Описание кислорода как химического элемента, распространенность данного газа в природе, его физические и химические свойства

Содержание
Содержание	2
Введение	5
1 Кислород как химический элемент и его свойства	7
1.1 Исторические сведения	7
1.2 Распространенность кислорода в природе	8
1.3 Физические и химические свойства кислорода	10
1.4 Получение и применение кислорода	10
1.5 Транспортировка и хранение кислорода	10
2 Описание базовой модели цистерны для перевозки сжиженного кислорода	12
2.1 Назначение и общее описание цистерны	12
2.2 Устройство и работа составных частей цистерны	15
2.2.1 Платформа	15
2.2.2 Емкость	17
2.2.3 Шкаф арматурный	18
2.2.4 Система коммуникаций	19
2.2.5 Аппаратура КИП	20
2.3 Маркирование и пломбирование цистерны	32
2.3.1 Маркирование цистерны	32
2.3.2 Пломбирование цистерны	33
2.4 Эксплуатация цистерны	33
2.4.1 Общие указания	33
2.4.2 Подготовка цистерны к наполнению	34
2.4.3 Наполнение цистерны жидким кислородом	35
2.4.4 Транспортирование цистерны	36
2.4.5 Отбор продукта на анализ	37
2.4.6 Опорожнение цистерны	37
2.4.7 Отогрев цистерны	38
2.4.8 Правила хранения	38
2.4.9 Консервация цистерны	39
2.4.10 Расконсервация цистерны	40
3 Выбор параметров цистерны для перевозки кислорода	41
4 Моделирование продольных колебаний вагона при маневровом соударении	51
4.1 Колебания вагона при маневровом соударении	51
4.2 Общие сведения о поглощающих аппаратах	52
4.3 Анализ существующих поглощающих аппаратов	61
4.3.1 Поглощающие аппараты грузовых вагонов	39
4.3.2 Эластомерные поглощающие аппараты	39
4.3.3 Перспективные поглощающие аппараты для грузовых вагонов	39
4.4 Моделирование продольных колебаний вагона при маневровом соударении	64
4.4.1 Математическая формулировка задачи	39
4.4.2 Алгоритм расчета	39
4.4.3 Пояснения к программе	39
5. Требования безопасности при эксплуатации цистерны для перевозки криогенных грузов	66
5.1. Классификация опасных грузов	66
5.2 Характеристика кислорода	67
5.3 Меры безопасности при проведении погрузочно-разгрузочных работ на цистерне для превозки сжиженного кислорода	68
5.3.1 Погрузочно-разгрузочные работы со сжиженными газами	39
5.3.2 Допуск обслуживающего персонала к работе	39
5.3.3 Меры безопасности при эксплуатации цистерны	39
5.3.4 Безопасность при работе с цистернами, работающими под давлением	39
5.4 Оценка возможных разрушений и объемов восстановительных работ при взрыве цистерны со сжиженным кислородом.	69
5.4.1 Определение избыточного давления при взрыве газовоздушной смеси (ГВС)	39

6 Определение экономического эффекта за счёт увеличения объёма котла цистерны	78
6.1 Определение калькуляционных измерителей	78
6.2 Расчет эксплуатационных расходов на 1000 ткм	87
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	90
ПРИЛОЖЕНИЕ А Блок схема работы программы по выбору оптимальных параметров вагона	94
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Графики зависимостей некоторых параметров вагона	95
Список литературы	96


















