低真空高速磁悬浮管道密封材料研究

文／新疆交通建设集团股份有限公司 王成

中国航天科工集团有限公司磁悬浮与电磁推进技术总体部 刘昊苏

新疆交通建设集团股份有限公司 何蓉

克拉玛依市先进科技联合研究院 曹俊梅

关键字:高速磁悬浮

0 引言

随着高速铁路的蓬勃发展，全球对超高速交通系统的关注度逐步提高。目前，传统的轮轨式轨道交通在速度上面临着空气阻力、轮轨黏着、蛇形失稳、运行噪声以及弓网受流极限[1]等“瓶颈”问题。为突破速度限制，将磁悬浮技术与低真空技术相结合的超高速低真空磁悬浮交通系统应运而生。自2013年美国SpaceX公司创始人埃隆·马斯克正式提出“超级高铁”的概念[2]后，世界范围内掀起“超级高铁”的热潮，同时作为承载“超级高铁”的核心基础设施——低真空管道的技术研究也越来越多地得到学者及国家的关注[3]~[5]。2017年后，国内中国航天科工集团（简称：航天科工）、西南交通大学等研究机构和高校也开展了低真空管道相关理论的研究。2018年10月，中国工程院主导的中国超高速磁浮技术发展战略研究项目在深圳启动，2019年“合理统筹安排低真空管（隧）道高速列车等技术储备研发”写入《交通强国建设纲要》，标志着“真空管道+高速磁浮”中国制式“超级高铁”的发展步入快车道。低真空管道所选材料的气密性对整个超高速低真空磁悬浮交通系统的安全性、可靠性极为重要。

本文针对低真空管道的密封材料开展研究，在调研国内外相关试验线工程的基础上，通过对钢材和混凝土材料的气密性进行测定，得出两种材料标准件的漏率，根据试验结果提出混凝土材料气密性的改进措施。

1 低真空管道的密封技术难点分析

1）管道内部需长时间维持低真空环境，对结构材料具有较高的气密性及强度设计要求。

2）管道之间的连接装置在具有变形补偿功能的同时，也需要材料具有与管道同样的高气密性要求。

3）我国的低真空技术虽然已相对成熟，但对大体积、长里程的管道真空环境的维持技术尚无工程经验参考，真空环境下气密性材料超长期服役的关键问题尚未有经验可循。

2 低真空管道试验线典型工程

近几年来，美国、荷兰及中国等国家已根据各自“超级高铁”的技术要求，建成和在建多个低真空管道试验线用以验证低真空管道交通的可行性。

2.1 美国Hyperloop低真空试验线

美国Virgin Hyperloop One低真空试验线位于美国内华达州拉斯维加斯附近沙漠中，长度500m，全线采用圆形筒状钢结构作为试验线的主要密封材料。2017年7月13日完成首次全真空测试，并于2020年11月8日完成首次载人测试。

2.2 荷兰Hardt Global Mobility低真空测试管道

位于荷兰的Hardt测试线总长150m，由每节30m的圆形钢管道组成，外管直径达到3.2m。2019年开始，该公司将建造一条长约3km的测试线路，用于测试速度超过700km/h的超高速列车，并将成为未来欧洲超级高速铁路基础设施和技术标准化测试基地。

2.3 国内研究情况

目前，国内尚未有建成的低真空管道试验线工程。西南交通大学正在建设一条140m全钢结构的真空管道高温超导磁悬浮直道试验线[5]。

航天科工于2017年8月公布开展时速1000km/h的“高速飞行列车（T-Flight）”研究计划[6]。目前航天科工正与国内多家研究机构和高校联合开展低真空管道关键技术的工程验证性工作，并依托新气密性材料、新技术革新开展公里级试验线工程的建设。

3 气密性试验研究

国内桥梁多采用钢材和混凝土两种材料作为承载结构的主要材料，两种材料施工便捷、成本低，也是未来低真空管道可选的主要结构材料。针对两种材料的气密性，本文开展相关试验研究，得到两种材料的气密特性，并根据试验结果对未来低真空管道材料的使用方法提出建议。

3.1 试验件设计

用于两种材料气密性试验的试验件均采用筒型容器结构，其中混凝土容器圆直径760mm、高790mm，混凝土容器容积约1L，重量约700Kg。钢材试验件结构采用Q345钢材制作，内径600mm，高度900mm，密封垫采用橡胶材质。

3.2 试验过程

采用真空法对上述两个筒状试件进行气密性检测。按下述步骤开展试验：

1）启动真空泵，同时打开数显真空表，监测容器内压力变化；

2）将两个试件的内压力分别抽至1.1kPa；

3）关闭真空泵，保持管路连接，开始计时，读取数显真空表示值（每升高100Pa，记录对应时间），压力上升到4.7KPa为止；

4）对两个试件进行多次试验，确定两个容器的漏率。

3.3 试验结果

通过上述试验过程，对两种材料的筒状结构试件进行气密性测试后，两个试件的测试结果汇于表1中。

表1 两种材料试件的密封特性试验结果

从上表中可以看出，受多孔结构的影响，混凝土的密封特性远低于钢材。混凝土的密封特性多受其微观孔隙的影响，且在真空建立的初期，混凝土也会出现逐渐放气的过程，从而影响了试验整个过程中的气密性。

如果将混凝土直接用于低真空管道的真空密封，梁体在实际制造工艺中不可避免因混凝土收缩导致裂缝，同时由于混凝土本身流动性较差，且在桥梁中大规模的钢筋结构会进一步影响混泥土流动，导致最终混凝土结构密实度下降。因此，仅依靠普通混凝土实现密封，对于工程项目实现较为困难。

3.4 混凝土材料密封的改善策略

3.4.1 密封涂层

对于低真空管道工程，可考虑在混凝土表面增加密封涂层（高分子类）以提高混凝土材料的密封特性。密封涂层在微观上具有封堵混凝土表面多孔结构的功能，并具有良好的渗透性，在混凝土表面形成一定厚度的密封层。此外，应考虑密封涂层的寿命及耐久性问题。

3.4.2 配合钢材结构提高整体密封特性

考虑到钢材具有较好的气密特性，可考虑采用混凝土梁体与钢材的结合，利用混凝土作为结构进行承载，利用钢材保障气密性，实现两种材料的有机结合。

4 结语

低真空管道系统对气密性有较高的要求，采用目前工程常用的钢材和混凝土材料实现密封尚存在技术、经济及可靠性等多方面的问题和挑战。本文对钢材和混凝土材料的气密性开展了试验研究，得出普通混凝土在低真空管道工程中较难实现气密性，并提出配合密封涂层（高分子类）和钢材实现管道的整体密封特性。