礦砂運輸船貨物液化對船舶穩(wěn)性的影響及對策

姜金輝， 金允龍

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海船舶運輸科學(xué)研究所有限公司 a.航運技術(shù)與安全國家重點實驗室；b.航運技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，上海 200135)

0 引 言

我國是礦土等易流態(tài)化貨物進口大國，2013年鐵礦砂進口量為8.2億t，鎳礦進口量為7 100萬t,2020年鐵礦砂進口量創(chuàng)歷史新高，達到了11.7億t[1-2]。隨著全球范圍內(nèi)易流態(tài)化貨物運量逐年增長，因貨物流態(tài)化造成的船舶事故數(shù)不斷攀升。根據(jù)INTERCARGO(International Association of Dry Cargo Shipowners)發(fā)布的干散貨船傷亡報告，2005—2015年因貨物流態(tài)化造成的船舶損失數(shù)為11艘，造成的人員傷亡數(shù)比其他事故造成的人員傷亡數(shù)多[3]。由此可見，通過船舶運輸易流態(tài)化貨物存在很高的風(fēng)險，一旦發(fā)生事故，后果極為嚴(yán)重。

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，鎳礦砂的市場需求不斷增加，鎳礦砂運輸量不斷提升。由此，鎳礦砂運輸船傾覆事故不斷增多，船舶所有人對載運鎳礦砂的顧慮日益增加，如何規(guī)避運輸風(fēng)險已成為研究人員關(guān)注的熱點。業(yè)界普遍認(rèn)為，鎳礦砂在運輸過程中因出現(xiàn)液化現(xiàn)象而移動并導(dǎo)致船舶的穩(wěn)性下降，是引發(fā)船舶傾覆事故的重要原因。如何有效分析鎳礦砂液化、移動和船舶傾覆機理，如何有效規(guī)避因運輸易流態(tài)化貨物而引發(fā)的危險并提出安全運輸方面的有效措施，這些問題迫切需要得到解決。本文主要分析貨物液化對船舶穩(wěn)性的影響，從船舶設(shè)計的角度探究提高船舶穩(wěn)性的方法，并初步探討貨物液化現(xiàn)象出現(xiàn)之后船舶可采取的應(yīng)急響應(yīng)措施。

1 鎳礦液化現(xiàn)象及其原因

礦砂等易流態(tài)化貨物流態(tài)化問題一直是航運業(yè)研究的重點，在船舶航行過程中，當(dāng)其所載運易流態(tài)化貨物的含水量超過限值時，在船舶搖擺或風(fēng)浪等外載荷的作用下，貨物表面會有水分析出，形成泥漿混合物，自由移動到船舶兩側(cè)。流動的混合物不易返回到初始位置，這會不斷加劇船舶向一側(cè)傾斜，導(dǎo)致船舶的重心不穩(wěn)定，在惡劣的海況下會引發(fā)船舶傾覆事故。此類事故一般都是突然發(fā)生的，且很難實施救援[4]。為保證散裝固體貨物運輸?shù)陌踩?，?guī)范貨物操作流程，國際海事組織(International Maritime Organization，IMO)于2011年頒布了《國際海運固體散貨規(guī)則》(International Maritime Solid Bulk Cargoes Code，IMSBC Code)，將船運固體散裝貨物分為A、B和C等3組，其中：A組為本文研究的易流態(tài)化貨物；B組包含化學(xué)物質(zhì)；C組為既不容易流態(tài)化，又不具有化學(xué)危險性的貨物。[5]此外，IMSBC Code還給出了船舶裝載的固體散裝易流態(tài)化貨物的定義和易流態(tài)化貨物引發(fā)危險的條件。

1)流態(tài)化是指貨物在裝運時雖然外觀比較干燥，但含有大量水分，在運輸過程中因船舶發(fā)生晃動而逐步滲出水分，表面形成可流動狀態(tài)；

2)易流態(tài)化貨物一般由顆粒較細(xì)的混合物構(gòu)成，包括精礦、某些煤炭和物理性質(zhì)與其類似的其他貨物，IMSBC Code將此類貨物歸為A類貨物。

