纸塑复合包装电石铁路运输安全研究

张 成，石乐意

（呼和浩特铁路局 货运处，内蒙古 呼和浩特 010057）

在我国铁路运输电石的过程中，事故发生的比例在各类危险货物中一直较高，并且多数是由于电石的包装不合格造成的。因此，铁路运输电石时，必须注重包装和强化运输安全。《 铁路危险货物运输管理规则 》从强化铁路运输安全出发，将电石包装规定为Ⅰ类包装，即装运具有较大危险性货物的包装，并对其包装材料的强度和结构等方面提出了较高的要求。因此，使用安全性能好的包装是铁路运输电石的重要安全保障。

1 电石特性及铁路运输包装规定

1.1 电石的危险性分析

电石，化学名称碳化钙，分子式：CaC2；比重：2.22；熔点：2 000 ℃。电石属一级遇水( 湿 )易燃物品 ( 化学反应式为：CaC2＋2H2O→C2H2＋Ca ( OH )2)，无色或黑灰色固体，铁危编号为 43025。电石的危险性在于遇水 ( 湿 ) 放出易燃、易爆的乙炔气，乙炔气体的爆炸极限是 2.5%～80%，即当乙炔气体在空气中的含量 ≥2.5% 时，遇摩擦、振动、冲击等外力作用，尤其是遇酸或当电石中含有硫磷等杂质时，极易引起自燃、爆炸。

1.2 铁路运输对电石包装的规定

（1）电石应装入坚固的铁桶内，每桶净重为100 kg，桶口封闭严密，桶内充氮气。桶内未充氮气时，应装置低压安全阀；铁桶不许倒置；桶内充有氮气时，应在包装上标明，并在货物运单上注明。

（2）按“危险货物包装表”包装号 21 所规定的包装方法包装电石。外包装：普通木箱；内包装：螺纹口玻璃瓶、铁盖压口玻璃瓶、塑料瓶或金属桶( 罐 )。单位包装限制重量：每瓶、桶 ( 罐 ) 净重不超过 1 kg，每箱净重不超过 20 kg。

2 电石包装存在的问题

由于“危险货物包装表”包装号 21 所规定的包装方法只适合于小批量货物运输使用 ( 如试验用途 )。例如，出口电石的运输，要求具有较高的安全性，采用100 kg 规格的一次性使用的充有氮气的铁桶包装。目前，铁路运输电石主要以内销电石为主，铁桶内不充氮气，但安装低压安全阀运输，此类包装存在以下较大安全隐患。

（1）铁桶的制造工艺问题。铁桶的制造工艺达不到质量要求，是造成铁桶包装破损的主要原因。由于铁桶的焊接和封卷不严，造成桶身、桶底、顶部有不同程度的渗漏，空气可随时浸入到铁桶内部，使电石铁桶包装在运输过程中有潜在不安全因素。

（2）铁桶的密封性问题。由于不充氮气的铁桶密封性较差，在运输过程中，外界潮湿空气容易进入铁桶内与电石反应生成乙炔气体，当运输或装卸过程中铁桶包装的电石受到振动时，桶内电石相互间碰撞产生火花，如此时桶内乙炔气体正好在爆炸极限2.5%～80% 范围内，便会发生爆炸。

（3）铁桶盖上小排气孔不能及时排除桶内乙炔气体。不充氮气的铁桶包装所安装的低压安全阀，一般是在铁桶盖上钻小排气孔，并以一个可移动封片在弹簧的作用下盖于孔上，当桶内生成乙炔气体时，桶内压力增大，迫使封片抬起，排除乙炔气体；桶内压力下降，封片自动封闭，防止外界气体或水分流入桶内。由于桶盖上小孔直径太小，加之有铁片加盖，不能及时排除桶内乙炔气体，在货物装卸过程中存在爆炸隐患。

