液化鎳礦砂晃蕩與船舶運動的耦合影響

蔡文山， 高家鏞， 張甫杰， 金允龍

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

液化鎳礦砂晃蕩與船舶運動的耦合影響

蔡文山， 高家鏞， 張甫杰， 金允龍

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

為研究礦砂運輸船上貨物的液化流動機理及該類型船的傾覆機理，以某鎳礦砂運輸船為研究對象，對液化鎳礦砂晃蕩與船舶運動的耦合影響進行研究。對均艙裝載下船模的運動響應進行試驗研究后發(fā)現(xiàn)，液化鎳礦砂的晃蕩移動會引發(fā)貨物偏載和航舶橫傾累積，最終導致船舶傾覆沉沒；而通過添加縱艙壁可以避免這一現(xiàn)象發(fā)生。液化鎳礦砂會對船舶運動響應產(chǎn)生類似“減搖水艙”的耦合影響。作為比較，對隔艙裝載工況進行試驗研究,發(fā)現(xiàn)在隔艙裝載工況中沒有明顯的貨物偏載和船舶橫傾現(xiàn)象。該試驗說明，隔艙裝載會大大減小橫搖運動幅值及因偏載產(chǎn)生的橫傾角，加大船舶進水角裕度，有利于船舶在海上安全航行。

水路運輸；鎳礦砂運輸船；均艙裝載；隔艙裝載；鎳礦砂液化；晃蕩移動

鎳礦砂在運輸過程中受到海浪中船體運動與主機振動的激勵影響,會產(chǎn)生壓緊現(xiàn)象，導致貨物顆粒間隙減小。[1]當貨物含水量較高時，會出現(xiàn)自下而上的水分遷移，從而使上層鎳礦砂流態(tài)化并出現(xiàn)自由液面。此時，流態(tài)化的鎳礦砂會產(chǎn)生晃蕩運動，影響船舶在波浪中的運動響應，貨物晃蕩與船舶運動之間存在耦合影響。實際上，當船舶在波浪中發(fā)生橫搖運動時，流態(tài)化的鎳礦砂泥漿會在兩舷側間來回晃蕩移動，并逐步造成貨物偏載，隨著偏載加劇,最終可能導致船舶傾覆沉沒。[2-4]

以某鎳礦砂船為研究對象，借助模型試驗，圍繞液化鎳礦砂晃蕩與船舶的耦合運動響應開展研究，對不同裝載方式(均艙和隔艙)下的船模在波浪中的運動響應進行試驗研究[5-7]。在每種裝載方式中，對裝載未液化鎳礦砂(視為無耦合影響)和裝載液化后鎳礦砂(存在耦合影響)的船模的運動進行比較。此外，在裝載液化鎳礦砂時，對每個貨艙添加一道縱艙壁，作為減小貨物晃蕩和移動的措施。通過該研究，為鎳礦砂船舶傾覆機理研究及其安全運輸提供技術參考。

1 研究對象

研究對象原型全長189.99 m，船寬32.26 m，型深18 m，載重量57 500 t。試驗船模的縮尺比為1∶45。船模由玻璃鋼船殼、5個有機玻璃貨艙模型及甲板蓋板等組成。要求試驗船模能夠在貨艙中裝載一定量的鎳礦砂，貨艙模型基本滿足型線要求，且能夠完整地放進或取出于玻璃鋼船模(見圖1)。

圖1 玻璃鋼船模

鎳礦砂屬于大密度貨物，在海洋運輸過程中即使是少量的移動也會對船舶產(chǎn)生較大的力和力矩。根據(jù)搖擺臺試驗研究，結合相關文獻[3，8，9]，選取含水量為35%的鎳礦砂作為貨物。液化后的鎳礦砂會析出部分水形成自由液面，表層還會形成一定厚度的泥漿層，底層沒有液化的鎳礦砂堆積成類似“山丘”形狀。上層呈現(xiàn)流態(tài)化的泥漿層，是發(fā)生貨物晃蕩移動的主要內(nèi)因。

2 鎳礦砂晃蕩與船舶運動耦合的影響

2.1五艙均艙裝載下的耦合運動分析

試驗借助上海船舶運輸科學研究所航運技術與安全國家重點實驗室風浪流水池，分別對裝載液化前/后鎳礦砂貨物的船模進行橫浪規(guī)則波下的運動響應研究。鎳礦砂屬于比重較大的貨物，在滿載吃水、均艙裝載時，船舶重心高度較低(VCG為7.06 m)，具有較大的初穩(wěn)心高度(GM值為6.35 m)。

