紙塑復(fù)合包裝電石鐵路運(yùn)輸安全研究

張 成，石樂(lè)意

（呼和浩特鐵路局 貨運(yùn)處，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010057）

在我國(guó)鐵路運(yùn)輸電石的過(guò)程中，事故發(fā)生的比例在各類(lèi)危險(xiǎn)貨物中一直較高，并且多數(shù)是由于電石的包裝不合格造成的。因此，鐵路運(yùn)輸電石時(shí)，必須注重包裝和強(qiáng)化運(yùn)輸安全。《 鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則 》從強(qiáng)化鐵路運(yùn)輸安全出發(fā)，將電石包裝規(guī)定為Ⅰ類(lèi)包裝，即裝運(yùn)具有較大危險(xiǎn)性貨物的包裝，并對(duì)其包裝材料的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)等方面提出了較高的要求。因此，使用安全性能好的包裝是鐵路運(yùn)輸電石的重要安全保障。

1 電石特性及鐵路運(yùn)輸包裝規(guī)定

1.1 電石的危險(xiǎn)性分析

電石，化學(xué)名稱(chēng)碳化鈣，分子式：CaC2；比重：2.22；熔點(diǎn)：2 000 ℃。電石屬一級(jí)遇水( 濕 )易燃物品 ( 化學(xué)反應(yīng)式為：CaC2＋2H2O→C2H2＋Ca ( OH )2)，無(wú)色或黑灰色固體，鐵危編號(hào)為 43025。電石的危險(xiǎn)性在于遇水 ( 濕 ) 放出易燃、易爆的乙炔氣，乙炔氣體的爆炸極限是 2.5%～80%，即當(dāng)乙炔氣體在空氣中的含量 ≥2.5% 時(shí)，遇摩擦、振動(dòng)、沖擊等外力作用，尤其是遇酸或當(dāng)電石中含有硫磷等雜質(zhì)時(shí)，極易引起自燃、爆炸。

1.2 鐵路運(yùn)輸對(duì)電石包裝的規(guī)定

（1）電石應(yīng)裝入堅(jiān)固的鐵桶內(nèi)，每桶凈重為100 kg，桶口封閉嚴(yán)密，桶內(nèi)充氮?dú)?。桶?nèi)未充氮?dú)鈺r(shí)，應(yīng)裝置低壓安全閥；鐵桶不許倒置；桶內(nèi)充有氮?dú)鈺r(shí)，應(yīng)在包裝上標(biāo)明，并在貨物運(yùn)單上注明。

（2）按“危險(xiǎn)貨物包裝表”包裝號(hào) 21 所規(guī)定的包裝方法包裝電石。外包裝：普通木箱；內(nèi)包裝：螺紋口玻璃瓶、鐵蓋壓口玻璃瓶、塑料瓶或金屬桶( 罐 )。單位包裝限制重量：每瓶、桶 ( 罐 ) 凈重不超過(guò) 1 kg，每箱凈重不超過(guò) 20 kg。

2 電石包裝存在的問(wèn)題

由于“危險(xiǎn)貨物包裝表”包裝號(hào) 21 所規(guī)定的包裝方法只適合于小批量貨物運(yùn)輸使用 ( 如試驗(yàn)用途 )。例如，出口電石的運(yùn)輸，要求具有較高的安全性，采用100 kg 規(guī)格的一次性使用的充有氮?dú)獾蔫F桶包裝。目前，鐵路運(yùn)輸電石主要以?xún)?nèi)銷(xiāo)電石為主，鐵桶內(nèi)不充氮?dú)?，但安裝低壓安全閥運(yùn)輸，此類(lèi)包裝存在以下較大安全隱患。

（1）鐵桶的制造工藝問(wèn)題。鐵桶的制造工藝達(dá)不到質(zhì)量要求，是造成鐵桶包裝破損的主要原因。由于鐵桶的焊接和封卷不嚴(yán)，造成桶身、桶底、頂部有不同程度的滲漏，空氣可隨時(shí)浸入到鐵桶內(nèi)部，使電石鐵桶包裝在運(yùn)輸過(guò)程中有潛在不安全因素。

