铁路液化天然气罐式集装箱设计

侯冲

受环境保护政策和社会经济发展的影响，液化天然气（liquefied natural gas，LNG）在我国能源结构中的占比逐年提高，我国已经成为世界第二大LNG进口国。在此背景下，交通运输部、国家发展和改革委员会等部门提出加快提升水路、铁路、公路LNG运输效率，推进多式联运，探索研发LNG集装箱运输技术和装备，增强LNG运输的灵活性。目前，铁路LNG罐式集装箱（以下简称“罐箱”）正在开展线路运行试验，未来将迎来广阔的发展空间和市场。本文针对铁路运输的特殊性，分析铁路LNG罐箱的设计标准及选材、设计、安全、试验和使用等要求，以期为铁路LNG罐箱产品设计提供参考。

1 铁路LNG罐箱设计标准

铁路LNG罐箱设计应当符合相关国际公约、国家标准、行业标准、铁路标准、专项技术条件等，涉及的主要标准和公约包括GB 150-2011《压力容器》、GB/T 1413-2008《系列1集裝箱 分类、尺寸和额定质量》、GB/T 16563-2017《系列1集装箱 技术要求和试验方法 液体、气体及加压干散货罐式集装箱》、GB/T 1836-2017《集装箱 代码、识别和标记》、NB/T 47059-2017《冷冻液化气体罐式集装箱》、TB/T 3550.2-2019《机车车辆强度设计及试验鉴定规范 车体 第2部分：货车车体》、TG/HY 105-2017《铁路危险货物运输管理规则》、TSG R0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》、TJ/KH 013-2013《铁路液化天然气（LNG）罐式集装箱运输设施设备暂行技术条件》、中国船级社《集装箱检验规范（2016）》、中国船级社《材料与焊接规范（2018）》、《国际集装箱安全公约》和《集装箱关务公约》等。

2 铁路LNG罐箱选材要求

铁路LNG 罐箱的外壳材料和框架材料应当与运输路段月平均最低气温和最高气温相适应，并具有良好的可焊性和冲击韧性，能承受运输过程中的冲击、振动及环境和温度变化等产生的影响。铁路LNG罐箱选材主要有两点要求：一是材料严格符合相关标准的规定;二是材料属性与工作温度相适应。铁路LNG罐箱具体选材要求见表1。若材料存在不符合设计标准的情况，须通过主管单位的技术评审才能使用，否则不允许使用。例如，S30458材料除了须满足GB/T 24511-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》的规定外，还须通过全国锅炉压力容器标准化技术委员会相应的技术评审，才允许应用于LNG罐箱制造。

3 铁路LNG罐箱设计要求

铁路LNG罐箱设计除了须满足相关国家标准和行业标准对刚度、强度、稳定性等的要求外，还要进行容积、安全泄放、传热、静态蒸发率、充满率、支撑结构强度、防爆口、吸附剂用量、维持时间、等效压力、标准钢、重心高度、管路应力及整体有限元等相关计算。在铁路LNG罐箱设计过程中应当注意以下几点：（1）设计压力不低于0.6 MPa;（2）计算罐箱额定充满率，并且仅允许罐箱在额定充满率下运行;（3）放散口布置在罐箱后端，朝斜后方排放（见图1）;（4）维持时间不短于90 d;（5）在进行等效压力计算和仿真计算时，纵向惯性力的加速度至少设定为重力加速度的4倍;（6）采用多点径向支撑方式，常见的为八点支撑;（7）设置2个5 kg干粉灭火器，并设置应急救援器材箱;（8）重心高度不超过;（9）在阀门颜色方面，要求液相阀为黄色，气相阀和安全阀为红色，其他阀门为银灰色;（10）不设置防波板;（11）内容器不采用应变强化技术;（12）框架设置上侧梁;（13）须通过主管部门的设计评审。

4 铁路LNG罐箱安全要求

在设计铁路LNG罐箱时，要求设置静电接地装置，以便连接场站的接地设备，提高安全性。鉴于铁路运行的特殊性，铁路LNG罐箱运输采用电子押运方式保障运输安全，即在箱内安装具有超压预警等功能的监控系统，实时监控罐箱的温度、压力、液位、环境温度、位置等信息;当系统预警时，立即启动应急预案处理报警罐箱。此外，随箱配备防溅头盔、防静电服、防冻手套、防爆扳手、堵漏设备等应急救援物资，以备不时之需。

5 铁路LNG罐箱试验要求

铁路LNG罐箱除了需要通过常规LNG罐箱的所有试验（压力试验、气密试验、集装箱静强度试验、UN冲击试验、低温试验等）外，还要通过铁路冲击试验、容积测量以及LNG介质维持时间试验。铁路冲击试验要求模拟真实的铁路冲击工况，通过在罐箱内填充介质，模拟与实际填充LNG相同的质量和重心高度。容积测量由具备铁路资质的单位执行，常用的测量方法为激光测量。铁路LNG罐箱低温试验除了须开展液氮相关试验外，还要求以LNG为介质实测罐箱维持时间，且试验过程中的所有数据须实时上传到中国铁道科学研究院集团有限公司的监控系统，以确保数据的真实性。

6 铁路LNG罐箱使用要求

（1）罐箱出厂前须取得压力容器监检证书、可移动罐柜证书、低温试验报告、UN冲击试验报告、铁路冲击试验报告、容积检定报告等。

（2）罐箱投入使用前须办理压力容器使用登记证和商业保险。

（3）罐箱正式上线运行前应完成安全评价（评估）并取得相关报告。

7 结束语

与常规LNG罐箱设计相比，铁路LNG罐箱设计难度更大，尤其是在铁路冲击试验方面，铁路LNG罐箱的一次性通过率不超过50%。这要求设计人员采用多种计算方法联合设计，不断优化结构，以降低罐箱冲击应力，提高罐箱结构强度。此外，铁路LNG罐箱结构失效主要表现为振动疲劳、结构疲劳和焊接疲劳，在设计时应予以计算考虑。总之，只有设计计算全面、准确，才能够生产出合格的铁路LNG罐箱产品，从而保障铁路LNG罐箱运输安全。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2020-12-28）