交換箱體罐式集裝箱裂紋產(chǎn)生原因及預(yù)防措施

廖英勇

罐式集裝箱（以下簡(jiǎn)稱“罐箱”）主要用于運(yùn)輸化學(xué)品和食品等貨類。與其他運(yùn)輸工具相比，罐箱在多式聯(lián)運(yùn)領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，行業(yè)應(yīng)用日益普及，具有廣闊的市場(chǎng)前景。罐箱按結(jié)構(gòu)尺寸可分為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱和非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱。交換箱體罐箱作為一種常見的非國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱，具有容積和載貨量較大等優(yōu)點(diǎn);但正因?yàn)槿莘e和載貨量較大，交換箱體罐箱的罐體、支撐結(jié)構(gòu)和載荷傳遞區(qū)的受力情況也更為復(fù)雜，在運(yùn)營(yíng)過程中容易產(chǎn)生裂紋。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某物流公司的某批次交換箱體罐箱在運(yùn)營(yíng)過程中產(chǎn)生裂紋的情況，通過分析交換箱體罐箱的載荷傳遞區(qū)、支撐結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)工況，探討交換箱體罐箱裂紋產(chǎn)生的主要原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防措施，以期為交換箱體罐箱設(shè)計(jì)和維修提供參考。

1 交換箱體罐箱設(shè)計(jì)參數(shù)

該批次交換箱體罐箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。從設(shè)計(jì)參數(shù)（見表1）來看，交換箱體罐箱容積比20英尺國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱容積大46%，甚至超過30英尺國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱容積，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)過程中罐體和支撐結(jié)構(gòu)承受的載荷也相應(yīng)增大。

2 交換箱體罐箱裂紋情況

該批次交換箱體罐箱投入使用一段時(shí)間后，底部支撐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不同程度裂紋，部分裂紋延伸至罐體，導(dǎo)致液體貨物泄漏（見圖2）。

該批次交換箱體罐箱前后兩端設(shè)有2對(duì)載荷傳遞區(qū)，用以將罐箱載荷傳遞至運(yùn)輸車輛縱梁，并通過車輪傳遞至地面。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：載荷傳遞區(qū)底部與運(yùn)輸車輛縱梁接觸位置發(fā)生局部變形（見圖3），最大變形量約2 mm，且罐體支撐結(jié)構(gòu)和罐體裂紋與載荷傳遞區(qū)變形處位于同一平面。

3 交換箱體罐箱裂紋產(chǎn)生原因

3.1 載荷傳遞區(qū)分析

根據(jù)ISO 668：2020《系列1集裝箱 分類、尺寸和額定質(zhì)量》附錄B的規(guī)定：20英尺國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱可不設(shè)載荷傳遞區(qū)，30英尺國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)罐箱應(yīng)設(shè)置至少5對(duì)載荷傳遞區(qū)。然而，該批次交換箱體罐箱僅設(shè)置2對(duì)載荷傳遞區(qū)，無其他底部載荷傳遞結(jié)構(gòu)。在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，該批次交換箱體罐箱的底端梁作為載荷傳遞區(qū)最先產(chǎn)生裂紋，其中部分裂紋延伸至罐體，最終導(dǎo)致罐體泄漏。

3.2 罐體支撐結(jié)構(gòu)分析

交換箱體罐箱底部結(jié)構(gòu)見圖4。現(xiàn)場(chǎng)切開支撐結(jié)構(gòu)檢查后發(fā)現(xiàn)：支撐結(jié)構(gòu)直接焊接在罐體上，兩者之間未設(shè)置過渡墊板。這種焊接結(jié)構(gòu)的焊縫處往往存在殘余應(yīng)力，而焊縫處又是載荷集中區(qū)域;因此，焊縫處極易產(chǎn)生裂紋。

3.3 運(yùn)營(yíng)工況分析

如圖5所示，交換箱體罐箱的載荷傳遞區(qū)位于2條寬度為375 mm的載荷傳遞帶內(nèi)。載荷傳遞區(qū)距離底角件底面高度為13～15 mm，符合載荷傳遞區(qū)底面應(yīng)高于底角件底面11.0～17.5 mm的規(guī)定[1]。

目前國(guó)內(nèi)通常采用半掛車運(yùn)輸罐箱。圖4中，交換箱體罐箱的載荷傳遞區(qū)恰好落在半掛車的縱梁上。半掛車縱梁腹板的縱向直線度公差在任意長(zhǎng)度內(nèi)為2 mm[2]，即允許有2 mm/m的上拱偏差;而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，半掛車縱梁上翼面高出基準(zhǔn)面13 mm。如圖6所示：在半掛車載運(yùn)空罐箱的情況下，罐箱載荷傳遞區(qū)與掛車縱梁上翼面的間距小于2 mm，罐箱4個(gè)底角件與車架完全接觸，罐箱自身質(zhì)量通過底角件傳遞至車架。當(dāng)罐箱裝滿貨物后，罐體兩端簡(jiǎn)支梁在重力作用下呈弧形下凹變形，此時(shí)載荷傳遞區(qū)隨著整個(gè)罐箱下沉并與半掛車縱梁接觸，導(dǎo)致罐箱主要載荷通過載荷傳遞區(qū)傳遞至車