鎳礦屬于含水的易流態(tài)化礦產(chǎn)品，在運輸過程中受船舶主機振動和船體運動的影響，會產(chǎn)生壓緊作用，使顆粒之間的空隙減小。若貨物的含水量過高，會出現(xiàn)自下而上的水分遷移，使上層的鎳礦砂流態(tài)化，形成自由液面。當(dāng)船舶在波浪中發(fā)生橫搖運動時，這些帶有自由液面的流態(tài)化鎳礦砂泥漿會向船舶一側(cè)移動，而當(dāng)船舶向另一側(cè)橫搖時，這些鎳礦砂泥漿不能完全流至原來的位置，逐步造成貨物偏載。隨著偏載加劇，船舶的橫傾幅度越來越大，最終導(dǎo)致船舶傾覆[6-8]。

2 礦砂液化對船舶穩(wěn)性的影響

本文在查閱相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，以一艘57 500 載重噸散貨船為例，考慮貨物液化的影響，對其穩(wěn)性進行分析。根據(jù)日本船級社(ClassNK)鎳礦運輸穩(wěn)性規(guī)則的要求，采用NAPA軟件對該船的強度和穩(wěn)性進行計算及驗證。

2.1 研究對象

本文的研究對象為一艘57 500載重噸鎳礦運輸船，其貨艙區(qū)典型橫剖面見圖1，船舶主尺度見表1。該船的貨艙采用雙底、單殼形式，舷側(cè)采用頂邊壓載水艙布置。鎳礦的密度一般為1.00～1.67 t/m3，本文取1.60 t/m3。

圖1 57 500載重噸鎳礦運輸船貨艙區(qū)典型橫剖面

表1 57 500載重噸鎳礦運輸船主尺度

2.2 強度和穩(wěn)性要求

該船的裝載需同時滿足結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)性的要求。

2.2.1 單艙許用裝載量要求

由該船的完工裝載手冊可知，其單艙室許用裝載量見表2。

表2 57 500載重噸鎳礦運輸船單艙室許用裝載量

2.2.2 總縱強度要求

采用NAPA軟件計算并驗證該船的許用剪力和許用彎矩，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二者均滿足規(guī)范的要求。

2.2.3 穩(wěn)性要求

根據(jù)ClassNK規(guī)范[9]的要求，裝載易流態(tài)化鎳礦的船舶需考慮以下2個要求：

1)若將鎳礦視為完全流態(tài)化，則需考慮貨艙自由液面的影響，按IMO《2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則》(2008 IS Code)的要求校核船舶的穩(wěn)性。

2)若將鎳礦視為非完全流態(tài)化，則在考慮鎳礦在貨艙內(nèi)運動形成的堆積效應(yīng)會導(dǎo)致船舶橫傾的同時，還要按類似谷物裝載的要求校核船舶的穩(wěn)性，即要同時滿足 2008 IS Code和《谷物規(guī)則》(Grain Code)的要求。此時將鎳礦看作非液態(tài)貨物，不用考慮貨艙自由液面的影響。當(dāng)按谷物穩(wěn)性要求計算船舶的橫傾力矩時，假定貨物傾斜25°。

圖2為穩(wěn)性計算要求。谷物穩(wěn)性衡準(zhǔn)簡述如下：

a)貨物移動

1)區(qū)域A的面積不能小于0.075 rad·m；

2)船舶最終的橫傾角度為小于12°或甲板邊緣入水角，取二者中的小者；

3)初穩(wěn)心高度不小于0.3 m。

2.3 礦砂液化對穩(wěn)性的影響

根據(jù)ClassNK規(guī)范的要求,裝載易流態(tài)化鎳礦的船舶應(yīng)滿足完全流態(tài)化和非完全流態(tài)化2種形態(tài)下的穩(wěn)性計算要求。

2.3.1 完全流態(tài)化下的穩(wěn)性計算

若貨艙不裝滿，則會產(chǎn)生自由液面效應(yīng)。根據(jù)ClassNK規(guī)范的要求，將鎳礦視作液體，考慮貨物自由液面的影響。

根據(jù)裝載情況和艙室布置情況，本文所述算例共有7個計算工況，各工況下的穩(wěn)性和強度計算結(jié)果見表3。

表3 各工況下的穩(wěn)性和強度計算結(jié)果

由表3可知，均勻裝載5個貨艙、4個貨艙均無法滿足穩(wěn)性要求。若均勻裝載3個貨艙(第1、第3和第5貨艙)，且能裝載至頂邊艙高度處，這時貨艙的自由液面變小，可滿足穩(wěn)性要求；若有2個貨艙裝滿，1個貨艙不裝滿，也可滿足穩(wěn)性要求，只是超過了單艙允許最大裝載量。

表4為LOAD03工況下的貨艙區(qū)裝載量。從表4中可看出，該工況下的貨艙區(qū)裝載量小于單艙最大許用值，滿足結(jié)構(gòu)強度要求，裝載率為84%，此時3號艙的裝載量已很接近許用值，不能再增加。

表4 LOAD03工況下的貨艙區(qū)裝載量

經(jīng)計算分析，當(dāng)貨物處于完全流態(tài)化狀態(tài)時，船舶的穩(wěn)性滿足規(guī)范的要求(見表5)。

表5 LOAD03工況下貨物處于完全流態(tài)化狀態(tài)時的船舶穩(wěn)性計算結(jié)果

由上述計算分析可知：若將鎳礦視為全流態(tài)化的液體，可采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，并盡可能地裝載至頂邊艙高度處(裝載率為84%)，以減小自由液面；同時，三艙裝載要避免三艙裝不滿且裝不高的情況，并兼顧單個貨艙的裝載量不超過許用值。

2.3.2 非完全流態(tài)化下的穩(wěn)性計算

當(dāng)不考慮貨艙自由液面效應(yīng)，而考慮鎳礦橫移對船舶的橫傾效應(yīng)時，由于有些工況的橫傾角較大，為減小橫傾力矩，可在貨艙靠近兩舷位置處設(shè)置隔板。下面分別對不改變貨艙艙容和設(shè)置雙殼減小艙容2種形式進行分析。

2.3.2.1 不改變貨艙艙容時的穩(wěn)性計算

根據(jù)ClassNK規(guī)范的要求,考慮貨物移動力矩，按類似谷物穩(wěn)性的衡準(zhǔn)，取鎳礦的密度為1.6 t/m3。通過NAPA軟件計算發(fā)現(xiàn),若將鎳礦均布在5個貨艙段、4個貨艙段和3個貨艙段均無法滿足穩(wěn)性的要求，可得出：若存在2個或2個以上貨艙不裝滿，則無法滿足穩(wěn)性的要求。

對比LOAD03工況下的非完全流態(tài)化與完全流態(tài)化穩(wěn)性計算結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，雖然二者的貨艙裝載量相同，但因鎳礦的形態(tài)不同，穩(wěn)性結(jié)論截然不同，見表6。通過對比可發(fā)現(xiàn)：鎳礦由非流態(tài)化向流態(tài)化轉(zhuǎn)變過程中，初穩(wěn)心高會下降(從4.07 m下降至1.86 m)，橫傾角會增大(從0.9°增大至1.9°)，若初穩(wěn)心高很低，橫傾角會很大，這說明了傾覆事故發(fā)生的原因。

表6 LOAD03工況下非完全流態(tài)化與完全流態(tài)化穩(wěn)性計算結(jié)果對比

通過穩(wěn)性計算可知，LOAD03工況不滿足Grain Code中的12°橫傾角要求，即當(dāng)鎳礦為流態(tài)時滿足穩(wěn)性要求，當(dāng)鎳礦為非流態(tài)時不滿足穩(wěn)性要求，這樣裝載風(fēng)險較大。

為保證運輸?shù)陌踩?，考慮在貨艙區(qū)設(shè)置縱向隔板，形成雙殼隔離空艙(見圖3)，由此提升裝載率，減小貨物移動力矩。

圖3 采用雙殼結(jié)構(gòu)的貨艙橫剖面

1)方案一：僅3號貨艙設(shè)置雙殼板。

該方案既可同時減小1號、3號和5號貨艙的艙容，又可只減小3號貨艙的艙容，從降低成本的角度考慮，減小1個貨艙的艙容最經(jīng)濟。

假定在3號貨艙兩舷側(cè)分別往中心線2.73 m的地方設(shè)置1道隔板，通過計算，可滿足多種鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性要求，且各貨艙的裝載量接近，不超過許用值。1號貨艙的裝載率為87%，3號貨艙的裝載率為95%，5號貨艙的裝載率為87%，既沒有過分減小艙容，又滿足不同鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性要求。

從安全的角度看，3號貨艙的隔板越靠近船舶的中心線，船舶的穩(wěn)性越好，可將其移動到該貨艙裝滿貨物為止，在不改變裝載量的情況下，使3號貨艙的裝載率達到100%，通過穩(wěn)性和總縱強度計算，可移動3.63 m，即可將隔板設(shè)置在距離舷側(cè)2.73～3.63 m處，這樣能滿足穩(wěn)性和強度要求。

通過以上分析可知：采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，并在3號貨艙兩舷側(cè)往中心線2.73～3.63 m處設(shè)1道隔板，形成1個空艙室，同時保證1號貨艙和3號貨艙的裝載率在87%以上，2號貨艙的裝載率在95%以上(均不超過單艙最大許用裝載量)，可滿足任意鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度要求。

2)方案二：1號、3號和5號貨艙都設(shè)置雙殼。

(3) 每道施工工序之間應(yīng)進行交接檢驗，在進行下道工序前，上道工序必須經(jīng)過檢測或驗收，驗收不合格不得進行下道工序的施工。

將1號、3號和5號貨艙都設(shè)置為雙殼形式，這樣各貨艙的雙殼間距相比僅1個貨艙設(shè)置雙殼的間距小。由前述分析可知，若貨物為全流態(tài)化鎳礦，只要裝載率達到87%以上，不對貨艙作任何改動即可滿足穩(wěn)性要求，因此只需對具有非流態(tài)化特性的鎳礦進行研究。

(1)最小雙殼間距。

將1號、3號和5號貨艙雙殼間距設(shè)置為1 m，并使其裝載率分別為90.2%、87.5%和89.5%，可滿足不同鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性和強度要求，該工況下的貨艙裝載率沒到100%，從穩(wěn)性校核結(jié)果中可看出，橫傾角十分接近12°，表明此雙殼間距為允許的最小雙殼間距。

(2)最大雙殼間距。

增大雙殼間距，可減小貨艙容積，增大安全系數(shù)，但要保證裝載量滿足要求。在保證裝載量滿足要求的前提下，通過計算可知，1號、3號和5號貨艙的雙殼間距可分別增大至3.20 m、3.72 m 和3.62 m。

通過以上分析可知：采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，分別在這3個貨艙段設(shè)置雙殼，其最小間距均設(shè)置為1 m，并使貨艙裝載率分別達到90.2%、87.5% 和89.5%，可滿足不同鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性和強度要求。這3個貨艙的最大雙殼間距可達到3.20 m、3.72 m和3.62 m，此時貨艙的裝載率為100%。

表7為各工況下的穩(wěn)性和強度計算結(jié)果匯總。

表7 各工況下的穩(wěn)性和強度計算結(jié)果匯總

2.4 主要結(jié)論

1)若將裝載的鎳礦視全流態(tài)化的液體，可采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，并盡可能地將貨物裝載至頂邊艙高度處(84%的裝載率)，以減小自由液面。三艙裝載要避免三艙裝不滿且裝不高的情況，同時要保證單個貨艙的裝載量不超過許用值。

2)采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，并在3號貨艙兩舷側(cè)往中心線2.73～3.63 m處設(shè)置1道隔板，形成1個空艙室，同時保證1號貨艙和3號貨艙的裝載率在87%以上，2號貨艙的裝載率在95%以上(均不要超過單艙最大許用裝載量)，可滿足任意鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度要求。

3)采用1號、3號和5號貨艙隔艙裝載的形式，分別在1號、3號和5號貨艙段設(shè)置雙殼，其最小間距均為1 m，裝載率分別達到90.2%、87.5%和89.5%，可滿足不同鎳礦形態(tài)下的穩(wěn)性和強度要求。這3個貨艙的最大雙殼間距可達到3.20 m、3.72 m和3.62 m，此時貨艙的裝載率為100%。

3 可裝載液化礦砂的散貨船設(shè)計對策

3.1 改進型散貨船橫剖面設(shè)計

根據(jù)裝載液化礦砂的散貨船的穩(wěn)性計算結(jié)果，在設(shè)計此類船舶時主要考慮控制貨物移動力矩和減小自由液面。

1)圖4為普通散貨船的橫剖面設(shè)計圖，礦砂液化之后一般不能滿足穩(wěn)性要求。

圖4 普通散貨船的橫剖面設(shè)計圖

2)圖5為增加雙殼之后散貨船的橫剖面設(shè)計圖，采用隔艙裝載的形式，礦砂液化之后仍能滿足穩(wěn)性要求，只是結(jié)構(gòu)重量略有增加。該散貨船的安全性明顯好于單殼散貨船。

圖5 增加雙殼之后散貨船的橫剖面設(shè)計圖

3)圖6為設(shè)置縱向隔艙艙壁散貨船的橫剖面設(shè)計圖，該設(shè)計能明顯減少自由液面效應(yīng)和貨物移動力矩導(dǎo)致的船體傾斜。該船在均勻裝載和隔艙裝載2種情況下都能滿足穩(wěn)性的要求，但設(shè)置縱向隔艙艙壁不僅會增加結(jié)構(gòu)重量，而且會影響裝載效率。

圖6 設(shè)置縱向隔艙艙壁散貨船的橫剖面設(shè)計圖

以滿足穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度的要求為條件，通過調(diào)整底邊艙、頂邊艙的尺度和微調(diào)型深，使貨艙艙容達到普通散貨船的貨艙艙容。局部結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮流體晃蕩載荷。

3.2 在貨艙槽型艙壁中增設(shè)抽氣和抽水設(shè)備

在貨艙槽型艙壁中增設(shè)抽氣和抽水設(shè)備，見圖7。該方法從原理上看是可行的，但需要更精細(xì)的設(shè)計與試驗定型。

圖7 貨艙槽型艙壁中的抽氣和抽水設(shè)備布置示意圖

4 礦砂液化后船舶可采取的應(yīng)急響應(yīng)措施建議

礦砂液化之后，其移動性增強，表面有水分析出，這些水分會在船體運動的影響下與泥沙混合，形成可流動的泥漿，對船舶的安全性造成極大的影響。

采用液化監(jiān)測設(shè)備，在發(fā)現(xiàn)礦砂液化析水現(xiàn)象之后，應(yīng)立即采取應(yīng)急響應(yīng)措施。

1)通過適當(dāng)調(diào)整航速和航向減少船體橫搖，離開風(fēng)浪較大的水域，考慮駛向距離當(dāng)前位置最近的港口、錨地，準(zhǔn)備借助海事機構(gòu)的救助設(shè)施實施救援。

2)通過抽水減小自由液面，減少可移動的貨物，避免形成大量可流動的泥漿。

3)向貨艙中拋入可吸收水分的干燥木屑。

4)檢查壓載艙的水位，控制其他液艙的自由液面。

5)若發(fā)現(xiàn)船體有傾斜現(xiàn)象，應(yīng)立即區(qū)分以下2種情況：

(1)船體的初穩(wěn)心高h(yuǎn)GM<0，只有靠船體傾斜才能略微增大hGM的值，實現(xiàn)傾斜浮態(tài);

(2)貨物已移動，導(dǎo)致船體傾斜。

在第一種情況下，必須采取措施增大hGM的值，船長可綜合考慮風(fēng)浪條件，采取搶險或棄船措施；在第二種情況下，船體傾斜，hGM>0，可通過壓載水調(diào)平船體，并同步采取抽水等其他措施。

礦砂液化對船舶的安全性有很大影響，應(yīng)以預(yù)防為主，同時準(zhǔn)備好必要的搶險設(shè)施，在裝載礦砂時密切注意穩(wěn)性的合理安全余度。

5 結(jié) 語

本文采用規(guī)范中的計算方法，以一艘57 500載重噸鎳礦運輸船為例，考慮貨物液化的影響，對該船的穩(wěn)性進行了分析，并通過在貨艙區(qū)設(shè)置雙殼，探討了滿足穩(wěn)性和強度要求的鎳礦最優(yōu)裝載方法。通過分析可知：在鎳礦完全流態(tài)化情況下，可采用隔艙裝載的方式，并盡可能地提高貨艙裝載率，以減小自由液面；在鎳礦非完全流態(tài)化情況下，可通過在艙室靠近兩舷位置處設(shè)置隔板，滿足穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強度要求。該研究可供易流態(tài)化貨物運輸船的研究和設(shè)計參考。