中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七一五研究所 溫家寶

1.引言

礦石貨物在運(yùn)輸過(guò)程中液化的問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)非常普遍的問(wèn)題，并且它對(duì)所有貨船都有非常巨大的影響。早在2010-2011年的15個(gè)月中，就有4艘貨船（包括“建富星號(hào)”、“南遠(yuǎn)鉆石好”及“宏偉號(hào)”）沉沒(méi)，66人因此喪生。這些船只都是在運(yùn)輸過(guò)程中礦石貨物發(fā)生液化，致使載貨船舶失去穩(wěn)定性并最終沉沒(méi)(Pappadakis,N.2012)。

眾所周知，全球海運(yùn)運(yùn)輸量正逐年增加，而礦石貨物在其中扮演了一個(gè)非常重要的角色。例如在印度尼西亞、菲律賓和新喀里多尼亞，2011年鎳礦石的海運(yùn)運(yùn)輸量就達(dá)到了4500萬(wàn)噸，而在巴西和澳大利亞，鐵礦石的海上貿(mào)易運(yùn)輸量則達(dá)到了12億噸之多(Spencer,C.and Tilsley,D.2011)。如此巨量的礦石貨運(yùn)量，絕大多數(shù)都是通過(guò)船舶運(yùn)輸，雖然這種運(yùn)輸方式相較于其他方式在成本上節(jié)省很多，但是卻不可避免的會(huì)面對(duì)一個(gè)問(wèn)題：運(yùn)輸過(guò)程中的貨物液化(Roberts,S.E.et al 2013)。

當(dāng)散裝固體貨物含水量達(dá)到或超過(guò)適運(yùn)水分限量（TML）時(shí)，一定的晃動(dòng)或振動(dòng)就極易導(dǎo)致貨物呈現(xiàn)出液體一般的狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就稱(chēng)之為貨物液化，而含水量與振動(dòng)則是貨物液化的兩大發(fā)生條件。許多出口的礦石貨物的開(kāi)采、儲(chǔ)存與裝運(yùn)過(guò)程完全露天操作，這使得貨物含水量很容易達(dá)到液化要求，而船舶運(yùn)輸過(guò)程中船舶的晃動(dòng)則達(dá)成了液化的第二條要求，因此貨物液化問(wèn)題必須慎重考慮(Grant,K.,Jonas,M.2010)。

2.目的

本文的主要目的包括：

a.對(duì)液化過(guò)程取得更好的理解

b.對(duì)不同材料的粒子的尺寸與形狀進(jìn)行觀察與比較

c.尋找粒子尺寸與形狀對(duì)液化的影響

d.發(fā)現(xiàn)其他對(duì)液化有重要影響的因素

3.文獻(xiàn)綜述

3.1 什么是貨物液化？

大多數(shù)有液化傾向的貨物是礦石貨物并且其包含許多直徑小于6.35mm的微小粒子，而礦石貨物的開(kāi)采與儲(chǔ)存過(guò)程導(dǎo)致了它會(huì)含有一定水分，而貨物粒子之間的空隙則被水與空氣填滿。在固體狀態(tài)時(shí)，由于貨物粒子之間的直接接觸，貨物具有剪切強(qiáng)度(Carraro,J.A.H.et al 2009)。粒子之間由充分的空間來(lái)容納內(nèi)部水分與一定比例的空氣。在船舶運(yùn)輸過(guò)程中，由于船舶的振動(dòng)與搖晃，貨物粒子間的空間被壓縮從而使得空氣被排除。粒子間的水分也會(huì)收到壓力，但是由于水分難以被壓縮，最終，由于壓縮而導(dǎo)致的水壓會(huì)使得粒子分離，使其失去直接的接觸從而引起剪切強(qiáng)度的降低，從而使得貨物呈現(xiàn)液態(tài)狀態(tài)，而這一過(guò)程就是貨物液化(Grant,K.and Jonas,M.2010)。

圖1 貨物液化過(guò)程示意

3.2 現(xiàn)有法規(guī)與方法

目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的法規(guī)是國(guó)際海運(yùn)固體散裝貨物規(guī)則（IMSBC）準(zhǔn)則，它目的在于組織管理所有與散裝貨物相關(guān)的問(wèn)題并提高固體散裝貨物的儲(chǔ)存與運(yùn)輸過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)性與安全性。有液化傾向的貨物被列在準(zhǔn)則當(dāng)中并按照液化趨勢(shì)大小等因素分為A、B、C三類(lèi)。準(zhǔn)則明確要求了托運(yùn)人需要提供給船主的及時(shí)信息，至少包括貨物的適運(yùn)水分限量（TML）和裝運(yùn)時(shí)貨物的實(shí)際含水量。但是IMSBC準(zhǔn)則仍存在一定問(wèn)題，例如并非全部的有液化傾向的貨物都被列入了準(zhǔn)則當(dāng)中，并且這份準(zhǔn)則并不具有法律約束力，因此導(dǎo)致一些托運(yùn)人并未如實(shí)提供貨物信息。

