國內(nèi)外低壓液化氣體鐵路罐車設(shè)計的比對和探討

王 偉，朱英波，鄭繼承，李照明

（中車西安車輛有限公司，西安 710086）

0 引言

目前，各國液化氣體鐵路罐車設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，主要包括中國的TSG+GB體系、歐盟的RID+EN體系、美國的DOT+AAR體系，以及澳大利亞AS、日本JIS等標(biāo)準(zhǔn)體系［1-3］。由于歐盟和美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系的建立時間較長，基礎(chǔ)性研究工作較為深入，影響較為深遠(yuǎn)，故本文僅對中國、歐盟、美國法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系有關(guān)鐵路罐車罐體設(shè)計的規(guī)定進(jìn)行簡要梳理，并且按照上述不同規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在相同設(shè)計條件下對幾種典型低壓液化氣體鐵路罐車（以下簡稱鐵路罐車）罐體設(shè)計結(jié)果進(jìn)行比對。由于各國壓力容器規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系的不同，及其選用失效模式和設(shè)計準(zhǔn)則的不同，所以其設(shè)計參數(shù)和設(shè)計結(jié)果存在一定的差異是必然的，經(jīng)分析后提出幾點思考意見。

1 國內(nèi)外現(xiàn)行鐵路罐車法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系概要

1.1 中國現(xiàn)行鐵路罐車法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系

中國鐵路罐車應(yīng)當(dāng)遵循的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，一般分為4個層次：第一層次為全國人大頒布的《中華人民共和國特種設(shè)備安全法》；第二層次為國務(wù)院頒布的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》；第三層次為國務(wù)院相關(guān)部委發(fā)布的TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［4］（以下簡稱《移動容規(guī)》）等安全技術(shù)規(guī)范；第四層次為相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如GB/T 10478—2017《液化氣體鐵路罐車》、GB/T 150.2—2011《壓力容器 第2部分：材料》、GB/T 150.3—2011《壓力容器第3部分：設(shè)計》等安全技術(shù)規(guī)范引用的協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)和各種基礎(chǔ)性的方法、材料、檢驗等標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 歐盟現(xiàn)行鐵路罐車法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系

歐盟鐵路罐車容器部分應(yīng)當(dāng)遵循的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，一般分為2個層次：第一層次為歐盟承壓設(shè)備指令2010/35/EU《移動式承壓設(shè)備指令》；第二層次為由歐洲最主要的標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)（CEN/CENELEC）制定的適用于歐共體和歐洲自由貿(mào)易區(qū)范圍內(nèi)的19個成員國的標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱EN標(biāo)準(zhǔn)）。鐵路罐車作為危險貨物包裝容器，還須滿足RID《國際危險貨物鐵路運(yùn)輸?shù)臍W洲協(xié)議》［5］（以下簡稱RID）的相關(guān)要求。在RID締約國內(nèi)使用的鐵路罐車，其設(shè)計、建造應(yīng)符合RID第6.8章和EN 14025—2018《危險貨物運(yùn)輸罐金屬壓力罐 設(shè)計和建造》［6］（以下簡稱EN 14025）的相關(guān)規(guī)定。同時，為了擴(kuò)大跨歐大陸鐵路運(yùn)輸，鐵路罐車還須滿足TSI《歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

1.3 美國現(xiàn)行鐵路罐車法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系

美國鐵路罐車應(yīng)當(dāng)遵循的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系，一般分為2個層次：第一層次為美國聯(lián)邦鐵路管理署（FRA）組織并經(jīng)國會批準(zhǔn)頒布的美國聯(lián)邦法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)49 CFR §173.31、§173.314、§179.100～§179.103［7］（以下簡稱DOT規(guī)范）；第二層次為北美鐵路協(xié)會發(fā)布的《AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊》C分冊（Ⅲ）《罐車規(guī)范》［8］（M-1002，以下簡稱AAR）。美國機(jī)械工程師協(xié)會發(fā)布的ASME-Ⅻ卷《運(yùn)輸罐建造和延續(xù)使用規(guī)則》模式附錄2（以下簡稱ASME-Ⅻ）預(yù)留了鐵路罐車章節(jié)并正在編制中，編制完成后，鐵路罐車還應(yīng)滿足ASME-Ⅻ的相關(guān)要求。

