時(shí)刻的壓力，Pa；pu為真空泵的極限壓力，Pa；p0為管道初始?jí)毫?，Pa。

公式（1）中管道體積計(jì)算所用管道長(zhǎng)度為5 km，按照國(guó)內(nèi)主機(jī)廠車輛尺寸(列車斷面2.9 m×3.28 m)，考慮列車截面積、真空度、阻塞比和車輛限界等，管道斷面積宜為28～32 m2，本算例中按照管道半徑為3 m、管道斷面積為28.3 m2計(jì)算。

圖2 為低真空管道達(dá)到相應(yīng)壓力時(shí)所消耗的時(shí)間。選用極限壓力為25 Pa，抽速為10 000 m3/h的真空泵進(jìn)行抽真空作業(yè)時(shí)，當(dāng)?shù)驼婵展艿乐姓婵斩葹?.05時(shí)，抽真空時(shí)間為2 d，速度和時(shí)間均可優(yōu)于美國(guó)Hy‐perloop One公布的數(shù)據(jù)。

圖2 低真空管道內(nèi)壓力-時(shí)間關(guān)系曲線

實(shí)際工程中，可縮短真空泵站之間的距離、增加粗抽泵數(shù)量或選用更大抽速的真空泵作為前級(jí)粗抽泵，以減小抽真空的總時(shí)間。考慮能耗因素，低真空管道環(huán)境中存在大量的設(shè)備，需要定期檢修，但頻繁作業(yè)后將管道恢復(fù)為常壓會(huì)造成大量能耗。因此，真空管道中的設(shè)備宜集中安置，檢修時(shí)只針對(duì)檢修段恢復(fù)常壓。

2.3 真空管道材料選擇

低真空管道環(huán)境的制造過程對(duì)管道材料性能有很高的要求，其中最重要的一項(xiàng)性能就是承壓，由于管道內(nèi)外壓差達(dá)到了9.6×104Pa，對(duì)低真空材料的力學(xué)性能提出了很高的要求。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用于低真空領(lǐng)域的管道制造材料包括但不僅限于以下幾種：輕量化封閉增壓艙體(見圖3)、雙層不銹鋼芯板[8](見圖4)、混凝土加不銹鋼密封[9-10](見圖5)。具體材料選擇還應(yīng)結(jié)合功能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步考慮。

圖3 輕量化封閉增壓艙體

圖4 雙層不銹鋼芯板

圖5 混凝土加不銹鋼密封

3 低真空環(huán)境維持

低真空環(huán)境維持方案可由低真空實(shí)現(xiàn)方案所配置的設(shè)備兼顧實(shí)現(xiàn)，真空泵站中的維持泵可用于低真空環(huán)境制造的末期，并可作為低真空維持設(shè)備，補(bǔ)償運(yùn)行階段因管道泄漏而升高的真空度。低真空環(huán)境維持需要考慮的因素包括：真空測(cè)量、真空檢漏和補(bǔ)漏、低真空與常壓轉(zhuǎn)換。建設(shè)過程中應(yīng)建立真空維持聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問題，盡早檢漏補(bǔ)漏。

3.1 真空測(cè)量

低真空管道環(huán)境的真空壓力測(cè)量范圍在102～105Pa，在實(shí)際中可選用若干種真空計(jì)，相互間的量程有交叉，這樣可以保證所有真空度范圍內(nèi)的壓力值可以連續(xù)測(cè)量、反應(yīng)靈敏，有足夠精確度。全壓力(102～105Pa)范圍真空計(jì)有：布爾登真空計(jì)、汞柱真空計(jì)、電容薄膜真空計(jì)、熱偶真空計(jì)，部分真空計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。組合形式真空計(jì)可選用彈簧管真空計(jì)(103～105Pa)+油柱真空計(jì)/膜盒真空計(jì)(101～103Pa)。

3.2 真空檢漏和補(bǔ)漏

實(shí)際真空系統(tǒng)中漏氣是絕對(duì)的，本研究中的低真空管道系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，即工作時(shí)依靠真空泵持續(xù)抽氣來維持壓力的系統(tǒng)。只要滿足真空度需求，即使存在漏孔也可認(rèn)為該真空系統(tǒng)的漏率是允許的。因此，該系統(tǒng)中的最大允許漏率與系統(tǒng)末期維持泵的抽速直接相關(guān)，最大容許漏率qL,max應(yīng)滿足