為避免貨物液化的試驗(yàn)方法目前主要應(yīng)用的有兩種：罐裝試驗(yàn)與流動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。這兩種方法都是可以檢驗(yàn)貨物液化趨勢(shì)的有效方法，它們的優(yōu)點(diǎn)是不需要很多設(shè)備，操作簡(jiǎn)便，效率較高，但是它們的缺點(diǎn)也十分明顯，這兩種方法都存在很大的不確定性，操作過(guò)程極易受人為因素影響，并且結(jié)果的精確性很低，并不能完全排除貨物運(yùn)輸過(guò)程中液化的可能性。另一種避免貨物液化危害的方法是特種結(jié)構(gòu)貨船。這種方法通過(guò)增加散貨船貨艙縱艙壁的數(shù)量，從而增強(qiáng)船舶在貨物液化發(fā)生后的穩(wěn)定性來(lái)減小貨物液化所帶來(lái)的危害。這種方法可以大大增加船舶的安全性，但是特種結(jié)構(gòu)散貨船的造價(jià)較高，很難得到全球范圍的推廣，而且這種方法并不能夠阻止貨物液化(N.Pappadakis,2012)。

4.研究方向與方法

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的法規(guī)以及方法進(jìn)行了一定研究后，本文選取了影響液化的因素這一方向進(jìn)行研究。貨物液化的基本過(guò)程是至關(guān)重要的，而從微觀角度來(lái)分析液化這一問(wèn)題則能夠提供一些有用的信息來(lái)減少貨物液化所帶來(lái)的危害。在使用選擇矩陣方法后，選擇了粒子尺寸與形狀對(duì)液化的影響這一具體研究?jī)?nèi)容。本文主要研究方法為試驗(yàn)研究法，通過(guò)對(duì)樣本的觀察進(jìn)而提出假設(shè)，再通過(guò)一些試驗(yàn)對(duì)假設(shè)進(jìn)行初步驗(yàn)證，對(duì)結(jié)果總結(jié)分析從而得出結(jié)論。

5.顯微鏡下觀察樣本

由于多數(shù)的固態(tài)粒子狀物體都有液化的趨勢(shì)，唯一不同的就是液化的程度不同，所以本文選擇用沙子替代礦石貨物作為樣本進(jìn)行觀察與試驗(yàn)，我選擇了3組樣本進(jìn)行試驗(yàn)，分別編號(hào)為樣本1至樣本3。

首先使用低倍顯微鏡（Digital Blue QX5顯微鏡，放大倍數(shù)200X）對(duì)樣本進(jìn)行了觀察，得出各樣本的初步信息。在觀察時(shí)，現(xiàn)將所有樣本完全烘干，這樣可以避免由于樣本內(nèi)水分反光而導(dǎo)致的無(wú)法觀察顆粒外觀形狀。通過(guò)對(duì)樣本觀察，樣本的一些重要信息如下所示：

樣本1如圖2所示：

圖2 大小顆粒之間明顯差距（左），鋸齒狀邊緣顆粒（右）

樣本1中同時(shí)有大小兩種顆粒，并且大小顆粒之間的差距十分明顯，顆粒尺寸從0.005mm至0.385mm不等，最大相差比例為77。樣本中顆粒的形狀接近標(biāo)準(zhǔn)幾何圖形，并且有鋸齒狀的邊緣。

樣本2如圖3所示：

圖3 圓滑邊緣顆粒周?chē)泻谏镔|(zhì)（左），顆粒上的明顯閃光點(diǎn)

圖4 多數(shù)顆粒尺寸相近并且顆粒邊緣光滑

樣本2中有黑色泥土類(lèi)的物質(zhì)圍繞在較大顆粒周?chē)?，顆粒尺寸從0.035mm至0.375不等，大多數(shù)顆粒尺寸變化范圍在0.125mm至0.225mm之間。顆粒邊緣較圓滑。

樣本3如圖4所示。

樣本3中顆粒尺寸大小十分相近，變化范圍從0.12mm至0.185mm不等，顆粒邊緣多數(shù)比較光滑，一些顆粒形狀近似橢圓形。

圖5 不同形狀組合存水能力

6.不同形狀存水能力的假設(shè)

已知在貨物運(yùn)輸過(guò)程中，正是由于粒子間的水分從它們?cè)镜奈恢昧魇С鰜?lái)，從而形成一種流動(dòng)式的狀態(tài)并造成嚴(yán)重的后果。為了找出顆粒尺寸與形狀對(duì)液化程度的影響，本文假設(shè)顆粒將水儲(chǔ)存在一個(gè)類(lèi)似立方體的空間里，并研究不同形狀顆粒將水儲(chǔ)存在這個(gè)空間當(dāng)中的能力。為了達(dá)成這一目標(biāo)，假設(shè)這個(gè)存水立方體是一個(gè)類(lèi)似上端有開(kāi)口的盒子，將不同的形狀組合放入盒子內(nèi)然后將盒子傾斜90度，計(jì)算各種形狀組合的傾斜前和傾斜后的存水量，如圖5所示。

