液化天然氣鐵路罐車設(shè)計及試驗

何遠新，黃政賢，劉鳳偉，呂長樂，楊清義，徐衛(wèi)國，沈銑

液化天然氣鐵路罐車設(shè)計及試驗

何遠新1,2，黃政賢1，劉鳳偉1，呂長樂1，楊清義1，徐衛(wèi)國1，沈銑3

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

本文通過對液化天然氣鐵路罐車的設(shè)計及試驗驗證進行研究，為LNG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)對罐車的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計研究及仿真分析，通過鐵路靜強度和沖擊試驗、低溫性能測試等手段驗證罐車的力學(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，在最高運行速度120 km/h時能夠安全運行，每天的靜態(tài)蒸發(fā)率（液氮）為0.08%，維持時間（液氮）達到92 d。液化天然氣鐵路罐車的技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)達到了設(shè)計文件和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

液化天然氣；鐵路罐車；靜態(tài)蒸發(fā)率

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的改革和轉(zhuǎn)型升級，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。由于我國天然氣資源主要分布在西北等偏遠地區(qū)[1-3]，消費需求又主要集中在北方、東南沿海、長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)帶來了諸多困難，當(dāng)前我國的天然氣體主要通過管道輸送，輸送量難以保障不斷增長的應(yīng)用需求。國內(nèi)外研究表明，LNG鐵路運輸是一種效率僅次于天然氣管道，成本僅次于LNG運輸船的最高效的陸路運輸方式[4-6]。與LNG公路運輸相比，LNG鐵路運輸具有運量大、距離遠、成本低、全天候、高可靠[7-9]等優(yōu)勢，結(jié)合我國鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、客貨分離等發(fā)展趨勢，具有顯著優(yōu)勢。

LNG鐵路運輸技術(shù)目前只有美國、日本等少數(shù)國家所擁有[10]。例如日本鐵路從2000年開始采用罐式集裝箱運輸LNG，美國研制了容積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的鐵路運輸，且在加拿大投入應(yīng)用。我國LNG運輸目前以公路半掛車為主，主要適用于運輸距離較短、單次運量不大的LNG接卸與轉(zhuǎn)運，運輸距離不超過1 000 km，最大許可容積為52.6 m3。本文結(jié)合我國鐵路運輸環(huán)境、載荷工況等特點，對LNG鐵路罐車的結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析及試驗進行了研究，填補國內(nèi)LNG鐵路運輸裝備空白。

1 主要技術(shù)參數(shù)確定

結(jié)合我國23 t軸重鐵路貨車[11]總體技術(shù)參數(shù)和TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(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)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，《鐵路危險貨物運輸安全監(jiān)督管理規(guī)定》（中華人民共和國交通運輸部令2022 年第 24 號）的要求，以及近年來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鐵路罐車包含無押運間和帶押運間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。帶押運間LNG鐵路罐車在車輛二位端設(shè)有可供押運人員工作和生活用押運間。

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

牽枕裝配采用了無中梁小底架結(jié)構(gòu)[14]，該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)增大罐體設(shè)計容積、降低整車重心的目的，同時也可以提升車輛動力學(xué)性能，顯著降低無中梁鐵路罐車在傳遞縱向慣性力載荷時尾部的高應(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，導(dǎo)熱系數(shù)低等特點。

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，壓蓋自動脫落釋放壓力，對外殼起到保護作用。

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)計時，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)計算熱橋安全裕度。

為方便使用單位在我國鐵路線路進行裝卸LNG作業(yè)，LNG鐵路罐車的管路采用中部雙側(cè)充裝對稱設(shè)計，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，由于非對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70 t級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，為改善空車的動力學(xué)性能，避開撓度轉(zhuǎn)換點，對轉(zhuǎn)K5型轉(zhuǎn)向架的中央懸掛系統(tǒng)進行了調(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70 t級鐵路貨車通用成熟的加強型17型E級鋼車鉤、鍛造鉤尾框、MT–2或HM–1緩沖器。

2.6 制動系統(tǒng)

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

2.7 安全監(jiān)控系統(tǒng)

為滿足罐車使用單位對罐車狀態(tài)監(jiān)測需求，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)可以實現(xiàn)地面監(jiān)控調(diào)度人員以及押運間內(nèi)車上押運人員通過顯示裝置實時監(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)異常時能立即獲得泄漏報警信號，并實時上傳至使用單位監(jiān)控平臺。

