№ 4 (16) декабрь 2011
Уч. № ОНТИ-09 55
Прикладные исследования по проблемам хранения
Ю.А. Нистратов, к.г.-м.н., заведующий лабораторией испытания промышленной продукции отдела технологии хранения промышленных товаров и сертификации промышленной продукции (ФГБУ НИИПХ Росрезерва), А.С. Сиверцев, Т.Ю. Бурмистрова (ООО «Европак»)
ПОЛИМЕРНАЯ УПАКОВКА ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ СЫПУЧИХ ГРУЗОВ
По физическому состоянию грузы делятся на пять основных классов: твердые, пластичные, газообразные, сыпучие, жидкие. Для перевозки сыпучих грузов наиболее рациональным является использование различных специализированных средств, например – контейнеров. Все чаще сыпучие грузы (такие как рудные концентраты, дубильный экстракт и др.) транспортируются и хранятся в мешках и мягких контейнерах из полимерных тканей. Особенности такой тары необходимо учитывать при длительном хранении в ней сыпучих грузов. Полимерные ткани негигроскопичны, не подвергаются действию грибков, плесени и биовредителей. Имеют неплохие исходные прочностные показатели.
Для изготовления мягкой тары наиболее широко используются технические и кордные ткани из полиамидных волокон: амидных (найлон 66), капроновых (найлон 6, перлон, хемлон), эвантовых. Эти ткани очень прочные, упругие, устойчивы ко многим химическим веществам, к воздействию влаги и многократным деформациям. Их недостатками являются пониженное сопротивление световому старению, большие относительные удлинения. Ткани из полиэфирных волокон (терилен, тетрон, диолен и др.) обладают высокой упругостью, устойчивы к большинству химических реагентов, атмосферным воздействиям и солнечному свету, по термостойкости превосходят все известные натуральные и химические волокна: диапазон рабочих температур: от –75 до +175оС. Во влажном состоянии потери прочности не наблюдается. Остаточные удлинения ниже, чем у полиамидных волокон. К недостаткам можно отнести низкую адгезию к резине и сильную электризуемость. Ткани из искусственных волокон (вискоза, искусственный шелк) обладают довольно высокой исходной прочностью и малой деформацией. Однако под воздействием влаги происходит гидролиз, и вискозные волокна теряют до 60% своей первоначальной прочности. В последние десятилетия в большинстве стран при производстве тканей для тары широко используют полипропиленовые волокна. Полипропиленовая ткань достаточно дешева, что и определяет ее широкое применение при изготовлении мягких контейнеров разового использования. Она обладает рядом положительных качеств, из которых можно выделить следующие:
— прочность (в отношении разрывной прочности полипропиленовые волокна не уступают полиамидным, причем показатели прочности в сухом и мокром состоянии одинаковы);
— стойкость к воздействию кислот, щелочей, органических растворителей, окислителей;
— стойкость к воздействию микроорганизмов и насекомых (даже в условиях повышенной влажности воздуха ткань не подвержена поражению плесенью, грибками, молью и другими насекомыми);
— низкая гигроскопичность – 0,05%;
— легкость – упаковка из полипропиленовых волокон в 2-2,5 раза легче упаковки из традиционных тканей;
— теплостойкость (полипропиленовые волокна выдерживают нагрев до 1050C в течение 120 часов практически без изменения механических свойств).
Ткань отличается также высокой износостойкостью, долговечностью, устойчивостью к воспламенению, термоокислительному старению и выцветанию, повышенной устойчивостью к моющим средствам, удобна в обращении, легко сваривается и сшивается. Ткань может быть ламинирована расплавом полиэтилена высокого давления с одной или двух сторон. Для защиты от влаги и повышения экологической чистоты работ при погрузке и транспортировке порошкообразных грузов контейнеры и мешки также могут комплектоваться наружными полиэтиленовыми чехлами или вкладышами различного типа.
