30m³非圆截面植物油罐式集装箱设计

罐式集装箱用来运输液体散装产品和固体粉末类产品，主要运输液体产品有石油化工、食品类等。目前，满足国际物流运输的罐箱采用ISO1496-3标准，结构主要采用外部刚性框架，内部为圆形截面罐体，框架与罐体通过刚性连接，受限于ISO罐箱宽度2438mm，圆形截面设计容积为26m³，标称载重为26500kg左右。运输植物油时，受容积限制，植物油密度一般按照0.885吨/m³考虑，实际装载22550kg，无法充分利用集装箱的载重能力。为了满足植物油等普通体液体的公路、铁路、水路运输需求，提高运输的经济性，设计了一种非圆截面的罐式集装箱，容积达到了30m³，实际装载达到26020kg，相对于26m³容积罐箱，装载量提升了15.6%，即3520kg。本文对容积30m³非圆截面罐式集装箱（以下简称植物油罐箱）的设计标准、选材、设计、防腐、仿真分析、试验、出厂和定检等进行介绍。

1 设计标准

植物油罐箱的设计应当符合相关国际公约和标准的要求。植物油为非危险液体货物，罐箱的容器设计标准参考GB/T150《压力容器》。植物油罐箱的主要设计标准和规范还包括ISO668：2020《系列1集装箱 分类、尺寸和额定质量》、ISO1496-3：2019《系列1集装箱 技术要求和试验方法 液体、气体及加压干散货罐式集装箱》、ISO6346：2012《集装箱 代码、识别和标记》、ISO9669：1990《系列1集装箱 罐式集装箱的接口》、《1972年集装箱关务公约》、《1972年集装箱关务公约》、国际铁路联盟（UIC）50596-6《联合运输、联合运输线路和车辆所使用的多式联运装载装置编码标准》规定、中国船级社《集装箱检验规范》（2021）、中国船级社《材料与焊接规范》（2021）、TG/01-2014《铁路技术管理规程》、《铁路主要技术政策》（2013）等。

2选材要求

2.1罐体材质的选择

选择罐体材料时应考虑设计标准、使用条件、运用工况，材料性能、安全裕度、生产制造工艺以及综合经济合理性等。其中，使用条件包括设计压力、设计温度度、装卸货工况、介质特性和使用维护等，材料性能包括力学性能、化学元素含量及物理性能等。在开展设计时，主要有三点需要重点关注。一是根据设计温度选取材料使用温度限界的确定，考虑到植物油罐在不同的地区使用，低温按照罐箱使用环境温度下限-40℃选材，同时，由于该箱具有蒸汽加热系统，最高温度为130℃，材料随着温度提高，许用应力会有所下降。二是腐蚀裕量的确定，设计者应根据介质对钢材的腐蚀速率和容器设计的使用年限合理预估所需要的腐蚀裕量。同一容器的不同部件可以根据使用情况选择不同的腐蚀裕量。三是材质标准的选择，同样标号的材料在不同的材质标准里许用应力不同，选择屈服强度大的材质标准，可以在同等设计条件下，降低罐体的筒壁厚度，达到减重的目的。同时也可以减少材料的使用，降低制造成本。如本罐箱采用的奥氏体不锈钢X5CrNi18-10（标准：EN10028-7：2016），屈服强度是260MPa，在GB/T24511-2017里，屈服强度为250MPa。

2.2框架选材要求

框架材料应当具备良好的强度、刚度性能和耐大气腐蚀性能，并且具有满足罐箱使用的冲击韧性和焊接性能。

3设计要求

植物油罐箱可适用于公路、水路和铁路联运，设计时除了应满足相关的设计标准及政策外还应注意以下六点。（一）框架采用全框架结构，罐体与框架通过裙圈刚性连接。通过仿真分析计算和型式试验表明，全框架裙圈连接结构提高了植物油罐箱整体刚度，提升了铁路运输工况下车辆之间的纵向冲击性能，为罐体提供更好的保护。（二）罐体与框架组装时，罐体的非卸货口前端应高于底部卸货口端5-10mm，这是由于采用了非圆的截面，使罐体底部的弧度相对圆形截面变大，通过抬高非卸货口端更有利于下卸阀卸净货物。（三）箱体顶部步道应采用铝合金步道，采用铺满结构，框架顶部梁与相邻步道板之间、溢流盒与相邻步道板之间的距离不大于100mm，以便于装卸货作业。（四）罐箱爬梯梯凳应进行防滑设计，根据最新的ISO1496-3标准，保持相邻梯等之间间距不大于330mm。（五）植物油罐箱应在顶部气相阀和底部下卸阀之间配备气液联动锁闭装置，以避免因为人为操作失误，未打开顶部气相阀卸货而造成的罐体产生负压损坏。（六）底部的卸料阀应采用夹持式三段阀，即，紧急关闭阀、蝶阀和卸料扣盖。同时为了满足公路、铁路运输，阀的最低点应距下端梁上平面有足够的高度，便于下卸阀的装卸操作。

