移動式壓力容器型式試驗現狀研究

崔棟梁 程 亮 謝 飛 韓文超

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

移動式壓力容器作為工業原料、民用燃料的重要儲運工具,突出具有準入門檻低、調度靈活的特點,是新興產業的先頭兵、成熟行業的潤滑劑。自問世以來就是非常具有活力的設備類型,是國民經濟發展的重要基礎裝備和人們生活的重要基礎設施。據移動式壓力容器智慧監管公共服務平臺上的部分數據,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型號也在10種以上,發展非?？焖?。移動式壓力容器具有儲運量大、介質種類范圍廣且多易燃易爆、設備移動性強等特性,管理難度比較大、事故破壞性較大。隨著市場發展成熟、制造水平提高和新興產業的需求,產品朝著輕量化、極端化、復雜化方向發展,以滿足更大載荷、更苛刻儲運條件的需求。材料性能潛力逐漸逼近極限,安全冗余相對減小,一旦發生事故將造成重大生命財產損失[1]。2020年發生的浙江溫嶺“6.13”液化石油氣罐車側翻事故,罐體前封頭與跨線橋混凝土護欄端頭猛烈撞擊,形成破口,在沖擊力和罐內壓力的作用下快速撕裂、解體,罐體內液化石油氣迅速泄出、汽化、擴散,遇過往機動車產生的火花爆燃,最后發生蒸汽云爆炸。事故導致20人死亡、175人受傷,直接經濟損失高達9 400多萬元,37人被追究責任,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工作,提升產品質量,提高行業安全水平,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個大類[3]。其中鐵路罐車僅用于鐵路運輸,汽車罐車和長管拖車僅用于公路運輸,此三類設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、水路運輸,也可用于公路水路聯運,此兩類設備無固定行走裝置。部分典型設備見圖1。

圖1 部分典型移動式壓力容器

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

可見國內每年新上市的產品型號有限,制造廠相對集中,工藝相對穩定成熟,筆者單位在以往工作中已經形成了可靠的工藝流程。但由于現行法規標準未針對公路運輸進行特化,部分內容有待調整；且自2021年起,有關部門依照國內公路交通運輸監管的實際情況,出臺了《常壓液體危險貨物罐車治理工作方案》[5],旨將常壓罐車類比汽車罐車進行生產制造管理,這給移動式壓力容器型式試驗工作帶來了新的變化。

本文總結分析現有的移動式壓力容器型式試驗工作,并對未來發展提出一些可能的方向。

1 法規與資質要求

我國移動式壓力容器型式試驗具有明確法規要求,國內現行的TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》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進行了相應規定[6]。

鐵路罐車的型式試驗應由國務院鐵路運輸主管部門核準或批準的試驗機構進行；僅公路運輸的罐式集裝箱、管束式集裝箱由國家市場監管總局核準的機構進行；具有真空絕熱罐體的需要由國家市場監管總局核準的機構進行低溫性能型式試驗。目前我國國家市場監管總局核準的移動式壓力容器型式試驗全項的機構僅有中國特檢院,核準的低溫性能型式試驗機構包括中國特檢院、蘭州空間技術物理研究所、上海藍亞石化設備檢測所有限公司和廣東省特檢院共4家單位。

2 試驗內容與方法

移動式壓力容器型式試驗從內容上分為箱體性能試驗和低溫性能試驗2個大類。對于采用集裝箱結構的罐式集裝箱和管束式集裝箱均需要進行箱體性能試驗[6],對于參與海陸聯運的,還需要在箱體性能試驗的基礎上增加沖擊試驗（也稱碰撞試驗）、堆碼試驗、橫向剛性試驗、縱向剛性試驗等。凡是真空絕熱罐體的移動式壓力容器,均需要進行低溫性能試驗。對于冷凍液化氣體罐式集裝箱,需要同時進行箱體性能試驗和低溫性能試驗[6]。

箱體性能試驗驗證集裝箱結構在運輸過程中的安全性能,主要為抵抗起步、加速、減速、轉彎、停車等過程由于慣性力帶來的箱體結構變形。試驗內容包括吊頂、吊底、外部縱向栓固、內部縱向和橫向栓固、磁粉檢測、氣密性試驗等。下面以管束式集裝箱為例,分別介紹各項試驗的方法[7]。

