GHB—55K型不锈钢保温罐车罐体保温层的研究设计

万生太

摘 要：介绍了铁路保温罐车及罐车保温层的发展状况和GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层的研发背景。提出罐体保温性能的要求，通过分析、实验、计算论证了保温层的结构及保温层材质的选取的合理性和安全性。同进针对保温层制造提出了合理的方案。

关键词：罐车 保温层 性能 结构 强度分析 制造

中图分类号： U272.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

铁路保温罐车是铁路罐车的一种。随着化学工业的发展，化工产品种类和运量的增加，它的主要运输设备—铁路货车的种类也在不断增加。国外铁路保温罐车的发展史比较早，从罐体保温层的结构到保温层的材料都有比较成熟的经验，但随着化学工业的发展保温罐车功能的不足之处还有待进一步研发、改进。国内铁路保温罐车是从1968年首台沥青铁路罐车保温罐体的研制开始的，目前国内保温罐车从罐体的保温结构上分主要有二大类，第一类是罐体外部采用全封闭型保温外壳，罐体与保温外壳通过支撑骨架联接，罐体与保温外壳之间填充保温层。满足货物在一定运输区间和时间内冬季不上冻以及夏季隔热的需要。第二类是罐体内有内胆的双层罐体结构，内、外罐体之间填充保温层，形成了三明治层的结构。主要是满足运输低温液态有保温（冷）要求的化工介质的需求。GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体的保温层的研发是在总结多年来铁路保温罐车运用经验基础上，对现有铁路保温罐车罐体保温层的结构和材质进行研究和分析而进行设计的，提高了罐体的保温性能，满足用户和市场的需求。

1 罐体保温性能的要求

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车装运丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介质。介质装车温度为25 ℃，满足盛装介质在最恶劣的环境条件下，在250h内的运输过程中温升不超过10 ℃。保证介质在特定温范围内、常压状态下的铁路运输。

2 罐体保温层的结构设计

由于装运介质对温度要求比较苛刻，同时考虑介质的特性，罐体保温层的结构设计在吸收借鉴以往设计经验的基础上，隔热形式亦采用夹层式结构，内罐体采用不锈钢，外罐体采用低合金钢，内、外罐体间不设金属连接，无热桥，在内、外罐体间浇注硬质聚氨酯泡塑料，保温层厚度为244 mm。结构如图1所示。

3 保温层材料的选择取

用于夹层式保温结构的硬质聚氨酯泡沫塑料，既要满足保温的要求，又要满足承受罐体重量、介质重量和罐车因冲击引起的载荷作用的要求。除要求具有较小的导热系数和较高的力学性能外，还要求材料具有耐油、耐热、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有较小的容重和吸水性，由于材料为现场浇注发泡，要求具有良好的浇注工艺性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，导热系数就增大，因此通过对保温层浇注工艺进行试样分析和性能测试[1]。确定保温隔热材料的物性指标[2]必须满足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.导热系数：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉强度：≥ 0.15 MPa；

d.抗压强度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪强度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉弹性模数）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪弹性模数）=43 kgf/cm2；

h.剥离强度（与金属）：≥0.20 MPa。

i.闭孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃烧性：符合GB/T8624-1997中 B1级

l.适用温度：-40～150 ℃

4 保温层的强度分析

由于内、外罐体间无任何金属连接，内罐体和介质的垂向载荷以及运行中的冲击载荷均由保温层承担，因此在保温层强度分析时考虑保温层受到的垂向载荷和纵向冲击载荷。

计算时假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直载荷、纵向冲击载荷作用下处于弹性变形。材料拉压弹性模数相等。

τd/σd=τd/σd（保温层抗剪应力/抗压应力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封头与筒体相交处变形相同。）

a）垂直总载荷中内罐体载重和内罐体的重量以惯性力的方式作用于保温层上，载重以面力的方式垂直作用于保温层内壁上。受力如图2示（图中长度单位为cm）：

垂向总载荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd则保温层抗压应力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直静载荷）=内罐体自重+载重=52250Kg；Qd（垂直动载荷）= βd*Qj=30410Kg（βd为动载荷系数=0.582）；

校核结果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）运行中的纵向冲击载荷作用于保温层的封头上。受力如图3示（图中长度单位为cm）：

纵向冲击载荷[3]QG=PG*G/（G+T）则保温层抗压应力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文献[7]中第二工况）；G=47300kg（罐车载重）；T=32500Kg（罐体自重）；

校核结果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通过保温层强度校核，当保温层厚为244 mm时强度满足设计要求。