2.1.1貨物晃蕩對船舶浮態(tài)的影響

試驗中觀測到,在裝載未液化鎳礦砂的工況下，幾乎沒有發(fā)生貨物移動，船模基本不會發(fā)生偏載，靜置后不會產(chǎn)生橫傾。

鎳礦砂液化后，液化的鎳礦砂泥漿隨船模運動而發(fā)生明顯移動。在波浪中運動一定時間后，船模會因貨物的晃蕩而引發(fā)偏載累積，并逐漸產(chǎn)生橫傾(圖2中，船模在波浪中運動約15 min后，偏載引發(fā)的橫傾從5.8°加劇到11.4°)。當波浪周期在船模橫搖固有周期附近時，船模搖擺運動加劇，由于貨物偏載引發(fā)的橫傾變得十分明顯且迅速，隨著試驗的進行，可以預見船模將發(fā)生傾覆。

圖2 貨物晃蕩移動引起偏載和橫傾累積

當采取相似裝載方案的船舶在海浪中航行時，由于不斷遭遇風浪，船舶劇烈運動，液化的鎳礦砂貨物周期性移動并不斷加劇偏載，橫傾幅度不斷加大，甲板進水角裕度逐漸減少，相應的船舶穩(wěn)性會越來越差，最終只要遭遇稍微惡劣的海況，船舶就極可能傾覆沉沒。

作為比較，在裝載液化后的鎳礦砂的工況中對每個貨艙添加一道縱艙壁，以防止流態(tài)化鎳礦砂貨物發(fā)生長距離晃蕩或移動。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，此工況下，貨物偏載和船模橫傾的現(xiàn)象已不明顯，試驗中只監(jiān)測到1°～2°的橫傾，且橫傾角度基本穩(wěn)定，不會發(fā)生橫傾加劇的情況。試驗結果表明，在鎳礦砂運輸船貨艙內(nèi)加裝一道臨時縱艙壁，能有效提升其航行安全性。

2.1.2橫搖耦合運動的阻尼比較

對裝載液化后的鎳礦砂的船模，在耐波性試驗前后分別進行自由橫搖衰減試驗，比較二者的差異。圖3中上圖為船模進行試驗開始時的自由衰減時間歷程曲線，下圖為船模耐波性試驗后(搖蕩了約3 d)再次在水池靜水中測得的自由衰減時間歷程曲線。該工況下，船模貨艙里的鎳礦砂液化充分。

圖3 耐波性試驗前后測得的船模自由橫搖衰減時間歷程曲線

對比兩個曲線可以發(fā)現(xiàn)，在耐波性試驗后的船模自由橫搖衰減快，其耦合運動阻尼較大，可以認為橫搖引起的貨物晃蕩和船模運動間存在較大的周期或相位差異；而在耐波性試驗之前的船模橫搖衰減就相對緩慢，表明液化鎳礦砂較少時(發(fā)生液化的初期)，其耦合運動阻尼相應較小。

2.1.3船舶的耦合運動響應

將在不同頻率規(guī)則波中獲得的船模運動數(shù)據(jù)通過式(1)進行無因次化處理，可得到相應運動的頻率響應函數(shù)，繪制的頻率響應曲線以λ/L為橫坐標(L為船長，λ為波長)，各運動參數(shù)的無因次量為縱坐標。

(1)

式(1)中：φ為橫搖角；Z為升沉幅值 ；a為加速度幅值；K為波數(shù)；ζa為波幅；λ為波長；L為船長；g為重力加速度。

在橫浪規(guī)則波試驗中，不同工況下的船模橫搖運動響應數(shù)值及橫向加速度響應數(shù)值較大且差異比較明顯，限于篇幅，僅給出橫搖運動及橫向加速度(第3艙艙蓋中心處)的響應曲線。圖4為橫搖頻率響應曲線，圖5為橫向加速度頻率響應曲線。

圖4 均艙裝載鎳礦砂船模橫搖RAO

圖5 均艙裝載鎳礦砂船模橫向加速度RAO

從圖4中可以看出，當水池中的船模裝載未液化的鎳礦砂貨物(無貨物晃蕩的耦合影響)時，船模在橫浪中諧搖點的響應峰值比較大；當船模裝載了液化后的鎳礦砂貨物(存在晃蕩耦合影響)時，其在橫浪中諧搖點的響應峰值下降較明顯；當加裝一道縱艙壁(減少晃蕩耦合影響)時，橫搖響應在其諧搖點的峰值下降約26%。

從圖5可看到類似現(xiàn)象，在船模的諧搖點附近，裝載未液化鎳礦砂貨物的船模的加速度響應峰值要比裝載液化的鎳礦砂貨物的高，可認為液化后的貨物表層自由液面和流態(tài)化的泥漿層起到了類似“減搖水艙”的效果，使得船模運動響應幅值降低。

