移動式T11型交換體罐式集裝箱的設(shè)計(jì)

李 濤，劉海鵬，張露穎

（1.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002；2.大連中車鐵龍集裝化技術(shù)裝備研發(fā)有限公司，遼寧 大連 116052；3.中車齊齊哈爾車輛有限公司 大連研發(fā)中心，遼寧 大連 116052）

0 引言

交換體罐式集裝箱（Swap-body tank container）源于歐洲，屬于內(nèi)陸集裝箱的一種[1]。與ISO標(biāo)準(zhǔn)系列罐式集裝箱類似，具備集裝箱多式聯(lián)運(yùn)所必要的基本特征。在罐體方面，從長度角度看，罐體部分突出框架的前、后端框，寬度比ISO標(biāo)準(zhǔn)系列罐式集裝箱寬，使得罐體容積更大。從框架方面，其框架的角件鎖孔位置仍然處于標(biāo)準(zhǔn)集裝箱系列規(guī)定的位置，滿足交換體罐式集裝箱使用中所需要的吊裝、運(yùn)輸要求，框架的前后端設(shè)有保護(hù)架，對罐體端部封頭在吊裝、堆碼過程中起到額外的保護(hù)作用。相比ISO標(biāo)準(zhǔn)罐箱，采用交換體罐式集裝箱能夠有效地提升運(yùn)輸效率，在歐洲交換箱已經(jīng)為該地區(qū)多式聯(lián)運(yùn)發(fā)揮了巨大的作用。在國內(nèi)物流業(yè)中交換體罐式集裝箱尚處于摸索階段，隨著中共中央、國務(wù)院印發(fā)《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》、國家發(fā)改委發(fā)布《“十四五”長江經(jīng)濟(jì)帶綜合交通運(yùn)輸體系規(guī)劃》、交通運(yùn)輸部等多部門聯(lián)合印發(fā)《交通運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)化“十四五”發(fā)展規(guī)劃》等國家政策以及GB/T39661-2020《道路運(yùn)輸用交換箱技術(shù)要求與試驗(yàn)方法》發(fā)布，交換體罐式集裝箱在未來將成為中國多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展的重要裝備。本設(shè)計(jì)的可移動式T11型交換體罐式集裝箱的選型和設(shè)計(jì)適應(yīng)我國多式聯(lián)運(yùn)的需要。

1 設(shè)計(jì)規(guī)范和主要技術(shù)參數(shù)

可移動式T11型交換體罐式集裝箱的設(shè)計(jì)在遵循國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的同時(shí)應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。根據(jù)IMDG T11型的規(guī)定以及ASME BPVC.VIII-1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，參照EN1432選型C782H，結(jié)合GB1589、GB/T35201和GB/T39661確定了罐箱長度為7820 mm，寬度為2550 mm，高度為2670 mm，交換體罐式集裝箱的具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 交換體罐式集裝箱

2 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

交換體罐式集裝箱主要由罐體、框架、加熱系統(tǒng)、溢流盒、保溫外包、步道、標(biāo)記和銘牌、閥件等組成（圖1）。罐體是罐箱的核心部件，直接與裝載液體介質(zhì)接觸，在運(yùn)輸過程中承受存儲液體縱向、橫向、垂向的作用力及鐵路沖擊工況等。同時(shí)考慮到T11罐箱的運(yùn)輸介質(zhì)多品種適應(yīng)性，封頭和筒體采用了SANS50028-7標(biāo)準(zhǔn)的1.4402奧氏體不銹鋼制造，由封頭、筒體、內(nèi)加強(qiáng)圈、人孔、安全閥、氣相閥、下卸閥等部件通過焊接組成。

圖1 交換體罐式集裝箱結(jié)構(gòu)簡圖

框架是罐箱吊裝、運(yùn)輸?shù)闹饕休d結(jié)構(gòu)，同時(shí)對罐體起到保護(hù)作用?？蚣軆啥丝蚺c罐體采用裙圈結(jié)構(gòu)連接。為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，框架由上、下端梁，端、底斜撐，端部加強(qiáng)板，角件等焊接組成。兩端框之間設(shè)有頂、底側(cè)梁。后端框右側(cè)設(shè)置一爬梯通向頂部，頂側(cè)梁之間設(shè)有鋁合金步道，滿足人員操作裝卸料。

