摘要：闡述了多式聯(lián)運(yùn)粉粒物料運(yùn)輸罐式集裝箱的分類、定義、歐洲發(fā)展情況及優(yōu)勢(shì)，并論述了某型化工塑料顆粒運(yùn)輸立式粉罐集裝箱的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：多式聯(lián)運(yùn)；罐式集裝箱；塑料顆粒；立式；設(shè)計(jì)與開發(fā)

中圖分類號(hào)：U169.47 收稿日期：2024-06-20

1 前言

粉粒物料運(yùn)輸罐式集裝箱[1]（簡稱“粉罐集裝箱”），指裝運(yùn)介質(zhì)為粉粒物料，一般由罐體、安全附件、管道、框架組成，可實(shí)現(xiàn)正壓氣力輸送的罐式集裝箱。近幾年，隨著國家“公轉(zhuǎn)鐵、公轉(zhuǎn)水”政策的推廣，粉罐集裝箱得到了興起和發(fā)展。粉罐集裝箱運(yùn)輸靈活，可公路、鐵路、水路甚至空中運(yùn)輸，是多式聯(lián)運(yùn)的極好罐式運(yùn)輸產(chǎn)品。粉罐集裝箱按罐體結(jié)構(gòu)可分為臥式、立式、舉升式粉罐集裝箱。

臥式粉罐集裝箱如圖1所示[2]，罐體底部設(shè)有流化床，流化床平面與水平面的夾角介于粉粒物料的安息角和臨界流化角度之間，依靠流態(tài)化向卸料口流動(dòng)（懸浮型）卸料。立式粉罐集裝箱如圖2所示[3]，罐體下部為錐體，錐體母線與水平面的最小夾角大于粉粒物料的安息角、內(nèi)摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流動(dòng)（重力型）卸料。舉升式粉罐集裝箱如圖3所示，其罐體可舉升，卸料時(shí)罐體的舉升角度大于粉粒物料的安息角、內(nèi)摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流動(dòng)（重力型）卸料。

按照罐體材質(zhì)不同，粉罐集裝箱又可分為碳鋼、不銹鋼、鋁合金三類；按運(yùn)輸介質(zhì)不同，可分水泥粉罐箱、PTA粉罐箱、PVC等粉罐箱；按罐箱長度分20 ft、30 ft、40 ft、45 ft等粉罐箱[4]。

eAWfjRWUWP7qDm0iyC2r+2ATPjyIFWgsf5M6gttyp3U=2 粉粒物料多式聯(lián)運(yùn)及歐洲粉罐箱發(fā)展歷程

多式聯(lián)運(yùn)是指貨物全程由一種且不變的運(yùn)載單元或道路車輛裝載，通過兩種及以上運(yùn)輸方式無縫接續(xù)，在更換運(yùn)輸方式過程中不發(fā)生對(duì)貨物本身操作的一種貨物運(yùn)輸形式[5]。

粉罐集裝箱使用極為方便：在上游客戶那里，粉罐集裝箱列車開到裝料場地，物料可以通過散裝機(jī)口，由粉罐集裝箱頂部的人孔裝到罐內(nèi)；運(yùn)輸時(shí)，可進(jìn)行道路公路運(yùn)輸，可進(jìn)行船運(yùn)水路運(yùn)輸，也可進(jìn)行鐵路運(yùn)輸；在下游客戶那里，粉罐集裝箱列車可開到卸料場地，物料可以重力或氣力輸送卸到指定的地槽或料倉內(nèi)。

目前歐洲粉罐集裝箱多為舉升式粉罐集裝箱，這與其所運(yùn)物料有關(guān)，歐洲因大規(guī)?；ㄔ谠缧┠暌淹瓿桑F(xiàn)主要以化工顆粒、食品、飼料運(yùn)輸為主。同時(shí)，也基于帶前頂油缸的舉升式粉罐集裝箱運(yùn)輸半掛車（圖4）公路行駛運(yùn)輸是符合歐洲法規(guī)的因素。