2.1 吊頂試驗（由4個頂角件起吊試驗）

試驗通過集裝箱的4個頂角件將其吊起,測量底梁的變形量來驗證除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為非豎直方向,應與豎直方向呈小于30°的夾角。試驗實施方法如圖2所示。

圖2 吊頂試驗

2.2 吊底試驗（由4個底角件起吊試驗）

試驗通過集裝箱的4個底角件將其吊起,測量底梁的變形量來驗證集裝箱的起吊能力。試驗實施方法如圖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

2.3 外部縱向栓固試驗

試驗通過集裝箱一端固定,對其另一端的2個底角件施加2Rg（R為額定質量）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證其在道路上行車時承受動載或者操縱情況下承受縱向栓固的能力,即在相當于2g加速作用時承受縱向栓固作用的能力。試驗實施方法如圖4所示。

圖4 外部縱向栓固試驗

2.4 內部縱向栓固試驗（動態）

試驗通過裝載集裝箱的試驗臺與一個大質量體相撞擊,來驗證集裝箱在道路運行的動態條件下承受縱向內部約束的能力。集裝箱通過4個底角件固定于試驗臺,且盡可能靠近撞擊端,集裝箱內應充裝介質至容積的97%或使試驗重量達到最大額定重量。試驗實施方法如圖5所示,相撞速度依照GB/T 16563—2017《系列1集裝箱 技術要求和試驗方法 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱》中附件D的規定。

圖5 內部縱向栓固試驗（動態）

2.5 內部橫向栓固試驗

試驗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個底角件,并水平固定上部2個底角件來進行,驗證集裝箱的罐體或管束體本身以及其與框架連接對內部介質所導致的橫向慣性力的承受能力。試驗實施方法如圖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構來支承罐體、管束體等或是由主管部門認為通過外部縱向栓固試驗和縱向剛性試驗對罐體與框架之間的連接已能充分證明其可靠性時,才可以使用。

圖6 內部橫向栓固試驗

2.6 磁粉檢測

在上述2.1章節至2.5章節的試驗完成后,將各角件與梁柱之間的焊縫及熱影響區表面打磨出金屬光澤,依據NB/T 47013.4—2015《承壓設備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》的相關要求進行磁粉檢測[8]。對于試驗后在檢測區域發現任何裂紋性缺陷的,型式試驗結論為不合格。

2.7 氣密性試驗

在除氣密性試驗以外的全部試驗項目均完成后,進行氣密性試驗,一般采用NB/T 47013.8—2012《承壓設備無損檢測 第8部分：泄漏檢測》中附錄A的氣泡泄漏檢測方法,必要時也可以采用其他泄漏檢測方法進行。

低溫性能試驗是主體結構為真空絕熱罐體的移動式壓力容器才需要進行的型式試驗內容,包括真空度、漏率、漏放氣速率、靜態蒸發率、維持時間等的測量,一般按照GB/T 18443—2010《真空絕熱深冷設備性能試驗方法》中的相關要求進行,這里不再贅述。

3 目前的問題

3.1 型式試驗中發現的問題

第一類問題是設備結構強度不足,多是材料選擇不當或者制造厚度不足,表現為在型式試驗的加載過程中或試驗結束后,出現了影響設備正常使用的永久性變形,其尺寸不能滿足裝卸、固縛和換裝作業的要求。圖7為在加載過程中側面豎梁出現的塑性變形,主因為豎梁結構強度不足。

圖7 管束式集裝箱側面豎梁加載后變形

第二類問題為設備焊接質量問題,如角件與梁柱、梁柱之間的焊接位置出現裂紋性缺陷等,該類型缺陷可能是制造缺陷,也可能是試驗過程中的擴展缺陷。圖8為在角件梁柱焊接部位發現的裂紋性缺陷,這2個缺陷的位置均沿焊縫縱向延伸,是制造時焊接工藝產生的結晶裂紋,在出廠檢驗時未被發現。在型式試驗時設備承受巨大的交變載荷,缺陷發生擴展使其易于被檢測到。裂紋的危害性極高,在標準規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、加強驗收環節的無損檢測工作非常關鍵。

