(陆 松      中国铁道科学研究院 运输及经济研究所)

摘 要：为缓解新疆棉花运输铁路棚车不足，采用集装箱装运棉花。铁路集装箱装运棉花加速了棉花流通，减少了棚车运输所需装载加固材料费用，解决了集装箱货源等问题，但集装箱装运棉花存在火灾危险性。在对铁路运输加减速、调车连挂等工况下捆扎钢丝摩擦生热、冲击摩擦升温、切削铁屑点燃棉包棉花的条件进行研究分析的基础上，根据研究结果，从包装要求、集装箱装载要求、装卸要求及温度和湿度要求等方面提出集装箱装运棉花的安全措施，确保棉花集装箱运输安全。

新疆是我国最大的棉花种植区之一，2012—2016 年棉花年产量均在 350 万 t 以上，超过全国产量的 50%。新疆种植的棉花 80% 以上运往沿海纺织工业发达的地区销售，铁路棚车运输是棉花出疆最主要的运输方式。在运输高峰期，棚车运力的紧张限制了棉花的销售，同时也影响着棉花价格走势。近年来，我国铁路集装运输发展迅速，入疆集装箱多为重箱，回程时存在大量回空集装箱，为缓解新疆铁路棚车不足，采用回空集装箱调运棉花出疆。但是，由于棉花具有易燃、自燃、阴燃等特性 [1]，在铁路运输途中容易发生火灾事故 [2]，集装箱在运输途中呈封闭状态，一旦发生火情，不容易提前预警，而且对施救条件要求较高。因此，亟需对集装箱装运棉花火灾安全隐患进行研究，制订科学合理的安全运输方案。

1 铁路集装箱装运棉花火灾隐患分析

1.1 棉花的理化特性

（1）易燃性。棉花是一种天然植物纤维 [3]，主要成分为棉纤维素和棉纤维素伴生物，其中棉纤维的主要成分纤维和蜡质、脂肪等都是易燃物质。棉花闪燃温度只有 160℃～180℃，由于棉纤维细小蓬松，与空气接触面大，即使打包的棉花，其外表面松散的纤维仍然有充分的氧气供应，因而遇到微小的火星就能立即燃烧。

（2）阴燃性。阴燃是指棉纤维孔隙中存在的少量空气，在外部氧气不足的情况下，能维持棉花局部或小范围的缓慢燃烧，这种燃烧看不见火苗，也看不到烟，可以持续很长时间 [4]。棉花通常都是打包过后再进行储存，打包过后标准棉包内氧气供应不足，棉花阴燃会在棉包内部潜伏很长一段时间，不会产生明显的火花和烟气，一般不容易被发觉。

（3）自燃性 [5]。当周围环境湿度较高时，棉花会因多种因素产生热量，其中主要表现为吸湿放热、发酵放热和氧化放热。由于棉包都是以堆垛的形式进行堆积，具有很好的蓄热性，在没有外界火源的情况下，其内部温度相对较高，当温度达到纤维的热解温度时，棉花就会被氧化，热量不断积聚，在条件具备时就会引发棉花自燃。因此，《关于危险货物运输的建议书》《危险货物品名表》及《铁路危险货物品名表》[6-8] 将潮湿棉花列为易于自燃物质。

1.2 集装箱装运棉花火灾隐患分析

1.2.1 摩擦生热引发火灾可能性分析棉花打包捆扎材料有镀锌钢丝和聚酯捆扎带2种，采用镀锌钢丝打包时，钢丝打结处高于棉包面0.5～10 mm，列车运输过程中的进出曲线、振动等会导致棉包捆扎钢丝之间的摩擦及钢丝与集装箱侧壁之间的摩擦，摩擦生热使得钢丝升温，从而导致钢丝附近棉包温度升高，此升温主要和摩擦力、摩

擦频率、摩擦幅度、传热等有关。以振动摩擦振幅 2 mm、摩擦频率 20 Hz 时的摩擦试验为例，综合考虑棉包重量、摩擦面积、棉包密度、棉花的导热系数、棉包与周围空气的对流换热系数、钢丝导热系数等参数，对棉包摩擦生热