（2）鐵桶的密封性問(wèn)題。由于不充氮?dú)獾蔫F桶密封性較差，在運(yùn)輸過(guò)程中，外界潮濕空氣容易進(jìn)入鐵桶內(nèi)與電石反應(yīng)生成乙炔氣體，當(dāng)運(yùn)輸或裝卸過(guò)程中鐵桶包裝的電石受到振動(dòng)時(shí)，桶內(nèi)電石相互間碰撞產(chǎn)生火花，如此時(shí)桶內(nèi)乙炔氣體正好在爆炸極限2.5%～80% 范圍內(nèi)，便會(huì)發(fā)生爆炸。

（3）鐵桶蓋上小排氣孔不能及時(shí)排除桶內(nèi)乙炔氣體。不充氮?dú)獾蔫F桶包裝所安裝的低壓安全閥，一般是在鐵桶蓋上鉆小排氣孔，并以一個(gè)可移動(dòng)封片在彈簧的作用下蓋于孔上，當(dāng)桶內(nèi)生成乙炔氣體時(shí)，桶內(nèi)壓力增大，迫使封片抬起，排除乙炔氣體；桶內(nèi)壓力下降，封片自動(dòng)封閉，防止外界氣體或水分流入桶內(nèi)。由于桶蓋上小孔直徑太小，加之有鐵片加蓋，不能及時(shí)排除桶內(nèi)乙炔氣體，在貨物裝卸過(guò)程中存在爆炸隱患。

（4）鐵桶的抗沖擊性和緩沖性問(wèn)題。不充氮?dú)獾蔫F桶包裝密封性較差，在鐵桶的運(yùn)輸及裝卸過(guò)程中抗沖擊性和緩沖性較低，形成的電石粉化率一般為 15%左右，大量的電石粉末 ( Ca ( OH )2) 和產(chǎn)生的乙炔氣體( C2H2)，不但對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛造成污染，而且嚴(yán)重污染周?chē)h(huán)境。

（5）電石裝卸和堆放的安全問(wèn)題。在鐵桶包裝電石的裝卸和堆放過(guò)程中，由于裝卸工失誤，可能將安裝低壓安全閥的桶倒置堆放，導(dǎo)致桶內(nèi)乙炔氣體不能及時(shí)排除，造成桶內(nèi)乙炔氣體聚集，在裝卸過(guò)程中可能引爆積聚在桶內(nèi)的乙炔氣體。

（6）其他運(yùn)輸安全問(wèn)題。鐵桶包裝電石還存在運(yùn)輸成本較高，包裝占地面積大、搬運(yùn)不便，卸料不凈等諸多問(wèn)題。

3 紙塑復(fù)合包裝電石的安全性分析

3.1 電石紙塑復(fù)合包裝袋的結(jié)構(gòu)

目前，電石紙塑復(fù)合包裝袋已逐步在鐵路運(yùn)輸中開(kāi)始試用。電石紙塑復(fù)合包裝袋結(jié)構(gòu)為：外袋為涂膜塑編袋，具有較高的抗拉伸強(qiáng)度和密封性能，使外界的空氣不能進(jìn)入包裝內(nèi)部；中袋為紙塑復(fù)合袋，具有一定的抗拉伸強(qiáng)度和比較好的密封性能，且緩沖、吸潮性能較好；內(nèi)袋為紙紗復(fù)合袋，具有較好的緩沖性能、吸濕性能和透氣性，從而降低了內(nèi)袋電石的潮解和粉化損失率。

3.2 電石紙塑復(fù)合包裝袋的安全性

控制電石在包裝袋內(nèi)的乙炔含量低于爆炸下限，是確保電石安全貯運(yùn)的主要措施。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，要保證電石在包裝、運(yùn)輸、裝卸和存放過(guò)程中的安全，需要選擇合適的包裝材料，設(shè)計(jì)合理的包裝結(jié)構(gòu)，保證必要的包裝強(qiáng)度。