3.2 型式試驗的法規標準問題

目前我國移動式壓力容器型式試驗在法規標準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法規。現行的TSG R0005—2011對型式試驗的內容有部分規定,但一直沒有類似《氣瓶型式試驗規則》的專門性法規出臺。因此移動式壓力容器型式試驗部分的法規規定并不全面且不成體系,缺乏針對包括試驗的產品覆蓋范圍、抽樣規則、型式試驗受理程序等步驟的詳細規定,使得型式試驗過程中經常遇到“無據可依”的困境。

其次,目前型式試驗內容特異性考慮不足,部分試驗的工況不適用于僅限公路運輸的集裝箱。

目前移動式壓力容器型式試驗的箱體性能試驗部分,無論產品承壓主體部分結構為罐式還是管束式,均為吊頂、吊底、外部縱向栓固、內部縱向栓固、內部橫向栓固共五大項試驗,試驗方法均依據GB/T 16563—2017中的相關技術要求。該標準在設計試驗時是將集裝箱作為貨物的角度出發,考慮集裝箱在日常使用中要經常經受吊裝、堆放操作,運輸時經常發生鐵路、水運轉運的情況。但目前移動式壓力容器生產使用過程中,最活躍、規模最大的是僅限于公路運輸的集裝箱,此種情況下集裝箱是生產運輸工具,充裝的介質才是貨物。

因此按照GB/T 16563—2017的要求進行的型式試驗內容多有不適的地方。比如吊頂和吊底試驗,在實際日常使用過程中,僅公路運輸的移動式壓力容器基本沒有起吊的工況；而對于外部縱向栓固試驗和內部縱向栓固試驗（動態）,標準中6.5條和6.6條明確指明試驗是驗證集裝箱在鐵路上行車的工況下,僅公路運輸的情況下是否有必要進行?；谶@些考量,有必要研究僅公路運輸情況下的性能驗證試驗內容及其方法。

最后,移動式壓力容器型式試驗適用范圍將“超綱”的問題。

如上所述,移動式壓力容器型式試驗所適用的產品均是符合《特種設備目錄》規定的。但在2021年4月8日,《交通運輸部 工業和信息化部 公安部 市場監管總局關于印發常壓液體危險貨物罐車治理工作方案的通知》[5]中給出了《常壓液體危險貨物罐車治理工作方案》,方案中明確了要嚴把新罐車的“準入關”,依法按職責加強對罐車（包括車輛及罐體）生產、檢驗及使用等環節的指導,督促相關企業、檢驗機構及從業人員全面掌握標準內容和實施要求。部分制造廠開始約請常壓罐車、罐式集裝箱等的制造監督檢驗,相應型號產品開始委托試驗,這對于移動式壓力容器檢驗和試驗機構是新的挑戰。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,設計、生產并不遵守《移動式壓力容器安全技術監察規程》,檢驗和試驗也就缺乏相應法規的支持,須按照產品標準的要求進行,具有一定局限性；其次,當下可行的型式試驗方法只能參考移動式壓力容器的試驗內容,缺少針對僅公路運輸的常壓罐車或罐式集裝箱性能驗證試驗的考慮,技術支持不足。

綜上所述,雖然我國已經按照具有本國特色的特種設備管理思路建立了適應國情的移動式壓力容器型式試驗體系,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法規,對僅公路運輸集裝箱的試驗內容和方法以及新形勢下的新任務也缺乏足夠的科學研究。

4 展望

型式試驗對于移動式壓力容器的安全保障至關重要,試驗的內容、方法、評判標準對提高產品質量、改進制造單位工藝和能力具有重要指導作用。充分發揮型式試驗的作用,對于推動我國移動式壓力容器制造行業的高質量發展、產品走向世界領先具有重大意義。為了切實提高移動式壓力容器的管理水平和改善型式試驗技術標準,應當加強運輸、工業、安全等主管部門之間的協作與溝通,相關科研院所各自發揮技術優勢,有效減少信息壁壘,助力產業水平提升,為國民生產生活護航。