5 保温层的制造

设计中采用了双层罐体中间填充保温材料，双层罐体无金属连接的结构，在罐体制造中实现这种特殊结构的关键技术是如何保证保温材料均匀的填充满内、外罐体的空间。在罐体组对中先组对内、外筒体，采用支撑环定位，在内、外筒体的中部浇筑一定长度的保温材料，内、外筒体定位后拆去支撑环再组对内、外封头。通过实验确定了外罐体筒体和封头顶部开浇注口的数量和位置，通过合理的制作工艺，保证了夹层式保温结构的罐体制作质量。

6 结语

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层结构合理，保温性能优良，达到国内铁路罐车保温技术的先进水平。攻克了乙烯燃生物介质铁路运输的难关，促进我国乙烯燃生物工业的发展。

参考文献

[1] GB/T8813-2008硬质泡沫塑料压缩性能的测定（ISO844：2004 IDT）[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔热用硬质聚氯酯泡沫塑料[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[3] TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].中华人民共和国铁道部发布，1996.endprint

摘 要：介绍了铁路保温罐车及罐车保温层的发展状况和GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层的研发背景。提出罐体保温性能的要求，通过分析、实验、计算论证了保温层的结构及保温层材质的选取的合理性和安全性。同进针对保温层制造提出了合理的方案。

关键词：罐车 保温层 性能 结构 强度分析 制造

中图分类号： U272.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

铁路保温罐车是铁路罐车的一种。随着化学工业的发展，化工产品种类和运量的增加，它的主要运输设备—铁路货车的种类也在不断增加。国外铁路保温罐车的发展史比较早，从罐体保温层的结构到保温层的材料都有比较成熟的经验，但随着化学工业的发展保温罐车功能的不足之处还有待进一步研发、改进。国内铁路保温罐车是从1968年首台沥青铁路罐车保温罐体的研制开始的，目前国内保温罐车从罐体的保温结构上分主要有二大类，第一类是罐体外部采用全封闭型保温外壳，罐体与保温外壳通过支撑骨架联接，罐体与保温外壳之间填充保温层。满足货物在一定运输区间和时间内冬季不上冻以及夏季隔热的需要。第二类是罐体内有内胆的双层罐体结构，内、外罐体之间填充保温层，形成了三明治层的结构。主要是满足运输低温液态有保温（冷）要求的化工介质的需求。GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体的保温层的研发是在总结多年来铁路保温罐车运用经验基础上，对现有铁路保温罐车罐体保温层的结构和材质进行研究和分析而进行设计的，提高了罐体的保温性能，满足用户和市场的需求。

1 罐体保温性能的要求

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车装运丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介质。介质装车温度为25 ℃，满足盛装介质在最恶劣的环境条件下，在250h内的运输过程中温升不超过10 ℃。保证介质在特定温范围内、常压状态下的铁路运输。

2 罐体保温层的结构设计

由于装运介质对温度要求比较苛刻，同时考虑介质的特性，罐体保温层的结构设计在吸收借鉴以往设计经验的基础上，隔热形式亦采用夹层式结构，内罐体采用不锈钢，外罐体采用低合金钢，内、外罐体间不设金属连接，无热桥，在内、外罐体间浇注硬质聚氨酯泡塑料，保温层厚度为244 mm。结构如图1所示。

3 保温层材料的选择取

用于夹层式保温结构的硬质聚氨酯泡沫塑料，既要满足保温的要求，又要满足承受罐体重量、介质重量和罐车因冲击引起的载荷作用的要求。除要求具有较小的导热系数和较高的力学性能外，还要求材料具有耐油、耐热、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有较小的容重和吸水性，由于材料为现场浇注发泡，要求具有良好的浇注工艺性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，导热系数就增大，因此通过对保温层浇注工艺进行试样分析和性能测试[1]。确定保温隔热材料的物性指标[2]必须满足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.导热系数：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉强度：≥ 0.15 MPa；

d.抗压强度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪强度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉弹性模数）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪弹性模数）=43 kgf/cm2；

h.剥离强度（与金属）：≥0.20 MPa。

i.闭孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃烧性：符合GB/T8624-1997中 B1级

l.适用温度：-40～150 ℃

4 保温层的强度分析

由于内、外罐体间无任何金属连接，内罐体和介质的垂向载荷以及运行中的冲击载荷均由保温层承担，因此在保温层强度分析时考虑保温层受到的垂向载荷和纵向冲击载荷。

计算时假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直载荷、纵向冲击载荷作用下处于弹性变形。材料拉压弹性模数相等。

