放射性物品运输栓系装置强度分析示例、货包与人员隔离距离计算

1、附录 A（资料性）栓系装置强度分析示例可用于将货包栓系在运输工具内部或运输工具上的方法很多，本附录给出了两个示例：a）使用栓系组件和楔子，例如钢丝绳；b）螺栓，将货包底盘和法兰栓系在运输工具上。示例在分析时，忽略了货包和运输工具平台之间的摩擦力，以提高安全裕量。栓系强度分析应定量给出栓系系统传递给货包和运输工具的负荷 （通过反作用力） 。应对下面几个值进行量化：a）确定货包栓系耳轴的最大载荷；b）确保在一定加速度范围内对栓系系统作出适当规定并使货包保持在适当的位置；c）确定运输工具锚固点的载荷；d）证实货包能够保持完整性；e）允许在操作说明书中（对承运人）作出适当说明；f）明确栓系系统涉及部件

2、的验收准则。为了表示所涉及的安全水平， 以及简单静态地确定栓系系统， 下文给出了两个示例及其简化的假设。A.1 使用楔子的栓系系统考虑一个刚性货包通过四个对称布置的栓系组件进行栓系的情况。对简化方法的要求是计算栓系力的最大载荷，从而通过反作用力计算作用在货包栓系耳轴和运输工具上的作用力。该方法只适用于静态地确定栓系系统，且在导出作用力的最大载荷时，对栓系系统的行为只作出单纯重复的假设。图 1-1描述了一个质量为M 的正方体货包，质心位于点（X / 2 ， Y / 2 ， Z / 2 ）处，各个组件的角都位于栓系组件（绳索）的垂直面上且相等。同样，位于水平面上的角也相等。货包由绳索1、 2、 3

3、和 4对称地栓系住。绳索的张力分别为P 、 P 、 P 和 P 。货包加速1234度为 ax 、 ay 和 az 。具有加速度的ax 、ay 和 az 的货包所受的分作用力为Fx 、 Fy 和 Fz（最大值分别为Ma x 、May 和 Ma z ），作用在质心的重力为Fg （值为 Mg ）。对于这个例子，假定在这些力起作用前的那一刻，所有绳索的预紧力（P 、 P 、 P 和 P ）趋于 0，即绳索刚好“束紧”。123410图1-1 采用楔子的栓系系统图解说明考虑 F 单独作用的情况：只有绳索P 和 P 通过拉伸张力承受这种作用力，因为P 和 Px1423在压缩过程中不起作用。对于作用力Fy 单

4、独起作用的情况同上，只有P1和 P2 通过拉伸张力承受这种作用力。考虑 F 和 F 同时起作用的情况；刚性货包在其底部边缘处趋于倾斜，绳索P 和 P 通过xz14张力阻止这种趋势。 也可考虑 Fy 和 Fz 的共同作用： 束缚组件 P1和 P2 通过张力阻止这种趋势。该实例的对称性假设使上述每对拉伸绳索承担相同的载荷。为了计算绳索张力的最大载荷时，应考虑到Fx 和 Fz 的共同作用，考虑底部边缘翻转瞬间的情况，可得下式：Fx (Z / 2) Fz (X / 2)Fg ( X / 2)2ZP1x (cos cos )2XP1x sin因为 Z = X ， Fx = Ma x ， Fz = Ma

5、z 且Fg= Mg ， P1 x由下式确定：PM aagcossin )1x(xz)/4(cos同样，在作用力 Fy 和 Fz 的共同作用的情况下，P可由下式获得：1 yP1 y M (ayazg)/4(coscossin)假设P PP1 ya2gay=1gaz =2g= =45 °，可计算公路运输的最大1 = 1 x +和x =，栓系载荷，在此：1110.621Mg0.414Mg1.035MgP将上述P和P1 y合并是相当保守的处理方法，因为在P和P1 y的推导过程中使用1x1x（ az - g ）求解系统的力矩平衡方程。通常货包的几何形状，或所用加速度因子在水平方向上的不对称性，

6、将决定货包在哪个方向上趋于翻转。计算楔子最大载荷时，如果货包底部和运输工具平台间的摩擦力可忽略不计，作用在楔子上的水平作用力的计算值将是楔子的最大载荷。为了求得对楔子的水平作用力的最大值，可研究每个方向上的情况，通过假定水平面上只有一个加速度。考虑到当Fz = Fg 时 Fx 起作用，可通过绳索1 和 4 以及对面的楔子限制货包的滑动。根据滑动和斜对称性P1x =P4 x ，可得水平方程如下：FP(cos cos)Fx2 1xcx式中： Fcx 作用在楔子上的作用力。它的值为（Ma x取代 Fx ）：FMa2P (cos cos )cxx1x但根据以上的公式PM (aag)/4(coscos

