新型20英尺硝酸罐式集裝箱設計

劉雨

硝酸是具有強氧化性和腐蝕性的一元無機強酸，也是重要的化工原料，化學式為NHO3，分子量為63.01，在工業(yè)上可用于制化肥、農(nóng)藥、炸藥和染料等;此外，濃硝酸與濃硫酸的混合液還是有機化學中重要的硝化試劑。硝酸生產(chǎn)地分布廣泛，需要通過公路運輸來滿足市場需求，并且硝酸具有強腐蝕性，對運輸容器有較高要求。大連中車鐵龍集裝化技術(shù)裝備研發(fā)有限公司研發(fā)新型20英尺硝酸罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”），以應對日益旺盛的硝酸運輸需求。本文主要介紹新型20英尺硝酸罐箱的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成、分析計算及試驗工況等。

1 硝酸的主要特點

純硝酸為無色透明液體;濃硝酸為淡黃色液體，有刺激性氣味，易揮發(fā)，在空氣中產(chǎn)生白霧（硝酸蒸氣與水蒸氣結(jié)合而成的硝酸小液滴），能與水形成共沸混合物，相對密度為1.42 g/cm3，熔點為 42℃

（無水），沸點為83℃（無水）。市售普通試劑級硝酸的質(zhì)量分數(shù)為68%左右，工業(yè)級濃硝酸的質(zhì)量分數(shù)為98%。濃硝酸不穩(wěn)定，遇光或熱會分解放出溶于硝酸的二氧化氮，從而使硝酸外觀帶有淺黃色;稀硝酸相對穩(wěn)定。

2 新型20英尺硝酸罐箱技術(shù)參數(shù)

新型20英尺硝酸罐箱主要技術(shù)參數(shù)如下：充裝介質(zhì)為硝酸（其特性見表1）;聯(lián)合國危險貨物編號為2031;罐柜導則為T8;運輸方式為公鐵海聯(lián)運;罐體材料為022Cr17Ni12Mo2;總質(zhì)量為30 480 kg;空箱質(zhì)量為3 050 kg;最大允許充裝量為27 430 kg;最大允許堆碼質(zhì)量為213 360 kg;裝卸方式為上裝下卸;外部尺寸為6 058 mm€？ 438 mm€？2 591 mm;最小容積為21 m3;帶加熱系統(tǒng)和保溫功能;表面采用罐內(nèi)酸洗處理方式;箱頂設置鋁合金步道。

（1）罐體 罐體主要技術(shù)參數(shù)如下：工作溫度為常溫;設計溫度為130℃;最低設計金屬溫度為 40℃;工作壓力為常壓;設計壓力為0.267 MPa;主要受壓元件材質(zhì)為022Cr17Ni12Mo2;腐蝕裕量為0.2 mm;焊接接頭系數(shù)為1.0;有效容積為21 m3;最大充裝率為93%;耐壓試驗壓力為;筒體計算厚度為5 mm;封頭計算厚度為。

（2）安全閥 安全閥主要技術(shù)參數(shù)如下：型號為ZAB46501-00;型式為微啟式;公稱壓力為;閥座喉徑為53 mm;整定壓力為0.33 MPa;最小回座壓力為0.3 MPa;最大排放壓力為0.36 MPa;爆破片材質(zhì)為316L不銹鋼內(nèi)襯可溶性聚四氟乙烯;爆破片泄放口公稱直徑為65 mm;設計爆破壓力為0.38 MPa;壓力表最大量程為1.0 MPa。

（3）氣相閥 氣相閥主要技術(shù)參數(shù)如下：型號為BG120301R;公稱壓力為1.0 MPa;公稱直徑為;壓力表最大量程為1.0 MPa。

（4）裝卸附件 裝卸附件（法蘭）主要技術(shù)參數(shù)如下：進液口公稱直徑為80 mm;出液口公稱直徑為80 mm;公稱壓力為1.0 MPa。

3 新型20英尺硝酸罐箱結(jié)構(gòu)組成

新型20英尺硝酸罐箱組成部件包括框架、罐體、步道、外包、人孔、加熱系統(tǒng)等（見圖1）。

3.1 框架結(jié)構(gòu)

