運(yùn)油半掛車設(shè)計(jì)案例

韋啟愿

（中國(guó)重汽集團(tuán)柳州運(yùn)力專用汽車有限公司，廣西 柳州 545112）

0 引言

由于《GB18564.1-2019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》（以下簡(jiǎn)稱《GB18564.1》）的實(shí)施，國(guó)家對(duì)“常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車”的整治力度不斷加大，為了減少道路交通安全事故，防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，按照《國(guó)務(wù)院安全生產(chǎn)委員會(huì)關(guān)于印發(fā)＜全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃＞的通知》等部署安排，交通運(yùn)輸部、工業(yè)和信息化部、公安部、市場(chǎng)監(jiān)管總局決定聯(lián)合開(kāi)展罐車治理工作并于2021年4月提出《常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車治理工作方案》，加大對(duì)在用車輛和新罐車準(zhǔn)入的質(zhì)量管控。因此運(yùn)油車輛在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程將會(huì)更加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，運(yùn)油車在設(shè)計(jì)方面需要完全按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以下為鋁合金運(yùn)油半掛車標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)案例。

1 設(shè)計(jì)條件的確定

該鋁合金運(yùn)油半掛車要求為三軸雙胎半掛式車輛（圖1），運(yùn)輸介質(zhì)為柴油，容積為42 m3，總質(zhì)量為40000 kg，額定載質(zhì)量33200 kg，罐體材質(zhì)采用鋁合金5182H111，輪胎12R22.5-12PR，空氣懸掛，配備6X4牽引車。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB12268-2012》查出柴油的物理特性見(jiàn)表1[1]。

表1 介質(zhì)物理特性

根據(jù)《GB18564.1》附錄A表A.1查得柴油的罐體設(shè)計(jì)代碼為L(zhǎng)GBF[2]，因此罐體應(yīng)有帶有緊急泄放系統(tǒng)，安裝帶有阻火功能的呼吸閥，無(wú)需保溫。車輛采用重力裝卸料，卸料管道應(yīng)帶有3道閥門，其中第一道應(yīng)為緊急切斷閥；裝卸前后，均應(yīng)徹底清掃、洗凈，嚴(yán)禁混入有機(jī)物；遠(yuǎn)離火種、熱源；滅火方法:干粉、二氧化碳、砂土。

2 半掛車參數(shù)、配置、方案的確定

該車選定為三軸半掛車，在GB1589-2016標(biāo)準(zhǔn)中，掛車外廊尺寸的最大限值要求見(jiàn)表2[3]。

表2 半掛車外擴(kuò)尺寸的最大限值

最大允許軸荷限值的要求見(jiàn)表3[3]。

表3 半掛車三軸組的最大允許軸荷限值

最大允許總質(zhì)量限值的要求見(jiàn)表4[3]。

表4 半掛車最大允許總質(zhì)量限值

該車方案參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 半掛車方案參數(shù)列表

根據(jù)以上的參數(shù)確定整體方案如圖1所示。

圖1 整體方案圖

3 最大充裝率和最大允許裝置量的確定

由該車的方案可知：設(shè)計(jì)容積為42 m3，總質(zhì)量為40000 kg，額定載質(zhì)量33200 kg，該介質(zhì)為柴油。

當(dāng)溫度為20℃，密度830 kg/m3時(shí)，由于該介質(zhì)易燃、無(wú)毒、無(wú)腐蝕，帶有緊急泄放裝置和呼吸閥，最大充裝率，其中：

式中：ρ15=833 kg/m3；ρ50=809 kg/m3

考慮到罐車的額定載質(zhì)量33200 kg，介質(zhì)溫度為20℃時(shí)的最大充裝率=33200÷（42×830）=95.238%＜97.51%。

因此，介質(zhì)溫度為20℃時(shí)的最大充裝率=95.238%。

20℃時(shí)的罐體最大允許充裝量：

綜合上述：介質(zhì)溫度為20℃時(shí)的最大充裝率為95.238%，罐體最大允許充裝量為33200 kg。

4 罐體設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

柴油的設(shè)計(jì)代碼為L(zhǎng)GBF，液壓試驗(yàn)壓力為G，選用非圓形截面:截面A兩側(cè)圓弧半徑為R1899，截面上下圓弧半徑為R1989；罐體截面積A=4.18 m2，當(dāng)量?jī)?nèi)直徑：

