國內外鐵路罐車罐體厚度計算標準對比研究*

劉衛，翟鵬軍

（中車山東機車車輛有限公司，濟南 250022）

近幾年來，由于我國城市燃氣化和環境保護，對移動式壓力容器的需求量迅速增加。鐵路罐車作為一種移動式壓力容器，具有運量大、速度快、效率高、運費低、適于遠程運輸且受大霧雨雪等惡劣天氣影響小、保障平穩供給能力強等諸多優點。早在2013年，為了適應我國社會經濟發展的需要，中國鐵路總公司就開始研制適應我國標準軌距的LNG鐵路罐車，并在青藏線格爾木—拉薩段開展了LNG鐵路運輸試驗。此運輸試驗主要考察了試驗所用LNG罐箱以及批準通過LNG鐵路運輸試驗大綱［1］。此次事件標志著我國危險品鐵路運輸進入了一個新的發展階段：逐步系統而全面地構建危險品鐵路運輸安全體系。

鐵路罐車的罐體作為盛裝危險品且反復使用（灌裝和排放反復循環）的容器，其壁厚設計至關重要，是保證危險品鐵路安全運輸的基礎。因此，文中針對鐵路罐車罐體厚度計算，對國內外鐵路貨車罐體厚度的主要計算標準進行對比分析。

1 鐵路罐車罐體設計標準

目前，國際上危險品運輸及其移動式壓力容器的法規主要有2大體系：一是聯合國危險貨物運輸范本法規和歐共體指令體系，簡稱UNECE-EU指令體系。另一個是美國聯邦法典（CFR）和ASME規范體系，簡稱49CFR-ASME-DOT-Section XII體系［2］。

在UNECE-EU指令體系中有很多關于罐式移動式壓力容器技術標準，但其中大部分是關于公路運輸的技術標準。涉及鐵路罐車罐體厚度計算的標準和規范主要有：RID《國際運輸中鐵路運輸危險物品的法令法規》和EN 14025《危險品運輸罐—金屬壓力罐—設計與結構》。RID規范是歐盟為了提高鐵路移動式壓力設備的安全性和保證移動式壓力設備在歐盟內部的自由流通，對投放歐共體市場的新造、現有的鐵路移動式壓力設備進行符合性評審，以及進行定期檢驗和確認而制定的法規。RID標準中提出基于試驗壓力、計算壓力和當量壁厚的罐體厚度計算方法。而EN 14025標準是歐洲標準中關于危險品在鐵路與公路運輸時，金屬壓力罐在設計和制造方面的規定，是歐洲標準化委員會應歐洲委員會和歐洲自由貿易協會的要求編制而成，用于支持關于危險貨物的運輸［3］。EN 14025標準適用于最大工作壓力超過50 kPa的危險品運輸金屬壓力罐，其涵蓋了對開口、密封及結構設備的要求。EN 14025標準對筒體及附屬結構的校核方法主要參考EN 13445標準，其罐體厚度計算采用的壓力是基于試驗條件和工作條件下。RID和EN 14025這2個標準通常結合使用，形成針對鐵路運輸用罐體厚度計算和相關結構強度校核的方法。

49CFR-ASME-DOT-Section XII體系主要管轄美國境內各種運輸方式下的危險品運輸及其移動式壓力容器。危險品運輸和移動式壓力容器的法規制訂部門是特殊運輸程序調查管理局（RSPA），隸屬于美國運輸部（DOT）。在這個體系中最具代表性的鐵路罐車標準是AAR規范CⅢ分冊《罐車規范》，AAR規范CⅢ分冊是北美鐵道協會響應DOT規定對鐵路罐車的要求，其在鐵路罐車罐體厚度計算方面將罐車按結構特點和用途分為承壓罐車、無壓力罐車、多單元罐車、低溫液體罐車和無縫鋼制罐車。49CFR-ASME-DOT-Section XII體系中另一個有代表性的規范是ASME規范第XII卷《運輸罐的建造和持續使用規則》。ASME規范第XII卷是由移動式壓力容器技術規定從危險品運輸法規（HMR）中獨立出來形成的。目前，ASME規范第XII卷的最新版本是2017版，在此版本標準中關于鐵路罐車的要求還在準備中，因而文中不考慮此標準中罐體厚度的計算方法。

目前，我國針對危險品鐵路運輸壓力容器的設計標準主要是GB/T 10478《液化氣體鐵道罐車》，其適用于裝運介質為液化氣體的鐵道罐車［3］。GB/T 10478標準中罐車罐體厚度的計算方法主要參考歐洲標準，其在罐體厚度計算方面提出一種耐壓試驗應力校核的計算方法。