ВВЕДЕНИЕ
       Наибольшую долю грузов Российской Федерации перевозят с помощью железнодорожного транспорта, в связи с этим можно сказать, что железнодорожный транспорт играет важную роль в экономике нашей страны.
       Перевозка кислорода и других газообразных продуктов в настоящее время становится все более востребованной, т. к. данные продукты имеют большой спектр применения. Кислород применяют во многих сферах деятельности, таких как: медицина, газопламенная резка и сварка, пищевая промышленность, химическая промышленность, сельское хозяйство и т. д. [1]. В связи с этим возрастает потребность транспортировки данных продуктов в больших объемах и в своевременные сроки. 
       Кислород обладает определенными физическими свойствами, которые позволяют осуществлять его перевозку в сжатом и сжиженном состояниях. Кислород в жидком состоянии перевозят при температуре, соответствующей температуре его кипения [9].
       Транспортировка таких газов как: кислород, азот, метан, аргон, двуокись углерода, перекись водорода, окись азота, этан, гелий, водород может осуществляться различными способами: трубопроводным, с помощью железнодорожного транспорта, автомобильным транспортом. Данные газы легко воспламеняемы и взрывоопасны. Их перевозка требует соблюдения повышенных мер безопасности всеми участниками транспортного процесса [9].
       Транспортировка кислорода криогенным трубопроводным транспортом эффективна при стабильных поставках на небольшие расстояния между производителем и потребителем, что обеспечивает экономичность эксплуатации данного вида транспорта.
        Перевозка жидкого кислорода автомобильным транспортом осуществляется в криогенных автомобильных цистернах, специализированных сосудах с вакуумно-порошковой и вакуумно-многослойной изоляцией и автомобильных газификационных установках. При перевозке сжиженного кислорода объемом свыше 1000 литров данный газ относят к категории опасных грузов [9].
       Перевозка кислорода в сжиженном состоянии с помощью железнодорожного транспорта осуществляется в специализированных криогенных цистернах. Особое внимание уделяется соблюдению норм и правил безопасности при перевозке криогенных продуктов, а также их теплоизоляции. Преимущество железнодорожных перевозок состоит в том, что можно перевозить большее количество жидкого продукта по сравнению с перевозкой кислорода в баллонах. Также отпадает потребность изготовления баллонов высокого давления, их периодического осмотра и учета, испытаний и ремонта. Транспортировку кислорода в больших объемах целесообразней производить с помощью железнодорожного транспорта.
       В дипломном проекте произведено описание кислорода как химического элемента, описана распространенность данного газа в природе, приведены его физические и химические свойства. Описано получение и применение кислорода, его транспортировка различными видами транспорта.  Рассмотрена конструкция цистерны, принятой за базовый объект, произведены расчеты: выбора параметров проектируемой криогенной цистерны, расчет экономической эффективности, оценка возможных разрушений и объемов восстановительных работ при взрыве цистерны со сжиженным кислородом.
       Однако, главной частью дипломного проекта является математическое моделирование колебаний цистерны при маневровом соударении. В настоящее время при эксплуатации криогенных цистерн наибольшие продольные силы возникают при маневровых соударениях и при переходных режимах движения поезда. Величина этих сил определяется характеристиками поглощающих аппаратов автосцепки.  
       При выполнении маневровых операций на скорость соударения вагонов достигает величины 20 км/ч. В результате несоблюдения правил по выполнению маневровых операций повреждаются конструкции вагонов и перевозимых грузов, так как возникают значительные силы, способствующие их повреждению.
     
     













       1. Кислород как химический элемент и его свойства
       1.1 Исторические сведения
       Кислород – один из элементов периодической системы Д. И. Менделеева, химически активный неметалл, имеющий 16-ю группу и атомный номер 8. Данный элемент был открыт 1 августа 1774 года английским химиком Джозефом Пристли, путем нагрева оксида ртути и тетраоксида свинца. Также в 1771 году шведский химик Карл Шееле, путем прокаливания нитратов натрия и калия, диоксида марганца и других веществ получил кислород. Позднее французским химиком Антуаном Лавуазье было установлено, что кислород входит в состав кислот и содержится во многих веществах. Вскоре А. Лавуазье дал название кислороду, которое обозначает «порождающий кислоту», что связано с ошибочным представлением о том, что кислород содержится во всех кислотах. Таким образом, заслугу открытия кислорода приписывают трем ученым: А. Лавуазье, К. Шееле и Д. Пристли [1].
       1.2. Распространенность кислорода в природе
       Кислород является самым распространенным элементом планеты, он входит в состав множества горных пород и минералов, почвы, воздуха, воды (пресной и соленой), важнейших классов органических соединений – белков; жиров; углеводов, животных и растительных организмов. Содержание кислорода в гидросфере составляет 85,82% в виде воды, 49% в земной коре по массе. Во всех оболочках Земли (гидросфере, литосфере, атмосфере и биосфере) содержится кислород. Постоянный баланс кислорода и углекислого газа поддерживается благодаря зеленым растениям. Также с помощью кислорода происходит множество реакций окисления, в результате чего выделяется энергия для жизни. Благодаря высокой окислительной активности кислород может легко соединяться с большинством веществ и элементов, при этом образуются оксиды. Эта способность обеспечивает процесс горения. Также кислород участвует в медленных процессах окисления. Наличие данного газа в природе, в связанном и свободном состояниях, обеспечивает полноценную жизнедеятельность всего живого нашей планеты, т. к. без кислорода дыхание было бы невозможным [1].  Схема распространения кислорода и других элементов в природе показана на рисунке 1.1. 