2.1.4不規(guī)則波運動響應預報分析

依據(jù)試驗測得的各物理量頻率響應曲線，可以采用JONSWAP譜預報實船各項耐波性能。JONSWAP波浪譜密度函數(shù)為

(2)

對于線性系統(tǒng)，船舶輸出的譜密度等于波浪譜密度函數(shù)與頻率響應函數(shù)的乘積。以橫搖角以及橫向加速度為例，其響應曲線下的面積分別標示為moφ和moa。

(3)

(4)

橫搖角有義值為φ1/3，加速度有義值為a1/3，其值為

(5)

(6)

限于篇幅，僅列出均艙裝載工況下利用JONSWAP波浪譜預報的實船在不規(guī)則波中的運動有義值，并對此進行分析。

從鎳礦砂液化的機理分析，船舶運動加速度及運動幅值是導致具有一定含水量的鎳礦砂發(fā)生液化的主要因素。根據(jù)模型試驗測得的運動參數(shù)，在對裝載未液化的鎳礦砂船舶的不規(guī)則波預報(見表1和表2)中，海況為6 m有義波高時，橫向加速度的有義值在0.35g～0.4g，最大加速度能達到0.5g～0.6g；有義橫搖角在24°左右，最大橫搖角能達到35°以上；有義升沉幅值在3.5 m～4.0 m，最大升沉幅值在5.0 m以上。顯然，散貨船裝運鎳礦砂時，船舶搖蕩運動劇烈、加速度大是導致具有一定含水量的鎳礦砂發(fā)生液化的主要原因之一。

表1 不規(guī)則波實船運動預報(橫搖有義值) (°)

表2 不規(guī)則波實船運動預報(橫向加速度有義值) g

表3 不規(guī)則波實船運動預報比較

從表3可看出，在較為惡劣的海況(有義波高為6 m，特征周期為10 s)下，當船模裝載了液化的鎳礦砂后，受貨物晃蕩耦合的影響，橫搖運動與橫向加速度的響應有義值較液化前的運動響應有義值減少約20%。鎳礦砂運輸船在波浪中的大加速度運動促進了鎳礦砂的液化，而液化后的鎳礦砂產(chǎn)生晃蕩移動，會反過來對船舶的運動響應產(chǎn)生類似“減搖水艙”的耦合影響。

2.2三艙隔艙裝載下的耦合運動分析

船舶裝載鎳礦砂貨物主要有2種方式：五艙均艙裝載和三艙(1#，3#，5#)隔艙裝載。此處開展隔艙裝載下的船舶運動研究，包括隔艙裝載未液化的鎳礦、裝載液化后的鎳礦砂、裝載液化后鎳礦砂并加裝縱艙壁3種工況。

2.2.1船舶的耦合運動響應

通過試驗發(fā)現(xiàn)，隔艙裝載方案的3種工況均不會因貨物的晃蕩移動引發(fā)船舶偏載和橫傾加劇，也不會造成船舶傾覆，該裝載方式有利于船舶在海上安全航行。

為進一步比較，利用相同方法(式(1))將試驗數(shù)據(jù)進行無因次化處理后形成頻率響應曲線。限于篇幅，僅給出橫搖運動的響應曲線(見圖6)。

圖6 隔艙裝載鎳礦砂船模橫搖RAO

從圖6中可以看到，裝載未液化的鎳礦砂時，船模在橫浪中諧搖點的響應峰值比較大。而當船模裝載了液化后的鎳礦砂貨物時，其在橫浪中諧搖點的響應峰值下降十分明顯，下降幅度達到56.8%。液化后的鎳礦砂表層的自由液面和流態(tài)化的鎳礦砂泥漿層起到了類似“減搖水艙”的效果，使得船模運動響應幅值大幅降低。相比于五艙均艙裝載工況，隔艙裝載運動耦合影響產(chǎn)生的“減搖效果”更加顯著。

對隔艙裝載下的船舶也采用相同的波浪譜(JONSWAP)進行不規(guī)則波運動響應預報，分析的結果及結論和“2.1”中的均艙裝載下的不規(guī)則波運動響應預報情況類似，限于篇幅，不再贅述。

2.2.2均艙和隔艙裝載下船舶耦合運動比較

2.2.2.1 貨物晃蕩移動與船舶偏載橫傾

均艙裝載液化后的鎳礦砂時，貨物晃蕩和船模運動存在周期及相位角差異，隨著運動不斷持續(xù)，產(chǎn)生貨物偏載累積，引起船模橫傾加劇，最終導致傾覆沉沒，這是鎳礦砂船發(fā)生傾覆事故的主要誘因。