2 國內(nèi)外鐵路罐車主要設(shè)計參數(shù)的規(guī)定

2.1 國內(nèi)外鐵路罐車罐體設(shè)計溫度的規(guī)定

（1）中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10478—2017規(guī)定無隔熱結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計溫度不低于50℃。

（2）歐盟EN 14025標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定罐體設(shè)計壓力由介質(zhì)設(shè)計溫度或50℃飽和蒸氣壓（以較高值為準(zhǔn)）確定，故歐盟鐵路罐車有隔熱結(jié)構(gòu)罐體和無隔熱結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計溫度均不得低于50℃。

（3）美國DOT規(guī)范和AAR標(biāo)準(zhǔn)未直接規(guī)定罐體設(shè)計溫度，但從對安全閥整定壓力的描述中可以得出，無隔熱結(jié)構(gòu)的罐體設(shè)計溫度不低于46℃；有保溫結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計溫度不低于43℃；有隔熱結(jié)構(gòu)罐體設(shè)計溫度不低于41℃。由于DOT規(guī)范規(guī)定鐵路罐車罐體必須設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)，故美國鐵路罐車罐體設(shè)計溫度不低于41℃。

2.2 國內(nèi)外鐵路罐車罐體工作壓力、設(shè)計壓力、計算壓力的規(guī)定

2.2.1 中國鐵路罐車罐體工作壓力、設(shè)計壓力、計算壓力的規(guī)定

GB/T 10478—2017規(guī)定罐體設(shè)計壓力應(yīng)不小于下列任一工況中工作壓力的最大值，且無隔熱結(jié)構(gòu)充裝液化氣體介質(zhì)罐體設(shè)計壓力不得小于0.7 MPa：（1）充裝、卸料工況的工作壓力；（2）設(shè)計溫度下介質(zhì)的飽和蒸氣壓（表壓）；（3）正常運(yùn)輸使用中，罐體內(nèi)采用不溶性氣體保護(hù)時，由介質(zhì)在設(shè)計溫度下的飽和蒸氣壓（表壓）與罐體內(nèi)頂部氣相空間不溶性氣體分壓力之和確定的工作壓力。

罐體受壓元件計算壓力應(yīng)不小于設(shè)計壓力與液柱靜壓力、等效壓力之和。等效壓力按相應(yīng)方向（縱向、垂向、橫向）的慣性力載荷（等效為靜態(tài)力）除以所對應(yīng)作用方向的罐體有效截面的所得值中的最大值，且不小于0.035 MPa。

2.2.2 歐盟鐵路罐車罐體工作壓力、設(shè)計壓力、計算壓力的規(guī)定

RID規(guī)范中定義的最大工作壓力MWP（表壓）為下列3種壓力的最高值：（1）允許的最大充裝壓力；（2）允許的最大卸載壓力；（3）罐體內(nèi)介質(zhì)（包括可能包含的外來氣體）在最高工作溫度下的有效表壓力。

另外，最大工作壓力MWP（表壓）的數(shù)值應(yīng)不低于充裝介質(zhì)在50℃時的飽和蒸氣壓（絕對壓力）。

EN 14025標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)計壓力P=max｛MWP；（Pvap-0.1）+Pdyn｝，相當(dāng)于中國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的計算壓力。其中，MWP定義如上；Pvap為介質(zhì)設(shè)計溫度或50℃飽和蒸氣壓（絕對壓力），取二者中的大值；Pdyn為動載荷等效壓力，動載荷符合TSI的規(guī)定，動載荷換算成等效壓力的原則與中國標(biāo)準(zhǔn)基本一致。

2.2.3 美國鐵路罐車罐體工作壓力、設(shè)計壓力、計算壓力的規(guī)定

DOT規(guī)范和AAR標(biāo)準(zhǔn)中沒有工作壓力的直接定義，但在相關(guān)條文中所體現(xiàn)的確定原則與中國和歐盟規(guī)范基本相同。DOT規(guī)范規(guī)定了各等級鐵路罐車的罐體爆破壓力，并由此確定罐體壁厚。罐體爆破壓力為耐壓試驗壓力的2.5倍。