      
      
Рисунок 1.1 – Схема распространения кислорода и других элементов в природе [10] 
       В природе существуют и другие аллотропные формы кислорода, примером является озон. В гидросфере он находится в связанном виде с водородом, образуя воду. При нормальных условиях озон – газ, имеющий голубой цвет и обладающий специфическим запахом. Озон состоит из трех атомов кислорода и имеет формулу О3, благодаря озону излучение от солнца поглощается и не попадает на поверхность Земли [1].  
       1.3 Физические и химические свойства кислорода
      Кислород в нормальных условиях – газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса, горюч, не пожаровзрывоопасен, но в смеси с парами топлива может взрываться. Газ обладает плохой растворимостью в воде, легче воздуха, допустимая объемная доля кислорода в воздухе составляет 23%. В газообразном состоянии опасности для окружающей среды и живых организмов кислород не представляет. Относится к парамагнетикам – веществам, способным намагничиваться в магнитном поле в направлении, совпадающим с направлением внешнего магнитного поля, имеющим положительную магнитную восприимчивость, которая значительно меньше единицы. Газ также называют дикислородом, т. к. он состоит из двух атомов кислорода и имеет формулу О2 [1].  Растворимость кислорода в воде и спирте приведена в таблице 1.1.
       Таблица 1.1 – Растворимость кислорода в воде и спирте [1]
Вещество
Растворимость, мл/г
Температура, ?С
Вода
4,9/100
0
Вода
2,09/100
+50
Спирт
2,78/100
+25
             Растворимость кислорода в серебре - 22 объема О2 в 1-м объеме Ag при температуре +961 ?С. Межатомное расстояние – 0,12074 нм, молекулярная кристаллическая решетка. Обратимая диссоциация газообразного кислорода на атомы происходит при его нагревании [1]. Параметры диссоциации кислорода приведены в таблице 1.2.
       Таблица 1.2 – Параметры диссоциации кислорода [1]  
Температура, ?С
Степень диссоциации, %
+2000
0,03
+2600
1
+4000
59
+6000
99,5
      Существуют 6 кристаллических фаз кислорода:	
       При давлении в 1 атм.: 
1) ?-О2 - существует при температуре ниже 23,65 K; имеет вид ярко-синих кристаллов;
2) ?-O2 - интервал температур: от 23,65 до 43,65 K; имеет вид бледно-синих кристаллов (при повышении давления цвет переходит в розовый);
3) ?-O2 - интервал температур: от 43,65 до 54,21 K; имеет вид бледно-синих кристаллов;
              Ещё три фазы образуются при высоких давлениях:
1) ?-O2 - существует в интервале температур от 20 до 240 K при давлении  6-8 ГПа, имеет вид оранжевых кристаллов;
2) ?-фаза - содержит молекулы O4 или O8, существует при давлении от 10 и до 96 ГПа, цвет кристаллов от тёмно-красного до чёрного;
3) ?-On – существует при давлении более 96 ГПа, металлическое состояние с характерным металлическим блеском, при низких температурах переходит в сверхпроводящее состояние (электрическое сопротивление становится равным нулю) [1]. 
       В твердом состоянии кислород имеет вид кристаллов светло - синего цвета моноклинной игольчатой формы и температуру плавления -218,35 ?С.  Жидкий кислород представляет собой жидкость светло – голубого цвета, не имеющую запаха. Жидкость не пожаровзрывоопасна, не горюча, представляет опасность для окружающей среды и живых организмов [1].  Физические свойства кислорода и других инертных газов представлены в таблице 1. 3. 
      Таблица 1.3 – Физические свойства кислорода и других инертных газов
Наименование газа
Температура кипения
Критическая температура
Плотность (при ?С и 760 мм рт. Ст.), кг/куб. м
Плотность в жидком состоянии, кг/л

?С
К
?С
К


Кислород
-182,98
90,03
-118,82
154,18
1,429
1,140
Азот
-195,8
77,2
-147,13
125,87
1,2507
0,808
Аргон
-185,8
87,35
-122,0
151,0
1,784
1,402
Неон
-245,90
27,10
-228,7
44,3
0,9002
1,204
Ксенон
-109,1
163,9
+16,6
269,6
5,851
3,060
Криптон
-153,2
119,95
-62,60
210,4
3,708
2,16
Гелий
-268,9
4,25
-267,9
5,1
0,1785
0,125
       Кислород поддерживает процессы: горения, гниения, дыхания и обладает такими свойствами как:
       1) является сильнейшим окислителем;
       2) имеет 2-ю степень окисления;
       3) молекула кислорода двухатомная;
       4) легко вступает в реакции;
       5) способен образовывать взрывчатые соединения.
При нагревании кислород вступает в реакцию со множеством простых веществ, образуя оксиды, т. е. соединения различных элементов с кислородом. Химическая реакция данного процесса называется окислением. Также кислород образует пероксиды – сложные вещества, в которых атомы кислорода соединены между собой. Постоянная степень окисления кислорода -2, но существуют и другие степени окисления, которые способен проявлять кислород, значения которых следующие: -1; -0,5; -1/3; +0,5;+1; +2.
       Значение электроотрицательности по Поллингу 3,44. Этим объясняется химическая активность кислорода [1].  
       1.4 Получение и применение кислорода
       В современном мире в промышленности кислород получают путем выделения его из воздуха. Воздух является смесью различных газов [11]. Основные составляющие воздуха приведены в таблице 1.4.
       Таблица 1.4 – Основные составляющие воздуха [1]  
Компонент воздуха (газ)
Доля содержания в воздухе, %
Название
Формула
Массовая
Объемная
Азот
N2
75,5
78,084
Кислород
O2
23,15
20,9476
Аргон
Ar
1,292
0,934
Углекислый газ
CO2
0,046
0,0314
Другие газы
H2O, H2, Xe и др.
Менее 0,003
Менее 0,002
        Сосуд Дьюара для транспортировки и хранения сжиженных газов представлен на рисунке 1.2.
      