Вкладыши для мягких контейнеров и мешков в зависимости от вида транспортируемого груза изготавливают из полиэтилена, полипропилена, капрона, пищевых пленок, воздушно-пузырьковых пленок и могут быть свободно вложены в контейнер, вклеены или вшиты. Применяются также многослойные вкладыши со специальным покрытием из алюминия, токопроводящие и антистатические [1].
Мешки
В настоящее время в России для упаковки сыпучей продукции как пищевой, так и промышленной, в основном, используются полипропиленовые мешки с вкладышами и без них, так как их стоимость в два раза ниже стоимости мешков из джутовых или льняных волокон. Это наиболее распространенный вид тары.
Максимально широкое распространение получили мешки с открытым верхом и клапанные – с шестиугольным дном и верхом. В 2007 г. объемы их потребления в России оценивались в 1,39 млрд шт. На упаковку химикатов, строительных и технических смесей, а также удобрений приходится порядка 20% производимых мешков, а это не менее 19 млн т химических грузов. Всего в этой таре перевозится и хранится порядка 95 млн т самой разнообразной продукции.
В настоящее время производство полипропиленовых мешков в России оценивалось в 1,25 млрд шт. [2]. Как правило, мешки из полипропиленовых тканей имеют повышенное скольжение из-за низкого коэффициента трения тканей, что затрудняет получение устойчивых пакетов и штабелей. Наибольший коэффициент трения (порядка 0,48÷0,85) имеют мешки из джутовых, льняных и льнополипропиленовых тканей. У мешков из полипропиленовых тканей, как правило, коэффициент трения колеблется от 0,2 до 0,3. Исключение составляют мешки с повышенным коэффициентом трения (0,36÷0,38), который достигается чередованием в ткани плоских волокон с кручеными. Такие мешки наиболее предпочтительны в качестве тары для продукции длительного хранения, т.к. штабели из них отличаются повышенной устойчивостью [3].
Предназначенные для длительного хранения сыпучие грузы, упакованные Рис 1. Внешний вид паллеты с мешками дубильного экстракта в мешки, как правило, должны поставляться в паллетированном виде на двухнастильных поддонах (рис. 1). Это будет способствовать лучшей сохранности продукции, позволит максимально механизировать проведение складских работ.
Мягкие контейнеры
Мягкие контейнеры (далее МК) или биг-бэги являются универсальной упаковкой для транспортирования и хранения неслеживающихся или малослеживающихся сыпучих грузов (неорганических и органических порошкообразных веществ, гранулированных полимеров, удобрений, фуража, ядохимикатов, некоторых видов пищевых продуктов – муки, зерна), а в последнее время – кусковых строительных материалов, ферросплавов, концентратов.
Одним из наиболее прогрессивных направлений грузопереработки сыпучих и гранулированных продуктов является их транспортировка в мягких специализированных контейнерах, которые в последнее время находят все более широкое применение. По удельной стоимости, а именно, по затратам на упаковку в пересчете на единицу массы транспортируемой продукции, мягкие контейнеры являются наиболее экономичным видом упаковки многотоннажных грузов. За последние 10 лет мягкие контейнеры практически полностью вытеснили другие виды тары для хранения и транспортировки насыпных грузов, признаны универсальной упаковкой, т.к. могут быть конструктивно адаптированы под любое погрузочно-разгрузочное оборудование и различные станции затаривания и разгрузки. По данным Европейской Ассоциации Производителей Мягких Контейнеров (ЕFIВСА), мировое производство этого вида тары ежегодно увеличивается в среднем на 10% и сегодня составляет более 100 млн шт. в год.
Производство мягких контейнеров впервые организовала в 1919 г. Японская фирма Taiyo Kogyo Сo. Мягкие контейнеры этой фирмы под названием «Тайкон» имели небольшую грузоподъемность и объем и предназначались для перевозки сыпучих грузов железнодорожным транспортом. Вслед за этим МК стали использовать в Соединенных Штатах и странах Западной Европы. Для изготовления первых образцов использовались ткани из природных волокон –хлопчатобумажного полотна, брезента и т.п. Их прочность была невысокой, и они быстро прогнивали, что ограничивало применение этих изделий, поэтому биг-бэги имели наружную или внутреннюю опорную систему. Наружная опорная система выполнялась в виде каркаса прямоугольной формы из труб. Сама оболочка в этом случае воспринимала незначительные статические и динамические нагрузки.