2.3 國內(nèi)外鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力的規(guī)定

2.3.1 中國鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力的規(guī)定

GB/T 10478—2017規(guī)定罐體液壓試驗壓力最小值為1.3倍設(shè)計壓力乘以試驗溫度下材料的許用應(yīng)力和設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力的比值。罐體按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值進(jìn)行耐壓試驗時，無需對罐體應(yīng)力進(jìn)行校核，當(dāng)液壓試驗壓力值超過最低要求值時應(yīng)對罐體應(yīng)力進(jìn)行校核，要求罐體元件最大總體薄膜應(yīng)力不得大于0.9倍罐體材料在試驗溫度下的屈服強(qiáng)度（或0.2%非比例延伸強(qiáng)度）。

2.3.2 歐盟鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力的規(guī)定

在RID規(guī)范第4.3.3.2節(jié)的表格中規(guī)定了罐車罐體的最小耐壓試驗壓力值。最小耐壓試驗壓力值整體確定原則為：無隔熱結(jié)構(gòu)罐體為介質(zhì)65℃時的飽和蒸汽壓（表壓）；有隔熱結(jié)構(gòu)罐體為介質(zhì)60℃時的飽和蒸汽壓（表壓），但部分介質(zhì)例外（如環(huán)氧乙烷等）。EN 14025標(biāo)準(zhǔn)、RID規(guī)范規(guī)定耐壓試驗工況下罐體材料的許用應(yīng)力值為0.75倍材料標(biāo)準(zhǔn)室溫屈服強(qiáng)度（或0.2%非比例延伸強(qiáng)度）和0.5倍材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值二者中的較小值。

2.3.3 美國鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力的規(guī)定

DOT規(guī)范規(guī)定罐體耐壓試驗壓力值應(yīng)大于或等于下列壓力值中的較大值：（1）除運(yùn)輸二氧化碳、無水氯化氫、氟化乙烯、乙烯、氫等介質(zhì)外，無隔熱結(jié)構(gòu)罐體在46℃或隔熱結(jié)構(gòu)罐體在41℃下的介質(zhì)飽和蒸氣壓加上靜壓頭和保護(hù)性氣體壓力總和的133%；（2）最大負(fù)載壓力或空載壓力中較大值的133%；（3）對有毒物質(zhì)，不低于2.07 MPa；（4）§179規(guī)定的最小耐壓試驗壓力。

罐體耐壓試驗壓力無上限值規(guī)定，無需進(jìn)行罐體應(yīng)力校核，以罐體未出現(xiàn)不可接受變形為合格。

2.4 國內(nèi)外鐵路罐車罐體安全閥整定壓力的規(guī)定

（1）中國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，罐體安全泄放裝置單獨(dú)采用安全閥時，安全閥的整定壓力應(yīng)當(dāng)為罐體設(shè)計壓力的（1.05～1.10）倍，即耐壓試驗壓力的（0.81～0.85）倍。

（2）歐盟RID規(guī)范規(guī)定，當(dāng)壓力達(dá)到罐體耐壓試驗壓力的（0.9～1.0）倍之間時，安全閥應(yīng)自動開啟。

（3）美國DOT規(guī)范規(guī)定，安全閥整定壓力下限值為介質(zhì)液柱靜壓力、保護(hù)性氣體壓力、參考溫度下介質(zhì)飽和蒸汽壓力之和，且不能低于0.517 MPa或超過33%的罐體最小爆破壓力（即耐壓試驗壓力的0.83倍），其中參考溫度一般為：無隔熱結(jié)構(gòu)罐體為46℃、有保溫結(jié)構(gòu)罐體為43℃、有隔熱結(jié)構(gòu)罐體為41℃。

2.5 比對分析

通過梳理國內(nèi)外規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對鐵路罐車罐體設(shè)計參數(shù)的規(guī)定及其比對，分析如下。

（1）中國鐵路罐車，無隔熱結(jié)構(gòu)罐體的設(shè)計溫度不得低于50℃；歐盟鐵路罐車，無隔熱結(jié)構(gòu)罐體和有隔熱結(jié)構(gòu)罐體的設(shè)計溫度均不得低于50℃；美國鐵路罐車，由于要求罐體必須具有隔熱結(jié)構(gòu)，所以其設(shè)計溫度不得低于41℃。