因此Di=2307，具體尺寸如圖2所示。

圖2 罐體截面圖

外壓：罐體帶呼吸閥，無(wú)需進(jìn)行外壓計(jì)算。

設(shè)計(jì)溫度：罐體設(shè)計(jì)溫度取50℃。

設(shè)計(jì)壓力：由于罐體采用重力裝卸料，無(wú)壓力；柴油50℃時(shí)的飽和蒸汽壓小于46 kPa(絕壓)，沒(méi)有封氮，裝有呼吸閥，不存在液體膨脹引起的壓力，所以取設(shè)計(jì)壓力P=20 kPa。

4.1 計(jì)算壓力

當(dāng)最大充裝率中φV=95.238%時(shí)，受力最大為縱向，運(yùn)動(dòng)方向：防波板與封頭之間最大質(zhì)量的兩倍乘以重力加速度。防波板與封頭距離為1200 mm，封頭、防波板深度為150 mm，翻邊為50 mm，容積為：

等效壓力取P1=35 kPa，注：1.5為安全系數(shù)。

2倍水柱靜壓力為:39.55 kPa

計(jì)算壓力

其中：p1為2倍靜態(tài)液柱或水的壓力，MPa；pc1為計(jì)算壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；H為罐體液柱高度，m。

4.2 許用應(yīng)力

罐體材料為5182，其許用應(yīng)力[σ]t=70 MPa。

護(hù)肩材料為6061T4，其許用應(yīng)力[σ]t=41 MPa。

支座材料為6061T6，其許用應(yīng)力[σ]t=66 MPa[4]。

4.3 焊接接頭系數(shù)

罐體對(duì)接焊縫采取10%X光無(wú)損探傷，焊接接頭系數(shù)取Φ=0.85。

4.4 腐蝕裕量

汽油對(duì)鋁合金腐蝕速率為0.05 mm/年，腐蝕裕量取0.5 mm。

4.5 罐體液壓試驗(yàn)壓力

罐體液壓試驗(yàn)壓力pc1=45 kPa

4.6 罐體氣密性試驗(yàn)壓力

體氣密性試驗(yàn)壓力p=36 kPa

5 計(jì)算

5.1 罐體壁厚計(jì)算

罐體當(dāng)量直徑Di=2307 mm＞1800 mm，罐體最大曲率半徑小于或等于2000 mm，則基準(zhǔn)鋼最小厚度δ0應(yīng)大于等于4 mm，鋁合金最小厚度應(yīng)大于等于5 mm。

（1）罐體板材料厚計(jì)算

按公式計(jì)算

式中：δ1為所用材料的簡(jiǎn)體最小厚度，mm；δ0為技基準(zhǔn)鋼設(shè)定的簡(jiǎn)體最小厚度，mm；Rm1為所用材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值，MPa；A1為所用材料的斷后仲長(zhǎng)率。

（2）封頭板材料厚計(jì)算

該封頭內(nèi)空尺寸為長(zhǎng)軸2485 mm，短軸2020 mm，封頭深度為200 mm（hi=200）根據(jù)JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容規(guī)定，受內(nèi)壓類橢圓形封頭壁厚算式如下：

其中：P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；δ為封頭的計(jì)算厚度，mm；?為焊接接頭系數(shù)，取?=0.85；K為封頭形狀系數(shù)：

所以罐體的最小厚度為5 mm，考慮到腐蝕裕量為0.5 mm，則罐體設(shè)計(jì)厚度為5.5 m，名義厚度6.0 mm，封頭設(shè)計(jì)厚度5.5 mm，名義厚度6.0 mm。

5.2 罐體強(qiáng)度計(jì)算

由于罐體截面為非圓形，按標(biāo)準(zhǔn)要求加載，通過(guò)有限元進(jìn)行應(yīng)力分析，罐體強(qiáng)度符合要求。

5.3 人孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

該罐體截面內(nèi)空尺寸為長(zhǎng)軸2485 mm，短軸2020 mm，人孔座孔徑為512 mm，厚度為6 mm，開(kāi)孔大小為512 mm，開(kāi)孔位置位于罐體頂部。根據(jù)JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容規(guī)定可得：

其中：P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；δ為殼體開(kāi)孔處的計(jì)算厚度，mm；K為封頭形狀系數(shù)；其值可根據(jù)蝶形封頭標(biāo)準(zhǔn)查出，封頭長(zhǎng)軸/短軸=1.17，可取1.2，K=0.57；?為焊接接頭系數(shù)，取?=0.85。

