超高速低真空磁浮管道试验平台建造关键技术研究

杨学昆

摘要 超高速低真空管道磁浮交通系统利用超导磁悬浮技术减弱车轨振动、消除车轨摩擦，通过建立低真空运行环境大幅降低气动噪声和空气阻力，超导同步直线电机技术实现了动力系统外置获得更大有效载荷及速度，可实现最高速度1 000 km/h的“近地飞行”。通过研究国内外关于超高速低真空磁浮管道交通系統技术现状为切入点，针对真空、管（隧）、强电磁环境的影响及桥梁带来的低真空环境与车/管荷载的作用，开展超高速低真空磁浮管道试验平台建造技术攻关研究，为今后工程化试验线建设及相关标准制定奠定坚实的基础。

关键词 低真空;管梁;试验平台;真空度;电磁阻力

中图分类号 U237 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）07-0082-03

0 引言

我国高速铁路建造技术日趋完善，但是由于建造方式受空气阻力、噪声、车轨摩擦、车轨振动等技术因素影响，很难进一步实现新的突破。超高速低真空管道磁悬浮交通系统作为国际最先进的地面交通技术，具有极强的产业带动性，在钢铁、基建等传统产业的基础上，还将带动电力电子、先进制造、人工智能、大数据等一大批“高精尖”产业发展，为我国经济高质量发展提供新动能[1]。

1 国内、外研究现状

1.1 美国

2020年7月，美国运输部明确将超级高铁有关计划正式划归联邦铁路局管辖，并且认同超级高铁项目具有申请联邦援助资金的资格。目前美国方面技术研发主要由Virgin Hyperloop One公司（简称VHO）、Hyperloop Transportation Technologies（简称Hyperloop TT）两家公司主导，两家公司均采用电动磁悬浮制式作为主要技术途径，受美国交通部支持，目前正在世界各地推动真空工程线建设，并已与沙特、阿联酋、印度等多国签署合作协议。

1.2 日本

日本自1962年开始研究超导磁悬浮铁路，前期通过修建480 m长的原理试验线验证了悬浮推进原理，中期修建7 km宫崎试验线分别对倒T形轨和U形轨进行了性能验证，对试验车进行了载人舒适性、可靠性及安全性性能验证。后期修建了42.8 km山梨试验线，完成了编组列车的载人高速运行试验（试验速度达到603 km/h），对列车的可靠性和耐久性进行了验证，积累了大量的试验数据，为转入商业运营奠定了基础。

1.3 国内研究现状

我国相关研究单位从21世纪起开始关注超高速低真空管道交通，在交通运输部指导下，通过二十年的技术引进和自主创新，形成了一定技术基础。2018年，相关单位设立了“低真空管（隧）道高速磁悬浮铁路发展战略研究”重大咨询项目[2]。2019年国务院正式印发的《交通强国建设纲要》中明确提出“合理统筹安排低真空管道高速列车等技术储备研发”。从技术发展来看，利用管道结合真空技术能有效降低空气阻力和噪声，减小系统能耗，提升系统经济性，是发展600 km/h以上高速交通系统的有力手段。

考虑到载人运营需求，按照单线单管设计，管道直径一般不小3 m，大于一般轨道交通梁高，因此管道有条件作为纵向受力构件承受自重及车辆活载。管道内部需形成U形构造，U形腹板侧面安装电磁线圈与车载磁体相互感应，实现悬浮及导向。设计确定将实现真空环境的密闭管道和承载列车荷载的梁部二者相结合的结构形式是较为合理的选择，这种结构形式称为“管梁” 。

2 真空试验平台概述

中铁六局集团丰桥桥梁有限公司在北京市平谷区建设完成了全国第一个全尺寸超高速低真空管道磁浮交通系统试验平台，试验平台包括：21 m nu钢-混管梁、6 m 钢管梁、控制检测室、真空泵房、管梁基础及相关配套设施等六部分组成，试验平台承担着管道梁体主体结构的设计施工方案验证、管道梁体力学性能、管道电磁环境、大体积真空环境建立、维持及监测技术等一系列低真空管道关键技术问题的验证和科研任务，如图1。

3 结构型式方案

针对高动态荷载、温度荷载等耦合荷载带来的管梁设计问题，需开展“一体式管梁”和“分体式管梁”结构论证方案研究，并完成多种荷载工况下的荷载及变形特性研究。

3.1 nu梁结构

21 m钢-混管梁采用分体式“nu”结构。上半部采用外包钢板焊接成“n”型结构，下半部采用外包钢板与预应力混凝土“u”形叠合结构，通过螺栓摩擦副、钢板焊接以及密封材料将二者进行连接成整体结构共同受力，混凝土梁外包钢板主要起真空密闭作用。钢结构材料采用Q355D钢材，端部采用16 mm厚钢板，跨中采用8 mm钢板。梁体混凝土等级为C50，预应力体系采用铁路桥梁预应力钢绞线成品束，锚固体系采用自锚式拉丝体系。

3.2 全圆管梁结构

6 m钢-混管梁采用全圆钢管构造，管内浇筑混凝土实现U形结构。管梁梁长6.4 m，内径6 m。钢结构材料采用Q355D钢材，全部采用16 mm厚钢板，梁体混凝土等级为C50，圆管内混凝土采用非预应力张拉体系。

4 建造步骤

4.1 nu梁施工步骤

工厂加工u型节段 → 在桥位处焊接成整体 → 调整设计高程 → 氦气检漏 →在外包钢板内绑扎钢筋 → 安装预应力管道 → 设置预埋件 → 灌注混凝土 → 养护 → 张拉预应力钢束 → 压浆、封端 → 安装n型钢管 → 焊接封头 → 灌注环氧树脂胶密封 → 安装逃生舱门 →  开展试验。