圖2 牽枕裝配

2.8 押運間

帶押運間的LNG鐵路罐車，其押運間主要由鋼結(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。押運間內(nèi)設(shè)置有供押運人員休息和生活的床鋪、水箱、馬桶、臉盆等設(shè)施。

3 主要計算及試驗情況

3.1 計算分析

根據(jù)TB/T 3548—2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范總則》進行了整車靜強度有限元仿真分析計算。由于該車體結(jié)構(gòu)關(guān)于其縱向中央截面對稱，利用結(jié)構(gòu)的對稱性準(zhǔn)則，分析時取其整車1/2結(jié)構(gòu)建立力學(xué)模型，采用HyperMesh軟件對車體進行結(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)進行安全評估。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

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，滿足強度要求。

3.2 試驗情況

3.2.1 靜強度和沖擊試驗

根據(jù)TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設(shè)計及試驗鑒定規(guī)范車體第2部分：貨車車體》完成了該型鐵路罐車的靜強度和沖擊試驗。表2所示為牽引梁尾部區(qū)域應(yīng)力實測試驗結(jié)果。

試驗結(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測應(yīng)力值分別為179.3、140.0、217.4、176.8 MPa，均小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。

3.2.2 低溫性能試驗

根據(jù)GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法第5部分：靜態(tài)蒸發(fā)率測量》、GB/T 18443.7—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗方法第7部分：維持時間測量》，以無押運間LNG鐵路罐車為典型產(chǎn)品對樣車進行了低溫性能試驗，主要包括靜態(tài)蒸發(fā)率和維持時間試驗，試驗介質(zhì)為液氮。試驗及測試結(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%，維持時間（液氮）達到92 d，達到了預(yù)定設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文對液化天然氣鐵路罐車的研制和試驗情況進行了較為系統(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。

隨著我國清潔能源的進一步應(yīng)用提升，通過采用運量大、效率高、成本低、全天候的鐵路運輸方式來解決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。

針對后續(xù)發(fā)展，建議國家及政府行業(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、下游加氣站點等用氣終端以及鐵路運輸行業(yè)監(jiān)督管理部門共同參與，推動開展示范應(yīng)用工程研究。進一步全面分析系統(tǒng)安全性及相應(yīng)保障措施和風(fēng)險控制措施，同時對該運輸模式技術(shù)經(jīng)濟性能進行進一步深入詳細分析和運用總結(jié)。對大力推進我國LNG清潔能源使用，服務(wù)于我國社會高質(zhì)量清潔低碳發(fā)展帶來積極促進作用。

[1] YUAN Jia-hang, WANG Li, LI Ya-ting, et al. Set Pair Prediction for Chinese Natural Gas Energy Security Based on Higher-Order Markov Chain with Risk Attitude[J]. Resources Policy, 2022, 77: 2-13.

[2] 鄭民, 李建忠, 吳曉智, 等. 我國常規(guī)與非常規(guī)天然氣資源潛力、重點領(lǐng)域與勘探方向[J]. 天然氣地球科學(xué), 2018, 29(10): 1383-1397.

ZHENG Min, LI Jian-zhong, WU Xiao-zhi, et al. China's Conventional and Unconventional Natural Gas Resource Potential, Key Exploration Fields and Direction[J]. Natural Gas Geoscience, 2018, 29(10): 1383-1397.

[3] 王永祥, 楊濤, 徐小林, 等. 中國新增油氣探明經(jīng)濟可采儲量特征分析[J]. 中國石油勘探, 2022, 27(5): 13-26.

WANG Yong-xiang, YANG Tao, XU Xiao-lin, et al. Characteristics of the Proved New Addition Economic Recoverable Oil and Gas Reserves in China[J]. China Petroleum Exploration, 2022, 27(5): 13-26.

[4] 單彤文, 高振, 劉淼兒, 等. 液化天然氣罐箱鐵路運輸經(jīng)濟性分析[J]. 國際石油經(jīng)濟, 2020, 28(8): 100-105.

SHAN Tong-wen, GAO Zhen, LIU Miao-er, et al. Economic Analysis of LNG Tank Container Railway Transportation[J]. International Petroleum Economics, 2020, 28(8): 100-105.

[5] 張輝, 呂志昕, 陳志先. 我國液化天然氣(LNG)鐵路運輸區(qū)域通道設(shè)計研究[J]. 鐵道貨運, 2019, 37(12): 74-79.