新型20英尺硝酸罐箱框架為全鋼焊接結(jié)構(gòu)，主要由角件、角柱、上下端梁、端斜撐、上下側(cè)梁等組成。

角柱材質(zhì)為Q450NQR1，上下端梁、端斜撐、上下側(cè)梁材質(zhì)為SPA-H，以確保較好的焊接性能和經(jīng)濟性?？蚣軆啥搜b有可拆卸式爬梯，角件采用集裝箱標準角件。框架與罐體之間采用裙圈連接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)罐體與框架的載荷傳遞?？蚣転楣尴渲饕Y(jié)構(gòu)之一，對集裝箱整體強度支撐有著重要意義;因此，框架結(jié)構(gòu)設計是罐箱設計的重點。根據(jù)GB/T 6420―2017《貨運掛車系列型譜》的規(guī)定，集裝箱運輸半掛車承載面高度不高于，新型20英尺硝酸罐箱框架選用1CC型標準集裝箱規(guī)格，從而使公路運輸總高不超過4 m，符合GB/T 1413―2008《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》的規(guī)定。角件選擇依據(jù)GB/T 1835―2006《系列1集裝箱 角件》的規(guī)定。

3.2 罐體結(jié)構(gòu)

新型20英尺硝酸罐箱的罐體采用奧氏體不銹鋼焊接而成，主要由封頭、筒體、端補強圈、外加強圈及裙圈等組成。

封頭采用標準碟形封頭，筒體為圓形，罐體端部通過裙圈與端斜撐連接，并向外延伸至框架，罐體及封頭材質(zhì)均為022Cr17Ni12Mo2。罐體壁厚、開孔補強計算和外壓穩(wěn)定性能校核等均嚴格按照GB 150―2011《壓力容器》的有關(guān)規(guī)定實施。罐體的制造驗收按照NB/T 47064―2017《液體危險貨物罐式集裝箱》的有關(guān)規(guī)定實施：對封頭A類焊縫實施100%無損檢測，符合NB/T 47013.11―2015《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》Ⅱ級要求;對罐體其他A類和B類焊接接頭實施20%射線無損檢測，符合NB/T 47013.11―2015《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》Ⅲ級要求;對罐體C類、D類、E類焊縫實施滲透檢測，符合NB/T 47013.5―2015 《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》 I級要求。產(chǎn)品出廠前對其進行清潔處理，防止鐵離子污染。

影響腐蝕裕量的因素包括介質(zhì)濃度和環(huán)境溫度。依據(jù)NB/T 47064―2017《液體危險貨物罐式集裝箱》的規(guī)定，設計工況下濃硝酸對S31608不銹鋼參考腐蝕裕量在常溫環(huán)境下不超過0.05 mm/年，在50℃環(huán)境下為0.05～0.50 mm/年。新型20英尺硝酸罐箱屬于可移動存儲設備，環(huán)境溫度為當?shù)卮髿鉁囟?，腐蝕裕量取0.2 mm，設計使用壽命為15年。罐體A類和B類焊接接頭采用雙面全焊透結(jié)構(gòu)。對封頭拼接焊縫實施100%射線檢測，焊接接頭系數(shù)為1.0;對筒體拼接焊縫實施20%射線檢測，焊接接頭系數(shù)為0.85。

3.3 保溫外包結(jié)構(gòu)

新型20英尺硝酸罐箱保溫層采用巖棉材料，筒體外包板和封頭外包板采用玻璃纖維材料。外包板拼接處設有不銹鋼拉帶，與框架間采用鉚接連接。外包板之間采用搭接形式。為了確保外包板與罐體連接緊密，采用包扎帶對巖棉進行捆扎，捆扎后在巖棉外表面包扎玻璃纖維板。在空間有限處，為了確保外包不超限界，采用玻璃纖維棉代替巖棉。

3.4 加熱系統(tǒng)

新型20英尺硝酸罐箱加熱系統(tǒng)采用蒸汽加熱方式：加熱管道焊接在罐體底部;蒸汽進出口均帶蓋，安裝在管道后端下方，并設置冷凝水排放接口;最大蒸汽壓力為0.4 MPa。為了防止加熱系統(tǒng)遭受應力腐蝕，在加熱系統(tǒng)表面噴涂防應力腐蝕漆。

