20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱铁路运输可行性研究

韩兆洋

(国家铁路局 市场监测评价中心，北京 100070)

罐式集装箱是指专门用于装运各种液体货物的集装箱，主要由液罐和柜架2 部分构件组成。其中，液罐是装运货物的主体，框架通常为钢质材料或高强度的钢质材料，框架尺寸及外形同于一般集装箱。液罐装于框架中间。罐式集装箱除了具有集装化运输的全部优点外，与若干圆桶装入一个干货标准集装箱的运输方式相比，具有经济、快捷、安全、环保、美观等优点。硫酸作为一种基础化工原料，在我国铁路目前主要通过罐车运输，尚未使用罐式集装箱进行运输。铁路运输中常用的集装箱外部尺寸主要有20 ft，40 ft 2 种，由于硫酸的密度在1.84 t/m3左右，因而采用20 ft 罐式集装箱装运硫酸(以下简称“硫酸罐式集装箱”)，在铁路车辆的净载重利用率、铁路与其他运输方式开展联运方面较40 ft 罐式集装箱更有优势。目前罐式集装箱装运硫酸在铁路行业尚无相关运输条件要求[1-4]。虽然联合国危险品运输专家委员会对集装箱运输硫酸给出了相应规范，但各国的具体运输条件还需要经过该国相关部门的批准[5]。依据铁路运输对硫酸罐式集装箱的要求，从箱体材质、罐式集装箱框架结构、货物装载量等方面研究硫酸罐式集装箱铁路运输的可行性，对于促进铁路危险货物运输方式的多样化、推进危险货物多式联运发展有着重要意义[6-7]。

1 20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱技术参数及安全要求

1.1 技术参数

装运硫酸(浓度92% ～ 98%)拟采用的20 ft 1C 型罐式集装箱，具体的技术参数如下。①最大允许工作压力为0.085 Mpa，为常压罐式集装箱。②该罐式集装箱所使用材料均为钢制，罐体材质为16 MnDR，框架材质为Q345D，底部斜撑材质为Q450NQR1。③罐体壁厚：封头名义厚度8 mm，筒体名义厚度7 mm，罐壳最小成形厚度6.61 mm (根据计算结果，罐体最小厚度应为5.91 mm，考虑硫酸具有腐蚀性，结合硫酸对罐体的腐蚀速率及该罐式集装箱的使用及罐体检定年限，腐蚀裕量取0.7 mm)。④外形尺寸为6 058 mm (长)，2 438 mm (宽)，2 438 mm (高)，为系列1 集装箱中的1C 型箱。⑤容积为17.5 m3；自重为3 770 kg；载重为30 600 kg；最大总质量为34 370 kg，最大总质量超出了1C 型集装箱的额定总质量，为非标箱。⑥罐体顶部设有进卸料阀(DN80 mm)1 个，气相阀(DN32 mm) 1 个，用于货物装卸，该罐式集装箱装卸方式为上装上卸方式。⑦人孔(Φ500 mm)及人孔盖1 个，供检修、维护、清洗人员进出。⑧罐体与框架间预留了增设加温套的位置及空间，外加温套作为用户的备选部件，供运输环境温度较低的客户选用。⑨为防止罐体内外压差对罐体造成伤害，罐体顶部设有呼吸式安全阀(DN80 mm) 1 个，整定压力为(+0.495 MPa / -0.021 MPa)，回座压力≥0.446 Mpa。⑩为满足工作环境要求：工作温度为-40℃～ 50℃；设计温度为-40℃～ 65℃。

1.2 安全要求

为保证在铁路运输过程中的安全性，硫酸罐式集装箱的罐体材质、框架结构强度、充装量、装卸方式、装车后的重车重心高度、防波板设置等应满足如下要求。

（1）罐体材质。罐体材质应与硫酸(浓度92% ～98%)相适应，与硫酸(浓度92% ～ 98%)不发生反应；或者发生反应后更有益于硫酸罐式集装箱的使用，所发生的反应对罐体本身不会造成损害，对罐体的强度、韧性及硫酸(浓度92% ～ 98%)的品质均无影响，反应的产物不会再与硫酸(浓度92% ～ 98%)、罐体进一步发生反应；罐体材质或其与硫酸(浓度92% ～ 98%)反应后的产物，在硫酸罐式集装箱寿命周期内能够承受与硫酸(浓度92% ～ 98%)反复接触时受到的腐蚀。

（2）框架结构强度。罐式集装箱的框架可以对罐体、安全附件等起到良好的保护作用，可以防止其在使用时，由于受到冲击、震动、碰撞、侧翻等而造成损伤或者所装介质泄漏，因而硫酸罐式集装箱的任何部分和各种附件应位于框架内，不超出外部尺寸[8-9]；框架是硫酸罐式集装箱起吊、装载、运输、堆存时受外力的主要部件，硫酸罐式集装箱框架及框架与罐体连接部位的结构强度，应能够满足铁路运输中常见的各种振动所产生的冲击力(冲击力一般不小于4 倍硫酸罐式集装箱额定质量乘以重力加速度)，保证正常运输状态下工作应力不超过许用应力，并应按照《铁路危险货物运输管理规则》要求提供框架静强度及冲击试验合格报告。

