GHB—55K型不銹鋼保溫罐車罐體保溫層的研究設計

萬生太

摘 要：介紹了鐵路保溫罐車及罐車保溫層的發展狀況和GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層的研發背景。提出罐體保溫性能的要求，通過分析、實驗、計算論證了保溫層的結構及保溫層材質的選取的合理性和安全性。同進針對保溫層制造提出了合理的方案。

關鍵詞：罐車 保溫層 性能 結構 強度分析 制造

中圖分類號： U272.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

鐵路保溫罐車是鐵路罐車的一種。隨著化學工業的發展，化工產品種類和運量的增加，它的主要運輸設備—鐵路貨車的種類也在不斷增加。國外鐵路保溫罐車的發展史比較早，從罐體保溫層的結構到保溫層的材料都有比較成熟的經驗，但隨著化學工業的發展保溫罐車功能的不足之處還有待進一步研發、改進。國內鐵路保溫罐車是從1968年首臺瀝青鐵路罐車保溫罐體的研制開始的，目前國內保溫罐車從罐體的保溫結構上分主要有二大類，第一類是罐體外部采用全封閉型保溫外殼，罐體與保溫外殼通過支撐骨架聯接，罐體與保溫外殼之間填充保溫層。滿足貨物在一定運輸區間和時間內冬季不上凍以及夏季隔熱的需要。第二類是罐體內有內膽的雙層罐體結構，內、外罐體之間填充保溫層，形成了三明治層的結構。主要是滿足運輸低溫液態有保溫（冷）要求的化工介質的需求。GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體的保溫層的研發是在總結多年來鐵路保溫罐車運用經驗基礎上，對現有鐵路保溫罐車罐體保溫層的結構和材質進行研究和分析而進行設計的，提高了罐體的保溫性能，滿足用戶和市場的需求。

1 罐體保溫性能的要求

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車裝運丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介質。介質裝車溫度為25 ℃，滿足盛裝介質在最惡劣的環境條件下，在250h內的運輸過程中溫升不超過10 ℃。保證介質在特定溫范圍內、常壓狀態下的鐵路運輸。

2 罐體保溫層的結構設計

由于裝運介質對溫度要求比較苛刻，同時考慮介質的特性，罐體保溫層的結構設計在吸收借鑒以往設計經驗的基礎上，隔熱形式亦采用夾層式結構，內罐體采用不銹鋼，外罐體采用低合金鋼，內、外罐體間不設金屬連接，無熱橋，在內、外罐體間澆注硬質聚氨酯泡塑料，保溫層厚度為244 mm。結構如圖1所示。

3 保溫層材料的選擇取

用于夾層式保溫結構的硬質聚氨酯泡沫塑料，既要滿足保溫的要求，又要滿足承受罐體重量、介質重量和罐車因沖擊引起的載荷作用的要求。除要求具有較小的導熱系數和較高的力學性能外，還要求材料具有耐油、耐熱、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有較小的容重和吸水性，由于材料為現場澆注發泡，要求具有良好的澆注工藝性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，導熱系數就增大，因此通過對保溫層澆注工藝進行試樣分析和性能測試[1]。確定保溫隔熱材料的物性指標[2]必須滿足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.導熱系數：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉強度：≥ 0.15 MPa；

d.抗壓強度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪強度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉彈性模數）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪彈性模數）=43 kgf/cm2；

h.剝離強度（與金屬）：≥0.20 MPa。

i.閉孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃燒性：符合GB/T8624-1997中 B1級

l.適用溫度：-40～150 ℃

4 保溫層的強度分析

由于內、外罐體間無任何金屬連接，內罐體和介質的垂向載荷以及運行中的沖擊載荷均由保溫層承擔，因此在保溫層強度分析時考慮保溫層受到的垂向載荷和縱向沖擊載荷。

計算時假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直載荷、縱向沖擊載荷作用下處于彈性變形。材料拉壓彈性模數相等。

τd/σd=τd/σd（保溫層抗剪應力/抗壓應力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封頭與筒體相交處變形相同。）

a）垂直總載荷中內罐體載重和內罐體的重量以慣性力的方式作用于保溫層上，載重以面力的方式垂直作用于保溫層內壁上。受力如圖2示（圖中長度單位為cm）：

垂向總載荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd則保溫層抗壓應力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直靜載荷）=內罐體自重+載重=52250Kg；Qd（垂直動載荷）= βd*Qj=30410Kg（βd為動載荷系數=0.582）；

