張超群， 李榮宗

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

國內(nèi)近年來對(duì)鎳礦砂的液化機(jī)理以及液化礦砂對(duì)船舶安全影響所展開的研究較多。[1]關(guān)于鎳礦砂液化機(jī)理的研究,文獻(xiàn)[2]通過試驗(yàn)，詳細(xì)闡明鎳礦砂液化演變過程，測量液化鎳礦砂產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)傾側(cè)力矩，并分析鎳礦砂偏載形成的原因。液化相關(guān)數(shù)值模擬計(jì)算[3]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (Computational Fluid Dynamics，CFD)法對(duì)部分裝載條件下液化礦砂漿體的晃蕩進(jìn)行數(shù)值模擬，將液化礦砂漿體視為剪切稀釋非牛頓流體，采用賓漢方程來描述其流動(dòng)特性。國外學(xué)者[4]提出不能僅靠控制適運(yùn)水分極限(Transportable Moisture Limit,TML)來避免精鐵礦的液化，還需進(jìn)一步研究其物理屬性和船舶所處環(huán)境的復(fù)雜多變性，通過研究精鐵礦孔隙比、干密度、飽和度和休止角的指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)載荷影響下隨著含水量變化，貨物物理屬性也發(fā)生變化。

2011年11月9日，交通運(yùn)輸部發(fā)布的《水路運(yùn)輸易流態(tài)化固體散裝貨物安全管理規(guī)定》明確易流態(tài)化固體散裝貨物的定義，即本身含有部分細(xì)顆粒和一定量水分、當(dāng)其含水率超過適運(yùn)水分極限時(shí)可能形成自由液面或固液兩相流動(dòng)層的固體散裝貨物,共包含55種貨物，主要涉及銅礦類、黃鐵礦類、鋅礦類、鎳礦類、精鐵礦類、原礦、礦渣、陶土、銀鉛礦類、氟石和其他具有類似物理性質(zhì)的礦物。[5-6]其中精鐵礦是我國進(jìn)口量最大的礦砂，本文從試驗(yàn)和實(shí)船監(jiān)測的數(shù)據(jù)來分析鐵礦砂的液化狀態(tài)變化。

1 試驗(yàn)總述

精礦粉類似于鎳礦，也會(huì)發(fā)生液化現(xiàn)象，但其比重大于鎳礦，吸水性能不高。巴西氣候濕潤，礦內(nèi)含有大量水分，運(yùn)輸時(shí)間過長，導(dǎo)致來自巴西的粉礦出現(xiàn)大量“明水”現(xiàn)象。[7]試驗(yàn)中選用巴西精礦粉，裝載在模型貨艙中，在貨艙模型側(cè)邊加裝含水率傳感器，測量在液化過程中局部鐵礦砂的含水率變化[8]；加裝壓力傳感器，測量局部鐵礦砂作用于艙壁的壓力變化，從側(cè)面反映液化的程度；加裝應(yīng)變傳感器，測量鐵礦砂作用于艙壁而發(fā)生的局部應(yīng)變大小，從側(cè)面反映液化的程度。同時(shí)在貨艙中部嵌入式安裝一組對(duì)比試驗(yàn)傳感器，以研究傳感器的布局方式。

2 鐵礦砂的搖擺臺(tái)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)通過六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來模擬船舶在海上的運(yùn)動(dòng)。主要選取橫搖和升沉兩種典型運(yùn)動(dòng)方式，六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)自身會(huì)產(chǎn)生小幅的振動(dòng)。搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)表

2.2 船模

船舶艏部受到的波浪砰擊載荷較大，導(dǎo)致振動(dòng)強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)幅度也較大，所以越靠近艏部的貨艙，礦砂液化程度越嚴(yán)重。傳感器對(duì)稱安裝，需要布局在形狀規(guī)則的貨艙，所以選取礦砂船的2號(hào)貨艙作為模型試驗(yàn)貨艙研究對(duì)象。該模型縮尺比為45，采用304不銹鋼材質(zhì)制作。