Однако чаще мягкие контейнеры (например, упомянутой выше японской марки) выполнялись с внутренней опорной системой из армированных материалов.
Второе рождение мягкие контейнеры получили в 1950-1970-е годы прошлого столетия, когда бурное развитие химической промышленности позволило применить в качестве армирующей основы синтетические полиамидные и полиэфирные волокна.
Для внутренних и наружных покрытий МК применяли разные марки резины на основе натурального и синтетического каучука, что обеспечивало длительную эксплуатацию изделий. Загрузочные узлы были выполнены в виде рукава или люка с диаметром крышки 250…500 мм. В ряде конструкций крышка открывалась полностью. Для защиты рукава от механических повреждений использовали клапаны круглой или прямоугольной формы, часто лепесткового типа. Некоторые фирмы делали загрузочный люк из жесткого материала. Конструкции загрузочных и разгрузочных узлов аналогичны: люки завязывают шнуром или застегивают ремнями. Для обеспечения безопасности работ застежки разгрузочного люка выводятся на боковые стенки контейнера. Грузовые элементы биг-бэгов как раньше, так и сейчас, выполняют в виде проушин, лент с грузовыми кольцами, грузовых колец (петель) на фланце загрузочного люка, тросов и т.д.
В СССР первые конструкции мягких контейнеров были разработаны еще в 70-е годы прошлого века. Они имели следующие характеристики:
— СПК-1,5 М применяли для перевозки полистирола на открытом железнодорожном составе и автомобилях, он состоял из двух металлических колпаков, соединенных между собой оболочкой из прорезиненной ткани. Контейнер оснащали четырьмя проушинами для захвата его вилами погрузчика и загрузочным и разгрузочным люками в крышке и днище соответственно;
— КСм –саморазгружающийся МК для перевозки и хранения суперфосфата, гранулированного полиэтилена и т.п. Состоит из поддона и мешка из прорезиненной технической ткани типа бельтинга.
Рабочий объем контейнера 1,3 м3, длина 910 мм, ширина 700 мм, высота 1800 мм, грузоподъемность 1,4 т;
— Ж-1,5 использовали для транспортировки сыпучих грузов. Контейнер представлял собой многослойную резинотканевую оболочку с вмонтированной в нее арматурой и оснащался загрузочным и разгрузочным люками и петлями для подъема. Рабочий объем контейнера 1,5 м3, диаметр 1200 мм, высота 1300 мм, грузоподъемность 1,5 т;
— МК-П и Ж-Л предназначались для транспортировки всеми видами транспорта сыпучих неслеживающихся и малослеживающихся грузов. Для изготовления этих моделей использовали резинокордные и резинотканевые материалы на основе вискозных, амидных или капроновых тканей с покрытием резиной (каучуки марок СКМС, НК, СКИ или СКД) и их комбинаций. Отличие модели МК-П от Ж-Л заключалось в том, что грузовые элементы в МК-П выполнены в виде несущих проушин, в Ж-Л –в виде грузовых лент с металлическими кольцами.
Собственная масса отечественных МК в результате использования материалов на основе резины достигала 95 кг, они имели большие размеры в сложенном состоянии или вообще не складывались.
В настоящее время насчитывается более 2 тыс. патентов на конструкции МК. Несмотря на то, что патентов становится все больше, основные элементы различных моделей остаются теми же: оболочка с вкладышем или без него, загрузочный и разгрузочный узлы (рукав или люк), грузовые элементы, карман для документов.
