我国乏燃料货包铁路运输限界相关问题研究

张 震，吕 钢，王海良，安亚峥，李 佩

(中核清原环境技术工程有限责任公司 核运输部，北京 100037)

随着我国核电的快速发展，核电站卸出的乏燃料的累积量将迅速增加，根据我国的核燃料闭式循环政策[1-2]，乏燃料最终将运输至乏燃料后处理厂处理。我国核电站主要分布在沿海，均具有自备码头，而后处理厂地处西北内陆，呈现运输距离长、运输来源分散的特点。因此，可以将乏燃料货包通过专用船舶运输至某一确定中转港，通过铁路集中运输至后处理厂的方式来实现安全、高效的乏燃料运输。在开展铁路运输前期，应根据铁路货物运输相关规定，对其外形尺寸、重心等进行核查验算，以确保乏燃料货包铁路运输组织的安全高效。

1 乏燃料货包铁路运输车型选择

1.1 乏燃料货包运输特征及主要参数

由于乏燃料的特殊性，为保障运输安全，其运输包装容器应严格按照国际原子能机构(IAEA)及我国的核安全法规要求设计，一般乏燃料货包直径2 m以上，长度超过6 m、质量达百吨，除了放射性物质运输的特点外，还属于阔大货物运输。

乏燃料运输货包由乏燃料容器、两端的减震器构成，其通过运输托架与运输车辆通过螺栓紧固连接，容器外部设置有人员防护罩。乏燃料运输货包与运输相关的特征参数主要有货包长度、货包外径、运输托架、货包重心高、货包质量等。乏燃料运输货包参数如表1所示。

1.2 铁路运输车辆选型原则

根据乏燃料运输货包尺寸大、质量大的特点，为保证铁路运输车辆装载货物后的运行稳定性，车型的选择应遵循以下原则。

（1）载重。综合考虑各型乏燃料运输货包的质量，按照上述最终的乏燃料货包为基础选择车辆，则车辆应当至少满足载重130 t。

（2）车辆底板高度。为了满足重车稳定性的要求，应尽量采用车底板高度较低的车辆。

（3）车辆底架心盘中心距、销距[3-4]。根据车辆自身构造特点，车辆底架心盘销距(L1)、中心距(L2)将直接影响列车在曲线行驶过程中车底板纵向中心线偏离车辆走行部的程度，应尽量选择L1，L2较小的的车辆，以降低货包车的计算半宽度。

表1 乏燃料运输货包参数Tab.1 Parameters of spent fuel transport package

1.3 现有车辆参数比较

根据乏燃料货包的尺寸、质量，按照超限超重运输规则中所列车辆[5]，选取D15B，D2，D9G，D15A 4种车型作为参考车型，铁路货车车辆参数如表2所示。车型参数对比分析雷达图如图1所示。

表2 铁路货车车辆参数表Tab.2 Railway vehicle parameter list

图1 车型参数对比分析雷达图Fig.1 Comparative analysis of vehicle parameters

在满足载重的情况下，D15B各项参数相对最优，因而以D15B型车辆装载为基础，对乏燃料货包铁路运输的相关限界进行计算分析。

2 铁路货物运输限界分析

2.1 检定断面及计算点的选定

检定断面应选择在横断面发生变化时横向有突出的断面。根据乏燃料运输货包的外廓尺寸特征，当采用均衡装载时(即货包重心所在断面与车底板中心断面重合)，乏燃料货包的检定断面分别选取在货包中心断面、减震器内断面。货包装载示意图如图2所示。

图2 货包装载示意图Fig.2 Schematic diagram of loading cargo

计算点为检定断面上需要核定货物计算宽度以确定其是否超限的点[6]，即检定断面在不同高度区间宽度最大的点，根据乏燃料货包外形结构特点，选取计算点位于货包垂直方向上最高点(货包中心断面垂直方向处宽度为0，且铁路运输货包车辆高度低于铁路运输高度限值，对计算点1不再进行分析)，按照铁路运输超限货物运输规则[4-5]，货包最大直径外端点 (1 250 mm ～ 3 600 mm)、运输托架外侧 (800 mm ～1 250 mm)。

2.2 重车重心高限定

根据《铁路货物装载加固规则》货包装车后的重车重心高度不得超过2 000 mm，当超过该高度限值时，列车运行速度将受到很大限制。

若使货包重车重心高低于2 000 mm，则需满足[7]

式中：H为重车重心高，mm；Qc为铁路车辆质量，t；Qh为货包重心高，mm；hh为货包重心高度，mm；hB为铁路车辆车底板高度，mm。

当采用D15B型凹底平板车进行装载时，Qc= 50 t，hh= 680 mm，hB= 800 mm，若使重车重心高不超高，则需满足

当货包重心坐标在货包重心限制边界线以下的区域时，则货包重车重心高不超高。货包重心高限制边界线如图3所示。

图3 货包重心高限制边界线Fig.3 Limitation line of center of gravity for heavy load cargo

2.3 货包半宽超限限定

根据第《铁路超限超重货物运输规则》[5]提出货包超限验算方法，当采用现有标准D15B型凹底平车进行装载时，若使货包在铁路运输过程中不超出限界，当侧高1 250 mm≤H≤3 600 mm时，应满足

式中：B为货包计算半宽，mm；x为货包横断面距车辆中心横断面之间的距离，为距离车底板中心横断面距离为x处的货包实际半宽，mm。

当侧高800 mm≤H≤1 250 mm时，应满足

据此计算出在满足货包不超限的情况下，各断面处(以100 mm为间隔)货包最大半宽。各断面侧高1 250 mm ～ 3 600 mm处最大半宽如图4所示，各断面侧高800 mm ～ 1 250 mm处最大半宽如图5所示。

