運油半掛車設計案例

韋啟愿

（中國重汽集團柳州運力專用汽車有限公司，廣西 柳州 545112）

0 引言

由于《GB18564.1-2019道路運輸液體危險貨物罐式車輛第1部分：金屬常壓罐體技術要求》（以下簡稱《GB18564.1》）的實施，國家對“常壓液體危險貨物罐車”的整治力度不斷加大，為了減少道路交通安全事故，防范化解重大風險，保護人民群眾生命財產安全，按照《國務院安全生產委員會關于印發＜全國安全生產專項整治三年行動計劃＞的通知》等部署安排，交通運輸部、工業和信息化部、公安部、市場監管總局決定聯合開展罐車治理工作并于2021年4月提出《常壓液體危險貨物罐車治理工作方案》，加大對在用車輛和新罐車準入的質量管控。因此運油車輛在設計和制作過程將會更加標準規范，運油車在設計方面需要完全按照標準要求進行設計，以下為鋁合金運油半掛車標準設計案例。

1 設計條件的確定

該鋁合金運油半掛車要求為三軸雙胎半掛式車輛（圖1），運輸介質為柴油，容積為42 m3，總質量為40000 kg，額定載質量33200 kg，罐體材質采用鋁合金5182H111，輪胎12R22.5-12PR，空氣懸掛，配備6X4牽引車。

根據標準《GB12268-2012》查出柴油的物理特性見表1[1]。

表1 介質物理特性

根據《GB18564.1》附錄A表A.1查得柴油的罐體設計代碼為LGBF[2]，因此罐體應有帶有緊急泄放系統，安裝帶有阻火功能的呼吸閥，無需保溫。車輛采用重力裝卸料，卸料管道應帶有3道閥門，其中第一道應為緊急切斷閥；裝卸前后，均應徹底清掃、洗凈，嚴禁混入有機物；遠離火種、熱源；滅火方法:干粉、二氧化碳、砂土。

2 半掛車參數、配置、方案的確定

該車選定為三軸半掛車，在GB1589-2016標準中，掛車外廊尺寸的最大限值要求見表2[3]。

表2 半掛車外擴尺寸的最大限值

最大允許軸荷限值的要求見表3[3]。

表3 半掛車三軸組的最大允許軸荷限值

最大允許總質量限值的要求見表4[3]。

表4 半掛車最大允許總質量限值

該車方案參數見表5。

表5 半掛車方案參數列表

根據以上的參數確定整體方案如圖1所示。

圖1 整體方案圖

3 最大充裝率和最大允許裝置量的確定

由該車的方案可知：設計容積為42 m3，總質量為40000 kg，額定載質量33200 kg，該介質為柴油。

當溫度為20℃，密度830 kg/m3時，由于該介質易燃、無毒、無腐蝕，帶有緊急泄放裝置和呼吸閥，最大充裝率，其中：

式中：ρ15=833 kg/m3；ρ50=809 kg/m3

考慮到罐車的額定載質量33200 kg，介質溫度為20℃時的最大充裝率=33200÷（42×830）=95.238%＜97.51%。

因此，介質溫度為20℃時的最大充裝率=95.238%。

20℃時的罐體最大允許充裝量：

綜合上述：介質溫度為20℃時的最大充裝率為95.238%，罐體最大允許充裝量為33200 kg。

4 罐體設計參數的確定

柴油的設計代碼為LGBF，液壓試驗壓力為G，選用非圓形截面:截面A兩側圓弧半徑為R1899，截面上下圓弧半徑為R1989；罐體截面積A=4.18 m2，當量內直徑：

因此Di=2307，具體尺寸如圖2所示。

圖2 罐體截面圖

外壓：罐體帶呼吸閥，無需進行外壓計算。

設計溫度：罐體設計溫度取50℃。

設計壓力：由于罐體采用重力裝卸料，無壓力；柴油50℃時的飽和蒸汽壓小于46 kPa(絕壓)，沒有封氮，裝有呼吸閥，不存在液體膨脹引起的壓力，所以取設計壓力P=20 kPa。

4.1 計算壓力

當最大充裝率中φV=95.238%時，受力最大為縱向，運動方向：防波板與封頭之間最大質量的兩倍乘以重力加速度。防波板與封頭距離為1200 mm，封頭、防波板深度為150 mm，翻邊為50 mm，容積為：

等效壓力取P1=35 kPa，注：1.5為安全系數。

2倍水柱靜壓力為:39.55 kPa

計算壓力

其中：p1為2倍靜態液柱或水的壓力，MPa；pc1為計算壓力，MPa；g為重力加速度，m/s2；H為罐體液柱高度，m。

4.2 許用應力

罐體材料為5182，其許用應力[σ]t=70 MPa。

護肩材料為6061T4，其許用應力[σ]t=41 MPa。

支座材料為6061T6，其許用應力[σ]t=66 MPa[4]。

4.3 焊接接頭系數

罐體對接焊縫采取10%X光無損探傷，焊接接頭系數取Φ=0.85。

4.4 腐蝕裕量

汽油對鋁合金腐蝕速率為0.05 mm/年，腐蝕裕量取0.5 mm。

4.5 罐體液壓試驗壓力

罐體液壓試驗壓力pc1=45 kPa

4.6 罐體氣密性試驗壓力

體氣密性試驗壓力p=36 kPa

5 計算

5.1 罐體壁厚計算

罐體當量直徑Di=2307 mm＞1800 mm，罐體最大曲率半徑小于或等于2000 mm，則基準鋼最小厚度δ0應大于等于4 mm，鋁合金最小厚度應大于等于5 mm。

