劉海嬌

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

0 引言

現(xiàn)代客運(yùn)方式主要有公路、水路、鐵路和航空運(yùn)輸，地面運(yùn)輸工具的速度為0～400 km/h，民航客機(jī)的速度一般為900 km/h。真空管道交通的適用速度在400～1 000 km/h之間，速度優(yōu)于列車，可以與城市交通互聯(lián)，其乘坐的便利性優(yōu)于飛機(jī)。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)真空管道交通系統(tǒng)開(kāi)展了大量研究。

真空管道列車的概念在上世紀(jì)70年代被提出，從磁懸浮列車在低真空運(yùn)行的環(huán)境制造和維持角度著手進(jìn)行國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)研和分析，可知國(guó)內(nèi)外典型案例主要有：采用氣動(dòng)/永磁懸浮和輪軌列車的美國(guó)SpaceX Hyperloop[1]、Virgin Hyperloop One公司、HTT公司研究的Hyperloop，加拿大的TransPod等[2]；常導(dǎo)電磁懸浮有瑞士的Swissmetro[3]；采用高溫超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)的美國(guó)ET3和我國(guó)西南交通大學(xué)的方案[4]。

真空管道列車系統(tǒng)在速度、運(yùn)量、節(jié)能環(huán)保方面都存在優(yōu)勢(shì)。國(guó)外研究結(jié)果表明，采用效率為80%的壓縮機(jī)對(duì)1條800 km的管道保持0.2 atm的真空度，每年耗能3.6×1012J[5-6]；該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了不同交通工具之間的能耗差異，結(jié)果表明列車在0.2 atm低真空環(huán)境下運(yùn)行的能耗相當(dāng)于飛機(jī)達(dá)到并保持萬(wàn)米飛行能耗的1/8，在速度達(dá)到普通鐵路5倍左右的情況下能耗僅為普通鐵路的1.23倍，在速度和能耗方面均具有優(yōu)勢(shì)[5-7]。

大尺寸管道低真空環(huán)境的構(gòu)建和安全控制對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)營(yíng)和安全保障至關(guān)重要。為此，本文將基于管道斷面尺寸、真空管道設(shè)計(jì)、管道真空度、阻塞比、磁懸浮列車速度和分段實(shí)施等因素的綜合考慮，探討低真空管道環(huán)境構(gòu)建技術(shù)方案；并基于磁懸浮列車運(yùn)行過(guò)程中的真空度控制精度要求、管道最大漏率等，探討真空管道環(huán)境維持技術(shù)方案。

1 低真空效應(yīng)

不同國(guó)家提出的代表性概念產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)包括：真空度、速度目標(biāo)值、低真空管道斷面積等，調(diào)研結(jié)果如表1所示。

表1 部分磁浮列車低真空管道建設(shè)參數(shù)

以上參數(shù)為不同國(guó)家在綜合考慮了低真空管道環(huán)境建造和維持的施工難易程度、建造和維持成本投入、能耗、運(yùn)營(yíng)等因素的基礎(chǔ)上制定。建議我國(guó)低真空管道環(huán)境參數(shù)借鑒國(guó)內(nèi)外已有概念產(chǎn)品，并在充分考慮自身需求和實(shí)現(xiàn)程度的基礎(chǔ)上制定，本研究建議的參數(shù)范圍如表2所示。

為了降低運(yùn)行阻力，磁浮列車需要在低真空管道環(huán)境中運(yùn)行，因而首先應(yīng)對(duì)低真空效應(yīng)有充分的認(rèn)識(shí)，并借鑒航天領(lǐng)域的技術(shù)和研究。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低真空的定義為壓力區(qū)間102～105Pa，在該壓力區(qū)間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的真空效應(yīng)，主要包括：壓力差效應(yīng)、輻射傳熱效應(yīng)、真空放電效應(yīng)，以及材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)。相應(yīng)的影響和應(yīng)對(duì)措施包括以下方面。

表2 低真空管道環(huán)境參數(shù)建議范圍

（1）壓力差效應(yīng)是指低真空管道內(nèi)外存在壓力差，需優(yōu)選管道材料，滿足低真空環(huán)境下的受力要求。

（2）輻射傳熱效應(yīng)是指隨著真空度增高，分子密度降低，能量傳遞減小，傳熱逐漸由對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射向著主要通過(guò)輻射變化，在低真空管道環(huán)境下需要采用相變制冷和氣體絕熱膨脹制冷的方式對(duì)列車與空氣摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)行處理(如利用液氮制冷等)。