歐洲粉罐集裝箱在新材料應(yīng)用上處于世界前沿，罐體基本上多是鋁合金材質(zhì)，在端框、角件、托架、罐頂走道、人孔蓋等附件上也都大量應(yīng)用鋁合金材料，其中較為優(yōu)秀的企業(yè)為德國的SPITZER、FFB、K?ssbohrer等公司。

3 公鐵聯(lián)運(yùn)粉罐集裝箱的優(yōu)勢(shì)

a.運(yùn)輸裝料靈活。公鐵聯(lián)運(yùn)粉罐集裝箱的裝料運(yùn)營模式基本有如下模式。模式一：粉罐集裝箱可由儲(chǔ)料罐重力裝料，集裝箱運(yùn)輸半掛車可公路運(yùn)輸，再吊在鐵路平車或敞車內(nèi)運(yùn)輸。模式二：在鐵路專用線上，通過粉粒物料儲(chǔ)罐直接向多個(gè)鐵路粉罐集裝箱同時(shí)罐裝作業(yè)。模式三：通過粉粒物料運(yùn)輸車可向在鐵路平車上的空的鐵路粉罐集裝箱直接進(jìn)行罐裝作業(yè)。

b.卸料速度快，剩余少。粉罐集裝箱可使用重力卸料或氣力輸送卸料，具有卸料速度快、剩余少的優(yōu)點(diǎn)。尤其是舉升式粉罐集裝箱，45 m3的罐體卸料時(shí)間約30 min，剩余量不大于10 kg。

c.節(jié)能環(huán)保。鐵路粉罐集裝箱運(yùn)輸途中處于常壓密閉狀態(tài)，保證了粉粒物料的品質(zhì)，其無污染、無泄漏、無損耗、綠色環(huán)保，裝料、卸料、運(yùn)輸各環(huán)節(jié)密封性良好，有效地避免了環(huán)境污染和損耗，同時(shí)包裝量小，甚至無需包裝，節(jié)省了包裝材料、人力成本。

d.可進(jìn)行多式聯(lián)運(yùn)。該種集裝箱可進(jìn)行鐵路、公路、水路聯(lián)運(yùn)，使粉粒物料的供應(yīng)更靈活、快捷。

e.提高車輛運(yùn)輸效率。該種集裝箱由于裝卸效率大幅提高，減少了車輛停運(yùn)時(shí)間，減少鐵路運(yùn)用車積壓。春節(jié)或雨季工地停工，鐵路粉罐集裝箱箱體可隨時(shí)吊下，不影響鐵路平車或敞車的使用。

4 某型立式粉罐集裝箱的設(shè)計(jì)開發(fā)

4.1 市場需求

某客戶需將化工塑料顆粒由原料生產(chǎn)A地運(yùn)輸?shù)剿芰霞庸さ腂地，考慮到運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，同時(shí)現(xiàn)噸包運(yùn)輸搬卸勞動(dòng)量大，成本高，打算使用粉罐集裝箱公路與鐵路聯(lián)合運(yùn)輸，鐵路運(yùn)輸路線在國內(nèi)貨運(yùn)鐵路上，卸料工作壓力0.2 MPa，環(huán)境溫度為-20～+65 ℃。

4.2 化工塑料顆粒

塑料是目前世界上三大合成材料之一（圖5），主要成分為合成樹脂?；に芰项w粒是以半成品形態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸和加工成形的原料。它是一類高分子材料，以石油為原料可以制得乙烯、丙烯、聚乙烯、苯乙烯等，這些物質(zhì)的分子在一定條件下能進(jìn)行加成聚合反應(yīng)，生成分子量很大的高分子化合物（又稱“高分子聚合物”）。常見的化工塑料顆粒有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、聚苯烯（PS）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）等。據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，2023年中國聚丙烯（PP）總產(chǎn)能達(dá)到約3 924萬t，總產(chǎn)量約為3 219萬t，產(chǎn)能及產(chǎn)量均居于國內(nèi)化工塑料顆粒的首位。聚丙烯（PP）材料及其屬性見圖6。