校核結果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）運行中的縱向沖擊載荷作用于保溫層的封頭上。受力如圖3示（圖中長度單位為cm）：

縱向沖擊載荷[3]QG=PG*G/（G+T）則保溫層抗壓應力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文獻[7]中第二工況）；G=47300kg（罐車載重）；T=32500Kg（罐體自重）；

校核結果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通過保溫層強度校核，當保溫層厚為244 mm時強度滿足設計要求。

5 保溫層的制造

設計中采用了雙層罐體中間填充保溫材料，雙層罐體無金屬連接的結構，在罐體制造中實現這種特殊結構的關鍵技術是如何保證保溫材料均勻的填充滿內、外罐體的空間。在罐體組對中先組對內、外筒體，采用支撐環定位，在內、外筒體的中部澆筑一定長度的保溫材料，內、外筒體定位后拆去支撐環再組對內、外封頭。通過實驗確定了外罐體筒體和封頭頂部開澆注口的數量和位置，通過合理的制作工藝，保證了夾層式保溫結構的罐體制作質量。

6 結語

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層結構合理，保溫性能優良，達到國內鐵路罐車保溫技術的先進水平。攻克了乙烯燃生物介質鐵路運輸的難關，促進我國乙烯燃生物工業的發展。

參考文獻

[1] GB/T8813-2008硬質泡沫塑料壓縮性能的測定（ISO844：2004 IDT）[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔熱用硬質聚氯酯泡沫塑料[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[3] TB/T1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].中華人民共和國鐵道部發布，1996.endprint

摘 要：介紹了鐵路保溫罐車及罐車保溫層的發展狀況和GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層的研發背景。提出罐體保溫性能的要求，通過分析、實驗、計算論證了保溫層的結構及保溫層材質的選取的合理性和安全性。同進針對保溫層制造提出了合理的方案。

關鍵詞：罐車 保溫層 性能 結構 強度分析 制造

中圖分類號： U272.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

鐵路保溫罐車是鐵路罐車的一種。隨著化學工業的發展，化工產品種類和運量的增加，它的主要運輸設備—鐵路貨車的種類也在不斷增加。國外鐵路保溫罐車的發展史比較早，從罐體保溫層的結構到保溫層的材料都有比較成熟的經驗，但隨著化學工業的發展保溫罐車功能的不足之處還有待進一步研發、改進。國內鐵路保溫罐車是從1968年首臺瀝青鐵路罐車保溫罐體的研制開始的，目前國內保溫罐車從罐體的保溫結構上分主要有二大類，第一類是罐體外部采用全封閉型保溫外殼，罐體與保溫外殼通過支撐骨架聯接，罐體與保溫外殼之間填充保溫層。滿足貨物在一定運輸區間和時間內冬季不上凍以及夏季隔熱的需要。第二類是罐體內有內膽的雙層罐體結構，內、外罐體之間填充保溫層，形成了三明治層的結構。主要是滿足運輸低溫液態有保溫（冷）要求的化工介質的需求。GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體的保溫層的研發是在總結多年來鐵路保溫罐車運用經驗基礎上，對現有鐵路保溫罐車罐體保溫層的結構和材質進行研究和分析而進行設計的，提高了罐體的保溫性能，滿足用戶和市場的需求。

1 罐體保溫性能的要求

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車裝運丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介質。介質裝車溫度為25 ℃，滿足盛裝介質在最惡劣的環境條件下，在250h內的運輸過程中溫升不超過10 ℃。保證介質在特定溫范圍內、常壓狀態下的鐵路運輸。

2 罐體保溫層的結構設計

由于裝運介質對溫度要求比較苛刻，同時考慮介質的特性，罐體保溫層的結構設計在吸收借鑒以往設計經驗的基礎上，隔熱形式亦采用夾層式結構，內罐體采用不銹鋼，外罐體采用低合金鋼，內、外罐體間不設金屬連接，無熱橋，在內、外罐體間澆注硬質聚氨酯泡塑料，保溫層厚度為244 mm。結構如圖1所示。