3.5 步道結(jié)構(gòu)

新型20英尺硝酸罐箱箱頂防滑步道采用鋁合金材質(zhì)，沿箱頂呈“日”型排布。步道支架采用角鋼支撐，通過螺栓與框架連接。為了確保操作安全，在步道上安裝扶手：工人上箱操作時將扶手打開，操作結(jié)束后將扶手歸位。

3.6 成品及安全附件

新型20英尺硝酸罐箱配置人孔、頂出料口、安全閥和氣相閥。配套附件均選用知名度較高、質(zhì)量較好的品牌，閥件獲得中國船級社出具的合格報告。為了防止安全閥彈簧腐蝕失效，在安全閥前串聯(lián)爆破片，安全閥與爆破片之間設置提示爆破片失效的壓力表。

3.7 油漆及標記

罐體內(nèi)不涂漆。對罐體外表面、其余材質(zhì)的型鋼和板材實施拋丸除銹預處理，處理后鋼材表面清潔度達到GB/T 8923.1―2011 《涂覆涂料前鋼材表面處理 表面清潔度的目視評定 第1部分：未涂覆過的鋼材表面和全面清除原有涂層后的鋼材表面的銹蝕等級和處理等級》中Sa2.5級及以上標準，表面粗糙度為30～80 m;拋丸處理后噴涂富鋅底漆，其干膜厚度為10～20 m?？蚣芡獗砻嫱克⒏讳\底漆、中間漆和丙烯酸面漆，厚度分別為30 m、40 m和，干膜總厚度不小于120 m。靜電接地端子不涂刷油漆。為了防止異種金屬間發(fā)生電化學腐蝕，焊接前在金屬接觸面涂刷可焊性底漆。標記和銘牌按客戶要求設計和布置，符合中國船級社及有關(guān)標準的要求。除特殊規(guī)定外，標記顏色為黑色。

4 新型20英尺硝酸罐箱分析計算

大連中車鐵龍集裝化技術(shù)裝備研發(fā)有限公司依據(jù)中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》及硝酸罐箱設計圖紙和技術(shù)資料，分析計算罐箱在各種工況下的結(jié)構(gòu)靜強度，計算結(jié)果滿足要求。分析工況分別為設計壓力和靜壓頭工況、設計壓力和慣性力工況、試驗壓力和靜壓頭工況、加熱管工況、穩(wěn)定性工況;分析計算的主要依據(jù)為美國機械工程師協(xié)會（American Society of Mechanical Engineers，ASME）發(fā)布的《壓力容器建造規(guī)則》和《壓力容器建造另一規(guī)則》及《國際海運危險貨物規(guī)則》;計算對象為罐箱箱體結(jié)構(gòu)，采用的軟件為Hypermesh（前處理軟件）和Ansys（后處理軟件）。通過計算得出結(jié)論：在正常使用工況下，罐箱上的應力均不大于材料的許用應力，評定結(jié)果為合格。

5 新型20英尺硝酸罐箱樣箱試驗及檢查

新型20英尺硝酸罐箱樣箱試制完成后，在船級社監(jiān)造人員的監(jiān)督下，對樣箱實施型式試驗及沖擊試驗，試驗滿足GB/T 16563―2017《系列1集裝箱 技術(shù)要求和試驗方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》及中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》的要求。批量生產(chǎn)時，按照中國船級社《集裝箱檢驗規(guī)范》的規(guī)定和客戶的要求，實施指定項目（包括堆碼、吊頂和吊底等）試驗。此外，罐箱產(chǎn)品還須通過尺寸、開啟操作等檢查，并貼上相應的船檢標簽。新型20英尺硝酸罐箱樣箱試驗項目及方法見表2。

6 結(jié)束語

新型20英尺硝酸罐箱實現(xiàn)技術(shù)突破和創(chuàng)新，在最大程度地滿足客戶運輸要求的同時，大大提升綜合應用效益：不僅有效降低硝酸運輸?shù)陌b成本，而且提高硝酸公路運輸?shù)目煽啃院桶踩?此外，箱頂步道增設扶手，從而在一定程度上提升罐箱作業(yè)安全性。

（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2021-12-23）