一種新型黃磷罐箱加熱結構設計及壓力控制

陳科賓 王安軍

洛陽中集凌宇汽車有限公司 河南洛陽 471000

1 前言

黃磷又稱為白磷，屬于第4.2類易于自燃的物質，次要危險性6.1，包裝類別I。由于黃磷暴露在空氣中會產生藍綠色磷光和白色煙霧，所以在儲存和運輸黃磷時必須隔絕空氣。黃磷在50℃左右呈現為半透明黃色油狀液體，液體密度為2.12 g/cm3，密度大于水且不溶于水[1]。

黃磷主要采用罐式集裝箱進行運輸，罐體采用不銹鋼材料，配備蒸氣加熱裝置、惰性氣體保護裝置、壓力控制裝置及安全閥及呼吸閥等安全部件。黃磷罐箱結構如圖1所示，實物如圖2所示。

2 加熱系統設計

2.1 黃磷的運輸和虹吸卸料

由于黃磷的密度大于水，當黃磷為液態時，在重力作用下能夠完全浸沒在水下，所以黃磷在運輸過程中大都采用水進行密封，以達到隔絕空氣的目的。

圖1 黃磷罐箱結構圖

黃磷屬于易燃危險品，黃磷罐卸料的要求高，難度也較大，如果使用泵類的動力設備，不但設備的位置無法固定，而且防止燃燒的措施也難以確保安全。根據黃磷在50℃左右呈現為半透明黃色油狀液體的特性，現在大部分廠家卸載黃磷時，均采用虹吸的辦法，即先利用蒸汽加熱把罐內黃磷由固態轉換為液態，再利用虹吸管道對罐內黃磷進行卸料。黃磷罐箱設計有蒸汽加熱裝置，該裝置隨車配備，由于現在黃磷裝卸處普遍布置有蒸汽源，此方法已經為大多數運輸公司所采納。一般的黃磷罐箱沒有配備保溫裝置，運輸過程中黃磷由液態變為固態時，罐體內黃磷體積會變小。但是，由于液體黃磷和固態黃磷密度相差不大，且黃磷罐容積小于20 000 L，裝載量較小，所以罐內黃磷體積變化量較小。又由于罐體配備有呼吸閥，當罐內外由于體積變化產生的壓力差達到一定值時，呼吸閥會自動開啟調節，確保罐體安全。

圖2 黃磷罐箱

用罐式集裝箱貯運黃磷時，裝料前先用蒸汽將罐內存水加熱到60℃左右，然后將液態黃磷加入罐內使黃磷浸沒在水下，最后在罐內水層上方的剩余空間內注入氮氣予以氮封，確保黃磷隔絕空氣。

卸料時，先用蒸汽將罐內黃磷加熱至融化，再通過罐頂的密閉卸料管進行虹吸卸料，卸料管距離罐底20 mm左右，管道底端切斜，方便液態黃磷從側面進入卸料管；卸料管上部帶法蘭，并安裝開啟閥門，帶軟管接頭，連接廠家集液罐。

蒸汽加熱是黃磷裝卸料必經的過程，耗時較長，故蒸汽加熱結構的設計對黃磷罐十分重要，合理有效的蒸汽加熱結構能夠快速高效地對黃磷加熱使其融化，以達到裝卸料的條件，提升黃磷運輸的工作效率。

2.2 蒸汽加熱夾套設計

一般生產企業將罐體底部設計為采用多道縱向加熱槽進行加熱，加熱槽規格多采用寬度為60～100 mm的U型件，加熱槽前后端互相貫通，從前到后焊接在罐體底部，罐尾設置蒸汽進出口，通過輸入蒸汽對罐內黃磷進行加熱，此種加熱槽布置方式使得黃磷加熱面積不足且融化時間長。普通加熱槽結構如圖3所示。

筆者設計的新型罐箱加熱套及蒸汽壓力控制方法，是在普通加熱槽的基礎上進行優化改進，增大加熱面積，安全可靠，能夠快速融解罐內黃磷。新型蒸汽加熱貫通夾套是一個整體的加熱槽，下部完全覆蓋罐體底部，側面覆蓋高度接近罐體中線位置，夾套表面積達12m2，占罐體表面積的30%以上，加熱面積大；蒸汽加熱套分為3個型腔部分，型腔之間通過管道連通，加熱套內部空間利用隔板分割成多個蒸汽通道，形成循環通道，引導蒸汽走向，延長蒸汽通過時間，最大化地利用蒸汽熱能，新型加熱貫通夾套如圖4所示。

圖3 普通加熱槽結構

圖4 加熱套結構

3 加熱套蒸汽壓力控制

樣車設計的黃磷罐體封頭及罐體均采用6 mm不銹鋼S30408進行制作，罐體直段長度為4 800 mm，罐體兩端為深度565 mm的標準橢圓封頭。由于貫通加熱套覆蓋面積大，并且加熱時蒸汽壓力較大，如何保證蒸汽加熱時罐體的安全是設計中的重要環節。應對罐體所承受的外部許用應力以及其與黃磷裝卸料時蒸汽壓力進行比較，以免蒸汽壓力超出罐體許用應力對罐體造成損傷。

根據GB150.3《壓力容器》標準，對外壓圓筒的穩定性進行校核計算，外壓圓筒壓力公式：

式中，[P]為許用外壓力，MPa；D0為圓筒外直徑，mm；δe為圓筒或球殼的有效厚度，mm；B為外壓應力系數，MPa。

計算可得，[P]=0.08529 MPa。

由于黃磷在裝卸料時，其蒸汽接口壓力一般為0.07 MPa，接近筒體許用外壓力0.08529 MPa，故必須在蒸汽管道上設置安全閥進行調節，且使安全閥的開啟壓力小于罐體的許用壓力，故設置其開啟壓力小于0.08 MPa。通過在蒸汽出口管道上安裝安全閥對蒸汽壓力進行控制，保證其一直小于罐體的許用應力，確保蒸汽壓力高于0.08 MPa時，安全閥能夠起到保護罐體的作用，也能夠滿足黃磷快速融化的條件。

4 結語

該新型加熱套結構已經廣泛應用于黃磷罐箱，并得到客戶認可。新型加熱套結構既節省了黃磷融化的時間，提高了黃磷卸料的工作效率，又確保了蒸汽加熱時罐體的安全。新型加熱套結構工藝簡單，效果明顯，凡是生產黃磷罐箱的生產企業，均可以借鑒使用。

[1]姚健,王維.淺談黃磷危險貨物罐車產品的安全質量保證[J].專用汽車,2011(10):49-51.