Актуальность. Нормами МПС определены характеристики безопасности как функция качества железнодорожной транспортной системы, включающей подвижной состав. Железнодорожные вагоны-цистерны для перевозки сжиженных углеводородных газов (СУГ) и легкого углеводородного сырья (далее по тексту - цистерны) являются специализированным типом подвижного состава, котлы которых спроектированы и изготовлены в соответствии с Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением Ростехнадзора. Нормами для расчета и проектирования вагонов определено, что уровень продольных перегрузок, действующих на вагон, может достигать 1,9 - 12,0 g при груженом и порожнем режиме соответственно. Серийно выпускавшиеся цистерны были спроектированы с использованием конструктивных решений, применявшихся при проектировании стационарных емкостей для хранения СУГ, запорная арматура, предохранительные устройства и контрольно-измерительными приборы (далее по тексту - ЗПА) цистерн также создавалась без учета динамических режимов, действующих на оборудование и узлы вагонов в эксплуатации. Для обеспечения безопасной эксплуатации, с учетом степени опасности груза и особенностей конструкции, цистерны требуют ограничений по уровню динамических перегрузок при маневровых соударениях. Безопасность эксплуатации цистерн для СУГ в существенной степени зависит от способности конструкции котла, узлов ЗПА и пучков сливо-наливных и контрольных труб воспринимать динамические нагрузки, действующие в реальных динамических режимах, характерных для условий эксплуатации железнодорожного подвижного состава. Совершенствование конструктивных решений наиболее нагруженных зон котла и узлов цистерны для обеспечения безопасности перевозок опасных грузов актуально для проектирования цистерн с улучшенными технико-экономическими параметрами.

Цели и задачи исследования. Вопросам обеспечения безопасности перевозок опасных грузов с учетом вероятности возникновения аварийных ситуаций посвящено несколько работ, выполненных в МИИТе. В работах исследованы вопросы прочности цистерн при аварийных соударениях, вопросы пожаровзрывобезопасности и намечены пути совершенствования конструкции цистерн. Целью настоящей работы является анализ конструктивных решений, использовавшихся ранее при проектировании ЗПА цистерн для СУГ, разработка предложений по совершенствованию методов проектирования и испытаний элементов цистерн, влияющих на безопасность перевозок опасных грузов, с учетом основных эксплуатационных режимов, включая динамические режимы на сортировочных горках. Для достижения целей работы потребовалось решение практических задач: обеспечить объективный анализ технического состояния и работоспособности существующей ЗПА; экспериментально уточнить динамические перегрузки, действующие на узлы ЗПА и элементы конструкции трубного пучка; на основании исследований динамических режимов разработать пути совершенствования ЗПА и определить конструктивное исполнение основных узлов, включая схему установки пучка сливо-наливных и контрольных труб в котле; разработать методы и провести стендовые испытания перспективных вариантов ЗПА, а также разработать мероприятия по их серийному производству; по результатам эксплуатационных испытаний ЗПА цистерн проверить ресурс узлов и установить эксплуатационные нормативы по регламентному обслуживанию ЗПА.

Общая методика исследования. Научные выводы и рекомендации настоящей работы получены с использованием экспериментальных исследований и методов математического моделирования.

Научная новизна. Научная новизна заключается в том, что на основании результатов экспериментальных исследований и анализа эксплуатационной надежности ЗПА цистерн для перевозки СУГ определены динамические режимы воздействия на узлы ЗПА и сформулированы технические требования по проектированию, объему и методам конструкторских испытаний арматуры нового поколения цистерн.

Практическая значимость. В 1988 - 1990 годах после ряда аварий с тяжелыми последствиями на железных дорогах, в которые попадали газовые цистерны, специалистами МИИТа с участием автора начата разработка технических средств и способов повышения безопасности транспортировки сжиженных углеводородных газов железнодорожным транспортом. Для предотвращения в дальнейшем тяжелых последствий аварий, в результате которых газовые цистерны попадали в очаг пожара, потребовалось проведение специальных исследований по обеспечению пожаровзрывоопасности цистерн в аварийных ситуациях. Вместе с этим особенную актуальность и практическую значимость приобрели исследования по разработке технических средств и способов повышения безопасности эксплуатации цистерн для СУГ. С этой целью были проанализированы технические аспекты характерных аварий и рассмотрены возможные способы повышения надежности цистерн в аварийных ситуациях. Проведенные динамические испытания цистерн для СУГ позволили определить уровень динамических перегрузок, действующих на элементы арматуры, разработать рекомендации по повышению надежности конструкции цистерн в части снижения вероятности повреждения арматуры и последующей разгерметизации котла. Разработаны новые варианты конструкции узлов ЗПА. Одновременно с созданием новых конструкций ЗПА были разработаны программы и методики стендовых конструкторских и эксплуатационных испытаний, позволяющие существенно сократить время на отработку конструкции арматуры цистерн для опасных грузов.