2 校核方法

國內外鐵路罐車罐體厚度計算標準主要有RID、EN 14025、AAR和GB/T 10478。文中將按筒體和封頭，分別介紹這4個標準中罐體厚度計算方法。

2.1 鐵路罐車筒體厚度計算

2.1.1 RID罐車筒體厚度計算

RID標準中采用最小壁厚公式和當量壁厚公式計算罐體厚度，其筒體厚度計算公式見式（1）～式（3）。

（1）最小壁厚公式［4］

采用試驗壓力和計算壓力時，筒體厚度計算公式分別為式（1）、式（2）：

式中：e為最小罐體壁厚，mm；PT為試驗壓力，MPa；PC為計算壓力，MPa；D為RID標準中筒體的內徑，mm；σ為RID標準中許用應力，MPa；λ為焊接系數。

（2）當量壁厚公式［4］

采用當量壁厚公式時，筒體厚度計算公式為式（3）：

式中：e1為RID標準中所選用金屬材料的最小厚度，mm；e0為RID標準中低鋼碳最小殼體厚度，默認值為6 mm；Rm0為RID標準中低鋼碳拉伸強度，默認值為370 MPa；A0為RID標準中低鋼碳斷裂處的伸長率，默認值為27%；Rm1為RID標準中所選用金屬材料的最小拉伸強度，MPa；A1為RID標準中所選用金屬材料斷裂處的伸長率，%。

2.1.2 EN 14025罐車筒體厚度計算

EN 14025標準中要求基于試驗條件和工作條件進行筒體計算，其筒體厚度計算公式見式（4）、式（5）：

（1）試驗條件［5］

在試驗條件下，筒體厚度計算公式為式（4）：

式 中：Di為EN 14025和GB/T 10478標 準 中 筒 體 的內徑，mm；fd為EN 14025標準中許用應力，MPa。

（2）工作條件［5］

在工作條件下，工作壓力p和許用應力fd需要依照EN 14025標準中表1進行選擇和計算，其筒體厚度計算公式為式（5）：

式中：p為EN 14025標準中工作壓力，MPa。

2.1.3 AAR罐車筒體厚度計算[6]

AAR規范CⅢ分冊《罐車規范》將鐵路罐車罐體厚度計算分為承壓罐車、無壓力罐車、多單元罐車、低溫液體罐車和無縫鋼制罐車5類。其中，承壓罐車、無壓力罐車、多單元罐車和低溫液體罐車筒體厚度計算公式為式（6）：

式中：t為AAR標準中罐體的最低板厚，mm；P為AAR標準中要求的最低爆破壓力，MPa；d為AAR標準中筒體內徑，mm；S為AAR標準中板材的最小抗拉強度，MPa；E為AAR標準中焊接接頭系數。

對于無縫鋼制罐車筒體厚度校核，采用在罐體上標記的最大試驗壓力進行計算，計算方法為式（7）：

式中：U為AAR標準中樣本的最小抗拉強度，MPa；D為AAR標準中筒體的外徑，mm。

2.1.4 GB/T 10478罐車筒體厚度計算

GB/T 10478標準中要求鐵路罐車罐體進行耐壓試驗。當耐壓試驗采用液壓試驗時，試驗壓力下罐體的周向薄膜應力為式（8）［7］。為了便于計算罐體厚度，將式（8）轉換為罐體厚度計算為式（9）：

式中：σT為GB/T 10478標準中許用應力，MPa；δe為GB/T 10478標準中罐體的最小壁厚，mm。

2.2 封頭厚度計算

在RID、EN 14025、AAR和GB/T 10478這4個標準中，RID、GB/T 10478以及AAR標準中承壓罐車、多單元罐車和無縫鋼制罐車的封頭厚度計算公式和標準中筒體厚度計算公式相同。文中僅介紹標準中封頭厚度計算與筒體厚度計算不同的公式。

2.2.1 EN 14025罐車封頭厚度計算

EN 14025標準中封頭類型包括半球形封頭、碟形封頭和橢圓形封頭，這3種類型的封頭壁厚的計算見式（10）～式（25）。

（1）半球形封頭［5］

半球形封頭的壁厚為式（10）：

式中：eR為EN 14025標準中半球形封頭的壁厚，mm。

（2）碟形封頭［5］

碟形封頭的最小壁厚應為ey、es和eb中的最大值。其 中，ey、es和eb分 別 為 式（11）、式（12）、式（13）：

式中：ey為EN 14025標準中避免塑性屈服封頭連接處所需的厚度，mm；es為EN 14025標準中限制封頭中間位置膜應力所需的厚度，mm；eb為EN 14025標準中避免軸對稱屈服封頭連接處所需的厚度，mm；R為EN 14025標準中碟形封頭中心部分的內球 面半 徑，mm；r為EN 14025標 準 和AAR標準 中碟形封頭內部過渡半徑，mm；Dif為EN 14025標準中封頭直邊的內徑，mm；

