КОНТЕЙНЕР-ЦИСТЕРНА Российский патент 2000 года по МПК B65D88/12 

Изобретение относится к емкостям для хранения и транспортирования жидких и газообразных веществ на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте.

Выдерживающая необходимое давление цистерна, оснащенная рамой с грузозахватными элементами, образует контейнер- цистерну, габариты которого определяются рамой и строго регламентированы международными стандартами контейнерных перевозок, что связано с габаритами транспортных средств, устройствами крепления контейнеров, условиями штабелирования при перевозке и хранении.

Рама воспринимает нагрузки при подъеме, опускании и штабелировании емкости. Кроме того, при транспортировках с продольным ускорением, например, при аварийных ситуациях, до 4-х g на рамы с закрепленными нижними грузозахватными элементами воздействуют значительные усилия (четырехкратно превышающие вес контейнера-цистерны) и изгибающие моменты, вызывающие в них высокие напряжения, заметный вклад в которые дает масса пустой конструкции. От того, как выполнены и скреплены рама с емкостью, зависит сложность устройства, эксплуатационные возможности и надежность, а также величина полезного объема контейнера-цистерны.

Известен контейнер-цистерна для текучих веществ, содержащий цилиндрическую емкость, выполненную из согнутых листов металла с пределом текучести σ_т до 345 кг/мм² и соединенную торцами с рамами, оснащенными грузозахватными элементами посредством седловых вставок. Последние соединены с емкостью через опорные кольца и ребра жесткости, скрепленные между собой с помощью болтов, а с емкостью и седловыми вставками сварными швами (А.С. СССР N 1011043, кл. B 65 D 88/12 1979 г.).

Недостатком устройства является большая масса цистерны, связанная с использованием низколегированной стали с пределом текучести σ_т до 345 кг/мм², и конструкции крепления рамы к емкости из-за использования на поверхности емкости большого числа деталей для перехода от рамы к емкости. Это увеличивает строительную высоту цистерны, следствием чего являются уменьшенные габариты емкости и ее сниженный полезный объем. А это, в свою очередь, ограничивает эксплуатационные возможности всей конструкции.

Кроме того, описанные узлы конструктивно сложны и предрасположены к повышенной концентрации напряжений из-за избытка сварных швов, что снижает эксплуатационную надежность всей конструкции.

Описанное устройство не решает проблемы упрочнения конструкции в нижней ее части для предотвращения деформаций при возникновении продольных ускорений и не решает вопроса снижения веса и увеличения надежности конструкции.

Наиболее близким с точки зрения решения поставленных вопросов повышения надежности устройства является контейнер-цистерна, описанный в патенте РФ N 2072956 "Контейнер-цистерна" авторов Ермоленко А.Ф., Ефимов А.И., Димитриенко И.П., Никиток В.А., опубликованном в БИ N 4,1997 г.

Контейнер-цистерна содержит цилиндрический котел, выполненный из согнутых листов стали класса низкой прочности с пределом текучести σ_т до 345 кг/мм², с днищами, имеющий продольную ось, две прямоугольные торцевые рамы, через центры которых проходит продольная ось контейнера, не совпадающая с продольной осью котла, имеющие верхние и нижние поперечины, вертикальные стойки с закрепленными по углам грузозахватными элементами и верхние и нижние диагональные распорки, соединяющие вертикальные стойки с поперечинами, переходные обечайки, связанные посредством сварного соединения с днищами и прямоугольными торцевыми рамами, попарно расположенные с каждой стороны котла четыре опорные балки, закрепленные на нижних углах торцевых рам и котле, охватывающие котел армирующие кольца и контактные элементы. Продольная ось котла расположена ниже и параллельно продольной оси контейнера, каждая переходная обечайка выполнена в виде усеченного конуса, обращенного меньшим диаметром к днищу, а большим диаметром закрепленного на вертикальных стойках, нижней поперечине и диагональных распорках, причем верхняя и нижняя поперечины и диагональные распорки каждой рамы смещены относительно центров грузозахватных элементов внутрь контейнера до совмещения в одну плоскость с боковым поверхностями вертикальных стоек. При этом в местах контактов диагональных распорок с вертикальными стойками и нижней поперечиной и на длине дуги между местами примыкания конуса к верхним диагональным распоркам на поверхности конуса со стороны наибольшего диаметра выполнены U-образные вырезы. Каждая опорная балка прямоугольного профиля выполнена с цилиндрическим участком сопряжения с поверхностью котла и скреплена этим участком с котлом через перекрывающую указанный участок прокладку, толщина которой больше толщины стенки опорной балки, а кривизна соответствует кривизне наружной цилиндрической поверхности котла. При этом его армирующие кольца выполнены незамкнутыми и размещены в зонах стандартных мест контактов с охватом котла сверху до упора в контактные элементы, а его опорные балки в одной паре направлены навстречу друг другу и соединены между собой встык, а с котлом через одну прокладку.

