公路運(yùn)輸與多式聯(lián)運(yùn)危險(xiǎn)品罐式集裝箱設(shè)計(jì)研究

姜偉 屈陽州

陜西汽車控股集團(tuán)有限公司 陜西西安 710200

我國是危險(xiǎn)品生產(chǎn)和使用大國，每年運(yùn)輸量高達(dá)16億t，其中道路運(yùn)輸量達(dá)10億t以上。危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸?shù)陌踩玛P(guān)國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，也事關(guān)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定。交通運(yùn)輸部及其他相關(guān)部門高度重視道路運(yùn)輸危險(xiǎn)品安全問題，運(yùn)輸設(shè)備的安全性顯得尤為重要。因此，道路運(yùn)輸管理部門在要求危險(xiǎn)品運(yùn)輸企業(yè)健全、落實(shí)安全生產(chǎn)管理制度的同時(shí),也大力提倡運(yùn)輸工具本身的安全性能。

近年來，隨著相關(guān)法規(guī)的相繼修訂發(fā)布，對?；愤\(yùn)輸產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、配置、性能及運(yùn)營等各方面都帶來較大的沖擊。罐箱運(yùn)輸是國際公認(rèn)的最安全的化工品及食品運(yùn)輸方式，產(chǎn)品具有合規(guī)性、安全便捷、輕量化特性，已成為危化品運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展趨勢[1]。

1 罐式集裝箱運(yùn)輸政策法規(guī)解析

1.1 政策引導(dǎo)

自2014年開始，有關(guān)多式聯(lián)運(yùn)的政策密集發(fā)布，并且保持至今。尤其是2017年1月交通部等十八部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于進(jìn)一步鼓勵(lì)開展多式聯(lián)運(yùn)工作的通知》，是我國第一個(gè)多式聯(lián)運(yùn)綱領(lǐng)性文件，是對發(fā)展多式聯(lián)運(yùn)的頂層設(shè)計(jì)，標(biāo)志著我國已將多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略。加之 “一帶一路”倡議下，中國積極推動新的國際合作市場、新的物流通道建設(shè)，為中國罐式集裝箱行業(yè)發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。歷年相關(guān)政策如表1所示。

表1 我國罐箱發(fā)展的主要政策

1.2 法規(guī)分析

危險(xiǎn)品罐箱法規(guī)包含國際運(yùn)輸、國內(nèi)運(yùn)輸法規(guī)體系兩部分，涵蓋了危險(xiǎn)品罐箱制造、試驗(yàn)、批準(zhǔn)、維護(hù)、結(jié)構(gòu)要求、運(yùn)輸分類、托運(yùn)程序、作業(yè)規(guī)定等全方面內(nèi)容。主要法規(guī)如表2所示。

表2 罐箱運(yùn)輸主要法規(guī)

國外罐式集裝箱多式聯(lián)運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系已發(fā)展相對完善，美國對涉及COFC/TOFC、滾裝運(yùn)輸以及標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)載單元均作了詳細(xì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。歐盟已經(jīng)形成了基于標(biāo)準(zhǔn)化的多式聯(lián)運(yùn)裝備體系，其中已經(jīng)發(fā)展了海運(yùn)集裝箱、箱式半掛車和小型高腿箱三種統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)載單元。

我國多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展相對滯后，而且與多式聯(lián)運(yùn)相匹配的標(biāo)準(zhǔn)體系也不夠完善，但隨著鼓勵(lì)規(guī)范罐式集裝箱運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)政策法規(guī)不斷推進(jìn)，公路運(yùn)輸危險(xiǎn)品罐式集裝箱已在河南、山東等多地推廣應(yīng)用[2]。