（4）铁桶的抗冲击性和缓冲性问题。不充氮气的铁桶包装密封性较差，在铁桶的运输及装卸过程中抗冲击性和缓冲性较低，形成的电石粉化率一般为 15%左右，大量的电石粉末 ( Ca ( OH )2) 和产生的乙炔气体( C2H2)，不但对运输车辆造成污染，而且严重污染周围环境。

（5）电石装卸和堆放的安全问题。在铁桶包装电石的装卸和堆放过程中，由于装卸工失误，可能将安装低压安全阀的桶倒置堆放，导致桶内乙炔气体不能及时排除，造成桶内乙炔气体聚集，在装卸过程中可能引爆积聚在桶内的乙炔气体。

（6）其他运输安全问题。铁桶包装电石还存在运输成本较高，包装占地面积大、搬运不便，卸料不净等诸多问题。

3 纸塑复合包装电石的安全性分析

3.1 电石纸塑复合包装袋的结构

目前，电石纸塑复合包装袋已逐步在铁路运输中开始试用。电石纸塑复合包装袋结构为：外袋为涂膜塑编袋，具有较高的抗拉伸强度和密封性能，使外界的空气不能进入包装内部；中袋为纸塑复合袋，具有一定的抗拉伸强度和比较好的密封性能，且缓冲、吸潮性能较好；内袋为纸纱复合袋，具有较好的缓冲性能、吸湿性能和透气性，从而降低了内袋电石的潮解和粉化损失率。

3.2 电石纸塑复合包装袋的安全性

控制电石在包装袋内的乙炔含量低于爆炸下限，是确保电石安全贮运的主要措施。通过调研发现，要保证电石在包装、运输、装卸和存放过程中的安全，需要选择合适的包装材料，设计合理的包装结构，保证必要的包装强度。

（1）包装袋要严密不漏。包装严密不漏需要控制包装袋内自由空间的空气含水量或空气湿度，外面的空气不能进入，即湿空气不能进入包装内部(当然更不能进水)。

（2）包装袋具有排气功能。包装袋应具有排气功能，包装内产生的乙炔气体能随时排出，以避免危险的发生。

（3）包装袋能够经受列车运行、调车作业等过程中的冲击与振动。3 层组合而成的电石纸塑复合包装袋，其袋底、袋口缝包线缝制，当包装袋内产生乙炔气体后因压力增大，可通过缝线针孔排气，使压力和乙炔密度保持在安全范围内，达到安全贮运的目的。因此，确保电石纸塑复合包装袋内乙炔含量，主要是控制包装袋内自由空间的空气含水量或空气湿度，以及能够经受列车运行、调车作业等过程中的冲击与振动。

3.3 电石纸塑复合包装袋内湿度分析

3.3.1 控制袋内空气湿度或湿含量

在空气中，电石反应的快慢或强烈程度，与空气的相对湿度有关，相对湿度越高反应越快，相对湿度低到一定程度时反应停止。当某容器内的总湿含量一定时，随着温度的下降，相对湿度会逐步上升；当温度降到一定程度时，容器内的相对湿度将达到饱和状态 ( 即出现凝结水 )。电石纸塑复合包装袋内若相对湿度上升，则电石反应加快，消耗湿含量产生乙炔气体，此时乙炔气体在包装袋内的比例上升至爆炸极限时，将发生电石的燃烧和爆炸。

使用纸塑复合包装袋，电石在装袋 48 h 后，使用可燃气体测定仪测定，乙炔气体在袋内的含量远低于其爆炸极限的下限，且此时袋内湿度已趋向于零。这说明电石纸塑复合包装袋所采用的材料和结构，可以在温度降低、相对湿度上升时，内层复合袋起吸潮作用，使相对湿度不会随温度下降而上升，从而有效地控制乙炔气体产生，并使其浓度维持在爆炸极限以下。

