国内外铁路罐车罐体厚度计算标准对比研究*

2022-11-11刘卫翟鹏军

铁道机车车辆 2022年5期

刘卫，翟鹏军

（中车山东机车车辆有限公司，济南 250022）

近几年来，由于我国城市燃气化和环境保护，对移动式压力容器的需求量迅速增加。铁路罐车作为一种移动式压力容器，具有运量大、速度快、效率高、运费低、适于远程运输且受大雾雨雪等恶劣天气影响小、保障平稳供给能力强等诸多优点。早在2013年，为了适应我国社会经济发展的需要，中国铁路总公司就开始研制适应我国标准轨距的LNG铁路罐车，并在青藏线格尔木—拉萨段开展了LNG铁路运输试验。此运输试验主要考察了试验所用LNG罐箱以及批准通过LNG铁路运输试验大纲［1］。此次事件标志着我国危险品铁路运输进入了一个新的发展阶段：逐步系统而全面地构建危险品铁路运输安全体系。

铁路罐车的罐体作为盛装危险品且反复使用（灌装和排放反复循环）的容器，其壁厚设计至关重要，是保证危险品铁路安全运输的基础。因此，文中针对铁路罐车罐体厚度计算，对国内外铁路货车罐体厚度的主要计算标准进行对比分析。

1 铁路罐车罐体设计标准

目前，国际上危险品运输及其移动式压力容器的法规主要有2大体系：一是联合国危险货物运输范本法规和欧共体指令体系，简称UNECE-EU指令体系。另一个是美国联邦法典（CFR）和ASME规范体系，简称49CFR-ASME-DOT-Section XII体系［2］。

在UNECE-EU指令体系中有很多关于罐式移动式压力容器技术标准，但其中大部分是关于公路运输的技术标准。涉及铁路罐车罐体厚度计算的标准和规范主要有：RID《国际运输中铁路运输危险物品的法令法规》和EN 14025《危险品运输罐—金属压力罐—设计与结构》。RID规范是欧盟为了提高铁路移动式压力设备的安全性和保证移动式压力设备在欧盟内部的自由流通，对投放欧共体市场的新造、现有的铁路移动式压力设备进行符合性评审，以及进行定期检验和确认而制定的法规。RID标准中提出基于试验压力、计算压力和当量壁厚的罐体厚度计算方法。而EN 14025标准是欧洲标准中关于危险品在铁路与公路运输时，金属压力罐在设计和制造方面的规定，是欧洲标准化委员会应欧洲委员会和欧洲自由贸易协会的要求编制而成，用于支持关于危险货物的运输［3］。EN 14025标准适用于最大工作压力超过50 kPa的危险品运输金属压力罐，其涵盖了对开口、密封及结构设备的要求。EN 14025标准对筒体及附属结构的校核方法主要参考EN 13445标准，其罐体厚度计算采用的压力是基于试验条件和工作条件下。RID和EN 14025这2个标准通常结合使用，形成针对铁路运输用罐体厚度计算和相关结构强度校核的方法。

49CFR-ASME-DOT-Section XII体系主要管辖美国境内各种运输方式下的危险品运输及其移动式压力容器。危险品运输和移动式压力容器的法规制订部门是特殊运输程序调查管理局（RSPA），隶属于美国运输部（DOT）。在这个体系中最具代表性的铁路罐车标准是AAR规范CⅢ分册《罐车规范》，AAR规范CⅢ分册是北美铁道协会响应DOT规定对铁路罐车的要求，其在铁路罐车罐体厚度计算方面将罐车按结构特点和用途分为承压罐车、无压力罐车、多单元罐车、低温液体罐车和无缝钢制罐车。49CFR-ASME-DOT-Section XII体系中另一个有代表性的规范是ASME规范第XII卷《运输罐的建造和持续使用规则》。ASME规范第XII卷是由移动式压力容器技术规定从危险品运输法规（HMR）中独立出来形成的。目前，ASME规范第XII卷的最新版本是2017版，在此版本标准中关于铁路罐车的要求还在准备中，因而文中不考虑此标准中罐体厚度的计算方法。

目前，我国针对危险品铁路运输压力容器的设计标准主要是GB/T 10478《液化气体铁道罐车》，其适用于装运介质为液化气体的铁道罐车［3］。GB/T 10478标准中罐车罐体厚度的计算方法主要参考欧洲标准，其在罐体厚度计算方面提出一种耐压试验应力校核的计算方法。