2.3 礦砂

試驗(yàn)選用的礦砂含有大粒徑的石塊，這些雜質(zhì)混在小顆粒的礦砂中，對(duì)于后續(xù)進(jìn)行的試驗(yàn)會(huì)形成一定的干擾，所以在試驗(yàn)之前需對(duì)原礦進(jìn)行過篩，去除雜質(zhì)。經(jīng)烤砂后配置成質(zhì)量含水率為22%的鐵礦砂共610 kg，占模型艙容的75%。其理論TML值為8.56%，密度為2.631 t/m3。

2.4 傳感器

選用8套含水率傳感器，嵌入式安裝，采集頻率為每秒一個(gè)數(shù)據(jù)。選用8套壓力傳感器，嵌入式安裝，采集頻率為每秒一個(gè)數(shù)據(jù)。選用8套應(yīng)變傳感器，背面焊接式安裝，采集頻率為15 s一個(gè)數(shù)據(jù)。傳感器從上到下，分成3層布置，并在貨艙內(nèi)形成對(duì)角線分布，貨艙面中間是一組對(duì)比試驗(yàn)傳感器。貨艙試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约皞鞲衅靼惭b位置分別見圖1和圖2。

圖1 前艙壁傳感器布置

圖2 后艙壁傳感器布置

2.5 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前，礦砂表面呈山丘狀，中間高，四周低。礦砂到艙壁邊緣垂直距離為15 cm，裝載礦砂的邊緣到艙底的垂直高度為45 cm。整個(gè)搖擺臺(tái)工作時(shí)間為1 h，其中,礦砂表面狀態(tài)明顯變化時(shí)間范圍在開始運(yùn)動(dòng)后6～26 min。

搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)6 min之后，貨艙角落表層首先出現(xiàn)局部液化，呈現(xiàn)黃褐色的液流態(tài)礦砂，在不停的搖擺過程中，侵蝕著表層其他礦砂；搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)10 min之后，貨艙4個(gè)角落全部液化，中間呈現(xiàn)孤島狀，且逐漸減?。粨u擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)20 min之后，表面幾乎變成液流態(tài)，流態(tài)化礦砂處于一個(gè)長時(shí)間穩(wěn)定持續(xù)簡諧運(yùn)動(dòng)的環(huán)境中，不斷來回地滑移，砂面也因此周期性地起伏，流態(tài)化礦砂在一個(gè)較大角度下會(huì)突然大量滑移到位置較低的一側(cè)，出現(xiàn)往一邊堆積的現(xiàn)象；搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)26 min之后，液流態(tài)礦砂表面出現(xiàn)清水層，形成自由液面。此時(shí)，整體礦砂高度下降了約5 cm，礦砂邊緣到艙壁上緣垂直距離20 cm。礦砂下降高度比例約占整體裝運(yùn)礦砂的10%。整個(gè)鐵礦砂表面液化過程見圖3。

a) 運(yùn)動(dòng)6 min礦砂表面

b) 運(yùn)動(dòng)10 min礦砂表面

c) 運(yùn)動(dòng)20 min礦砂表面

d) 運(yùn)動(dòng)26 min礦砂表面圖3 鐵礦砂液化過程

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

艙壁一側(cè)從上至下3個(gè)含水率傳感器數(shù)據(jù)見圖4。

含水率數(shù)據(jù)是散點(diǎn)圖，圖4中黑色線為數(shù)據(jù)的趨勢線。其中,1號(hào)含水率傳感器在貨艙壁最上層，精鐵礦運(yùn)動(dòng)過程中受到振動(dòng)和搖晃，礦砂整體高度在下降，同時(shí)貨艙左右橫搖，導(dǎo)致傳感器時(shí)而浸沒水里，時(shí)而露出水面。結(jié)合全程錄制的視頻回放，查找數(shù)據(jù)庫中傳感器數(shù)據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)V砂表面開始局部液化之前，含水率數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)迅速增大，隨著搖擺臺(tái)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)減小趨于平緩。下方礦砂越來越密實(shí)，水分往上析出，含水率呈下降趨勢。