βe為中間參數，計算公式為式（14）～式（22）：

當X=0.06時：

當0.06＜X＜0.1時：

當X=0.1時：

當0.1＜X＜0.2時：

當X=0.2時：

（3）橢圓形封頭［5］

橢圓形封頭即為在具有真正橢圓形狀的原有端部上制成的封頭。橢圓形封頭的形狀系數K應介于1.7～2.2之間。橢圓形封頭的形狀系數K的計算方法為式（23）：

式中：K為橢圓形封頭的形狀系數；h為EN 14025標準中為橢圓形封頭的內部高度，mm。

橢圓形封頭應按照碟形封頭進行計算，其中r與R的數值為式（24）、式（25）：

2.2.2 AAR罐車封頭厚度計算[6]

AAR鐵路罐車中無壓力罐和低溫液體罐車端部封頭厚度的計算為式（26）～式（29）：

（1）無壓力罐車

3∶1橢圓形封頭：

帶法蘭碟形封頭：

式中：L為AAR標準中碟形封頭的主要內部半徑，mm。

（2）低溫液體罐車

3∶1橢圓形封頭：

內罐的法蘭碟形封頭：

2.3 各標準公式對比

對各標準中筒體和封頭厚度計算公式，以及許用應力的匯總的對比見表1。從表1可知各標準對筒體和封頭的計算公式存在差異，對許用應力的要求也各不相同。除了EN 14025和AAR的部分罐車車型，其他標準的封頭均采用與筒體相同的厚度。

表1 各標準罐體厚度計算方法比較

3 罐體厚度計算

文中就鐵路運輸承壓罐車罐體的厚度計算，采用國內外不同的罐體厚度計算標準，針對筒體和碟形封頭分別進行計算，并對計算結果進行分析和對比評估。在材料參數選取、壓力定義和許用應力等方面做了詳細的說明，并比較了各標準罐體壁厚計算結果。

3.1 罐體設計參數

本例中鐵路罐車設計條件為：鐵路罐車運輸介質為液氨，罐體采用圓柱形筒體和碟形封頭，材料為奧氏體不銹鋼P400NGJ4。其工作壓力2.0 MPa，試驗壓力2.6 MPa，計算壓力2.6 MPa，設計最高溫度為50℃。按相關標準的規定，罐體的計算壓力應不小于設計壓力、液體靜壓力和等效壓力之和。設計壓力應不小于充裝和卸料時的工作壓力、設計溫度下介質的飽和蒸汽壓力（表壓），以及正常運輸使用過程中工作壓力中的最大值。等效壓力應由鐵路罐車縱向沖擊產生的慣性載荷除以筒體截面積的商確定。

為方便比較，假設各標準對應相同材料標準，其罐體材料性能參數見表2，各標準許用應力見表3。

表2 罐體材料性能參數

表3 各標準許用應力

從各標準的許用應力計算結果看，GB/T 10478許 用 應 力 最 大，而EN 10425最 小，RID介 于兩者之間。AAR標準中計算罐體厚度是基于彈性失效準則，采用的是拉伸強度?？偟膩碚f，各標準中安全系數的選取以及是否選取主要與設計方法、失效模式以及試驗驗證等有關，同時也與其規定的材料標準、焊接技術和制造檢驗等要求相適應。

3.2 計算結果對比

在相同的設計條件下，對不同內徑尺寸的筒體和封頭進行計算的對比。由各標準計算獲得筒體最小厚度值見表4，碟形封頭最小厚度值見表5。

從表4和表5可知，無論是筒體還是碟形封頭，按各標準計算得到其最小厚度值隨著內徑尺寸的增大而增大；且在相同內徑尺寸下，最小厚度值以EN 14025計算結果最為保守，RID次之，然后是AAR標準，GB/T 10478標準為最小。分析原因：總體來說，相同設計條件下對罐體最小壁厚影響最大的因素是許用應力的大小。但AAR標準中計算罐體厚度是基于彈性失效準則，采用爆破壓力下的最低抗拉強度來進行計算。這在某種程度上與采用其他壓力（試驗壓力、計算壓力或工作壓力）進行罐體計算不同。

表4 各標準不同內徑尺寸的筒體最小厚度值 單位：mm

表5 各標準不同內徑尺寸的封頭最小厚度值 單位：mm

罐體的設計厚度必須大于或等于最小厚度值，還需要加上腐蝕余量，形成最終的罐體壁厚設計值。對于腐蝕余量，根據灌裝的介質不同各標準都有相關規定，文中不再詳細闡述。

4 結論

文中針對危險品鐵路運輸鐵路罐車罐體厚度的計算，首先闡述了目前國內外鐵路罐車罐體設計標準，然后介紹了各鐵路罐車罐體設計標準中罐體厚度計算公式并進行了對比分析，最后在相同的設計條件下，對不同內徑尺寸的筒體和封頭進行計算對比。可以得出以下結論：

（1）AAR標準中計算罐體厚度的方法是基于彈性失效準則，采用爆破壓力下的最低抗拉強度來進行計算。

（2）無論是筒體還是碟形封頭，按各標準計算得到的最小厚度值隨著內徑尺寸的增大而增大。

（3）在相同內徑尺寸下，最小厚度值以EN 14025計算結果最為保守，RID次之，接著是AAR標準，GB/T 10478標準最小。