移動式T11型交換體罐式集裝箱的設計

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裝備研發有限公司，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，屬于內陸集裝箱的一種[1]。與ISO標準系列罐式集裝箱類似，具備集裝箱多式聯運所必要的基本特征。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標準系列罐式集裝箱寬，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準集裝箱系列規定的位置，滿足交換體罐式集裝箱使用中所需要的吊裝、運輸要求，框架的前后端設有保護架，對罐體端部封頭在吊裝、堆碼過程中起到額外的保護作用。相比ISO標準罐箱，采用交換體罐式集裝箱能夠有效地提升運輸效率，在歐洲交換箱已經為該地區多式聯運發揮了巨大的作用。在國內物流業中交換體罐式集裝箱尚處于摸索階段，隨著中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網規劃綱要》、國家發改委發布《“十四五”長江經濟帶綜合交通運輸體系規劃》、交通運輸部等多部門聯合印發《交通運輸標準化“十四五”發展規劃》等國家政策以及GB/T39661-2020《道路運輸用交換箱技術要求與試驗方法》發布，交換體罐式集裝箱在未來將成為中國多式聯運發展的重要裝備。本設計的可移動式T11型交換體罐式集裝箱的選型和設計適應我國多式聯運的需要。

1 設計規范和主要技術參數

可移動式T11型交換體罐式集裝箱的設計在遵循國際標準和規范的同時應當符合相關國家標準的規定和要求。根據IMDG T11型的規定以及ASME BPVC.VIII-1設計標準的要求，參照EN1432選型C782H，結合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計參數見表1。

表1 交換體罐式集裝箱

2 主要結構的設計

交換體罐式集裝箱主要由罐體、框架、加熱系統、溢流盒、保溫外包、步道、標記和銘牌、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接觸，在運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。同時考慮到T11罐箱的運輸介質多品種適應性，封頭和筒體采用了SANS50028-7標準的1.4402奧氏體不銹鋼制造，由封頭、筒體、內加強圈、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構簡圖

框架是罐箱吊裝、運輸的主要承載結構，同時對罐體起到保護作用。框架兩端框與罐體采用裙圈結構連接。為保證結構強度，框架由上、下端梁，端、底斜撐，端部加強板，角件等焊接組成。兩端框之間設有頂、底側梁。后端框右側設置一爬梯通向頂部，頂側梁之間設有鋁合金步道，滿足人員操作裝卸料。

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

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

保溫外包在罐體外部，保溫材料采用巖棉，主要起到保持罐內溫度的作用。巖棉外部采用玻璃纖維增強塑料（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，并設置了溫度計、液位計和文件筒等附件。

按照EN13044等相關標準和法規要求，罐箱每一接口張貼作業標記，端部框架處設置金屬銘牌，銘牌上永久標記該罐箱的信息。

3 筒體、封頭厚度的計算

3.1 材料要求

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

（1）當采用精細鋼時，根據材料規格，明確的屈服強度值須不大于460 MPa，明確的抗拉強度上限須不超過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標準的1.4402奧氏體不銹鋼滿足上述要求。

3.2 罐體強度計算

3.2.1 罐體承受的壓力

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

根據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裝液體W的慣性力。內裝液體W慣性力折算為動壓力均勻分布在罐體在垂直于對應運動方向的投影面積上：經計算Pd=Pw+max（0.035 MPa，等效壓力）=0.527 MPa。

3.2.2 罐體材料的許用應力

根據IMDG以及ASME標準，對于有1%的屈服應力的奧氏體不銹鋼材料，其許用應力為：

另外，校核水壓試驗時，罐體厚度是否滿足設計要求，根據IMDG要求其許用的應力為：

在兩倍動載荷下，罐體厚度是否滿足設計要求，根據IMDG要求其許用的應力為：

具體見表2。

表2 1.4402力學性能及許用應力

3.2.3 罐體厚度計算

（1）筒體

設計溫度下：內壓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：Pd=Pt+max（0.035 MPa，靜水壓）=0.635 MPa。

筒體厚度計算：筒體為單層圓形截面，內徑Di為2484 mm，根據ASME BPVC.Ⅷ-1：

代入以上三種Pd，計算后取最大值為4.454 mm，因此設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ASME BPVC.Ⅷ-1：

代入以上3種Pd，計算后取最大值為5.272 mm，因此考慮碟型封頭成型減薄率，設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

