罐式集裝箱碟形防波板設計探討

摘要：罐式集裝箱大部分用于承運液態介質，運輸過程中受外在因素影響時，罐內液態貨物由于慣性的作用會產生劇烈晃動，防波板結構能減緩液體介質運輸過程中液涌對罐體的破壞性沖撞，確保罐箱的縱向穩定性，因此，防波板作為重要的安全部件，其結構設計顯得尤為重要。據此，分析了相關行業法規對罐箱防波板的要求，介紹了防波板的分類，并結合工程實際探討了常用碟形防波板的結構設計。

關鍵詞：罐箱；液涌；防波板；碟形

中圖分類號：U462" 收稿日期：2022-12-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.01.010

1 前言

罐式集裝箱（以下簡稱罐箱）主要由鋼制罐體和框架兩部分構件組成，是國際公認的最安全的化工品及食品運輸裝備。在公路、鐵路、水路運輸以及多式聯運環節中有著舉足輕重的地位。目前，罐箱絕大部分用于承運液態介質，如液體化學藥品、液體食品、各種石油制品及酒類貨物等［1］。

當罐箱在公路運輸時，液體涌動對行駛帶來很大的安全隱患。倘若裝載量在20%～80％之間，當運輸工具受外在因素影響，如急停、突然起動、爬坡等狀況時，罐內液態貨物由于慣性的作用會產生劇烈晃動，或者在轉彎過程中，液態貨物產生重心偏移，從而容易導致事故發生。如何保持罐箱平穩運行、抑制液體的涌動一直是行業研究的重點，防波板是一個比較重要的安全部件，它的安全防護作用是能減緩容器內危險液體的波動。

2 相關行業法規對罐箱防波板的要求

IMDG CODE《國際海運危險貨物規則》［2］中規定：運載液態物質、液化氣體、冷凍液化氣體的罐體，在沒有被分倉隔板或防波板分成容量不超過7 500 L的若干倉的情況下，其充裝量應不低于其容量的80%或不超20%。

這一規定并不適用于：a.20 ℃時，液體的運動黏度至少為2 680 mm2/s;b.充裝溫度下，熔融物質的運動黏度至少為2 680 mm2/s;c.UN1963氦，冷藏，液態和UN166氫，冷凍冷藏，液體。

NB/T 47064-2017《液體危險貨物罐式集裝箱》［3］中規定，設置的防波板應滿足下列要求：a.防波板與罐體的連接應牢固可靠;b.相鄰兩防波板所在罐體橫截面之間的罐體幾何容積不超過7.5 m3;c.每個防波板的有效面積應不小于罐體橫斷面積的70%;d.防波板應能承受所隔開的液體質量的兩倍乘以重力加速度的靜態力，應考慮在這種動載荷作用下的筒體、防波板及其連接部位的疲勞問題;e.防波板的設置應考慮操作或檢修人員方便進出。

3 防波板的作用及常見形式

防波板結構能將罐體內液涌所帶來的沖擊力向外擴張分解，并使其得到有效的吸收和化解，減緩了液體介質運輸過程中液涌對罐體的破壞性沖撞，確保罐箱的縱向穩定性，達到更安全可靠的目的。因此，安裝防波板非常有必要，并且設計結構合理的防波板也至關重要。

防波板按有效面積可以分為兩種：一類是有效面積占罐體橫斷面積的50％左右，另一類是70％左右。按固定方式又可以分焊接式和可拆式。按布置形式可以分為V型、垂直型、水平型；按防波板形狀分波浪形、碟形，如圖1、圖2所示。

4 碟形防波板的設計

4.1 防波板的布置

根據IMDG、ADR規定：在20 ℃或加熱運輸中最高工作溫度下，裝運介質的黏度小于2 680 mm/s2，液體所占體積在罐體容積的20%～80％之間，應設置防波板。相鄰防波板之間的罐體幾何容積不超過7 500 L。