Реализация результатов работы. Предложения и рекомендации по повышению надежности реализованы как при модернизации эксплуатационного парка цистерн ОАО "СГ-транс", так и при производстве серийных цистерн на заводах вагоностроительной промышленности, в том числе при разработке перспективных конструкций цистерн. Эластомерными поглощающими аппаратами автосцепки оборудованы более пяти тыс. цистерн эксплуатационного парка ОАО "СГ-транс" с объемом котла 75м³ моделей 15-908 и 15-1519. Аннулирован поддон котла в конструкции серийно выпускаемых цистерн моделей 15-908 и 15-1519, также аннулированы дренажные трубы, дренажный и уравнительный вентили ЗПА. Изменена конструкция крепления сливо-наливных и контрольных труб, а также их пространственное расположение при установке их в котле цистерны. Наиболее полно рекомендации применены при разработке перспективной конструкции цистерны модели 15-9503 с объемом котла 95,0 м³. Конструкция цистерны модели 15-9503 защищена Свидетельством на полезную модель №24668 от 20 августа 2002г. с участием автора. Ростехнадзор согласовал увеличение межремонтного периода между регламентным ремонтом вновь разработанных узлов ЗПА, следовательно, между регламентным профилактическим ремонтом цистерн, с одного года до двух лет.

При выполнении настоящей работы получено четырнадцать патентов на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка использованной литературы и приложений. Диссертационная работа содержит 175 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 38 рисунков, библиографический список 130 источников, 8 приложений на 92 страницах.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на четырех конференциях:

· Научно-практическая конференция "Безопасность движения поездов". Труды МИИТа, М., 1999.

· Вторая научно-практическая конференция "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте".

Труды МПС, МИИТ, М., 1999.

· Научно-практическая конференция "Арматура для перевозки опасных грузов". Научно-промышленная ассоциация арматуростроения. Материалы девятой научно-практической конференции по вопросам арматуростроения, С. - Пб., 2003.

· Вторая Всероссийская конференция "Перевозка опасных грузов", М., 2006.

Основное содержание работы

Во введении отражена актуальность повышения безопасности эксплуатации цистерн для СУГ, изложены цели и задачи исследований, приведено описание объекта исследований и правил эксплуатации. Также отмечено, что объективная оценка технического состояния цистерн выполнена на основании комиссионного обследования с участием автора парка цистерн на всем полигоне эксплуатации. Техническое состояние основных элементов ходовых частей, тормозов и других унифицированных элементов вагонов в целом признано удовлетворительным, однако в ходе осмотров был выявлен ряд дефектов, свидетельствующих о систематическом роспуске цистерн с сортировочных горок и недостаточной эффективности серийных поглощающих аппаратов автосцепки. Особое внимание при анализе технического состояния цистерн уделялось контролю состояния основного фланца с установленной ЗПА. Узел в сборе, обеспечивая безопасность транспортировки СУГ по железным дорогам, несет на себе основную долю расходов по содержанию цистерн в исправном состоянии.

