磁悬浮列车运行所需低真空管道环境制造与维持技术研究

刘海娇

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081）

0 引言

现代客运方式主要有公路、水路、铁路和航空运输，地面运输工具的速度为0～400 km/h，民航客机的速度一般为900 km/h。真空管道交通的适用速度在400～1 000 km/h之间，速度优于列车，可以与城市交通互联，其乘坐的便利性优于飞机。因此，近年来国内外学者针对真空管道交通系统开展了大量研究。

真空管道列车的概念在上世纪70年代被提出，从磁悬浮列车在低真空运行的环境制造和维持角度着手进行国内外相关文献的调研和分析，可知国内外典型案例主要有：采用气动/永磁悬浮和轮轨列车的美国SpaceX Hyperloop[1]、Virgin Hyperloop One公司、HTT公司研究的Hyperloop，加拿大的TransPod等[2]；常导电磁悬浮有瑞士的Swissmetro[3]；采用高温超导磁悬浮技术的美国ET3和我国西南交通大学的方案[4]。

真空管道列车系统在速度、运量、节能环保方面都存在优势。国外研究结果表明，采用效率为80%的压缩机对1条800 km的管道保持0.2 atm的真空度，每年耗能3.6×1012J[5-6]；该研究团队对比了不同交通工具之间的能耗差异，结果表明列车在0.2 atm低真空环境下运行的能耗相当于飞机达到并保持万米飞行能耗的1/8，在速度达到普通铁路5倍左右的情况下能耗仅为普通铁路的1.23倍，在速度和能耗方面均具有优势[5-7]。

大尺寸管道低真空环境的构建和安全控制对于整个系统的正常运营和安全保障至关重要。为此，本文将基于管道断面尺寸、真空管道设计、管道真空度、阻塞比、磁悬浮列车速度和分段实施等因素的综合考虑，探讨低真空管道环境构建技术方案；并基于磁悬浮列车运行过程中的真空度控制精度要求、管道最大漏率等，探讨真空管道环境维持技术方案。

1 低真空效应

不同国家提出的代表性概念产品相关参数包括：真空度、速度目标值、低真空管道断面积等，调研结果如表1所示。

表1 部分磁浮列车低真空管道建设参数

以上参数为不同国家在综合考虑了低真空管道环境建造和维持的施工难易程度、建造和维持成本投入、能耗、运营等因素的基础上制定。建议我国低真空管道环境参数借鉴国内外已有概念产品，并在充分考虑自身需求和实现程度的基础上制定，本研究建议的参数范围如表2所示。

为了降低运行阻力，磁浮列车需要在低真空管道环境中运行，因而首先应对低真空效应有充分的认识，并借鉴航天领域的技术和研究。目前，国内外对低真空的定义为压力区间102～105Pa，在该压力区间会产生相应的真空效应，主要包括：压力差效应、辐射传热效应、真空放电效应，以及材料蒸发、升华和分解效应。相应的影响和应对措施包括以下方面。

表2 低真空管道环境参数建议范围

（1）压力差效应是指低真空管道内外存在压力差，需优选管道材料，满足低真空环境下的受力要求。

（2）辐射传热效应是指随着真空度增高，分子密度降低，能量传递减小，传热逐渐由对流、传导和辐射向着主要通过辐射变化，在低真空管道环境下需要采用相变制冷和气体绝热膨胀制冷的方式对列车与空气摩擦产生的热量进行处理(如利用液氮制冷等)。

（3）真空放电效应是指在低真空条件下，对于低真空中必须工作或通电的电子仪器，当电极之间发生自激放电时击穿的现象，需要采用热处理技术或真空镀膜技术对电子元器件的表面进行特殊处理。

（4）材料蒸发、升华和分解效应是指低真空环境会使材料迅速脱气并加快蒸发速率，引起材料质量损失，造成有机物的弥散而改变材料原有性能，需要在材料表面镀保护膜以防止真空放电和材料的蒸发、升华[7]。