加熱系統(tǒng)主要給罐內(nèi)的介質(zhì)進(jìn)行加熱。其采用梯形板與罐體外壁焊接，形成封閉的縱向流道，端部設(shè)有環(huán)向的流道，流道內(nèi)通過溫度較高的蒸汽直接對罐體加熱。加熱系統(tǒng)配備BSP螺紋的進(jìn)氣和排氣接口，分別配有防塵帽，并在管道最低位設(shè)有冷凝水排放口。

溢流盒安裝在在罐箱頂部，提供閥件操作空間和保護(hù)閥件，由不銹鋼折壓件與罐體頂部焊接而成。盒內(nèi)有人孔、安全閥、空氣閥。

保溫外包在罐體外部，保溫材料采用巖棉，主要起到保持罐內(nèi)溫度的作用。巖棉外部采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GRP）面板。

閥件主要包含DN500的人孔，DN80的法蘭式安全閥，DN40的氣相閥，DN80的頂進(jìn)料閥備用口、DN80帶緊急切斷功能的三道截止的底出料閥以及緊急切斷裝置等，并設(shè)置了溫度計(jì)、液位計(jì)和文件筒等附件。

按照EN13044等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)要求，罐箱每一接口張貼作業(yè)標(biāo)記，端部框架處設(shè)置金屬銘牌，銘牌上永久標(biāo)記該罐箱的信息。

3 筒體、封頭厚度的計(jì)算

3.1 材料要求

根據(jù)IMDG國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物（International Maritime Dangerous Goods）要求，罐體使用的材料需滿足以下要求：

（1）當(dāng)采用精細(xì)鋼時(shí)，根據(jù)材料規(guī)格，明確的屈服強(qiáng)度值須不大于460 MPa，明確的抗拉強(qiáng)度上限須不超過725 MPa；

（2）所使用的材料Re/Rm不能大于0.85；

（3）所使用的材料的斷面延伸率（用百分比表示）不低于10000/Rm，其中精細(xì)鋼的絕對最小值為16%，其它鋼材為20%。

本罐箱中所采用的材料為SANS50028-7標(biāo)準(zhǔn)的1.4402奧氏體不銹鋼滿足上述要求。

3.2 罐體強(qiáng)度計(jì)算

3.2.1 罐體承受的壓力

罐體承受的壓力包括運(yùn)輸中液體介質(zhì)的靜水壓力、運(yùn)行中液涌慣性力以及可能受到外界的碰撞產(chǎn)生的沖擊力等。根據(jù)IMDG要求，確定罐體部分所需要承受的壓力：

根據(jù)IMDG要求，需要包含等效壓力，即慣性力P：各方向的慣性力分為兩部分，罐體本身的慣性力和內(nèi)裝液體W的慣性力。內(nèi)裝液體W慣性力折算為動壓力均勻分布在罐體在垂直于對應(yīng)運(yùn)動方向的投影面積上：經(jīng)計(jì)算Pd=Pw+max（0.035 MPa，等效壓力）=0.527 MPa。

3.2.2 罐體材料的許用應(yīng)力

根據(jù)IMDG以及ASME標(biāo)準(zhǔn)，對于有1%的屈服應(yīng)力的奧氏體不銹鋼材料，其許用應(yīng)力為：

另外，校核水壓試驗(yàn)時(shí)，罐體厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)IMDG要求其許用的應(yīng)力為：

在兩倍動載荷下，罐體厚度是否滿足設(shè)計(jì)要求，根據(jù)IMDG要求其許用的應(yīng)力為：

具體見表2。

表2 1.4402力學(xué)性能及許用應(yīng)力

3.2.3 罐體厚度計(jì)算

（1）筒體

設(shè)計(jì)溫度下：內(nèi)壓Pd=Pw+max（0.035 MPa，靜水壓）=0.435 MPa；外壓：Pd=Pa=0.021 MPa；常溫水壓試驗(yàn)：Pd=Pt+max（0.035 MPa，靜水壓）=0.635 MPa。