（3）真空放電效應(yīng)是指在低真空條件下，對(duì)于低真空中必須工作或通電的電子儀器，當(dāng)電極之間發(fā)生自激放電時(shí)擊穿的現(xiàn)象，需要采用熱處理技術(shù)或真空鍍膜技術(shù)對(duì)電子元器件的表面進(jìn)行特殊處理。

（4）材料蒸發(fā)、升華和分解效應(yīng)是指低真空環(huán)境會(huì)使材料迅速脫氣并加快蒸發(fā)速率，引起材料質(zhì)量損失，造成有機(jī)物的彌散而改變材料原有性能，需要在材料表面鍍保護(hù)膜以防止真空放電和材料的蒸發(fā)、升華[7]。

2 低真空環(huán)境制造

根據(jù)目前調(diào)研結(jié)果，低真空環(huán)境的實(shí)現(xiàn)主要有活塞推排方案、車載空壓機(jī)方案及真空泵方案等。活塞推排是在列車前方的管道設(shè)置排氣口，利用活塞效應(yīng)將管道內(nèi)的空氣排出。車載空壓機(jī)方案是指在運(yùn)行車輛前端安裝空氣壓縮機(jī)吸入管道內(nèi)的氣體，經(jīng)壓縮后收集在車輛所帶的高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)，并在線路終點(diǎn)將氣體帶出管道。真空泵方案是指在管道沿線每隔一定距離布置真空泵站，通過(guò)真空泵站對(duì)管道抽真空或補(bǔ)抽氣。

在航天領(lǐng)域、我國(guó)西南交通大學(xué)試驗(yàn)線、美國(guó)Hyperloop試驗(yàn)線上所采用的低真空制造技術(shù)均為真空泵方案。真空泵方案技術(shù)成熟，可滿足最低工作壓強(qiáng)1×10-5Pa的低真空要求，抽氣速率快(現(xiàn)有技術(shù)可達(dá)2×104m3/h)。考慮低真空環(huán)境的實(shí)現(xiàn)、維持及檢維修等情況，該方案是現(xiàn)階段最適合的方案。

3.3 白點(diǎn)病。最近，牙鲆開(kāi)始在陸地水槽中飼養(yǎng)，而這種疾病易發(fā)于夏季高水溫期水槽內(nèi)飼養(yǎng)的當(dāng)年魚(yú)，一旦發(fā)生該病死亡率很高，因此需要重視。

2.1 真空泵方案

真空泵方案的實(shí)現(xiàn)是沿管道線路均勻布置真空泵站，真空泵站中設(shè)置2套真空泵，一套為大抽速真空泵，用于低真空制造前期，可快速排除管道中空氣；另一套為小抽速、極限真空度較低的真空泵，可用于低真空環(huán)境制造的末期，并可用作低真空維持設(shè)備，補(bǔ)償運(yùn)行階段因管道泄漏而升高的真空度。另外，結(jié)合工程條件，采取與真空管道就近、直線布置，以減少配管長(zhǎng)度及抽氣阻力，設(shè)備縱向間距宜為5 km。低真空設(shè)備的總體布置方案如圖1所示。

圖1 真空泵方案設(shè)備布置

2.2 真空泵選型

在充分考慮低真空管道中0.001＜真空度＜0.05的要求，以及大尺寸真空管道中抽氣容積量巨大，參考Hyperloop真空泵選型，對(duì)制造和維持低真空環(huán)境的真空泵主要性能參數(shù)提出建議?？紤]抽真空過(guò)程和真空泵在制造低真空管道環(huán)境中的有效抽速和極限壓力，計(jì)算達(dá)到指定真空度的時(shí)間應(yīng)滿足

轉(zhuǎn)換得

式中：t為抽真空時(shí)間，s；V為管道體積，m3；Se為真空泵的有效抽速，m3/s；p為真空管道內(nèi)某一時(shí)刻的壓力，Pa；pu為真空泵的極限壓力，Pa；p0為管道初始?jí)毫Γ琍a。

公式（1）中管道體積計(jì)算所用管道長(zhǎng)度為5 km，按照國(guó)內(nèi)主機(jī)廠車輛尺寸(列車斷面2.9 m×3.28 m)，考慮列車截面積、真空度、阻塞比和車輛限界等，管道斷面積宜為28～32 m2，本算例中按照管道半徑為3 m、管道斷面積為28.3 m2計(jì)算。

