多式聯運粉粒物料運輸罐式集裝箱探討

摘要：闡述了多式聯運粉粒物料運輸罐式集裝箱的分類、定義、歐洲發展情況及優勢，并論述了某型化工塑料顆粒運輸立式粉罐集裝箱的產品設計與開發過程。

關鍵詞：多式聯運；罐式集裝箱；塑料顆粒；立式；設計與開發

中圖分類號：U169.47 收稿日期：2024-06-20

1 前言

粉粒物料運輸罐式集裝箱[1]（簡稱“粉罐集裝箱”），指裝運介質為粉粒物料，一般由罐體、安全附件、管道、框架組成，可實現正壓氣力輸送的罐式集裝箱。近幾年，隨著國家“公轉鐵、公轉水”政策的推廣，粉罐集裝箱得到了興起和發展。粉罐集裝箱運輸靈活，可公路、鐵路、水路甚至空中運輸，是多式聯運的極好罐式運輸產品。粉罐集裝箱按罐體結構可分為臥式、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，依靠流態化向卸料口流動（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、內摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流動（重力型）卸料。舉升式粉罐集裝箱如圖3所示，其罐體可舉升，卸料時罐體的舉升角度大于粉粒物料的安息角、內摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流動（重力型）卸料。

按照罐體材質不同，粉罐集裝箱又可分為碳鋼、不銹鋼、鋁合金三類；按運輸介質不同，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 粉粒物料多式聯運及歐洲粉罐箱發展歷程

多式聯運是指貨物全程由一種且不變的運載單元或道路車輛裝載，通過兩種及以上運輸方式無縫接續，在更換運輸方式過程中不發生對貨物本身操作的一種貨物運輸形式[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口，由粉罐集裝箱頂部的人孔裝到罐內；運輸時，可進行道路公路運輸，可進行船運水路運輸，也可進行鐵路運輸；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。

目前歐洲粉罐集裝箱多為舉升式粉罐集裝箱，這與其所運物料有關，歐洲因大規模基建在早些年已完成，現主要以化工顆粒、食品、飼料運輸為主。同時，也基于帶前頂油缸的舉升式粉罐集裝箱運輸半掛車（圖4）公路行駛運輸是符合歐洲法規的因素。

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

3 公鐵聯運粉罐集裝箱的優勢

a.運輸裝料靈活。公鐵聯運粉罐集裝箱的裝料運營模式基本有如下模式。模式一：粉罐集裝箱可由儲料罐重力裝料，集裝箱運輸半掛車可公路運輸，再吊在鐵路平車或敞車內運輸。模式二：在鐵路專用線上，通過粉粒物料儲罐直接向多個鐵路粉罐集裝箱同時罐裝作業。模式三：通過粉粒物料運輸車可向在鐵路平車上的空的鐵路粉罐集裝箱直接進行罐裝作業。

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、剩余少的優點。尤其是舉升式粉罐集裝箱，45 m3的罐體卸料時間約30 min，剩余量不大于10 kg。

c.節能環保。鐵路粉罐集裝箱運輸途中處于常壓密閉狀態，保證了粉粒物料的品質，其無污染、無泄漏、無損耗、綠色環保，裝料、卸料、運輸各環節密封性良好，有效地避免了環境污染和損耗，同時包裝量小，甚至無需包裝，節省了包裝材料、人力成本。

d.可進行多式聯運。該種集裝箱可進行鐵路、公路、水路聯運，使粉粒物料的供應更靈活、快捷。

e.提高車輛運輸效率。該種集裝箱由于裝卸效率大幅提高，減少了車輛停運時間，減少鐵路運用車積壓。春節或雨季工地停工，鐵路粉罐集裝箱箱體可隨時吊下，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計開發

4.1 市場需求

某客戶需將化工塑料顆粒由原料生產A地運輸到塑料加工的B地，考慮到運輸距離遠，同時現噸包運輸搬卸勞動量大，成本高，打算使用粉罐集裝箱公路與鐵路聯合運輸，鐵路運輸路線在國內貨運鐵路上，卸料工作壓力0.2 MPa，環境溫度為-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。化工塑料顆粒是以半成品形態進行儲存、運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，這些物質的分子在一定條件下能進行加成聚合反應，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。據相關媒體報道，2023年中國聚丙烯（PP）總產能達到約3 924萬t，總產量約為3 219萬t，產能及產量均居于國內化工塑料顆粒的首位。聚丙烯（PP）材料及其屬性見圖6。

4.3 產品方案

根據上述工況條件，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要求。整箱總成由框架總成、罐體總成、罐頂走道總成、內外爬梯總成、進氣管道總成、出料管道總成、附件總成等構成。罐體由直筒和下部的7個錐體相貫構成，各個錐體底部設置有流化裝置，以便對化工塑料顆粒流態化[6]，實現氣體與化工塑料顆粒呈擬流體狀態，在罐內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。罐箱的具體設計參數見表1。

