超高速低真空磁浮管道試驗平臺建造關鍵技術研究

楊學昆

摘要 超高速低真空管道磁浮交通系統利用超導磁懸浮技術減弱車軌振動、消除車軌摩擦，通過建立低真空運行環境大幅降低氣動噪聲和空氣阻力，超導同步直線電機技術實現了動力系統外置獲得更大有效載荷及速度，可實現最高速度1 000 km/h的“近地飛行”。通過研究國內外關于超高速低真空磁浮管道交通系統技術現狀為切入點，針對真空、管（隧）、強電磁環境的影響及橋梁帶來的低真空環境與車/管荷載的作用，開展超高速低真空磁浮管道試驗平臺建造技術攻關研究，為今后工程化試驗線建設及相關標準制定奠定堅實的基礎。

關鍵詞 低真空;管梁;試驗平臺;真空度;電磁阻力

中圖分類號 U237 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）07-0082-03

0 引言

我國高速鐵路建造技術日趨完善，但是由于建造方式受空氣阻力、噪聲、車軌摩擦、車軌振動等技術因素影響，很難進一步實現新的突破。超高速低真空管道磁懸浮交通系統作為國際最先進的地面交通技術，具有極強的產業帶動性，在鋼鐵、基建等傳統產業的基礎上，還將帶動電力電子、先進制造、人工智能、大數據等一大批“高精尖”產業發展，為我國經濟高質量發展提供新動能[1]。

1 國內、外研究現狀

1.1 美國

2020年7月，美國運輸部明確將超級高鐵有關計劃正式劃歸聯邦鐵路局管轄，并且認同超級高鐵項目具有申請聯邦援助資金的資格。目前美國方面技術研發主要由Virgin Hyperloop One公司（簡稱VHO）、Hyperloop Transportation Technologies（簡稱Hyperloop TT）兩家公司主導，兩家公司均采用電動磁懸浮制式作為主要技術途徑，受美國交通部支持，目前正在世界各地推動真空工程線建設，并已與沙特、阿聯酋、印度等多國簽署合作協議。

1.2 日本

日本自1962年開始研究超導磁懸浮鐵路，前期通過修建480 m長的原理試驗線驗證了懸浮推進原理，中期修建7 km宮崎試驗線分別對倒T形軌和U形軌進行了性能驗證，對試驗車進行了載人舒適性、可靠性及安全性性能驗證。后期修建了42.8 km山梨試驗線，完成了編組列車的載人高速運行試驗（試驗速度達到603 km/h），對列車的可靠性和耐久性進行了驗證，積累了大量的試驗數據，為轉入商業運營奠定了基礎。

1.3 國內研究現狀

我國相關研究單位從21世紀起開始關注超高速低真空管道交通，在交通運輸部指導下，通過二十年的技術引進和自主創新，形成了一定技術基礎。2018年，相關單位設立了“低真空管（隧）道高速磁懸浮鐵路發展戰略研究”重大咨詢項目[2]。2019年國務院正式印發的《交通強國建設綱要》中明確提出“合理統籌安排低真空管道高速列車等技術儲備研發”。從技術發展來看，利用管道結合真空技術能有效降低空氣阻力和噪聲，減小系統能耗，提升系統經濟性，是發展600 km/h以上高速交通系統的有力手段。

考慮到載人運營需求，按照單線單管設計，管道直徑一般不小3 m，大于一般軌道交通梁高，因此管道有條件作為縱向受力構件承受自重及車輛活載。管道內部需形成U形構造，U形腹板側面安裝電磁線圈與車載磁體相互感應，實現懸浮及導向。設計確定將實現真空環境的密閉管道和承載列車荷載的梁部二者相結合的結構形式是較為合理的選擇，這種結構形式稱為“管梁” 。