3.3.2 最小需要水量计算

乙炔在空气中浓度的爆炸下限为 2.5%，低于此下限则处于安全状态，依据《 海运出口电石包装钢桶使用鉴定规程 》规定，“合格判定规则：乙炔气体在桶内的体积不大于1%。”按此规定，电石纸塑复合包装袋内乙炔含量达到 1% 时，需要水量的计算过程如下。

（1）电石纸塑复合包装袋内容积为：( 1 / 2 / 3.14 )2× 3.14 × 0.7 ≈ 55.61 L

式中：1 为装袋后袋底周长，m；( 1 / 2 / 3.14 ) 为电石装袋后袋底半径，m；0.7 为装袋后包装袋高，m。

（2）电石的密度：2.22 kg / L。

（3）纸塑复合包装袋装电石 50 kg 时，剩余自由空间为：55.61－(50 / 2.22 ) ≈ 33.09 L。

（4）纸塑复合包装袋内乙炔含量达到1%时，乙炔气体容量为：33.09 × 1% ≈0.330 9 L。

（5）计算产生 0.330 9 L 乙炔气体所需要的最少水量。

电石遇水的反应式为：CaC2＋H2O→C2H2＋CaOH。其中，H2O 的分子量为：18；C2H2的分子量为：22.4。因此，0.330 9 L 乙炔气体所需要的最少水量为：

18 × 0.330 9 / 22.4 ≈ 0.27 g

3.3.3 吸潮能力计算

纸塑复合包装袋装满 50 kg 电石封口后，当温度达 30 ℃ 以上，相对湿度在 10% 时，4 h 后纸塑复合包装袋内袋吸潮前后的质量变化如表1所示。

表1电石纸塑复合包装袋内袋的质量变化表 g

根据表1数据，得出电石纸塑复合包装袋的吸潮能力平均值为 3.5 g。

通过湿含量测定仪测定，在电石装袋后，纸塑复合包装袋内总湿含量为 42.8 g/m3。当电石纸塑复合包装袋封口时，如果按袋内温度 35℃，相对湿度按10% 计算 ( 袋内相对湿度一般在 10% 以下 )，袋内自由空间 ( 33.09 L ≈ 0.033 m3) 湿含量为：

42.8 × 10% × 0.033 ≈ 0.141 g

综上所述，计算得出电石纸塑复合包装袋内的湿含量为 0.141 g，小于电石纸塑复合包装内袋的吸潮能力 3.5 g，也低于按 1% 计算的乙炔需最少水量0.27 g。因此，电石运输的纸塑复合包装结构设计和材料使用是合理的。

3.4 电石纸塑复合包装袋冲击力分析

目前，在铁路主要干线上，货物列车的最高时速已经达到 160 km，运行速度的提高，列车在运行过程中的冲击、振动等环境条件也发生了巨大变化。电石纸塑复合包装具有较高密封性、缓冲性，在受到外力作用时，可以通过变形、缓冲、吸收能量，降低包装的破损，保证电石在运输过程中的安全。

在各种环境条件相同的情况下，根据冲量定理，由于冲击速度不同，其冲击效果也有很大不同。通过对铁桶和纸塑复合包装两种包装所做的跌落冲击实验( 高度为 1.8 m 处下落 )，得出跌落时间统计数据如表2所示。

表2 跌落时间统计数据表 s

平均冲击力计算：

式中：m 为包装件质量，kg；v 为冲击开始时的速度，m/s；t 为冲击作用时间，s。

上述计算表明，电石纸塑复合包装袋的平均冲击力明显小于电石铁桶包装，在列车运行或调车作业、装卸等冲击与振动环节中，与铁桶相比，纸塑复合包装袋更不容易发生破损，从而可有效避免包装破损后乙炔气体聚集而产生的自燃、爆炸事故。

4 结束语

综上所述，电石纸塑复合包装能有效避免铁桶包装破损、低压安全阀失效等容易引起运输事故的情况，且具有良好的吸潮性和抗冲击性，能够保证铁路安全运输电石。因此，研究开发、推广应用电石纸塑复合包装具有较大的社会经济效益。