多式联运粉粒物料运输罐式集装箱探讨

摘要：阐述了多式联运粉粒物料运输罐式集装箱的分类、定义、欧洲发展情况及优势，并论述了某型化工塑料颗粒运输立式粉罐集装箱的产品设计与开发过程。

关键词：多式联运；罐式集装箱；塑料颗粒；立式；设计与开发

中图分类号：U169.47 收稿日期：2024-06-20

1 前言

粉粒物料运输罐式集装箱[1]（简称“粉罐集装箱”），指装运介质为粉粒物料，一般由罐体、安全附件、管道、框架组成，可实现正压气力输送的罐式集装箱。近几年，随着国家“公转铁、公转水”政策的推广，粉罐集装箱得到了兴起和发展。粉罐集装箱运输灵活，可公路、铁路、水路甚至空中运输，是多式联运的极好罐式运输产品。粉罐集装箱按罐体结构可分为卧式、立式、举升式粉罐集装箱。

卧式粉罐集装箱如图1所示[2]，罐体底部设有流化床，流化床平面与水平面的夹角介于粉粒物料的安息角和临界流化角度之间，依靠流态化向卸料口流动（悬浮型）卸料。立式粉罐集装箱如图2所示[3]，罐体下部为锥体，锥体母线与水平面的最小夹角大于粉粒物料的安息角、内摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流动（重力型）卸料。举升式粉罐集装箱如图3所示，其罐体可举升，卸料时罐体的举升角度大于粉粒物料的安息角、内摩擦角、壁面摩擦角中的最大值，依靠重力向卸料口流动（重力型）卸料。

按照罐体材质不同，粉罐集装箱又可分为碳钢、不锈钢、铝合金三类；按运输介质不同，可分水泥粉罐箱、PTA粉罐箱、PVC等粉罐箱；按罐箱长度分20 ft、30 ft、40 ft、45 ft等粉罐箱[4]。

eAWfjRWUWP7qDm0iyC2r+2ATPjyIFWgsf5M6gttyp3U=2 粉粒物料多式联运及欧洲粉罐箱发展历程

多式联运是指货物全程由一种且不变的运载单元或道路车辆装载，通过两种及以上运输方式无缝接续，在更换运输方式过程中不发生对货物本身操作的一种货物运输形式[5]。

粉罐集装箱使用极为方便：在上游客户那里，粉罐集装箱列车开到装料场地，物料可以通过散装机口，由粉罐集装箱顶部的人孔装到罐内；运输时，可进行道路公路运输，可进行船运水路运输，也可进行铁路运输；在下游客户那里，粉罐集装箱列车可开到卸料场地，物料可以重力或气力输送卸到指定的地槽或料仓内。

目前欧洲粉罐集装箱多为举升式粉罐集装箱，这与其所运物料有关，欧洲因大规模基建在早些年已完成，现主要以化工颗粒、食品、饲料运输为主。同时，也基于带前顶油缸的举升式粉罐集装箱运输半挂车（图4）公路行驶运输是符合欧洲法规的因素。

欧洲粉罐集装箱在新材料应用上处于世界前沿，罐体基本上多是铝合金材质，在端框、角件、托架、罐顶走道、人孔盖等附件上也都大量应用铝合金材料，其中较为优秀的企业为德国的SPITZER、FFB、Kässbohrer等公司。

3 公铁联运粉罐集装箱的优势

a.运输装料灵活。公铁联运粉罐集装箱的装料运营模式基本有如下模式。模式一：粉罐集装箱可由储料罐重力装料，集装箱运输半挂车可公路运输，再吊在铁路平车或敞车内运输。模式二：在铁路专用线上，通过粉粒物料储罐直接向多个铁路粉罐集装箱同时罐装作业。模式三：通过粉粒物料运输车可向在铁路平车上的空的铁路粉罐集装箱直接进行罐装作业。

b.卸料速度快，剩余少。粉罐集装箱可使用重力卸料或气力输送卸料，具有卸料速度快、剩余少的优点。尤其是举升式粉罐集装箱，45 m³的罐体卸料时间约30 min，剩余量不大于10 kg。

c.节能环保。铁路粉罐集装箱运输途中处于常压密闭状态，保证了粉粒物料的品质，其无污染、无泄漏、无损耗、绿色环保，装料、卸料、运输各环节密封性良好，有效地避免了环境污染和损耗，同时包装量小，甚至无需包装，节省了包装材料、人力成本。

d.可进行多式联运。该种集装箱可进行铁路、公路、水路联运，使粉粒物料的供应更灵活、快捷。

e.提高车辆运输效率。该种集装箱由于装卸效率大幅提高，减少了车辆停运时间，减少铁路运用车积压。春节或雨季工地停工，铁路粉罐集装箱箱体可随时吊下，不影响铁路平车或敞车的使用。