2 真空試驗平臺概述

中鐵六局集團豐橋橋梁有限公司在北京市平谷區建設完成了全國第一個全尺寸超高速低真空管道磁浮交通系統試驗平臺，試驗平臺包括：21 m nu鋼-混管梁、6 m 鋼管梁、控制檢測室、真空泵房、管梁基礎及相關配套設施等六部分組成，試驗平臺承擔著管道梁體主體結構的設計施工方案驗證、管道梁體力學性能、管道電磁環境、大體積真空環境建立、維持及監測技術等一系列低真空管道關鍵技術問題的驗證和科研任務，如圖1。

3 結構型式方案

針對高動態荷載、溫度荷載等耦合荷載帶來的管梁設計問題，需開展“一體式管梁”和“分體式管梁”結構論證方案研究，并完成多種荷載工況下的荷載及變形特性研究。

3.1 nu梁結構

21 m鋼-混管梁采用分體式“nu”結構。上半部采用外包鋼板焊接成“n”型結構，下半部采用外包鋼板與預應力混凝土“u”形疊合結構，通過螺栓摩擦副、鋼板焊接以及密封材料將二者進行連接成整體結構共同受力，混凝土梁外包鋼板主要起真空密閉作用。鋼結構材料采用Q355D鋼材，端部采用16 mm厚鋼板，跨中采用8 mm鋼板。梁體混凝土等級為C50，預應力體系采用鐵路橋梁預應力鋼絞線成品束，錨固體系采用自錨式拉絲體系。

3.2 全圓管梁結構

6 m鋼-混管梁采用全圓鋼管構造，管內澆筑混凝土實現U形結構。管梁梁長6.4 m，內徑6 m。鋼結構材料采用Q355D鋼材，全部采用16 mm厚鋼板，梁體混凝土等級為C50，圓管內混凝土采用非預應力張拉體系。

4 建造步驟

4.1 nu梁施工步驟

工廠加工u型節段 → 在橋位處焊接成整體 → 調整設計高程 → 氦氣檢漏 →在外包鋼板內綁扎鋼筋 → 安裝預應力管道 → 設置預埋件 → 灌注混凝土 → 養護 → 張拉預應力鋼束 → 壓漿、封端 → 安裝n型鋼管 → 焊接封頭 → 灌注環氧樹脂膠密封 → 安裝逃生艙門 →? 開展試驗。

4.2 全圓管梁施工步驟

制作鋼管節段并焊接成管梁 → 將管梁吊至橋位處 → 調整設計高程 → 氦氣檢漏 → 在管梁內部綁扎鋼筋 → 安裝模板 → 設置預埋件 → 灌注混凝土 → 養護 → 安裝封頭 → 開展試驗。

5 建造關鍵技術要求

低真空區域控制范圍為103～102 Pa，如何保證試驗平臺在建造完成后能夠具有穩定的密封性能，并保證長期維持低真空度是建造過程中關鍵技術之一。通過試驗多種低磁導率材料并優化設計、研究、建造，使之匹配可以達到車體懸浮姿態要求是另一項關鍵技術。綜上，試驗平臺建造的核心詞就是“真空度控制”和“低磁導率控制”。

5.1 外包鋼板焊接

u型鋼板長度分為十二段下料切孔，尺寸壓型分別為 2件（14 mm*2 680 mm）、 10件（6 mm*2 500 mm），轉機加開單V坡口，寬度對接焊縫偏離中心200 mm處分成兩段下料，注意開孔位置，開單V坡口對接，要求熔透焊。數控切割或者等離子切割下料，下料開坡口后壓彎成型，坡口預制采用銑邊機加工，按圖紙尺寸在平臺上對接成型2段，錯開拼接焊縫，點焊半米字拉筋支撐。嚴格控制外包鋼板拼接公差、長度尺寸、直線度及平面度和平行度公差（參照長度尺寸公差B級和直線度等公差F級標準），特規定u梁長度尺寸不大于12 mm，直線度和平面度及平行度不大于12 mm，如圖2。

