低真空高速磁懸浮管道密封材料研究

文／新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 王成

中國(guó)航天科工集團(tuán)有限公司磁懸浮與電磁推進(jìn)技術(shù)總體部 劉昊蘇

新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 何蓉

克拉瑪依市先進(jìn)科技聯(lián)合研究院 曹俊梅

關(guān)鍵字:高速磁懸浮

0 引言

隨著高速鐵路的蓬勃發(fā)展，全球?qū)Τ咚俳煌ㄏ到y(tǒng)的關(guān)注度逐步提高。目前，傳統(tǒng)的輪軌式軌道交通在速度上面臨著空氣阻力、輪軌黏著、蛇形失穩(wěn)、運(yùn)行噪聲以及弓網(wǎng)受流極限[1]等“瓶頸”問(wèn)題。為突破速度限制，將磁懸浮技術(shù)與低真空技術(shù)相結(jié)合的超高速低真空磁懸浮交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。自2013年美國(guó)SpaceX公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克正式提出“超級(jí)高鐵”的概念[2]后，世界范圍內(nèi)掀起“超級(jí)高鐵”的熱潮，同時(shí)作為承載“超級(jí)高鐵”的核心基礎(chǔ)設(shè)施——低真空管道的技術(shù)研究也越來(lái)越多地得到學(xué)者及國(guó)家的關(guān)注[3]~[5]。2017年后，國(guó)內(nèi)中國(guó)航天科工集團(tuán)（簡(jiǎn)稱(chēng)：航天科工）、西南交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)和高校也開(kāi)展了低真空管道相關(guān)理論的研究。2018年10月，中國(guó)工程院主導(dǎo)的中國(guó)超高速磁浮技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究項(xiàng)目在深圳啟動(dòng)，2019年“合理統(tǒng)籌安排低真空管（隧）道高速列車(chē)等技術(shù)儲(chǔ)備研發(fā)”寫(xiě)入《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》，標(biāo)志著“真空管道+高速磁浮”中國(guó)制式“超級(jí)高鐵”的發(fā)展步入快車(chē)道。低真空管道所選材料的氣密性對(duì)整個(gè)超高速低真空磁懸浮交通系統(tǒng)的安全性、可靠性極為重要。

本文針對(duì)低真空管道的密封材料開(kāi)展研究，在調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)試驗(yàn)線工程的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)鋼材和混凝土材料的氣密性進(jìn)行測(cè)定，得出兩種材料標(biāo)準(zhǔn)件的漏率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出混凝土材料氣密性的改進(jìn)措施。

1 低真空管道的密封技術(shù)難點(diǎn)分析

1）管道內(nèi)部需長(zhǎng)時(shí)間維持低真空環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)材料具有較高的氣密性及強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2）管道之間的連接裝置在具有變形補(bǔ)償功能的同時(shí)，也需要材料具有與管道同樣的高氣密性要求。

3）我國(guó)的低真空技術(shù)雖然已相對(duì)成熟，但對(duì)大體積、長(zhǎng)里程的管道真空環(huán)境的維持技術(shù)尚無(wú)工程經(jīng)驗(yàn)參考，真空環(huán)境下氣密性材料超長(zhǎng)期服役的關(guān)鍵問(wèn)題尚未有經(jīng)驗(yàn)可循。

2 低真空管道試驗(yàn)線典型工程

近幾年來(lái)，美國(guó)、荷蘭及中國(guó)等國(guó)家已根據(jù)各自“超級(jí)高鐵”的技術(shù)要求，建成和在建多個(gè)低真空管道試驗(yàn)線用以驗(yàn)證低真空管道交通的可行性。

2.1 美國(guó)Hyperloop低真空試驗(yàn)線

美國(guó)Virgin Hyperloop One低真空試驗(yàn)線位于美國(guó)內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯附近沙漠中，長(zhǎng)度500m，全線采用圓形筒狀鋼結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)線的主要密封材料。2017年7月13日完成首次全真空測(cè)試，并于2020年11月8日完成首次載人測(cè)試。

2.2 荷蘭Hardt Global Mobility低真空測(cè)試管道

位于荷蘭的Hardt測(cè)試線總長(zhǎng)150m，由每節(jié)30m的圓形鋼管道組成，外管直徑達(dá)到3.2m。2019年開(kāi)始，該公司將建造一條長(zhǎng)約3km的測(cè)試線路，用于測(cè)試速度超過(guò)700km/h的超高速列車(chē)，并將成為未來(lái)歐洲超級(jí)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試基地。