a) 1號(hào)含水率傳感器

b) 2號(hào)含水率傳感器

c) 3號(hào)含水率傳感器

圖4 含水率數(shù)據(jù)趨勢線

艙壁一側(cè)從上至下3個(gè)應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)見圖5。

a) 1號(hào)應(yīng)變傳感器

b) 2號(hào)應(yīng)變傳感器

c) 3號(hào)應(yīng)變傳感器圖5 應(yīng)變數(shù)據(jù)趨勢線

應(yīng)變傳感器有初始值，監(jiān)測過程中應(yīng)變的大小是相對(duì)變化量。貨艙橫搖，導(dǎo)致數(shù)據(jù)上下跳躍，但是數(shù)據(jù)整體變化也是先急劇變大，再趨于平緩。液流態(tài)的礦砂在貨艙內(nèi)左右晃蕩，上方應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)變化值很大，可較好地反映出鐵礦砂液化過程。下方鐵礦砂隨著振動(dòng)和搖擺越來越密實(shí)，貨艙所受的作用力變化趨于穩(wěn)定。

根據(jù)《礦砂船船體結(jié)構(gòu)直接計(jì)算指南2016》中關(guān)于干散貨和液化礦砂壓力計(jì)算的公式，兩者靜壓力計(jì)算公式相同，但是動(dòng)壓力計(jì)算公式是有區(qū)別的。

干散貨動(dòng)壓力計(jì)算為

(1)

液化礦砂動(dòng)壓力計(jì)算為

(2)

式(1)和式(2)中：KC系數(shù)，KC=cos2α+(1-sinφ)sin2α對(duì)內(nèi)底、底邊艙、橫艙壁和縱艙壁、底凳、垂直頂?shù)?，?duì)于鐵礦砂，休止角φ=35°；α為所考慮的板與水平面之間的夾角，(°)；xG和yG分別為干散貨艙的型心的X和Y坐標(biāo)；zC為基線到載荷計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的貨物上表面的高度，m，zC=hDB+hC；hC為貨物高度，m，取為內(nèi)底至散貨上表面的垂直距離；ρC為礦砂密度，液化礦砂不考慮含水率；aX、aY、aZ為船舶運(yùn)動(dòng)加速度。

貨艙一側(cè)3個(gè)壓力傳感器數(shù)據(jù)見圖6。

壓力傳感器的數(shù)據(jù)絕對(duì)值變化不大，但是從中間層傳感器數(shù)據(jù)也能夠看到在礦砂液化過程中，壓力值明顯的變化趨勢。

a) 1號(hào)壓力傳感器

b) 2號(hào)壓力傳感器

c) 3號(hào)壓力傳感器圖6 壓力數(shù)據(jù)趨勢線

側(cè)方傳感器和中間傳感器的對(duì)比見圖7。圖7中2號(hào)含水率傳感器在中間層的側(cè)方，4號(hào)含水率傳感器在中間層的居中位置。由圖7可知：安裝在側(cè)邊的傳感器含水率變化更加明顯，更可反映水分子的運(yùn)動(dòng)過程。所以礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器應(yīng)該盡可能安裝在橫艙壁側(cè)邊。

對(duì)角線布置傳感器對(duì)比見圖8。圖8中2號(hào)含水率傳感器和6號(hào)含水率傳感器在貨艙艙壁中間層，高度相同，成對(duì)角線分布，其監(jiān)測的數(shù)值變化趨勢類似。所以在貨艙里對(duì)角線安裝傳感器，可作為系統(tǒng)冗余。

a) 2號(hào)含水率

b) 4號(hào)含水率圖7 側(cè)方傳感器和中間傳感器對(duì)比

a) 2號(hào)含水率傳感器

b) 6號(hào)含水率傳感器圖8 對(duì)角線布置傳感器對(duì)比

4 實(shí)船監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)原理樣機(jī)，開發(fā)的工程樣機(jī)已經(jīng)安裝在40萬t礦砂船“明遠(yuǎn)”船上。該船從巴西載運(yùn)礦砂出發(fā)，途經(jīng)大西洋、好望角、印度洋等惡劣海況區(qū)域,通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)回的監(jiān)測數(shù)據(jù)采用mysql數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，本文選取前20 d內(nèi)的170萬條數(shù)據(jù)，利用python語言對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和可視化分析。