（2）中國和歐盟鐵路罐車計算罐體壁厚用壓力的確定原則非常相近，美國則有明顯差別。

（3）中國和美國鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力確定原則部分相似，但美國更為細(xì)致，歐盟則完全不同。中國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對罐體耐壓試驗壓力沒有與確定罐體壁厚的計算壓力相關(guān)聯(lián)，而是與設(shè)計壓力相關(guān)聯(lián)，即沒有考慮慣性力載荷的等效壓力和介質(zhì)液柱靜壓力引起罐體壁厚增加的影響，達(dá)不到盡量用較大的耐壓試驗壓力在罐體制成后，對其選材、設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)以及制造質(zhì)量進(jìn)行綜合檢查的目的。

（4）如果將罐體安全閥整定壓力與耐壓試驗壓力相關(guān)聯(lián)，即安全閥整定壓力與罐體耐壓試驗壓力的接近程度，歐盟最接近，也就是其安全閥整定壓力相對較高，中國和美國相當(dāng)。但由于各國耐壓試驗壓力確定原則的差異，實際數(shù)值需要核算后比較。

3 國內(nèi)外鐵路罐車罐體設(shè)計計算方法及安全系數(shù)比較

3.1 中國鐵路罐車罐體設(shè)計

3.1.1 罐體設(shè)計計算方法

《移動容規(guī)》和GB/T 10478—2017均規(guī)定罐體設(shè)計可以采用規(guī)則設(shè)計或者分析設(shè)計的方法。采用規(guī)則設(shè)計的按GB/T 150.3—2011的規(guī)定，局部采用應(yīng)力分析的按JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（2005年確認(rèn)）》（以下簡稱JB 4732—1995）的規(guī)定。整體采用分析設(shè)計的按JB 4732—1995的規(guī)定。罐體整體采用規(guī)則設(shè)計，局部采用分析設(shè)計時，其材料許用應(yīng)力按GB/T 150.2—2011選取。罐體采用整體分析設(shè)計時，其材料設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度按JB 4732—1995選取。這里要注意的是，整體規(guī)則設(shè)計和分析設(shè)計中確定材料許用應(yīng)力或者設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度的系數(shù)，即安全系數(shù)是不一致的，也就是允許采用降低確定材料許用應(yīng)力系數(shù)的方法進(jìn)行整體分析設(shè)計。

3.1.2 罐體筒體壁厚計算方法

（1）規(guī)則設(shè)計。

按GB/T 150.3—2011規(guī)定的方法，按公式（1）計算筒體的計算厚度，其設(shè)計厚度不得小于計算厚度和腐蝕裕量二者之和與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度的較大值。

式中 δ，Di——筒體計算厚度、筒體內(nèi)徑，mm；

PC——計算壓力，MPa；

［σ］t——設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力，MPa；

φ——焊接接頭系數(shù)。

（2）分析設(shè)計。

罐體按JB 4732—1995規(guī)定的方法進(jìn)行分析設(shè)計。需要注意的是，由于規(guī)范制定和標(biāo)準(zhǔn)修訂的不同步，目前《移動容規(guī)》和JB 4732—1995規(guī)定了不同的安全系數(shù)?？紤]到JB 4732—1995正在修訂，確定材料設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度的系數(shù)極有可能降低到與《移動容規(guī)》相同的數(shù)值，出于對規(guī)范修改提供建議的目的，本文僅對兩種不同安全系數(shù)下理論計算結(jié)果進(jìn)行比對分析，實際產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格選取現(xiàn)行JB 4732—1995中規(guī)定的系數(shù)。按照J(rèn)B 4732—1995進(jìn)行分析計算的具體方法本文不再贅述。

