易流态化货物运输的技术

易流态化货物安全运输研究*

赵月林a，孟淑娴b*

（大连海事大学 a.航海学院; b.法学院，辽宁大连 116026）

摘要：本文从分析装载易液态化货物船舶的倾覆机理入手，识别影响运输易流态化货物船舶安全的危险因素，提出了装载易液态化货物过程中的一般性安全措施和这种船舶在航行中的应急措施。

关键词：易液态化货物，稳性，倾覆, 适运水分限，安全运输

易流态化货物大致可以分为两类，一类是各种精选矿，如铁精矿、铅精矿、黄铜矿等；另一类为具有与精选矿性质类似的其他物质如散装草泥、散装鲜鱼、镍矿、煤泥、氟石、萤石粉等。这些货物，若水分含量超过一定比例时，在海上运输过程中，受到外界各种力的作用，水分渗移而形成流态化而导致货物移动，并使得船舶稳性降低甚至失去稳性，进而导致船舶倾覆。2010年10月底到12月初不到两个月的时间内，三艘运输镍矿的船舶倾覆沉没。①本文试图从分析造成船舶倾覆的机理入手，识别影响船舶运输易流态化货物安全的危险因素，提出相应的针对性措施和建议。1．运输货物的流态化致使船舶倾覆的机理分析

易流态化货物的易流态性以流动水分点（Flow Moisture Point-FMP）来表征，它是指货样在规定的试验方法下达到流态时的含水量。货物在装运时，其实际含水量必须小于流动水分点，为安全计，一般取流动水分点的90%作为该货物的适运水分限（Transportable Moisture Limit-TML）。

装载在船舱中的易流态化货物，由于船舶震动、摇摆和颠簸，致使货物慢慢下沉而堆积紧密，颗粒间孔隙减小，当含水量高时，就会产生多余水分。若货物的透水性能好，多余的水分及空气能够渗出到货物表面而形成泥水层；若货物颗粒较小而使得透水性变差，货物下沉的全部压力首先由孔隙间的水分承受，产生孔隙间水压力，这意味着货物颗粒间不能很好结合，导致内部摩擦力、粘聚力减小或丧失而使抗剪切强度消失，造成货物流动。事实上，装载在船舱中的货物流态化后，上述两种现象兼而有之。图1、2、3 是1999年7月26-27日ADANG HAWK号船在Coral Sea航行中舱内易流态化货物发生流态化时的状态。

图1 舱内货物的流态化之一图2 舱内货物的流态化之二图3 舱内货物的流态化之三有学者认为，货物中的水分渗出到货物表面后形成泥水层，形成货舱内巨大的自由液面，严重降低船舶的初稳性高度，从而使得船舶的初稳性高度为0甚至负值。[1][2] 例如，某一艘37500吨级散货船某航次整船装运精选矿后，其排水量为45340吨，经燃油、淡水舱自由液面修正后的初稳性高

* [收稿日期] 2011-8-15

*[作者简介]赵月林（1966-），教授，船长，海商法博士，律师，Email: yuelin_zhao@https://www.360docs.net/doc/ca18572901.html,；

孟淑娴（？？），研究生，E-mail：？？？？

①根据相关的新闻报道，2010年10月27日沉没的船舶为“Jian Fu Star ”轮，1981年建造，DWT45,108；2010年11月10日沉没的船舶为“NASCO Diamond”轮，2009年建造，DWT 56,800；2010年12月3日沉没的船舶为“Hong Wei ”轮，2001年建造，DWT50,149。

度GM 值为2.92米，航行途中倘若每个货舱货堆表面均产生渗水，由于渗水所产生的自由液面对初稳性高度总的影响值为4.60米，此时船舶实际的初稳性高度为1.68米。[1][2] 笔者不完全赞同这种观点。在货舱内货物表面形成的泥水层，确有自由液面的特性，会造成船舶稳性的降低，但严格地讲，在货物表面形成的泥水层，因其尚不能自由流动，因而不能完全称之为自由液面，除非在货物表面已经形成了明水（例如在镍矿表面形成了游离水）能够随船舶摇摆自由移动。货物表面泥水层和流态化货物的横向移动，是导致船舶产生横倾、船舶稳性降低，最后导致船舶倾覆的主要原因，现分述如下。

1.1 流态化货物在舱内的移动导致船舶的横倾

船舶在海上航行过程中，往往会因受风浪的影响产生一定的横摇，当横摇角达到某一角度使得货舱内流态化的货物或者表层的泥水层能够横向移动时，货物就会向船舶低舷一侧移动。以船舶因向左横摇船舶导致货物向左舷横向移动为例，船舶会因货物的横移产生一个左倾，如图4-1所示；但是当船舶在往右回摇时，因流态化的货物并非能够像液体一样自由流动，因此原来向左舷移动的货物并不能完全流回，导致向右横摇的角度减小，如图4-2所示；船舶再次向左横摇时，由于船舶向左横摇和左倾的作用，货物继续向左移动，导致左倾角加大；在船舶再次向右横摇时，因货物不能完全移动回右侧，致使向右横摇的角度进一步减小。如此反复继续，将使得船舶左倾的角度逐渐增大乃至倾覆。

