新型20英尺硝酸罐式集装箱设计

刘雨

硝酸是具有强氧化性和腐蚀性的一元无机强酸，也是重要的化工原料，化学式为NHO3，分子量为63.01，在工业上可用于制化肥、农药、炸药和染料等;此外，浓硝酸与浓硫酸的混合液还是有机化学中重要的硝化试剂。硝酸生产地分布广泛，需要通过公路运输来满足市场需求，并且硝酸具有强腐蚀性，对运输容器有较高要求。大连中车铁龙集装化技术装备研发有限公司研发新型20英尺硝酸罐式集装箱（以下简称“罐箱”），以应对日益旺盛的硝酸运输需求。本文主要介绍新型20英尺硝酸罐箱的技术参数、结构组成、分析计算及试验工况等。

1 硝酸的主要特点

纯硝酸为无色透明液体;浓硝酸为淡黄色液体，有刺激性气味，易挥发，在空气中产生白雾（硝酸蒸气与水蒸气结合而成的硝酸小液滴），能与水形成共沸混合物，相对密度为1.42 g/cm3，熔点为 42℃

（无水），沸点为83℃（无水）。市售普通试剂级硝酸的质量分数为68%左右，工业级浓硝酸的质量分数为98%。浓硝酸不稳定，遇光或热会分解放出溶于硝酸的二氧化氮，从而使硝酸外观带有浅黄色;稀硝酸相对稳定。

2 新型20英尺硝酸罐箱技术参数

新型20英尺硝酸罐箱主要技术参数如下：充装介质为硝酸（其特性见表1）;联合国危险货物编号为2031;罐柜导则为T8;运输方式为公铁海联运;罐体材料为022Cr17Ni12Mo2;总质量为30 480 kg;空箱质量为3 050 kg;最大允许充装量为27 430 kg;最大允许堆码质量为213 360 kg;装卸方式为上装下卸;外部尺寸为6 058 mm€？ 438 mm€？2 591 mm;最小容积为21 m3;带加热系统和保温功能;表面采用罐内酸洗处理方式;箱顶设置铝合金步道。

（1）罐体 罐体主要技术参数如下：工作温度为常温;设计温度为130℃;最低设计金属温度为 40℃;工作压力为常压;设计压力为0.267 MPa;主要受压元件材质为022Cr17Ni12Mo2;腐蚀裕量为0.2 mm;焊接接头系数为1.0;有效容积为21 m3;最大充装率为93%;耐压试验压力为;筒体计算厚度为5 mm;封头计算厚度为。

（2）安全阀 安全阀主要技术参数如下：型号为ZAB46501-00;型式为微启式;公称压力为;阀座喉径为53 mm;整定压力为0.33 MPa;最小回座压力为0.3 MPa;最大排放压力为0.36 MPa;爆破片材质为316L不锈钢内衬可溶性聚四氟乙烯;爆破片泄放口公称直径为65 mm;设计爆破压力为0.38 MPa;压力表最大量程为1.0 MPa。

（3）气相阀 氣相阀主要技术参数如下：型号为BG120301R;公称压力为1.0 MPa;公称直径为;压力表最大量程为1.0 MPa。

（4）装卸附件 装卸附件（法兰）主要技术参数如下：进液口公称直径为80 mm;出液口公称直径为80 mm;公称压力为1.0 MPa。

3 新型20英尺硝酸罐箱结构组成

新型20英尺硝酸罐箱组成部件包括框架、罐体、步道、外包、人孔、加热系统等（见图1）。

3.1 框架结构

新型20英尺硝酸罐箱框架为全钢焊接结构，主要由角件、角柱、上下端梁、端斜撑、上下侧梁等组成。

角柱材质为Q450NQR1，上下端梁、端斜撑、上下侧梁材质为SPA-H，以确保较好的焊接性能和经济性。框架两端装有可拆卸式爬梯，角件采用集装箱标准角件。框架与罐体之间采用裙圈连接结构，实现罐体与框架的载荷传递。框架为罐箱主要结构之一，对集装箱整体强度支撑有着重要意义;因此，框架结构设计是罐箱设计的重点。根据GB/T 6420―2017《货运挂车系列型谱》的规定，集装箱运输半挂车承载面高度不高于，新型20英尺硝酸罐箱框架选用1CC型标准集装箱规格，从而使公路运输总高不超过4 m，符合GB/T 1413―2008《系列1集装箱 分类、尺寸和额定质量》的规定。角件选择依据GB/T 1835―2006《系列1集装箱 角件》的规定。

3.2 罐体结构

新型20英尺硝酸罐箱的罐体采用奥氏体不锈钢焊接而成，主要由封头、筒体、端补强圈、外加强圈及裙圈等组成。

封头采用标准碟形封头，筒体为圆形，罐体端部通过裙圈与端斜撑连接，并向外延伸至框架，罐体及封头材质均为022Cr17Ni12Mo2。罐体壁厚、开孔补强计算和外压稳定性能校核等均严格按照GB 150―2011《压力容器》的有关规定实施。罐体的制造验收按照NB/T 47064―2017《液体危险货物罐式集装箱》的有关规定实施：对封头A类焊缝实施100%无损检测，符合NB/T 47013.11―2015《承压设备无损检测 第11部分：X射线数字成像检测》Ⅱ级要求;对罐体其他A类和B类焊接接头实施20%射线无损检测，符合NB/T 47013.11―2015《承压设备无损检测 第11部分：X射线数字成像检测》Ⅲ级要求;对罐体C类、D类、E类焊缝实施渗透检测，符合NB/T 47013.5―2015 《承压设备无损检测 第5部分：渗透检测》 I级要求。产品出厂前对其进行清洁处理，防止铁离子污染。