τd/σd=τd/σd（保温层抗剪应力/抗压应力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封头与筒体相交处变形相同。）

a）垂直总载荷中内罐体载重和内罐体的重量以惯性力的方式作用于保温层上，载重以面力的方式垂直作用于保温层内壁上。受力如图2示（图中长度单位为cm）：

垂向总载荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd则保温层抗压应力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直静载荷）=内罐体自重+载重=52250Kg；Qd（垂直动载荷）= βd*Qj=30410Kg（βd为动载荷系数=0.582）；

校核结果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）运行中的纵向冲击载荷作用于保温层的封头上。受力如图3示（图中长度单位为cm）：

纵向冲击载荷[3]QG=PG*G/（G+T）则保温层抗压应力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文献[7]中第二工况）；G=47300kg（罐车载重）；T=32500Kg（罐体自重）；

校核结果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通过保温层强度校核，当保温层厚为244 mm时强度满足设计要求。

5 保温层的制造

设计中采用了双层罐体中间填充保温材料，双层罐体无金属连接的结构，在罐体制造中实现这种特殊结构的关键技术是如何保证保温材料均匀的填充满内、外罐体的空间。在罐体组对中先组对内、外筒体，采用支撑环定位，在内、外筒体的中部浇筑一定长度的保温材料，内、外筒体定位后拆去支撑环再组对内、外封头。通过实验确定了外罐体筒体和封头顶部开浇注口的数量和位置，通过合理的制作工艺，保证了夹层式保温结构的罐体制作质量。

6 结语

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层结构合理，保温性能优良，达到国内铁路罐车保温技术的先进水平。攻克了乙烯燃生物介质铁路运输的难关，促进我国乙烯燃生物工业的发展。

参考文献

[1] GB/T8813-2008硬质泡沫塑料压缩性能的测定（ISO844：2004 IDT）[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔热用硬质聚氯酯泡沫塑料[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[3] TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].中华人民共和国铁道部发布，1996.endprint

摘 要：介绍了铁路保温罐车及罐车保温层的发展状况和GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层的研发背景。提出罐体保温性能的要求，通过分析、实验、计算论证了保温层的结构及保温层材质的选取的合理性和安全性。同进针对保温层制造提出了合理的方案。

关键词：罐车 保温层 性能 结构 强度分析 制造

中图分类号： U272.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0023-02

铁路保温罐车是铁路罐车的一种。随着化学工业的发展，化工产品种类和运量的增加，它的主要运输设备—铁路货车的种类也在不断增加。国外铁路保温罐车的发展史比较早，从罐体保温层的结构到保温层的材料都有比较成熟的经验，但随着化学工业的发展保温罐车功能的不足之处还有待进一步研发、改进。国内铁路保温罐车是从1968年首台沥青铁路罐车保温罐体的研制开始的，目前国内保温罐车从罐体的保温结构上分主要有二大类，第一类是罐体外部采用全封闭型保温外壳，罐体与保温外壳通过支撑骨架联接，罐体与保温外壳之间填充保温层。满足货物在一定运输区间和时间内冬季不上冻以及夏季隔热的需要。第二类是罐体内有内胆的双层罐体结构，内、外罐体之间填充保温层，形成了三明治层的结构。主要是满足运输低温液态有保温（冷）要求的化工介质的需求。GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体的保温层的研发是在总结多年来铁路保温罐车运用经验基础上，对现有铁路保温罐车罐体保温层的结构和材质进行研究和分析而进行设计的，提高了罐体的保温性能，满足用户和市场的需求。

1 罐体保温性能的要求

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车装运丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸正丁酯等介质。介质装车温度为25 ℃，满足盛装介质在最恶劣的环境条件下，在250h内的运输过程中温升不超过10 ℃。保证介质在特定温范围内、常压状态下的铁路运输。

2 罐体保温层的结构设计

由于装运介质对温度要求比较苛刻，同时考虑介质的特性，罐体保温层的结构设计在吸收借鉴以往设计经验的基础上，隔热形式亦采用夹层式结构，内罐体采用不锈钢，外罐体采用低合金钢，内、外罐体间不设金属连接，无热桥，在内、外罐体间浇注硬质聚氨酯泡塑料，保温层厚度为244 mm。结构如图1所示。

