随着我国改革开放政策的不断深化和经济建设的持续发展,全球经济一体化进程的加速,特别是我国正式加入WTO,铁路危险货物集装箱运输发展速度显著加快。从我国铁路的外部环境来看,与世界先进国家相比,我国铁路差距明显,如日本原国铁在1974年,就已消灭包括危零在内的零担货物运输。以目前的形势而言,我国集装箱运输正处于极好的发展时期,集装箱的生产量已雄居世界第一[ 1 ]。与此同时,各方面对铁路危险货物集装箱运输的广泛关注和投入,必然推动铁路危险货物集装箱运输的飞跃发展。然而,我国铁路危险货物集装箱运输起步晚,经验不足,运输组织方法及装卸设备落后,加之,我国铁路危险货物绝大多数采用普通集装箱运输,其隔热性差,受温度变化的影响大。每年因包装材料及包装方式选取不当,所造成危险货物集装箱运输事故屡屡发生[ 2 ] ,尽管铁路采取了一系列的措施和办法,但未从根本上杜绝事故的发生。为此,本文对箱内装货物的包装材料及包装方式进行详细研究。
1 包装材料问题
危险货物所用包装材料的种类很多,而塑料则是其中应用最为广泛的一种。如各种形式的塑料桶、袋、瓶等。塑料的主要成分是树脂。树脂是一种高分子化合物,它随着所处环境温度的不同,呈现出3种物理状态:玻璃态、高弹态、粘流态,见图1。
塑料一般只能在玻璃化温度以下,脆化温度以上范围内使用。高于玻璃化温度时,塑料受力后变形量很大(拉断伸长率达到100%～1000% ) ,弹性模量很小(刚度) ,所以玻璃化温度是塑料使用的最高温度。一般危险品包装常用的几种塑料的使用温度范围见表1。
当环境温度低于脆化温度时,塑料就变硬、变脆,它是塑料使用的最低温度。所以用集装箱运输危险货物时,对所用塑料包装容器、衬垫、捆扎带等,需要提出具体材料方面要求,不合要求的要考虑替代材料[ 3 ]。其它包装材料,如:木材、钢材、纸等,不存在这一问题。
表1 几种主要塑料适用温度范围
Ta b. 1 S e ve ra l su ita b le tem p e ra tu re scop e of m a in p la s t ics
名称适用温度范围/ ℃
低密度聚乙烯(LDPE) - 50～65
中密度聚乙烯(MDPE) - 50～80
高密度聚乙烯(HDPE) - 50～120
聚氯乙烯( PVS) - 50～75
聚苯乙烯( PS) - 20～80
聚丙烯( PP) 0～120
聚乙烯醇( PVAL) 65～85
2 货物包装方式问题
对于危险货物来说,其危险性的大小除与货物的本身性质有关外,还与货物的包装方式密切相关[ 4 ] 。因而,危险货物进箱条件的确定,也必须考虑到货物的包装方法。鉴于此,在确定危险货物的进箱条件时,对货物包装方面作了较多调查研究,特别是吸收了课题组成员多年来有关铁路危险货物运输包装的试验和研究成果,还在实验室进行了相关的包装试验。
2. 1 包装量的大小
铁路运输的实践表明,货物运输的危险性与其包装量的大小有着密切关系。对于某些危险货物,当其包装量较小时,甚至可以按普通货物条件办量运输。因而,对于小包装的危险货物,在采用集装箱运输时。也应有较为宽松的要求。
通常将每个单位量不大于1kg (或1L) ,且每个包装件不大于20kg的包装方法称为“小包装”。《危规》附件二“危险货物包装表”中18、19、20、21、22、23、24及25诸包装号所规定的包装方法,基本上属于“小包装”[ 5 ]。采用这些包装的危险货物(除爆炸品、压缩气体和液化气体、毒害品等需用“危险货物专用集装箱”或“危险货物特种集装箱”外) ,原则上可进入“危险货物通用集装箱”。
对于小包装危险货物可以直接进入危险货物通用集装箱是基于以下5个方面的原因而确定。
1) 包装的密封性能较好。由于小包装容器的开口较小,加之小包装容器的制作工艺相对较为精细,其液密、气密性能也较大包装要好,故可有效地防止内装物的泄漏。
2) 包装具有一定的隔热作用。小包装货物除内容器(包装)外,还有外包装或衬垫材料等,有些还有中包装或吸收材料,因而外包装的隔热保温作用,使内容器中货物的温度总是低于集装箱内的最高温度。实测数据表明,在集装箱内,即使是受温度影响最大的顶层货物,其内部温度也低于集装箱上层空间温度1～2℃,即小包装货物的温度总是低于集装箱的内壁温度,故其受温度的影响相对较小,其安全性也相对增大。