（3）充装量。充装量不得大于硫酸罐式集装箱的标记载重。根据铁路部门的相关规定，硫酸罐式集装箱的充装量比照铁路罐车执行，罐车的允许充装量V允许与其标记容积V标有关，即铁路罐车充装量应满足：0.83V标≤V允许≤0.95V标[2-3]。对于铁路罐车而言，标记容积为罐体容积标牌位置以下的容积[10]，小于其罐体几何容积；而对于罐式集装箱而言，标记容积这一概念并不清晰，其容积通常指几何容积[9]。因此，以硫酸罐式集装箱标记容积的83%(即几何容积的83%)作为充装下限较为合理，但以罐式集装箱标记容积的93%作为充装上限则存在问题。根据《液体危险货物罐式集装箱》(NB/T 47064—2017)的相关要求，结合硫酸(浓度92% ～ 98%)密度与温度对应关系，经计算求得的最大充装量为罐式集装箱标记容积的93%，结合铁路部门的相关规定，硫酸罐式集装箱的充装量上限应为其几何容积的93%。

（4）装卸方式。液体罐装货物的装卸方式通常有2 种，一种为罐体上部装车，下部卸车，即上装下卸方式；另一种为罐体上部装车，上部卸车，即上装上卸方式。上装下卸方式，通常用于粘度大、流动性差的货物，如沥青、原油等，主要为确保此类货物的接卸更为方便，卸车后罐体内残留的介质更少，货物卸车时间更短，罐体更便于清洁；除此类货物之外，其他液体罐装货物通常会采用上装上卸式，主要为了更好地保证铁路运输，降低渗漏、泄漏的风险。目前，硫酸铁路罐车均采用上装上卸方式，因而硫酸罐式集装箱应采用上装上卸方式为宜。

（5）装车后的重车重心高度。除铁路罐车外，其余铁路车辆的重车重心高度超过2 000 mm 时，须限速运行，罐车重车重心高度超过2 200 m 时，须限速运行。采用20 ft 1C 型罐式集装箱装硫酸(浓度92% ～ 98%)不属于超限货物，而从货物的重要性、货物运输的特殊要求等方面，硫酸(浓度92% ～ 98%)也无需为其运输采取限速运行；硫酸罐式集装箱须装载于铁路集装箱专用平车或两用平车上进行运输，其装车后的重车重心高度不应超过2 000 m。

（6）防波板的设置。设置防波板可以降低罐式集装箱罐体内液体的波动和对罐壁的冲击，同时提高装载于车辆上的罐式集装箱的稳定性，但加装防波板会给装卸操作人员和检修人员的工作带来不便，还会增加罐式集装箱的重量，降低货物的装载量，此外加装防波板后会在罐体内部增加更多的焊缝，从而增多了罐体受力的应力集中点，使局部罐体承受更多的应力，对罐体使用寿命造成硬顶程度的影响，如增加罐体壁厚会进一步增加罐式集装箱的自重，降低货物装载量。铁路部门要求在装载量低于83%时，须加装防波板方可运输。因此，硫酸罐式集装箱内应不设置防波板为宜。

2 20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱铁路运输可行性分析

结合硫酸罐式集装箱的相关技术参数和铁路运输对其在罐体材质、框架结构强度、货物充装量、装卸方式、装车后的重车重心高度、防波板设置等方面的要求，硫酸罐式集装箱铁路运输可行性分析如下。

（1）罐体材质适应性。硫酸罐式集装箱罐体材质为16MnDR，与硫酸(浓度92% ～ 98%)相容，符合安全要求。硫酸遇金属会反应放出氢气，但由于浓硫酸具有强氧化性，在常温下与16MnDR 发生反应能够生成致密的氧化膜，使罐体内部表面钝化，阻隔了进一步的反应，因而拟使用的罐式集装箱罐体材质能够用于装运硫酸(浓度92% ～ 98%)。

（2）框架结构强度。硫酸罐式集装箱进行静强度试验和冲击试验结果表明：当罐式集装箱装载的重量不大于29 890 kg 时，硫酸罐式集装箱的框架、罐体与框架连接部位强度能够满足铁路运输安全要求。静强度试验共进行了3 次测试，取3 次加载实验平均值作为实测应力值，卸载的数据作为加载数据的参考，充装介质的重量不小于29 890 kg；冲击试验中，将一辆专用于冲击试验的70 t 级敞车(冲击车内装载货物使其总重达到92.31 t)，冲击敞车的速度为3.0 ～ 8.0 km/h，共6 个速度级，对布置应力测点一端的罐箱进行冲击，每个速度级至少进行3 次试验。冲击试验后，通过仔细观察、测量框架和罐体及联结部位的状态变化(有无变形或损伤)，箱底架有无变形等，经检查后未发现各部件产生变形。该罐式集装箱框架及框架与罐体的联结部位在冲击速度不大于8.0 km/h 时，最大动态合成应力均小于其许用应力，能满足运用过程中静载荷及调车冲击载荷工况的强度要求。