7、sin )1xxz所以，当 ax =2g ， az = 2g 时，不考虑摩擦力。当=45 °时， Fcx 由下式给出：Fcx1.586Mg同样，当 ay =1g ， az =1g 且 =45 °时，对于楔子的作用力 Fcy 为：Fcy0.793Mg在推导作用在绳索和楔子上的最大载荷时可能需要考虑加速度的不同组合方式，通过采用迭代获得最终结果。A.2 底盘法兰栓系在运输工具上的长方形货包图1-2 中说明了用底板法兰栓系在运输工具上的长方形货包一般布置。图1-3 给出了受力分析图，图 1-3 中所使用的符号在表 1-1 中给出。对该类货包作如下假设：a）沿着平行于主要作用力的侧

8、面的螺栓不起作用，倾斜作用力只由一排螺栓承受；b）法兰不发生形变。12图1-2一般的货包安装a图1-3受力分析图表1-1计算底板法兰固定在运输工具上的长方体货包时所用的符号水平方向的加速度ax水平方向沿纵轴x 方向的加速度ay水平方向沿横轴y 方向的加速度g重力加速度常数F距原点 O最远处的侧面的螺栓所受的总作用力H货包长度az沿垂线方向的加速度13Hg轴线距质心的距离k轴线距Rz作用点的距离M货包质量n沿距原点 O最远的侧面的螺栓数目R水平反作用力Rz货包与运输工具之间的垂直反作用力T每个螺栓最大的张力负荷Zg底面至质心的垂直距离解析垂直方向的分力，Maz Rz Mg F解析水平方向的分力，

9、Ma R由对 O点的力矩，导出：RzkMazH gMaZgMgHgFH脱离状态下，k 趋向于 0，方程简化为：MazH gMaZgMgHgFH合并各项并重排公式得：FM H g (azg)Zg a/ Hn因此，沿距 O点最远侧面的（枢轴边缘A-A）的每个螺栓的最大负荷为TF / n或者 TM H g (azg)Zg a/ Hn作用在底板上的水平作用力为R，当货包通过螺栓有效的楔住后，邻近螺栓承受的滑动力分别为 Ma x 和 May 。设计承受作用力R的螺栓必须为“剪切螺栓”。14附录 B（资料性）运输过程中货包与人员隔离距离计算B.1 与经常在工作区的工作人员隔离a）根据不同运输方式，参照下表

10、、表B、表 C；或b）通过使用每年5mSv 或托运人制定的优化剂量限值（小于5mSv ），选用保守模型参数计算隔离距离；c）计算值应与表中的对应值比较，选取保守的隔离距离。B.2 在公众经常出现的地区，与公共人员隔离a）根据不同运输方式，参照下表、表B、表 C；或b）通过使用每年 1mSv 或托运人制定的优化剂量限值（小于1mSv）选用保守模型参数计算隔离距离；c）计算值应与表中的对应值比较，选取保守的隔离距离。表A 危险货物国际道路运输欧洲公约中人员与货包的隔离距离每年暴露时间（ h）运输指数公众经常接近的区域经常占用的工作区域（不大于）50250502502130.5141.540.51.

11、582.561.02.51237.51.032049.51.543051225405.513.52.55.5506.515.536.5表B 国际海运危险货物规则中放射性物质与旅客和船员的隔离距离放射性物品与旅客和船员的隔离距离运输指数总和杂货船 1渡船等 2近海补给船 3件杂货（ m）集装箱（ TEUs） 410及以内6积载与离生活区和经常有人占用的积载于船尾或1工作地点较远的船首或船尾平台中部大于10但不大81同上同上于2015大于20但不大213同上不适用于50大于50但不大3同上不适用18于100大于100但不426同上不适用大于200大于200但不636同上不适用大于4001 最小长度

12、为 150m的杂货、件杂货或滚装集装箱船。2 最小长度为 100m的渡船、海峡渡船、沿海航行或岛间航行船舶。3 最小长度为 50m的近海补给船（在此情况下，实际装运的最大运输指数总和为20）。4 TEU指20英尺相等单位（相当于一只 6m长度的标准集装箱）。表C 铁路危险货物运输管理规则中工作人员与货包间的隔离距离距包件外表面最小照射时间照射时间 h（小时）安全距离（ m）包装件的运输指数（ TI ）1241024480.20.50.50.50.51.01.00.50.50.50.51.01.51.51.00.50.51.01.52.52.52.00.51.01.52.04.04.04.00.