3) 外包装等可吸收一定的洒漏物。小包装货物的外包装(或中包装)及衬垫物的吸收作用,使得内容器万一破漏时,其泄漏的液体货物可能被全部或部分吸收。测试表明,对一般的瓦楞纸,其吸水量可达其本身质量的1. 5～2. 5倍,而通常的瓦楞纸箱质量为0. 5～1. 5kg,则其吸水量可达1 ～3L 的液体。当包装内有1～2瓶容器破漏时,则基本上可以全部或大部分吸收其泄漏物。而对木箱或钙塑箱来说,其对泄漏物的吸收虽然较瓦楞纸箱的要小得多,但是仍能部分吸收泄漏物;故小包装破漏所造成的危害性,相对于该货物采用大包装来说,仍然要小得多。
4) 外包装具有一定的机械缓冲作用。由于受外包装及衬垫材料的缓冲作用,小包装危险货物,在运输过程中受到外力作用(碰撞、摩擦或跌落等)时,外力不会直接作用于内容器,故其破漏情况亦较大包装要减少得多;且只是部分内容器破漏,通常内包装不会全部破漏。可见,小包装货物对机械冲击的缓冲等作用较大包装货物要安全。
5) 小包装有较大的内压承受力。容器内部的饱和蒸汽压,对容器内壁将产生一个向外的垂直作用力。对小包装容器来说,其器壁所承受的内应力,较大包装相对要小,故小包装容器的安全性相对增大。
由于容器内部蒸汽压均匀分布在整个容器表面,所以其内表面的受力是均匀的。而容器的颈部、肩部以及底部,与容器壁相比,因其直线距离较短,故所受到的力矩较小。因此,容器的受力情况,可简化为单位宽度器壁的受力情况,见图2。垂直于器壁上的蒸汽压力,使器壁产生一定的弯曲变形即在横截面上产生一个变矩。一般来说,弯矩随截面位置的不同而变化,最大弯矩所在的截面即是危险截面。根据图2求得弯矩方程。
设O点为坐标原点, x为瓶壁上任意截面到O 点的距离,据此建立方程。弯矩方程为:
M = q2( lx - x2 ) (0≤x≤l) (1)当x = 0, M = 0; 当x = l2, M = ql28; 当x = l , M = 0。
根据弯曲力矩方程画出弯矩图图3,可知瓶壁两端弯矩最小,中间位置最大。故可知器壁的中中间位置为危险截面。因为容器器壁所受均匀载荷q的大小,等于其内部蒸汽压,又由于一定的物质,在一定温度下,其饱和蒸汽压是固定的,所以值也一定。根据推得的最大弯矩(即危险截面的弯矩)关系式可知:当q一定时,其最大弯矩与器壁高度的平方( l2 )成正比。根据这一结论可以得知,由于小包装容器的器壁高度小于大包装的器壁高度,所以其所受的弯矩显著减小,故小包装容器的破损机率变小,安全性增大。
2. 2 包装的密封性
危险货物运输的危险性, 与货物的密封性有着密切的关系,有些危险货物易于挥发或散发出强烈的气味或有害的蒸汽,包装的密封性不好时,其蒸汽会不断散发出来。此种货物若进入集装箱,由于集装箱通风性能较差,这些蒸汽将在箱内聚集, 在运输过程中蒸汽的浓度将越来越大, 极易发生危险。所以这些危险货物要进集装箱,必须改变包装方法,采用密封性能好的包装。
盛装在密封包装容器中的液体货物,吸收了由容器壁传入的热量,蒸发变为气体,充满容器整个空间并对容器壁产生压力。其压力的大小随着货物吸收热量后温度的变化而变化,可按公式(2)进行计算: P = nkT (2)式中: P为容器受到的压力( Pa) ; n为分子数密度(单位体积中的分子数目) ; k为玻尔兹曼常数; T为容器内货物温度。
包装容器的设计压力,就是在公式(2)计算的基础上,再将其它流通环境因素,如装卸和调车中的冲击、安全系数以及多年来运输的实践经验等考虑进出而确定的。
根据《海协危规》和《国际危规》提供的参考数据:设计参数温度为65℃,机械装卸垂直下落冲击值为2 (g为重力加速度m/ s2 ) [6 ] ,纵向水平冲击值为2,安全系数为1. 5。采用集装箱运输危险货物,夏季我国部分地区箱内最高温度可达85℃[ 7 ] ,由于箱内温度增加,容器壁承受蒸气内压力增大,因此对原来包装容器的耐压强度及密封性能进行研究。
集装箱是一个密闭的容器,夏季在个别地区铁路危险货物集装箱内部的最高可能温度85℃。为了保证铁路运输安全,应分季节确定集装箱内部的最高可能温度,如箱内货物采用塑料作为包装材料应参照图1、表1进行优选;通过铁路危险货物运输包装实验和现场调研及计算分析,得出“小包装”5方面的优点,从另一方面讲,小包装可降低包装成本,节约资源,保护环境,便于装卸,增加货物的装载量。可以大胆设想,随着组织管理水平、装卸设备自动化程度以及箱体质量的提高,包装小量化、包装减量化、容器再利用化、包装与产品结合化、包装材料选优化指日可待。