3.2 歐盟鐵路罐車罐體設(shè)計

3.2.1 罐體設(shè)計計算方法

罐體強(qiáng)度按EN 14025規(guī)定的公式進(jìn)行設(shè)計計算，對于EN 14025中未給出的結(jié)構(gòu)類型，依照EN 13445-3《非直接火壓力容器 第3部分：設(shè)計》［9］的規(guī)定。EN 14025規(guī)定的罐體設(shè)計計算公式是基于第一強(qiáng)度理論和彈性失效準(zhǔn)則，屬于規(guī)則設(shè)計方法。未給出的結(jié)構(gòu)類型是指可按照EN 13445-3附錄C 進(jìn)行分析設(shè)計的結(jié)構(gòu)。EN 13445-3附錄C采用應(yīng)力分類的分析設(shè)計法，基于第三強(qiáng)度理論和塑性失效準(zhǔn)則。這里要注意的是，EN 13445-3附錄C中確定材料許用應(yīng)力的系數(shù)與EN 14025的規(guī)定是相同的，不允許采用降低確定材料許用應(yīng)力系數(shù)的方法進(jìn)行整體分析設(shè)計。

3.2.2 罐體筒體壁厚計算方法

EN 14025規(guī)定罐體筒體壁厚按以下4種方法計算，且取4種方法計算結(jié)果的最大值。

（1）按RID規(guī)定的耐壓試驗壓力和操作壓力計算的筒體厚度，取公式（2）（3）計算值的較大值。

式中 e，D——筒體厚度、筒體內(nèi)徑，mm；

PT——耐壓試驗壓力，MPa；

σ——材料許用應(yīng)力，MPa；

λ——焊接接頭系數(shù)；

PC——計算壓力（裝卸壓力的1.3倍，且不小于0.4 MPa），MPa。

（2）按RID規(guī)定的基準(zhǔn)鋼厚度，按公式（4）計算筒體的最小厚度。

式中 e1——筒體最小厚度，mm；

e0——基準(zhǔn)鋼的筒體最小厚度（殼體直徑小于或等于1.8 m時，e0=5 mm；大于1.8 m時，e0=6 mm），mm；

Rm1——材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

A1——材料的斷后伸長率（%）。

（3）按EN 14025中規(guī)定的設(shè)計壓力，按公式（5）計算筒體的厚度。

式中 e1——筒體厚度，mm；

P——設(shè)計壓力（見本文第2.2.2節(jié)），MPa；

fd——材料許用應(yīng)力，MPa。

（4）按EN 14025規(guī)定的耐壓試驗壓力，按公式（6）計算筒體的厚度。

式中 Pt——耐壓試驗壓力，MPa。

3.3 美國鐵路罐車罐體設(shè)計

3.3.1 罐體設(shè)計計算方法

美國鐵路罐車采用規(guī)則設(shè)計加經(jīng)驗設(shè)計的方法，DOT規(guī)范規(guī)定了罐體壁厚計算公式和最小要求厚度，AAR-C分冊（Ⅲ）附錄E對開孔、人孔蓋、保護(hù)罩、閥座等典型結(jié)構(gòu)給出了非常詳細(xì)的設(shè)計細(xì)節(jié)。

DOT規(guī)范和AAR由于采用爆破失效模式和相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則，所以沒有給出罐體強(qiáng)度計算安全系數(shù)，但可通過比照歐盟標(biāo)準(zhǔn)推算得出。下文式（7）中罐體爆破壓力下的筒體應(yīng)力與材料抗拉強(qiáng)度下限值（Rm）相等，即爆破壓力下的罐體安全系數(shù)為1.0。罐體爆破壓力為耐壓試驗壓力的2.5倍，即耐壓試驗下罐體的安全系數(shù)為2.5。歐盟耐壓試驗工況下材料許用應(yīng)力為Rm/2，即耐壓試驗下罐體的安全系數(shù)為2.0。美國和歐盟耐壓試驗下罐體安全系數(shù)的比值為1.25。將此比照到正常操作工況，美國的安全系數(shù)為3.0（2.4×1.25=3.0）。在AAR附錄E人孔蓋中心厚度計算公式中，材料許用應(yīng)力取1/3倍的抗拉強(qiáng)度，間接證明推導(dǎo)結(jié)果比較合理。