2 校核方法

国内外铁路罐车罐体厚度计算标准主要有RID、EN 14025、AAR和GB/T 10478。文中将按筒体和封头，分别介绍这4个标准中罐体厚度计算方法。

2.1 铁路罐车筒体厚度计算

2.1.1 RID罐车筒体厚度计算

RID标准中采用最小壁厚公式和当量壁厚公式计算罐体厚度，其筒体厚度计算公式见式（1）～式（3）。

（1）最小壁厚公式［4］

采用试验压力和计算压力时，筒体厚度计算公式分别为式（1）、式（2）：

式中：e为最小罐体壁厚，mm；PT为试验压力，MPa；PC为计算压力，MPa；D为RID标准中筒体的内径，mm；σ为RID标准中许用应力，MPa；λ为焊接系数。

（2）当量壁厚公式［4］

采用当量壁厚公式时，筒体厚度计算公式为式（3）：

式中：e1为RID标准中所选用金属材料的最小厚度，mm；e0为RID标准中低钢碳最小壳体厚度，默认值为6 mm；Rm0为RID标准中低钢碳拉伸强度，默认值为370 MPa；A0为RID标准中低钢碳断裂处的伸长率，默认值为27%；Rm1为RID标准中所选用金属材料的最小拉伸强度，MPa；A1为RID标准中所选用金属材料断裂处的伸长率，%。

2.1.2 EN 14025罐车筒体厚度计算

EN 14025标准中要求基于试验条件和工作条件进行筒体计算，其筒体厚度计算公式见式（4）、式（5）：

（1）试验条件［5］

在试验条件下，筒体厚度计算公式为式（4）：

式中：Di为EN 14025和GB/T 10478标准中筒体的内径，mm；fd为EN 14025标准中许用应力，MPa。

（2）工作条件［5］

在工作条件下，工作压力p和许用应力fd需要依照EN 14025标准中表1进行选择和计算，其筒体厚度计算公式为式（5）：

式中：p为EN 14025标准中工作压力，MPa。

2.1.3 AAR罐车筒体厚度计算[6]

AAR规范CⅢ分册《罐车规范》将铁路罐车罐体厚度计算分为承压罐车、无压力罐车、多单元罐车、低温液体罐车和无缝钢制罐车5类。其中，承压罐车、无压力罐车、多单元罐车和低温液体罐车筒体厚度计算公式为式（6）：

式中：t为AAR标准中罐体的最低板厚，mm；P为AAR标准中要求的最低爆破压力，MPa；d为AAR标准中筒体内径，mm；S为AAR标准中板材的最小抗拉强度，MPa；E为AAR标准中焊接接头系数。

对于无缝钢制罐车筒体厚度校核，采用在罐体上标记的最大试验压力进行计算，计算方法为式（7）：

式中：U为AAR标准中样本的最小抗拉强度，MPa；D为AAR标准中筒体的外径，mm。

2.1.4 GB/T 10478罐车筒体厚度计算

GB/T 10478标准中要求铁路罐车罐体进行耐压试验。当耐压试验采用液压试验时，试验压力下罐体的周向薄膜应力为式（8）［7］。为了便于计算罐体厚度，将式（8）转换为罐体厚度计算为式（9）：

式中：σT为GB/T 10478标准中许用应力，MPa；δe为GB/T 10478标准中罐体的最小壁厚，mm。

2.2 封头厚度计算

在RID、EN 14025、AAR和GB/T 10478这4个标准中，RID、GB/T 10478以及AAR标准中承压罐车、多单元罐车和无缝钢制罐车的封头厚度计算公式和标准中筒体厚度计算公式相同。文中仅介绍标准中封头厚度计算与筒体厚度计算不同的公式。

2.2.1 EN 14025罐车封头厚度计算

EN 14025标准中封头类型包括半球形封头、碟形封头和椭圆形封头，这3种类型的封头壁厚的计算见式（10）～式（25）。

（1）半球形封头［5］

半球形封头的壁厚为式（10）：

式中：eR为EN 14025标准中半球形封头的壁厚，mm。

（2）碟形封头［5］

碟形封头的最小壁厚应为ey、es和eb中的最大值。其中，ey、es和eb分别为式（11）、式（12）、式（13）：

式中：ey为EN 14025标准中避免塑性屈服封头连接处所需的厚度，mm；es为EN 14025标准中限制封头中间位置膜应力所需的厚度，mm；eb为EN 14025标准中避免轴对称屈服封头连接处所需的厚度，mm；R为EN 14025标准中碟形封头中心部分的内球面半径，mm；r为EN 14025标准和AAR标准中碟形封头内部过渡半径，mm；Dif为EN 14025标准中封头直边的内径，mm；

