20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸可行性研究

韓兆洋

(國(guó)家鐵路局 市場(chǎng)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心，北京 100070)

罐式集裝箱是指專門(mén)用于裝運(yùn)各種液體貨物的集裝箱，主要由液罐和柜架2 部分構(gòu)件組成。其中，液罐是裝運(yùn)貨物的主體，框架通常為鋼質(zhì)材料或高強(qiáng)度的鋼質(zhì)材料，框架尺寸及外形同于一般集裝箱。液罐裝于框架中間。罐式集裝箱除了具有集裝化運(yùn)輸?shù)娜績(jī)?yōu)點(diǎn)外，與若干圓桶裝入一個(gè)干貨標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的運(yùn)輸方式相比，具有經(jīng)濟(jì)、快捷、安全、環(huán)保、美觀等優(yōu)點(diǎn)。硫酸作為一種基礎(chǔ)化工原料，在我國(guó)鐵路目前主要通過(guò)罐車(chē)運(yùn)輸，尚未使用罐式集裝箱進(jìn)行運(yùn)輸。鐵路運(yùn)輸中常用的集裝箱外部尺寸主要有20 ft，40 ft 2 種，由于硫酸的密度在1.84 t/m3左右，因而采用20 ft 罐式集裝箱裝運(yùn)硫酸(以下簡(jiǎn)稱“硫酸罐式集裝箱”)，在鐵路車(chē)輛的凈載重利用率、鐵路與其他運(yùn)輸方式開(kāi)展聯(lián)運(yùn)方面較40 ft 罐式集裝箱更有優(yōu)勢(shì)。目前罐式集裝箱裝運(yùn)硫酸在鐵路行業(yè)尚無(wú)相關(guān)運(yùn)輸條件要求[1-4]。雖然聯(lián)合國(guó)危險(xiǎn)品運(yùn)輸專家委員會(huì)對(duì)集裝箱運(yùn)輸硫酸給出了相應(yīng)規(guī)范，但各國(guó)的具體運(yùn)輸條件還需要經(jīng)過(guò)該國(guó)相關(guān)部門(mén)的批準(zhǔn)[5]。依據(jù)鐵路運(yùn)輸對(duì)硫酸罐式集裝箱的要求，從箱體材質(zhì)、罐式集裝箱框架結(jié)構(gòu)、貨物裝載量等方面研究硫酸罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸?shù)目尚行?，?duì)于促進(jìn)鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸方式的多樣化、推進(jìn)危險(xiǎn)貨物多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展有著重要意義[6-7]。

1 20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱技術(shù)參數(shù)及安全要求

1.1 技術(shù)參數(shù)

裝運(yùn)硫酸(濃度92% ～ 98%)擬采用的20 ft 1C 型罐式集裝箱，具體的技術(shù)參數(shù)如下。①最大允許工作壓力為0.085 Mpa，為常壓罐式集裝箱。②該罐式集裝箱所使用材料均為鋼制，罐體材質(zhì)為16 MnDR，框架材質(zhì)為Q345D，底部斜撐材質(zhì)為Q450NQR1。③罐體壁厚：封頭名義厚度8 mm，筒體名義厚度7 mm，罐殼最小成形厚度6.61 mm (根據(jù)計(jì)算結(jié)果，罐體最小厚度應(yīng)為5.91 mm，考慮硫酸具有腐蝕性，結(jié)合硫酸對(duì)罐體的腐蝕速率及該罐式集裝箱的使用及罐體檢定年限，腐蝕裕量取0.7 mm)。④外形尺寸為6 058 mm (長(zhǎng))，2 438 mm (寬)，2 438 mm (高)，為系列1 集裝箱中的1C 型箱。⑤容積為17.5 m3；自重為3 770 kg；載重為30 600 kg；最大總質(zhì)量為34 370 kg，最大總質(zhì)量超出了1C 型集裝箱的額定總質(zhì)量，為非標(biāo)箱。⑥罐體頂部設(shè)有進(jìn)卸料閥(DN80 mm)1 個(gè)，氣相閥(DN32 mm) 1 個(gè)，用于貨物裝卸，該罐式集裝箱裝卸方式為上裝上卸方式。⑦人孔(Φ500 mm)及人孔蓋1 個(gè)，供檢修、維護(hù)、清洗人員進(jìn)出。⑧罐體與框架間預(yù)留了增設(shè)加溫套的位置及空間，外加溫套作為用戶的備選部件，供運(yùn)輸環(huán)境溫度較低的客戶選用。⑨為防止罐體內(nèi)外壓差對(duì)罐體造成傷害，罐體頂部設(shè)有呼吸式安全閥(DN80 mm) 1 個(gè)，整定壓力為(+0.495 MPa / -0.021 MPa)，回座壓力≥0.446 Mpa。⑩為滿足工作環(huán)境要求：工作溫度為-40℃～ 50℃；設(shè)計(jì)溫度為-40℃～ 65℃。

