Классификация вагонов
Железнодорожный транспорт
Железнодорожным транспортом перевозят все виды нефтепродуктов, нефть и сжиженные газы. В общем объеме на его долю приходится около 40 % перевозок. Нефть и нефтепродукты перевозятся по железным дорогам, как правило, в вагонах-цистернах. Только небольшая часть, около 2 %, транспортируется в мелкой таре – в бочках, контейнерах и бидонах. Для транспортировки отдельных видов масел, смазок и небольших партий светлых и темных нефтепродуктов используются крытые вагоны. Отличительная особенность железнодорожных перевозок – это возможность доставки нефтегрузов в любое время года, благодаря чему большинство распределительных баз расположено на железнодорожных магистралях. Однако железнодорожный транспорт имеет существенные недостатки. К ним относятся: большие капиталовложения при строительстве новых и реконструкции действующих путей; относительно высокие эксплуатационные расходы на перевозку нефти по сравнению с другими видами транспорта (в 2–4 раза дороже водного и трубопроводного).
Нефть и нефтепродукты перевозятся в железнодорожных цистернах грузоподъемностью 25, 50, 60, 90 и 120 т. Наибольшее распространение имеют четырехосные цистерны. Вагоны-цистерны формируют в поезда, называемые наливными маршрутами.
Слив и налив нефтепродуктов в железнодорожные цистерны, прибывающие на нефтебазу, производятся на специальных сливно-наливных устройствах (эстакадах) (рис.1).
Рис. 1 Двухсторонняя жд эстакада
На нефтебазу цистерны подают по подъездным железнодорожным путям, которые примыкают к железнодорожным магистралям у ближайшей станции.
В зависимости от характера проводимых операций подъездные железнодорожные пути разделяют на основные, предназначенные для слива и налива нефти и нефтепродуктов; вспомогательные – для разгрузки или погрузки тарных грузов и других вспомогательных материалов; обгонные – для маневровых работ. На основных железнодорожных путях размещают устройства для сливо-наливных операций, которые вместе с ними называются сливно-наливным фронтом.
Железнодорожные вагоны-цистерны.
Перевозка наливных нефтепродуктов осуществляется железнодорожными вагонами-цистернами грузоподъемностью от 40 до 120 тонн (рис. 2). Изготавливаются цистерны из листовой стали толщиной 8¸11мм в виде горизонтального цилиндрического резервуара (см. рис. 2.а, поз. б).
Для полного слива нефтепродукта из цистерны, нижняя ее часть имеет уклоны к центру в пределах 20¸30 мм, где устанавливаются сливные приборы 9.
Перевозка цистерн по железной дороге осуществляется на специальных четырех- и восьмиосных платформах 4, оборудованных ходовой частью 1, системой амортизации и торможения 2, узлами сцепления платформ 3, креплениями цистерн к платформе 5. Кроме того, цистерны оборудуются наружной и внутренней лестницами 7, смотровыми площадками. Для перевозки легкозастывающих нефтепродуктов цистерна оборудуется наружным кожухом 10 толщиной 3 мм, покрывающим 1/3 поверхности котла, образующим паровую рубашку, которая, в свою очередь, состоит из ряда отсеков, имеющих толщину (расстояние от стенок котла и рубашки) 30¸40 мм. Впуск пара в паровую рубашку осуществляется через патрубок, находящийся на сливном приборе. Конденсат стекает по желобу в нижнюю часть рубашки и удаляется из нее через патрубки, расположенные в торцах цистерны. Давление пара, подаваемого в паровую рубашку, обычно не превышает 0,3 МПа.
Рис. 2 Вагоны-цистерны:
а - для перевозки вязких нефтепродуктов (модель 15-898);
б - для перевозки бензина и светлых нефтепродуктов (модель 15-1443);
в - для перевозки бензина (модель 15-871);
г - для перевозки светлых нефтепродуктов, кроме бензина (модель 15-1500)
В зависимости от модели цистерны в верхней части котла может быть установлена одна или две горловины, оборудованные крышкой и дыхательной арматурой 8.При помощи горловины представляется возможным проводить зачистные работы и сливо-наливные операции при неисправности нижних сливных приборов или в случае, когда это предусмотрено технологией процесса.
При перевозке вязких нефтепродуктов в ряде случаев используются цистерны, оборудованные стационарными трубчатыми подогревателями. Котел такой цистерны покрывают усиленной изоляцией с применением жидкого стекла и металлической сетки. Температуру продукта можно поддерживать достаточно продолжительное время – отсюда и название цистерна - термос.