船舶向左摇摆过

程中货物向左移

动后形成的货物

表面

图4 流态化货物在舱内的移动导致的船舶横倾 1.2 舱内货物移动会大幅度减小船舶稳性

船舶正浮时，浮力与水线W 0L 0垂直；当船舶发生小角度横倾时，浮力作用线与新水线W 1L 1垂直，如图5所示。这时，重力也相应由与水线W 0L 0垂直变为与新水线W 1L 1垂直。在图5所示的情况下，不难看出，浮力与重力所形成的力矩会推船舶向左回倾，即有使船舶回复到正浮的作用。如果船舶向左微倾时，浮力与重力所形成的力矩会推船舶向右回倾，即也有使船舶回复到正浮的作用。这种始终使船舶回复到正浮的作用称为船舶的稳性。

船舶稳性的大小是由船舶的重力与浮力所形成的力矩大小所决定的。一般情况下船舶的重力与浮力相等，且等于船舶的排水量，所以，重力与浮力之间的距离GZ 与船舶排水量?的乘积即为稳性力矩M R 。在小角度横倾时，稳性力矩可按下式计算，

θGMtg M R ?=

式中，GM 为船舶的稳性高度，即稳心与重心之间的距离。

图5 货物移动对稳性的影响

当如图5中的右倾的船舶的货物向右移动时，相当于船舶的重心位置也向右做了移动，稳性力

臂即重力与浮力之间的距离GZ 减小为G ′Z ，船舶的初稳性高度GM 值也会相应降低。因此，从上图可以看出，当货物随着船舶的轻微横倾而移动时，船舶的稳性高度降低。

若货物横向移动的周期与船舶的摇摆周期一致时，其对船舶稳性的影响相当于自由液面对船舶稳性的影响，因而会始终减小船舶的稳性。如前所述，由于流态化的货物移动并非完全与流体一样处于自由流动状态，因此，这种流态化货物的横向移动对船舶对稳性的影响表现得更为复杂，要准确计算这种货物移动对稳性高度的影响存在较大的困难，但这种影响比真正的自由液面的影响要小一些。

1.3 舱内货物流态化后船舶初稳性高度接近为0的定性分析

若流态化货物横向移动的周期与船舶的摇摆周期一致时，其对船舶稳性的影响相当于自由液面对船舶稳性的影响，因而会始终减小船舶的稳性，其减小值δGM 为

?ρδx ''I GM -=

式中，I ′x 为货物液面表面积对船舶纵轴即横倾轴的面积惯矩（m 4）；

ρ′为舱内液体的密度(t/m 3)；?为船舶排水量(t)。

若整船货物均出现了流态化，各舱内均会形成自由液面，如图6所示。可以看出，舱内货物的

移动表面即只略小于船舶的水线面积，相差的面积只是首尖舱和机舱等部位。

图6. 货舱液面与水线面面积的比例

而船舶的稳性半径r 为

?ρx ""I r -=

式中，I ″x 为船舶水线面面积对船舶纵轴即横倾轴的面积惯矩（m 4）；

ρ″为舷外水的密度(t/m 3)；

?为船舶排水量(t)。

当货物发生流态化时，舱内液体的密度与舷外水密度相当，货物表面的液面面积与船舶水线面面积相差不多，即货物液面对稳性的减小值δGM略小于船舶的稳性半径r，即δGM约等于r。

货物流态化前，船舶初稳性高度G0M的表达式为

G-

+

=

M

KB

KG

r

式中，KB为船舶浮心距基线高度（米）；

KG为船舶重心距基线高度（米）。

货物流态化后，船舶初稳性高度G1M的表达式为

GM

-

+

=

Gδ

-

M

r

KG

KB

1

由于δGM约等于r，所以，

G-

M

≈

KB

KG

1

船舶浮心距基线高度一般在船中吃水的一半多一点；船舶重心距基线高度一般略高于船舶浮心距基线高度。所以，货物流态化后船舶初稳性高度G1M为很小的数值甚至小于0。

1.4 液态化货物在舱内的移动可能最终导致船舶倾覆

根据前述的分析可知，舱内流态化货物的横向移动是逐渐发生的。开始时，会有部分货物发生横向移动，船舶稳性开始减小。船舶稳性很小或为负值时，船舶不易正浮，特别是稳性为负值时，船舶必然处于横倾状态。船舶稳性很小并略有微倾时，在横风力作用下，这种横倾会得到加剧；在横倾状态下，货物会发生进一步移动，从而横倾角度也会增大；并且会发生较大幅度横摇，甚至发生共振谐摇。这种情况下，货物的移动量会更大，于是固定倾角会进一步增大。倾角增大后，横摇幅度会进一步加大。在风浪作用下船舶的摇摆幅度将显著增大，并且会使舱内货物进一步发生不对称移动，直到船舶后来倾覆。