（1）包裝袋要嚴(yán)密不漏。包裝嚴(yán)密不漏需要控制包裝袋內(nèi)自由空間的空氣含水量或空氣濕度，外面的空氣不能進(jìn)入，即濕空氣不能進(jìn)入包裝內(nèi)部(當(dāng)然更不能進(jìn)水)。

（2）包裝袋具有排氣功能。包裝袋應(yīng)具有排氣功能，包裝內(nèi)產(chǎn)生的乙炔氣體能隨時(shí)排出，以避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

（3）包裝袋能夠經(jīng)受列車(chē)運(yùn)行、調(diào)車(chē)作業(yè)等過(guò)程中的沖擊與振動(dòng)。3 層組合而成的電石紙塑復(fù)合包裝袋，其袋底、袋口縫包線縫制，當(dāng)包裝袋內(nèi)產(chǎn)生乙炔氣體后因壓力增大，可通過(guò)縫線針孔排氣，使壓力和乙炔密度保持在安全范圍內(nèi)，達(dá)到安全貯運(yùn)的目的。因此，確保電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)乙炔含量，主要是控制包裝袋內(nèi)自由空間的空氣含水量或空氣濕度，以及能夠經(jīng)受列車(chē)運(yùn)行、調(diào)車(chē)作業(yè)等過(guò)程中的沖擊與振動(dòng)。

3.3 電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)濕度分析

3.3.1 控制袋內(nèi)空氣濕度或濕含量

在空氣中，電石反應(yīng)的快慢或強(qiáng)烈程度，與空氣的相對(duì)濕度有關(guān)，相對(duì)濕度越高反應(yīng)越快，相對(duì)濕度低到一定程度時(shí)反應(yīng)停止。當(dāng)某容器內(nèi)的總濕含量一定時(shí)，隨著溫度的下降，相對(duì)濕度會(huì)逐步上升；當(dāng)溫度降到一定程度時(shí)，容器內(nèi)的相對(duì)濕度將達(dá)到飽和狀態(tài) ( 即出現(xiàn)凝結(jié)水 )。電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)若相對(duì)濕度上升，則電石反應(yīng)加快，消耗濕含量產(chǎn)生乙炔氣體，此時(shí)乙炔氣體在包裝袋內(nèi)的比例上升至爆炸極限時(shí)，將發(fā)生電石的燃燒和爆炸。

使用紙塑復(fù)合包裝袋，電石在裝袋 48 h 后，使用可燃?xì)怏w測(cè)定儀測(cè)定，乙炔氣體在袋內(nèi)的含量遠(yuǎn)低于其爆炸極限的下限，且此時(shí)袋內(nèi)濕度已趨向于零。這說(shuō)明電石紙塑復(fù)合包裝袋所采用的材料和結(jié)構(gòu)，可以在溫度降低、相對(duì)濕度上升時(shí)，內(nèi)層復(fù)合袋起吸潮作用，使相對(duì)濕度不會(huì)隨溫度下降而上升，從而有效地控制乙炔氣體產(chǎn)生，并使其濃度維持在爆炸極限以下。

3.3.2 最小需要水量計(jì)算

乙炔在空氣中濃度的爆炸下限為 2.5%，低于此下限則處于安全狀態(tài)，依據(jù)《 海運(yùn)出口電石包裝鋼桶使用鑒定規(guī)程 》規(guī)定，“合格判定規(guī)則：乙炔氣體在桶內(nèi)的體積不大于1%?！卑创艘?guī)定，電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)乙炔含量達(dá)到 1% 時(shí)，需要水量的計(jì)算過(guò)程如下。

（1）電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)容積為：( 1 / 2 / 3.14 )2× 3.14 × 0.7 ≈ 55.61 L

式中：1 為裝袋后袋底周長(zhǎng)，m；( 1 / 2 / 3.14 ) 為電石裝袋后袋底半徑，m；0.7 為裝袋后包裝袋高，m。

（2）電石的密度：2.22 kg / L。

（3）紙塑復(fù)合包裝袋裝電石 50 kg 時(shí)，剩余自由空間為：55.61－(50 / 2.22 ) ≈ 33.09 L。

（4）紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)乙炔含量達(dá)到1%時(shí)，乙炔氣體容量為：33.09 × 1% ≈0.330 9 L。