В первой главе изложена методика сбора и обработки статистической информации о неисправностях ЗПА цистерн, порядок расчета и анализ показателей надежности ЗПА цистерн. Инструментом для сбора статистической информации являются контрольные карты, разработанные по результатам комиссионных осмотров и классификации неисправностей ЗПА. Система технического обслуживания цистерн позволяет принять в качестве критериев отказа узлов ЗПА потерю работоспособности или повреждения, требующие демонтажа узла ЗПА с цистерны для восстановления. Неисправности узлов ЗПА, устраняемые без демонтажа, в качестве отказов не учитывались. Восстановление узлов ЗПА и приемочные испытания отремонтированных узлов производятся по ТУ на новые изделия, поэтому ресурс новых и отремонтированных узлов ЗПА одинаков в рассматриваемый временной период, т.е. естественный износ узлов арматуры не оказывает влияния на показатели надежности. Выбор статистических закономерностей проводился на основе методов математической статистики. Опыт эксплуатации цистерн показывает, что неисправности появляются случайно и независимо друг от друга, при этом вероятность появления неисправности в любом временном интервале пропорциональна длине этого интервала. Использован план испытаний типа [N, Б, n], который определяет, что объем выборки равен N цистерн, неисправная деталь не восстанавливается на объект исследования, наблюдения за появлением неисправностей деталей проводятся до тех пор, пока число поврежденных деталей не будет равно n. Чтобы избежать ошибки в определении закона распределения необходимо проводить оценку выбора закона по двум критериям, например, по коэффициенту вариации и по критериям 2 Пирсона и Колмогорова. Перечисленные закономерности обнаружения дефектов позволяют сделать вывод о том, что появление неисправностей ЗПА подчиняется закону распределения Вейбулла. При обработке статистической информации принимается предположение, что увеличение объема генеральной совокупности существенно не влияет на результаты обработки, а выборка является бесповоротной (т.е. выбранный объект не возвращается в генеральную совокупность) и представительной (репрезентативной). Принимая вероятность работы узлов ЗПА без повреждений равной 0,97 и допустимую ошибку =0,03, по таблице больших чисел получим, что достоверными результаты можно считать при размере выборки в 1300 цистерн. Фактически исследовано 1508 цистерн, этот факт позволяет утверждать, что осмотренное количество цистерн представляет выборку, обеспечивающую достоверные результаты. Обработка полученной статистической информации проводилась методами математической статистики. Для каждого вида неисправности формируется вариационный ряд, а весь период наблюдений разбивается на интервал t. Зная количество узлов, имеющих повреждения или неисправности в каждом временном интервале, и количество осмотренных узлов в каждом временном интервале по каждой неисправности, можно получить частости появления неисправностей из отношения

, (1.)

где H_i - количество узлов, имеющих неисправности в каждом i-том временном интервале;

n_{i -} количество осмотренных цистерн для i - того интервала;

к - количество временных интервалов.

Анализ результатов показал, что наиболее характерной неисправностью ЗПА является излом штока углового вентиля, при этом вероятность безотказной работы узла в течение года равна 0,33, интенсивность повреждений за первый месяц эксплуатации самая высокая и равна 0,05, при этом 90% гамма ресурс равен 2,16 месяца. Наиболее часто заменяемым в эксплуатации узлом ЗПА является кислородный вентиль, средняя его наработка на отказ составляет 3,4 месяца, а 90% гамма ресурс 0,48 месяца. Анализируя данные расчета из таблицы 1 можно заключить, что значение вероятности безотказной работы углового вентиля в течение одного месяца равно

, (2.)

и по аналогии оценить вероятность безотказной работы углового вентиля между регламентным профилактическим ремонтом, значение которой составит:

. (3.)

Можно сделать вывод, что работоспособность примерно 90% от всего количества угловых вентилей сохраняется в течение одного месяца. Полученная расчетом вероятность безотказной работы предохранительного клапана между регламентным профилактическим ремонтом достаточно высока и ее значение составляет 0,924. Факт более продолжительной безотказной работы предохранительного клапана по сравнению с другими узлами ЗПА объясняется крайне незначительным числом срабатываний в эксплуатации.

Наиболее целесообразным решением устранения конструктивных недостатков предохранительного клапана является разработка новой конструкции, учитывая, что государственный надзорный орган (Ростехнадзор) предписал разработать конструкцию предохранительного клапана с пружиной, расположенной вне рабочей среды. Разработаны предложения по применению принципиально новых элементов арматуры, к числу которых относятся, например, шаровые краны.

Во второй главе рассмотрены экспериментальные исследования по определению динамических режимов, действующих на элементы конструкции цистерн при ударном взаимодействии, и даны рекомендации по конструктивному исполнению отдельных узлов цистерн.

