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摘要：罐式集装箱是用于贮运气体、液体的移动式压力容器，具有投资小、装载量大、运输费用低、符合国际潮流等优点。保证罐式集装箱安全可靠运行，具有足够的强度是最基本的要求。基于此，本文对罐式集装箱强度设计中若干问题进行研究，以供参考。
关键词：罐式集装箱；强度设计；若干问题
引言
随着石油化学产业的快速发展，世界各国对液化石油气及其他液化天然气的需求越来越大。坦克集装箱是主要用于运输液化气、液体货物和粉末危险品的坦克集装箱运输的运输单位，装载量大、运输成本低等用途越来越广泛。坦克集装箱的运载介质大部分是易燃、易爆或毒性强，如果发生泄漏，会造成严重后果。因此，油罐容器在存储和运输过程中必须安全可靠。
1罐式集装箱强度计算判据
无论是规则设计还是应力分析设计，强度判据主要涉及两个方面，即材料许用应力和结构处的实际应力。需要说明的是，分析设计采用的是第三强度理论，相当应力称应力强度。而其他标准中未明确是第三还是第四强度理论，故用许用应力这一概念。不同的标准对同一概念选取的符号不同，在设计时需加以注意。最新标准NB/T47057-2017《液化气体罐式集装箱》给出明确的规定：（1）当罐体承受压力载荷时，采用规则设计的罐体，材料的许用应力按GB/T150.2选取；采用分析设计的罐体，材料设计应力强度按JB4732选取；（2）采用规则设计的罐体，当局部采用分析设计时，材料许用应力按GB/T150.2选取；（3）在运输工况中的惯性力载荷下，罐体、框架及连接件材料的许用应力按R（e或R0.2）除以1.5计算（Re为材料的屈服强度；R0.2为不具有明确屈服点的材料的名义屈服强度）。该标准对罐式集装箱强度设计采用整体分析设计、规则设计加局部分析设计两种情况的许用应力的选取作了明确规定。另外，当压力容器作用的载荷或使用环境、危害程度不同时，许用应力取值不同。压力载荷为长期作用的载荷，且是一个恒定值，惯性力载荷只有在集装箱运输过程中如加速、拐弯等情况下出现，其特点是作用时间短，因而应力水平稍高一些不会有很大危害。
2惯性载荷的施加
2.1惯性力的加载
按照中国船级社《集装箱检验规范》（2016）中关于罐式集装箱有限元计算的载荷施加等规定，罐式集装箱常温下运行过程中承受以下4种惯性力。
运动方向（纵向）：额定质量的2倍重力加速2mg。
同运动方向成直角的水平方向：额定质量的一倍重力加速度1mg。
垂直向下：额定质量的2倍重力加速2mg。
垂直向上：额定质量的一倍重力加速度1mg。
2.2惯性力的加载方式
对罐体进行设计计算时，规则设计中采用平均压强法计算惯性力，即将介质惯性力均匀加载在罐体垂直于对应运动方向的投影面上。有限元计算中，惯性力的加载方式有等效质量法、平均压强法以及冲击载荷法三种。等效质量法将罐内介质的质量等效到罐体上，没有考虑罐体内液体对罐体内壁的冲击作用，计算结果偏危险。冲击载荷法考虑了介质晃动等因素，结果偏保守。因此，采用平均压强法进行惯性力计算较合适。若采用平均压强法计算惯性力，在对罐箱整体进行分析设计时，还必须考虑罐体自身的惯性力，即在运输工况时应力分析施加的载荷有：罐体内介质的内压、平均压强法计算得到的当量压力以及罐体自身惯性力。
2.3注意事项
需要注意的是，纵向和横向惯性力条件——重力作用和惯性力作用同时存在，所以必须应用箱重力和货物重力。垂直下和垂直上两个条件都不应考虑重力的作用，即箱重力或货物重力。