1.2 安全要求

為保證在鐵路運(yùn)輸過(guò)程中的安全性，硫酸罐式集裝箱的罐體材質(zhì)、框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、充裝量、裝卸方式、裝車(chē)后的重車(chē)重心高度、防波板設(shè)置等應(yīng)滿足如下要求。

（1）罐體材質(zhì)。罐體材質(zhì)應(yīng)與硫酸(濃度92% ～98%)相適應(yīng)，與硫酸(濃度92% ～ 98%)不發(fā)生反應(yīng)；或者發(fā)生反應(yīng)后更有益于硫酸罐式集裝箱的使用，所發(fā)生的反應(yīng)對(duì)罐體本身不會(huì)造成損害，對(duì)罐體的強(qiáng)度、韌性及硫酸(濃度92% ～ 98%)的品質(zhì)均無(wú)影響，反應(yīng)的產(chǎn)物不會(huì)再與硫酸(濃度92% ～ 98%)、罐體進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)；罐體材質(zhì)或其與硫酸(濃度92% ～ 98%)反應(yīng)后的產(chǎn)物，在硫酸罐式集裝箱壽命周期內(nèi)能夠承受與硫酸(濃度92% ～ 98%)反復(fù)接觸時(shí)受到的腐蝕。

（2）框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。罐式集裝箱的框架可以對(duì)罐體、安全附件等起到良好的保護(hù)作用，可以防止其在使用時(shí)，由于受到?jīng)_擊、震動(dòng)、碰撞、側(cè)翻等而造成損傷或者所裝介質(zhì)泄漏，因而硫酸罐式集裝箱的任何部分和各種附件應(yīng)位于框架內(nèi)，不超出外部尺寸[8-9]；框架是硫酸罐式集裝箱起吊、裝載、運(yùn)輸、堆存時(shí)受外力的主要部件，硫酸罐式集裝箱框架及框架與罐體連接部位的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)能夠滿足鐵路運(yùn)輸中常見(jiàn)的各種振動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力(沖擊力一般不小于4 倍硫酸罐式集裝箱額定質(zhì)量乘以重力加速度)，保證正常運(yùn)輸狀態(tài)下工作應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力，并應(yīng)按照《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》要求提供框架靜強(qiáng)度及沖擊試驗(yàn)合格報(bào)告。

（3）充裝量。充裝量不得大于硫酸罐式集裝箱的標(biāo)記載重。根據(jù)鐵路部門(mén)的相關(guān)規(guī)定，硫酸罐式集裝箱的充裝量比照鐵路罐車(chē)執(zhí)行，罐車(chē)的允許充裝量V允許與其標(biāo)記容積V標(biāo)有關(guān)，即鐵路罐車(chē)充裝量應(yīng)滿足：0.83V標(biāo)≤V允許≤0.95V標(biāo)[2-3]。對(duì)于鐵路罐車(chē)而言，標(biāo)記容積為罐體容積標(biāo)牌位置以下的容積[10]，小于其罐體幾何容積；而對(duì)于罐式集裝箱而言，標(biāo)記容積這一概念并不清晰，其容積通常指幾何容積[9]。因此，以硫酸罐式集裝箱標(biāo)記容積的83%(即幾何容積的83%)作為充裝下限較為合理，但以罐式集裝箱標(biāo)記容積的93%作為充裝上限則存在問(wèn)題。根據(jù)《液體危險(xiǎn)貨物罐式集裝箱》(NB/T 47064—2017)的相關(guān)要求，結(jié)合硫酸(濃度92% ～ 98%)密度與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，經(jīng)計(jì)算求得的最大充裝量為罐式集裝箱標(biāo)記容積的93%，結(jié)合鐵路部門(mén)的相關(guān)規(guī)定，硫酸罐式集裝箱的充裝量上限應(yīng)為其幾何容積的93%。

