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JJG140-2008《铁路罐车容积》检定规程探讨
【来源/作者】中国计量报 【更新日期】2015-10-07

一、概述

JJG140-2008《铁路罐车容积》检定规程适用于装运液体产品的铁路罐车(不包括液化气体铁路罐车和粉尘货物铁路罐车)的首次检定和后续检定。JJG140-2008的检定条件、检定设备(测量竖直径、横直径、内总长、内总高、外周长、外横直径、外总长等)、检定项目、检定方法、附录C《铁路罐车容积计算公式》(<I>V</I>=<I>V</I>1+<I>V</I>2-<I>V</I>3,式中:<I>V</I>——罐体容积,L;<I>V</I>1——筒体容积,L;<I>V</I>2——封头容积,L;<I>V</I>3——缺圆圈体体积,L),以及附录H《检定记录表》(<I>h</I>1、<I>h</I>2、<I>h</I>3)中的容积,均与铁路罐车罐体容积有关,但是JJG140-2008附录A《铁路罐车主要车型基本参数一览表》中并未列出罐体容积,只是列出标记容积。

二、罐车装载量分析

罐车的最初设计是上部设有空气包装置,空气包的主要作用原设想是当气温变化时作为液体膨胀的附加容器,且可减小液体对罐体的冲击作用。但由于空气包的存在,使制造工艺较为复杂,不便于罐体的清刷。此外,在液体未装满时,液体对罐体端板的冲击影响并不显著,故后来生产的罐车取消了空气包。为了保证罐体的装载总容积不变(标记容积,原称有效容积),因此加长了罐体长度,以弥补空气包这一部分容积。此时,罐体内设有标尺限定载油量,并留出供液体膨胀的空容积(罐体容积与标记容积的差量)。因罐车的型号不同,所以罐体的空容积也不同,如表1所示。

缺插图!

<CTSM>表1罐车空容积</CTSM>

从表1可知,罐车的罐体容积越大,所装载液体产品的体积越大,留有的空容积越大,因此,罐车的罐体容积就是为了避免液体膨胀时外溢而设计的。这就是罐车为什么要设罐体容积的原因。而该标准的铁路罐车准装高度范围,在留出了液体膨胀余量空容积的基础上又增加了3m3以上的空间,使罐车装载物料后的空容积达到6m3以上。假设环境温度、充装温度均为标准温度(20℃),轻油罐车,车型为G60、G70的上限装载量是罐体容积的92%,下限装载量是罐体容积的77.4%;车型为GH70的上限装载量是罐体容积的91%,下限装载量是罐体容积的77.4%;黏油罐车,车型为G17的上限装载量是罐体容积的92%,下限装载量是罐体容积的77.4%;车型为G17B的上限装载量是罐体容积的90.5%,下限装载量是罐体容积的76.3%,如表2所示。

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<CTSM>表2按准装范围上、下限装载量占罐体容积的百分比</CTSM>

由于罐车的内总高不同,在相同高度下所对应的容积是不相同的,装载的液体产品的体积也是不同的。在实际工作中,装载原油、汽、煤、柴油的车辆少则十几辆,多则九十几辆,而每辆车必须根据所装液体产品的密度<I>ρ</I>、所装液体产品的充装温度,以及根据液体产品装入罐车后的温度,再换算成标准密度、标准温度,然后查容积表得出应装液体产品的体积所对应的准装高度范围,这种繁琐计算及装载方法大大延长了工作周期、降低了工作效率。为确保装载量不超过《铁路危险货物运输管理规则》(铁运[2006]79号)附件12上所规定的准装高度上限,各站段又将所规定的准装高度上限降低了10mm左右,使得罐车液体产品的装载量更少,相应增大了罐车的空容积。这样的装载量对铁路的运输是否安全合理呢?下面从铁路车辆运行、油品储运、节能、环保等方面进行探讨:

1.车辆运行及安全性

铁道车辆是一种运载工具,当车辆沿轨道运行时,由于轮轨之间的相互作用,产生各种垂向和横向作用力并引起车辆系统的各种振动。铁路车辆是一个多自由度系统,在车辆运行中会出现复杂的振动现象,根据力学中的运动学可知,这些振动是由若干个基本运动组合而成的结果。由于轨道的随机不平顺,车体中心线与线路中心线之间可能出现一个夹角<I>η</I>0(称为不对称角),当轮对簧上质量系统受到外界某种瞬间力的作用时,系统的平衡受到干扰,弹簧力不再与重力平衡。由于液体的特性(流动性、连续性、无规则性)及罐车的几何特性,将使罐车产生偏载,如图1所示。偏载对弹簧所产生的压力差(B点与D点)的大小,是由罐车的几何参数和罐内所装液体的高低所决定的,罐车内液面越低,偏载量越大。由于液体的流动性和连续性,使液体产生局部加速度、对流加速度,在不平衡的弹簧恢复力作用下,罐内的液体的波动随之增大,造成罐车系统振动增大、振幅增强,有可能造成罐车的颠覆,这就是罐车装载量低于80%时,罐体内未加防波板不得办理运输的根本原因。同时罐内油品的流动速度增大,与罐壁摩擦增强,产生的静电量增大,所积累的电荷产生的静电场,具有足够大的电场强度时,就会构成危害。各种油品与空气接触时,就会产生石油蒸气,石油蒸气与空气混合成一定比例就形成了可以爆炸的混合物。罐车内上部自由空间越大,石油蒸气与空气混合物越多,这种混合物一旦遇明火发生爆炸也越强,这将大大增加罐车运输的安全隐患。

缺插图!

<CTSM>图1</CTSM>

假设装载液体产品的罐车为均匀加速运动,对于均匀加速度体系,可采用惯性坐标系分析的方法,如图2所示,按牛顿第二定律,得

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<CTSM>图2</CTSM>

∑<I>F</I>=<I>ma</I>=<I>ρ</I>ΔxΔ<I>y</I>Δ<I>za</I>,结果为▽<I>P</I>=<I>ρ</I>(<I>g</I>-<I>a</I>)

解:由▽<I>P</I>=<I>ρ</I>(<I>g</I>-<I>a</I>)可知,压力梯度沿<I>g</I>-<I>a</I>方向,流体表面将与它垂直。将<I>y</I>轴取为与<I>g</I>-<I>a</I>平行,即可从点B到液体表面对▽<I>P</I>=<I>ρ</I>(<I>g</I>-<I>a</I>)进行积分。将<I>y</I>轴选为与<I>g</I>-<I>a</I>方向平行,压力梯度变为(d<I>P</I>/d<I>y</I>)<I>ey</I>。


在<I>Y</I>=0和<I>y</I>=<I>d</I>之间进行积分,得


液体在点B的深度<I>d</I>,可由油罐车的几何参数和夹角<I>θ</I>来确定。由计算可知,罐体内液体在B点与D点的压力差的大小,是由油罐的几何参数和夹角<I>θ</I>来决定的,罐体内液体装载量的多少,决定夹角<I>θ</I>的大小,罐体内液体装载量越少,夹角<I>θ</I>就越大,罐体内液体在B点与D点的压力差越大,液体波动越大,纵垂面的自由振动越大。罐车的垂向振动如图3所示,对端板的冲击作用增强,造成罐车系统振动增大,罐车运行越不平稳。不能因为近年来生产的大容积、高载重铁路罐车的封头均采用了椭圆形封头(它比蝶形封头附加力明显减小,更具抗击力),而人为地增加对罐车端板的冲击力,降低罐车的装载量。

缺插图!

