颗粒尺寸与形状对沙子存水性的影响

中国船舶重工集团第七一五研究所 温家宝

1.引言

矿石货物在运输过程中液化的问题已经成为一个非常普遍的问题，并且它对所有货船都有非常巨大的影响。早在2010-2011年的15个月中，就有4艘货船（包括“建富星号”、“南远钻石好”及“宏伟号”）沉没，66人因此丧生。这些船只都是在运输过程中矿石货物发生液化，致使载货船舶失去稳定性并最终沉没(Pappadakis,N.2012)。

众所周知，全球海运运输量正逐年增加，而矿石货物在其中扮演了一个非常重要的角色。例如在印度尼西亚、菲律宾和新喀里多尼亚，2011年镍矿石的海运运输量就达到了4500万吨，而在巴西和澳大利亚，铁矿石的海上贸易运输量则达到了12亿吨之多(Spencer,C.and Tilsley,D.2011)。如此巨量的矿石货运量，绝大多数都是通过船舶运输，虽然这种运输方式相较于其他方式在成本上节省很多，但是却不可避免的会面对一个问题：运输过程中的货物液化(Roberts,S.E.et al 2013)。

当散装固体货物含水量达到或超过适运水分限量（TML）时，一定的晃动或振动就极易导致货物呈现出液体一般的状态，这个过程就称之为货物液化，而含水量与振动则是货物液化的两大发生条件。许多出口的矿石货物的开采、储存与装运过程完全露天操作，这使得货物含水量很容易达到液化要求，而船舶运输过程中船舶的晃动则达成了液化的第二条要求，因此货物液化问题必须慎重考虑(Grant,K.,Jonas,M.2010)。

2.目的

本文的主要目的包括：

a.对液化过程取得更好的理解

b.对不同材料的粒子的尺寸与形状进行观察与比较

c.寻找粒子尺寸与形状对液化的影响

d.发现其他对液化有重要影响的因素

3.文献综述

3.1 什么是货物液化？

大多数有液化倾向的货物是矿石货物并且其包含许多直径小于6.35mm的微小粒子，而矿石货物的开采与储存过程导致了它会含有一定水分，而货物粒子之间的空隙则被水与空气填满。在固体状态时，由于货物粒子之间的直接接触，货物具有剪切强度(Carraro,J.A.H.et al 2009)。粒子之间由充分的空间来容纳内部水分与一定比例的空气。在船舶运输过程中，由于船舶的振动与摇晃，货物粒子间的空间被压缩从而使得空气被排除。粒子间的水分也会收到压力，但是由于水分难以被压缩，最终，由于压缩而导致的水压会使得粒子分离，使其失去直接的接触从而引起剪切强度的降低，从而使得货物呈现液态状态，而这一过程就是货物液化(Grant,K.and Jonas,M.2010)。

图1 货物液化过程示意

3.2 现有法规与方法

目前国际上应用最广泛的法规是国际海运固体散装货物规则（IMSBC）准则，它目的在于组织管理所有与散装货物相关的问题并提高固体散装货物的储存与运输过程的标准性与安全性。有液化倾向的货物被列在准则当中并按照液化趋势大小等因素分为A、B、C三类。准则明确要求了托运人需要提供给船主的及时信息，至少包括货物的适运水分限量（TML）和装运时货物的实际含水量。但是IMSBC准则仍存在一定问题，例如并非全部的有液化倾向的货物都被列入了准则当中，并且这份准则并不具有法律约束力，因此导致一些托运人并未如实提供货物信息。

为避免货物液化的试验方法目前主要应用的有两种：罐装试验与流动台试验。这两种方法都是可以检验货物液化趋势的有效方法，它们的优点是不需要很多设备，操作简便，效率较高，但是它们的缺点也十分明显，这两种方法都存在很大的不确定性，操作过程极易受人为因素影响，并且结果的精确性很低，并不能完全排除货物运输过程中液化的可能性。另一种避免货物液化危害的方法是特种结构货船。这种方法通过增加散货船货舱纵舱壁的数量，从而增强船舶在货物液化发生后的稳定性来减小货物液化所带来的危害。这种方法可以大大增加船舶的安全性，但是特种结构散货船的造价较高，很难得到全球范围的推广，而且这种方法并不能够阻止货物液化(N.Pappadakis,2012)。

4.研究方向与方法

通过对现有的法规以及方法进行了一定研究后，本文选取了影响液化的因素这一方向进行研究。货物液化的基本过程是至关重要的，而从微观角度来分析液化这一问题则能够提供一些有用的信息来减少货物液化所带来的危害。在使用选择矩阵方法后，选择了粒子尺寸与形状对液化的影响这一具体研究内容。本文主要研究方法为试验研究法，通过对样本的观察进而提出假设，再通过一些试验对假设进行初步验证，对结果总结分析从而得出结论。

5.显微镜下观察样本

由于多数的固态粒子状物体都有液化的趋势，唯一不同的就是液化的程度不同，所以本文选择用沙子替代矿石货物作为样本进行观察与试验，我选择了3组样本进行试验，分别编号为样本1至样本3。

首先使用低倍显微镜（Digital Blue QX5显微镜，放大倍数200X）对样本进行了观察，得出各样本的初步信息。在观察时，现将所有样本完全烘干，这样可以避免由于样本内水分反光而导致的无法观察颗粒外观形状。通过对样本观察，样本的一些重要信息如下所示：