Высоковязкие нефтепродукты (битумы) перевозят в бункерных полувагонах грузоподъемностью 40 т. Один бункер имеет емкость 12 м3, оборудованной створчатой крышкой и паровой рубашкой. Для выгрузки битума достаточно после предварительного подогрева освободить бункер от захватов и за счет смещения центра тяжести относительно точек опор груженый бункер опрокинется. После выгрузки бункер возвращается в прежнее вертикальное положение за счет того, что центр тяжести пустой емкости находится ниже точек опор.
Железнодорожные цистерны можно классифицировать по следующим признакам:
- по назначению: для наливных грузов, сжиженных, вязких, затвердевающих;
- по наличию устройств у котла: без дополнительных устройств, с теневой защитой, с трубчатыми змеевиками подогрева, с подогревательным кожухом, с термоизоляцией, с термоизоляцией и подогревательным кожухом, с термоизоляцией и трубчатыми электронагревателями, с термоизоляцией и трубчатыми змеевиками подогрева, устройством аэропневмовыгрузки;
- по конструкции несущих элементов: рамной или безрамной;
- по способу загрузки груза: открытой, закрытой;
- по способу выгрузки: под давлением (передавливанием, сифонированием, аэропневматический – верхний и нижний); без давления (самотёком);
- по состоянию груза при движении: цистерны под давлением, без давления;
- по способу разогрева груза в котле: пароподогрев – наружный (кожух, змеевики), внутренний (змеевики); электроподогрев (электронагревателем);
- по поддержанию температурного режима груза: с термоизоляцией, без термоизоляции;
- по осности: 4-, 8-осные (рис. 3; 4);
- по габаритам: ГОСТ 9238-83;
- по принадлежности: парк РЖД; парк промышленного транспорта;
- по грузоподъемности: от 23 до 120 тонн. Так, в эксплуатации имеются 4-хосные цистерны объемом 60 м3 с универсальными сливными приборами, в которых можно перевозить любые жидкие нефтепродукты.
Рис. 3 Четырёхосная цистерна
Рис. 4 Восьмиосная цистерна
В зависимости от устройства несущих элементов различают конструкции, в которых все основные нагрузки, действующие на цистерну, воспринимаются рамой котла, и конструкции, в которых эти нагрузки воспринимаются котлом (безрамные цистерны).
Четырехосная цистерна модели 15-1443 (рис. 5) грузоподъемностью 60 т имеет котел с полезной емкостью 71,7 м3, полной емкостью 73,1 м3 и с внутренним диаметром 3,0 м. Крепление котла на раме производится в средней 10 и в концевых его частях 1.
К крайним опорам котел притянут стяжными хомутами 2, предназначенными для предотвращения вертикальных и поперечных его перемещений относительно рамы.
Особенностью конструкции рамы цистерны модели 15-1443 является отсутствие боковых продольных балок, наличие мощных концевых балок и облегченных продольных боковых балок лишь по концам рамы. Отсутствуют также промежуточные поперечные балки. Вследствие этого масса тары цистерны уменьшилась на 1,4 т. При такой конструкции силы, действующие на цистерну, воспринимаются котлом, жесткость которого значительно выше жесткости продольных боковых балок, и затем через крайние его опоры передаются на тележки.
Рис. 5 Цистерна для светлых нефтепродуктов модели 15-1443
Для налива нефтепродуктов, осмотра внутренних частей котла и его очистки используется люк 5 диаметром 570 мм, герметически закрываемый крышкой. Крышка крепится к люку восемью откидными болтами. На опорное кольцо горловины люка ставят уплотненное кольцо из бензоморозостойкой резины. В люке 5 размещены привод основного затвора сливного прибора и две сегментные планки, укрепленные на уровнях и предназначенные для контроля за предельными уровнями налива груза. Рядом с люком размещен патрубок 6 установки предохранительно-впускного клапана. При наливе груза объем котла заполняется только на 98 %. Оставшиеся проценты свободного пространства предусматриваются на увеличение объема груза при его нагревании.
Все продольные листы и днища котла соединены стыковыми сварными швами. Внутренний диаметр котла 3000 мм, а наружная длина — 10 770 мм. Котел имеет нижний слив, оборудован универсальным сливным прибором. Для обеспечения полного слива продукта нижний броневой лист котла имеет уклон к сливному прибору, образованный выштамповкой нижнего листа на глубину 20—30 мм. Для подъема на цистерну с обеих сторон вблизи от люка закреплены металлические лестницы 4, а наверху сделана площадка безопасного обслуживания при осмотре и промывке котла. Внутри котла также имеется лестница, опирающаяся на нижний лист. Котел изготовлен из стали 09Г2С.