Оболочки мягких контейнеров в зависимости от назначения и массы груза изготавливаются из материалов различной прочности и свойств и состоят из одного, двух и более слоев. После заполнения контейнер принимает форму цилиндра или параллелепипеда. Последние 10- 15 лет во многих странах, в том числе в России, для изготовления оболочек применяют полипропиленовую или полиэтиленовую ткань с возможностью термо- и светостабилизации, полимерные материалы с ламинацией, капроновые и лавсановые ткани.
Температура эксплуатации МК –от –0 до +110°С. В зависимости от вида груза МК изготавливают с ламинацией и без нее. Применяемые для производства МК полимерные ткани без ламинации обеспечивают воздухо- и влагопроницаемость. Ламинация, напротив, придает материалу воздухо- и влагонепроницаемость, защищает продукт от влажного воздуха, внешних загрязнений, препятствует утечке содержимого.
Для повышения прочности при перевозке и хранении кусковых грузов оболочки выполняют трех- или четырехслойными.
Конструктивно МК представляет собой большой мешок грузоподъёмностью от 0,5 до 2 т со стропами. Форма цилиндрическая, квадратная или прямоугольная. Изготавливаются они методом соединения заготовок на швейных машинах полиамидной нитью. Швы имеют 1-3-кратное уплотнение, что позволяет предотвращать утечку материала и одновременно повышает защиту продукта от загрязнения.
Мягкие контейнеры классифицируются по срокам их использования:
МКР–контейнеры разового использования
МКС –контейнеры, используемые в нескольких транспортных циклах (от 2 до 5 раз);
МКО –оборотные контейнеры многократного использования.
Основные требования к определению запаса прочности оговорены в международных стандартах качества. По требованию европейского стандарта EFIBCA, мягкий контейнер одноразового использования должен выдерживать пятикратную перегрузку без разрушения (фактор безопасности 5:1). Запас прочности имеет прямую связь с таким показателем материала контейнера, как плотность (г/м2). Плотность ткани, превышающая 200 г/м2, соответствует фактору безопасности 8:1 (восьмикратная перегрузка) и дает возможность складирования контейнеров в 7 рядов по высоте [8].
В России МК производят порядка 20 предприятий. Это либо небольшие компании, занимающиеся пошивом контейнеров из полипропиленовой ткани для одного или нескольких потребителей, либо крупные предприятия с полным производственным циклом: от выпуска волокон и ткани до пошива и поставки готовой продукции через сеть собственных представительств и складов («Химпэк», «Силуэт» и «Алеко»).
В связи с низким качеством и высокими издержками производства МК в России с 2003 г. компания «Европак» решила арендовать мощности на европейских заводах. За счет этого МК стали более высокого качества, появилась возможность изготовления новых типов контейнеров, таких как: МК для опасных грузов, с UN сертификатом, подтвержденным международными организациями, а также МК для продуктов с повышенными температурами.
Рост рынка этого вида тары связан преимущественно с химической отраслью. До 70% МК отечественного производства используется для транспортировки удобрений. Кризисные явления сказались на деятельности производителей удобрений, но сокращение их поставок было временным. Из-за роста цены на полипропилен производитель тары рискует, заключая долгосрочные контракты на поставку тары по фиксированной стоимости. Зачастую, чтобы минимизировать расходы, тару шьют на нижнем пределе прочности из вторичного полимерного сырья [4].
Широкое внедрение МК при транспортировке и хранении обусловлено целым рядом их преимуществ по сравнению с другими видами транспортной тары (контейнерами из металла, дерева, пластика; дощатыми ящиками; стальными бочками и барабанами и т.д.), а именно:
–самым низким коэффициентом веса транспортной тары к перевозимому грузу (0,01-0,02);
–небольшой стоимостью (150-700 руб. на 1 т груза);
–возможностью комплексной механизации ПРТС работ, что исключено при использовании мешков;
–высоким коэффициентом использования складской площади при штабелировании МК в 4-5 ярусов по высоте.