隔艙裝載液化后的鎳礦砂時，也會發(fā)生一定的晃蕩移動，但是引發(fā)的偏載和橫傾的累積較小，試驗中只監(jiān)測到橫傾維持在1°左右。這是因為三艙隔艙裝載的貨物移動量比五艙均艙裝載貨物移動量少(因為少了兩個艙液面);此外,隔艙裝載時貨物鎳礦砂裝載高度幾乎達到了頂邊艙斜板底部，橫搖運動時頂邊艙斜板一定程度上會限制貨物移動。

試驗結果表明,在相同裝貨量的情況下，三艙隔艙裝載優(yōu)于五艙均艙裝載，其引起的船舶偏載橫傾很小，利于船舶的海上安全航行。若采用五艙均艙裝載的方式，通過加裝中縱艙壁能有效抑制貨物偏載累積，避免船模傾覆。

2.2.2.2 船舶橫搖運動響應比較

由圖7可知，無論是均艙裝載還是隔艙裝載，當裝載未液化的鎳礦砂貨物時(無貨物晃蕩耦合影響)，船模在橫浪中的諧搖點的響應峰值比較大；而當船模裝載了液化后的鎳礦砂貨物后(存在晃蕩耦合影響)，諧搖點的響應峰值有所下降，其中隔艙裝載工況下降比較明顯。

圖7 均艙裝載和隔艙裝載橫搖RAO比較

裝載液化后鎳礦砂時，均艙裝載下的船模橫搖固有周期為1.35 s(實船約為9 s)，隔艙裝載下為1.55 s(實船約10.5 s)。從圖中可以看到，隔艙裝載時的諧搖點(曲線峰值點)與均艙裝載相比，往低頻方向移動，能夠偏離惡劣海況[10]中經(jīng)常出現(xiàn)的波浪周期(7～9 s)，更利于鎳礦砂運輸船在海上安全航行。在鎳礦砂液化狀態(tài)下，隔艙裝載的橫搖運動響應峰值較均艙工況下降了31.5%。

3 結 語

當船舶在海洋運輸中裝載了液化的鎳礦砂貨物時，其運動響應不僅受到外在波浪力的激勵影響，還受到因貨物晃蕩而產(chǎn)生的力(矩)的耦合影響。借助水池試驗手段，對某鎳礦砂運輸船在均艙和隔艙裝載下的貨物晃蕩與船舶運動耦合影響進行了分析。通過研究，總結出以下結論：

1.散貨船裝運鎳礦砂時，大的運動加速度會加速鎳礦砂液化。液化后的鎳礦砂會產(chǎn)生晃蕩移動，對船舶運動響應產(chǎn)生類似“減搖水艙”的耦合影響。

2.液化后的鎳礦砂的上層會形成相當厚的流態(tài)化泥漿層，這是導致貨物發(fā)生晃蕩移動的主要內(nèi)因。

3.均艙裝載下，液化鎳礦砂晃蕩會引起偏載和橫傾累積，最終導致船舶傾覆沉沒。采取加裝中縱艙壁的措施能抑制貨物偏載累積，避免船模傾覆。

4.隔艙裝載會大大減小橫搖運動的最大值，其運動響應優(yōu)于均艙裝載，可以增加海運安全性。

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△版權聲明△

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《中國航海》編輯部

CouplingEffectsBetweenSloshingofLiquefiedNickelOreandShipMotion

CAIWenshan,GAOJiayong,ZHANGFujie,JINYunlong

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

With a Nickel ore carrier as the research subject, a series of model experimental study of coupling effects between sloshing of the liquefied nickel ore and ship motion are carried out. The tests show that, with homogeneous loading, liquefied nickel ore can cause obviously cargo sloshing and shifting, which aggravates cargo unbalance and makes the ship heeling step by step and finally capsizing; Adding a longitudinal bulkhead in each cargo hold can prevent ship from that. Sloshing caused by liquefied Nickel ore can induce the coupling effect similar to ‘a(chǎn)nti-rolling tanker’. The ship motion responses with cargo loaded in alternate loading are further studied. The results show that the phenomena of unbalanced loading and ship heeling is unapparent. The application of alternate loading can both decrease the rolling amplitude and heeling angle induced by cargo of unbalanced loading so as to increase the margin of ship flooding angle, which is positive to the shipping safety.

waterway transportation; Nickel ore carrier； homogenous loading； alternate loading； liquefaction of Nickel ore； cargo sloshing and shifting

2014-04-12

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2012CB723804)

蔡文山(1986—),男，福建漳州人，研究實習員，從事船舶設計與船舶耐波性研究。E-mail: caiws163@163.com

高家鏞(1942—),男，江蘇常熟人，研究員，從事海事研究與分析工作。E-mail: gao333040903@163.com

1000-4653(2014)03-0054-05

U661.3;U695.2

A