βe为中间参数，计算公式为式（14）～式（22）：

当X=0.06时：

当0.06＜X＜0.1时：

当X=0.1时：

当0.1＜X＜0.2时：

当X=0.2时：

（3）椭圆形封头［5］

椭圆形封头即为在具有真正椭圆形状的原有端部上制成的封头。椭圆形封头的形状系数K应介于1.7～2.2之间。椭圆形封头的形状系数K的计算方法为式（23）：

式中：K为椭圆形封头的形状系数；h为EN 14025标准中为椭圆形封头的内部高度，mm。

椭圆形封头应按照碟形封头进行计算，其中r与R的数值为式（24）、式（25）：

2.2.2 AAR罐车封头厚度计算[6]

AAR铁路罐车中无压力罐和低温液体罐车端部封头厚度的计算为式（26）～式（29）：

（1）无压力罐车

3∶1椭圆形封头：

带法兰碟形封头：

式中：L为AAR标准中碟形封头的主要内部半径，mm。

（2）低温液体罐车

3∶1椭圆形封头：

内罐的法兰碟形封头：

2.3 各标准公式对比

对各标准中筒体和封头厚度计算公式，以及许用应力的汇总的对比见表1。从表1可知各标准对筒体和封头的计算公式存在差异，对许用应力的要求也各不相同。除了EN 14025和AAR的部分罐车车型，其他标准的封头均采用与筒体相同的厚度。

表1 各标准罐体厚度计算方法比较

3 罐体厚度计算

文中就铁路运输承压罐车罐体的厚度计算，采用国内外不同的罐体厚度计算标准，针对筒体和碟形封头分别进行计算，并对计算结果进行分析和对比评估。在材料参数选取、压力定义和许用应力等方面做了详细的说明，并比较了各标准罐体壁厚计算结果。

3.1 罐体设计参数

本例中铁路罐车设计条件为：铁路罐车运输介质为液氨，罐体采用圆柱形筒体和碟形封头，材料为奥氏体不锈钢P400NGJ4。其工作压力2.0 MPa，试验压力2.6 MPa，计算压力2.6 MPa，设计最高温度为50℃。按相关标准的规定，罐体的计算压力应不小于设计压力、液体静压力和等效压力之和。设计压力应不小于充装和卸料时的工作压力、设计温度下介质的饱和蒸汽压力（表压），以及正常运输使用过程中工作压力中的最大值。等效压力应由铁路罐车纵向冲击产生的惯性载荷除以筒体截面积的商确定。

为方便比较，假设各标准对应相同材料标准，其罐体材料性能参数见表2，各标准许用应力见表3。

表2 罐体材料性能参数

表3 各标准许用应力

从各标准的许用应力计算结果看，GB/T 10478许用应力最大，而EN 10425最小，RID介于两者之间。AAR标准中计算罐体厚度是基于弹性失效准则，采用的是拉伸强度。总的来说，各标准中安全系数的选取以及是否选取主要与设计方法、失效模式以及试验验证等有关，同时也与其规定的材料标准、焊接技术和制造检验等要求相适应。

3.2 计算结果对比

在相同的设计条件下，对不同内径尺寸的筒体和封头进行计算的对比。由各标准计算获得筒体最小厚度值见表4，碟形封头最小厚度值见表5。

从表4和表5可知，无论是筒体还是碟形封头，按各标准计算得到其最小厚度值随着内径尺寸的增大而增大；且在相同内径尺寸下，最小厚度值以EN 14025计算结果最为保守，RID次之，然后是AAR标准，GB/T 10478标准为最小。分析原因：总体来说，相同设计条件下对罐体最小壁厚影响最大的因素是许用应力的大小。但AAR标准中计算罐体厚度是基于弹性失效准则，采用爆破压力下的最低抗拉强度来进行计算。这在某种程度上与采用其他压力（试验压力、计算压力或工作压力）进行罐体计算不同。