4防腐要求

框架应该采用油漆防护，依次喷涂富锌底漆、环氧中间漆和面漆。所有漆面应按GB/T9286-1998《色漆和清漆漆膜的划格试验》进行漆膜划格试验检测。不锈钢罐体内外表面不涂漆。罐体外部具有岩棉层保温层，采用玻璃钢外包包裹。

5仿真分析要求

除了按照GB/T150-2011《压力容器》对罐体部分进行规则计算外，植物油罐箱按中国船级社《集装箱检验规范》（2021）第8章 罐式集装箱 附录Ⅰ罐式集装箱有限元计算指南的要求，仿真分析罐式集装箱在运输工况中所承受的四种惯性力载荷。其中，纵向即运行方向载荷为为罐箱总质量乘以2倍重力加速度;横向，即与运行方向垂直的水平方向为罐箱总质量乘以1倍重力加速度，垂直向上方向，即与水平方向垂直向上方向为罐箱总质量乘以1倍重力加速度，垂直向下方向，即与水平方向垂直向下方向为罐箱总质量乘以2倍重力加速度。该部分仿真计算可按照JB4732-1995（2005年确认）《钢制压力容器-分析设计标准》规定的许用应力强度等级进行判定。

6试验要求

植物油罐箱除了应按照设计标准的规定进行型式试验外，还应进行铁路冲击试验和铁路敞车工况试验及容积检测。冲击试验按联合国《关于危险货物运输的建议书（试验和标准手册第6修订版）》ISO1496-3：2019附录B：动态纵向冲击试验）》进行，并委托有冲击试验资质的专业试验室进行试验，监造机构和客户代表应现场鉴证。

截至2020年，我国铁路货车保有量达到91.2万辆，敞车总数约占铁路货车总数58.2%，其中通用敞车数量接近50万辆，通用敞车运输集装箱约占集装箱铁路总运量的40%以上。铁路敞车工况试验按照中国船级社《集装箱检验规范》（2021）第8章 罐式集装箱 附录Ⅱ铁路敞车运输罐式集装箱的附加要求进行。

罐箱的容积检测主要采用稱重法和激光检测法。称重法即将被检测罐箱在室温下空载和装水后分别进行称重，两次称重的差值除以水的密度（按照25℃，一个标准大气压下）得到的体积即为罐体的容积。采用激光检测法是将特定的激光探头自罐体顶部人孔伸入罐内，通过激光扫描成像和后期建模计算罐体内部的体积，从而得出罐体的容积。

7出厂和定检要求

植物油罐箱出厂前需完成所有样箱型式试验、冲击试验和铁路敞车工况试验，并取得中国船级社的集装箱证书。营运使用时，植物油罐箱应按照中国船级社《集装箱检验规范》（2021）第2章第5节营运检验的要求进行定期检验。根据需要也可以申请其他船级社的集装箱证书，按照所申请船级社要求进行运营与定检。

8经济性分析

植物油罐箱为植物油介质专用的ISO标准的20英尺罐式集装箱，与圆形界面的20英尺标准罐式集装箱相比，该箱具有如下优势：

（1）该箱罐体为非圆截面设计，与圆形截面罐箱26m³容积相比，容积增加了4m³，在同样的罐箱外形尺寸下，提供了更多的容积。

（2）该箱按照总重30480kg设计运营，在规定充装率下，与常温下的植物油密度相同。即满载时，总重即为罐箱设计总重，既不亏吨也不浪费容积，具有较优的经济性。

9 结束语

植物油罐箱设计采用了非圆截面，通过结构优化降低了罐箱的自重，在规定的集装箱外形尺寸下提高了罐体的容积，实现了罐箱容重比与介质密度的匹配，具有较优的经济性。随着多式联运的提速发展，“一带一路”倡议的提出，以市场为导向，针对具体介质，设计出针对性的集装箱产品，实现运输效益最大化，可预见，未来这种专用的集装箱发展前景广阔。

作者简介：李涛（1983-），男，高级工程师，从事特种集装箱和移动式压力容器研发工作。