项目基本情况Basic information of the project
镍、铁矿等固体散货液化有可能造成船舶突然失去稳性并导致船舶倾覆,目前已有21艘散货船沉没并造成了一定的人员伤亡。中国对镍、铁产品很大程度上依赖进口,随着其价格的降低,中国对镍、铁矿的需求程度进一步体现增长趋势。尤其以"一带一路"为主线及"海上丝绸之路"新兴市场的布局,必将促进海运贸易量及大型海上运输矿砂船快速增长,使得镍矿海上运输的安全性尤其需要引起我们的重视。由于潮湿气候等影响在装载时固体散货具有一定湿度,在其海上运输过程中,船舶运动引起镍矿挤压、振动使水分从矿体表面渗出并形成自由液面,导致固体散货由固态逐渐转变成流态,即发生液化。同时,海上运输受湿雨天气影响,含水率增加进一步使液化风险加剧。固体散货液化演变过程中对船舶横稳性有重要影响。部分液化发生时,具有一定"湿底"的固体散货在船舶横摇加速度和货物自身惯性作用下,将克服与底甲板之间的摩擦。此时,如果固体散货发生局部"湿底"滑移,其重心位置逐渐向船舶一侧倾斜,横倾角不断增大,导致船舶以横倾状态航行。如果固体散货发生整体"湿底"滑移,其作用在货舱上的横倾力矩有可能导致船舶瞬间倾覆。而固体散货完全液化后所形成的稠密泥浆呈现出非牛顿流体特性,其主要特点是在较大的剪应力下才会流动。当船舶作横摇运动激励稠密泥浆所产生的横向剪应力大于剪切阻力时,稠密泥浆将会挣脱束缚,迅速滑向船舶一侧。此时,如果这种稠密泥浆在舱内的运动与船舶横摇运动存在相位滞后时,将有可能导致其无法返回,而是在船舶一侧继续堆积,进而影响船舶横稳性。为降低固体散货流态化风险,通常采用控制其含水率的方法,即采用流盘、插入度、葡式/樊式试验测得货物适运水分极限值(Transportable Moisture Limit,TML),只有含水率低于TML值才可装运。但从已发事故调查表明,即使含水率符合装载条件,易流态货物在实际装运和海上运输时均有可能发生流态化。针对船运固体散货海上运输安全这种特殊问题,不仅需要对固体散货液化进程进行分析,同时需要考虑液化过程中其滑移特性对船舶横摇响应的影响。本研究主要解决了两方面问题:
1)颗粒材料液化模型的建立及模型参数选取问题:散货船的货物液化不仅仅考虑液化的区域,同时要考虑与船舶运动响应之间的耦合作用。如何利用离散元理论合理的分析颗粒材料的运动特性是一大难题。同时,货物的液化与货物的力学属性、含水率、孔隙度、堆放条件,舱室布置,外部激振力和环境等因素密切相关。如何考虑货物的强度、货堆围压、湿度和能量输入等对货物液化的影响,并构建更加精细的离散元液化模型将所有影响因素考虑进去是一大难题。针对颗粒材料的力学特性和物理属性,本研究选取合理的屈服准则,并进行实验验证,确定了合理的细观计算参数。
2)"海况-货物-船舶"耦合模型的复杂性:船舶的动力学特性与货物坍塌,移动及船舶在波浪中的运动等密切相关,耦合模型的建立需要考虑来自海况、货物和船舶三个方面的影响因素,货物的不稳定性直接影响船舶的不稳定性。目前,对船舶在海域中的运动模型的研究已经成熟,需要特别关注货物的不稳定性。通过对货物的流动特性和液化特性的实验分析,深入研究了颗粒材料在考虑液化情况下的流动特性,采用耦合模型对货物的移动、货物的液化及其对船舶运动响应的影响进行整体计算和评估。
通过解决上述问题,得到了以下结论:
1)基于UBCSAND模型进行的单调加载和循环加载试验与试验数据吻合较好,随着货物初始饱和度、外部载荷频率和幅值的增大,货物的抗液化能力降低。通过静态倾斜试验建立了基于DEM的不同含水率下的接触特性;
2)可以看出,当货物含水率和外部载荷的频率和振幅较高时,货物流动的可能性较大。峰堆货物流动性比平舱货物流动性更明显,具有峰堆的货物更容易发生液化。因此,在货物的装载和运输过程中,应采取平舱等操作避免峰堆的出现。
3)研究了二维矩形结构在不同振幅、频率和货物初始饱和度下的横摇现象。在相同的初始条件下,初始饱和度高的货物流动性大,液化阻力越低。初始饱和度越小的货物对舱壁的作用力较小,这是因为货物具有较大的抗剪强度,抑制货物移动。当货物液化百分比达到100%时,将导致货物逐渐表现为流体,舱壁所受作用力波动范围增大,即液化货物将对船舶运动造成影响。
4)由于货物位移和船舶运动的相互作用,即使在线性波浪中船舶的横摇角响应仍表现出不规则性。波高为0.04m时,船舶横倾角为-10-10°;波高为0.027m时,船舶横倾角为-5-10°。即货物堆积到船舶的一侧,产生了一个较大的附加力矩来抵制船舶的恢复力矩,导致一个小的倾斜角。载荷强度对液化有很大的影响,且与液化速率成正比。但是,对于船舶稳定性,需要考虑货物滑移和船舶在波浪中的响应的共同作用。
因此,本研究可为大型散货船海上运输安全评估提供数值求解工具及科学有效的理论指导和技术支撑,进一步保证海运贸易量总额,确保我国镍、铁矿储备量保持一定的水平。
管理团队与技术团队Management team and technical team
哈尔滨工程大学
效益分析Benefit analysis
该项目为储备库项目资源,暂无效益分析内容。