2 低真空环境制造

根据目前调研结果，低真空环境的实现主要有活塞推排方案、车载空压机方案及真空泵方案等。活塞推排是在列车前方的管道设置排气口，利用活塞效应将管道内的空气排出。车载空压机方案是指在运行车辆前端安装空气压缩机吸入管道内的气体，经压缩后收集在车辆所带的高压储气瓶内，并在线路终点将气体带出管道。真空泵方案是指在管道沿线每隔一定距离布置真空泵站，通过真空泵站对管道抽真空或补抽气。

在航天领域、我国西南交通大学试验线、美国Hyperloop试验线上所采用的低真空制造技术均为真空泵方案。真空泵方案技术成熟，可满足最低工作压强1×10-5Pa的低真空要求，抽气速率快(现有技术可达2×104m3/h)。考虑低真空环境的实现、维持及检维修等情况，该方案是现阶段最适合的方案。

3.3 白点病。最近，牙鲆开始在陆地水槽中饲养，而这种疾病易发于夏季高水温期水槽内饲养的当年鱼，一旦发生该病死亡率很高，因此需要重视。

2.1 真空泵方案

真空泵方案的实现是沿管道线路均匀布置真空泵站，真空泵站中设置2套真空泵，一套为大抽速真空泵，用于低真空制造前期，可快速排除管道中空气；另一套为小抽速、极限真空度较低的真空泵，可用于低真空环境制造的末期，并可用作低真空维持设备，补偿运行阶段因管道泄漏而升高的真空度。另外，结合工程条件，采取与真空管道就近、直线布置，以减少配管长度及抽气阻力，设备纵向间距宜为5 km。低真空设备的总体布置方案如图1所示。

图1 真空泵方案设备布置

2.2 真空泵选型

在充分考虑低真空管道中0.001＜真空度＜0.05的要求，以及大尺寸真空管道中抽气容积量巨大，参考Hyperloop真空泵选型，对制造和维持低真空环境的真空泵主要性能参数提出建议。考虑抽真空过程和真空泵在制造低真空管道环境中的有效抽速和极限压力，计算达到指定真空度的时间应满足

转换得

式中：t为抽真空时间，s；V为管道体积，m3；Se为真空泵的有效抽速，m3/s；p为真空管道内某一时刻的压力，Pa；pu为真空泵的极限压力，Pa；p0为管道初始压力，Pa。

公式（1）中管道体积计算所用管道长度为5 km，按照国内主机厂车辆尺寸(列车断面2.9 m×3.28 m)，考虑列车截面积、真空度、阻塞比和车辆限界等，管道断面积宜为28～32 m2，本算例中按照管道半径为3 m、管道断面积为28.3 m2计算。

图2 为低真空管道达到相应压力时所消耗的时间。选用极限压力为25 Pa，抽速为10 000 m3/h的真空泵进行抽真空作业时，当低真空管道中真空度为0.05时，抽真空时间为2 d，速度和时间均可优于美国Hy‐perloop One公布的数据。

图2 低真空管道内压力-时间关系曲线

实际工程中，可缩短真空泵站之间的距离、增加粗抽泵数量或选用更大抽速的真空泵作为前级粗抽泵，以减小抽真空的总时间。考虑能耗因素，低真空管道环境中存在大量的设备，需要定期检修，但频繁作业后将管道恢复为常压会造成大量能耗。因此，真空管道中的设备宜集中安置，检修时只针对检修段恢复常压。

2.3 真空管道材料选择

低真空管道环境的制造过程对管道材料性能有很高的要求，其中最重要的一项性能就是承压，由于管道内外压差达到了9.6×104Pa，对低真空材料的力学性能提出了很高的要求。通过调研发现，目前经过实践应用于低真空领域的管道制造材料包括但不仅限于以下几种：轻量化封闭增压舱体(见图3)、双层不锈钢芯板[8](见图4)、混凝土加不锈钢密封[9-10](见图5)。具体材料选择还应结合功能性和经济性进一步考虑。

图3 轻量化封闭增压舱体

图4 双层不锈钢芯板

图5 混凝土加不锈钢密封

3 低真空环境维持

低真空环境维持方案可由低真空实现方案所配置的设备兼顾实现，真空泵站中的维持泵可用于低真空环境制造的末期，并可作为低真空维持设备，补偿运行阶段因管道泄漏而升高的真空度。低真空环境维持需要考虑的因素包括：真空测量、真空检漏和补漏、低真空与常压转换。建设过程中应建立真空维持联动系统，实时采集和分析数据、发现系统问题，尽早检漏补漏。