架;或當(dāng)半掛車縱梁存在上拱變形時(shí)，載荷傳遞區(qū)與半掛車縱梁接觸，導(dǎo)致罐箱主要載荷通過載荷傳遞區(qū)傳遞至車架。由此可知：在運(yùn)營(yíng)過程中，交換箱體罐箱的載荷傳遞區(qū)因往復(fù)受力而承受疲勞載荷，加之支撐結(jié)構(gòu)與罐體之間未設(shè)置過渡墊板，導(dǎo)致該載荷通過支撐結(jié)構(gòu)直接傳遞至罐體。

4 交換箱體罐箱裂紋預(yù)防措施

綜上所述，如果僅對(duì)裂紋進(jìn)行挖補(bǔ)修理而不改善罐箱受力狀況，后續(xù)運(yùn)營(yíng)過程中罐箱還會(huì)再次產(chǎn)生裂紋。為了預(yù)防交換箱體罐箱產(chǎn)生裂紋，可在設(shè)計(jì)罐箱或維修罐箱時(shí)采取以下措施。

4.1 在罐體與支撐結(jié)構(gòu)之間增加焊接墊板

通過設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)局部應(yīng)力值，在罐體與支撐結(jié)構(gòu)之間增加合適尺寸的焊接墊板，從而改善罐體局部應(yīng)力集中。注意應(yīng)根據(jù)局部應(yīng)力值計(jì)算確定焊接墊板的大小和厚度，并且墊板厚度不宜大于罐體厚度。[3]

4.2 增設(shè)載荷傳遞結(jié)構(gòu)或載荷傳遞區(qū)

（1）增設(shè)底部載荷傳遞結(jié)構(gòu)（見圖7），將罐箱兩端底梁受到的半掛車縱梁的部分支撐力通過載荷傳遞結(jié)構(gòu)傳遞至罐體，從而減小罐體原載荷傳遞區(qū)位置的集中力。此方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是緩解罐體集中力的效果略差。在罐箱載質(zhì)量較小且局部應(yīng)力計(jì)算合格的情況下，可采用該方法。

（2）在罐箱左右兩端各增設(shè)1對(duì)載荷傳遞區(qū)（見圖8），由4對(duì)載荷傳遞區(qū)共同將罐箱重力傳遞至半掛車車架，從而改善整個(gè)罐體的支撐結(jié)構(gòu)受力。

（3）在罐箱載質(zhì)量較大或應(yīng)力較為集中的情況下，建議采用如圖9所示的增設(shè)載荷傳遞結(jié)構(gòu)和載荷傳遞區(qū)的方法。該方法結(jié)合上述2種方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅在罐箱左右兩端增設(shè)2對(duì)載荷傳遞區(qū)，而且將其與端框連接，從而使罐體受力更加均勻，進(jìn)而提高安全性。

4.3 增加載荷傳遞區(qū)疲勞計(jì)算

根據(jù)《國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》的規(guī)定：罐箱及其系固件在其允許的最大負(fù)荷下應(yīng)當(dāng)能夠承受其運(yùn)行方向、與運(yùn)行方向垂直、垂直向下的2倍于總質(zhì)量乘以加速度的靜力，以及垂直向上的1倍于總質(zhì)量乘以加速度的靜力。[4]以上均為靜態(tài)下的強(qiáng)度計(jì)算。就本文討論的交換箱體罐箱而言，根據(jù)其載荷傳遞區(qū)在運(yùn)營(yíng)過程中的受力情況，還應(yīng)當(dāng)增加載荷傳遞區(qū)疲勞計(jì)算，以免載荷傳遞區(qū)發(fā)生疲勞破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國(guó)船級(jí)社. 集裝箱檢驗(yàn)規(guī)范2021[S]. 北京：人民交通出版社，2021：40.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 半掛車通用技術(shù)條件：GB/T 23336—2009 [S]. 北京：新華出版社，2010：2.

[3] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：HG/T 20583—2020[S]. 北京：中國(guó)石化出版社，2020：33.

[4] International Maritime Organization. International maritime dangerous goods code 2020[S]. London： IMO， 2020： 402-403.

（編輯：張敏 收稿日期：2022-03-28）