設計防波板的形狀并考慮布置的位置，要考慮清洗噴頭開啟后，清洗液能噴到罐內（包括防波板）的各處，不能存在清洗死角。一般清洗噴頭要伸入罐內1 m。為了清洗方便，特別注意防波板不能與清洗設備干涉，同一個罐箱內的防波板的形狀可按照實際情況而不同，方向也可不同（圖3）。每片碟形防波板上需要開直徑≥500 mm的人員進出孔，以保證至少可允許一個人通過，便于后期檢修人員對罐體內部進行檢修；罐體的底部需連通，便于罐內液體的流動和傾卸。

4.2 防波板的開孔設計

通常碟形防波板上部鉆一個小孔，是灌裝和抽吸介質時方便頂部氣流的通孔；中下部開一個直徑至少為500 mm的人員進出孔，同時該孔可以保證罐內液體保持在同一高度，以使運輸車輛行駛平穩；為了保證防波板對液體慣性力的緩沖作用，相鄰防波板上的人員進出孔的中心線要錯開，避免在同一軸線上。中心直徑兩側各加一個小孔（圖4），是考慮到萬一罐箱側翻時，有了這兩個小孔，便于抽取罐內介質，防止惡性事故發生；底部設置一個半徑小于300 mm的開孔，便于罐內液體的流動和傾倒。

底部支撐環與防波板連接的端部要有撓性，通過使底部開孔大于半圓狀，開孔底部與罐體之間圓滑過渡（圖5），減少裂紋出現。為了加強防波板底部與罐體連接處的連接強度，可在該連接處增加墊板。這樣該處應力較大位置移到了墊板邊緣，有效地解決應力集中，增加抗疲勞開裂的強度。

4.3 防波板加強墊板和固定板的設計

為了減少應力集中，加強墊板兩端應設計成圓弧形。由于液涌力的作用會產生疲勞裂紋，為了讓裂紋不會最先產生在筒體板上，墊板和固定板的剛性不能太強。墊板的厚度應小于筒體厚度，固定板也不應太厚。

一般情況下，墊板取3 mm，固定板4.5 mm。由于加強墊板與罐體內壁周邊滿焊連接的過程中，加強墊板和其覆蓋的罐體內壁部分之間可能會夾有氣體，造成加強墊板與罐體的焊接不夠牢固。為了防止此類事情的發生，應在罐體的外側面上對應加強墊板所覆蓋的區域開設排氣通孔。

一般將排氣孔設置在罐體的底部，這樣排氣通孔不但可以在焊接過程中起到排氣的作用，還可用于檢驗罐體是否有滲漏。若將排氣通孔設置在罐體頂部，則需要在排氣通孔上設置排氣孔帽，防止在使用過程中有雨水進入排氣通孔。

4.4 防波板的厚度

對于防波板的厚度，在罐箱行業標準及法規中未作具體要求，但是任何防波板的設計，出于安全考慮都要經過FEA疲勞分析。防波板應能承受所隔開的液體質量的2倍乘以重力加速度的靜態力。應考慮在這種動載荷作用下的筒體、防波板及其連接部位的疲勞問題。對于同一罐內的碟形防波板，越淺的防波板所承受的液涌力會越大，所以其厚度設計應相對要厚。

5 結語

罐箱防波板的設計需要根據具體的箱體結構形式和使用工況來綜合考慮結構，并通過FEA有限元強度及疲勞分析。只有合理設計防波板的布置、形狀、尺寸，選用合適的材料，盡可能地減少應力集中，提高制造焊接質量，才能生產出功能完善、性能穩定安全的產品。

參考文獻：

[1]聯合國歐洲經濟委員匯編危險貨物國際道路運輸歐洲公約（2015年版）[S]交通運輸部運輸服務司譯北京：人民交通出版社股份有限公司，2016

[2]International Maritime Organization.IMDG Code，2020 Edition （Incorporating Amendment 40-20）[S]UN：IMO，2021

[3]國家能源局NB/T 47064-2017 液體危險貨物罐式集裝箱[S]北京：新華出版社，2005

作者簡介：

馮亞雯，女，1985年生，工程師，研究方向為罐箱、壓力容器、機械密封結構。