圖2 為低真空管道達(dá)到相應(yīng)壓力時(shí)所消耗的時(shí)間。選用極限壓力為25 Pa，抽速為10 000 m3/h的真空泵進(jìn)行抽真空作業(yè)時(shí)，當(dāng)?shù)驼婵展艿乐姓婵斩葹?.05時(shí)，抽真空時(shí)間為2 d，速度和時(shí)間均可優(yōu)于美國(guó)Hy‐perloop One公布的數(shù)據(jù)。

圖2 低真空管道內(nèi)壓力-時(shí)間關(guān)系曲線

實(shí)際工程中，可縮短真空泵站之間的距離、增加粗抽泵數(shù)量或選用更大抽速的真空泵作為前級(jí)粗抽泵，以減小抽真空的總時(shí)間?？紤]能耗因素，低真空管道環(huán)境中存在大量的設(shè)備，需要定期檢修，但頻繁作業(yè)后將管道恢復(fù)為常壓會(huì)造成大量能耗。因此，真空管道中的設(shè)備宜集中安置，檢修時(shí)只針對(duì)檢修段恢復(fù)常壓。

2.3 真空管道材料選擇

低真空管道環(huán)境的制造過(guò)程對(duì)管道材料性能有很高的要求，其中最重要的一項(xiàng)性能就是承壓，由于管道內(nèi)外壓差達(dá)到了9.6×104Pa，對(duì)低真空材料的力學(xué)性能提出了很高的要求。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前經(jīng)過(guò)實(shí)踐應(yīng)用于低真空領(lǐng)域的管道制造材料包括但不僅限于以下幾種：輕量化封閉增壓艙體(見(jiàn)圖3)、雙層不銹鋼芯板[8](見(jiàn)圖4)、混凝土加不銹鋼密封[9-10](見(jiàn)圖5)。具體材料選擇還應(yīng)結(jié)合功能性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步考慮。

圖3 輕量化封閉增壓艙體

圖4 雙層不銹鋼芯板

圖5 混凝土加不銹鋼密封

3 低真空環(huán)境維持

低真空環(huán)境維持方案可由低真空實(shí)現(xiàn)方案所配置的設(shè)備兼顧實(shí)現(xiàn)，真空泵站中的維持泵可用于低真空環(huán)境制造的末期，并可作為低真空維持設(shè)備，補(bǔ)償運(yùn)行階段因管道泄漏而升高的真空度。低真空環(huán)境維持需要考慮的因素包括：真空測(cè)量、真空檢漏和補(bǔ)漏、低真空與常壓轉(zhuǎn)換。建設(shè)過(guò)程中應(yīng)建立真空維持聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集和分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)問(wèn)題，盡早檢漏補(bǔ)漏。

3.1 真空測(cè)量

低真空管道環(huán)境的真空壓力測(cè)量范圍在102～105Pa，在實(shí)際中可選用若干種真空計(jì)，相互間的量程有交叉，這樣可以保證所有真空度范圍內(nèi)的壓力值可以連續(xù)測(cè)量、反應(yīng)靈敏，有足夠精確度。全壓力(102～105Pa)范圍真空計(jì)有：布爾登真空計(jì)、汞柱真空計(jì)、電容薄膜真空計(jì)、熱偶真空計(jì)，部分真空計(jì)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。組合形式真空計(jì)可選用彈簧管真空計(jì)(103～105Pa)+油柱真空計(jì)/膜盒真空計(jì)(101～103Pa)。

3.2 真空檢漏和補(bǔ)漏

實(shí)際真空系統(tǒng)中漏氣是絕對(duì)的，本研究中的低真空管道系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)，即工作時(shí)依靠真空泵持續(xù)抽氣來(lái)維持壓力的系統(tǒng)。只要滿足真空度需求，即使存在漏孔也可認(rèn)為該真空系統(tǒng)的漏率是允許的。因此，該系統(tǒng)中的最大允許漏率與系統(tǒng)末期維持泵的抽速直接相關(guān)，最大容許漏率qL,max應(yīng)滿足