影响腐蚀裕量的因素包括介质浓度和环境温度。依据NB/T 47064―2017《液体危险货物罐式集装箱》的规定，设计工况下浓硝酸对S31608不锈钢参考腐蚀裕量在常温环境下不超过0.05 mm/年，在50℃环境下为0.05～0.50 mm/年。新型20英尺硝酸罐箱属于可移动存储设备，环境温度为当地大气温度，腐蚀裕量取0.2 mm，设计使用寿命为15年。罐体A类和B类焊接接头采用双面全焊透结构。对封头拼接焊缝实施100%射线检测，焊接接头系数为1.0;对筒体拼接焊缝实施20%射线检测，焊接接头系数为0.85。

3.3 保温外包结构

新型20英尺硝酸罐箱保温层采用岩棉材料，筒体外包板和封头外包板采用玻璃纤维材料。外包板拼接处设有不锈钢拉带，与框架间采用铆接连接。外包板之间采用搭接形式。为了确保外包板与罐体连接紧密，采用包扎带对岩棉进行捆扎，捆扎后在岩棉外表面包扎玻璃纤维板。在空间有限处，为了确保外包不超限界，采用玻璃纤维棉代替岩棉。

3.4 加熱系统

新型20英尺硝酸罐箱加热系统采用蒸汽加热方式：加热管道焊接在罐体底部;蒸汽进出口均带盖，安装在管道后端下方，并设置冷凝水排放接口;最大蒸汽压力为0.4 MPa。为了防止加热系统遭受应力腐蚀，在加热系统表面喷涂防应力腐蚀漆。

3.5 步道结构

新型20英尺硝酸罐箱箱顶防滑步道采用铝合金材质，沿箱顶呈“日”型排布。步道支架采用角钢支撑，通过螺栓与框架连接。为了确保操作安全，在步道上安装扶手：工人上箱操作时将扶手打开，操作结束后将扶手归位。

3.6 成品及安全附件

新型20英尺硝酸罐箱配置人孔、顶出料口、安全阀和气相阀。配套附件均选用知名度较高、质量较好的品牌，阀件获得中国船级社出具的合格报告。为了防止安全阀弹簧腐蚀失效，在安全阀前串联爆破片，安全阀与爆破片之间设置提示爆破片失效的压力表。

3.7 油漆及标记

罐体内不涂漆。对罐体外表面、其余材质的型钢和板材实施抛丸除锈预处理，处理后钢材表面清洁度达到GB/T 8923.1―2011 《涂覆涂料前钢材表面处理 表面清洁度的目视评定 第1部分：未涂覆过的钢材表面和全面清除原有涂层后的钢材表面的锈蚀等级和处理等级》中Sa2.5级及以上标准，表面粗糙度为30～80 m;抛丸处理后喷涂富锌底漆，其干膜厚度为10～20 m。框架外表面涂刷富锌底漆、中间漆和丙烯酸面漆，厚度分别为30 m、40 m和，干膜总厚度不小于120 m。静电接地端子不涂刷油漆。为了防止异种金属间发生电化学腐蚀，焊接前在金属接触面涂刷可焊性底漆。标记和铭牌按客户要求设计和布置，符合中国船级社及有关标准的要求。除特殊规定外，标记颜色为黑色。

4 新型20英尺硝酸罐箱分析计算

大连中车铁龙集装化技术装备研发有限公司依据中国船级社《集装箱检验规范》及硝酸罐箱设计图纸和技术资料，分析计算罐箱在各种工况下的结构静强度，计算结果满足要求。分析工况分别为设计压力和静压头工况、设计压力和惯性力工况、试验压力和静压头工况、加热管工况、稳定性工况;分析计算的主要依据为美国机械工程师协会（American Society of Mechanical Engineers，ASME）发布的《压力容器建造规则》和《压力容器建造另一规则》及《国际海运危险货物规则》;计算对象为罐箱箱体结构，采用的软件为Hypermesh（前处理软件）和Ansys（后处理软件）。通过计算得出结论：在正常使用工况下，罐箱上的应力均不大于材料的许用应力，评定结果为合格。

5 新型20英尺硝酸罐箱样箱试验及检查

新型20英尺硝酸罐箱样箱试制完成后，在船级社监造人员的监督下，对样箱实施型式试验及冲击试验，试验满足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》及中国船级社《集装箱检验规范》的要求。批量生产时，按照中国船级社《集装箱检验规范》的规定和客户的要求，实施指定项目（包括堆码、吊顶和吊底等）试验。此外，罐箱产品还须通过尺寸、开启操作等检查，并贴上相应的船检标签。新型20英尺硝酸罐箱样箱试验项目及方法见表2。

6 结束语

新型20英尺硝酸罐箱实现技术突破和创新，在最大程度地满足客户运输要求的同时，大大提升综合应用效益：不仅有效降低硝酸运输的包装成本，而且提高硝酸公路运输的可靠性和安全性;此外，箱顶步道增设扶手，从而在一定程度上提升罐箱作业安全性。

（编辑：曹莉琼 收稿日期：2021-12-23）