13、51.02.03.05.05.08.01.02.02.54.07.07.010.01.52.53.05.08.08.0B.3 根据剂量限值计算隔离距离a）确定货包形状因子DR p 表面1 米远处的剂量率，根据点源计算模型，r 处剂量率的表达式变成：koDR p(1)DRg ( r ) Qr 2式中， Q =单位换算因子ko 的使用继续允许把剂量率的值外推到货包中心，以得到一个点源实际的物型，货包有效尺寸de 被用于计算到货包中心的距离，因此有：ko (1 0.5 de ) 2(2)式中， ko =点源货包形状因子16de =货包有效尺寸在这种方法中， 把货包模拟成一个直径等于de 的球体。 d

14、e 的值是通过从实际的货包尺寸中选择一个特征尺寸d p 来确定的。 例如，对于圆柱形货包， 其 d p通常等于圆柱体的长度。对于大型货包 （ d p4m ），使用 d p 时要注意 d p 过高估计了剂量率， 因此估算时要修正de ，d e 的表达式如下：ded p ; dp4m(3)2 (1 0.5d p ) 3/40.55; dp4m这样：DRgDR p (10.5de )2de 时(r )2，当 r(4)r当照射距离小于货包有效尺寸（对大型货包）时，应该采用线源近似。在线源近似中，剂量率正比于 1 ，而不是 1 ，货包形状因子重新定义如下：rr 2ko10.5d e(5)DR p (10

15、.5de )de 时因此，DRg (r )r2，当 r式中， k o =线源货包形状因子de =方程（3 ）中的货包有效尺寸b）个人单次所允许的最大剂量D D v / PPY(6)D 为个人单次所允许的最大剂量，mSvDv 为所设定的剂量限值，mSv/aPPY 为年运输次数，a 1 ；c）隔离距离计算将个人单次所允许的最大剂量代入式公式 (7)或(8) 推算出隔离距离 S。当计算点距货包表面距离 rde 时按点源考虑（如驾驶员、押运人员、保卫人员、指挥人员、停靠站周围的公众等等），当计算点距货包表面距离rde 时按线源考虑（如装卸操作人员、辐射监测人员、检修人员、加油站人员、收费站人员等等）。

16、17点源计算模式： D (TI / 100) ko T / ( S r ) 2（ 7 ）线源计算模式：D (TI /100) k o T/ (S r )（ 8 ）D 为个人单次所允许的最大剂量，mSvT 为单次运输人员与货包接触的时间，h ；TI 为货包运输指数；为人员与货包的隔离距离，m ；Sr 为货包半径， m ；示例：假定某乏燃料货包运输，货包为半径1.25m、长 4.90m 的圆柱体，运输指数 25，运输时长 120 小时，每个司机受照驾驶时间60 小时，停靠时长50 小时（单次最大停靠时间8小时），单次运输1 个货包，年运输3 次，途中每次加油20 分钟，加油 3 次。运输活动的剂量

17、限值为工作人员5mSv/a，公众 1mSv/a。估算驾驶人员，停靠期间的保卫人员，停靠区周围的公众，加油站人员的剂量。1）计算货包有效尺寸deded p ; d p4m2 (1 0.5d p ) 3/40.55; dp 4m对于圆柱形货包，其d p通常等于圆柱体的长度，将货包长度4.9m 代入公式，得出de 4.5m2）计算货包形状因子线源货包形状因子koko10.5d e将 de 4.5m 代入公式，得 ko3.25点源货包形状因子ko(10.5 d e ) 2将 de 4.5m 代入公式，得 ko 10.563）计算驾驶人员的最小隔离距离驾驶员所允许的单次最大剂量DD v / PPY驾驶员

18、年照射次数PPY 为 3 次，年剂量限值Dv5mSv 代入公式，驾驶员单次所受最大剂量 D1.7mSvD(TI / 100)ko T / ( Sr ) 218驾驶员单次所受最大剂量D1.7mSv，点源货包形状因子ko10.56 ，单次照射时间60h，货包半径r 1.25mTI 25代入公式， 得最小隔离距离S8.42m。，货包运输指数驾驶员在无屏蔽的条件下，与货包的最小隔离距离为8.42m。4）计算停运期间安保人员的最小隔离距离安保人员所允许的单次最大剂量DDv / PPY安保人员年照射次数PPY 为 3 次，年剂量限值 Dv5mSv 代入公式， 安保人员单次所受最大剂量D 1.7mSv。D(TI/ 100) koT/(Sr ) 2安保人员单次所受最大剂量()1.7 mSv ，点源货包形状因子 k10.56 ，单次照DR g ro射时间 50h，货包半径 r1.25m，货包运输指数TI