對于按照導則T11設計的罐體，根據IMDG6.7.2.4章節中罐殼最低厚度要求，直徑大于1.80 m的罐體采用標準鋼時其厚度須不小于6 mm，采用其他金屬的同等厚度為：

經計算，滿足SANS50028-7標準的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 罐體有限元計算

為進一步提高設計的可靠性，對罐體結構采用了有限元分析，計算采用的軟件為Hypermesh和Ansys12.0軟件系統。計算工況包括罐體的內壓工況、水壓試驗工況、堆碼工況、外壓穩定性工況。

有限元模型對罐箱進行了簡化，以罐體、框架、加熱系統鋼結構為主建立了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構件的質量損失，在計算時通過修改筒體材料的物理密度進行補償，從而使其損失的重量平均分擔到整個筒體上，保證整體模型的重量與實際罐體自重相同，確保了分析的可靠性。模型主要以4節點四邊形shell單元為主，三角形單元為輔離散結構，整體單元長度為20 mm，共劃分節點128660個，單元143932個，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）評估標準

依據ASME BPVC.Ⅷ-2,罐體總體薄膜應力Pm≤[σ]；一次膜加彎曲應力Pm（PL）+Pb≤1.5[σ]。罐體材料SANS50028-7標準的1.4402奧氏體不銹鋼力學性能見表3。

表3 罐體材料1.4402力學性能

內壓工況、水壓試驗工況、堆碼工況、四種計算工況評價標準見表4。有限元分析應力輸出結果全部為Von-Mises當量應力，單位為MPa。

表4 評價標準

（2）內壓工況計算

內壓載荷按照最大允許工作壓力0.4 MPa均布在罐體內表面，介質重量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三個方向線位移，縱向對稱面施加對稱約束。罐體最大膜應力Pm為107 MPa，發生在筒體側面；罐體局部膜加彎曲應力PL+Pb為119 MPa，發生在筒體與加強圈交接處；二次當量應力Q為321 MPa,發生在筒體與加強圈交接處，評價結果均合格。罐體薄膜應力云圖如圖4，膜加彎曲應力云圖如圖5。

圖4 罐體薄膜應力云圖

圖5 膜加彎曲應力云圖

（3）水壓試驗工況計算

水壓載荷按照0.6 MPa均布在罐體內表面，介質重量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三個方向線位移，縱向對稱面施加對稱約束。罐體最大膜應力Pm為161 MPa，發生在筒體側面；罐體局部膜加彎曲應力PL+Pb為181 MPa，發生在筒體與加強圈交接處；二次當量應力Q為394 MPa,發生在筒體人孔處，評價結果均合格。罐體薄膜應力云圖如圖6，膜加彎曲應力云圖如圖7。

圖6 罐體薄膜應力云圖

圖7 膜加彎曲應力云圖

（4）堆碼工況計算

堆碼工況加載時考慮垂向載荷偏載情況，按照試驗標準頂部角件橫向偏移25.4 mm，縱向偏移38 mm。四個角柱頂部角件分別垂直向下作用如下的力為F=318 kN，箱內載荷為按照內壓工況加載。底角件約束X、Y、Z三個方向線位移。框架最大應力發生在角柱側面中部為245 MPa，評價結果合格。框架應力云圖如圖8，罐箱整體彈性變形云圖如圖9。

（5）外壓穩定性工況計算

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穩定性安全系數2.5，計算三階整體振型頻率分別為6.2、6.208和6.368，出現在筒體大面處，均大于安全系數2.5，滿足設計標準要求。

圖8 框架應力云圖

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 結語

可移動式T11型交換體罐式集裝箱的設計基于ISO系列1標準罐式集裝箱的基礎，參照EN1432及GB1589標準，以公路、鐵路車輛為基點，按照IMDG可移動罐柜導則中適用運輸介質品類最廣的T11型進行設計，產品主要的性能、參數、尺寸符合相關規范要求，設計文件通過了中國船級社審查批準。罐箱結構設計采用開放端框及碟型封頭，增加了罐體容積達到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標準的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。采用外加強圈結構保證罐體內部光滑，實現了標準化清洗，提高裝運不同介質的換裝效率，提升經濟效益。目前，交換體罐式集裝箱在我國的運用尚屬起步階段，隨著相關標準的頒布實施，配套的公路、鐵路運輸工具不斷完備，交換體罐式集裝箱可最大化發揮運輸車輛的效能特點，通過現代物流多式聯運降低物流成本，有望成為我國未來發展速度最快的運載工具。