图4 各断面侧高1 250 mm～3 600 mm处最大半宽Fig.4 Max allowable half width between the height of 1 250 mm and 3 600 mm

越靠近车辆横向中心线对容器半径要求越为严格，即越靠近中心，容器不超限所允许最大直径越小。因此，乏燃料铁路运输过程中应尽量使上下减震器内断面距离车底板中心横断面距离相等，以确保两断面距车底板中心断面的最大距离最小。

图5 各断面侧高800 mm～1 250 mm处最大半宽Fig.5 Max allowable half width between the height of 800mm and 1250mm

3 乏燃料货包铁路运输限界分析

3.1 乏燃料货包超机车限界基本轮廓

在实际情况下，由于乏燃料运输自身的特殊性，在满足诸多限定条件的同时，乏燃料运输容器的设计尺寸参数可能出现超出铁路机车车辆限界基本轮廓的情况。其中，对于限速的超限货物尺寸可以按照《铁路超限超重货物运输规则》[5]的要求对货物限制尺寸进行测算。超限运输限速如表3所示。

表3 超限运输限速表Tab.3 Speed limit meter

当货包属于超限货包，不同尺寸货包列车速度影响相同，因而当货包由于自身性能要求，尺寸不能满足不超机车车辆限界的情况下，可通过优化尺寸参数，使其尽可能对铁路运输组织的影响最小，W为两列车之间距离，L为两线路中心线之间距离(此处设定邻线列车按非超限条件运行，取其外廓尺寸为标准车辆限界值)。相邻线路列车间距示意图如图6所示。由图可得：W=L- 1 700 -B。

图6 相邻线路列车间距示意图Fig.6 Schematic of train distance between adjacent lines

根据《铁路线路设计规范》[8-9]，客货共线铁路线间距(直线部分)如表4所示。

表4 客货共线铁路线间距(直线部分)Tab.4 Railway line spacing (straight line)

在超限运输的情况下，相邻线路之间列车装载货物之间距离大于规定标准时，列车运行速度可不受影响[10-11]，定义满足该要求的货包半宽为货包的超限不限速半宽。超限不限速条件如表5所示，邻线不同速度条件下货包超限不限速半宽如图7所示。

表5 超限不限速条件Tab.5 Unlimited speed limit condition

由图7可以得出，当邻线列车运行速V≤120 km/h，对验算货包的尺寸限制更为严苛[12]。不限速运输条件下货包各断面允许最大半宽如表6所示。

3.2 既有乏燃料货包超限验算及分析

3.2.1 重车重心高验算

目前国内开展乏燃料公路运输采用的2种容器装载后货包重心高、货包质量参数如表7所示。利用货包重心高限制线对2种容器装载后的货包重心高、货包质量进行判断，货包重车重心高验算分析图如图8所示。

图7 邻线不同速度条件下货包超限不限速半宽Fig.7 Package half width without speed limitation of different cross sections under different speed of the Adjacent lines

表6 不限速运输条件下货包各断面允许最大半宽Tab.6 Package half width without speed limitation of different cross sections

TUK-153、NAC-STC货包重心坐标在货包重心高最大限制线之下，满足重车重心高均不超高的限制条件。

表7 货包重心高、货包质量参数Tab.7 Center of gravity and high center of gravity for packages

图8 货包重车重心高验算分析图Fig.8 Checking calculation diagram of center of gravity for heavy load cargo

3.2.2 超限界验算

按照货包几何中心在车底板中心横断面上进行装载时，TUK-153、NAC-STC 2种货包减震器内断面距车底板中心断面之间距离分别为：XNAC-STC=2 146 mm，XTUK-153= 20 766 mm。将减震器内断面处的货包计算半宽与该断面处不超限允许最大半宽值进行对比分析。减震器所在断面处货包计算半宽分析如表8所示。

表8 减震器所在断面处货包计算半宽分析表Tab.8 Half width analysis table of the impact limiter

将距离车底板中心横断面0 mm处的货包计算半宽与该断面处不超限允许最大半宽值进行对比分析得到0 mm断面处货包计算半宽分析表如表9所示。

由以上计算结果可知，TUK-153、 NAC-STC 2种货包采用D15B均衡装载的条件下均不超限，满足铁路运输限界要求。

表9 0 mm断面处货包计算半宽分析表Tab.9 Half width analysis table of 0 mm form center cross section

4 结论

乏燃料铁路运输货包尺寸、车辆选型对铁路运输是否超限、限速有着十分显著的影响，针对铁路运输限界要求，对乏燃料铁路运输得出以下结论。

（1）乏燃料货包铁路运输车辆需要根据货包尺寸大、质量大的特点选取车辆底架心盘距离小、车底板高度低的车辆。

（2）以D15B车辆为基础，计算提出货包满足不超限要求的限界及重心建议设计指标，经核算现有特定乏燃料运输货包满足铁路运输的限界要求。

（3）通过对超铁路机车基本限界轮廓的情况进行分析，提出邻线运行速度不高于160 km/h的条件下，不限制运输速度的货包建议尺寸。

（4）乏燃料运输货包的设计应考虑铁路运输限界相关要求，因限界本身考虑了一定的安全余量，对于超出铁路机车基本限界轮廓的货包，应当根据线路情况、超出限界量做出具体决策。