Верхняя и нижняя поперечины, диагональные распорки его торцевых рам, а также опорные балки выполнены из элементов одинакового профиля.

Размещение котла по возможности ближе к плоскости, проходящей через основания нижних угловых грузозахватных элементов, обеспечивает снижение напряжений в наиболее нагруженных нижних частях рам благодаря уменьшению расстояния от центра тяжести котла до мест закрепления грузозахватных элементов, следствием чего является снижение в них изгибающих моментов от действия инерционных сил.

Существенная разница в воздействии нагрузок на верхние и нижние части рам в условиях эксплуатации при значительно более низкой степени нагружения верхних частей позволяет выполнить в обечайках со стороны рам глубокие U-образные вырезы на длину дуги между верхними диагональными распорками и тем самым снизить вес контейнера-цистерны.

Во избежание разрушений котла при нагрузках, значительно превышающих эксплуатационные нагрузки при продольных ускорениях, опорные балки предложено скрепить с котлом через прокладки, величина которых превышает величину участков сопряжения опорных балок, а толщина - толщину их стенок. Такое исполнение гарантирует сохранение целостности котла при превышении осевых перегрузок даже с разрушением опорных балок или нижних поперечных рам.

Однако несмотря на значительные преимущества описанного устройства в сравнении с другими аналогичными устройствами с точки зрения перечисленных выше задач, оно обладает рядом недостатков, ограничивающих возможности дальнейшего улучшения его эксплуатационных характеристик.

Конструкция описанного контейнера-цистерны сложна из-за наличия на поверхности емкости большого числа деталей, упрочняющих ее и обеспечивающих возможность ее эксплуатации. Кроме того, конструкция обладает большим весом, следствием чего является также усложнение конструкции.

Так, несколько моделей контейнеров: ТКМ-02.2; ТКМ-25,22; ТКМ-0,4К; ТКМГ-25, выполненных с учетом изобретения-прототипа ОАО "Дзержинский химмаш", по массе составляют 4,2 т, 11 т, 4,8 т, 9 т соответственно при максимально допустимом рабочем давлении в емкости от 0,4 до 22 МПа.

Большой вес цистерн обусловлен значительной толщиной материала, из которого их изготовляют. Обечайку цистерны, описанную в прототипе, выполняют из согнутых листов перечисленных марок сталей толщиной до 22 мм продольной сваркой. Сваренные таким образом получившиеся трубы или обручи соединяют встык торцами поперечным сварным швом. Приведенная толщина листов необходима для получения прочной конструкции, работающей под высоким давлением, т.к. перечисленные стали обладают невысокими прочностными характеристиками (предел прочности σ_т = 345 кг/мм²). Образующиеся цилиндры в граничных областях провариваются кольцевой сваркой. Подобные конструкции имеют плоские неровные области около продольных швов, в результате чего в некоторых случаях нет точного совмещения краев цилиндрических секций, а это приводит к образованию неровностей, что в свою очередь приводит к множеству непрочных Т-образных сварных соединений в местах стыка продольных и кольцевых швов.

Кроме того, изготовленные из этих сталей цистерны имеют на поверхности и по объему много неровностей, несоответствий по размеру, что ограничивает точности установки ее в контейнере при сборке.

Целью изобретения является упрощение конструкции, сборки и повышение эксплуатационных характеристик контейнера-цистерны.

Цель достигается в контейнере-цистерне, содержащем цилиндрическую цистерну с днищами и контактными элементами, имеющую продольную ось, выполненную из прокатных сталей с пределом текучести σ_т =400-900 кг/мм², две прямоугольные торцевые рамы, через центры которых проходит продольная ось контейнера. Причем продольная ось цилиндра находится под углом α =0,001-0,003 к оси контейнера. Торцевые рамы содержат верхние и нижние поперечины, вертикальные стойки с закрепленными по углам грузозахватными элементами и верхние и нижние диагональные распорки, соединяющие вертикальные стойки с поперечинами. Днища цистерны по периметру скреплены с одним из концов обечаек, противоположные концы которых соединены с вертикальными стойками, нижними поперечинами и диагональными распорками. При этом в местах контакта диагональных распорок с вертикальными стойками, нижними поперечинами и на обечайках между местами связи их с верхними диагональными распорками выполнены U- образные вырезы. С нижними углами торцевых рам соединены две пары опорных балок, каждая из которых выполнена с цилиндрическим участком сопряжения с поверхностью котла через перекрывающие указанные участки прокладки с толщиной больше толщины стенки балки и кривизной, соответствующей кривизне наружной цилиндрической поверхности цистерны. При этом верхняя и нижняя поперечины и диагональные распорки каждой торцевой рамы смещены относительно центров грузозахватных элементов внутрь контейнера до совмещения в одну плоскость с боковыми поверхностями вертикальных стоек.

