移動式壓力容器型式試驗(yàn)現(xiàn)狀研究

崔棟梁 程 亮 謝 飛 韓文超

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029）

移動式壓力容器作為工業(yè)原料、民用燃料的重要儲運(yùn)工具,突出具有準(zhǔn)入門檻低、調(diào)度靈活的特點(diǎn),是新興產(chǎn)業(yè)的先頭兵、成熟行業(yè)的潤滑劑。自問世以來就是非常具有活力的設(shè)備類型,是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)裝備和人們生活的重要基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)移動式壓力容器智慧監(jiān)管公共服務(wù)平臺上的部分?jǐn)?shù)據(jù),完成登記的移動式壓力容器近10萬臺；筆者單位每年完成的移動式壓力容器型式試驗(yàn)型號也在10種以上,發(fā)展非常快速。移動式壓力容器具有儲運(yùn)量大、介質(zhì)種類范圍廣且多易燃易爆、設(shè)備移動性強(qiáng)等特性,管理難度比較大、事故破壞性較大。隨著市場發(fā)展成熟、制造水平提高和新興產(chǎn)業(yè)的需求,產(chǎn)品朝著輕量化、極端化、復(fù)雜化方向發(fā)展,以滿足更大載荷、更苛刻儲運(yùn)條件的需求。材料性能潛力逐漸逼近極限,安全冗余相對減小,一旦發(fā)生事故將造成重大生命財(cái)產(chǎn)損失[1]。2020年發(fā)生的浙江溫嶺“6.13”液化石油氣罐車側(cè)翻事故,罐體前封頭與跨線橋混凝土護(hù)欄端頭猛烈撞擊,形成破口,在沖擊力和罐內(nèi)壓力的作用下快速撕裂、解體,罐體內(nèi)液化石油氣迅速泄出、汽化、擴(kuò)散,遇過往機(jī)動車產(chǎn)生的火花爆燃,最后發(fā)生蒸汽云爆炸。事故導(dǎo)致20人死亡、175人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)9 400多萬元,37人被追究責(zé)任,造成了極其惡劣的社會影響[2]。因此,開展移動式壓力容器型式試驗(yàn)工作,提升產(chǎn)品質(zhì)量,提高行業(yè)安全水平,對于保障公共安全具有重要意義。

依照我國《特種設(shè)備目錄》的劃分,移動式壓力容器（代碼：2200）分為鐵路罐車、汽車罐車、罐式集裝箱、長管拖車、管束式集裝箱5個(gè)大類[3]。其中鐵路罐車僅用于鐵路運(yùn)輸,汽車罐車和長管拖車僅用于公路運(yùn)輸,此三類設(shè)備與行走裝置一般不可拆分；罐式集裝箱和管束式集裝箱可以公路、水路運(yùn)輸,也可用于公路水路聯(lián)運(yùn),此兩類設(shè)備無固定行走裝置。部分典型設(shè)備見圖1。

圖1 部分典型移動式壓力容器

筆者單位自2014年開始進(jìn)行移動式壓力容器型式試驗(yàn)[4],累計(jì)完成了100多種型號設(shè)備（僅限公路運(yùn)輸）的試驗(yàn),其中管束式集裝箱產(chǎn)品約占40%,罐式集裝箱占50%以上,幾乎所有制造廠的底盤都是外購,集裝箱產(chǎn)品占了絕對多數(shù)。這些產(chǎn)品共涉及29種介質(zhì),4種為壓縮氣體：水蒸氣、天然氣、氫氣和氦氣,除1種運(yùn)輸水蒸氣的設(shè)備外,均為管束式集裝箱；冷凍液化氣體介質(zhì)6種：液氫和液氦,其余均為常溫液體介質(zhì)。產(chǎn)品共涉及國內(nèi)30多家制造廠,有14家制造廠申請了2種以上型號產(chǎn)品的型式試驗(yàn),1家制造廠申請了11種新型號產(chǎn)品的型式試驗(yàn)。