Котел на раме крепят в средних и концевых ее частях. Для компенсации изменения линейных размеров котла при изменении температуры внешнего воздуха только средняя часть котла жестко связана с рамой фасонными лапами (рис. 6) 3, приваренными к нижнему листу 1 и соединенными призонными болтами 2 с лапами 4хребтовой балки 5 рамы.
Рис. 6 Крепление котла к раме
Концевые части котла свободно лежат на деревянных брусках 8, 9, укрепленных на шкворневых балках рамы. Для предотвращения вертикальных и поперечных перемещений предусмотрены стяжные хомуты 6, которыми концевые части котла при помощи винтовых муфт 7 крепятся к крайним опорам 10.
Универсальный сливной прибор (рис. 7) цистерн общего назначения служит для слива груза из котла, а при необходимости налива снизу при помощи насоса.
Рис. 7 Конструкция универсального сливного прибора
Сливной прибор крепится к нижнему листу средней части котла. Слив производится через патрубок 8, приваренный к седлу клапана 3. Прибор состоит из штанги 2 и 9, клапана 3, крышки 11 с запорным устройством 6. Открытие и закрытие клапана осуществляются вращением воротка 1, соединенного со штангой 9. В нерабочем положении вороток 1 должен быть опущен в горловину люка-лаза. Перед сливом крышка с запорным устройством должна быть отведена в сторону и подвешена на крючке 5. Прибор имеет патрубок 7 для подачи пара или горячей воды в полость 4 для разогрева груза в приборе.
В настоящее время на все вновь строящиеся цистерны для перевозки светлых нефтепродуктов устанавливаются сливные приборы с тремя независимыми затворами (рис. 8).
Рис.8 Сливной прибор с тремя независимыми затворами
Платформа
У рамной конструкции котел с устройствами устанавливается на платформу, включающую раму, тормозное и автосцепное оборудование и ходовую часть.
Платформа (рис. 9) состоит из рамы сварной конструкции, автоматического и стояночного тормозов, автоматических ударно-тяговых приборов и ходовой части.
Ходовая часть платформы состоит из двух двухосных тележек ЦНИИ 3-0 модели 18-100 по ГОСТ 9246-79.
Рис. 9 4-х осная платформа
Ударно-тяговые приборы включают в себя автосцепку, поглощающий аппарат, тяговый хомут, клин хомута, крепление тягового хомута, балочку, центрирующую с двумя маятниками, расцепной рычаг.
Стояночный тормоз предназначен для затормаживания цистерны на погрузочно-разгрузочных пунктах.
Лестницы. Для устройства узлов и внутренней поверхности котла на нем у большинства цистерн установлена внутренняя лестница. Наружная лестница состоит из ступенек, площадок, поручней.
Предохранительная арматура. Для обеспечения эксплуатации железнодорожных цистерн, их загрузки и выгрузки используется предохранительно-контрольная арматура, часть из которой устанавливается на котлах.
Цистерны оборудованы предохранительными клапанами. Они имеют различное регулировочное давление от 0,07 до 20,0 МПа. Для нефти и нефтепродуктов – обычно 0,15 МПа. Устанавливаются также предохранительно-впусковые клапана.
При повышении давления в котле, на которое рассчитана пружина клапана, ее сопротивление преодолевается и клапан поднимается вверх, открывая выход газу в атмосферу. При снижении давления ниже атмосферного, сжимается пружина, впускной клапан опускается и сообщает полость котла с атмосферой.
Предохранительно-впускной клапан (рис. 10) имеет раздельную регулировку усилия затяжки пружины 1 клапана максимального давления 2 и пружины 3 вакуумного клапана 4. Регулировка клапанов производится на избыточное давление 0,15 МПа (1,5 кгс/см2) и на разряжение 0,01 - 0,02 МПа (0,1 - 0,2 кгс/см2). Для предотвращения нарушения регулировки на предохранительно впускной клапан устанавливаются две пломбы.
Рис. 10 Предохранительно-впускной клапан
Люк-лаз (рис. 11) диаметром 570 мм герметично закрывается крышкой 1. В новых конструкциях применяется крышка с ригельным запором, включающим ригель 6, откидной болт 5 и предохранительную скобу 2. Эта конструкция обеспечивает надежность уплотнения, удобство и безопасность обслуживания.