3 保溫層材料的選擇取

用于夾層式保溫結構的硬質聚氨酯泡沫塑料，既要滿足保溫的要求，又要滿足承受罐體重量、介質重量和罐車因沖擊引起的載荷作用的要求。除要求具有較小的導熱系數和較高的力學性能外，還要求材料具有耐油、耐熱、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有較小的容重和吸水性，由于材料為現場澆注發泡，要求具有良好的澆注工藝性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，導熱系數就增大，因此通過對保溫層澆注工藝進行試樣分析和性能測試[1]。確定保溫隔熱材料的物性指標[2]必須滿足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.導熱系數：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉強度：≥ 0.15 MPa；

d.抗壓強度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪強度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉彈性模數）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪彈性模數）=43 kgf/cm2；

h.剝離強度（與金屬）：≥0.20 MPa。

i.閉孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃燒性：符合GB/T8624-1997中 B1級

l.適用溫度：-40～150 ℃

4 保溫層的強度分析

由于內、外罐體間無任何金屬連接，內罐體和介質的垂向載荷以及運行中的沖擊載荷均由保溫層承擔，因此在保溫層強度分析時考慮保溫層受到的垂向載荷和縱向沖擊載荷。

計算時假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直載荷、縱向沖擊載荷作用下處于彈性變形。材料拉壓彈性模數相等。

τd/σd=τd/σd（保溫層抗剪應力/抗壓應力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封頭與筒體相交處變形相同。）

a）垂直總載荷中內罐體載重和內罐體的重量以慣性力的方式作用于保溫層上，載重以面力的方式垂直作用于保溫層內壁上。受力如圖2示（圖中長度單位為cm）：

垂向總載荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd則保溫層抗壓應力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直靜載荷）=內罐體自重+載重=52250Kg；Qd（垂直動載荷）= βd*Qj=30410Kg（βd為動載荷系數=0.582）；

校核結果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）運行中的縱向沖擊載荷作用于保溫層的封頭上。受力如圖3示（圖中長度單位為cm）：

縱向沖擊載荷[3]QG=PG*G/（G+T）則保溫層抗壓應力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文獻[7]中第二工況）；G=47300kg（罐車載重）；T=32500Kg（罐體自重）；

校核結果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通過保溫層強度校核，當保溫層厚為244 mm時強度滿足設計要求。

5 保溫層的制造

設計中采用了雙層罐體中間填充保溫材料，雙層罐體無金屬連接的結構，在罐體制造中實現這種特殊結構的關鍵技術是如何保證保溫材料均勻的填充滿內、外罐體的空間。在罐體組對中先組對內、外筒體，采用支撐環定位，在內、外筒體的中部澆筑一定長度的保溫材料，內、外筒體定位后拆去支撐環再組對內、外封頭。通過實驗確定了外罐體筒體和封頭頂部開澆注口的數量和位置，通過合理的制作工藝，保證了夾層式保溫結構的罐體制作質量。

6 結語

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層結構合理，保溫性能優良，達到國內鐵路罐車保溫技術的先進水平。攻克了乙烯燃生物介質鐵路運輸的難關，促進我國乙烯燃生物工業的發展。

參考文獻

[1] GB/T8813-2008硬質泡沫塑料壓縮性能的測定（ISO844：2004 IDT）[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔熱用硬質聚氯酯泡沫塑料[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[3] TB/T1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].中華人民共和國鐵道部發布，1996.endprint

摘 要：介紹了鐵路保溫罐車及罐車保溫層的發展狀況和GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層的研發背景。提出罐體保溫性能的要求，通過分析、實驗、計算論證了保溫層的結構及保溫層材質的選取的合理性和安全性。同進針對保溫層制造提出了合理的方案。

關鍵詞：罐車 保溫層 性能 結構 強度分析 制造

中圖分類號： U272.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

鐵路保溫罐車是鐵路罐車的一種。隨著化學工業的發展，化工產品種類和運量的增加，它的主要運輸設備—鐵路貨車的種類也在不斷增加。國外鐵路保溫罐車的發展史比較早，從罐體保溫層的結構到保溫層的材料都有比較成熟的經驗，但隨著化學工業的發展保溫罐車功能的不足之處還有待進一步研發、改進。國內鐵路保溫罐車是從1968年首臺瀝青鐵路罐車保溫罐體的研制開始的，目前國內保溫罐車從罐體的保溫結構上分主要有二大類，第一類是罐體外部采用全封閉型保溫外殼，罐體與保溫外殼通過支撐骨架聯接，罐體與保溫外殼之間填充保溫層。滿足貨物在一定運輸區間和時間內冬季不上凍以及夏季隔熱的需要。第二類是罐體內有內膽的雙層罐體結構，內、外罐體之間填充保溫層，形成了三明治層的結構。主要是滿足運輸低溫液態有保溫（冷）要求的化工介質的需求。GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體的保溫層的研發是在總結多年來鐵路保溫罐車運用經驗基礎上，對現有鐵路保溫罐車罐體保溫層的結構和材質進行研究和分析而進行設計的，提高了罐體的保溫性能，滿足用戶和市場的需求。