可見國內(nèi)每年新上市的產(chǎn)品型號有限,制造廠相對集中,工藝相對穩(wěn)定成熟,筆者單位在以往工作中已經(jīng)形成了可靠的工藝流程。但由于現(xiàn)行法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)未針對公路運(yùn)輸進(jìn)行特化,部分內(nèi)容有待調(diào)整；且自2021年起,有關(guān)部門依照國內(nèi)公路交通運(yùn)輸監(jiān)管的實(shí)際情況,出臺了《常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車治理工作方案》[5],旨將常壓罐車類比汽車罐車進(jìn)行生產(chǎn)制造管理,這給移動式壓力容器型式試驗(yàn)工作帶來了新的變化。

本文總結(jié)分析現(xiàn)有的移動式壓力容器型式試驗(yàn)工作,并對未來發(fā)展提出一些可能的方向。

1 法規(guī)與資質(zhì)要求

我國移動式壓力容器型式試驗(yàn)具有明確法規(guī)要求,國內(nèi)現(xiàn)行的TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中附件A、附件B、附件C、附件D和附件E均對各類移動式壓力容器的型式試驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定[6]。

鐵路罐車的型式試驗(yàn)應(yīng)由國務(wù)院鐵路運(yùn)輸主管部門核準(zhǔn)或批準(zhǔn)的試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行；僅公路運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱、管束式集裝箱由國家市場監(jiān)管總局核準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行；具有真空絕熱罐體的需要由國家市場監(jiān)管總局核準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行低溫性能型式試驗(yàn)。目前我國國家市場監(jiān)管總局核準(zhǔn)的移動式壓力容器型式試驗(yàn)全項(xiàng)的機(jī)構(gòu)僅有中國特檢院,核準(zhǔn)的低溫性能型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)包括中國特檢院、蘭州空間技術(shù)物理研究所、上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司和廣東省特檢院共4家單位。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

移動式壓力容器型式試驗(yàn)從內(nèi)容上分為箱體性能試驗(yàn)和低溫性能試驗(yàn)2個(gè)大類。對于采用集裝箱結(jié)構(gòu)的罐式集裝箱和管束式集裝箱均需要進(jìn)行箱體性能試驗(yàn)[6],對于參與海陸聯(lián)運(yùn)的,還需要在箱體性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加沖擊試驗(yàn)（也稱碰撞試驗(yàn)）、堆碼試驗(yàn)、橫向剛性試驗(yàn)、縱向剛性試驗(yàn)等。凡是真空絕熱罐體的移動式壓力容器,均需要進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)。對于冷凍液化氣體罐式集裝箱,需要同時(shí)進(jìn)行箱體性能試驗(yàn)和低溫性能試驗(yàn)[6]。

箱體性能試驗(yàn)驗(yàn)證集裝箱結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過程中的安全性能,主要為抵抗起步、加速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車等過程由于慣性力帶來的箱體結(jié)構(gòu)變形。試驗(yàn)內(nèi)容包括吊頂、吊底、外部縱向栓固、內(nèi)部縱向和橫向栓固、磁粉檢測、氣密性試驗(yàn)等。下面以管束式集裝箱為例,分別介紹各項(xiàng)試驗(yàn)的方法[7]。

2.1 吊頂試驗(yàn)（由4個(gè)頂角件起吊試驗(yàn)）

試驗(yàn)通過集裝箱的4個(gè)頂角件將其吊起,測量底梁的變形量來驗(yàn)證除1D和1DX型以外的各型集裝箱的起吊能力。1D和1DX型集裝箱的起吊力方向?yàn)榉秦Q直方向,應(yīng)與豎直方向呈小于30°的夾角。試驗(yàn)實(shí)施方法如圖2所示。

圖2 吊頂試驗(yàn)