垂直向上条件，如果应用重力效果，箱子惯性力就会平衡。内容物的下半部分和上半部分同时接收相同的值，相反方向的力在框架、裙子、护套和支撑结构的情况下，货物惯性力平衡，合力为零。不需要添加垂直向下条件、箱重力和货物重力。应用时，如果惯性力和重力的合力为3Rg，则分析结果会更大。在垂直和水平惯性力条件下是否应用货物重力，即1Pg垂直下合力对支撑结构及其周围区域、外部油罐和框架连接位置的应力结果有很大影响，惯性力条件计算的核心在此，不能忽略货物重力。这应与货物的重力（静压头）有规则的设计在计算容器壁厚时的影响不同，在计算容器壁厚时，应根据液体的静态压力考虑货物的重力，并假定最大值均匀分布在整个容器中。也就是说，最深的液体静态压力与其他内部压力负载重叠计算。这是因为占用的比例较小，所以对容器壁厚计算影响很小。如果水压小于设计压力的5%，则可以忽略它。
3有限元分析模型的创建方法和要求
油罐的主要轴承结构是构成框架、支撑、裙子、外部水箱、外部水箱加强圈、内容装置、内容装置加强圈、FRP支撑、外部支撑座和完整荷载传递路径的内部支撑座。分析模型通常不需要管道、处理附件和安全附件等结构。必须根据设计图纸创建模型，并且当主宿主结构发生设计更改时，必须对模型进行相应的更改。框架和水箱等方管，钢板构件适合分割为壳体网格，FRP支撑及其支撑石适合分割为实心网格。零件和零件的焊接位置适用于相同节点连接，必须在FRP支撑和支撑座之间建立接触连接关系。内容和外部水箱的有限元分析厚度必须设置为有效厚度，例如公称厚度减去材料厚度的负偏差、加工减少和腐蚀裕度。框架中常用的材料为Q345D，外部油罐中常用的材料为16MnDR和Q345R，内容物中常用的材料为s330408，支撑石中常用的锻造材料为16MnDIII和S30408 iii。弹性系数e、泊松比μ和密度△必须根据相关标准的材料力学特性进行设置。Frp支撑材料通常使用低温隔热环氧玻璃钢管D3848和G3848。玻璃钢管一般属于各向异性复合材料，在进行箱子整体分析时适当合理地简化。
4材料的选择
在选材时要根据罐装产品进行设计，比如本罐箱装运的介质为无水液氨，它对碳钢及低合金钢的均匀腐蚀很微弱，但是在操作使用过程中一旦受到空气的污染，再加上持续的拉应力作用下，则会对钢材产生严重的应力腐蚀。所以罐体选材（碳钢及低合金钢）时应注意以下几点：（1）避免选用高强度的钢材，所选材料屈服强度下限值Ｒel≤355MPa；材料实际抗拉强度Ｒm≤630MPa。（2）优先考虑选用低温钢。（3）材料使用状态应为正火或正火+回火、退火及调质状态。（4）应限制钢材碳当量，低碳钢和碳锰钢CE≤0．43，低合金钢（包括低温镍钢）CE≤0．45。
结束语
通过对罐式集装箱强度设计的分析讨论，形成如下认识：（1）罐式集装箱强度设计时，内压工况、内压+惯性力工况及液压试验工况下材料许用应力取值不同。罐体规则设计时，计算压力等于设计压力加惯性力当量压力，材料许用应力按GB150.2选取，这样的常规做法是偏保守的。（2）罐式集装箱分析设计时，罐体与支座、支座与框架等连接处往往是高应力区，高应力区强度判据按JB4732-1995《钢制压力容器—分析设计标准》，以降低罐箱重量，减少运输成本。（3）只要存在水路运输的可能，与运行方向垂直的水平方向的惯性力为最大质量的2倍乘以重力加速度。对罐箱进行有限元分析计算时，必须考虑罐体自身的惯性力。（4）考虑罐式集装箱的结构特点及强度评定时应力分类的需要，对罐箱进行有限元分析设计时，除角件采用实体单元模型外，其余均采用壳单元模型是合理的，也是可行的。
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