（1）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍

d+2δn+2δnt=512+2×5.5+2×6=535 mm，其中，罐體名義厚度δn=5.5 mm，封頭名義厚度δnt=6 mm。

取較大值：B=1024 mm

（2）補(bǔ)強(qiáng)面積

在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作補(bǔ)強(qiáng)的截面積Ae：

其中：Ae為補(bǔ)強(qiáng)面積。

A1=（B-d）（δe-δr）-2δ（δe-δr），其中δe=0.5 mm（與罐體連接的圓筒有效厚度），δt=6 mm（人孔座的厚度）。

A1=（1024-512）×（0.5-0.22）-2×6×

內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng)高度（0.5-0.22）=130 mm2；

A2=2h1（δnt-δt）+2h2（δnt-C2），其中C2=0.5 mm（腐蝕裕量），δt=0.084 mm（接管計(jì)算厚度）

A2=2×50×（6-0.084）+2×55×（6-0.5）=1196.6 mm2

A3=（6×6）÷2=18 mm2（A3為焊縫截面積，焊縫高度為6 mm）

因此：Ae=A1+A2+A3=130+1196.6+18=1344.6 mm2

A為開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積，則有：

A=512×0.24+2×（6-0.5）×（1-1）=122.88 mm2（512 mm為開(kāi)孔直徑，δ=0.24 mm，強(qiáng)度削弱系數(shù)為1）。

綜合上述Ae＞A，因此開(kāi)孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)板[5]。

5.4 傾覆保護(hù)裝置

頂傾覆保護(hù)裝置采用6061T4 t=3，長(zhǎng)9940 mm，4道，則面積S:

護(hù)肩承受的慣性力σ：

式中：σ為所用材料所承受的應(yīng)力，MPa；G為罐車總重，kg；g為重力加速度，m/s2；S為護(hù)肩的截面積，mm2；[σ]t為所用材料6061T4的許用應(yīng)力，MPa。

因此符合要求。

5.5 容積計(jì)算

罐體容積指的是罐體總?cè)莘e，由直筒容積加上兩個(gè)封頭的容積再減去罐內(nèi)附件所占的容積。直筒容積等于截面積乘以直筒長(zhǎng)度，封頭為蝶形封頭，蝶形封頭容積等于截面積乘以封頭深度的1/3。具體計(jì)算如下：

圖3 罐體簡(jiǎn)圖

其中：V1為直筒的體積，V1=LA；A為截面面積（A=4.18 m2）；L為罐體直線段長(zhǎng)度，見(jiàn)圖3；L1為蝶形封頭深度，L1=0.2 m；V0為罐內(nèi)附件的體積總和，V0=0.25 m3。

5.6 罐體安全泄放量計(jì)算

根據(jù)三維圖紙測(cè)量得出筒體外面積如下：

筒體外周長(zhǎng)為7.376 m，長(zhǎng)10 m，截面積4.18 m2，則罐體外表面積A：

查表：罐體表面積80 m2，最小安全泄放量為4.726 m3/s；罐體表面積85 m2，最小安全泄放量為4.967 m3/s[2]，則該罐體最小安全泄放量為：

該罐體的安全泄放量應(yīng)不小于4.822 m3/s。

5.7 緊急泄放裝置的選擇

緊急泄放裝置的動(dòng)作壓力應(yīng)大于等于罐體設(shè)計(jì)壓力的1.05倍，且大于等于0.02 MPa。該車設(shè)計(jì)壓力為0.02 MPa，所以確定緊急泄放裝置的動(dòng)作壓力為0.021 MPa，總的泄放量為4.822 m3/s。該車容積分為三倉(cāng)等分，每倉(cāng)的排放量為1.607 m3/s，每倉(cāng)安裝一個(gè)人孔（帶緊急泄放裝置）。

該車選用的人孔型號(hào)為580B，緊急泄放裝置口徑為Φ250 mm，緊急泄放裝置的動(dòng)作壓力為21 kPa～35 kPa。緊急泄放裝置的排量為1.944 m3/s＞1.607 m3/s，因此所選的緊急泄放裝置滿足技術(shù)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)油半掛車運(yùn)輸介質(zhì)的物理特性，計(jì)算出罐體容積、罐體設(shè)計(jì)壓力、罐體板材厚度、封頭厚度、罐體泄放量等參數(shù)，最后核驗(yàn)緊急泄放裝置能否滿足技術(shù)要求。整個(gè)過(guò)程是根據(jù)常壓液體危險(xiǎn)貨物罐車的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，梳理了運(yùn)油半掛車的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算過(guò)程，為同行設(shè)計(jì)提供一定的借鑒意義。