移动式压力容器型式试验现状研究

崔栋梁 程 亮 谢 飞 韩文超

（中国特种设备检测研究院 北京 100029）

移动式压力容器作为工业原料、民用燃料的重要储运工具,突出具有准入门槛低、调度灵活的特点,是新兴产业的先头兵、成熟行业的润滑剂。自问世以来就是非常具有活力的设备类型,是国民经济发展的重要基础装备和人们生活的重要基础设施。据移动式压力容器智慧监管公共服务平台上的部分数据,完成登记的移动式压力容器近10万台；笔者单位每年完成的移动式压力容器型式试验型号也在10种以上,发展非常快速。移动式压力容器具有储运量大、介质种类范围广且多易燃易爆、设备移动性强等特性,管理难度比较大、事故破坏性较大。随着市场发展成熟、制造水平提高和新兴产业的需求,产品朝着轻量化、极端化、复杂化方向发展,以满足更大载荷、更苛刻储运条件的需求。材料性能潜力逐渐逼近极限,安全冗余相对减小,一旦发生事故将造成重大生命财产损失[1]。2020年发生的浙江温岭“6.13”液化石油气罐车侧翻事故,罐体前封头与跨线桥混凝土护栏端头猛烈撞击,形成破口,在冲击力和罐内压力的作用下快速撕裂、解体,罐体内液化石油气迅速泄出、汽化、扩散,遇过往机动车产生的火花爆燃,最后发生蒸汽云爆炸。事故导致20人死亡、175人受伤,直接经济损失高达9 400多万元,37人被追究责任,造成了极其恶劣的社会影响[2]。因此,开展移动式压力容器型式试验工作,提升产品质量,提高行业安全水平,对于保障公共安全具有重要意义。

依照我国《特种设备目录》的划分,移动式压力容器（代码：2200）分为铁路罐车、汽车罐车、罐式集装箱、长管拖车、管束式集装箱5个大类[3]。其中铁路罐车仅用于铁路运输,汽车罐车和长管拖车仅用于公路运输,此三类设备与行走装置一般不可拆分；罐式集装箱和管束式集装箱可以公路、水路运输,也可用于公路水路联运,此两类设备无固定行走装置。部分典型设备见图1。

图1 部分典型移动式压力容器

笔者单位自2014年开始进行移动式压力容器型式试验[4],累计完成了100多种型号设备（仅限公路运输）的试验,其中管束式集装箱产品约占40%,罐式集装箱占50%以上,几乎所有制造厂的底盘都是外购,集装箱产品占了绝对多数。这些产品共涉及29种介质,4种为压缩气体：水蒸气、天然气、氢气和氦气,除1种运输水蒸气的设备外,均为管束式集装箱；冷冻液化气体介质6种：液氢和液氦,其余均为常温液体介质。产品共涉及国内30多家制造厂,有14家制造厂申请了2种以上型号产品的型式试验,1家制造厂申请了11种新型号产品的型式试验。

可见国内每年新上市的产品型号有限,制造厂相对集中,工艺相对稳定成熟,笔者单位在以往工作中已经形成了可靠的工艺流程。但由于现行法规标准未针对公路运输进行特化,部分内容有待调整；且自2021年起,有关部门依照国内公路交通运输监管的实际情况,出台了《常压液体危险货物罐车治理工作方案》[5],旨将常压罐车类比汽车罐车进行生产制造管理,这给移动式压力容器型式试验工作带来了新的变化。

本文总结分析现有的移动式压力容器型式试验工作,并对未来发展提出一些可能的方向。

1 法规与资质要求

我国移动式压力容器型式试验具有明确法规要求,国内现行的TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》中附件A、附件B、附件C、附件D和附件E均对各类移动式压力容器的型式试验进行了相应规定[6]。

铁路罐车的型式试验应由国务院铁路运输主管部门核准或批准的试验机构进行；仅公路运输的罐式集装箱、管束式集装箱由国家市场监管总局核准的机构进行；具有真空绝热罐体的需要由国家市场监管总局核准的机构进行低温性能型式试验。目前我国国家市场监管总局核准的移动式压力容器型式试验全项的机构仅有中国特检院,核准的低温性能型式试验机构包括中国特检院、兰州空间技术物理研究所、上海蓝亚石化设备检测所有限公司和广东省特检院共4家单位。

2 试验内容与方法

移动式压力容器型式试验从内容上分为箱体性能试验和低温性能试验2个大类。对于采用集装箱结构的罐式集装箱和管束式集装箱均需要进行箱体性能试验[6],对于参与海陆联运的,还需要在箱体性能试验的基础上增加冲击试验（也称碰撞试验）、堆码试验、横向刚性试验、纵向刚性试验等。凡是真空绝热罐体的移动式压力容器,均需要进行低温性能试验。对于冷冻液化气体罐式集装箱,需要同时进行箱体性能试验和低温性能试验[6]。