（4）裝卸方式。液體罐裝貨物的裝卸方式通常有2 種，一種為罐體上部裝車(chē)，下部卸車(chē)，即上裝下卸方式；另一種為罐體上部裝車(chē)，上部卸車(chē)，即上裝上卸方式。上裝下卸方式，通常用于粘度大、流動(dòng)性差的貨物，如瀝青、原油等，主要為確保此類(lèi)貨物的接卸更為方便，卸車(chē)后罐體內(nèi)殘留的介質(zhì)更少，貨物卸車(chē)時(shí)間更短，罐體更便于清潔；除此類(lèi)貨物之外，其他液體罐裝貨物通常會(huì)采用上裝上卸式，主要為了更好地保證鐵路運(yùn)輸，降低滲漏、泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。目前，硫酸鐵路罐車(chē)均采用上裝上卸方式，因而硫酸罐式集裝箱應(yīng)采用上裝上卸方式為宜。

（5）裝車(chē)后的重車(chē)重心高度。除鐵路罐車(chē)外，其余鐵路車(chē)輛的重車(chē)重心高度超過(guò)2 000 mm 時(shí)，須限速運(yùn)行，罐車(chē)重車(chē)重心高度超過(guò)2 200 m 時(shí)，須限速運(yùn)行。采用20 ft 1C 型罐式集裝箱裝硫酸(濃度92% ～ 98%)不屬于超限貨物，而從貨物的重要性、貨物運(yùn)輸?shù)奶厥庖蟮确矫?，硫?濃度92% ～ 98%)也無(wú)需為其運(yùn)輸采取限速運(yùn)行；硫酸罐式集裝箱須裝載于鐵路集裝箱專用平車(chē)或兩用平車(chē)上進(jìn)行運(yùn)輸，其裝車(chē)后的重車(chē)重心高度不應(yīng)超過(guò)2 000 m。

（6）防波板的設(shè)置。設(shè)置防波板可以降低罐式集裝箱罐體內(nèi)液體的波動(dòng)和對(duì)罐壁的沖擊，同時(shí)提高裝載于車(chē)輛上的罐式集裝箱的穩(wěn)定性，但加裝防波板會(huì)給裝卸操作人員和檢修人員的工作帶來(lái)不便，還會(huì)增加罐式集裝箱的重量，降低貨物的裝載量，此外加裝防波板后會(huì)在罐體內(nèi)部增加更多的焊縫，從而增多了罐體受力的應(yīng)力集中點(diǎn)，使局部罐體承受更多的應(yīng)力，對(duì)罐體使用壽命造成硬頂程度的影響，如增加罐體壁厚會(huì)進(jìn)一步增加罐式集裝箱的自重，降低貨物裝載量。鐵路部門(mén)要求在裝載量低于83%時(shí)，須加裝防波板方可運(yùn)輸。因此，硫酸罐式集裝箱內(nèi)應(yīng)不設(shè)置防波板為宜。

2 20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸可行性分析

結(jié)合硫酸罐式集裝箱的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和鐵路運(yùn)輸對(duì)其在罐體材質(zhì)、框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、貨物充裝量、裝卸方式、裝車(chē)后的重車(chē)重心高度、防波板設(shè)置等方面的要求，硫酸罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸可行性分析如下。