1 罐體保溫性能的要求

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車裝運丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介質。介質裝車溫度為25 ℃，滿足盛裝介質在最惡劣的環境條件下，在250h內的運輸過程中溫升不超過10 ℃。保證介質在特定溫范圍內、常壓狀態下的鐵路運輸。

2 罐體保溫層的結構設計

由于裝運介質對溫度要求比較苛刻，同時考慮介質的特性，罐體保溫層的結構設計在吸收借鑒以往設計經驗的基礎上，隔熱形式亦采用夾層式結構，內罐體采用不銹鋼，外罐體采用低合金鋼，內、外罐體間不設金屬連接，無熱橋，在內、外罐體間澆注硬質聚氨酯泡塑料，保溫層厚度為244 mm。結構如圖1所示。

3 保溫層材料的選擇取

用于夾層式保溫結構的硬質聚氨酯泡沫塑料，既要滿足保溫的要求，又要滿足承受罐體重量、介質重量和罐車因沖擊引起的載荷作用的要求。除要求具有較小的導熱系數和較高的力學性能外，還要求材料具有耐油、耐熱、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有較小的容重和吸水性，由于材料為現場澆注發泡，要求具有良好的澆注工藝性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，導熱系數就增大，因此通過對保溫層澆注工藝進行試樣分析和性能測試[1]。確定保溫隔熱材料的物性指標[2]必須滿足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.導熱系數：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉強度：≥ 0.15 MPa；

d.抗壓強度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪強度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉彈性模數）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪彈性模數）=43 kgf/cm2；

h.剝離強度（與金屬）：≥0.20 MPa。

i.閉孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃燒性：符合GB/T8624-1997中 B1級

l.適用溫度：-40～150 ℃

4 保溫層的強度分析

由于內、外罐體間無任何金屬連接，內罐體和介質的垂向載荷以及運行中的沖擊載荷均由保溫層承擔，因此在保溫層強度分析時考慮保溫層受到的垂向載荷和縱向沖擊載荷。

計算時假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直載荷、縱向沖擊載荷作用下處于彈性變形。材料拉壓彈性模數相等。

τd/σd=τd/σd（保溫層抗剪應力/抗壓應力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封頭與筒體相交處變形相同。）

a）垂直總載荷中內罐體載重和內罐體的重量以慣性力的方式作用于保溫層上，載重以面力的方式垂直作用于保溫層內壁上。受力如圖2示（圖中長度單位為cm）：

垂向總載荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd則保溫層抗壓應力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直靜載荷）=內罐體自重+載重=52250Kg；Qd（垂直動載荷）= βd*Qj=30410Kg（βd為動載荷系數=0.582）；

校核結果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）運行中的縱向沖擊載荷作用于保溫層的封頭上。受力如圖3示（圖中長度單位為cm）：

縱向沖擊載荷[3]QG=PG*G/（G+T）則保溫層抗壓應力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文獻[7]中第二工況）；G=47300kg（罐車載重）；T=32500Kg（罐體自重）；

校核結果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料許用抗壓強度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料許用剪切強度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通過保溫層強度校核，當保溫層厚為244 mm時強度滿足設計要求。

5 保溫層的制造

設計中采用了雙層罐體中間填充保溫材料，雙層罐體無金屬連接的結構，在罐體制造中實現這種特殊結構的關鍵技術是如何保證保溫材料均勻的填充滿內、外罐體的空間。在罐體組對中先組對內、外筒體，采用支撐環定位，在內、外筒體的中部澆筑一定長度的保溫材料，內、外筒體定位后拆去支撐環再組對內、外封頭。通過實驗確定了外罐體筒體和封頭頂部開澆注口的數量和位置，通過合理的制作工藝，保證了夾層式保溫結構的罐體制作質量。

6 結語

GHB-55K型不銹鋼保溫鐵道罐車罐體保溫層結構合理，保溫性能優良，達到國內鐵路罐車保溫技術的先進水平。攻克了乙烯燃生物介質鐵路運輸的難關，促進我國乙烯燃生物工業的發展。

參考文獻

[1] GB/T8813-2008硬質泡沫塑料壓縮性能的測定（ISO844：2004 IDT）[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔熱用硬質聚氯酯泡沫塑料[S].中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會頒布，2008.

[3] TB/T1335-1996鐵道車輛強度設計及試驗鑒定規范[S].中華人民共和國鐵道部發布，1996.endprint