В последнее время все большее количество продукции поступает на хранение в Росрезерв в МК. В 2005 г. на один из комбинатов Росрезерва поступил молибденовый концентрат в специализированных мягких контейнерах типа «биг-бэг». Каждый контейнер помещен на стандартный однонастильный четырехзаходный поддон 1000х1200х150 мм с обвязкой четырьмя полипропиленовыми лентами в двух направлениях. Контейнеры в заполненном виде имеют форму цилиндра без швов по боковым поверхностям, с двумя встроенными стропами (проушинами). Материал контейнера –двухслойный полипропилен, имеются два вкладыша –полипропиленовый и внутренний –из плотного полиэтилена, в него непосредственно помещен продукт.
Для достижения большей устойчивости штабель сформирован ступенчато, с перевязкой стыков между контейнерами. Контейнеры были размещены в три яруса по высоте, с прокладками из досок между ярусами. Высота штабеля составляет около 3 м (рис. 2). Нагрузки, действующие на сыпучий материал при длительном хранении, могут привести и к такому явлению, как слеживаемость уплотнение материала в нижних контейнерах, что также может сказаться на устойчивости штабеля.
Слеживаемость порошкообразного материала –это потеря сыпучести, вызванная образованием более или менее прочных агломератов. Слеживаемость зависит от физических характеристик материала (гранулометрического состава, сыпучести, угла естественного откоса), содержания влаги, температуры воздуха, действующих нагрузок и некоторых других факторов. Поэтому при длительном хранении сыпучих материалов необходимо постоянное наблюдение за состоянием штабелей, обращая особое внимание на возможность перекосов и оседание отдельных контейнеров.
Как показали проведенные испытания, при длительном (15 лет) хранении в полипропиленовом контейнере сыпучей продукции происходит существенное снижение механической прочности материала стенок контейнера, особенно в продольном направлении [5].
Понижение механической прочности, по-видимому, происходит под влиянием статических нагрузок на стенки контейнера в процессе хранения, причем более сильно это воздействие проявляется в продольном направлении.
При закладке на длительное хранение МК с сыпучими грузами для обеспечения возможности работы с ними электропогрузчиков контейнеры в обязательном порядке должны устанавливаться на двухнастильные четырёхзаходные поддоны с размерами, соответствующими размерам контейнера (допускается превышение размеров поддона до 50 мм), и скрепляться с поддонами в двух направлениях (по две обвязки в каждом направлении) полипропиленовой лентой толщиной не менее 0,5 мм и шириной не менее 16 мм. Не допускается свес контейнера с поддона. Высота проемов для ввода вил электропогрузчика должна быть не менее 80 мм Поддоны могут изготавливаться из дерева, металла или пластмассы.
На устойчивость штабелей влияет также соотношение между величиной опорной поверхности мягкого контейнера и его высотой. Рассчитанные пределы насыпной массы для стандартных контейнеров находятся в пределах от 0,75 до 2,04 т/м3.
Металлы и большинство концентратов имеют насыпную массу в несколько раз больше. Поэтому использование мягких контейнеров с указанными рабочими объемами для перевозки металлов и концентратов возможно только при условии уменьшения высоты загрузки и применения контейнеров с усиленными стенками (3-4 слоя полипропилена и вкладышами из капроновой ткани или другого плотного материала).
Высота загрузки цилиндрического контейнера диаметром 1 м в таком случае составит 0,87 м. Масса загружаемых в мягкий контейнер металлов или концентратов не должна превышать 1,5 т. Оптимальной можно считать массу загружаемого груза, равную 1,3 т при грузоподъемности контейнера 1,5 т, что позволит без проблем использовать при проведении погрузочно-разгрузочных работ электропогрузчики грузоподъемностью 1,6 т.
