液化天然氣鐵路罐車設計及試驗

何遠新，黃政賢，劉鳳偉，呂長樂，楊清義，徐衛國，沈銑

液化天然氣鐵路罐車設計及試驗

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 制冷與低溫研究所，杭州 310027；3.全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會低溫技術委員會，上海 200240）

本文通過對液化天然氣鐵路罐車的設計及試驗驗證進行研究，為LNG鐵路罐車的應用提供參考。介紹液化天然氣鐵路罐車的技術參數確定和結構組成，采用CAD、FEM技術對罐車的結構進行設計研究及仿真分析，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性能和真空絕熱指標。液化天然氣鐵路罐車軸質量為23 t、載質量不超過41 t，在最高運行速度120 km/h時能夠安全運行，每天的靜態蒸發率（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參數及性能指標達到了設計文件和相關標準的要求。

液化天然氣；鐵路罐車；靜態蒸發率

隨著我國能源結構的改革和轉型升級，液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，已廣泛應用于居民生活、工業生產等方方面面。由于我國天然氣資源主要分布在西北等偏遠地區[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，這種地理區位矛盾給天然氣供應帶來了諸多困難，當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用需求。國內外研究表明，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]等優勢，結合我國鐵路網絡覆蓋范圍廣、客貨分離等發展趨勢，具有顯著優勢。

LNG鐵路運輸技術目前只有美國、日本等少數國家所擁有[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液態乙烯鐵路罐車，該車最大工作壓力為0.61 MPa，載質量為50 t，該車也可用于LNG的鐵路運輸，且在加拿大投入應用。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接卸與轉運，運輸距離不超過1 000 km，最大許可容積為52.6 m3。本文結合我國鐵路運輸環境、載荷工況等特點，對LNG鐵路罐車的結構設計、仿真分析及試驗進行了研究，填補國內LNG鐵路運輸裝備空白。

1 主要技術參數確定

結合我國23 t軸重鐵路貨車[11]總體技術參數和TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范車體第2部分：貨車車體》、GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界第1部分：機車車輛限界》、GB 146.2—2020《標準軌距鐵路限界第2部分：建筑限界》等設計標準規定，《鐵路危險貨物運輸安全監督管理規定》（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技術研究[12-13]，確定LNG鐵路罐車主要技術技術參數如表1所示。

2 主要結構組成

LNG鐵路罐車包含無押運間和帶押運間2種車型，主要結構均由牽枕裝配、罐體裝配、管路系統、轉向架、制動裝置、車鉤緩沖裝置及安全監控系統等組成，其主要結構見圖1a、圖1b。帶押運間LNG鐵路罐車在車輛二位端設有可供押運人員工作和生活用押運間。

表1 LNG鐵路罐車主要技術性能參數

Tab.1 Main technical performance parameters of LNG railway tank car

注：限界符合GB 146.1—2020《標準軌距鐵路限界第1部分：機車車輛限界》的規定。

圖1 LNG鐵路罐車主要結構

2.1 牽枕裝配

牽枕裝配采用了無中梁小底架結構[14]，該結構可以實現增大罐體設計容積、降低整車重心的目的，同時也可以提升車輛動力學性能，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力[15]。牽枕裝配由牽引梁組成、枕梁組成、橫梁組成、側梁組成、端梁組成等部件組焊而成，其結構如圖2所示。

2.2 罐體裝配

罐體裝配主要由外殼、內容器、絕熱層、內外罐體支撐和閥門操作箱等部件組成。其中內容器充裝?162 ℃的LNG介質，內容器與外殼之間的夾層用于纏繞由“鋁箔+玻璃纖維紙”構成多層絕熱層[16]，并抽真空達到真空絕熱的效果。內外罐體支撐主要用于將內容器的載荷傳到外殼，并降低外部熱量的傳導，具有承載能力強，導熱系數低等特點。

為防止內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，一旦內容器泄漏的事故狀態導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

