Производство концентрированной азотной кислоты является важной составляющей современной химической промышленности. Диапазон её применения начинается от сырья для изготовления минеральных удобрений, продукта для получения нитроцеллюлозы, ароматических нитросоединений до составной части двухкомпонентных ракетных топлив и нитрирующего реагента в производстве взрывчатых веществ.
Основная проблема перевозки концентрированной азотной кислоты связана с тем, что она агрессивна по отношению к железу и его сплавам. В связи с этим её эффективная транспортировка возможна только с помощью специальных железнодорожных вагонов — цистерн с котлами из алюминиевого сплава.
Первые цистерны для перевозки концентрированной (крепкой) азотной кислоты были построены в 40-х годах прошлого столетия Ждановским заводом тяжёлого машиностроения «ЖЗТМ». В качестве материала котла использовался алюминий АД0. Тара цистерны модели ЖКЦ-35(I) составляла 21,8 т, грузоподъёмность 50 т. Впоследствии конструкция вагона претерпевала различные изменения, связанные с улучшением её технико-экономических показателей.
На сегодняшний день для перевозки концентрированной азотной кислоты на пространстве колеи 1520 мм используются изготовленные в 80-х годах прошлого столетия вагоны-цистерны модели 15-1406 (ЖКЦ-39) с объёмом котла 39,5 м3 и грузоподъемностью 57,3 т.
Несмотря на стабильный объём перевозок, парк этих изделий давно не обновлялся. В результате их значительного износа в ближайшие годы большая часть вагонов-цистерн должна быть списана, что связано в первую очередь не с физическим, а моральным старением подвижного состава, которое может быть описано следующим образом:
— сочетание основных технико-экономических показателей существующих цистерн не оптимально, что снижает экономическую эффективность перевозки;
— несоответствие парка современным стандартам в части воздействия на человека и окружающую среду. Данная проблема усугубляется отсутствием специальной железнодорожной запорной, предохранительной и контрольной арматуры, обеспечивающей необходимые требования безопасности;
— отсутствие материалов и способов их соединения, имеющих механические характеристики, достаточные для создания нового вагона. Дополнительные ограничения накладывает отсутствие производств транспортных сосудов из алюминиевого сплава в связи с низкой экологичностью применяемой технологии полуавтоматической сварки плавлением в среде защитных газов;
— несоответствие конструкций более жёстким современным требованиям к прочности подвижного состава, удовлетворение которых потребовало поиска новых конструктивных решений как по котлу, так и по его креплению на раме.
Решению вышеперечисленных вопросов посвящена работа, выполненная Всесоюзным научно-исследовательским центром транспортных технологий (ООО «ВНИЦТТ») совместно с АО «ТихвинХимМаш», ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» и АО «Арконик СМЗ». Была создана новая цистерна модели 15-6901 с учётом нагрузки от колесной пары на рельс 25 тс, с полезной нагрузкой 75 т (см. таблицу).
Основные технические характеристики вагона-цистерны 15-6901
Параметр
Значение
Грузоподъёмность, т
75,0
Максимальная нагрузка от колёсной пары на рельсы, кН (тс)
245 (25)
Максимальная статическая погонная нагрузка, кН/м (тс/м)
81,61 (8,3)
Габарит по ГОСТ 9238–2013
01-ВМ
Объём котла полный, м3
54,78
Диаметр котла внутренний номинальный, мм
2636
Длина по осям сцепления автосцепок, мм
12020
Для грузоотправителей обеспечивается 30%-ный прирост грузоподъёмности по сравнению с имеющимися аналогами, что в комплексе с тележками модели 18-9855 даёт на одну цистерну экономический эффект более 500 тыс. рублей.
В процессе проектирования котла вагона цистерны были определены наиболее нагруженные узлы, проработка которых потребовала оригинальных решений. Такими элементами являются узел крепления котла к раме в центральной части вагона и люк-лаз.