箱体性能试验验证集装箱结构在运输过程中的安全性能,主要为抵抗起步、加速、减速、转弯、停车等过程由于惯性力带来的箱体结构变形。试验内容包括吊顶、吊底、外部纵向栓固、内部纵向和横向栓固、磁粉检测、气密性试验等。下面以管束式集装箱为例,分别介绍各项试验的方法[7]。

2.1 吊顶试验（由4个顶角件起吊试验）

试验通过集装箱的4个顶角件将其吊起,测量底梁的变形量来验证除1D和1DX型以外的各型集装箱的起吊能力。1D和1DX型集装箱的起吊力方向为非竖直方向,应与竖直方向呈小于30°的夹角。试验实施方法如图2所示。

图2 吊顶试验

2.2 吊底试验（由4个底角件起吊试验）

试验通过集装箱的4个底角件将其吊起,测量底梁的变形量来验证集装箱的起吊能力。试验实施方法如图3所示。起吊力的角度对于不同类型的集装箱是各不相同的。40英尺（12.192 m）长的箱型起吊角度（即图3中α角）为30°,30英尺（9.144 m）长的为37°,20英尺（6.096 m）长的为45°,1D和1DX箱型起吊α角为60°。

图3 吊底试验

2.3 外部纵向栓固试验

试验通过集装箱一端固定,对其另一端的2个底角件施加2Rg（R为额定质量）的水平力,先朝向固定端,再反向施加,测量样箱在长度方向的变形量来验证其在道路上行车时承受动载或者操纵情况下承受纵向栓固的能力,即在相当于2g加速作用时承受纵向栓固作用的能力。试验实施方法如图4所示。

图4 外部纵向栓固试验

2.4 内部纵向栓固试验（动态）

试验通过装载集装箱的试验台与一个大质量体相撞击,来验证集装箱在道路运行的动态条件下承受纵向内部约束的能力。集装箱通过4个底角件固定于试验台,且尽可能靠近撞击端,集装箱内应充装介质至容积的97%或使试验重量达到最大额定重量。试验实施方法如图5所示,相撞速度依照GB/T 16563—2017《系列1集装箱 技术要求和试验方法 液体、气体及加压干散货罐式集装箱》中附件D的规定。

图5 内部纵向栓固试验（动态）

2.5 内部横向栓固试验

试验通过集装箱横轴呈竖直方向的卧式放置,竖直和水平方向固定底部2个底角件,并水平固定上部2个底角件来进行,验证集装箱的罐体或管束体本身以及其与框架连接对内部介质所导致的横向惯性力的承受能力。试验实施方法如图6所示,包括a、b两种方法,其中b方法只有完全由集装箱底结构来支承罐体、管束体等或是由主管部门认为通过外部纵向栓固试验和纵向刚性试验对罐体与框架之间的连接已能充分证明其可靠性时,才可以使用。

图6 内部横向栓固试验

2.6 磁粉检测

在上述2.1章节至2.5章节的试验完成后,将各角件与梁柱之间的焊缝及热影响区表面打磨出金属光泽,依据NB/T 47013.4—2015《承压设备无损检测 第4部分：磁粉检测》的相关要求进行磁粉检测[8]。对于试验后在检测区域发现任何裂纹性缺陷的,型式试验结论为不合格。

2.7 气密性试验

在除气密性试验以外的全部试验项目均完成后,进行气密性试验,一般采用NB/T 47013.8—2012《承压设备无损检测 第8部分：泄漏检测》中附录A的气泡泄漏检测方法,必要时也可以采用其他泄漏检测方法进行。

低温性能试验是主体结构为真空绝热罐体的移动式压力容器才需要进行的型式试验内容,包括真空度、漏率、漏放气速率、静态蒸发率、维持时间等的测量,一般按照GB/T 18443—2010《真空绝热深冷设备性能试验方法》中的相关要求进行,这里不再赘述。

3 目前的问题

3.1 型式试验中发现的问题

第一类问题是设备结构强度不足,多是材料选择不当或者制造厚度不足,表现为在型式试验的加载过程中或试验结束后,出现了影响设备正常使用的永久性变形,其尺寸不能满足装卸、固缚和换装作业的要求。图7为在加载过程中侧面竖梁出现的塑性变形,主因为竖梁结构强度不足。