筒體厚度計(jì)算：筒體為單層圓形截面，內(nèi)徑Di為2484 mm，根據(jù)ASME BPVC.Ⅷ-1：

代入以上三種Pd，計(jì)算后取最大值為4.454 mm，因此設(shè)定采用的筒體厚度為4.5 mm。

（2）封頭

封頭為碟型封頭，R=2484 mm，r=373 mm。

根據(jù)ASME BPVC.Ⅷ-1：

代入以上3種Pd，計(jì)算后取最大值為5.272 mm，因此考慮碟型封頭成型減薄率，設(shè)定采用的封頭最小成型厚度為6 mm。

（3）IMDG中對罐體部分最小厚度的要求

對于按照導(dǎo)則T11設(shè)計(jì)的罐體，根據(jù)IMDG6.7.2.4章節(jié)中罐殼最低厚度要求，直徑大于1.80 m的罐體采用標(biāo)準(zhǔn)鋼時(shí)其厚度須不小于6 mm，采用其他金屬的同等厚度為：

經(jīng)計(jì)算，滿足SANS50028-7標(biāo)準(zhǔn)的1.4402奧氏體不銹鋼的同等厚度為4.132mm。而所采用的筒體、封頭厚度均滿足該要求。

3.2.4 罐體有限元計(jì)算

為進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的可靠性，對罐體結(jié)構(gòu)采用了有限元分析，計(jì)算采用的軟件為Hypermesh和Ansys12.0軟件系統(tǒng)。計(jì)算工況包括罐體的內(nèi)壓工況、水壓試驗(yàn)工況、堆碼工況、外壓穩(wěn)定性工況。

有限元模型對罐箱進(jìn)行了簡化，以罐體、框架、加熱系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)為主建立了1/2模型為分析對象。其中對于步道、外包等附屬件等模型中未建立的非結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量損失，在計(jì)算時(shí)通過修改筒體材料的物理密度進(jìn)行補(bǔ)償，從而使其損失的重量平均分擔(dān)到整個(gè)筒體上，保證整體模型的重量與實(shí)際罐體自重相同，確保了分析的可靠性。模型主要以4節(jié)點(diǎn)四邊形shell單元為主，三角形單元為輔離散結(jié)構(gòu)，整體單元長度為20 mm，共劃分節(jié)點(diǎn)128660個(gè)，單元143932個(gè)，幾何模型見圖2，有限元模型見圖3。罐體采用的奧氏體不銹鋼材料特性彈性模量按照E=191600 MPa，泊松比μ=0.3；其他SPA-H等碳鋼材料按照彈性模量E=206800 MPa，泊松比μ=0.29。

圖2 1/2幾何模型

圖3 1/2有限元模型

（1）評估標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)ASME BPVC.Ⅷ-2,罐體總體薄膜應(yīng)力Pm≤[σ]；一次膜加彎曲應(yīng)力Pm（PL）+Pb≤1.5[σ]。罐體材料SANS50028-7標(biāo)準(zhǔn)的1.4402奧氏體不銹鋼力學(xué)性能見表3。

表3 罐體材料1.4402力學(xué)性能

內(nèi)壓工況、水壓試驗(yàn)工況、堆碼工況、四種計(jì)算工況評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。有限元分析應(yīng)力輸出結(jié)果全部為Von-Mises當(dāng)量應(yīng)力，單位為MPa。

表4 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

（2）內(nèi)壓工況計(jì)算

內(nèi)壓載荷按照最大允許工作壓力0.4 MPa均布在罐體內(nèi)表面，介質(zhì)重量R-T=31.6 t從罐頂按照水壓線分布加載，頂部為零，底部最大。底角件約束X、Y、Z三個(gè)方向線位移，縱向?qū)ΨQ面施加對稱約束。罐體最大膜應(yīng)力Pm為107 MPa，發(fā)生在筒體側(cè)面；罐體局部膜加彎曲應(yīng)力PL+Pb為119 MPa，發(fā)生在筒體與加強(qiáng)圈交接處；二次當(dāng)量應(yīng)力Q為321 MPa,發(fā)生在筒體與加強(qiáng)圈交接處，評價(jià)結(jié)果均合格。罐體薄膜應(yīng)力云圖如圖4，膜加彎曲應(yīng)力云圖如圖5。