2.2 吊底試驗(yàn)（由4個(gè)底角件起吊試驗(yàn)）

試驗(yàn)通過集裝箱的4個(gè)底角件將其吊起,測量底梁的變形量來驗(yàn)證集裝箱的起吊能力。試驗(yàn)實(shí)施方法如圖3所示。起吊力的角度對于不同類型的集裝箱是各不相同的。40英尺（12.192 m）長的箱型起吊角度（即圖3中α角）為30°,30英尺（9.144 m）長的為37°,20英尺（6.096 m）長的為45°,1D和1DX箱型起吊α角為60°。

圖3 吊底試驗(yàn)

2.3 外部縱向栓固試驗(yàn)

試驗(yàn)通過集裝箱一端固定,對其另一端的2個(gè)底角件施加2Rg（R為額定質(zhì)量）的水平力,先朝向固定端,再反向施加,測量樣箱在長度方向的變形量來驗(yàn)證其在道路上行車時(shí)承受動載或者操縱情況下承受縱向栓固的能力,即在相當(dāng)于2g加速作用時(shí)承受縱向栓固作用的能力。試驗(yàn)實(shí)施方法如圖4所示。

圖4 外部縱向栓固試驗(yàn)

2.4 內(nèi)部縱向栓固試驗(yàn)（動態(tài)）

試驗(yàn)通過裝載集裝箱的試驗(yàn)臺與一個(gè)大質(zhì)量體相撞擊,來驗(yàn)證集裝箱在道路運(yùn)行的動態(tài)條件下承受縱向內(nèi)部約束的能力。集裝箱通過4個(gè)底角件固定于試驗(yàn)臺,且盡可能靠近撞擊端,集裝箱內(nèi)應(yīng)充裝介質(zhì)至容積的97%或使試驗(yàn)重量達(dá)到最大額定重量。試驗(yàn)實(shí)施方法如圖5所示,相撞速度依照GB/T 16563—2017《系列1集裝箱 技術(shù)要求和試驗(yàn)方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》中附件D的規(guī)定。

圖5 內(nèi)部縱向栓固試驗(yàn)（動態(tài)）

2.5 內(nèi)部橫向栓固試驗(yàn)

試驗(yàn)通過集裝箱橫軸呈豎直方向的臥式放置,豎直和水平方向固定底部2個(gè)底角件,并水平固定上部2個(gè)底角件來進(jìn)行,驗(yàn)證集裝箱的罐體或管束體本身以及其與框架連接對內(nèi)部介質(zhì)所導(dǎo)致的橫向慣性力的承受能力。試驗(yàn)實(shí)施方法如圖6所示,包括a、b兩種方法,其中b方法只有完全由集裝箱底結(jié)構(gòu)來支承罐體、管束體等或是由主管部門認(rèn)為通過外部縱向栓固試驗(yàn)和縱向剛性試驗(yàn)對罐體與框架之間的連接已能充分證明其可靠性時(shí),才可以使用。

圖6 內(nèi)部橫向栓固試驗(yàn)

2.6 磁粉檢測

在上述2.1章節(jié)至2.5章節(jié)的試驗(yàn)完成后,將各角件與梁柱之間的焊縫及熱影響區(qū)表面打磨出金屬光澤,依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》的相關(guān)要求進(jìn)行磁粉檢測[8]。對于試驗(yàn)后在檢測區(qū)域發(fā)現(xiàn)任何裂紋性缺陷的,型式試驗(yàn)結(jié)論為不合格。

2.7 氣密性試驗(yàn)

在除氣密性試驗(yàn)以外的全部試驗(yàn)項(xiàng)目均完成后,進(jìn)行氣密性試驗(yàn),一般采用NB/T 47013.8—2012《承壓設(shè)備無損檢測 第8部分：泄漏檢測》中附錄A的氣泡泄漏檢測方法,必要時(shí)也可以采用其他泄漏檢測方法進(jìn)行。

