基于Baydur复合材料下的新型集装箱的研发

马嘉启，孟庆兵，张文静

基于Baydur复合材料下的新型集装箱的研发

马嘉启，孟庆兵，张文静

（青岛中集集装箱制造有限公司，山东 青岛 266599）

主要对传统集装箱箱体材料是否可以用Baydur复合材料替代进行研究，通过对Baydur复合材料集装箱的制造成本、运营成本及环境因素分析，碳钢与新型的复合材料的物理性能、化学性能比对，论证了Baydur复合材料替代传统钢制集装箱材料的可行性。同时，对箱体关键部位、连接节点的结构进行设计，对未来使用新型材料替代传统的碳钢材料提供依据和思路。

集装箱；复合材料；新型材料集装箱；整体结构

伴随着各种新型材料的诞生，在很多领域，新型材料已经取代了传统的材料。目前在集装箱上，钢结构使用的材料主要为耐候钢，钢制集装箱质量比较大，仅20英尺（1英尺=30.48 cm）标准集装箱自身质量就超过2 t，作为货运载体，运输成本高、能耗大。同时，废旧箱、二手箱重复再利用难度大。易生锈、耐腐蚀性差也是钢材的薄弱之处。在这种前提下，能否可以采用一种性能优良、耐腐蚀性强、成本适中的材料来制造集装箱，替代传统意义上的钢制集装箱，便成为一个很有意义的研发课题。

1 发展背景

集装箱作为全球贸易一体化的一个重要承载工具，对全球货物的流转起着举足轻重的作用。据有效统计，每年集装箱新箱的制造量大约在百万TEU左右，然而，伴随着新箱的制造，大量的旧箱、二手箱流入到市场，由于钢制集装箱回收困难，重复再利用空间有限，因此，对环境的破坏影响巨大。同时，钢制集装箱质量大，小柜自身质量都达到2 t以上，因此，在货物流转过程中，箱体皮重的周转造成了大量的能源损耗。

Baydur复合材料作为一种新型的复合材料，由树脂与玻璃纱复合而成，极大地提高了单一树脂的性能，其机械强度、抗冲击性、耐腐蚀性等均优于传统的碳钢。通过挤出成型工艺，可以制作不同截面的型材，进一步提高了材料的力学性能。目前此材料已经成功地应用在风力发电叶片、建筑框架结构、航天领域等。

2 关于制造成本、运营成本及环境因素分析

2.1 制造成本

2019年，全球制造的新集装箱在220万TEU左右，其中，每台20英尺箱总质量为2 200 kg，钢结构质量约 1 700 kg，钢材价格按4.5元每千克计算，则全球每年用于集装箱的钢材约168.3亿元人民币。每台箱均需做油漆防腐，油漆费用每台约2 000元，每年用于集装箱防腐的油漆约44亿元人民币。

2.2 运营成本

集装箱在全球的流转主要通过海运、汽车运输和铁路运输。据世界铝业协会报告，汽车自身质量每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%。汽车每减轻100 kg的质量，每100 km油耗可降低0.4 L。

新型复合材料集装箱自身质量轻，同结构强度下，仅为钢制结构箱质量的1/3，使用以上数据计算，每台新型复合材料集装箱运送100 km，就能节省5.8 L油，每升汽油按6元计算，每100 km运输费用可节省35元。

2.3 环境因素

巴斯夫公司统计结果表明，汽车每减轻100 kg的质量，每100 km二氧化碳排放就可减少1 kg。如果采用新型复合材料集装箱运输，每100 km可减少14.6 kg二氧化碳的排放，其对于节约能源、保护环境、减少温室气体排放意义重大。

3 物理性能、化学性能比对

COVESTRO公司（原拜耳公司）生产的Baydur复合材料由20%的树脂加80%的玻璃纤维纱复合而成，对该材料的物理性能和化学性能做了相应的试验测试。

Baydur复合材料与耐候钢之间的物理性能对比显示如表1所示。

表1 新型材料与耐候钢之间的物理性能对比显示表

机械性能Baydur 复合材料（轴向）铝合金型材碳钢 GF-R（Type 6063-T5）耐候钢 密度/（g·cm-3）2.052.77.85 拉伸模量/GPa61.568.9210 抗拉强度/MPa1031145500～530

新型材料与耐候钢之间的化学性能对比显示如图1 所示。

图1 新型材料与耐候钢之间的化学性能对比显示图

以上结果显示，Baydur复合材料部分物理性能及化学性能指标均高于耐候钢。

4 整体结构及连接节点的设计

标准的集装箱主要分为六大部分：底架、前端、门端、两个侧墙和顶部。其中，底架及侧墙是起吊运输时主要的承力单元。图2为箱体的主体结构，其中，顶侧梁、底侧梁、角柱等主体框架结构均采用复合材料的挤塑型材，侧板、端板与框架连接采用插接式。

其中，对角件处的连接节点做了进一步的研究，由于目前的角件材质为铸钢，且与港口吊机的卡尔玛匹配，因此，此处还需要保留原有角件的孔尺寸及结构形式，但为了与角柱、底侧梁、端槛做有效的连接，在角柱铸造时，对原有结构进行了优化，使其可以与复合材料的型材进行简单可靠的连接，如图3所示。

图2 箱体主体结构图

图3 角件节点处结构图

5 结论

本文通过对Baydur复合材料与耐候钢的性能比对研究，对复合材料集装箱的雏形做了设计，对未来新型材料替代已有的钢制集装箱提供了设计思路和理论依据。新型复合材料集装箱如果能替代传统的集装箱，其研发结果将为集装箱行业带来突破性的变革，经济效益非常可观，同时环保意义巨大，对集装箱行业的发展具有深远意义。

［1］全国集装箱标准化技术委员会.集装箱标准汇编［M］.北京：中国标准出版社，2002.

［2］哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2016.

［3］赵罘，杨晓晋.SolidWorks 2018中文版机械设计从入门到精通［M］.北京：人民邮电出版社，2018.

2095－6835（2021）06－0134－02

TH247

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.054

马嘉启（1988—），男，毕业于山东科技大学，硕士研究生，项目研发工程师。

〔编辑：王霞〕