<CTSM>图3</CTSM>

2.运输损耗、环境污染

大量实测数据表明,在储运时间基本相同的情况下,油罐装满程度越高,在大气温度发生变化的情况下,吸入油罐的空气量越少,而且吸入的空气对油面上大浓度层的破坏越显著,因而气体空间的纵向浓度差越小,油气浓度越接近饱和浓度。如果以装满程度大于75%时油罐呼出混合气的油气浓度为饱和浓度,即饱和度为100%,那么装满程度在43%~68%之间时,油罐呼出混合气的平均饱和度约为60%;装满程度低于25%时,油罐呼出混合气体的平均浓度约为45%。经计算可知,附录E铁路罐车准装高度范围确定方法中,油品装载的下限均大于罐体容积的75%,罐车内自由空间混合油气的饱和浓度为100%。罐车内的液体在环境温度变化的影响下,会有一部分油气空气混合物通过罐车的呼吸阀“逃逸”到大气中,这种消失到大气中的过程,称为贮液的蒸发损耗。在气液两相共存的体系中,处于气液界面上的液体分子,一方面受液相内部其他液体分子的吸引,同时也受到气相中气体分子的吸引,液体与气体接触的表面积越大,液体分子逸入气相的机会越多,蒸发速度越快。由于罐车的几何特性、装载量的减少,增加了液体与气体接触的表面积,加大了贮液的蒸发损耗。可应用诺模图(谌卢炳.《大型贮罐设计》.上海科学技术出版社,1986:19~20),即罐车内温度的变化与液体蒸气压变化的相互关系而估算出液体产品损失数量。

油品小呼吸蒸发损耗计算公式(公式推导略)为


式中:<I>V</I>0——油罐车内油品液面上部自由空间的体积,m3;<I>A</I>、<I>B</I>——常用烃混合物常数;<I>P</I>——大气压,760mmHg;<I>R</I>——气体常数,0.082(<I>L</I>·<I>at</I>/摩尔·<I>K</I>);<I>T</I>1、<I>T</I>2——罐车内液体温度,K;<I>N</I>——罐车中自由空间在24h内损耗的摩尔数。

在准装高度范围确定方法中,增加了空容积,增大了液体与气体接触的表面积,在增加空容积3m3的状况下,通过计算(计算过程略)可知,每辆罐车每天(24h)增加油品轻组分损失大于1.3kg,每年将有几千吨油品轻组分散失于空气中,这不仅浪费能源、造成环境污染,又损害人体健康,并且罐车在站停时增多的油气的“逃逸”,将造成车站的安全风险。

附录E《铁路罐车准装高度范围确定方法》中,液体产品的密度<I>ρ</I>是液体产品在什么状态下的密度(标准密度?相对密度?某温度下液体产品的密度?),同时也未注明是什么温度?是液体产品在贮罐中的温度(一般称充装温度),还是充装完后,罐车内液体产品的温度?在实际工作中,不同液体产品的充装温度是不同的(一般情况下高于环境温度),装入罐车后罐内液体产品的温度也不同(随环境温度而变化),对于重质原油(密度大于884kg/m3)、重油、渣油,因其凝点高、黏度大,充装温度高(通常在50℃以上,不分季节),在运输过程中,由于环境因素的影响,罐车内油品的体积逐渐减小(冬季更明显),使罐车内的自由空间进一步加大,使更多油气分子“逃逸”到大气中。

三、结束语

综上所述,JJG140-2008的制定有不妥之处,铁路罐车容积检定,首先应该检定罐体容积是否合格,若罐体容积不合格?标记容积怎么能合格?如此运作既降低了液体产品的装载质量,又降低了运能、运力,增加了铁路部门的运输成本,使铁路列车运行的不稳定性增强,运输安全风险加大,增大了油品损失、浪费能源、污染环境。虽有百害但有“一利”,即增加了铁路部门的运输收益。因为铁路部门的收费是以整车收费的,不是以装载量收费的,装得越少,收益越高。使托运人的单位成本增加,提高了石油产品的价格。

作者单位【中国石油兰州石化公司】


【关键词】铁路罐车,检定,罐体容积,国家标准物质网,北京世纪奥科 

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