3.1 真空测量

低真空管道环境的真空压力测量范围在102～105Pa，在实际中可选用若干种真空计，相互间的量程有交叉，这样可以保证所有真空度范围内的压力值可以连续测量、反应灵敏，有足够精确度。全压力(102～105Pa)范围真空计有：布尔登真空计、汞柱真空计、电容薄膜真空计、热偶真空计，部分真空计结构示意如图6所示。组合形式真空计可选用弹簧管真空计(103～105Pa)+油柱真空计/膜盒真空计(101～103Pa)。

3.2 真空检漏和补漏

实际真空系统中漏气是绝对的，本研究中的低真空管道系统为动态真空系统，即工作时依靠真空泵持续抽气来维持压力的系统。只要满足真空度需求，即使存在漏孔也可认为该真空系统的漏率是允许的。因此，该系统中的最大允许漏率与系统末期维持泵的抽速直接相关，最大容许漏率qL,max应满足

式中：pw为系统工作压力，Pa；S为维持泵有效抽速，m3/s。

参照西南交通大学试验线的有关参数，管道断面28.3 m2、真空泵布设距离5 km条件下预估漏率为40～170 kg/h。考虑应对管道破损泄露的突发状况，维持泵抽速应增加200%冗余设计，大于660 m3/h。

氦质谱检漏仪是捡漏技术中应用广泛、性能优异、灵敏度高和使用方便的检漏设备，适用于低真空管道环境的检漏。为满足强度要求，大量级真空容器需要大型阀门控制气体流动及使用大型真空法兰进行连接，其特点是真空室壁较厚、焊缝长，应在密封或检漏设计中给予重点关注。一般情况下，真空检漏时需重点关注的部位包括焊接部位、法兰接口部位、阀门部位、波纹管部位及其他密封部位。

图6 真空计结构图[7]

3.3 低真空与常压转换

目前安全可靠的低真空与常压转换方式主要有2种，真空接驳和设置压力转换区，分别如图7和图8所示。

图7 低真空接驳隔离门[2]

图8 低真空与常压件设置压力转换区

在因事故或其他因素引起需要实现快速复压的情况下，开启破空复压用挡板阀，利用室外与管道内气压差，实现快速破空。

低真空管道沿线布设多个提供生命保障支持的救生设备，当真空管道所处地段发生不可控自然力破坏时，可以为避难人员提供必需的生存环境条件，有效保证工作人员的生命安全。为避难人群提供氧气；对避难舱内温度、湿度进行控制；具有CO2、CO去除功能。避难时间≥5 d；舱内温度≤35℃；整个系统采用非电力模式工作。

4 结论

伴随着出行需求提升，磁悬浮列车已经成为轨道交通行业研究的热点，磁悬浮列车运行所需的大尺寸低真空管道环境是复杂的大型系统工程，对磁悬浮列车运行所需低真空管道环境制造与维持技术进行了探讨，总结如下。

（1）研究推荐了低真空管道环境适宜的参数范围，应对该环境下低真空效应的措施包括：优选管道材料以应对压力差效应；采用相变制冷和气体绝热膨胀制冷的方式处理列车与空气摩擦产生的热量；在材料表面镀保护膜以防止真空放电和材料的蒸发、升华。

（2）针对抽速为10 000 m3/h的真空泵，计算半径为3 m、长5 km的管道所需抽真空时间为2 d，若考虑时间因素，可通过缩短泵站之间的距离或选用抽速更大的真空泵来减小抽真空的总时间。推荐了适合建造低真空管道的材料，包括轻量化封闭增压舱体、双层不锈钢芯板、混凝土加不锈钢密封。

（3）低真空环境维持方案可由低真空实现方案所配置的设备兼顾实现。真空压力测量设备满足连续测量、反应灵敏、高精度要求；依靠维持泵持续工作补充因真空管道泄漏降低的真空度；推荐氦质谱检漏仪进行低真空管道环境的检漏；推荐真空接驳和设置压力转换区实现低真空与常压的转换。