Рисунок 1.2 – Сосуд Дьюара для транспортировки и хранения сжиженных газов
  1 – вакуум, 2 – двойной металлический корпус, 3 – жидкий кислород, 4 – патрубок для откачки воздуха, 5 - подставка
       Воздух сжимают компрессорами (при этом происходит сильный нагрев воздуха), после охлаждают. Затем подвергают быстрому расширению с помощью специальных устройств – турбодетандеров. Далее воздух в жидком состоянии собирают в сосуды Дьюара [11].
       В данном сосуде между внешней и внутренней стенками откачан воздух, в связи с этим газ в жидком состоянии при низких температурах может храниться в таком сосуде продолжительное количество времени. Температура кипения жидкого кислорода – -183 ?С, жидкого азота - -196 ?С. В связи с этим, при нагреве жидкого воздуха в интервале от -200 ?С до -180 ?С именно при температуре -196 ?С в первую очередь перегоняется азот и только после этого кислород. Данный способ называют ректификацией жидкого воздуха [11].   
       Также в промышленности существует способ получения кислорода путем разложения воды под действием электрического тока (электролиз воды). Электролиз воды – физико-химический процесс, в котором вода под действием постоянного электрического тока разлагается на водород и кислород. Объем выделяющегося водорода получается в 2 раза больше объема кислорода. Перед непосредственным использованием газы охлаждаются и обезвоживаются [11].   
       В связи с тем, что аппаратура для вышеописанных способов получения кислорода очень сложна, существуют и другие способы получения кислорода из его соединений с другими элементами. А именно путем нагрева веществ в состав которых входит кислород в связанном виде. Такими веществами являются: перманганат калия (марганцовка), нитрат калия (селитра), хлорат калия (бертолетова соль). Также существуют способы получения кислорода из пероксида водорода, пероксидов металлов. Данные способы обычно применяются для получения кислорода в лабораториях [11].   
       В металлургии для производства стали во многих агрегатах используют кислород вместо воздуха. Существует кислородно-конвертерный способ получения стали с помощью специальных аппаратов - конвертеров. Сталь получают путем продувки предельно расплавленного чугуна и шихты (смеси топлива в определенных пропорциях и исходных материалов, подлежащей переработке в металлургических и других агрегатах) кислородом либо воздухом. Данный метод высокопроизводителен [1].   
       Кислород имеет широкое применение в областях газопламенной резки и сварки металлов.
       Смесь жидкого озона с жидким кислородом является мощнейшим окислителем ракетного топлива. В этой связи кислород применяется в качестве окислителя для ракетного топлива [1].   
       В медицине кислород применяется в наркозной аппаратуре для обогащения дыхательных газовых смесей, для лечения патологий желудочно-кишечного тракта в виде кислородных коктейлей и для лечения многих других болезней. Некоторые медицинские учреждения используют сжиженный кислород и хранят его в сосудах Дьюара большой емкости. Им заполняют специальные прорезиненные емкости под названием кислородные подушки. Такие подушки используют для индивидуального применения. Также применяются кислородные ингаляторы для подачи кислородно-воздушной смеси или кислорода одновременно нескольким пострадавшим [1].   
       В пищевой промышленности кислород используют в виде пищевой добавки Е948 как упаковочный газ или пропеллент (специальное устройство для распыления краски или других жидких веществ) [1].   
       В химической промышленности кислород нашел применение в качестве реактива-окислителя. Примером является окисление углеводородов в кислородсодержащие соединения (спирты, кислоты и т. д.) аммиака в оксиды азота для производства азотной кислоты [1].   
       В сельском хозяйстве кислород используют для обогащения водной среды кислородом, а также для изготовления кислородных коктейлей, которые используются для прибавки веса у животных [1].   
       1.5 Транспортировка и хранение кислорода