图7 管束式集装箱侧面竖梁加载后变形

第二类问题为设备焊接质量问题,如角件与梁柱、梁柱之间的焊接位置出现裂纹性缺陷等,该类型缺陷可能是制造缺陷,也可能是试验过程中的扩展缺陷。图8为在角件梁柱焊接部位发现的裂纹性缺陷,这2个缺陷的位置均沿焊缝纵向延伸,是制造时焊接工艺产生的结晶裂纹,在出厂检验时未被发现。在型式试验时设备承受巨大的交变载荷,缺陷发生扩展使其易于被检测到。裂纹的危害性极高,在标准规范里一般都被列为不允许存在的缺陷,因此提高焊接工艺水平、加强验收环节的无损检测工作非常关键。

3.2 型式试验的法规标准问题

目前我国移动式压力容器型式试验在法规标准体系上存在以下问题：

首先,目前并没有专门的移动式压力容器型式试验法规。现行的TSG R0005—2011对型式试验的内容有部分规定,但一直没有类似《气瓶型式试验规则》的专门性法规出台。因此移动式压力容器型式试验部分的法规规定并不全面且不成体系,缺乏针对包括试验的产品覆盖范围、抽样规则、型式试验受理程序等步骤的详细规定,使得型式试验过程中经常遇到“无据可依”的困境。

其次,目前型式试验内容特异性考虑不足,部分试验的工况不适用于仅限公路运输的集装箱。

目前移动式压力容器型式试验的箱体性能试验部分,无论产品承压主体部分结构为罐式还是管束式,均为吊顶、吊底、外部纵向栓固、内部纵向栓固、内部横向栓固共五大项试验,试验方法均依据GB/T 16563—2017中的相关技术要求。该标准在设计试验时是将集装箱作为货物的角度出发,考虑集装箱在日常使用中要经常经受吊装、堆放操作,运输时经常发生铁路、水运转运的情况。但目前移动式压力容器生产使用过程中,最活跃、规模最大的是仅限于公路运输的集装箱,此种情况下集装箱是生产运输工具,充装的介质才是货物。

因此按照GB/T 16563—2017的要求进行的型式试验内容多有不适的地方。比如吊顶和吊底试验,在实际日常使用过程中,仅公路运输的移动式压力容器基本没有起吊的工况；而对于外部纵向栓固试验和内部纵向栓固试验（动态）,标准中6.5条和6.6条明确指明试验是验证集装箱在铁路上行车的工况下,仅公路运输的情况下是否有必要进行。基于这些考量,有必要研究仅公路运输情况下的性能验证试验内容及其方法。

最后,移动式压力容器型式试验适用范围将“超纲”的问题。

如上所述,移动式压力容器型式试验所适用的产品均是符合《特种设备目录》规定的。但在2021年4月8日,《交通运输部 工业和信息化部 公安部 市场监管总局关于印发常压液体危险货物罐车治理工作方案的通知》[5]中给出了《常压液体危险货物罐车治理工作方案》,方案中明确了要严把新罐车的“准入关”,依法按职责加强对罐车（包括车辆及罐体）生产、检验及使用等环节的指导,督促相关企业、检验机构及从业人员全面掌握标准内容和实施要求。部分制造厂开始约请常压罐车、罐式集装箱等的制造监督检验,相应型号产品开始委托试验,这对于移动式压力容器检验和试验机构是新的挑战。首先,常压液体罐车或罐式集装箱本身不属于移动式压力容器的管理范畴,设计、生产并不遵守《移动式压力容器安全技术监察规程》,检验和试验也就缺乏相应法规的支持,须按照产品标准的要求进行,具有一定局限性；其次,当下可行的型式试验方法只能参考移动式压力容器的试验内容,缺少针对仅公路运输的常压罐车或罐式集装箱性能验证试验的考虑,技术支持不足。

综上所述,虽然我国已经按照具有本国特色的特种设备管理思路建立了适应国情的移动式压力容器型式试验体系,但依然处于尚不成熟阶段。不仅需要一本专门的综合性型式试验法规,对仅公路运输集装箱的试验内容和方法以及新形势下的新任务也缺乏足够的科学研究。

4 展望

型式试验对于移动式压力容器的安全保障至关重要,试验的内容、方法、评判标准对提高产品质量、改进制造单位工艺和能力具有重要指导作用。充分发挥型式试验的作用,对于推动我国移动式压力容器制造行业的高质量发展、产品走向世界领先具有重大意义。为了切实提高移动式压力容器的管理水平和改善型式试验技术标准,应当加强运输、工业、安全等主管部门之间的协作与沟通,相关科研院所各自发挥技术优势,有效减少信息壁垒,助力产业水平提升,为国民生产生活护航。