該航次實(shí)船上，由于礦砂堆積呈山丘狀，最上層的兩組傳感器剛好碰觸到礦砂，監(jiān)測數(shù)據(jù)值較小，變化幅度不大，這里暫不做分析。工程樣機(jī)中含水率傳感器數(shù)值顯示的是體積含水率，實(shí)際監(jiān)測軟件轉(zhuǎn)化成質(zhì)量含水率數(shù)值顯示。中間層和底層含水率傳感器的數(shù)值變化趨勢分別見圖9和圖10。

圖9 實(shí)船中部含水率傳感器數(shù)據(jù)

圖10 實(shí)船底部含水率傳感器數(shù)據(jù)

在2019年1月12—30日,數(shù)據(jù)有兩次明顯急劇上升的過程，然后隨著時(shí)間推移，含水率逐漸減小并趨于平緩如圖9所示。通過與船員的交流和記錄的環(huán)境數(shù)據(jù)，這兩段時(shí)間恰好是風(fēng)浪較大的時(shí)候，所以船舶的振動(dòng)和搖擺幅度比較大。

在整個(gè)運(yùn)輸過程中，其數(shù)值逐漸增大隨后趨于平緩如圖10所示,說明礦砂中含水量較大，船舶的搖擺和振動(dòng)使水分子和礦砂分離了。

實(shí)船底部壓力傳感器數(shù)據(jù)見圖11。在2019年1月22—26日，數(shù)據(jù)變化幅度較大，對(duì)應(yīng)含水率傳感器，恰好是含水率上升變化最大的時(shí)間段。

圖11 實(shí)船底部壓力傳感器數(shù)據(jù)

實(shí)船底部應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)見圖12。應(yīng)變傳感器的數(shù)據(jù)變化類似壓力傳感器，因傳感器周圍的礦砂未發(fā)生液化，密實(shí)的礦砂作用艙壁的力變化幅度小。

圖12 實(shí)船底部應(yīng)變傳感器數(shù)據(jù)

該航次結(jié)束后，所有貨艙總共排了約1 000 t的水，貨艙角落處有水出現(xiàn)，礦砂中間層以及表層未出現(xiàn)液化現(xiàn)象。

工程樣機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化過程與實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)大致相同，但也存在不同點(diǎn)。

1) 相同安裝高度，前艙壁的傳感器變化幅度相對(duì)后艙壁的傳感器變化幅度大，這個(gè)與船舶在大海中前端運(yùn)動(dòng)幅度較大，所受到海浪的砰擊產(chǎn)生的振動(dòng)較大等原因有關(guān)。

2) 實(shí)船中間層傳感器數(shù)值出現(xiàn)突然上升的過程，但同時(shí)下層傳感器沒有出現(xiàn)這樣的情況，推測是由于實(shí)驗(yàn)室模擬貨艙較小，傳感器相隔距離較近，測量數(shù)據(jù)有偏差。另外實(shí)船貨艙底部有污水井在排水，而模擬貨艙是封閉的，水分被礦砂擠壓而向上運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)束語

通過裝運(yùn)鐵礦砂的貨艙模型試驗(yàn)，再結(jié)合40萬t礦砂船實(shí)船監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析研究，對(duì)液化鐵礦砂的性質(zhì)和液化過程具有更深的認(rèn)識(shí)，得出以下主要結(jié)論：

1) 在鐵礦砂發(fā)生液化的過程中，當(dāng)表層開始局部液化前，水分子會(huì)有一個(gè)急速向上沖的過程。

2) 含水率傳感器直接測量礦砂的水分含量，比間接測量的應(yīng)變傳感器和壓力傳感器效果更好，更能反映礦物液化過程中水分的流動(dòng)過程。

3) 傳感器安裝在前艙壁位置優(yōu)于后艙壁，前艙壁測量的數(shù)據(jù)變化幅度更明顯，更利于軟件判斷礦砂液化前后的狀態(tài)變化趨勢。

這些分析對(duì)礦物液化監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)布置具有一定的參考意義。