进行仿真计算，结果显示，钢丝在摩擦受热后温度会逐渐上升，一定时间后达到一个稳定状态，此时摩擦热与热损失平衡。摩擦热影响到的棉包区域较小，只有与钢丝接触的棉包温度变化明显，最高温度约238℃，比环境温度高 208℃。由于棉花有自热特性，棉包长时间处于此高温下，棉花可能通过缓慢反应而集聚能量，进而温度缓慢升高，存在引发放热反应而导致阴燃或者火灾的危险，也可能使得钢丝附近棉包轻度碳化，存在引发火灾的危险。

1.2.2 冲击摩擦升温引发火灾可能性分析

在铁路集装箱运输途中，棉包会因车辆加减速、调车连挂等发生剧烈冲击摩擦。例如，2011 年 7 月对铁路新一代通用集装箱进行冲击试验时测得集装箱最大纵向加速度为 2.62 g (冲击速度为 8.6 km/h)；2012 年 2 月对 20 ft 罐式集装箱进行冲击试验时测得最大纵向加速度为 3.51 g (冲击速度为 7.91 km/h)。以上说明车辆变速运行和车辆连接碰撞时所产生的冲击力较大，在以上工况下，棉包可能会与箱壁因冲击发生剧烈冲击摩擦。考虑只有钢丝扣等突起部

位与箱壁摩擦的极限冲击摩擦工况下，按照不同棉包质量、冲击速度、撞击持续时间对棉包因发生剧烈冲击摩擦而升温的现象进行仿真计算，得到冲击摩擦计算结果如表 1 所示。对于极限冲击摩擦工况，冲击摩擦会导致钢丝扣局部温度达到630℃以上，高于棉花的闪燃温度，容易引起棉包包装布碳化，从而引发棉包火灾。

1.2.3 切削铁屑引发火灾可能性分析

冲击摩擦的另一个可能后果是切削钢丝，产生高温铁屑，高温铁屑可能会引起棉包棉花火灾。分析试验结果显示，接触温度和铁屑质量是影响切削铁屑作用棉包棉花的主要因素，当切削铁屑与棉包棉花的接触点温度低于 300℃ 时，棉包棉花不会发生碳化现象；当接触点温度达到380℃ 时，平均质量为 0.16 g 及以上的切削铁屑会引起棉包棉花发生碳化；当接触点温度达到 490℃时，平均质量为 0.33 g 的切削铁屑会使棉包棉花进入阴燃阶段；当接触点温度达到 550℃ 时，平均质量为 0.09 g 的切削铁屑就能引起棉包棉花阴燃，任意质量的切削铁屑都能够使棉包棉花发生碳化。因此，在该试验条件下，可以认为 550℃ 是切削铁屑点燃棉包棉花的危险温度。

1.2.4 集装箱装运棉花自燃风险分析

温度和湿度是影响棉花自燃的最主要因素。采用集装箱装运棉花时，由于集装箱内部没有隔热层，因而箱内棉花温度直接受箱外温度变化影响。杨丽松等 [10] 对铁路集装箱实测最高温度为 77℃。一般情况下，白天箱内温度为 40℃~70℃ 时，相对湿度为 65% 左右，夜晚温度下降至 20℃~30℃ 时，相对湿度最高可达 100%。集装箱装运棉花与铁路棚车运输方式类似，通过对棚车装运棉花环境条件、棉包内自燃相关参数如温度、湿度、回潮率等进行的多次实际测试表明，棚车内最高温度为 66.21℃，最低温度为 -21.24℃，棚车内最大相对湿度可达 100%，同一测点车内环境温度和湿度在每天都有显著变化，测得的最高温度与最低温度在 24 h 内差值最大可达 50℃，相对湿度差值则在 60% 以上 [11]。虽然棉包周边环境温度和湿度变化显著，但棉包内测得的温度和湿度数据变化值仍然很小，大部分测点温度变化值在运输全程中小于 5℃、相对湿度波动值小于 5%，棉花回潮率在运输全程中波动值均不大于 5%，大部分测点回潮率测试值在运输全程中几乎没有变化。由于棉包是在 400 t 压力机下打包成型的，密度很大，空气、热量、水分传输困难，即使周边环境条件变化显著，棉包内温度、湿度、回潮率在运输过程中没有出现明显变化，远远达不到发生自燃需要的必要条件，因而可以认为不论是棚车运输还是集装箱运输，棉花在运输途中发生自燃的概率很低。