近年來，我國化工產(chǎn)品市場需求持續(xù)增長，國家對危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)木C合治理日趨嚴(yán)格。目前行業(yè)中存在公路運(yùn)輸罐箱采用液罐半掛車標(biāo)準(zhǔn)GB 18564.1《道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛 第1部分：金屬常壓罐體技術(shù)要求》設(shè)計(jì)的問題。事實(shí)上，罐箱設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)為N B/T 47064《液體危險(xiǎn)貨物罐式集裝箱》，本文將以此標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，針對罐箱設(shè)計(jì)的合規(guī)化、輕量化發(fā)展趨勢，展開技術(shù)研究。

2 公路運(yùn)輸危險(xiǎn)品罐式集裝箱設(shè)計(jì)

罐箱國際運(yùn)輸為安裝于外部框架內(nèi)的不銹鋼壓力容器，用于多式聯(lián)運(yùn)，國內(nèi)罐箱目前以公路運(yùn)輸為主，尺寸以40 ft居多。本文以40 ft危險(xiǎn)品不銹鋼罐箱為例，說明公路運(yùn)輸罐箱合規(guī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[3]。如圖1所示。

圖1 三維模型圖示

2.1 主體結(jié)構(gòu)

公路運(yùn)輸危險(xiǎn)品罐式集裝箱以危險(xiǎn)品罐箱骨架運(yùn)輸半掛車搭載。危險(xiǎn)品罐箱主要由外框架、罐體、爬梯、管路系統(tǒng)、保溫層（保溫罐）、相關(guān)附件等組成。骨架車主要由高強(qiáng)鋼焊接車架、行走系統(tǒng)、防護(hù)裝置、氣電路系統(tǒng)及其他附件組成。

2.2 罐體設(shè)計(jì)

罐體主要由封頭、筒體、防波板、外加強(qiáng)圈等構(gòu)成，主體材質(zhì)采用不銹鋼S30408，主要運(yùn)輸汽油、油品添加劑、苯類等多種化工液體。

2.2.1 容積計(jì)算

查詢運(yùn)輸介質(zhì)對應(yīng)密度，計(jì)算可得罐體容積：

式中，m總為整車滿載質(zhì)量，kg；mi為整車整備質(zhì)量，kg；ρ為運(yùn)輸介質(zhì)密度，kg/m3；Φv為運(yùn)輸介質(zhì)對應(yīng)氣相空間。

罐體截面采用圓形，承壓能力最強(qiáng)，根據(jù)外框架標(biāo)準(zhǔn)尺寸、保溫層厚度布置空間，設(shè)計(jì)罐體截面直徑及截面面積，如圖2所示。

圖2 罐體空間布置

2.2.2 壁厚計(jì)算

查詢危險(xiǎn)貨物品名表對應(yīng)聯(lián)合國UN編號，對應(yīng)IMDG或JT/T617.3可得罐體設(shè)計(jì)導(dǎo)則。根據(jù)NB/T 47064要求，計(jì)算壓力為最低試驗(yàn)壓力的2/3倍。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47003，計(jì)算厚度為：

式中，δ為設(shè)計(jì)溫度下筒體計(jì)算厚度，mm；Pc為計(jì)算壓力，MPa；D 為筒體內(nèi)直徑，mm；[ σ]t為設(shè)計(jì)溫度下材料

i許用應(yīng)力，MPa；Φ為焊接接頭系數(shù)。

根據(jù)NB/T 47064規(guī)定，罐體當(dāng)量內(nèi)直徑大于1 800 mm，且有附加保護(hù)裝置，基準(zhǔn)鋼罐體厚度應(yīng)不小于4 mm；直徑不大于1 800 mm時(shí)，基準(zhǔn)鋼罐體厚度應(yīng)不小于3 mm。根據(jù)公式計(jì)算筒體最小厚度：

式中，δ1為設(shè)計(jì)溫度下筒體最小厚度，mm；δ0為基準(zhǔn)鋼的罐體最小厚度，mm；Rm1為所用材料標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；A1為所用材料的標(biāo)準(zhǔn)斷后伸長率，%。