圖4 罐體薄膜應(yīng)力云圖

圖5 膜加彎曲應(yīng)力云圖

（3）水壓試驗(yàn)工況計(jì)算

水壓載荷按照0.6 MPa均布在罐體內(nèi)表面，介質(zhì)重量R-T=31.6 t從罐頂按照水壓線分布加載，頂部為零，底部最大。底角件約束X、Y、Z三個(gè)方向線位移，縱向?qū)ΨQ面施加對稱約束。罐體最大膜應(yīng)力Pm為161 MPa，發(fā)生在筒體側(cè)面；罐體局部膜加彎曲應(yīng)力PL+Pb為181 MPa，發(fā)生在筒體與加強(qiáng)圈交接處；二次當(dāng)量應(yīng)力Q為394 MPa,發(fā)生在筒體人孔處，評價(jià)結(jié)果均合格。罐體薄膜應(yīng)力云圖如圖6，膜加彎曲應(yīng)力云圖如圖7。

圖6 罐體薄膜應(yīng)力云圖

圖7 膜加彎曲應(yīng)力云圖

（4）堆碼工況計(jì)算

堆碼工況加載時(shí)考慮垂向載荷偏載情況，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)頂部角件橫向偏移25.4 mm，縱向偏移38 mm。四個(gè)角柱頂部角件分別垂直向下作用如下的力為F=318 kN，箱內(nèi)載荷為按照內(nèi)壓工況加載。底角件約束X、Y、Z三個(gè)方向線位移。框架最大應(yīng)力發(fā)生在角柱側(cè)面中部為245 MPa，評價(jià)結(jié)果合格?？蚣軕?yīng)力云圖如圖8，罐箱整體彈性變形云圖如圖9。

（5）外壓穩(wěn)定性工況計(jì)算

箱體在外壓0.021MPa載荷下的屈曲振型見圖10。屈曲因子按照ASME BPVC.Ⅷ-2穩(wěn)定性安全系數(shù)2.5，計(jì)算三階整體振型頻率分別為6.2、6.208和6.368，出現(xiàn)在筒體大面處，均大于安全系數(shù)2.5，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 框架應(yīng)力云圖

圖9 罐箱整體彈性變形云圖

圖10 箱體在外壓0.021MPa載荷下的屈曲振型

4 結(jié)語

可移動式T11型交換體罐式集裝箱的設(shè)計(jì)基于ISO系列1標(biāo)準(zhǔn)罐式集裝箱的基礎(chǔ)，參照EN1432及GB1589標(biāo)準(zhǔn)，以公路、鐵路車輛為基點(diǎn)，按照IMDG可移動罐柜導(dǎo)則中適用運(yùn)輸介質(zhì)品類最廣的T11型進(jìn)行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品主要的性能、參數(shù)、尺寸符合相關(guān)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)文件通過了中國船級社審查批準(zhǔn)。罐箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用開放端框及碟型封頭，增加了罐體容積達(dá)到36 m3，比ISO系列1同T11型號的罐箱容積增加10 m3。罐體受壓材料采用SANS50028-7標(biāo)準(zhǔn)的1.4402奧氏體不銹鋼，兼顧了耐腐蝕性能和罐體輕量化的需求。采用外加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)保證罐體內(nèi)部光滑，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化清洗，提高裝運(yùn)不同介質(zhì)的換裝效率，提升經(jīng)濟(jì)效益。目前，交換體罐式集裝箱在我國的運(yùn)用尚屬起步階段，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，配套的公路、鐵路運(yùn)輸工具不斷完備，交換體罐式集裝箱可最大化發(fā)揮運(yùn)輸車輛的效能特點(diǎn)，通過現(xiàn)代物流多式聯(lián)運(yùn)降低物流成本，有望成為我國未來發(fā)展速度最快的運(yùn)載工具。