2 集装箱装运棉花安全措施研究

（1）包装要求。《棉花包装》(GB 6975—2013) [12]规定，棉花包装可以采用镀锌钢丝、聚酯捆扎带 2种材料作为捆扎材料。集装箱装载棉花铁路运输时，因车辆加减速、调车作业、进出曲线、轨道接头振动等工况受到纵向力、垂向力、横向力的作用，相邻棉包的捆扎钢丝之间、棉包捆扎钢丝与集装箱侧壁之间发生长时间摩擦或剧烈冲击摩擦，在特殊条件下，长时间剧烈摩擦或冲击摩擦会引起捆扎钢丝局部剧烈摩擦升温或产生高温铁屑，造成棉花火灾隐患。因此，集装箱装运的棉包应采用聚酯捆扎带捆扎方式；如果采用钢丝捆扎方式，应采取防范措施杜绝捆扎钢丝凸出棉包表面引起摩擦。此外，鉴于棉包破损产生的露白棉花是棉花火灾重要危险因素，露白的棉包必须处理后才能允许装箱。

（2）集装箱装载要求。为防止运输途中外来火源引发火灾事故，应使用状态良好的集装箱装运棉花，装箱前进行透光检查，并对箱体进行彻底清扫，同时采用红外温度计测量箱体表面温度，确保无异状时方可装车。禁止使用箱体严重变形，箱门关闭不严及有孔、洞、裂缝的集装箱。为减少摩擦，棉包应严格按装箱方案装箱，装箱时应采取安全防护措施，防止棉包在运输中倒塌、窜动。棉包装箱后应在堆场内存放不少于 3 d。装运过油类的集装箱在装运棉花之前必须认真检查，彻底清洗，不得留有残渣。

（3）装卸要求。装卸作业中，捆扎钢丝与装卸夹具之间摩擦及拖拉棉包时捆扎钢丝与地面摩擦工况与铁路运输冲击摩擦工况相似，也会引起捆扎钢丝摩擦点温度剧烈上升，存在一定的火灾风险。与此同时，装卸设备本身自带的火源也是引发棉花火灾的可能因素。因此，应加强装卸作业管理。电瓶车、铲车、吊车、叉车等装卸机械应安装防止打出火花的安全装置；装卸机械铁质突出部位应做好防护，防止作业时与棉包捆扎钢丝、车壁板等摩擦起火；装卸棉花时，排气管不准靠近棉花；装卸机械搬运棉包时应将棉包抬离地面 20 cm 以上，不得硬拖、硬铲；装卸作业机械铲齿、夹头应镀锌或镀铜，装卸使用的铁钩不可以敲击捆扎钢丝；禁止使用装卸机具顶撞棉包。

（4）温度和湿度要求。试验表明，棉包在铁路集装箱运输途中发生自燃的概率很低，但棉花本身具有自燃性，鉴于棉花铁路集装箱运输火灾事故发生概率很小，而研究的样本数量和试验次数距离铁路实际运输数量差距较大，因而棉花铁路集装箱运输途中发生自燃的概率虽然较小，但不能完全排除棉花发生自燃的情况。温度和湿度变化是引起棉花自燃的主要危险因素，装箱的棉包必须晾晒一定时间，回潮率不得超过 10%，棉花装车站应对棉花回潮率进行抽检，防止由于气候原因等导致棉花回潮率超标。

3 结束语

棉花是关系国计民生的战略物资，铁路运输是棉花最主要的运输方式。采用集装箱装运棉花，无需倒运货物，减少了装卸作业时间，加快了运送速度及车辆周转，还可以节省装载加固材料费用，减少货损货差。但是，由于集装箱具有封闭性、事故箱处理难度大等问题，在装运棉花时存在火灾隐患，相关部门应通过严格管理、科学规范、改善包装技术及实验研究等手段进一步防控集装箱装运棉花的火灾隐患，确保棉花运输安全。