4 某型立式粉罐集装箱的设计开发

4.1 市场需求

某客户需将化工塑料颗粒由原料生产A地运输到塑料加工的B地，考虑到运输距离远，同时现吨包运输搬卸劳动量大，成本高，打算使用粉罐集装箱公路与铁路联合运输，铁路运输路线在国内货运铁路上，卸料工作压力0.2 MPa，环境温度为-20～+65 ℃。

4.2 化工塑料颗粒

塑料是目前世界上三大合成材料之一（图5），主要成分为合成树脂。化工塑料颗粒是以半成品形态进行储存、运输和加工成形的原料。它是一类高分子材料，以石油为原料可以制得乙烯、丙烯、聚乙烯、苯乙烯等，这些物质的分子在一定条件下能进行加成聚合反应，生成分子量很大的高分子化合物（又称“高分子聚合物”）。常见的化工塑料颗粒有聚乙烯（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。据相关媒体报道，2023年中国聚丙烯（PP）总产能达到约3 924万t，总产量约为3 219万t，产能及产量均居于国内化工塑料颗粒的首位。聚丙烯（PP）材料及其属性见图6。

4.3 产品方案

根据上述工况条件，排布了50 m³40 ft七锥立式粉罐集装箱方案（图7），大锥体的母线与水平面的夹角为45°，满足大宗化工塑料颗粒的流动要求。整箱总成由框架总成、罐体总成、罐顶走道总成、内外爬梯总成、进气管道总成、出料管道总成、附件总成等构成。罐体由直筒和下部的7个锥体相贯构成，各个锥体底部设置有流化装置，以便对化工塑料颗粒流态化[6]，实现气体与化工塑料颗粒呈拟流体状态，在罐内外一定压力的情况下，通过出料管道输送到指定的距离和高度。罐箱的具体设计参数见表1。

4.4 船级社认证

船级社属国际性组织，最早于1760年，英国的爱德华·劳埃德创立了英国劳氏船级社（LR），后期发展成立有美国的船级社（ABS）、法国船级社（BV）、中国船级社（CCS）等。根据相关的法规要求，铁路运输的罐式集装箱需做相应的船级社认证。根据设计条件，该罐箱能在国内铁路上运营，因此进行了中国船级社（CCS）认证，罐式集装箱产品认可流程见图8[8]。

a.向船级社提交书面申请，确定项目号；b.提交图纸及技术文件，进行审查；c.在审图完成后，船级社人员会到工厂进行技术审查及样箱与图纸一致性审查，以及样箱制造、试验审查；d.审核合格后，颁发船级社认证许可证书；e.后期有结构等变动时，需通知船级社，或做相应调整。

4.5 罐体强度计算和校核

根据船级社认证的图纸及技术文件审查要求，需提报罐体强度计算书，罐体的强度计算是基于GB/T 150.3—2011《压力容器第3部分设计》[9]进行的，下面进行具体的罐体强度计算。

4.5.1 内压计算

内压的计算压力取值如下：

封头有效厚度[δ有效=δ名义−C板材负偏差−C腐蚀余量=4.7 mm]。

考虑到封头在旋压过程有减薄问题，查相关标准文件及实际制制造情况，减薄率[φ=13%]，则实际封头的最小厚度[δ最小=δ有效1−φ=4.089 mm]。

由上可知，[δ计算<δ最小]，因此封头采用不锈钢S30408，厚度t=5 mm合格。

b.筒体工作压力校核。

筒体有效厚度[δ有效=δ名义−C板材负偏差−C腐蚀余量=3.7 mm]。

由上可知，[δ计算<δ有效]，因此筒体采用不锈钢S30408，厚度t=4 mm合格。

4.5.2 外压计算校核

根据ISO 1496—3：2019《液体、气体及加压干散货罐式集装箱技术要求》5.6.1.3要求，罐体在配有真空阀的情况下，罐体需能耐-0.021 MPa的负压，因此需做相应的负压计算与校核。可采用计算机辅助设计软件SW-6进行计算，计算情况如下。