Кроме того, цилиндрическая часть цистерны выполнена в виде обечайки из спирально сваренных стальных полос со сплошным сварным швом, что гарантирует высокую точность ее размеров. Цистерна дополнительно оборудована арматурным блоком, расположенным в нижнем секторе цистерны, и дренажным устройством.

Новизна изобретения заключается в том, что цистерна выполнена из прокатных сталей класса средней прочности с пределом текучести σ_т =400-900 кг/мм² и установлена в контейнере таким образом, что продольная ось ее находится под углом α = 0,001-0,003 к оси контейнера.

Цилиндрическая часть цистерны выполнена в виде обечайки из спирально сваренных стальных полос со сплошным сварным швом.

Кроме того, цистерна оборудована дренажным и арматурным отсеками, расположенными в нижнем секторе цистерны.

Как показали расчеты и производство опытного образца на заводе ОАО "Дзержинский химмаш", изготовленная по данному изобретению цистерна весит на 30% меньше цистерны, изготовленной по прототипу. Так, аналог заявленной цистерны ТКМГ-25 весит 9 т, а по изобретению - 6,1 т. Последнее обусловлено использованием в качестве цилиндрической части цистерны обечайки, выполненной из спирально сваренных полос трубопрокатной стали со сплошным сварным швом толщиной 15-16 мм. Кроме того, цистерна, выполненная с использованием такой обечайки. и более прочная, а также более точно изготовлена по размеру. Испытания показали, что коэффициент прочности зоны сварных соединений равен 1.

Использование более прочной и легкой цистерны позволило облегчить вес конструкции и самого контейнера: стоек, поперечин, балок, распорок и т.д. за счет изготовления их из более тонкостенного профиля. Это же позволило установить цистерну в контейнере под углом без усложнения конструкции.

Таким образом, уменьшение веса цистерны и увеличение ее прочностных характеристик позволило без ущерба для прочностных свойств всей конструкции уменьшить ее вес и значительно упростить за счет исключения армирующих колец и других упрочняющих элементов.

Более точное изготовление цистерны позволило упростить и более точно провести сборку конструкции.

Существенным являются предложенные интервалы значений предела текучести σ_т и угла наклона оси цистерны по отношению к оси контейнера. При значениях σ_т меньше 400 кг/мм² конструкция цистерны будет подвергаться при нагрузках деформациям в процессе ее эксплуатации, при толщинах ее ≈15-16 мм за счет пластичности и текучести материала. Поэтому не будет обеспечена прочность конструкции. При значениях σ_т больше 900 кг/мм² не обеспечивается жесткость конструкции. Угол наклона оси цистерны к оси контейнера образован для лучшего опорожнения емкости. Однако при значениях угла наклона меньших 0,001 наклон будет недостаточным для полного опорожнения контейнера-цистерны, а при значениях угла наклона больше 0,003 смещение центра тяжести цистерны может оказаться существенным и в системе контейнер - цистерна произойдет перераспределение нагрузок и напряжений.

В качестве примера приведен чертеж построенного на заводе ОАО "Дзержинскхиммаш" контейнера-цистерны из стали 10Г2ФБ толщиной 15 мм, пределом текучести σ_т =480 кг/мм², в котором цистерна установлена таким образом, что ее ось находится под углом 0,002 к оси контейнера.

На фиг.1 представлен общий вид контейнера-цистерны, на фиг.2 - вид сбоку (вид А), на фиг.3 - вид снизу (вид Б).