（5）計(jì)算產(chǎn)生 0.330 9 L 乙炔氣體所需要的最少水量。

電石遇水的反應(yīng)式為：CaC2＋H2O→C2H2＋CaOH。其中，H2O 的分子量為：18；C2H2的分子量為：22.4。因此，0.330 9 L 乙炔氣體所需要的最少水量為：

18 × 0.330 9 / 22.4 ≈ 0.27 g

3.3.3 吸潮能力計(jì)算

紙塑復(fù)合包裝袋裝滿(mǎn) 50 kg 電石封口后，當(dāng)溫度達(dá) 30 ℃ 以上，相對(duì)濕度在 10% 時(shí)，4 h 后紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)袋吸潮前后的質(zhì)量變化如表1所示。

表1電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)袋的質(zhì)量變化表 g

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，得出電石紙塑復(fù)合包裝袋的吸潮能力平均值為 3.5 g。

通過(guò)濕含量測(cè)定儀測(cè)定，在電石裝袋后，紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)總濕含量為 42.8 g/m3。當(dāng)電石紙塑復(fù)合包裝袋封口時(shí)，如果按袋內(nèi)溫度 35℃，相對(duì)濕度按10% 計(jì)算 ( 袋內(nèi)相對(duì)濕度一般在 10% 以下 )，袋內(nèi)自由空間 ( 33.09 L ≈ 0.033 m3) 濕含量為：

42.8 × 10% × 0.033 ≈ 0.141 g

綜上所述，計(jì)算得出電石紙塑復(fù)合包裝袋內(nèi)的濕含量為 0.141 g，小于電石紙塑復(fù)合包裝內(nèi)袋的吸潮能力 3.5 g，也低于按 1% 計(jì)算的乙炔需最少水量0.27 g。因此，電石運(yùn)輸?shù)募埶軓?fù)合包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料使用是合理的。

3.4 電石紙塑復(fù)合包裝袋沖擊力分析

目前，在鐵路主要干線上，貨物列車(chē)的最高時(shí)速已經(jīng)達(dá)到 160 km，運(yùn)行速度的提高，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的沖擊、振動(dòng)等環(huán)境條件也發(fā)生了巨大變化。電石紙塑復(fù)合包裝具有較高密封性、緩沖性，在受到外力作用時(shí)，可以通過(guò)變形、緩沖、吸收能量，降低包裝的破損，保證電石在運(yùn)輸過(guò)程中的安全。

在各種環(huán)境條件相同的情況下，根據(jù)沖量定理，由于沖擊速度不同，其沖擊效果也有很大不同。通過(guò)對(duì)鐵桶和紙塑復(fù)合包裝兩種包裝所做的跌落沖擊實(shí)驗(yàn)( 高度為 1.8 m 處下落 )，得出跌落時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 跌落時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表 s

平均沖擊力計(jì)算：

式中：m 為包裝件質(zhì)量，kg；v 為沖擊開(kāi)始時(shí)的速度，m/s；t 為沖擊作用時(shí)間，s。

上述計(jì)算表明，電石紙塑復(fù)合包裝袋的平均沖擊力明顯小于電石鐵桶包裝，在列車(chē)運(yùn)行或調(diào)車(chē)作業(yè)、裝卸等沖擊與振動(dòng)環(huán)節(jié)中，與鐵桶相比，紙塑復(fù)合包裝袋更不容易發(fā)生破損，從而可有效避免包裝破損后乙炔氣體聚集而產(chǎn)生的自燃、爆炸事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電石紙塑復(fù)合包裝能有效避免鐵桶包裝破損、低壓安全閥失效等容易引起運(yùn)輸事故的情況，且具有良好的吸潮性和抗沖擊性，能夠保證鐵路安全運(yùn)輸電石。因此，研究開(kāi)發(fā)、推廣應(yīng)用電石紙塑復(fù)合包裝具有較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。