       Хранение кислорода в основном происходит в баллонах в сжатом виде. Чаще всего баллоны имеют следующие характеристики:
 Баллоны из углеродистой стали типа 100, 150 и 200; условные рабочие давления которых 10, 15 и 20 МПа (100,150 и 200 кгс/см2), предел прочности 650 МН/м2 (65 кгс/мм2), предел текучести 380 МН/м2 (38 кгс/мм2), относительное удлинение 15%.
 Баллоны из легированной стали типа 150Л и 200Л, условные рабочие давления которых составляют 15 и 20 МПа (150 и 200 кгс/см2), предел прочности 900 МН/м2 (90 кгс/мм2), предел текучести 700 МН/м2 (70 кгс/см2), относительное удлинение 10 %, ударная вязкость 1 МДж/м2 (10 кгс-м/см2). 
 Такие баллоны имеют окраску голубого цвета и надпись «Кислород» черного цвета, главным образом для того, чтобы кислород нельзя было спутать с другими сжатыми газами [12].   
       Транспортировка кислорода обычно осуществляется в сжиженном охлажденном состоянии или в сжатом. Объемы газа до 10 м3 подвергаются перевозке на грузовых машинах без прицепа, объемы в интервале от 10 до 20 м3 перевозят на грузовых машинах с прицепами, объемы свыше 20 м3 транспортируют с помощью железнодорожного транспорта [12].   
      Перевозка с помощью автомобильного транспорта.
      В настоящее время, согласно законодательству, кислород в сжатом и жидком виде относят к категории опасных грузов, в случае превышения объема газа 1000 литров на один автомобиль. В этой связи перевозка кислорода объемом более 1000 литров автомобильным транспортом должна осуществляться согласно «Правилам перевозки автомобильным транспортом инертных газов и кислорода сжатых и жидких» [13].   Кислород и другие инертные газы имеют классификацию, приведенную в таблице 1. 5.
       Таблица 1. 5 – Классификация кислорода и других инертных газов
Наименование груза
Класс
Подкласс
Категория
Группа
Сжатый кислород
2
2,2
2
1
Сжатые инертные газы
2
2,1
1
1
Жидкий кислород
2
2,2
2
5
Жидкие инертные газы
2
2,1
1
5
       Как видно из таблицы сжатый кислород относится ко 2-му классу опасности (газы сжиженные, растворенные или находящиеся под давлением), подклассу 2,2 (неядовитые газы, невоспламеняющиеся), 2-ой категории (окисляющие), группе 1 (сжатые газы, критическая температура которых составляет ниже -10 ?С). Жидкий кислород относится к такому же классу, подклассу и категории, что и сжатый, отличается только группой 5 (охлажденные сжиженные газы, транспортировка которых происходит при давлении близком к атмосферному).
       При перевозке баллонов со сжатым кислородом, объемом менее 12 литров без башмаков и колпаков баллоны должны находиться в горизонтальном положении, дополнительно между баллонами должна находиться специальная прокладка. Также баллоны должны быть упакованы в дощатые ящики [13].   
       Жидкий кислород перевозится в криогенных автомобильных цистернах, автомобильных газификационных установках и сосудах с вакуумно-многослойной и вакуумно-порошковой изоляцией.
       Для обеспечения безопасности и грамотной перевозки кислорода должны быть соблюдены основный правила и нормативы:
 двигатель в процессе загрузки кислородных баллонов в машину не должен быть запущен;
 запрещено подвергать баллоны встряхиванию;
 должна быть обеспечена надежная фиксация груза;
 скорость при перевозке должна составлять не более 60 км/ч;
 перевозка кислорода в летний период должна производиться с обязательной защитой груза от солнечных лучей [13].   
       Перевозка кислорода с помощью железнодорожного транспорта.
       Перевозка кислорода железнодорожным транспортом осуществляется в специализированных криогенных цистернах. Такие вагоны-цистерны представляют собой емкость из двух сосудов: внутреннего криогенного и наружного кожуха. Пространство между двумя сосудами отвакуумировано. Изоляция внутреннего сосуда вакуумно-многослойная. Такие цистерны в основном окрашены в серебристый цвет с продольной полосой голубого цвета [14]. Основные параметры криогенных цистерн для перевозки криогенных грузов приведены в таблице 1.7.
       Таблица 1.7 – Параметры цистерн для перевозки криогенных грузов [14]  
Наименование параметра
Значение параметра для вагона модели