В качестве альтернативы применяемому в настоящем методу штабелирования МК можно предложить складирование с использованием металлических стоечных поддонов размером 1х1х1 м. Предварительно вдоль стенок поддонов и на дно укладываются листы из гофрокартона толщиной 5 мм. При поступлении стандартных цилиндрических контейнеров с сыпучими грузами они при помощи электропогрузчика устанавливаются в контейнер, после чего могут складироваться в штабель до 6 рядов по высоте. При этом способе хранения статические нагрузки груза распределяются на стенки поддона, а на сам контейнер не давят вышележащие. При выпуске продукции поддоны снимаются, из них извлекается и отгружается контейнер, а сами поддоны могут повторно использоваться при поступлении следующей партии.
Для лучшего использования складских площадей и транспортных средств рационально, независимо от вида груза, применение МК прямоугольной формы, а не цилиндрической.
Применение контейнеров прямоугольной формы обеспечивает повышение эффективности использования на 30% складских площадей и транспортных средств по сравнению с применением контейнеров, имеющих цилиндрическую форму. К тому же штабели, сформированные из цилиндрических контейнеров, менее устойчивы, так как такие контейнеры не имеют оформленного днища в отличие от контейнеров прямоугольной формы.
Как показали ранее проведенные исследования, с точки зрения безопасности и экономической эффективности оптимальным вариантом для перетарки сыпучих грузов, упакованных в мешки, является укладка этих мешков в специальные полипропиленовые контейнеры прямоугольной формы с повышенной герметичностью швов. Боковые и нижние швы внешней оболочки таких контейнеров имеют специальные уплотняющие прокладки, препятствующие проникновению дисперсного продукта через швы наружу [6]. При проведении работ по опытной перетарке было установлено, что прямоугольные контейнеры фирмы «Европак» имеют оптимальные размеры (1200×1200×850 мм) для компактной укладки мешков с рудным концентратом.
Контейнеры после их заполнения и установки на поддоны образуют устойчивые штабели высотой 3 яруса (рис. 3). Проведенные исследования показали возможность использования тары из полимерных тканей для длительного хранения рудных концентратов и некоторых других материалов, имеющих устойчивые качественные показатели в процессе длительного хранения в условиях повышенной влажности. В то же время возможный срок службы данной тары (12-15) лет ограничивает срок хранения этих материалов [7].
Список используемых источников:
1. Разработка технологии хранения и ПРТС работ для металлов и концентратов, упакованных в мягкие специализированные контейнеры : справка о НИР/ ГУ НИИПХ. –М., 2004. −50 с. –Инв.№ 788.
2. Сиверцев А. С. Bag, Big Bag, Liner Bag… Эволюция логистических решений продолжается // Хим-Курьер. − 2010. −№ 8. −С. 7-8.
3. Полярин Ю. Н. Мягкие контейнеры –транспортная тара XXI века // Склад и техника. −2005. −№ 1. −С.18-22.
4. Шихов К. Полимерная упаковка для сыпучих химических продуктов // Хим-Курьер. −2010. −№ 11. −С. 23-25.
5. Разработка технологии хранения и ПРТС работ с молибденовым концентратом, упакованным в мягкие специализированные контейнеры : отчет о НИР /ФГУ НИИПХ. −М., 2005. −93 с. −Инв. № 872.
6. Полярин Ю. Н., Нистратов Ю. А. Разработка научно-обоснованных условий безопасного хранения бериллиевого концентрата на комбинатах Росрезерва //Хранение цветных и черных металлов и материалов для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций : сб. НТИ /ФГУ НИИПХ Росрезерва. –М., 2010. −№ 4. − С.14-18.
7. Андреенко И. Ю. Обоснование целесообразности освежения материальных ценностей, сроки хранения которых ограничиваются состоянием тары // Информационное сообщение : сборник / ГУНИИПХ. −М., 2001. −№ 4. −С.16-18.
8. Рогова А., Разумков А., Буцкая К., Магаюмова О. Применение специализированных мягких контейнеров для длительного складского хранения // Тара и упаковка. −2006. −№ 2. −С. 64−7. Рис. 3. Внешний вид опытного штабеля с рудным концентратом через 4 года хранения после проведения работ по перетарке