管路系統包括裝卸管路、增壓管路、氣相管路、差壓管路、溢流管路、緊急控制管路，并設置有罐體安全閥、管路安全閥、壓力表、抽真空及檢測系統等安全附件，所有管路、裝卸閥門及其附件均安裝在閥門操作箱內。為防止低溫“穿透”，在罐體夾層管路設計時，液相管路設置了氣封（液）結構[17]，并考慮了較大的熱力學計算熱橋安全裕度。

為方便使用單位在我國鐵路線路進行裝卸LNG作業，LNG鐵路罐車的管路采用中部雙側充裝對稱設計，在車輛兩側均設有裝卸法蘭接口，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施不匹配。

2.4 轉向架

走行裝置中選用我國70 t級鐵路貨車通用成熟的轉K5型轉向架[18]。由于LNG鐵路罐車自質量較大，為改善空車的動力學性能，避開撓度轉換點，對轉K5型轉向架的中央懸掛系統進行了調整。為防止靜電積聚，轉向架設置有導電型心盤磨耗盤[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

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

2.7 安全監控系統

為滿足罐車使用單位對罐車狀態監測需求，在車體側面的閥門箱中設置了安全監控系統，該系統包括電子式液位數據采集裝置、壓力數據采集裝置、溫度數據采集裝置以及操作閥門箱內介質泄漏濃度數據采集裝置。該系統可以實現地面監控調度人員以及押運間內車上押運人員通過顯示裝置實時監控罐內液位、壓力、溫度等參數，出現泄漏或者罐體內相關參數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構和隔熱層組成。鋼結構由底架、側墻、端墻和車頂等組焊而成。隔熱層主要由隔熱料、骨架、地板、內板和平頂等組成，考慮防火要求，內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泡沫塑料，內飾層選用防火貼面膠合板。押運間內設置有供押運人員休息和生活的床鋪、水箱、馬桶、臉盆等設施。

3 主要計算及試驗情況

3.1 計算分析

根據TB/T 3548—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范總則》進行了整車靜強度有限元仿真分析計算。由于該車體結構關于其縱向中央截面對稱，利用結構的對稱性準則，分析時取其整車1/2結構建立力學模型，采用HyperMesh軟件對車體進行結構離散。車體有限元模型如圖3所示，單元總數為521 802，節點總數為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的考核標準進行安全評估。仿真結果表明最大應力區位于牽引梁尾部的底架和罐體連接處，其仿真分析結果分別如圖4、圖5所示，應力仿真值見表2。

圖4 第一工況罐體及底架應力云圖

圖5 第二工況罐體及底架應力云圖

表2 LNG鐵路罐車牽引梁尾部區域應力仿真及試驗

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力仿真分析值分別為271.3、174.3、319.3、177.5 MPa，均小于許用應力，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TB/T 3550.2—2019《機車車輛強度設計及試驗鑒定規范車體第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域應力實測試驗結果。

試驗結果表明，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力值分別為179.3、140.0、217.4、176.8 MPa，均小于許用應力，滿足強度要求。

3.2.2 低溫性能試驗

根據GB/T 18443.5—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法第5部分：靜態蒸發率測量》、GB/T 18443.7—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法第7部分：維持時間測量》，以無押運間LNG鐵路罐車為典型產品對樣車進行了低溫性能試驗，主要包括靜態蒸發率和維持時間試驗，試驗介質為液氮。試驗及測試結果顯示，該罐車夾層封結真空度為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，真空絕熱性能優越；每天的靜態蒸發率（液氮）為0.08%，維持時間（液氮）達到92 d，達到了預定設計目標。

4 結語

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的總結和介紹，可為后續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。

針對后續發展，建議國家及政府行業監督管理部門組織專題研討和系統性分析研究。由鐵路運輸裝備制造企業、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監督管理部門共同參與，推動開展示范應用工程研究。進一步全面分析系統安全性及相應保障措施和風險控制措施，同時對該運輸模式技術經濟性能進行進一步深入詳細分析和運用總結。對大力推進我國LNG清潔能源使用，服務于我國社會高質量清潔低碳發展帶來積極促進作用。

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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。

責任編輯：曾鈺嬋