低溫性能試驗(yàn)是主體結(jié)構(gòu)為真空絕熱罐體的移動式壓力容器才需要進(jìn)行的型式試驗(yàn)內(nèi)容,包括真空度、漏率、漏放氣速率、靜態(tài)蒸發(fā)率、維持時(shí)間等的測量,一般按照GB/T 18443—2010《真空絕熱深冷設(shè)備性能試驗(yàn)方法》中的相關(guān)要求進(jìn)行,這里不再贅述。

3 目前的問題

3.1 型式試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題

第一類問題是設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足,多是材料選擇不當(dāng)或者制造厚度不足,表現(xiàn)為在型式試驗(yàn)的加載過程中或試驗(yàn)結(jié)束后,出現(xiàn)了影響設(shè)備正常使用的永久性變形,其尺寸不能滿足裝卸、固縛和換裝作業(yè)的要求。圖7為在加載過程中側(cè)面豎梁出現(xiàn)的塑性變形,主因?yàn)樨Q梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。

圖7 管束式集裝箱側(cè)面豎梁加載后變形

第二類問題為設(shè)備焊接質(zhì)量問題,如角件與梁柱、梁柱之間的焊接位置出現(xiàn)裂紋性缺陷等,該類型缺陷可能是制造缺陷,也可能是試驗(yàn)過程中的擴(kuò)展缺陷。圖8為在角件梁柱焊接部位發(fā)現(xiàn)的裂紋性缺陷,這2個(gè)缺陷的位置均沿焊縫縱向延伸,是制造時(shí)焊接工藝產(chǎn)生的結(jié)晶裂紋,在出廠檢驗(yàn)時(shí)未被發(fā)現(xiàn)。在型式試驗(yàn)時(shí)設(shè)備承受巨大的交變載荷,缺陷發(fā)生擴(kuò)展使其易于被檢測到。裂紋的危害性極高,在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范里一般都被列為不允許存在的缺陷,因此提高焊接工藝水平、加強(qiáng)驗(yàn)收環(huán)節(jié)的無損檢測工作非常關(guān)鍵。

3.2 型式試驗(yàn)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)問題

目前我國移動式壓力容器型式試驗(yàn)在法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系上存在以下問題：

首先,目前并沒有專門的移動式壓力容器型式試驗(yàn)法規(guī)。現(xiàn)行的TSG R0005—2011對型式試驗(yàn)的內(nèi)容有部分規(guī)定,但一直沒有類似《氣瓶型式試驗(yàn)規(guī)則》的專門性法規(guī)出臺。因此移動式壓力容器型式試驗(yàn)部分的法規(guī)規(guī)定并不全面且不成體系,缺乏針對包括試驗(yàn)的產(chǎn)品覆蓋范圍、抽樣規(guī)則、型式試驗(yàn)受理程序等步驟的詳細(xì)規(guī)定,使得型式試驗(yàn)過程中經(jīng)常遇到“無據(jù)可依”的困境。

其次,目前型式試驗(yàn)內(nèi)容特異性考慮不足,部分試驗(yàn)的工況不適用于僅限公路運(yùn)輸?shù)募b箱。

目前移動式壓力容器型式試驗(yàn)的箱體性能試驗(yàn)部分,無論產(chǎn)品承壓主體部分結(jié)構(gòu)為罐式還是管束式,均為吊頂、吊底、外部縱向栓固、內(nèi)部縱向栓固、內(nèi)部橫向栓固共五大項(xiàng)試驗(yàn),試驗(yàn)方法均依據(jù)GB/T 16563—2017中的相關(guān)技術(shù)要求。該標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)是將集裝箱作為貨物的角度出發(fā),考慮集裝箱在日常使用中要經(jīng)常經(jīng)受吊裝、堆放操作,運(yùn)輸時(shí)經(jīng)常發(fā)生鐵路、水運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)的情況。但目前移動式壓力容器生產(chǎn)使用過程中,最活躍、規(guī)模最大的是僅限于公路運(yùn)輸?shù)募b箱,此種情況下集裝箱是生產(chǎn)運(yùn)輸工具,充裝的介質(zhì)才是貨物。