Элементы крепления котла к раме в центральной части вагона, относящиеся к котлу, представляют собой опорную составную пластину и две лапы котла, изготовленные из алюминиевого сплава АМг6. Лапы имеют специально подобранную конфигурацию с плавным скосом по краям. Опорная пластина выполнена из нескольких элементов разной толщины. Элементы меньшей толщины расположены по краям опорной пластины. Такое решение приводит к уменьшению перепада жёсткостей в месте их соединения с котлом, что в результате позволяет обеспечить необходимые показатели прочности.
Чтобы подтвердить надёжность выбранной конструктивной схемы узла крепления котла к раме вагона с точки зрения сопротивления усталости, на этапе опытно-конструкторских работ были проведены циклические испытания макета данного узла. Схема приложения нагрузок к макету выбрана таким образом, чтобы напряжённо-деформируемое состояние (НДС) макета было эквивалентно НДС этого узла в составе вагона. Величина испытательной нагрузки и количество циклов обеспечивают накопление повреждающего воздействия, эквивалентного повреждающему воздействию, реализуемому в вагоне в процессе эксплуатации за срок службы. Испытания узла подтвердили ресурс конструкции, равный 40 годам.
Люк-лаз на цистерне один, имеет принципиально новую оригинальную конфигурацию. На начальном этапе рассматривались три основных варианта конструкции: штампованный отвод; сварной люк с укрепляющими кольцами и цельнолитой люк. В процессе параметрической оптимизации люка-лаза была разработана конструкция, обеспечивающая необходимые прочностные характеристики и обладающая высокой технологичностью.
Запуску производства литой детали люка-лаза из технического алюминия марки АД0 предшествовали глубокие инженерные проработки с применением современных вычислительных систем. Стенки люка имеют переменную толщину, которая увеличивается в наиболее напряжённых местах; например, в лазовом отверстии введены приливы. При обеспечении требуемой прочности такая конструкция обладает минимальной материалоёмкостью.
Расчёт прочности выбранной конструкции был выполнен в программной системе конечно-элементного анализа Siemens NX. Литейная технология получения отливки люка была протестирована с помощью компьютерного моделирования в программном пакете «ПолигонСофт».
Новые конструктивные решения применены также в зоне опирания котла на раму: лежни опор взамен древесины выполнены из полимерного материала — высокомолекулярного полиэтилена. Анализ физико-химических свойств данного материала, результаты экспериментальных исследований, проведенные специалистами ВНИЦТТ и Испытательного центра ТИЦ ЖТ, свидетельствуют о его долговечности и подтверждают возможность эксплуатации цистерн без замены лежней в течение срока службы вагона до 40 лет.
Для повышения эксплуатационной надёжности нового вагона все наружные площадки и лестницы крепятся к котлу через дополнительные накладки.
На цистернах-аналогах в этих узлах нередко возникают сквозные трещины, так как кронштейны крепились непосредственно к стенкам котла, и в случае повреждения лестниц по границам сварных швов действовала критическая нагрузка.
Выполнение требований стандартов по охране окружающей природной среды и защите человека от воздействия вредных факторов потребовало поиска и реализации специальных нестандартных решений. Концентрированная азотная кислота является сильным окислителем, при контакте с воздухом дымит — образуется пар бурого цвета. Персонал, обслуживающий цистерну, должен работать с применением индивидуальных средств защиты, чтобы исключить контакт с парами опасного вещества.
Поэтому с учётом фактора экологичности была изменена конструкция сливоналивной и контрольно-измерительной арматуры. Арматура цистерны функционально обеспечивает возможность проведения сливоналивных работ при полной герметичности. Она компактна и в отличие от цистерны модели ЖКЦ-39 и расположена не на двух, а на одном люке.
В состав сливоналивной арматуры входят шаровые краны слива-налива Ду100 и газовой фазы Ду80. Для контроля давления имеется манометродержатель с краном шаровым Ду15. Отличительной особенностью шаровых кранов является проточная часть, футерованная кислотостойким полимером. Межремонтный период для таких кранов составляет не менее 8 лет и соответствует межремонтным срокам цистерны.
Шаровые краны с футерованной проточной частью используются на опасных производственных объектах, но на железнодорожном транспорте ранее не применялись. Поэтому до установки на опытный образец были проведены их испытания на ударопрочность и виброустойчивость. В процессе испытаний конструкция одного крана была доработана. По итогам испытаний надёжность всех используемых шаровых кранов подтверждена.
