液化镍矿砂晃荡与船舶运动的耦合影响

蔡文山， 高家镛， 张甫杰， 金允龙

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

液化镍矿砂晃荡与船舶运动的耦合影响

蔡文山， 高家镛， 张甫杰， 金允龙

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

为研究矿砂运输船上货物的液化流动机理及该类型船的倾覆机理，以某镍矿砂运输船为研究对象，对液化镍矿砂晃荡与船舶运动的耦合影响进行研究。对均舱装载下船模的运动响应进行试验研究后发现，液化镍矿砂的晃荡移动会引发货物偏载和航舶横倾累积，最终导致船舶倾覆沉没；而通过添加纵舱壁可以避免这一现象发生。液化镍矿砂会对船舶运动响应产生类似“减摇水舱”的耦合影响。作为比较，对隔舱装载工况进行试验研究,发现在隔舱装载工况中没有明显的货物偏载和船舶横倾现象。该试验说明，隔舱装载会大大减小横摇运动幅值及因偏载产生的横倾角，加大船舶进水角裕度，有利于船舶在海上安全航行。

水路运输；镍矿砂运输船；均舱装载；隔舱装载；镍矿砂液化；晃荡移动

镍矿砂在运输过程中受到海浪中船体运动与主机振动的激励影响,会产生压紧现象，导致货物颗粒间隙减小。[1]当货物含水量较高时，会出现自下而上的水分迁移，从而使上层镍矿砂流态化并出现自由液面。此时，流态化的镍矿砂会产生晃荡运动，影响船舶在波浪中的运动响应，货物晃荡与船舶运动之间存在耦合影响。实际上，当船舶在波浪中发生横摇运动时，流态化的镍矿砂泥浆会在两舷侧间来回晃荡移动，并逐步造成货物偏载，随着偏载加剧,最终可能导致船舶倾覆沉没。[2-4]

以某镍矿砂船为研究对象，借助模型试验，围绕液化镍矿砂晃荡与船舶的耦合运动响应开展研究，对不同装载方式(均舱和隔舱)下的船模在波浪中的运动响应进行试验研究[5-7]。在每种装载方式中，对装载未液化镍矿砂(视为无耦合影响)和装载液化后镍矿砂(存在耦合影响)的船模的运动进行比较。此外，在装载液化镍矿砂时，对每个货舱添加一道纵舱壁，作为减小货物晃荡和移动的措施。通过该研究，为镍矿砂船舶倾覆机理研究及其安全运输提供技术参考。

1 研究对象

研究对象原型全长189.99 m，船宽32.26 m，型深18 m，载重量57 500 t。试验船模的缩尺比为1∶45。船模由玻璃钢船壳、5个有机玻璃货舱模型及甲板盖板等组成。要求试验船模能够在货舱中装载一定量的镍矿砂，货舱模型基本满足型线要求，且能够完整地放进或取出于玻璃钢船模(见图1)。

图1 玻璃钢船模

镍矿砂属于大密度货物，在海洋运输过程中即使是少量的移动也会对船舶产生较大的力和力矩。根据摇摆台试验研究，结合相关文献[3，8，9]，选取含水量为35%的镍矿砂作为货物。液化后的镍矿砂会析出部分水形成自由液面，表层还会形成一定厚度的泥浆层，底层没有液化的镍矿砂堆积成类似“山丘”形状。上层呈现流态化的泥浆层，是发生货物晃荡移动的主要内因。

2 镍矿砂晃荡与船舶运动耦合的影响

2.1五舱均舱装载下的耦合运动分析

试验借助上海船舶运输科学研究所航运技术与安全国家重点实验室风浪流水池，分别对装载液化前/后镍矿砂货物的船模进行横浪规则波下的运动响应研究。镍矿砂属于比重较大的货物，在满载吃水、均舱装载时，船舶重心高度较低(VCG为7.06 m)，具有较大的初稳心高度(GM值为6.35 m)。

2.1.1货物晃荡对船舶浮态的影响

试验中观测到,在装载未液化镍矿砂的工况下，几乎没有发生货物移动，船模基本不会发生偏载，静置后不会产生横倾。

镍矿砂液化后，液化的镍矿砂泥浆随船模运动而发生明显移动。在波浪中运动一定时间后，船模会因货物的晃荡而引发偏载累积，并逐渐产生横倾(图2中，船模在波浪中运动约15 min后，偏载引发的横倾从5.8°加剧到11.4°)。当波浪周期在船模横摇固有周期附近时，船模摇摆运动加剧，由于货物偏载引发的横倾变得十分明显且迅速，随着试验的进行，可以预见船模将发生倾覆。

图2 货物晃荡移动引起偏载和横倾累积

当采取相似装载方案的船舶在海浪中航行时，由于不断遭遇风浪，船舶剧烈运动，液化的镍矿砂货物周期性移动并不断加剧偏载，横倾幅度不断加大，甲板进水角裕度逐渐减少，相应的船舶稳性会越来越差，最终只要遭遇稍微恶劣的海况，船舶就极可能倾覆沉没。