4.3 產(chǎn)品方案

根據(jù)上述工況條件，排布了50 m340 ft七錐立式粉罐集裝箱方案（圖7），大錐體的母線與水平面的夾角為45°，滿足大宗化工塑料顆粒的流動(dòng)要求。整箱總成由框架總成、罐體總成、罐頂走道總成、內(nèi)外爬梯總成、進(jìn)氣管道總成、出料管道總成、附件總成等構(gòu)成。罐體由直筒和下部的7個(gè)錐體相貫構(gòu)成，各個(gè)錐體底部設(shè)置有流化裝置，以便對(duì)化工塑料顆粒流態(tài)化[6]，實(shí)現(xiàn)氣體與化工塑料顆粒呈擬流體狀態(tài)，在罐內(nèi)外一定壓力的情況下，通過出料管道輸送到指定的距離和高度。罐箱的具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

4.4 船級(jí)社認(rèn)證

船級(jí)社屬國際性組織，最早于1760年，英國的愛德華·勞埃德創(chuàng)立了英國勞氏船級(jí)社（LR），后期發(fā)展成立有美國的船級(jí)社（ABS）、法國船級(jí)社（BV）、中國船級(jí)社（CCS）等。根據(jù)相關(guān)的法規(guī)要求，鐵路運(yùn)輸?shù)墓奘郊b箱需做相應(yīng)的船級(jí)社認(rèn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)條件，該罐箱能在國內(nèi)鐵路上運(yùn)營，因此進(jìn)行了中國船級(jí)社（CCS）認(rèn)證，罐式集裝箱產(chǎn)品認(rèn)可流程見圖8[8]。

a.向船級(jí)社提交書面申請(qǐng)，確定項(xiàng)目號(hào)；b.提交圖紙及技術(shù)文件，進(jìn)行審查；c.在審圖完成后，船級(jí)社人員會(huì)到工廠進(jìn)行技術(shù)審查及樣箱與圖紙一致性審查，以及樣箱制造、試驗(yàn)審查；d.審核合格后，頒發(fā)船級(jí)社認(rèn)證許可證書；e.后期有結(jié)構(gòu)等變動(dòng)時(shí)，需通知船級(jí)社，或做相應(yīng)調(diào)整。

4.5 罐體強(qiáng)度計(jì)算和校核

根據(jù)船級(jí)社認(rèn)證的圖紙及技術(shù)文件審查要求，需提報(bào)罐體強(qiáng)度計(jì)算書，罐體的強(qiáng)度計(jì)算是基于GB/T 150.3—2011《壓力容器第3部分設(shè)計(jì)》[9]進(jìn)行的，下面進(jìn)行具體的罐體強(qiáng)度計(jì)算。

4.5.1 內(nèi)壓計(jì)算

內(nèi)壓的計(jì)算壓力取值如下：

封頭有效厚度[δ有效=δ名義?C板材負(fù)偏差?C腐蝕余量=4.7 mm]。

考慮到封頭在旋壓過程有減薄問題，查相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件及實(shí)際制制造情況，減薄率[φ=13%]，則實(shí)際封頭的最小厚度[δ最小=δ有效1?φ=4.089 mm]。