式中：pw為系統(tǒng)工作壓力，Pa；S為維持泵有效抽速，m3/s。

參照西南交通大學(xué)試驗(yàn)線的有關(guān)參數(shù)，管道斷面28.3 m2、真空泵布設(shè)距離5 km條件下預(yù)估漏率為40～170 kg/h?？紤]應(yīng)對(duì)管道破損泄露的突發(fā)狀況，維持泵抽速應(yīng)增加200%冗余設(shè)計(jì)，大于660 m3/h。

氦質(zhì)譜檢漏儀是撿漏技術(shù)中應(yīng)用廣泛、性能優(yōu)異、靈敏度高和使用方便的檢漏設(shè)備，適用于低真空管道環(huán)境的檢漏。為滿足強(qiáng)度要求，大量級(jí)真空容器需要大型閥門(mén)控制氣體流動(dòng)及使用大型真空法蘭進(jìn)行連接，其特點(diǎn)是真空室壁較厚、焊縫長(zhǎng)，應(yīng)在密封或檢漏設(shè)計(jì)中給予重點(diǎn)關(guān)注。一般情況下，真空檢漏時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注的部位包括焊接部位、法蘭接口部位、閥門(mén)部位、波紋管部位及其他密封部位。

圖6 真空計(jì)結(jié)構(gòu)圖[7]

3.3 低真空與常壓轉(zhuǎn)換

目前安全可靠的低真空與常壓轉(zhuǎn)換方式主要有2種，真空接駁和設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)，分別如圖7和圖8所示。

圖7 低真空接駁隔離門(mén)[2]

圖8 低真空與常壓件設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)

在因事故或其他因素引起需要實(shí)現(xiàn)快速?gòu)?fù)壓的情況下，開(kāi)啟破空復(fù)壓用擋板閥，利用室外與管道內(nèi)氣壓差，實(shí)現(xiàn)快速破空。

低真空管道沿線布設(shè)多個(gè)提供生命保障支持的救生設(shè)備，當(dāng)真空管道所處地段發(fā)生不可控自然力破壞時(shí)，可以為避難人員提供必需的生存環(huán)境條件，有效保證工作人員的生命安全。為避難人群提供氧氣；對(duì)避難艙內(nèi)溫度、濕度進(jìn)行控制；具有CO2、CO去除功能。避難時(shí)間≥5 d；艙內(nèi)溫度≤35℃；整個(gè)系統(tǒng)采用非電力模式工作。

4 結(jié)論

伴隨著出行需求提升，磁懸浮列車已經(jīng)成為軌道交通行業(yè)研究的熱點(diǎn)，磁懸浮列車運(yùn)行所需的大尺寸低真空管道環(huán)境是復(fù)雜的大型系統(tǒng)工程，對(duì)磁懸浮列車運(yùn)行所需低真空管道環(huán)境制造與維持技術(shù)進(jìn)行了探討，總結(jié)如下。

（1）研究推薦了低真空管道環(huán)境適宜的參數(shù)范圍，應(yīng)對(duì)該環(huán)境下低真空效應(yīng)的措施包括：優(yōu)選管道材料以應(yīng)對(duì)壓力差效應(yīng)；采用相變制冷和氣體絕熱膨脹制冷的方式處理列車與空氣摩擦產(chǎn)生的熱量；在材料表面鍍保護(hù)膜以防止真空放電和材料的蒸發(fā)、升華。

（2）針對(duì)抽速為10 000 m3/h的真空泵，計(jì)算半徑為3 m、長(zhǎng)5 km的管道所需抽真空時(shí)間為2 d，若考慮時(shí)間因素，可通過(guò)縮短泵站之間的距離或選用抽速更大的真空泵來(lái)減小抽真空的總時(shí)間。推薦了適合建造低真空管道的材料，包括輕量化封閉增壓艙體、雙層不銹鋼芯板、混凝土加不銹鋼密封。

（3）低真空環(huán)境維持方案可由低真空實(shí)現(xiàn)方案所配置的設(shè)備兼顧實(shí)現(xiàn)。真空壓力測(cè)量設(shè)備滿足連續(xù)測(cè)量、反應(yīng)靈敏、高精度要求；依靠維持泵持續(xù)工作補(bǔ)充因真空管道泄漏降低的真空度；推薦氦質(zhì)譜檢漏儀進(jìn)行低真空管道環(huán)境的檢漏；推薦真空接駁和設(shè)置壓力轉(zhuǎn)換區(qū)實(shí)現(xiàn)低真空與常壓的轉(zhuǎn)換。