作为比较，在装载液化后的镍矿砂的工况中对每个货舱添加一道纵舱壁，以防止流态化镍矿砂货物发生长距离晃荡或移动。

通过试验发现，此工况下，货物偏载和船模横倾的现象已不明显，试验中只监测到1°～2°的横倾，且横倾角度基本稳定，不会发生横倾加剧的情况。试验结果表明，在镍矿砂运输船货舱内加装一道临时纵舱壁，能有效提升其航行安全性。

2.1.2横摇耦合运动的阻尼比较

对装载液化后的镍矿砂的船模，在耐波性试验前后分别进行自由横摇衰减试验，比较二者的差异。图3中上图为船模进行试验开始时的自由衰减时间历程曲线，下图为船模耐波性试验后(摇荡了约3 d)再次在水池静水中测得的自由衰减时间历程曲线。该工况下，船模货舱里的镍矿砂液化充分。

图3 耐波性试验前后测得的船模自由横摇衰减时间历程曲线

对比两个曲线可以发现，在耐波性试验后的船模自由横摇衰减快，其耦合运动阻尼较大，可以认为横摇引起的货物晃荡和船模运动间存在较大的周期或相位差异；而在耐波性试验之前的船模横摇衰减就相对缓慢，表明液化镍矿砂较少时(发生液化的初期)，其耦合运动阻尼相应较小。

2.1.3船舶的耦合运动响应

将在不同频率规则波中获得的船模运动数据通过式(1)进行无因次化处理，可得到相应运动的频率响应函数，绘制的频率响应曲线以λ/L为横坐标(L为船长，λ为波长)，各运动参数的无因次量为纵坐标。

(1)

式(1)中：φ为横摇角；Z为升沉幅值 ；a为加速度幅值；K为波数；ζa为波幅；λ为波长；L为船长；g为重力加速度。

在横浪规则波试验中，不同工况下的船模横摇运动响应数值及横向加速度响应数值较大且差异比较明显，限于篇幅，仅给出横摇运动及横向加速度(第3舱舱盖中心处)的响应曲线。图4为横摇频率响应曲线，图5为横向加速度频率响应曲线。

图4 均舱装载镍矿砂船模横摇RAO

图5 均舱装载镍矿砂船模横向加速度RAO

从图4中可以看出，当水池中的船模装载未液化的镍矿砂货物(无货物晃荡的耦合影响)时，船模在横浪中谐摇点的响应峰值比较大；当船模装载了液化后的镍矿砂货物(存在晃荡耦合影响)时，其在横浪中谐摇点的响应峰值下降较明显；当加装一道纵舱壁(减少晃荡耦合影响)时，横摇响应在其谐摇点的峰值下降约26%。

从图5可看到类似现象，在船模的谐摇点附近，装载未液化镍矿砂货物的船模的加速度响应峰值要比装载液化的镍矿砂货物的高，可认为液化后的货物表层自由液面和流态化的泥浆层起到了类似“减摇水舱”的效果，使得船模运动响应幅值降低。

2.1.4不规则波运动响应预报分析

依据试验测得的各物理量频率响应曲线，可以采用JONSWAP谱预报实船各项耐波性能。JONSWAP波浪谱密度函数为

(2)

对于线性系统，船舶输出的谱密度等于波浪谱密度函数与频率响应函数的乘积。以横摇角以及横向加速度为例，其响应曲线下的面积分别标示为moφ和moa。

(3)

(4)

横摇角有义值为φ1/3，加速度有义值为a1/3，其值为

(5)

(6)

限于篇幅，仅列出均舱装载工况下利用JONSWAP波浪谱预报的实船在不规则波中的运动有义值，并对此进行分析。

从镍矿砂液化的机理分析，船舶运动加速度及运动幅值是导致具有一定含水量的镍矿砂发生液化的主要因素。根据模型试验测得的运动参数，在对装载未液化的镍矿砂船舶的不规则波预报(见表1和表2)中，海况为6 m有义波高时，横向加速度的有义值在0.35g～0.4g，最大加速度能达到0.5g～0.6g；有义横摇角在24°左右，最大横摇角能达到35°以上；有义升沉幅值在3.5 m～4.0 m，最大升沉幅值在5.0 m以上。显然，散货船装运镍矿砂时，船舶摇荡运动剧烈、加速度大是导致具有一定含水量的镍矿砂发生液化的主要原因之一。

表1 不规则波实船运动预报(横摇有义值) (°)

表2 不规则波实船运动预报(横向加速度有义值) g

表3 不规则波实船运动预报比较

从表3可看出，在较为恶劣的海况(有义波高为6 m，特征周期为10 s)下，当船模装载了液化的镍矿砂后，受货物晃荡耦合的影响，横摇运动与横向加速度的响应有义值较液化前的运动响应有义值减少约20%。镍矿砂运输船在波浪中的大加速度运动促进了镍矿砂的液化，而液化后的镍矿砂产生晃荡移动，会反过来对船舶的运动响应产生类似“减摇水舱”的耦合影响。