對比筒體最小厚度及計(jì)算厚度，綜合考慮腐蝕裕量及加工工藝減薄量，選取筒體厚度。

選用深碟形封頭，計(jì)算厚度為：

式中，δh為設(shè)計(jì)溫度下封頭計(jì)算厚度，mm；M 為碟形封頭形狀系數(shù)，mm；Rhi為凸形封頭球面部分的內(nèi)半徑，mm。

封頭成型厚度≥筒體厚度，對比后考慮腐蝕裕量及加工工藝減薄量，選取封頭厚度。

2.3 外框架設(shè)計(jì)

外框架主要由端梁、立柱、角件、斜撐梁及載荷傳遞區(qū)構(gòu)成，框架要承受罐式集裝箱在運(yùn)輸過程中的各項(xiàng)載荷，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)度充足，結(jié)構(gòu)可靠、安全的原則。

根據(jù)GB/T 1413 1AA箱型要求：至少設(shè)置5對載荷傳遞區(qū)，載荷傳遞區(qū)的縱向尺寸≥75 mm。載荷傳遞區(qū)的底面（包括端橫梁底面組成的平面）應(yīng)高于底角件底面12.5 mm。

學(xué)者斯坦利·阿羅諾維茲在《知識工廠——廢除企業(yè)型大學(xué)并創(chuàng)建真正的高等教育》書中，認(rèn)為“高等教育的廉價(jià)化使高校注定退化成一系列高級的和過渡性的培訓(xùn)學(xué)?！?。這一觀點(diǎn)雖然有些武斷，但確實(shí)指出了一種危機(jī)：高等教育是不是職業(yè)學(xué)校？研究型大學(xué)、應(yīng)用型和職業(yè)教育在知識生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)該扮演著怎樣的角色分工？

5對載荷傳遞區(qū)共包含兩端角件支撐及中間3個(gè)罐體支座，兩端支座對稱分布間距為1 700～2 000 mm，中間支座間距為均布。如圖3所示。

圖3 外框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4 防波板及外加強(qiáng)設(shè)計(jì)

防波板及外加強(qiáng)圈是罐體的關(guān)鍵加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，防波板減小罐體內(nèi)液體的波動和沖擊，提高整車的行駛安全性和穩(wěn)定性。為保證罐體有足夠的剛度和強(qiáng)度，外部加強(qiáng)圈布置須合理可靠。同時(shí)，在滿足使用要求的情況下，考慮輕量化設(shè)計(jì)。

根據(jù)NB/T 47064要求，外加強(qiáng)圈作為罐體加強(qiáng)部件，間隔≤1 750 mm，罐體支座對應(yīng)設(shè)計(jì)3道外加強(qiáng)圈支撐，其余加強(qiáng)圈在中間均布，加強(qiáng)圈采用歐米伽碳鋼型材，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化同時(shí)，確保罐體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。如圖4所示。

圖4 外加強(qiáng)布置

防波板之間容積≤7.5 m3，罐體設(shè)置6道防波板。標(biāo)準(zhǔn)要求防波板不作為筒體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其有效面積應(yīng)大于筒體截面的40%，基于輕量化、裝配便捷設(shè)計(jì)，選用裝配式活動防波板。如圖5所示。

圖5 防波板布置

2.5 危險(xiǎn)品罐箱骨架運(yùn)輸半掛車

危險(xiǎn)品罐箱骨架運(yùn)輸半掛車設(shè)計(jì)與普通半掛車設(shè)計(jì)方法基本相同。值得注意的是，雖然根據(jù)工信部2020年4月產(chǎn)品公告最新要求，對直梁式危險(xiǎn)品罐箱骨架運(yùn)輸半掛車牽引銷處車架高度尺寸要求予以放寬（≤194 mm），但實(shí)際市場上常用的牽引車空載鞍座高度普遍為（1 300±20) mm，只能采用降低前部車架高度的方案以滿足4 000 mm限高要求。車架鵝頸前部設(shè)計(jì)高度為90 mm，其加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。