（1）罐體材質(zhì)適應(yīng)性。硫酸罐式集裝箱罐體材質(zhì)為16MnDR，與硫酸(濃度92% ～ 98%)相容，符合安全要求。硫酸遇金屬會(huì)反應(yīng)放出氫氣，但由于濃硫酸具有強(qiáng)氧化性，在常溫下與16MnDR 發(fā)生反應(yīng)能夠生成致密的氧化膜，使罐體內(nèi)部表面鈍化，阻隔了進(jìn)一步的反應(yīng)，因而擬使用的罐式集裝箱罐體材質(zhì)能夠用于裝運(yùn)硫酸(濃度92% ～ 98%)。

（2）框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。硫酸罐式集裝箱進(jìn)行靜強(qiáng)度試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)罐式集裝箱裝載的重量不大于29 890 kg 時(shí)，硫酸罐式集裝箱的框架、罐體與框架連接部位強(qiáng)度能夠滿足鐵路運(yùn)輸安全要求。靜強(qiáng)度試驗(yàn)共進(jìn)行了3 次測(cè)試，取3 次加載實(shí)驗(yàn)平均值作為實(shí)測(cè)應(yīng)力值，卸載的數(shù)據(jù)作為加載數(shù)據(jù)的參考，充裝介質(zhì)的重量不小于29 890 kg；沖擊試驗(yàn)中，將一輛專用于沖擊試驗(yàn)的70 t 級(jí)敞車(chē)(沖擊車(chē)內(nèi)裝載貨物使其總重達(dá)到92.31 t)，沖擊敞車(chē)的速度為3.0 ～ 8.0 km/h，共6 個(gè)速度級(jí)，對(duì)布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)一端的罐箱進(jìn)行沖擊，每個(gè)速度級(jí)至少進(jìn)行3 次試驗(yàn)。沖擊試驗(yàn)后，通過(guò)仔細(xì)觀察、測(cè)量框架和罐體及聯(lián)結(jié)部位的狀態(tài)變化(有無(wú)變形或損傷)，箱底架有無(wú)變形等，經(jīng)檢查后未發(fā)現(xiàn)各部件產(chǎn)生變形。該罐式集裝箱框架及框架與罐體的聯(lián)結(jié)部位在沖擊速度不大于8.0 km/h 時(shí)，最大動(dòng)態(tài)合成應(yīng)力均小于其許用應(yīng)力，能滿足運(yùn)用過(guò)程中靜載荷及調(diào)車(chē)沖擊載荷工況的強(qiáng)度要求。

（3）充裝量。充裝量應(yīng)為硫酸罐式集裝箱標(biāo)記容積的83% ～ 93%。在此充裝范圍內(nèi)充裝，既能夠滿足罐式集裝箱充裝要求，又可滿足鐵路運(yùn)輸有要求。硫酸(濃度92% ～ 98%)在20℃時(shí)，按罐式集裝箱標(biāo)記的容積的83%充裝時(shí)，罐箱總重最大為30 440 kg，均未超過(guò)30 480 kg；但當(dāng)按其標(biāo)記的容積的84%充裝時(shí)，罐式集裝箱總重已超過(guò)30 480 kg。因此，硫酸罐式集裝箱進(jìn)行鐵路運(yùn)輸時(shí)，僅當(dāng)按標(biāo)記容積的83%充裝時(shí)，罐箱總重不超過(guò)30 480 kg，可滿足多式聯(lián)運(yùn)要求；充裝量超過(guò)罐式集裝箱標(biāo)記容積的83%時(shí)，裝運(yùn)硫酸(濃度92% ～ 98%)時(shí)的總質(zhì)量已超過(guò)30 480 kg，不能充分參與多式聯(lián)運(yùn)，其運(yùn)輸條件需作特殊安排，如載運(yùn)工具等須采用與該罐式集裝箱匹配的設(shè)備，鐵路運(yùn)輸須使用70 t 級(jí)及以上的集裝箱專用平車(chē)(含兩用平車(chē))。充裝量為罐箱容積的83%時(shí)的硫酸(濃度92% ～ 98%)充裝重量及罐箱總重如表1 所示，充裝量為罐箱容積的84%時(shí)的硫酸(濃度92% ～ 98%)充裝重量及罐箱總重如表2所示。