3 保温层材料的选择取

用于夹层式保温结构的硬质聚氨酯泡沫塑料，既要满足保温的要求，又要满足承受罐体重量、介质重量和罐车因冲击引起的载荷作用的要求。除要求具有较小的导热系数和较高的力学性能外，还要求材料具有耐油、耐热、耐寒、抗震、隔音和阻火的性能，材料有较小的容重和吸水性，由于材料为现场浇注发泡，要求具有良好的浇注工艺性能。由于聚氨酯泡沫塑料密度增大了，导热系数就增大，因此通过对保温层浇注工艺进行试样分析和性能测试[1]。确定保温隔热材料的物性指标[2]必须满足下列要求：

a.容 重：30～60 kg/m3 ；

b.导热系数：≤0.025 kcal/（m·h·℃）

c.抗拉强度：≥ 0.15 MPa；

d.抗压强度：≥ 0.20 MPa；

e.抗剪强度：≥ 0.20 MPa；

f.Gd（抗拉弹性模数）=12 kgf/cm2；

g.Ed（抗剪弹性模数）=43 kgf/cm2；

h.剥离强度（与金属）：≥0.20 MPa。

i.闭孔率：≥95%

j.吸水率：V/V≤3%

k.燃烧性：符合GB/T8624-1997中 B1级

l.适用温度：-40～150 ℃

4 保温层的强度分析

由于内、外罐体间无任何金属连接，内罐体和介质的垂向载荷以及运行中的冲击载荷均由保温层承担，因此在保温层强度分析时考虑保温层受到的垂向载荷和纵向冲击载荷。

计算时假定：聚氨酯硬泡塑料在垂直载荷、纵向冲击载荷作用下处于弹性变形。材料拉压弹性模数相等。

τd/σd=τd/σd（保温层抗剪应力/抗压应力=（Gd/Ed）*（tp1/tp2）=0.28（按封头与筒体相交处变形相同。）

a）垂直总载荷中内罐体载重和内罐体的重量以惯性力的方式作用于保温层上，载重以面力的方式垂直作用于保温层内壁上。受力如图2示（图中长度单位为cm）：

垂向总载荷[3]Qc=Qj+Qd=2*D*L*σd +2*π*D2τd则保温层抗压应力σd=Qc/（2*D*L+2*π*D2τd/σd）

式中Qj（垂直静载荷）=内罐体自重+载重=52250Kg；Qd（垂直动载荷）= βd*Qj=30410Kg（βd为动载荷系数=0.582）；

校核结果：σd=Qc/（2*D*L+2*π *D2τd/σd）=0.142 kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2 kgf/cm2）

τd =（τd/σd）σd=0.04﹤[τd] （材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

b）运行中的纵向冲击载荷作用于保温层的封头上。受力如图3示（图中长度单位为cm）：

纵向冲击载荷[3]QG=PG*G/（G+T）则保温层抗压应力σd=QG/（2*π/4*D2+π*D*L*τd/σd）式中PG=2250KN

（文献[7]中第二工况）；G=47300kg（罐车载重）；T=32500Kg（罐体自重）；

校核结果：σd=QG/（2*π/4*D2+ π*D*L*τd/σd）=0.405 Kgf/cm2﹤[σd]（材料许用抗压强度[σd]=0.2Kgf/cm2）

τd=（τd/σd）σd=0.113﹤[τd]（材料许用剪切强度 [τd]=0.2 kgf/cm2）

通过保温层强度校核，当保温层厚为244 mm时强度满足设计要求。

5 保温层的制造

设计中采用了双层罐体中间填充保温材料，双层罐体无金属连接的结构，在罐体制造中实现这种特殊结构的关键技术是如何保证保温材料均匀的填充满内、外罐体的空间。在罐体组对中先组对内、外筒体，采用支撑环定位，在内、外筒体的中部浇筑一定长度的保温材料，内、外筒体定位后拆去支撑环再组对内、外封头。通过实验确定了外罐体筒体和封头顶部开浇注口的数量和位置，通过合理的制作工艺，保证了夹层式保温结构的罐体制作质量。

6 结语

GHB-55K型不锈钢保温铁道罐车罐体保温层结构合理，保温性能优良，达到国内铁路罐车保温技术的先进水平。攻克了乙烯燃生物介质铁路运输的难关，促进我国乙烯燃生物工业的发展。

参考文献

[1] GB/T8813-2008硬质泡沫塑料压缩性能的测定（ISO844：2004 IDT）[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[2] GB/T21558-2008建筑物隔热用硬质聚氯酯泡沫塑料[S].中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会颁布，2008.

[3] TB/T1335-1996铁道车辆强度设计及试验鉴定规范[S].中华人民共和国铁道部发布，1996.endprint