ZHANG Hui, LYU Zhi-xin, CHEN Zhi-xian. A Study on the Design of the LNG Railway Transport Channel in China[J]. Railway Freight Transport, 2019, 37(12): 74-79.

[6] HA O K, HWANG J S, KIM I H, et al. A Preliminary Study of Railway Transport of LNG between TKR- TSR[J]. LHI Journal of Land, Housing, and Urban Affairs, 2015, 6(2): 61-66.

[7] WANG Zhi-qiang, QIAN Cai-fu, Li Wei. Study on Impact Process of a Large LNG Tank Container for Trains[J]. Applied Sciences, 2023, 13(3): 1351-1351.

[8] CHEN Zeng-shun, XU Zhen-gang, LIU Yang, et al. Seismic Response of a Large LNG Storage Tank Based on a Shaking Table Test[J]. Applied Sciences, 2022, 12(15): 7663-7663.

[9] LI Li-feng, LUO Jin-heng, WU Gang, et al. Impact Assessment of Flammable Gas Dispersion and Fire Hazards from LNG Tank Leak[J]. Mathematical Problems in Engineering, 2021, Volume 2021: 1-15.

[10] 黃政賢, 何遠新, 呂長樂, 等. LNG儲運裝備發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢分析[J]. 石油石化物資采購, 2020(9): 122-124.

HUANG Zheng-xian, HE Yuan-xin, LYU Chang-le, et al. Development status and Trend Analysis of LNG Storage & Transportation Equipment[J]. Petroleum & Petrochemical Material Procurement, 2020(9): 122-124.

[11] 宮振沖. 23t軸重新型貨車與既有駝峰的適應(yīng)性研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2008.

GONG Zhen-chong. Study on Adaptability of 23t Axle Reconstructed Freight Cars to Existing Humps[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2008.

[12] 周偉明, 沈銑, 滕俊華. 多式聯(lián)運LNG罐箱低溫性能指標(biāo)確定及測試分析[J]. 壓力容器, 2018, 35(8): 1-6.

ZHOU Wei-ming, SHEN Xi, TENG Jun-hua. Determination of Cryogenic Performance Parameters and Test Analysis of Intermodal Transport LNG Tank Container[J]. Pressure Vessel Technology, 2018, 35(8): 1-6.

[13] 周偉明, 陳朝暉, 魏蔚. 深冷真空絕熱容器標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展與展望[J]. 壓力容器, 2013, 30(2): 1-14.

ZHOU Wei-ming, CHEN Zhao-hui, WEI Wei. Standard Technical Development and Prospect of Cryogenic Vacuum Adiabatic Vessel[J]. Pressure Vessel Technology, 2013, 30(2): 1-14.

[14] 嚴(yán)雋耄, 傅茂海. 車輛工程[M]. 3版. 北京: 中國鐵道出版社, 2008: 566.

YAN Jun-qing, FU Mao-hai. Vehicle Engineering[M]. 3rd ed. Beijing: China Railway Publishing House, 2008: 566.

[15] 王劍. 出口澳大利亞柴油罐車[J]. 鐵道車輛, 2009, 47(8): 23-24.

WANG Jian. The Diesel Oil Tank Car Exported to Australia[J]. Rolling Stock, 2009, 47(8): 23-24.

[16] 沈銑. 高真空多層絕熱材料絕熱性能測試系統(tǒng)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2013.

SHEN Xian. Study on Thermal Insulation Performance Testing System of High Vacuum Multilayer Thermal Insulation Materials[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2013.

[17] 于明彬. 低溫排液管道氣封高度的計算[J]. 低溫與特氣, 2016, 34(4): 12-15.

Yu Ming-bin. Calculation of the Height Forming Gas Block for Cryogenic Drainage Pipe[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2016, 34(4): 12-15.

[18] 陳雷, 張志建. 70t級鐵路貨車及新型零部件[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2006.

CHEN Lei, ZHANG Zhi-jian. 70t Railway Freight Cars and New Parts[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2006.

[19] TB/T 46—2020, 鐵路車輛心盤及磨耗盤[S].

TB/T 46—2020, Center Plate and Wear Plate of Railway Vehicle[S].

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

何遠新（1983—），男，碩士，教授級高工，主要研究方向為深冷裝備技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