3.3.2 罐體筒體壁厚計算方法

罐體筒體壁厚不得低于按下式計算的厚度：

式中 t，d——最小筒體厚度、筒體內(nèi)徑，mm；

P——罐體爆破壓力，MPa；

S——材料的抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；

E——焊接接頭系數(shù)，E=1.0（帶拼接焊縫封頭E=0.9）。

3.4 國內(nèi)外鐵路罐車罐體安全系數(shù)的比較

中國、歐盟、美國罐體碳鋼和低合金鋼材料確定許用應(yīng)力的系數(shù)（安全系數(shù)）見表1。

表1 中國、歐盟、美國鐵路罐車罐體安全系數(shù)的比較

3.5 比對分析

通過對國內(nèi)外鐵路罐車罐體強(qiáng)度設(shè)計計算方法和確定材料許用應(yīng)力系數(shù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，歐盟鐵路罐車罐體整體采用規(guī)則設(shè)計方法，局部可以采用分析設(shè)計方法，但兩種方法確定材料許用應(yīng)力的系數(shù)是一致的，不允許采用降低確定材料許用應(yīng)力系數(shù)的整體分析方法進(jìn)行罐體設(shè)計，這與中國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)有明顯區(qū)別。美國罐體強(qiáng)度計算采用規(guī)則設(shè)計加經(jīng)驗設(shè)計，罐體安全系數(shù)高于中國和歐盟的規(guī)定。

4 國內(nèi)外鐵路罐車設(shè)計案例比較

本文以丙烯鐵路罐車（罐體內(nèi)徑3 000 mm，等效壓力0.19 MPa）、無水氨鐵路罐車（罐體內(nèi)徑3 000 mm，等效壓力0.2 MPa）、氯鐵路罐車（罐體內(nèi)徑2 800 mm，等效壓力0.36 MPa）為設(shè)計案例，罐體選擇Q345R和P460NL1兩種材料，分別采用中國、歐盟、美國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行罐體設(shè)計，并對筒體計算厚度、罐體耐壓試驗壓力、安全閥整定壓力等結(jié)果進(jìn)行比較（為便于比較，統(tǒng)一為中國規(guī)范術(shù)語）。Q345R和P460NL1材料的主要力學(xué)性能指標(biāo)和許用應(yīng)力值見表2。

設(shè)計案例的3種罐車，按中國、歐盟規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計比較時罐體為裸罐。按美國規(guī)范設(shè)計時，上述 3 種罐車以介質(zhì)對應(yīng)的DOT 車型DOT112J400W （Trinity 公司）、DOT112J340W（GATX 公司）/DOT112J500W（Trinity公司）、DOT105J500W（GATX公司）規(guī)定的壓力參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，罐體內(nèi)徑參數(shù)同前。3種罐車規(guī)則設(shè)計和分析設(shè)計罐體計算厚度結(jié)果見表3（不包含腐蝕裕量）。

表2 Q345R和P460NL1主要力學(xué)性能指標(biāo)及許用應(yīng)力

表3 丙烯、無水氨、氯鐵路罐車罐體設(shè)計計算結(jié)果

通過表3三種罐車罐體設(shè)計結(jié)果的比對，可以得出以下結(jié)果。

（1）按中國GB/T 150.3—2011，采用規(guī)則設(shè)計方法，在相同設(shè)計條件下，罐體筒體的計算厚度一般要略大于按歐盟規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的計算結(jié)果，如選用Q345R材料時，丙烯罐車罐體筒體壁厚大于歐盟罐體1.16 mm，氯罐車筒體壁厚大于歐盟罐體1.37 mm，無水氨罐車筒體壁厚則小于歐盟罐體0.29 mm。

（2）按中國JB 4732—1995，采用分析設(shè)計方法（取JB 4732—1995中規(guī)定的安全系數(shù)），在相同設(shè)計條件下，罐體筒體的計算厚度和按歐盟規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的計算結(jié)果總體相當(dāng)，如選用Q345R材料時，丙烯罐車罐體筒體壁厚大于歐盟罐體0.53 mm，氯罐車筒體壁厚大于歐盟罐體0.64 mm，無水氨罐車筒體壁厚小于歐盟罐體0.92 mm。