（1）罐體板材料厚計算

按公式計算

式中：δ1為所用材料的簡體最小厚度，mm；δ0為技基準鋼設定的簡體最小厚度，mm；Rm1為所用材料的標準抗拉強度下限值，MPa；A1為所用材料的斷后仲長率。

（2）封頭板材料厚計算

該封頭內空尺寸為長軸2485 mm，短軸2020 mm，封頭深度為200 mm（hi=200）根據JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》標準內容規定，受內壓類橢圓形封頭壁厚算式如下：

其中：P為設計壓力，MPa；δ為封頭的計算厚度，mm；?為焊接接頭系數，取?=0.85；K為封頭形狀系數：

所以罐體的最小厚度為5 mm，考慮到腐蝕裕量為0.5 mm，則罐體設計厚度為5.5 m，名義厚度6.0 mm，封頭設計厚度5.5 mm，名義厚度6.0 mm。

5.2 罐體強度計算

由于罐體截面為非圓形，按標準要求加載，通過有限元進行應力分析，罐體強度符合要求。

5.3 人孔補強計算

該罐體截面內空尺寸為長軸2485 mm，短軸2020 mm，人孔座孔徑為512 mm，厚度為6 mm，開孔大小為512 mm，開孔位置位于罐體頂部。根據JB/T4734-2002《鋁制焊接容器》標準內容規定可得：

其中：P為設計壓力，MPa；δ為殼體開孔處的計算厚度，mm；K為封頭形狀系數；其值可根據蝶形封頭標準查出，封頭長軸/短軸=1.17，可取1.2，K=0.57；?為焊接接頭系數，取?=0.85。

（1）有效補強范圍

d+2δn+2δnt=512+2×5.5+2×6=535 mm，其中，罐體名義厚度δn=5.5 mm，封頭名義厚度δnt=6 mm。

取較大值：B=1024 mm

（2）補強面積

在有效的補強范圍內，可作補強的截面積Ae：

其中：Ae為補強面積。

A1=（B-d）（δe-δr）-2δ（δe-δr），其中δe=0.5 mm（與罐體連接的圓筒有效厚度），δt=6 mm（人孔座的厚度）。

A1=（1024-512）×（0.5-0.22）-2×6×

內側補強高度（0.5-0.22）=130 mm2；

A2=2h1（δnt-δt）+2h2（δnt-C2），其中C2=0.5 mm（腐蝕裕量），δt=0.084 mm（接管計算厚度）

A2=2×50×（6-0.084）+2×55×（6-0.5）=1196.6 mm2

A3=（6×6）÷2=18 mm2（A3為焊縫截面積，焊縫高度為6 mm）

因此：Ae=A1+A2+A3=130+1196.6+18=1344.6 mm2

A為開孔削弱所需要的補強面積，則有：

A=512×0.24+2×（6-0.5）×（1-1）=122.88 mm2（512 mm為開孔直徑，δ=0.24 mm，強度削弱系數為1）。

綜合上述Ae＞A，因此開孔不需另加補強板[5]。

5.4 傾覆保護裝置

頂傾覆保護裝置采用6061T4 t=3，長9940 mm，4道，則面積S:

護肩承受的慣性力σ：

式中：σ為所用材料所承受的應力，MPa；G為罐車總重，kg；g為重力加速度，m/s2；S為護肩的截面積，mm2；[σ]t為所用材料6061T4的許用應力，MPa。

因此符合要求。

5.5 容積計算

罐體容積指的是罐體總容積，由直筒容積加上兩個封頭的容積再減去罐內附件所占的容積。直筒容積等于截面積乘以直筒長度，封頭為蝶形封頭，蝶形封頭容積等于截面積乘以封頭深度的1/3。具體計算如下：

圖3 罐體簡圖

其中：V1為直筒的體積，V1=LA；A為截面面積（A=4.18 m2）；L為罐體直線段長度，見圖3；L1為蝶形封頭深度，L1=0.2 m；V0為罐內附件的體積總和，V0=0.25 m3。

5.6 罐體安全泄放量計算

根據三維圖紙測量得出筒體外面積如下：

筒體外周長為7.376 m，長10 m，截面積4.18 m2，則罐體外表面積A：

查表：罐體表面積80 m2，最小安全泄放量為4.726 m3/s；罐體表面積85 m2，最小安全泄放量為4.967 m3/s[2]，則該罐體最小安全泄放量為：

該罐體的安全泄放量應不小于4.822 m3/s。

5.7 緊急泄放裝置的選擇

緊急泄放裝置的動作壓力應大于等于罐體設計壓力的1.05倍，且大于等于0.02 MPa。該車設計壓力為0.02 MPa，所以確定緊急泄放裝置的動作壓力為0.021 MPa，總的泄放量為4.822 m3/s。該車容積分為三倉等分，每倉的排放量為1.607 m3/s，每倉安裝一個人孔（帶緊急泄放裝置）。

該車選用的人孔型號為580B，緊急泄放裝置口徑為Φ250 mm，緊急泄放裝置的動作壓力為21 kPa～35 kPa。緊急泄放裝置的排量為1.944 m3/s＞1.607 m3/s，因此所選的緊急泄放裝置滿足技術要求。

6 結語

通過運油半掛車運輸介質的物理特性，計算出罐體容積、罐體設計壓力、罐體板材厚度、封頭厚度、罐體泄放量等參數，最后核驗緊急泄放裝置能否滿足技術要求。整個過程是根據常壓液體危險貨物罐車的相關標準規定，梳理了運油半掛車的設計步驟和計算過程，為同行設計提供一定的借鑒意義。