式中：pw為系統(tǒng)工作壓力，Pa；S為維持泵有效抽速，m3/s。

參照西南交通大學(xué)試驗(yàn)線的有關(guān)參數(shù)，管道斷面28.3 m2、真空泵布設(shè)距離5 km條件下預(yù)估漏率為40～170 kg/h?？紤]應(yīng)對(duì)管道破損泄露的突發(fā)狀況，維持泵抽速應(yīng)增加200%冗余設(shè)計(jì)，大于660 m3/h。

氦質(zhì)譜檢漏儀是撿漏技術(shù)中應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異、靈敏度高和使用方便的檢漏設(shè)備，適用于低真空管道環(huán)境的檢漏。為滿足強(qiáng)度要求，大量級(jí)真空容器需要大型閥門控制氣體流動(dòng)及使用大型真空法蘭進(jìn)行連接，其特點(diǎn)是真空室壁較厚、焊縫長(zhǎng)，應(yīng)在密封或檢漏設(shè)計(jì)中給予重點(diǎn)關(guān)注。一般情況下，真空檢漏時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的部位包括焊接部位、法蘭接口部位、閥門部位、波紋管部位及其他密封部位。

圖6 真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖[7]

3.3 低真空與常壓轉(zhuǎn)換

目前安全可靠的低真空與常壓轉(zhuǎn)換方式主要有2種，真空接駁和設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)，分別如圖7和圖8所示。

圖7 低真空接駁隔離門[2]

圖8 低真空與常壓件設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)

在因事故或其他因素引起需要實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)壓的情況下，開啟破空復(fù)壓用擋板閥，利用室外與管道內(nèi)氣壓差，實(shí)現(xiàn)快速破空。

低真空管道沿線布設(shè)多個(gè)提供生命保障支持的救生設(shè)備，當(dāng)真空管道所處地段發(fā)生不可控自然力破壞時(shí)，可以為避難人員提供必需的生存環(huán)境條件，有效保證工作人員的生命安全。為避難人群提供氧氣；對(duì)避難艙內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行控制；具有CO2、CO去除功能。避難時(shí)間≥5 d；艙內(nèi)溫度≤35℃；整個(gè)系統(tǒng)采用非電力模式工作。

4 結(jié)論

伴隨著出行需求提升，磁懸浮列車已經(jīng)成為軌道交通行業(yè)研究的熱點(diǎn)，磁懸浮列車運(yùn)行所需的大尺寸低真空管道環(huán)境是復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程，對(duì)磁懸浮列車運(yùn)行所需低真空管道環(huán)境制造與維持技術(shù)進(jìn)行了探討，總結(jié)如下。

（1）研究推薦了低真空管道環(huán)境適宜的參數(shù)范圍，應(yīng)對(duì)該環(huán)境下低真空效應(yīng)的措施包括：優(yōu)選管道材料以應(yīng)對(duì)壓力差效應(yīng)；采用相變制冷和氣體絕熱膨脹制冷的方式處理列車與空氣摩擦產(chǎn)生的熱量；在材料表面鍍保護(hù)膜以防止真空放電和材料的蒸發(fā)、升華。

（2）針對(duì)抽速為10 000 m3/h的真空泵，計(jì)算半徑為3 m、長(zhǎng)5 km的管道所需抽真空時(shí)間為2 d，若考慮時(shí)間因素，可通過縮短泵站之間的距離或選用抽速更大的真空泵來減小抽真空的總時(shí)間。推薦了適合建造低真空管道的材料，包括輕量化封閉增壓艙體、雙層不銹鋼芯板、混凝土加不銹鋼密封。

（3）低真空環(huán)境維持方案可由低真空實(shí)現(xiàn)方案所配置的設(shè)備兼顧實(shí)現(xiàn)。真空壓力測(cè)量設(shè)備滿足連續(xù)測(cè)量、反應(yīng)靈敏、高精度要求；依靠維持泵持續(xù)工作補(bǔ)充因真空管道泄漏降低的真空度；推薦氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行低真空管道環(huán)境的檢漏；推薦真空接駁和設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)實(shí)現(xiàn)低真空與常壓的轉(zhuǎn)換。