цистерна безопасность аварийное соударение

Для уточнения динамических режимов ударного взаимодействия был проведен эксперимент, в котором осуществлялся удар вагоном-бойком весом

Таблица 1

Расчет нормируемых показателей надежности узлов по результатам обследования цистерн в эксплуатации

По итогам выполненной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. На начальном этапе исследований при сборе и математической обработке статистической информации об отказах и повреждениях узлов и деталей цистерн, включая ЗПА, был сделан вывод о недостаточной надежности отдельных узлов ЗПА. К наиболее повреждаемым в эксплуатации узлам ЗПА и элементам конструкции, с последующим появлением их отказов, относятся угловые вентили, контрольные вентили кислородного типа, пучки сливо-наливных и контрольных труб. Для выбора направлений совершенствования наиболее повреждаемых узлов и деталей ЗПА были определены наиболее характерные эксплуатационные режимы с целью учета возникающих динамических перегрузок при проектировании усовершенствованных узлов, а также проведен анализ возможных конструктивных исполнений основных узлов ЗПА цистерн. Анализ применяемых технических решений в арматуростроении для других отраслей промышленности позволил сделать вывод о необходимости разработки узлов ЗПА новой конструкции с учетом наиболее жестких реальных эксплуатационных режимов.

2. Установлено, что процесс динамического воздействия при соударении цистерн, оборудованных пружинно-фрикционными поглощающими аппаратами, сопровождается вибрационными нагрузками, связанными с силовой характеристикой поглощающих аппаратов и аналогичными профильными деформациями элементов конструкции цистерн. Повышение надежности конструкции цистерны и узлов ЗПА за счет снижения величины действующих динамических нагрузок может быть обеспечено применением эластомерных поглощающих аппаратов автосцепки, существенно снижающих уровень динамических напряжений в элементах конструкции цистерны по сравнению с вариантом установки пружинно-фрикционных поглощающих аппаратов, и тем самым снижает вероятность возникновения повреждений оболочки котла. Существенное влияние на надежность конструкции цистерн также оказывает напряженно-деформированное состояние котла от действия нагрузок при различных эксплуатационных режимах. Анализ экспериментальных данных по исследованиям НДС котла, полученных различными организациями России и зарубежными фирмами, позволили рекомендовать решения по исключению из конструкции котла концентраторов напряжений, получить более равнопрочную конструкцию оболочки и исключить избыточные элементы ЗПА и контрольные трубы.

3. Проведен анализ конструктивного исполнения котла, вследствие которого сделаны рекомендации об исключении из конструкции котла поддона, дренажного и контрольного вентилей кислородного типа и дренажных трубок из конструкции пучка сливо-наливных и контрольных труб. По условиям прочности может быть снижена толщина стенок крайних царг котла на 10%. Эти рекомендации были реализованы при серийном производстве нового поколения цистерн с котлами увеличенного объема моделей: 15-908R, 15-9503. Изготовление котлов цистерн без поддона позволило снизить уровень напряженного состояния этой зона до 70-60% допускаемых напряжений. Переход на серийный выпуск цистерн без поддона повышает также их эксплуатационную надежность за счет ликвидации дренажного вентиля и дренажной трубы.

4. Надежность конструкции цистерн может быть повышена за счет увеличения устойчивости пучка сливо-наливных труб к восприятию динамических нагрузок при различных эксплуатационных режимах. Применение пучка труб с усилением в виде фермы, установленного в котле в плоскости продольной оси котла, приводит к значительному снижению динамических перегрузок в трубах арматуры по отношению к типовой арматуре, установленной по типовой схеме, что обеспечит снижение вероятности обрыва труб. По результатам сравнительных прочностных испытаний пучков сливо-наливных и контрольных труб сделаны рекомендации по модернизации пучка сливо-наливных и контрольных труб с ферменным закреплением труб и установкой его на фланце котла с поворотом на 90° по продольной оси котла от ранее применявшейся. Данная рекомендация в разной степени относится и к разрабатываемым цистернам с диаметром котла 3,2 м.

5. На основании технических требований разработаны, испытаны и приняты к серийному производству принципиально новые варианты узлов ЗПА, имеющие повышенный в два раза ресурс и гарантийные сроки эксплуатации. Технические требования к вновь проектируемым узлам ЗПА сформулированы в соответствии с их функциональным назначением на основании результатов экспериментальных исследований режимов нагружения, опыта ликвидации аварийных ситуаций с цистернами для перевозки опасных грузов. Методы конструкторских испытаний проектируемых узлов, а также критерии соответствия вновь разрабатываемых узлов ЗПА техническим требованиям, определены на основании установленных экспериментальными исследованиями величин и параметров нагрузок, действующих при реальных эксплуатационных режимах.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах