船載鐵礦砂液化過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

張超群， 李榮宗

(上海船舶運輸科學(xué)研究所 航運技術(shù)與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

國內(nèi)近年來對鎳礦砂的液化機理以及液化礦砂對船舶安全影響所展開的研究較多。[1]關(guān)于鎳礦砂液化機理的研究,文獻[2]通過試驗，詳細闡明鎳礦砂液化演變過程，測量液化鎳礦砂產(chǎn)生的動態(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)值模擬計算[3]采用計算流體動力學(xué) (Computational Fluid Dynamics，CFD)法對部分裝載條件下液化礦砂漿體的晃蕩進行數(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特性。國外學(xué)者[4]提出不能僅靠控制適運水分極限(Transportable Moisture Limit,TML)來避免精鐵礦的液化，還需進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，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，交通運輸部發(fā)布的《水路運輸易流態(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，即本身含有部分細顆粒和一定量水分、當其含水率超過適運水分極限時可能形成自由液面或固液兩相流動層的固體散裝貨物,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口量最大的礦砂，本文從試驗和實船監(jiān)測的數(shù)據(jù)來分析鐵礦砂的液化狀態(tài)變化。

1 試驗總述

精礦粉類似于鎳礦，也會發(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，運輸時間過長，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。同時在貨艙中部嵌入式安裝一組對比試驗傳感器，以研究傳感器的布局方式。

2 鐵礦砂的搖擺臺試驗

2.1 試驗裝置

試驗通過六自由度運動平臺來模擬船舶在海上的運動。主要選取橫搖和升沉兩種典型運動方式，六自由度運動平臺自身會產(chǎn)生小幅的振動。搖擺臺運動參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 搖擺臺運動參數(shù)表

2.2 船模

船舶艏部受到的波浪砰擊載荷較大，導(dǎo)致振動強，運動幅度也較大，所以越靠近艏部的貨艙，礦砂液化程度越嚴重。傳感器對稱安裝，需要布局在形狀規(guī)則的貨艙，所以選取礦砂船的2號貨艙作為模型試驗貨艙研究對象。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，對于后續(xù)進行的試驗會形成一定的干擾，所以在試驗之前需對原礦進行過篩，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)形成對角線分布，貨艙面中間是一組對比試驗傳感器。貨艙試驗?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 試驗過程

試驗開始前，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。整個搖擺臺工作時間為1 h，其中,礦砂表面狀態(tài)明顯變化時間范圍在開始運動后6～26 min。

搖擺臺運動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；搖擺臺運動10 min之后，貨艙4個角落全部液化，中間呈現(xiàn)孤島狀，且逐漸減??；搖擺臺運動20 min之后，表面幾乎變成液流態(tài)，流態(tài)化礦砂處于一個長時間穩(wěn)定持續(xù)簡諧運動的環(huán)境中，不斷來回地滑移，砂面也因此周期性地起伏，流態(tài)化礦砂在一個較大角度下會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；搖擺臺運動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，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礦砂的10%。整個鐵礦砂表面液化過程見圖3。

a) 運動6 min礦砂表面

b) 運動10 min礦砂表面

c) 運動20 min礦砂表面

d) 運動26 min礦砂表面圖3 鐵礦砂液化過程

3 試驗數(shù)據(jù)分析

艙壁一側(cè)從上至下3個含水率傳感器數(shù)據(jù)見圖4。

含水率數(shù)據(jù)是散點圖，圖4中黑色線為數(shù)據(jù)的趨勢線。其中,1號含水率傳感器在貨艙壁最上層，精鐵礦運動過程中受到振動和搖晃，礦砂整體高度在下降，同時貨艙左右橫搖，導(dǎo)致傳感器時而浸沒水里，時而露出水面。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)時間節(jié)點可發(fā)現(xiàn)，當?shù)V砂表面開始局部液化之前，含水率數(shù)據(jù)會出現(xiàn)迅速增大，隨著搖擺臺繼續(xù)運動，數(shù)據(jù)減小趨于平緩。下方礦砂越來越密實，水分往上析出，含水率呈下降趨勢。

a) 1號含水率傳感器

b) 2號含水率傳感器

c) 3號含水率傳感器

圖4 含水率數(shù)據(jù)趨勢線

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

a) 1號應(yīng)變傳感器

b) 2號應(yīng)變傳感器

c) 3號應(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和搖擺越來越密實，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)直接計算指南2016》中關(guān)于干散貨和液化礦砂壓力計算的公式，兩者靜壓力計算公式相同，但是動壓力計算公式是有區(qū)別的。

干散貨動壓力計算為

(1)

液化礦砂動壓力計算為

(2)

式(1)和式(2)中：KC系數(shù)，KC=cos2α+(1-sinφ)sin2α對內(nèi)底、底邊艙、橫艙壁和縱艙壁、底凳、垂直頂?shù)剩瑢τ阼F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；zC為基線到載荷計算點對應(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為船舶運動加速度。

貨艙一側(cè)3個壓力傳感器數(shù)據(jù)見圖6。

壓力傳感器的數(shù)據(jù)絕對值變化不大，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號壓力傳感器

b) 2號壓力傳感器

c) 3號壓力傳感器圖6 壓力數(shù)據(jù)趨勢線

側(cè)方傳感器和中間傳感器的對比見圖7。圖7中2號含水率傳感器在中間層的側(cè)方，4號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動過程。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。

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

a) 2號含水率

b) 4號含水率圖7 側(cè)方傳感器和中間傳感器對比

a) 2號含水率傳感器

b) 6號含水率傳感器圖8 對角線布置傳感器對比

4 實船監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗原理樣機，開發(fā)的工程樣機已經(jīng)安裝在40萬t礦砂船“明遠”船上。該船從巴西載運礦砂出發(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，本文選取前20 d內(nèi)的170萬條數(shù)據(jù)，利用python語言對數(shù)據(jù)進行處理和可視化分析。

該航次實船上，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。工程樣機中含水率傳感器數(shù)值顯示的是體積含水率，實際監(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 實船中部含水率傳感器數(shù)據(jù)

圖10 實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)，這兩段時間恰好是風(fēng)浪較大的時候，所以船舶的振動和搖擺幅度比較大。

在整個運輸過程中，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，船舶的搖擺和振動使水分子和礦砂分離了。

實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，對應(yīng)含水率傳感器，恰好是含水率上升變化最大的時間段。

圖11 實船底部壓力傳感器數(shù)據(jù)

實船底部應(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，密實的礦砂作用艙壁的力變化幅度小。

圖12 實船底部應(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。

工程樣機監(jiān)測數(shù)據(jù)變化過程與實驗室原理樣機大致相同，但也存在不同點。

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

2) 實船中間層傳感器數(shù)值出現(xiàn)突然上升的過程，但同時下層傳感器沒有出現(xiàn)這樣的情況，推測是由于實驗室模擬貨艙較小，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動。

5 結(jié)束語

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

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

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。