4.2 全圆管梁施工步骤

制作钢管节段并焊接成管梁 → 将管梁吊至桥位处 → 调整设计高程 → 氦气检漏 → 在管梁内部绑扎钢筋 → 安装模板 → 设置预埋件 → 灌注混凝土 → 养护 → 安装封头 → 开展试验。

5 建造关键技术要求

低真空区域控制范围为103～102 Pa，如何保证试验平台在建造完成后能够具有稳定的密封性能，并保证长期维持低真空度是建造过程中关键技术之一。通过试验多种低磁导率材料并优化设计、研究、建造，使之匹配可以达到车体悬浮姿态要求是另一项关键技术。综上，试验平台建造的核心词就是“真空度控制”和“低磁导率控制”。

5.1 外包钢板焊接

u型钢板长度分为十二段下料切孔，尺寸压型分别为 2件（14 mm*2 680 mm）、 10件（6 mm*2 500 mm），转机加开单V坡口，宽度对接焊缝偏离中心200 mm处分成两段下料，注意开孔位置，开单V坡口对接，要求熔透焊。数控切割或者等离子切割下料，下料开坡口后压弯成型，坡口预制采用铣边机加工，按图纸尺寸在平台上对接成型2段，错开拼接焊缝，点焊半米字拉筋支撑。严格控制外包钢板拼接公差、长度尺寸、直线度及平面度和平行度公差（参照长度尺寸公差B级和直线度等公差F级标准），特规定u梁长度尺寸不大于12 mm，直线度和平面度及平行度不大于12 mm，如图2。

5.2 氦气检漏

氦质谱检漏法是利用氦质谱检漏仪的氦分压力测量原理，实现被检件的氦泄漏量测量。外包钢板最终确定采用真空法氦质谱检漏方案。采用真空法检漏时，需要利用辅助真空泵或检漏仪对外包钢板焊缝处内部密封室抽真空，采用氦罩的方法在外表面施加氦气，当外包钢板表面有漏孔时，氦气就会通过漏孔进入焊接点内部，再进入氦质谱检漏仪，从而实现泄漏量测量。最终外包钢板焊缝总漏率的测量结果表明，总漏率满足设计要求，图3为氦气检漏示例。

5.3 低磁导率材料应用

按照低磁导率设计在u型结构内侧布置了917低磁钢筋，917低磁钢筋弹性模量应不小于180 GPa，屈服强度不应小于335 MPa，应满足《45Mn17A13低磁钢型钢》（GJB93—90）中相对磁导率的指标要求;除最外侧钢筋外，其余位置不同钢筋处均需采用热缩套管进行绝缘处理，热缩套管长度不应小于2d且不应大于3d（d是钢筋直径），绝缘电阻试验应符合GB/T1410中相关标准要求;在线圈板中采用GFRP玻璃纤维筋，具有质量轻、耐腐蚀、抗老化、绝缘性能好等特点，具有可有效降低磁导率的优势。GFRP材料性能需满足《纤维增强复合材料筋混凝土桥梁技术标准》（CJJ/T 280—2018）要求，同时还应满足《结构工程用纤维增强复合材料筋》（GB/T 26743—2011）的相关要求。

5.4 钢筋混凝土线圈板的预制与安装精调

预制线圈板采用钢筋混凝土结构，通过预埋孔位固定电磁线圈，由于电磁线圈的精准定位决定了车体的运行姿态，所以其位置的精度控制尤为重要。通过对预制线圈板的模型设计制作、钢筋绝缘处理、安装精调装置设计等方面进行完善预制安装方案，在建造过程中提高预制线圈板的预制和安装精度（六个方向安装精度均控制在±1 mm范围）。为达到建立磁浮环境的电机模组提供支撑平台的目的，最终本试验平台安装了5块线圈板，均通过了精准测量和安装验证，证明了建造过程工艺控制的可行性，电磁线圈板安装精调如图4。

5.5 低真空环境的建立

试验平台由两台罗茨泵、一台螺杆泵、热交换器以及水压控制器、电器控制柜等设备组成真空泵機组，能够满足真空环境的建立和维持要求。从大气压到500 Pa仅需4 h，压升率不超过10 Pa/h，试验时真空度最低可达100 Pa。采用传感器（莱宝精度为0.2%）布置在真空管道内部，监测管梁内的温度、噪声、真空度，安装摄像头对管梁内部进行视频监测，通过对监测数据进行实时显示与存储实现管梁真空度全面监控和数据分析工作。

6 结语

试验平台的竣工完成，标志着超高速低真空磁浮交通系统由研发设计向工程实践应用已迈出了关键的第一步。试验平台具备支撑大型真空管道系统密封、温度变形补偿、电气设备真空适应性等技术课题攻关验证，通过相关试验测试表明已经能够攻克大尺寸管梁密封、大尺寸薄壁管道变形控制等核心技术，后续还能为各领域提供真空测试环境及验证实验。由于此项建造技术研究在国内尚属首例，过程中仍存在着部分技术课题需要攻关和验证工作，今后会在低真空环境下混凝土结构性能、梁间密封结构设计及建造、管梁运架技术、大型高可靠真空系统及设备等方面进一步探索和研究。

参考文献

[1]赵大亮， 刘书斌， 王冰. 低真空管道高速磁浮铁路桥梁结构关键技术的探讨[J]. 机车电传动， 2020（6）： 38-41.

[2]冯仲伟， 方兴， 李红梅. 低真空管道高速磁悬浮系统技术发展研究[J]. 中国工程科学， 2018（6）： 105-111.