4.4 船級社認證

船級社屬國際性組織，最早于1760年，英國的愛德華·勞埃德創立了英國勞氏船級社（LR），后期發展成立有美國的船級社（ABS）、法國船級社（BV）、中國船級社（CCS）等。根據相關的法規要求，鐵路運輸的罐式集裝箱需做相應的船級社認證。根據設計條件，該罐箱能在國內鐵路上運營，因此進行了中國船級社（CCS）認證，罐式集裝箱產品認可流程見圖8[8]。

a.向船級社提交書面申請，確定項目號；b.提交圖紙及技術文件，進行審查；c.在審圖完成后，船級社人員會到工廠進行技術審查及樣箱與圖紙一致性審查，以及樣箱制造、試驗審查；d.審核合格后，頒發船級社認證許可證書；e.后期有結構等變動時，需通知船級社，或做相應調整。

4.5 罐體強度計算和校核

根據船級社認證的圖紙及技術文件審查要求，需提報罐體強度計算書，罐體的強度計算是基于GB/T 150.3—2011《壓力容器第3部分設計》[9]進行的，下面進行具體的罐體強度計算。

4.5.1 內壓計算

內壓的計算壓力取值如下：

封頭有效厚度[δ有效=δ名義?C板材負偏差?C腐蝕余量=4.7 mm]。

考慮到封頭在旋壓過程有減薄問題，查相關標準文件及實際制制造情況，減薄率[φ=13%]，則實際封頭的最小厚度[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板材負偏差?C腐蝕余量=3.7 mm]。

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

4.5.2 外壓計算校核

根據ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術要求》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的負壓，因此需做相應的負壓計算與校核。可采用計算機輔助設計軟件SW-6進行計算，計算情況如下。

a.封頭外壓校核。

b.筒體外壓校核。

計算外壓長度L=1 600 mm，筒體外徑D=2 450 mm。當[Dδ有效≥20]時，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 慣性力計算分析

根據ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術要求》5.1.6，罐式集裝箱還需進行縱向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，通過計算機數值模擬計算得到該工況下的罐箱應力云圖（圖9）。結果表明：罐體最大應力約為119.54 MPa，框架最大應力為141.84 MPa，圈板最大應力為128.02 MPa。

橫向1 g工況，通過計算機數值模擬得到該工況下的罐箱應力云圖（圖10）。結果表明：罐體最大應力約為84.85 MPa，框架最大應力為171.38 MPa，圈板最大應力為44.15 MPa。

垂直向上1 g，通過計算機數值模擬得到該工況下的罐箱應力云圖（圖11），結果表明：罐體最大應力約為72.76 MPa，框架最大應力為84.46 MPa，圈板最大應力為35.31 MPa。

垂直向下2 g工況，通過計算機數值模擬得到該工況下的罐箱應力云圖（圖12），結果表明：罐體最大應力約為133.02 MPa，框架最大應力為166.04 MPa，圈板最大應力為56.08 MPa。

根據JB/T 4732—2005《鋼制壓力容器——分析設計標準》[10]對計算機數值模擬結果進行評價，該罐箱結構可以滿足縱向2 g，橫向1 g，垂直向上1 g，垂直向下2 g四項工況試驗，計算結果及評定情況見表2。

4.7 樣箱試制及試驗

根據ISO 1496—3：2019《液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術要求》以及中國船級社《集裝箱檢驗規范》，樣箱在試制階段需做如下工作：a.角柱拉伸試驗，探傷檢測。b.焊裝完工后，需做水壓試驗。c.在第三方試驗場需做靜態試驗及動態鐵路沖擊試驗，靜態試驗包括堆碼試驗、吊頂試驗、吊底試驗、外部縱向栓固試驗、內部縱向栓固試驗、內部橫向栓固試驗、橫向剛性試驗、縱向剛性試驗、載荷傳遞區試驗、步道試驗、扶梯試驗。d.待上述試驗合格，車輛總裝完成后，進行氣密性試驗。樣箱試制過程、水壓試驗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 結語

粉罐集裝箱具有運輸靈活，卸料速度快，剩余少，環保，運輸效率高等優點，是多式聯運的極好罐式運輸產品。本文論述了某型化工塑料顆粒運輸的50 m340 ft立式粉罐集裝箱的設計開發過程，對粉粒物料運輸罐式集裝箱的設計與開發具有指導意義。

參考文獻：

[1]ISO 1496—3：2019 液體、氣體及加壓干散貨罐式集裝箱技術要求[S].

[2]朱學平，張傳運，司為軍.一種臥式粉粒物料運輸罐式集裝箱及其卸料方式.CN117302768A[P].2023-12-29.

[3]朱學平，耿齊發，孫加龍.一種立式粉粒物料運輸罐式集裝箱.CN216917098U，CN117302768A[P].2022-07-08.

[4]ISO 668：2020 系列I集裝箱分類、尺寸和額定質量[S].

[5]宋延文.中國公鐵聯運半掛車產品發展方向探討[J].專用汽車，2022（2）：1-5.

[6]郭慕孫，李洪鐘.流態化手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[7]ISO 6346：2022集裝箱代碼、識別和標記[S].

[8]中國船級社.集裝箱檢驗規范[M].北京：人民交通出版社，2024.

[9]GB/T 150.3—2011 壓力容器第3部分：設計[S].

[10]JB/T 4732—2005 鋼制壓力容器——分析設計標準[S].