（3）按中國JB 4732—1995，采用分析設(shè)計方法（取《移動容規(guī)》規(guī)定的安全系數(shù)），在相同設(shè)計條件下，罐體筒體的計算厚度均小于按歐盟規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的計算結(jié)果，如選用Q345R材料，丙烯罐車罐體筒體壁厚小于歐盟罐體1.07 mm，氯罐車筒體壁厚小于歐盟罐體0.29 mm，無水氨罐車筒體壁厚小于歐盟罐體2.49 mm。

（4）按美國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的帶隔熱層罐體筒體壁厚整體上遠(yuǎn)大于按中國和歐盟標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的裸罐罐體筒體厚度，如美國丙烯鐵路罐車罐體筒體壁厚比中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則設(shè)計方法設(shè)計的罐體筒體壁厚大3.3 mm左右。

（5）整體上，美國對危險特性越高（丙烯2.1、無水氨2.3/8、氯2.3/8）的介質(zhì)采用壓力等級越高的罐車，相應(yīng)罐體壁厚越大。

（6）歐盟和美國罐車耐壓試驗壓力整體上高于中國。

（7）歐盟和美國鐵路罐車罐體安全閥整定壓力整體上高于中國。

5 國內(nèi)外鐵路罐車市場主流產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)對比

5.1 國內(nèi)外鐵路罐車整體結(jié)構(gòu)比較

國內(nèi)外鐵路罐車整體均由罐體、裝卸裝置、底架、轉(zhuǎn)向架、制動裝置、車鉤緩沖裝置等組成［10］。圖1，2分別示出美國、歐盟液化石油氣鐵路罐車。

圖1 美國液化石油氣鐵路罐車（DOT112J340W）結(jié)構(gòu)示意

圖2 歐盟液化石油氣鐵路罐車結(jié)構(gòu)示意

中國低壓液化氣體鐵路罐車罐體通常為裸罐。歐盟鐵路罐車分為裸罐和設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)兩種類型，市場主流產(chǎn)品為裸罐結(jié)構(gòu)。美國DOT規(guī)范規(guī)定，裝運(yùn)2類介質(zhì)鐵路罐車罐體必須設(shè)置隔熱結(jié)構(gòu)并用金屬外殼加以保護(hù)［11］。國內(nèi)外鐵路罐車罐體內(nèi)基本都不設(shè)置防波板，這源于20世紀(jì)中葉，由國際鐵路聯(lián)盟（UIC）組織進(jìn)行了大量試驗，證明不論裝載程度如何，無防波板罐車均能安全進(jìn)行國際運(yùn)輸。

中國和美國鐵路罐車裝卸裝置結(jié)構(gòu)大體相同，均采用上裝上卸方式，裝卸閥件及儀表集中設(shè)置，并設(shè)置保護(hù)罩。歐洲罐車通常采用下裝下卸（介質(zhì)毒性程度為極度和高度除外），要求對裝卸裝置設(shè)置適當(dāng)防護(hù)結(jié)構(gòu)。

中國和美國鐵路罐車底架采用無中梁結(jié)構(gòu)，由罐體全部承載縱向慣性力載荷。歐盟鐵路罐車底架采用有中梁結(jié)構(gòu)，由罐體承載部分縱向慣性力載荷。

5.2 國內(nèi)外鐵路罐車市場主流產(chǎn)品性能參數(shù)對比

本文對中國、歐盟、美國部分企業(yè)市場主流產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，各型低壓液化氣體鐵路罐車的容積、重量、自重系數(shù)、車長等參數(shù)對比見表4。

表4 國內(nèi)外鐵路罐車市場主流產(chǎn)品性能參數(shù)對比

從表4可以看出，美國鐵路罐車容積、總重、車長數(shù)值最大，容積上中國略小于歐盟，車長上中國與歐盟相當(dāng)。罐車總重與各國允許的鐵路貨車軸重有關(guān)，美國鐵路貨車軸重為30.0 t和32.5 t，中國目前主要采用軸重23.0 t，歐洲TSI指令限定貨車軸重不得超過22.5 t。

從表4還可以看出，中國和歐洲LPG罐車總重相當(dāng)，但歐盟鐵路罐車的自重系數(shù)要遠(yuǎn)低于中國，運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢非常顯著，主要原因在于中國鐵路罐車罐體普遍采用中強(qiáng)度碳鋼（如Q345R，16MnDR），而歐盟鐵路罐車罐體則普遍采用高強(qiáng)度碳鋼（如符合EN 10028-3—2017《承壓用鋼板第3 部分：正火處理可焊細(xì)精粒鋼》的P460NL2）。