2.2三舱隔舱装载下的耦合运动分析

船舶装载镍矿砂货物主要有2种方式：五舱均舱装载和三舱(1#，3#，5#)隔舱装载。此处开展隔舱装载下的船舶运动研究，包括隔舱装载未液化的镍矿、装载液化后的镍矿砂、装载液化后镍矿砂并加装纵舱壁3种工况。

2.2.1船舶的耦合运动响应

通过试验发现，隔舱装载方案的3种工况均不会因货物的晃荡移动引发船舶偏载和横倾加剧，也不会造成船舶倾覆，该装载方式有利于船舶在海上安全航行。

为进一步比较，利用相同方法(式(1))将试验数据进行无因次化处理后形成频率响应曲线。限于篇幅，仅给出横摇运动的响应曲线(见图6)。

图6 隔舱装载镍矿砂船模横摇RAO

从图6中可以看到，装载未液化的镍矿砂时，船模在横浪中谐摇点的响应峰值比较大。而当船模装载了液化后的镍矿砂货物时，其在横浪中谐摇点的响应峰值下降十分明显，下降幅度达到56.8%。液化后的镍矿砂表层的自由液面和流态化的镍矿砂泥浆层起到了类似“减摇水舱”的效果，使得船模运动响应幅值大幅降低。相比于五舱均舱装载工况，隔舱装载运动耦合影响产生的“减摇效果”更加显著。

对隔舱装载下的船舶也采用相同的波浪谱(JONSWAP)进行不规则波运动响应预报，分析的结果及结论和“2.1”中的均舱装载下的不规则波运动响应预报情况类似，限于篇幅，不再赘述。

2.2.2均舱和隔舱装载下船舶耦合运动比较

2.2.2.1 货物晃荡移动与船舶偏载横倾

均舱装载液化后的镍矿砂时，货物晃荡和船模运动存在周期及相位角差异，随着运动不断持续，产生货物偏载累积，引起船模横倾加剧，最终导致倾覆沉没，这是镍矿砂船发生倾覆事故的主要诱因。

隔舱装载液化后的镍矿砂时，也会发生一定的晃荡移动，但是引发的偏载和横倾的累积较小，试验中只监测到横倾维持在1°左右。这是因为三舱隔舱装载的货物移动量比五舱均舱装载货物移动量少(因为少了两个舱液面);此外,隔舱装载时货物镍矿砂装载高度几乎达到了顶边舱斜板底部，横摇运动时顶边舱斜板一定程度上会限制货物移动。

试验结果表明,在相同装货量的情况下，三舱隔舱装载优于五舱均舱装载，其引起的船舶偏载横倾很小，利于船舶的海上安全航行。若采用五舱均舱装载的方式，通过加装中纵舱壁能有效抑制货物偏载累积，避免船模倾覆。

2.2.2.2 船舶横摇运动响应比较

由图7可知，无论是均舱装载还是隔舱装载，当装载未液化的镍矿砂货物时(无货物晃荡耦合影响)，船模在横浪中的谐摇点的响应峰值比较大；而当船模装载了液化后的镍矿砂货物后(存在晃荡耦合影响)，谐摇点的响应峰值有所下降，其中隔舱装载工况下降比较明显。

图7 均舱装载和隔舱装载横摇RAO比较

装载液化后镍矿砂时，均舱装载下的船模横摇固有周期为1.35 s(实船约为9 s)，隔舱装载下为1.55 s(实船约10.5 s)。从图中可以看到，隔舱装载时的谐摇点(曲线峰值点)与均舱装载相比，往低频方向移动，能够偏离恶劣海况[10]中经常出现的波浪周期(7～9 s)，更利于镍矿砂运输船在海上安全航行。在镍矿砂液化状态下，隔舱装载的横摇运动响应峰值较均舱工况下降了31.5%。

3 结 语

当船舶在海洋运输中装载了液化的镍矿砂货物时，其运动响应不仅受到外在波浪力的激励影响，还受到因货物晃荡而产生的力(矩)的耦合影响。借助水池试验手段，对某镍矿砂运输船在均舱和隔舱装载下的货物晃荡与船舶运动耦合影响进行了分析。通过研究，总结出以下结论：

1.散货船装运镍矿砂时，大的运动加速度会加速镍矿砂液化。液化后的镍矿砂会产生晃荡移动，对船舶运动响应产生类似“减摇水舱”的耦合影响。

2.液化后的镍矿砂的上层会形成相当厚的流态化泥浆层，这是导致货物发生晃荡移动的主要内因。

3.均舱装载下，液化镍矿砂晃荡会引起偏载和横倾累积，最终导致船舶倾覆沉没。采取加装中纵舱壁的措施能抑制货物偏载累积，避免船模倾覆。

4.隔舱装载会大大减小横摇运动的最大值，其运动响应优于均舱装载，可以增加海运安全性。

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《中国航海》编辑部

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 ‘anti-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

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2012CB723804)

蔡文山(1986—),男，福建漳州人，研究实习员，从事船舶设计与船舶耐波性研究。E-mail: caiws163@163.com

高家镛(1942—),男，江苏常熟人，研究员，从事海事研究与分析工作。E-mail: gao333040903@163.com

1000-4653(2014)03-0054-05

U661.3;U695.2

A