样本1如图2所示：

图2 大小颗粒之间明显差距（左），锯齿状边缘颗粒（右）

样本1中同时有大小两种颗粒，并且大小颗粒之间的差距十分明显，颗粒尺寸从0.005mm至0.385mm不等，最大相差比例为77。样本中颗粒的形状接近标准几何图形，并且有锯齿状的边缘。

样本2如图3所示：

图3 圆滑边缘颗粒周围有黑色物质（左），颗粒上的明显闪光点

图4 多数颗粒尺寸相近并且颗粒边缘光滑

样本2中有黑色泥土类的物质围绕在较大颗粒周围，颗粒尺寸从0.035mm至0.375不等，大多数颗粒尺寸变化范围在0.125mm至0.225mm之间。颗粒边缘较圆滑。

样本3如图4所示。

样本3中颗粒尺寸大小十分相近，变化范围从0.12mm至0.185mm不等，颗粒边缘多数比较光滑，一些颗粒形状近似椭圆形。

图5 不同形状组合存水能力

6.不同形状存水能力的假设

已知在货物运输过程中，正是由于粒子间的水分从它们原本的位置流失出来，从而形成一种流动式的状态并造成严重的后果。为了找出颗粒尺寸与形状对液化程度的影响，本文假设颗粒将水储存在一个类似立方体的空间里，并研究不同形状颗粒将水储存在这个空间当中的能力。为了达成这一目标，假设这个存水立方体是一个类似上端有开口的盒子，将不同的形状组合放入盒子内然后将盒子倾斜90度，计算各种形状组合的倾斜前和倾斜后的存水量，如图5所示。

从图5中通过比较1、2、3、5可以发现，当有向外凹陷的圆弧形状时存水量更多，而当颗粒有锯齿状边缘时，存水量会增加，这些存水量更多的形状组合都有某些向外凹陷的边缘，这些形状特点：圆弧形、锯齿状边缘以及外凹形状总结为标准形状。此外仍有另一个关于小型颗粒的猜想，在存水立方里的一些小型颗粒可以阻挡水向外流出，从而增加存水能力。

7.假设验证

假设验证共包含两个部分：一部分是进行试验验证样本存水能力；另一部分是通过电子显微镜观察样本并试图找出总结的标准形状对存水能力的影响大小。

7.1 存水能力试验

为了得出各样本的存水能力，按照如下步骤进行了试验：

a.称取等重量的三种样本并分别将其放入编号的试管中；

b.向试管中加水直到样本完全湿透；

c.测量所加水量；

d.在相同情况下加热试管40分钟；

e.再次向试管中加水直到样本完全湿透并测量水量；

f.分析误差及结果。

在向试管中加水时，当样本表面有水层出现时即认为样本完全湿透。在样本完全湿透后，将样本在70度的条件下加热40分钟，随后根据测量结果得出结果如表1所示：

表1 样本流失水量和所占百分比

试验过程中会存在一定误差，包括仪器误差、人为误差、计算误差等，在这次试验中，假定所有误差都在可接受范围内并可以忽略。

从结果中可以看出，样本2有更强的存水能力，流失水量占比33.33%。而样本1的流失水分达到了70.21%，意味着样本1 的存水能力很差。存水能力从高到低依次为样本2，样本3和样本1。

7.2 电子显微镜下样本观察

为了在颗粒边缘找到假设中的标准形状，并且试图发现哪些因素会影响存水能力，研究使用了电子显微镜以便更清晰的观察。在使用电子显微镜观察样本前，所取样本被放在一个小圆形基架上并在外表面镀一层金，这样可以使样本具有导电性并且可以让样本的细节更清楚。本节从观察结果中抽取了样本2的观测结果进行细节分析，其他样本观测结果可以在附录中找到。

图6 多数颗粒有圆形或者椭圆形边缘

如图6所示，样本2中的颗粒形状特点多为圆形或椭圆形边界，根据假设应具有较弱存水能力。然而试验结果却显示出截然相反的结果：样本2具有较高的存水能力。这一现象需要在更高倍数的观测下进行进一步分析。

图7 1000倍数下颗粒表面（左），5000倍数下颗粒表面

由图7可以看出颗粒表面有大量不规则小型突起与凹陷，这些突起与凹陷提供了大量可以存储水分的空间，同时由于这些空间非常狭小（1.22～4.01um），存储在此空间的水分很难流失，因此提高了其水分存储能力。同时，样本2中有大量不规则颗粒（如图8所示），在我看来，这些颗粒实际上是大量微粒组成并且在外力影响下形状可以发生改变。由于这个特性，他们可以嵌入到其他颗粒的间隙当中，从而使得水分难以从这些空间中流失出来。

8.总结与分析

本文研究了颗粒尺寸与形状对液化的影响并得出了一些主要结论如下：

a.颗粒的大致外形并不对存水能力有决定性影响

b.颗粒的表面结构很大程度上影响着存水能力

c.震动与压力对存水能力的影响仍需进一步研究

9.致谢

本文在选题及研究过程中得到了郭成吉教授的悉心指导与无私帮助，同时我也非常感谢郭成吉教授在我研究过程中试验以及使用电子显微镜时提供的大力支持。

附录：

图8 样本2不规则颗粒（左），1000倍数下颗粒表面（右）

图9 样本3颗粒形状多为多边形（左），1000倍数下颗粒表面较为光滑（右）