因此按照GB/T 16563—2017的要求進(jìn)行的型式試驗(yàn)內(nèi)容多有不適的地方。比如吊頂和吊底試驗(yàn),在實(shí)際日常使用過程中,僅公路運(yùn)輸?shù)囊苿邮綁毫θ萜骰緵]有起吊的工況；而對于外部縱向栓固試驗(yàn)和內(nèi)部縱向栓固試驗(yàn)（動態(tài)）,標(biāo)準(zhǔn)中6.5條和6.6條明確指明試驗(yàn)是驗(yàn)證集裝箱在鐵路上行車的工況下,僅公路運(yùn)輸?shù)那闆r下是否有必要進(jìn)行?；谶@些考量,有必要研究僅公路運(yùn)輸情況下的性能驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容及其方法。

最后,移動式壓力容器型式試驗(yàn)適用范圍將“超綱”的問題。

如上所述,移動式壓力容器型式試驗(yàn)所適用的產(chǎn)品均是符合《特種設(shè)備目錄》規(guī)定的。但在2021年4月8日,《交通運(yùn)輸部 工業(yè)和信息化部 公安部 市場監(jiān)管總局關(guān)于印發(fā)常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車治理工作方案的通知》[5]中給出了《常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車治理工作方案》,方案中明確了要嚴(yán)把新罐車的“準(zhǔn)入關(guān)”,依法按職責(zé)加強(qiáng)對罐車（包括車輛及罐體）生產(chǎn)、檢驗(yàn)及使用等環(huán)節(jié)的指導(dǎo),督促相關(guān)企業(yè)、檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及從業(yè)人員全面掌握標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容和實(shí)施要求。部分制造廠開始約請常壓罐車、罐式集裝箱等的制造監(jiān)督檢驗(yàn),相應(yīng)型號產(chǎn)品開始委托試驗(yàn),這對于移動式壓力容器檢驗(yàn)和試驗(yàn)機(jī)構(gòu)是新的挑戰(zhàn)。首先,常壓液體罐車或罐式集裝箱本身不屬于移動式壓力容器的管理范疇,設(shè)計(jì)、生產(chǎn)并不遵守《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》,檢驗(yàn)和試驗(yàn)也就缺乏相應(yīng)法規(guī)的支持,須按照產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行,具有一定局限性；其次,當(dāng)下可行的型式試驗(yàn)方法只能參考移動式壓力容器的試驗(yàn)內(nèi)容,缺少針對僅公路運(yùn)輸?shù)某汗捃嚮蚬奘郊b箱性能驗(yàn)證試驗(yàn)的考慮,技術(shù)支持不足。

綜上所述,雖然我國已經(jīng)按照具有本國特色的特種設(shè)備管理思路建立了適應(yīng)國情的移動式壓力容器型式試驗(yàn)體系,但依然處于尚不成熟階段。不僅需要一本專門的綜合性型式試驗(yàn)法規(guī),對僅公路運(yùn)輸集裝箱的試驗(yàn)內(nèi)容和方法以及新形勢下的新任務(wù)也缺乏足夠的科學(xué)研究。

4 展望

型式試驗(yàn)對于移動式壓力容器的安全保障至關(guān)重要,試驗(yàn)的內(nèi)容、方法、評判標(biāo)準(zhǔn)對提高產(chǎn)品質(zhì)量、改進(jìn)制造單位工藝和能力具有重要指導(dǎo)作用。充分發(fā)揮型式試驗(yàn)的作用,對于推動我國移動式壓力容器制造行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展、產(chǎn)品走向世界領(lǐng)先具有重大意義。為了切實(shí)提高移動式壓力容器的管理水平和改善型式試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)運(yùn)輸、工業(yè)、安全等主管部門之間的協(xié)作與溝通,相關(guān)科研院所各自發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢,有效減少信息壁壘,助力產(chǎn)業(yè)水平提升,為國民生產(chǎn)生活護(hù)航。