由上可知，[δ計(jì)算<δ最小]，因此封頭采用不銹鋼S30408，厚度t=5 mm合格。

b.筒體工作壓力校核。

筒體有效厚度[δ有效=δ名義?C板材負(fù)偏差?C腐蝕余量=3.7 mm]。

由上可知，[δ計(jì)算<δ有效]，因此筒體采用不銹鋼S30408，厚度t=4 mm合格。

4.5.2 外壓計(jì)算校核

根據(jù)ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術(shù)要求》5.6.1.3要求，罐體在配有真空閥的情況下，罐體需能耐-0.021 MPa的負(fù)壓，因此需做相應(yīng)的負(fù)壓計(jì)算與校核?？刹捎糜?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SW-6進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算情況如下。

a.封頭外壓校核。

b.筒體外壓校核。

計(jì)算外壓長度L=1 600 mm，筒體外徑D=2 450 mm。當(dāng)[Dδ有效≥20]時(shí)，筒體許用外壓：

由此可知，筒體許用外壓[P許用>0.021 MPa]，筒體外壓校核合格。

4.6 慣性力計(jì)算分析

根據(jù)ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術(shù)要求》5.1.6，罐式集裝箱還需進(jìn)行縱向2 g，橫向1 g，垂直向上1 g，垂直向下2 g（g=9.81 N/kg）的慣性力的有限元分析。

縱向2 g工況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算得到該工況下的罐箱應(yīng)力云圖（圖9）。結(jié)果表明：罐體最大應(yīng)力約為119.54 MPa，框架最大應(yīng)力為141.84 MPa，圈板最大應(yīng)力為128.02 MPa。

橫向1 g工況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到該工況下的罐箱應(yīng)力云圖（圖10）。結(jié)果表明：罐體最大應(yīng)力約為84.85 MPa，框架最大應(yīng)力為171.38 MPa，圈板最大應(yīng)力為44.15 MPa。

垂直向上1 g，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到該工況下的罐箱應(yīng)力云圖（圖11），結(jié)果表明：罐體最大應(yīng)力約為72.76 MPa，框架最大應(yīng)力為84.46 MPa，圈板最大應(yīng)力為35.31 MPa。

垂直向下2 g工況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到該工況下的罐箱應(yīng)力云圖（圖12），結(jié)果表明：罐體最大應(yīng)力約為133.02 MPa，框架最大應(yīng)力為166.04 MPa，圈板最大應(yīng)力為56.08 MPa。

根據(jù)JB/T 4732—2005《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，該罐箱結(jié)構(gòu)可以滿足縱向2 g，橫向1 g，垂直向上1 g，垂直向下2 g四項(xiàng)工況試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果及評(píng)定情況見表2。

4.7 樣箱試制及試驗(yàn)

根據(jù)ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術(shù)要求》以及中國船級(jí)社《集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范》，樣箱在試制階段需做如下工作：a.角柱拉伸試驗(yàn)，探傷檢測(cè)。b.焊裝完工后，需做水壓試驗(yàn)。c.在第三方試驗(yàn)場需做靜態(tài)試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)鐵路沖擊試驗(yàn)，靜態(tài)試驗(yàn)包括堆碼試驗(yàn)、吊頂試驗(yàn)、吊底試驗(yàn)、外部縱向栓固試驗(yàn)、內(nèi)部縱向栓固試驗(yàn)、內(nèi)部橫向栓固試驗(yàn)、橫向剛性試驗(yàn)、縱向剛性試驗(yàn)、載荷傳遞區(qū)試驗(yàn)、步道試驗(yàn)、扶梯試驗(yàn)。d.待上述試驗(yàn)合格，車輛總裝完成后，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。樣箱試制過程、水壓試驗(yàn)以及某型立式粉罐集裝箱樣箱整體分別如圖13～圖15所示。

5 結(jié)語

粉罐集裝箱具有運(yùn)輸靈活，卸料速度快，剩余少，環(huán)保，運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，是多式聯(lián)運(yùn)的極好罐式運(yùn)輸產(chǎn)品。本文論述了某型化工塑料顆粒運(yùn)輸?shù)?0 m340 ft立式粉罐集裝箱的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，對(duì)粉粒物料運(yùn)輸罐式集裝箱的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

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[10]JB/T 4732—2005 鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].