2.3 國(guó)內(nèi)研究情況

目前，國(guó)內(nèi)尚未有建成的低真空管道試驗(yàn)線工程。西南交通大學(xué)正在建設(shè)一條140m全鋼結(jié)構(gòu)的真空管道高溫超導(dǎo)磁懸浮直道試驗(yàn)線[5]。

航天科工于2017年8月公布開(kāi)展時(shí)速1000km/h的“高速飛行列車(chē)（T-Flight）”研究計(jì)劃[6]。目前航天科工正與國(guó)內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)和高校聯(lián)合開(kāi)展低真空管道關(guān)鍵技術(shù)的工程驗(yàn)證性工作，并依托新氣密性材料、新技術(shù)革新開(kāi)展公里級(jí)試驗(yàn)線工程的建設(shè)。

3 氣密性試驗(yàn)研究

國(guó)內(nèi)橋梁多采用鋼材和混凝土兩種材料作為承載結(jié)構(gòu)的主要材料，兩種材料施工便捷、成本低，也是未來(lái)低真空管道可選的主要結(jié)構(gòu)材料。針對(duì)兩種材料的氣密性，本文開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，得到兩種材料的氣密特性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)未來(lái)低真空管道材料的使用方法提出建議。

3.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

用于兩種材料氣密性試驗(yàn)的試驗(yàn)件均采用筒型容器結(jié)構(gòu)，其中混凝土容器圓直徑760mm、高790mm，混凝土容器容積約1L，重量約700Kg。鋼材試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)采用Q345鋼材制作，內(nèi)徑600mm，高度900mm，密封墊采用橡膠材質(zhì)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

采用真空法對(duì)上述兩個(gè)筒狀試件進(jìn)行氣密性檢測(cè)。按下述步驟開(kāi)展試驗(yàn)：

1）啟動(dòng)真空泵，同時(shí)打開(kāi)數(shù)顯真空表，監(jiān)測(cè)容器內(nèi)壓力變化；

2）將兩個(gè)試件的內(nèi)壓力分別抽至1.1kPa；

3）關(guān)閉真空泵，保持管路連接，開(kāi)始計(jì)時(shí)，讀取數(shù)顯真空表示值（每升高100Pa，記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間），壓力上升到4.7KPa為止；

4）對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行多次試驗(yàn)，確定兩個(gè)容器的漏率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)兩種材料的筒狀結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行氣密性測(cè)試后，兩個(gè)試件的測(cè)試結(jié)果匯于表1中。

表1 兩種材料試件的密封特性試驗(yàn)結(jié)果

從上表中可以看出，受多孔結(jié)構(gòu)的影響，混凝土的密封特性遠(yuǎn)低于鋼材。混凝土的密封特性多受其微觀孔隙的影響，且在真空建立的初期，混凝土也會(huì)出現(xiàn)逐漸放氣的過(guò)程，從而影響了試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中的氣密性。

如果將混凝土直接用于低真空管道的真空密封，梁體在實(shí)際制造工藝中不可避免因混凝土收縮導(dǎo)致裂縫，同時(shí)由于混凝土本身流動(dòng)性較差，且在橋梁中大規(guī)模的鋼筋結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)一步影響混泥土流動(dòng)，導(dǎo)致最終混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度下降。因此，僅依靠普通混凝土實(shí)現(xiàn)密封，對(duì)于工程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)較為困難。

3.4 混凝土材料密封的改善策略

3.4.1 密封涂層

對(duì)于低真空管道工程，可考慮在混凝土表面增加密封涂層（高分子類(lèi)）以提高混凝土材料的密封特性。密封涂層在微觀上具有封堵混凝土表面多孔結(jié)構(gòu)的功能，并具有良好的滲透性，在混凝土表面形成一定厚度的密封層。此外，應(yīng)考慮密封涂層的壽命及耐久性問(wèn)題。

3.4.2 配合鋼材結(jié)構(gòu)提高整體密封特性

考慮到鋼材具有較好的氣密特性，可考慮采用混凝土梁體與鋼材的結(jié)合，利用混凝土作為結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載，利用鋼材保障氣密性，實(shí)現(xiàn)兩種材料的有機(jī)結(jié)合。

4 結(jié)語(yǔ)

低真空管道系統(tǒng)對(duì)氣密性有較高的要求，采用目前工程常用的鋼材和混凝土材料實(shí)現(xiàn)密封尚存在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及可靠性等多方面的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。本文對(duì)鋼材和混凝土材料的氣密性開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得出普通混凝土在低真空管道工程中較難實(shí)現(xiàn)氣密性，并提出配合密封涂層（高分子類(lèi)）和鋼材實(shí)現(xiàn)管道的整體密封特性。