從圖5中通過(guò)比較1、2、3、5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有向外凹陷的圓弧形狀時(shí)存水量更多，而當(dāng)顆粒有鋸齒狀邊緣時(shí)，存水量會(huì)增加，這些存水量更多的形狀組合都有某些向外凹陷的邊緣，這些形狀特點(diǎn)：圓弧形、鋸齒狀邊緣以及外凹形狀總結(jié)為標(biāo)準(zhǔn)形狀。此外仍有另一個(gè)關(guān)于小型顆粒的猜想，在存水立方里的一些小型顆?？梢宰钃跛蛲饬鞒?，從而增加存水能力。

7.假設(shè)驗(yàn)證

假設(shè)驗(yàn)證共包含兩個(gè)部分：一部分是進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證樣本存水能力；另一部分是通過(guò)電子顯微鏡觀察樣本并試圖找出總結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)形狀對(duì)存水能力的影響大小。

7.1 存水能力試驗(yàn)

為了得出各樣本的存水能力，按照如下步驟進(jìn)行了試驗(yàn)：

a.稱(chēng)取等重量的三種樣本并分別將其放入編號(hào)的試管中；

b.向試管中加水直到樣本完全濕透；

c.測(cè)量所加水量；

d.在相同情況下加熱試管40分鐘；

e.再次向試管中加水直到樣本完全濕透并測(cè)量水量；

f.分析誤差及結(jié)果。

在向試管中加水時(shí)，當(dāng)樣本表面有水層出現(xiàn)時(shí)即認(rèn)為樣本完全濕透。在樣本完全濕透后，將樣本在70度的條件下加熱40分鐘，隨后根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出結(jié)果如表1所示：

表1 樣本流失水量和所占百分比

試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)存在一定誤差，包括儀器誤差、人為誤差、計(jì)算誤差等，在這次試驗(yàn)中，假定所有誤差都在可接受范圍內(nèi)并可以忽略。

從結(jié)果中可以看出，樣本2有更強(qiáng)的存水能力，流失水量占比33.33%。而樣本1的流失水分達(dá)到了70.21%，意味著樣本1 的存水能力很差。存水能力從高到低依次為樣本2，樣本3和樣本1。

7.2 電子顯微鏡下樣本觀察

為了在顆粒邊緣找到假設(shè)中的標(biāo)準(zhǔn)形狀，并且試圖發(fā)現(xiàn)哪些因素會(huì)影響存水能力，研究使用了電子顯微鏡以便更清晰的觀察。在使用電子顯微鏡觀察樣本前，所取樣本被放在一個(gè)小圓形基架上并在外表面鍍一層金，這樣可以使樣本具有導(dǎo)電性并且可以讓樣本的細(xì)節(jié)更清楚。本節(jié)從觀察結(jié)果中抽取了樣本2的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，其他樣本觀測(cè)結(jié)果可以在附錄中找到。

圖6 多數(shù)顆粒有圓形或者橢圓形邊緣

如圖6所示，樣本2中的顆粒形狀特點(diǎn)多為圓形或橢圓形邊界，根據(jù)假設(shè)應(yīng)具有較弱存水能力。然而試驗(yàn)結(jié)果卻顯示出截然相反的結(jié)果：樣本2具有較高的存水能力。這一現(xiàn)象需要在更高倍數(shù)的觀測(cè)下進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖7 1000倍數(shù)下顆粒表面（左），5000倍數(shù)下顆粒表面

由圖7可以看出顆粒表面有大量不規(guī)則小型突起與凹陷，這些突起與凹陷提供了大量可以存儲(chǔ)水分的空間，同時(shí)由于這些空間非常狹小（1.22～4.01um），存儲(chǔ)在此空間的水分很難流失，因此提高了其水分存儲(chǔ)能力。同時(shí)，樣本2中有大量不規(guī)則顆粒（如圖8所示），在我看來(lái)，這些顆粒實(shí)際上是大量微粒組成并且在外力影響下形狀可以發(fā)生改變。由于這個(gè)特性，他們可以嵌入到其他顆粒的間隙當(dāng)中，從而使得水分難以從這些空間中流失出來(lái)。

8.總結(jié)與分析

本文研究了顆粒尺寸與形狀對(duì)液化的影響并得出了一些主要結(jié)論如下：

a.顆粒的大致外形并不對(duì)存水能力有決定性影響

b.顆粒的表面結(jié)構(gòu)很大程度上影響著存水能力

c.震動(dòng)與壓力對(duì)存水能力的影響仍需進(jìn)一步研究

9.致謝

本文在選題及研究過(guò)程中得到了郭成吉教授的悉心指導(dǎo)與無(wú)私幫助，同時(shí)我也非常感謝郭成吉教授在我研究過(guò)程中試驗(yàn)以及使用電子顯微鏡時(shí)提供的大力支持。

附錄：

圖8 樣本2不規(guī)則顆粒（左），1000倍數(shù)下顆粒表面（右）

圖9 樣本3顆粒形狀多為多邊形（左），1000倍數(shù)下顆粒表面較為光滑（右）