5.3 國內(nèi)外鐵路罐車相關(guān)安全防護(hù)措施比較

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，美國鐵路罐車采取的安全防護(hù)措施最為全面［12］，具體如下。

（1）罐體端部設(shè)置封頭防刺破裝置。

（2）采用設(shè)置有上、下止擋的車鉤，與罐體封頭保護(hù)裝置一起防止封頭被戳穿。

（3）設(shè)置隔熱或保溫裝置，隔熱裝置的隔熱能力能保證罐車在遭遇池火100 min內(nèi)和遭遇噴射火30 min內(nèi)罐內(nèi)介質(zhì)不排放（壓力泄放裝置排放除外），為火災(zāi)救援提供必要的緩沖時間。

（4）設(shè)置罐體頂部閥件保護(hù)裝置，所有閥件集中布置在人孔蓋上，人孔蓋圓周設(shè)置由厚鋼環(huán)制作的保護(hù)罩筒，罐車在脫軌或傾覆時起到保護(hù)閥門不被損壞的作用。

（5）裝卸口采用3道截止裝置，根部為過流閥，外部閥失效時能自動切斷。

中國鐵路罐車采取了與上述第（2）（4）（5）項相近的措施。

歐盟鐵路罐車大部分采用下部裝卸方式，規(guī)定在裝卸口設(shè)置內(nèi)置式切斷閥，在罐體發(fā)生意外移動或失火時能立即自動關(guān)閉，也能通過遠(yuǎn)程遙控進(jìn)行操作；要求對布置在罐體下部的閥門等附件設(shè)置保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止由于罐車翻滾而引起損壞。

6 幾點探討

通過上述對國內(nèi)外低壓液化氣體鐵路罐車設(shè)計方法、罐體強(qiáng)度、安全附件動作壓力、部分技術(shù)參數(shù)及安全防護(hù)措施等多方面的比對，提出以下幾點探討意見，供相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)修訂時參考。

（1）相同設(shè)計條件下，按中國標(biāo)準(zhǔn)整體采用規(guī)則設(shè)計計算的罐體壁厚整體上略大于歐盟；整體采用分析設(shè)計（安全系數(shù)取2.6）計算的罐體壁厚與歐盟總體相當(dāng)；整體采用分析設(shè)計（安全系數(shù)取2.4）計算的罐體壁厚總體上小于歐盟。相同設(shè)計條件下，按中國標(biāo)準(zhǔn)整體采用規(guī)則設(shè)計計算的罐體壁厚整體上遠(yuǎn)小于美國。故，若以罐體壁厚作為評價罐體強(qiáng)度安全裕度的指標(biāo)，從設(shè)計方法方面建議中國相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)修訂時做兩點考慮：一是，是否必要借鑒歐盟和美國規(guī)范規(guī)定，鐵路罐車罐體取消允許采用整體分析設(shè)計的規(guī)定；二是，如果仍允許采用整體分析設(shè)計，安全系數(shù)如何合理確定需要進(jìn)一步研究。

（2）中國鐵路罐車罐體耐壓試驗壓力、安全閥整定壓力數(shù)值的規(guī)定與歐盟和美國規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定相比偏小，建議中國相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)借鑒國際規(guī)范規(guī)定，適當(dāng)提高罐體耐壓試驗壓力或者將耐壓試驗壓力直接與計算壓力相關(guān)聯(lián)。相應(yīng)的，安全閥整定壓力也應(yīng)隨罐體耐壓試驗壓力的調(diào)整而適當(dāng)調(diào)整。

（3）鐵路罐車主要技術(shù)參數(shù)之一的自重系數(shù)，中國與歐盟對比處于劣勢，選材差別是主要原因之一，建議中國相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)合理放寬對高強(qiáng)度材料的使用限制。

（4）對鐵路罐車結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)采取的安全防護(hù)措施的規(guī)定，美國規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)最為全面，歐盟也有相應(yīng)優(yōu)點，建議中國相應(yīng)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)參考借鑒。