8Г513
8Г513М
15-558C
15-147
Назначение (основной груз)
Кислород, азот
Кислород, азот, аргон
Кислород, азот, аргон
Этилен
Грузоподъемность, т
36
36
55
31,3
Масса вагона (тара), т
35,3
35,3
36,6
41,9
Нагрузка:




от оси колесной пары на рельсы, кН (тс)
174,7 (17,82)
174,7 (17,82)
224,4 (22,9)
179,3 (18,3)
на один погонный метр пути, кН/м (тс/м)
55,6 (5,67)
55,6 (5,67)
60,9 (6,22)
48,7 (4,97)

        Продолжение таблицы 1. 7
Число осей
4
4
4
4
Высота центра тяжести цистерны от головок рельсов, мм:




Порожней
1803
1803
1867
1956
Груженой
2207
2207
2473
2276
Параметры сосуда:




объем полный, м3
33,75
33,75
44
65
диаметр внутренний, мм
2200
2200
2200
2600
удельный объем, м3/т
0,94
0,94
0,8
2,08
толщина стенки, мм
18
18
18
18
Материал
АМц
АМц
АМг5
АМг5
Параметры оболочки:




диаметр внутренний, мм
2800
2800
2800
3000
длина наружная,
мм
10417
10417
12584
13216
толщина стенки,
мм
10
10
10
12
Материал
Ст 15
Ст 15
Ст
 09Г2С
Ст 
09Г2С
Темп опорожнения, м3/мин
0,7-1,0
0,7-1,0
0,5-0,8
-
       

       Продолжение таблицы 1.7
Масса заправляемой жидкости, т
36 (кислород) 25,5 (азот)
36 (кислород и аргон) 25,5 (азот)
47 (кислород) 34 (азот) 55 (аргон)
31,3
Рабочее давление в сосуде, МПа (кг/см2)
0,25 (2,5)
0,25 (2,5)
0,5 (5)
0,5 (5)
Потери продукта от самоиспарения, % сутки
0,3 по кислороду
0,3 по кислороду
0,26 по кислороду
0,26
Габарит
02-ВМ
 (02-Т)
02-ВМ (02-Т)
02-ВМ
 (02-Т)
0-ВМ
(01-Т)
Тип изоляции
Вакуумно-порошковая
Вакуумно-порошковая
Вакуумно-порошковая
Вакуумно-порошковая
       Кислород технологический в газообразном состоянии. Основные технические характеристики газообразного кислорода для осуществления его перевозки согласно ТУ 113-03-452-92 «Кислород технологический газообразный» приведены в таблице 1.8.
       Таблица 1.8 - Основные технические характеристики газообразного кислорода для осуществления его перевозки [16]
Основные показатели газа
Норма для марки
Доля кислорода (объемная), %
Не менее 95
Доля водорода (объемная), %
Не более 0,7
Массовая концентрация водяных паров в г/м3, в нормальных условиях (20 ?С, 760 мм рт. ст.)
0,07
       Кислород технический в жидком состоянии. Основные технические характеристики жидкого кислорода для осуществления его перевозки согласно ГОСТ 6331-78 «Кислород жидкий технический и медицинский. Технические условия» приведены в таблице 1.9.
      Таблица 1.9 - Основные технические характеристики жидкого кислорода для осуществления его перевозки [15]
Основные показатели жидкости
Норма для марки
Доля кислорода (объемная), %
Не менее 99,5
Содержание ацетилена
Отсутствие
Объем двуокиси углерода в 1 дм3 жидкого кислорода, при 20 ?С и 101, 3 кПа (760 мм рт. ст.), см3
Не более 3,0
Содержание масла
Отсутствие
Содержание окиси углерода
Не нормируется
Содержание газообразных оснований и кислот
Не нормируется
Содержание озона и других газов-окислителей
Должен выдержать испытание
Запах
Не нормируется



       2. Описание базовой модели цистерны для перевозки сжиженного кислорода
       2.1 Назначение и общее описание цистерны
       Как было сказано выше кислород в сжиженном состоянии перевозят в специализированных криогенных цистернах при температурах ниже 120 К (-153 ?С). Рассмотрим общие конструктивные особенности криогенных цистерн для перевозки сжиженного кислорода. К конструктивным элементам таких цистерн относят: криогенную емкость, систему коммуникаций и арматуру: предохранительную, контрольно-измерительную и распределительную [14]. В качестве базового объекта выбираем цистерну для перевозки сжиженного кислорода модели 15-558С-01. Цистерна, модели 15-558С-01 приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Цистерна для перевозки сжиженного кислорода модели 15-558С-01