В горловине люка приварены сегменты 3 для контроля уровня наполнения и прикреплена внутренняя лестница для доступа внутрь котла.
Рис. 11 Люк-лаз с крышкой
Цистерны с внешним паровым обогревом отличаются от обычных тем, что нижняя половина котла этих цистерн оборудована паровой рубашкой толщиной 3¸4 мм и площадью нагрева до 1/3 поверхности котла, т.е. около 40м2. Расстояние между листами паровой рубашки и наружной поверхностью котла – 36÷50мм. Пар для разогрева нефтепродуктов перед сливом подается через штуцер паровой рубашки универсального сливного прибора под давлением на более 0,3 МПа, а конденсат выпускается через два патрубка, находящихся на концах паровой рубашки котла. Поскольку при выпуске пара сливной прибор может разогреться до температуры более 100°С, резиновое уплотнительное кольцо клапана сливного прибора заменено алюминиевым. Цистерны с паровой рубашкой (фото 1) выпускаются грузоподъемностью 50 и 60 т.
Фото 1. Жд цистерна с паровой рубашкой
Один из существенных недостатков этих цистерн – некоторое увеличение веса тары. Вес паровой рубашки цистерн последующих выпусков снижен с 1,2 до 0,8 т.
Цистерны-термосы предназначены для горячих перевозок высоковязких нефтепродуктов. Котел этой цистерны покрыт трехслойной теплоизоляцией (первый слой – смесь 30% асбестита и 70% инфузорной земли, второй слой – мешковина, пропитанная жидким стеклом и укрепленная металлической сеткой, третий слой – шевелин толщиной 100мм).
Перевозка наливных грузов с двухфазной средой осуществляется в различных типах железнодорожных цистерн: вагонах-цистернах обычных и оборудованных стационарными паровыми змеевиками; цистернах-термосах обычных, оборудованных стационарными паровыми змеевиками (фото 2; 3); цистернах с наружной подогревательной рубашкой.
Фото 2. Жд цистерна со стационарным теплообменником
Фото 3. Жд цистерна со стационарным теплообменником
Змеевики в цистернах устанавливаются с расчетом температурных деформаций при нагревании и остывании. Поверхность нагрева змеевика у четырехосной цистерны – 34 м2. Полезная вместимость котлов цистерн с устройством в них змеевиков уменьшается на 1,5%. Из цистерн, оборудованных внутренними стационарными паровыми змеевиками, слив высоковязких грузов можно проводить в пунктах, не имеющих специального оборудования. Однако такие цистерны отличаются несовершенством конструкции и недостаточно надежны из-за частого выхода змеевиков из строя под действием динамических нагрузок и температурных деформаций. При порче змеевиков удаление груза из цистерн крайне затрудненно. Поэтому такие цистерны широкого внедрения не получили и применяются только в пищевой промышленности в ограниченных масштабах.
Цистерны-термосы имеют тепловую изоляцию, снаружи защищенную специальным кожухом. Благодаря этому налитый в цистерну груз прибывает в пункт назначения со сравнительно высокой температурой и сливается с незначительным подогревом или без подогрева. Это возможно при перевозке застывающих грузов на расстоянии до 400 км с высокой скоростью и при благоприятных атмосферных условиях.
При длительном нахождении в пути следования груз в пункт назначения прибывает застывшим и слив его без подогрева невозможен. Поэтому часть цистерн-термосов снабжается змеевиками с уменьшенной поверхностью нагрева (20м2). При этом полезная емкость котла уменьшается, а масса тары примерно на 5 т. больше массы тары обычной цистерны.
Принцип работы указанных выше цистерн основан на передаче тепла от теплоносителя к грузу и уменьшении вязкости последнего за счет подогрева. Он эффективен только с продуктами, имеющими большую теплопроводность и размягчающимися при незначительном подогреве. Двухфазные грузы, как правило, обладают небольшой теплопроводностью и их подогрев при сливе требует значительных затрат времени. Так, для разогрева в цистерне осадка антраценовой фракции высотой 80 см до 70°С (при данной температура сырье не содержит кристаллов) необходимо затратить около 80 часов при температуре теплоносителя 100°С. Поэтому использование непосредственного разогрева для ускорения удаления грузов с двухфазной средой из железнодорожных цистерн эффекта обычно не дает.