5.2 氦氣檢漏

氦質譜檢漏法是利用氦質譜檢漏儀的氦分壓力測量原理，實現被檢件的氦泄漏量測量。外包鋼板最終確定采用真空法氦質譜檢漏方案。采用真空法檢漏時，需要利用輔助真空泵或檢漏儀對外包鋼板焊縫處內部密封室抽真空，采用氦罩的方法在外表面施加氦氣，當外包鋼板表面有漏孔時，氦氣就會通過漏孔進入焊接點內部，再進入氦質譜檢漏儀，從而實現泄漏量測量。最終外包鋼板焊縫總漏率的測量結果表明，總漏率滿足設計要求，圖3為氦氣檢漏示例。

5.3 低磁導率材料應用

按照低磁導率設計在u型結構內側布置了917低磁鋼筋，917低磁鋼筋彈性模量應不小于180 GPa，屈服強度不應小于335 MPa，應滿足《45Mn17A13低磁鋼型鋼》（GJB93—90）中相對磁導率的指標要求;除最外側鋼筋外，其余位置不同鋼筋處均需采用熱縮套管進行絕緣處理，熱縮套管長度不應小于2d且不應大于3d（d是鋼筋直徑），絕緣電阻試驗應符合GB/T1410中相關標準要求;在線圈板中采用GFRP玻璃纖維筋，具有質量輕、耐腐蝕、抗老化、絕緣性能好等特點，具有可有效降低磁導率的優勢。GFRP材料性能需滿足《纖維增強復合材料筋混凝土橋梁技術標準》（CJJ/T 280—2018）要求，同時還應滿足《結構工程用纖維增強復合材料筋》（GB/T 26743—2011）的相關要求。

5.4 鋼筋混凝土線圈板的預制與安裝精調

預制線圈板采用鋼筋混凝土結構，通過預埋孔位固定電磁線圈，由于電磁線圈的精準定位決定了車體的運行姿態，所以其位置的精度控制尤為重要。通過對預制線圈板的模型設計制作、鋼筋絕緣處理、安裝精調裝置設計等方面進行完善預制安裝方案，在建造過程中提高預制線圈板的預制和安裝精度（六個方向安裝精度均控制在±1 mm范圍）。為達到建立磁浮環境的電機模組提供支撐平臺的目的，最終本試驗平臺安裝了5塊線圈板，均通過了精準測量和安裝驗證，證明了建造過程工藝控制的可行性，電磁線圈板安裝精調如圖4。

5.5 低真空環境的建立

試驗平臺由兩臺羅茨泵、一臺螺桿泵、熱交換器以及水壓控制器、電器控制柜等設備組成真空泵機組，能夠滿足真空環境的建立和維持要求。從大氣壓到500 Pa僅需4 h，壓升率不超過10 Pa/h，試驗時真空度最低可達100 Pa。采用傳感器（萊寶精度為0.2%）布置在真空管道內部，監測管梁內的溫度、噪聲、真空度，安裝攝像頭對管梁內部進行視頻監測，通過對監測數據進行實時顯示與存儲實現管梁真空度全面監控和數據分析工作。

6 結語

試驗平臺的竣工完成，標志著超高速低真空磁浮交通系統由研發設計向工程實踐應用已邁出了關鍵的第一步。試驗平臺具備支撐大型真空管道系統密封、溫度變形補償、電氣設備真空適應性等技術課題攻關驗證，通過相關試驗測試表明已經能夠攻克大尺寸管梁密封、大尺寸薄壁管道變形控制等核心技術，后續還能為各領域提供真空測試環境及驗證實驗。由于此項建造技術研究在國內尚屬首例，過程中仍存在著部分技術課題需要攻關和驗證工作，今后會在低真空環境下混凝土結構性能、梁間密封結構設計及建造、管梁運架技術、大型高可靠真空系統及設備等方面進一步探索和研究。

參考文獻

[1]趙大亮， 劉書斌， 王冰. 低真空管道高速磁浮鐵路橋梁結構關鍵技術的探討[J]. 機車電傳動， 2020（6）： 38-41.

[2]馮仲偉， 方興， 李紅梅. 低真空管道高速磁懸浮系統技術發展研究[J]. 中國工程科學， 2018（6）： 105-111.