       Вагон-цистерна состоит из железнодорожной платформы, специализированного криогенного резервуара с двойными стенками, арматурного шкафа, системы коммуникаций, аппаратуры КИП, автосцепного устройства и ходовых частей, оборудована стояночным тормозом и автотормозом с рычажной передачей. Криогенный резервуар состоит из двух сосудов: внутреннего из нержавеющей стали и наружного (кожуха) из углеродистой стали, марки 09Г2. Между внутренним и наружным сосудом волокнисто-вакуумная изоляция. Цистерна оборудована приборами замера уровня жидкости и давления в резервуаре, предохранительными устройствами (мембранами и клапанами), обеспечивающими возможность избегания превышений давления в резервуаре и изолирующем пространстве, а также содержит испаритель. Запорная арматура сильфонного типа, с ручным управлением. Погрузка и разгрузка может осуществляться по обе стороны цистерны. Эксплуатация таких цистерн осуществляется в железнодорожных составах общесетевого назначения, дополнительно комплектуется запасными частями и инструментом. Предназначена для безопасной транспортировки и временного хранения сжиженных газов: кислорода, а также азота и аргона, может находиться в пути следования без сброса паров в атмосферу не более 45-ти суток. Имеет пружинно-фрикционный поглощающий аппарат типа Ш-2-В и две двухосные тележки модели 18-100 [14]. Основные технические характеристики цистерны модели 15-588С-01 приведены в таблице 2. 1.
       Таблица 2.1 – Основные технические характеристики цистерны модели 18-588С-01 [17]
Наименование
Единица измерения
Значение (величина, колич.)
1
2
3
1. Модель
-
15-588С-01
2. Номер модели
-
942
3. Наименование
-
Цистерна для жидкого азота, аргона, кислорода
4. Особенность модели
-
Криогенная с вакуумно-волокнистой изоляцией
5. Учетная специализация модели
-
Криогенные газы
6. Завод-изготовитель
-
Открытое акционерное общество «Уралкриомаш» (клеймо 1259)
7. Материал кузова
-
09Г2+12Х18Н10Т
8. Тележка
-
18-100
9. Количество осей
-
4
10. Ширина колеи
-
1520 мм


       Продолжение таблицы 2.1 
11. Наличие переходной площадки
-
Нет
12. Год начала серийного производства
-
2005
13. Нормативный срок службы
-
28 лет
        14. Размеры цистерны:
 габарит
 база вагона
 длина вагона по осям автосцепок
 длина вагона по концевым балкам рамы
 высота от головки рельса до оси автосцепкии

-
мм

мм

мм

мм


02-ВМ (02-Т)
10000

14730

13870

1040…1060
15. Положение центра тяжести груженого вагона от головки рельса

мм


2384

       16. Весовая характеристика цистерны:
 масса тары
 минимальная тара вагона
 максимальная тара вагона
 нагрузка от оси на рельс
 нагрузка на 1 пог. м. пути



т
т
т
т
т


36,6
36,0
37,8
22,9
6,22
17. Допустимая максимальная скорость
км/ч
120
18. Геометрический объем сосуда
м3
44

19. Потери кислорода от само-испарения при хранении

%  в сутки
0,26


       Продолжение таблицы 2.1

20. Масса заправляемого продукта:
 Рабочее давление в сосуде
 Тип изоляции емкости
 Давление в изолирующем пространстве емкости в теплом состоянии после вакуумирования


т
кгс/см2
-
мм.рт.ст.


55
Вакуумно-порошковая

Не более  1

20. Потери кислорода от само-испарения при хранении

%  в сутки
0,26

21. Скорость опорожнения
 за счет испарения части жидкого продукта в испарителе
 за счет подачи давления от внешнего источника



л/мин


л/мин



Не менее  500…800


Не менее  1000
22. Давление срабатывания предохранительного клапана сосуда
кгс/см2
5,1…5,3
23. Давление срабатывания мембраны сосуда
кгс/см2
5,4…6,25
24. Давление срабатывания мембраны трубопровода слива-налива
кгс/см2
6…7,5
25. Давление срабатывания мембраны предохранителя изолирующего пространства
кгс/см2
0,6…0,85


       Цистерны модели 15-558С-01 транспортируются по железной дороге как в порожнем, так и в груженом состоянии без сопровождения обслуживающим персоналом. Различают следующие режимы работы цистерны при ее эксплуатации:
       1) подготовка к наливу;
       2) налив жидкого кислорода;
       3) транспортировка цистерны с грузом;
       4) хранение наполненной цистерны;
       5) слив кислорода из цистерны;
       6) транспортировка порожней цистерны.
       Подготовкой цистерны к наливу считается: проверка состояния составных частей цистерны, отбор проб продукта или контроль газовой среды резервуара (для определения ранее перевозимого продукта), стыковку заправочных коммуникаций цистерны с внешними коммуникациями [17].
       Автосцепное оборудование.
       Четырехосные цистерны для перевозки сжиженного кислорода оборудуются автосцепкой СА3. Конструкция автосцепного оборудования грузового вагона представлена на рисунке 2.2.
  