Контейнер-цистерна содержит имеющую продольную ось цистерну 1 с двумя днищами 2 и центрами O₂, две прямоугольные торцевые рамы 3, через центры O₁ которых проходит продольная ось контейнера, переходные обечайки 4, связанные с днищами 2, рамами 3, опорные балки 5, попарно размещенные с обеих сторон цистерны 1, предохранительный клапан 6, контактные элементы 7. Продольная ось цистерны -1 не совпадает с продольной осью контейнера, она расположена в данном примере под углом α = 0,002 к продольной оси последнего. Каждая прямоугольная торцевая рама 3 содержит верхнюю и нижнюю поперечины 8 и 9, две вертикальные стойки 10, закрепленные по углам грузозахватные элементы 11 и верхние и нижние диагональные распорки 12 и 13 соответственно.

Каждая из переходных обечаек 4 одним концом скреплена с днищами 2, а вторым - с вертикальными стойками 10, нижней поперечиной 9 и диагональными распорками 12 и 13. При этом в местах контакта диагональных распорок с вертикальными стойками, нижними поперечинами и на обечайках между местами связи их с верхними диагональными распорками выполнены U-образные вырезы 14 и 15 соответственно.

Опорные балки 5 расположены попарно с каждой стороны цистерны 1, закреплены на нижних углах торцевых рам 3 и цистерне 1. Каждая опорная балки 5 имеет цилиндрический участок сопряжения 16 с поверхностью цистерны 1 и скреплена этим участком 16 с цистерной 1 через прокладку 17, величина которой превышает величину участка сопряжения 16. Кроме того, устройство содержит отсек запорной арматуры 18 и уровнемернодренажный отсек 19.

Как и в прототипе, в данном случае верхняя и нижняя поперечины 8, 9 и диагональные распорки 12, 13 каждой рамы 3 смещены относительно центров грузозахватных элементов 11 внутрь контейнера до совмещения в одну плоскость с боковыми поверхностями вертикальных стоек 10.

Как указывалось выше, контейнер-цистерна, изготовленный с использованием предлагаемого изобретения, проще аналога-прототипа из-за исключения элементов жесткости. Вес его в два раза меньше аналогичных устройств, что в совокупности повышает его эксплуатационные характеристики. Испытания опытного образца подтвердили преимущества заявленного устройства.

Изобретение относится к емкостям для хранения и транспортирования жидких и газообразных веществ на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте. Контейнер-цистерна содержит цилиндрическую цистерну с днищами и контактными элементами, имеющую продольную ось, выполненную из прокатных сталей класса средней прочности с пределом текучести σ_т=400-900 кг/мм². Устройство содержит две прямоугольные торцевые рамы, через центры которых проходит продольная ось контейнера. Причем продольная ось контейнера находится под углом α= 0,001-0,003 к оси контейнера. Контейнер-цистерна при эксплуатации обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик, а также упрощение конструкции при изготовлении. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Контейнер-цистерна, содержащий цилиндрическую цистерну с днищами с продольной осью и контактными элементами, две прямоугольные торцевые рамы с продольной осью, проходящей через их центры, снабженные верхними и нижними поперечинами, вертикальными стойками с закрепленными по углам грузозахватными элементами и верхними и нижними диагональными распорками, соединяющими вертикальные стойки с поперечинами, переходные обечайки, связанные одним концом с днищами, а другим с вертикальными стойками, нижними поперечинами и диагональными распорками, при этом в местах контакта диагональных распорок с вертикальными стойками, нижними поперечинами и на обечайках между участками связи их с верхними диагональными распорками выполнены U-образные вырезы, две пары опорных балок, соединенных с нижними углами торцевых рам и снабженных цилиндрическими участками сопряжения с поверхностью цистерны через перекрывающую указанные участки прокладку с толщиной больше толщины стенки балки, и кривизной, соответствующей кривизне наружной цилиндрической поверхности цистерны, при этом верхняя и нижняя поперечины и диагональные распорки каждой торцевой рамы смещены относительно центров грузозахватных элементов внутрь контейнера до совмещения в одну плоскость с боковыми поверхностями вертикальных стоек, отличающийся тем, что цилиндр контейнера-цистерны выполнен из прокатных сталей класса средней прочности с пределом текучести σ_т = 400 - 900 кг/мм² и установлен в контейнере таким образом, что продольная ось его находится под углом α = 0,001 - 0,003 к оси контейнера. 2. Контейнер-цистерна по п.1, отличающийся тем, что цилиндрическая часть контейнера-цистерны выполнена в виде обечайки из спирально сваренных стальных полос со сплошным сварным швом. 3. Контейнер-цистерна по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контейнер-цистерна оборудован дренажным устройством, расположенным в нижнем секторе цистерны. 4. Контейнер-цистерна по пп.1 и 2, отличающийся тем, что контейнер-цистерна оборудован арматурным отсеком, расположенным в низкой зоне цилиндрической части устройства.