a.封头外压校核。

b.筒体外压校核。

计算外压长度L=1 600 mm，筒体外径D=2 450 mm。当[Dδ有效≥20]时，筒体许用外压：

由此可知，筒体许用外压[P许用>0.021 MPa]，筒体外压校核合格。

4.6 惯性力计算分析

根据ISO 1496—3：2019《液体、气体及加压干散货罐式集装箱技术要求》5.1.6，罐式集装箱还需进行纵向2 g，横向1 g，垂直向上1 g，垂直向下2 g（g=9.81 N/kg）的惯性力的有限元分析。

纵向2 g工况，通过计算机数值模拟计算得到该工况下的罐箱应力云图（图9）。结果表明：罐体最大应力约为119.54 MPa，框架最大应力为141.84 MPa，圈板最大应力为128.02 MPa。

横向1 g工况，通过计算机数值模拟得到该工况下的罐箱应力云图（图10）。结果表明：罐体最大应力约为84.85 MPa，框架最大应力为171.38 MPa，圈板最大应力为44.15 MPa。

垂直向上1 g，通过计算机数值模拟得到该工况下的罐箱应力云图（图11），结果表明：罐体最大应力约为72.76 MPa，框架最大应力为84.46 MPa，圈板最大应力为35.31 MPa。

垂直向下2 g工况，通过计算机数值模拟得到该工况下的罐箱应力云图（图12），结果表明：罐体最大应力约为133.02 MPa，框架最大应力为166.04 MPa，圈板最大应力为56.08 MPa。

根据JB/T 4732—2005《钢制压力容器——分析设计标准》[10]对计算机数值模拟结果进行评价，该罐箱结构可以满足纵向2 g，横向1 g，垂直向上1 g，垂直向下2 g四项工况试验，计算结果及评定情况见表2。

4.7 样箱试制及试验

根据ISO 1496—3：2019《液体、气体及加压干散货罐式集装箱技术要求》以及中国船级社《集装箱检验规范》，样箱在试制阶段需做如下工作：a.角柱拉伸试验，探伤检测。b.焊装完工后，需做水压试验。c.在第三方试验场需做静态试验及动态铁路冲击试验，静态试验包括堆码试验、吊顶试验、吊底试验、外部纵向栓固试验、内部纵向栓固试验、内部横向栓固试验、横向刚性试验、纵向刚性试验、载荷传递区试验、步道试验、扶梯试验。d.待上述试验合格，车辆总装完成后，进行气密性试验。样箱试制过程、水压试验以及某型立式粉罐集装箱样箱整体分别如图13～图15所示。

5 结语

粉罐集装箱具有运输灵活，卸料速度快，剩余少，环保，运输效率高等优点，是多式联运的极好罐式运输产品。本文论述了某型化工塑料颗粒运输的50 m³40 ft立式粉罐集装箱的设计开发过程，对粉粒物料运输罐式集装箱的设计与开发具有指导意义。

参考文献：

[1]ISO 1496—3：2019 液体、气体及加压干散货罐式集装箱技术要求[S].

[2]朱学平，张传运，司为军.一种卧式粉粒物料运输罐式集装箱及其卸料方式.CN117302768A[P].2023-12-29.

[3]朱学平，耿齐发，孙加龙.一种立式粉粒物料运输罐式集装箱.CN216917098U，CN117302768A[P].2022-07-08.

[4]ISO 668：2020 系列I集装箱分类、尺寸和额定质量[S].

[5]宋延文.中国公铁联运半挂车产品发展方向探讨[J].专用汽车，2022（2）：1-5.

[6]郭慕孙，李洪钟.流态化手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[7]ISO 6346：2022集装箱代码、识别和标记[S].

[8]中国船级社.集装箱检验规范[M].北京：人民交通出版社，2024.

[9]GB/T 150.3—2011 压力容器第3部分：设计[S].

[10]JB/T 4732—2005 钢制压力容器——分析设计标准[S].