（3）充装量。充装量应为硫酸罐式集装箱标记容积的83% ～ 93%。在此充装范围内充装，既能够满足罐式集装箱充装要求，又可满足铁路运输有要求。硫酸(浓度92% ～ 98%)在20℃时，按罐式集装箱标记的容积的83%充装时，罐箱总重最大为30 440 kg，均未超过30 480 kg；但当按其标记的容积的84%充装时，罐式集装箱总重已超过30 480 kg。因此，硫酸罐式集装箱进行铁路运输时，仅当按标记容积的83%充装时，罐箱总重不超过30 480 kg，可满足多式联运要求；充装量超过罐式集装箱标记容积的83%时，装运硫酸(浓度92% ～ 98%)时的总质量已超过30 480 kg，不能充分参与多式联运，其运输条件需作特殊安排，如载运工具等须采用与该罐式集装箱匹配的设备，铁路运输须使用70 t 级及以上的集装箱专用平车(含两用平车)。充装量为罐箱容积的83%时的硫酸(浓度92% ～ 98%)充装重量及罐箱总重如表1 所示，充装量为罐箱容积的84%时的硫酸(浓度92% ～ 98%)充装重量及罐箱总重如表2所示。

（4）装卸方式。硫酸罐式集装箱装卸方式为上装上卸式，符合安全要求。硫酸罐式集装箱顶部设有进卸料阀(DN 80 mm) 1 个，气相阀1 个(DN 32 mm)，用于硫酸装卸。这种装卸方式，减少了硫酸与空气的接触，在一定程度上避免了打开人孔盖进行装卸时，硫酸暴露于空气中吸水造成浓度下降的情况。更重要的是使得硫酸罐式集装箱避免了因采用下装或下卸需要在罐体底部开口并安装阀门，从而产生滴、漏风险的情况。硫酸下装或下卸造成滴、漏，极易腐蚀运输车辆和钢轨，遇到木地板的平车时可能会直接引起燃烧，对运输车辆和钢轨的腐蚀均会给铁路运输安全带来隐患，采用上装上卸在很大程度上降低了风险。

表1 充装量为罐箱容积的83%时的硫酸(浓度92% ～ 98%)充装重量及罐箱总重表Tab.1 Filling weight of sulfuric acid and total weight of tank when the filling volume is 83% of tank volume

表2 充装量为罐箱容积的84%时的硫酸(浓度92% ～ 98%)充装重量及罐箱总重表Tab.2 Filling weight of sulfuric acid and total weight of tank when filling volume is 84% of tank volume

（5）装车后的重车重心高度。硫酸罐式集装箱重箱装载于铁路集装箱专用平车(含两用平车)上的重车重心高度不超过1 879 mm，小于2 000 mm，符合安全要求。重车重心高计算结果如表3 所示。

（6）防波板的设置。硫酸罐式集装箱内无防波板，符合安全要求。防波板的安装主要是针对充装量在罐体容积20% ～ 80%之间的情况。硫酸罐式集装箱经铁路运输时，充装量要求在83% ～ 93%，铁路运输时无安装防波板需求；从安全的角度来讲，罐式集装箱安装防波板，在经铁路运输时会形成罐体局部受力，易造成罐体的撕裂，因而该罐式集装箱内无防波板能够满足铁路运输要求。

依据20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱的安全要求，对20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱可行性进行研究，得知20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱(硫酸浓度为92% ～ 98%，充装量为罐式集装箱标记容积的83% ～ 93%)进行铁路运输具有技术可行性。

表3 重车重心高计算结果Tab.3 Calculation of the height of gravitational center for loaded wagon

3 结束语

铁路开展罐式集装箱运输硫酸是一项系统性工作，除集装箱条件外，还涉及发到站点条件、途中运输要求、配套管理制度、作业人员培训等方面的问题。就集装箱本身而言，作为装运硫酸(浓度92% ～ 98%)进行铁路运输的工具，应满足罐体采用碳钢材质、上装上卸方式、充装量在83% ～ 93%之间、配有相应安全附件、罐体内无防波板、框架结构经过冲击试验等要求，以保障铁路运输安全。针对20 ft 1C 型硫酸罐式集装箱铁路运输开展技术可行性研究，可为铁路开展罐式集装箱运输硫酸提供理论与实践参考。