На цистерне применено современное предохранительное устройство, которое включает не только пружинный предохранительный клапан, но и установленную перед ним разрывную мембрану, препятствующую любой утечке груза или его паров в окружающую среду. При нормальных условиях эксплуатации вагона мембрана является абсолютно непроницаемой, но в случае превышения давления в котле сверх допустимого (при возникновении аварийной ситуации) она разрушается. Мембрана одноразовая, после срабатывания восстановлению не подлежит и должна быть заменена новой.
Одной из технически сложных задач явилось оборудование цистерны устройством контроля уровня наполнения, поскольку традиционные способы измерения, основанные на контакте с измеряемой средой, в этом случае неприемлемы. В данной цистерне применён уровнемер радарного типа, который позволяет бесконтактным способом определять уровень наполнения котла.
Отдельно стоит отметить, что внутри патрубка под установку радарного уровнемера расположена непроницаемая для груза стенка из композиционного материала, которая благодаря своим свойствам не препятствует зондирующему радиосигналу, испускаемому уровнемером. Таким образом, при измерении уровня груза котёл остаётся герметичным, а контакт груза с окружающей средой исключен.
Котел вагона-цистерны модели 15-6901 изготавливается из алюминия марки АД0 (содержание алюминия 99,5 %). Однако действующий стандарт (ГОСТ 17232–99), согласно которому устанавливаются требования для данного материала, не нормирует значение предела текучести.
Отсутствие значений по данному показателю не позволяло получить прочную конструкцию с низкой металлоёмкостью.
В связи с этим в рамках кооперации с АО «ТихвинХимМаш» было принято решение создать технологию прокатки сплава АД0, гарантирующую необходимые механические свойства. Эта работа была выполнена компанией АО «Арконик СМЗ». Образцы материала, изготовленного по новой технологии, были испытаны в лаборатории АО «ВНИИЖТ» и подтвердили необходимые характеристики сплава по механическим свойствам и химическому составу. В итоге для изготовления котлов вагонов-цистерн модели 15-6901 впервые применялись плиты с гарантированным уровнем механических свойств, произведенные АО «Арконик СМЗ».
Технологии изготовления сварных алюминиевых сосудов имеют свои особенности, требуют специального оборудования и особой подготовки персонала. Алюминиевые сплавы применяются для создания несущих конструкций для различных видов транспорта, но в грузовом железнодорожном транспорте встречаются не так широко, как стальные.
Котлы для комплектации партии вагонов-цистерн модели 15-6901 были изготовлены ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель». На этом предприятии внедрена сварка сосудов прогрессивным способом «трение с перемешиванием». Данный способ сварки, по сравнению со сваркой плавлением в среде защитных газов, отличается существенным ростом производительности, он показывает низкую дефектность и не оказывает влияния на окружающую среду.
Учитывая, что такой способ сварки ранее не применялся на железнодорожном транспорте, для проверки механических характеристик и подтверждения возможности применения в АО «ВНИИЖТ» были выполнены механические испытания сварных образцов. По результатам испытаний образцы сварного соединения, выполненного сваркой трением с перемешиванием, показали рост временного сопротивления на 10% по сравнению с показателем материала в исходном состоянии.
Опытный образец вагона-цистерны прошёл полный комплекс статических, ударных и ходовых испытаний, и в 2017 г. АО «ТихвинХимМаш» получило сертификат соответствия обязательным требованиям ТР ТС 001/2011.
Итогом совместных работ специалистов ООО «ВНИЦТТ», АО «ТихвинХимМаш», ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» и АО «Арконик СМЗ» стал запуск в эксплуатацию в 2017 г. первой промышленной партии из 30 вагонов-цистерн модели 15-6901.
Текст: С.А. Фёдоров, Д.В. Шевченко, О.А. Бройтман, А.В. Калугин, С.И. Попович , Ю.В. Савушкина (ВНИЦТТ, железнодорожный холдинг НПК «Объединенная Вагонная Компания»)