（4）裝卸方式。硫酸罐式集裝箱裝卸方式為上裝上卸式，符合安全要求。硫酸罐式集裝箱頂部設(shè)有進(jìn)卸料閥(DN 80 mm) 1 個(gè)，氣相閥1 個(gè)(DN 32 mm)，用于硫酸裝卸。這種裝卸方式，減少了硫酸與空氣的接觸，在一定程度上避免了打開(kāi)人孔蓋進(jìn)行裝卸時(shí)，硫酸暴露于空氣中吸水造成濃度下降的情況。更重要的是使得硫酸罐式集裝箱避免了因采用下裝或下卸需要在罐體底部開(kāi)口并安裝閥門(mén)，從而產(chǎn)生滴、漏風(fēng)險(xiǎn)的情況。硫酸下裝或下卸造成滴、漏，極易腐蝕運(yùn)輸車(chē)輛和鋼軌，遇到木地板的平車(chē)時(shí)可能會(huì)直接引起燃燒，對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛和鋼軌的腐蝕均會(huì)給鐵路運(yùn)輸安全帶來(lái)隱患，采用上裝上卸在很大程度上降低了風(fēng)險(xiǎn)。

表1 充裝量為罐箱容積的83%時(shí)的硫酸(濃度92% ～ 98%)充裝重量及罐箱總重表Tab.1 Filling weight of sulfuric acid and total weight of tank when the filling volume is 83% of tank volume

表2 充裝量為罐箱容積的84%時(shí)的硫酸(濃度92% ～ 98%)充裝重量及罐箱總重表Tab.2 Filling weight of sulfuric acid and total weight of tank when filling volume is 84% of tank volume

（5）裝車(chē)后的重車(chē)重心高度。硫酸罐式集裝箱重箱裝載于鐵路集裝箱專用平車(chē)(含兩用平車(chē))上的重車(chē)重心高度不超過(guò)1 879 mm，小于2 000 mm，符合安全要求。重車(chē)重心高計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

（6）防波板的設(shè)置。硫酸罐式集裝箱內(nèi)無(wú)防波板，符合安全要求。防波板的安裝主要是針對(duì)充裝量在罐體容積20% ～ 80%之間的情況。硫酸罐式集裝箱經(jīng)鐵路運(yùn)輸時(shí)，充裝量要求在83% ～ 93%，鐵路運(yùn)輸時(shí)無(wú)安裝防波板需求；從安全的角度來(lái)講，罐式集裝箱安裝防波板，在經(jīng)鐵路運(yùn)輸時(shí)會(huì)形成罐體局部受力，易造成罐體的撕裂，因而該罐式集裝箱內(nèi)無(wú)防波板能夠滿足鐵路運(yùn)輸要求。

依據(jù)20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱的安全要求，對(duì)20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱可行性進(jìn)行研究，得知20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱(硫酸濃度為92% ～ 98%，充裝量為罐式集裝箱標(biāo)記容積的83% ～ 93%)進(jìn)行鐵路運(yùn)輸具有技術(shù)可行性。

表3 重車(chē)重心高計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation of the height of gravitational center for loaded wagon

3 結(jié)束語(yǔ)

鐵路開(kāi)展罐式集裝箱運(yùn)輸硫酸是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作，除集裝箱條件外，還涉及發(fā)到站點(diǎn)條件、途中運(yùn)輸要求、配套管理制度、作業(yè)人員培訓(xùn)等方面的問(wèn)題。就集裝箱本身而言，作為裝運(yùn)硫酸(濃度92% ～ 98%)進(jìn)行鐵路運(yùn)輸?shù)墓ぞ?，?yīng)滿足罐體采用碳鋼材質(zhì)、上裝上卸方式、充裝量在83% ～ 93%之間、配有相應(yīng)安全附件、罐體內(nèi)無(wú)防波板、框架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)沖擊試驗(yàn)等要求，以保障鐵路運(yùn)輸安全。針對(duì)20 ft 1C 型硫酸罐式集裝箱鐵路運(yùn)輸開(kāi)展技術(shù)可行性研究，可為鐵路開(kāi)展罐式集裝箱運(yùn)輸硫酸提供理論與實(shí)踐參考。