Рисунок 2.2 - Автосцепное оборудование грузового вагона [18]
1 - задний упорный угольник, 2 - кронштейн с полкой, 3 - расцепной рычаг, 4 - поддерживающая планка, 5 - поглощающий аппарат, 6 - тяговый хомут, 7 - упорная плита, 8 - клин тягового хомута, 9 - передний упорный угольник, объединенный с ударной розеткой, 10 - поддерживающий кронштейн, 11 - маятниковые подвески, 12 - центрирующая балочка, 13 - корпус автосцепки, 14 - цепочка, 15 - валик подъемника
       Ограничение вертикальных перемещений автосцепки осуществляется с помощью ограничителей саморасцепа, выполненных в виде металлических кронштейнов, установленных на корпусе автосцепки сверху и снизу малого зуба автосцепки.
       Величина захвата автосцепки в горизонтальной плоскости — 175 мм на сторону.
       Разность уровней осей автосцепок (по вертикали) при эксплуатации допускается:
       - в поездах до 100 мм;
       - при маневрах до 140 мм.
       Допускаемая скорость движения при сцеплении - не более 7,5 км/ч [18].
       Ходовые части.
       Ходовые части вагона-цистерны для перевозки сжиженного кислорода такие же, как и у остальных грузовых вагонов. Они состоят из двух тележек грузового типа. В данном случае применяются тележки ЦНИИ-Х3 модели 18-100. На новых и усовершенствованных моделях вагонов могут устанавливать тележки более поздних модификаций. В целом, тележки грузовых вагонов имеют схожую конструкцию [20]. Тележка 18-100 показана на рисунке 2.4.
      
Рисунок 2.4 – Грузовая тележка модели 18-100
1 - колесная пара, 2 - боковая рама тележки, 3 - центральное рессорное подвешивание, 4 - надрессорная балка, 5 - букса, 6 - тормозная рычажная передача тележки, 7 - подпятник, 8 - скользун.
      Тележка грузового вагона состоит из двух колесных пар и двух литых боковых рам, которые соединены между собой надрессорной балкой. Тележка имеет одну ступень подвешивания - центральную, состоящую из 7-ми двухрядных пружин, в узле гашения колебаний вертикальная фрикционная планка сделана составной. Между ней и фрикционным клином имеется сменная фрикционная пластина. Кузов вагона опирается на подпятник надрессорной балки, в котором имеются противоизносные элементы, а между скользунами рамы вагона и тележки имеется зазор. На типовые тележки устанавливаются клинья, изготовленные из стали. Схема опирания кузова на вагон осуществляется через пятник и подпятник с зазорами в скользунах. Колёсные пары удерживаются в буксовом проёме челюстями. Тормозная рычажная передача с односторонним нажатием колодок. Конструкция тележки обеспечивает прохождение вагонами кривых участков пути с минимальным радиусом 60 м [20]. Значения основных параметров тележки модели 18-100 приведены в таблице 2.2.
       Таблица 2.2 – Основные параметры тележки модели 18-100 [22]
Параметр
Значение
Число осей
2
Масса, т
4,8
База, мм
1850
Допустимая осевая нагрузка т/ось
23,5
Конструктивная скорость, км/ч
120
Расстояние от уровня головок рельсов до опорной поверхности подпятника, м
0,806
Тип рессорного подвешивания
Одинарное центральное
Гибкость рессорного подвешивания, м/МН
0,125
Статический прогиб от массы брутто, мм
48
       Тормозное оборудование.
       Цистерна оборудована типовым тормозным оборудованием, которое состоит из воздухораспределителя, тормозного цилиндра, запасного резервуара, авторежима, авторегулятора тормозной рычажной передачи, разобщительного и концевых кранов, соединительных рукавов, тормозной магистрали и рычагов и тяг, которые передают усилие к колодке от тормозного цилиндра. Автотормозное оборудование устанавливается на раме цистерны [4]. Тормозное оборудование вагона-цистерны представлено на рисунке 2.4.
  
Рисунок 2.5 - Тормозное оборудование вагона-цистерны
1 - тяга, 2 - авторегулятор ТРП, 3 - вертикальный рычаг, 4 - тормозная магистраль, 5 - разобщительный кран, 6 - запасной резервуар, 7 - концевой кран, 8 - соединительный рукав, 9 - авторежим, 10 - тяга, 11 - воздухораспределитель, 12 - тормозной цилиндр, 13 - распорка,   14 - рычаг-упор, 15 - регулирующий винт, 16 - поддерживающая скоба, 17 - предохранительная скоба
       Дополнительно на раме цистерны устанавливается ручной стояночный тормоз, который нужен для закрепления цистерны при наливе и сливе сжиженного .......................