3 基于氣液兩相流固耦合仿真分析

標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)中對于罐箱外加強(qiáng)及防波板布置有明確要求，在滿足標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求的前提下，輕量化設(shè)計(jì)須以結(jié)構(gòu)改進(jìn)為突破方向。本次設(shè)計(jì)通過STARCCM+與Hyperworks軟件[4]聯(lián)合應(yīng)用，對比不同罐體加強(qiáng)方案，基于氣液兩相流固耦合原理，將罐體內(nèi)液體晃動時(shí)產(chǎn)生的載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中[5]，對公路運(yùn)輸罐箱和骨架車進(jìn)行受力分析。這種分析方法，有效解決了目前常用的液體壓強(qiáng)公式加載而忽略液體流動作用力分析方法的不足，更為真實(shí)地模擬罐箱受力情況。

3.1 防波板仿真分析

防波板設(shè)計(jì)采用兩種結(jié)構(gòu)方案對比研究：方案一為常見的深碟型、裝配式防波板間隔布置結(jié)構(gòu)（見圖6），結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，方案二為改進(jìn)后全裝配式防波板。

圖6 深碟型防波板間隔布置

圖7 間隔布置方案應(yīng)力云圖

將三道深碟型防波板更換為裝配式活動防波板（見圖8），并把相鄰防波板相同位置橫檔上下錯(cuò)開100 mm布置，降低液體沖擊影響，提高防波效果。從分析結(jié)果可以看出，所有防波板應(yīng)力整體有所提升，最大應(yīng)力位于中間橫檔為132.4 MPa，為不銹鋼S30408屈服極限的64.6%，安全余量充分，輕量化設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求，如圖9所示。

圖8 全裝配式防波板布置

圖9 全裝配式防波板應(yīng)力云圖

防波板輕量化設(shè)計(jì)整車降重約130 kg，對比常規(guī)方案降重約16.8%，深碟型防波板結(jié)構(gòu)用于公路運(yùn)輸強(qiáng)度富余，但對于海運(yùn)等更為惡劣的工況，仍可采用。

3.2 外加強(qiáng)仿真分析

罐體外加強(qiáng)筋目前市場使用較多的為4 mm厚U型折彎件，材質(zhì)為Q345B鋼材。本次加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)采用歐米伽型材，材質(zhì)不變，厚度降低為3 mm，如圖10所示。

圖10 外加強(qiáng)筋截面對比

根據(jù)分析結(jié)果來看，罐體外部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后受力良好，加強(qiáng)圈最大應(yīng)力為192.3 MPa，為Q345B材料屈服極限的55.7%，外加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用歐米伽型材后，對比傳統(tǒng)折彎結(jié)構(gòu)，降重約15.8%。如圖11所示。

圖11 罐體外加強(qiáng)應(yīng)力云圖

3.3 車架仿真分析

車架搭載罐箱經(jīng)過仿真分析后可以看出，前部鵝頸處經(jīng)過“井”字型焊接加強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足使用要求，如圖12所示。

圖12 車架分析應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

隨著國家對危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)木C合治理日趨嚴(yán)格，鼓勵(lì)規(guī)范罐式集裝箱運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)政策法規(guī)將持續(xù)推進(jìn)。我國積極推動新的國際合作市場、新的物流通道建設(shè)，雖然多式聯(lián)運(yùn)罐箱尚處于初步發(fā)展階段，但在危險(xiǎn)品公路運(yùn)輸中，罐箱推廣應(yīng)用效果良好。

本文對標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)解讀分析，對符合法規(guī)要求的罐箱和骨架車設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)研究，通過對罐體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、防波板結(jié)構(gòu)改進(jìn)及錯(cuò)位布置等舉措，結(jié)合基于氣液兩相流固耦合仿真驗(yàn)證的分析方法，對罐箱輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出技術(shù)創(chuàng)新，旨在為危險(xiǎn)品運(yùn)輸行業(yè)提供技術(shù)支持。