几乎所有运输易流态化货物船舶翻沉的案例均表明，船舶在航行过程中遇到了较大的风浪，船舶出现横倾，然后横倾逐渐增加，然后突然翻沉；或者当出现某一侧的横倾后，船舶采取扶正的措施，但紧接着船舶向另一侧的横倾加大，船舶突然翻沉没。②

2．影响船舶运输易流态化货物安全的危险因素分析和控制

从上述倾覆机理的分析可以看出，载运易液态化货物的船舶翻沉的根本原因是货物的水分超过了流动水分点，使得货物发生流态化而能够流动，而船舶遭遇风浪引起的船舶摇摆则是货物横向移动的诱因。因此，为保证船舶安全，必须从货物的装载、平舱、载运、卸载的各个环节中以及船舶航行、操纵过程中，采取适当的预防措施。

2.1 SOLAS公约和IMSBC规则有关的法规要求

国际海事组织海上安全委员会于2008年11月26日至12月5日在伦敦召开的第85届会议上，《国际海运固体散装货物规则》（简称《IMSBC规则》）以及使该规则成为强制性要求的SOLAS公约第VI修正案得到了通过。该修正案和IMSBC规则已经于2011年1月1日强制生效。我国作为SOLAS公约的缔约国，上述修正案和规则也已经于同日对我国生效。因此，装运固体散装货物必须遵守SOLAS公约和《IMSBC规则》的相关规定，尤其是《IMSBC规则》第4、7、8节的相关规定。

为了提醒船长和其他负责散装货物装载和运输人员注意货物流态化的潜在危险，并采取相应的降低此种风险的措施，规则在7、8节专门规定了易流态化货物可能导致的危险、导致危险的条件、

②相关的案例参见雷海：精选矿粉的安全运输，载《航海技术》2006年第3期，第20-23页；王鸿鹏：干散货流动性对船舶的影响及运输对策，载《集美航海学院学报》，1996年第1期，第11-17页；赵亚冰、丁善读：船载易流态化固体散货特定危险因及其控制，载《青岛远洋船员学院学报》2006年第2期，第51-53页。

易流态化货物的积载和照管、易流态化货物水分含量和TML测定的程序和方法、以及船长在船上或岸边测定货物流态化可能性的经验方法。规则指出，当货物水分含量超过TML时，可能出现液态化造成的货物移动；有些货物因其易于出现水分渗移，即使平均含水量小于TML，也可能会出现危险的底部渗湿；尽管货物表面可能呈干燥状，导致货物移动的不易察觉的流态化也可能出现；当货物的水分含量较高时，其容易滑动，尤其是当货物很浅且船舶有较大的横倾时。

2.2 影响船舶运输易流态化货物安全的危险因素分析和控制

2.2.1 货物特性和含水量情况

货物的特性如颗粒的大小、形状、表面的光滑程度、密度和含水量情况会对船舶安全运输造成影响。通常含水量越大、颗粒越大、表面越光滑、精矿粉越易渗水，危险性越大，同时精矿粉的密度越大，越容易造成货物的沉积。

对于针对特定的货物，控制货物的含水量是保证船舶运输安全的关键。在运输精选矿的过程中，尽管可以参考原交通部“一般可按含水率不超过8%的标准执行”的标准，但科学的标准应当是货物适运水分极限TML。为此，一方面，承运船舶应当要求货方提供详细的货物资料，包括货物运输名称、适运水分极限（TML）证书和货物含水量证书等，以确定货物是否适运；另一方面，即使货方提供的资料表明货物是适运的，因货物在堆场堆存过程中、在驳载或者装卸过程中，受天气等因素的影响，其实际的含水量可能会发生变化，因此，承运船舶仍然应当通过相应的经验方法判断或者确认货物是否实际适运。

2.2.2 堆场情况和货物驳载、装卸情况

精矿粉在堆场一般为露天堆积存放，而露天存放易受雨淋而导致货物含水量更高，如堆场的排水设施较差（如无排水沟等），这种影响更为明显。另外，货物在驳载、装卸过程中，也可能受雨淋或者为防止粉尘飞扬而人为喷水的影响，使得货物的含水量增加。因此，堆场情况和货物驳载、装卸情况也是影响船舶运输安全的一个因素。

2.2.3 船舶适载情况

一方面，运输船舶的结构或设施会影响船舶的适载情况，例如，一般货船因是单一货舱而易形成自由液面，而专用散货船的货舱结构或者单一货舱的船舶在货舱内安装纵向隔舱壁等措施，可以有效减小自由液面的影响。另一方面，货舱内污水井能否有效排放货物析出的污水也是直接影响货物是否会出现自由液面的一个重要因素。此外，保证船壳、舱盖板的水密、压载水舱和淡水舱的水密等也是保证舱不会进水的重要条件。

2.2.4 天气情况

如前所述，装载在船舱中的易流态化货物，由于船舶震动、摇摆和颠簸，会使得货物中的水分析出，造成货物的流态化，同时，当船舶摇摆尤其是横摇达到一定幅度时，流态化后的货物表面泥水层和流态化货物的横向移动，会导致船舶产生横倾、船舶稳性降低。因此，恶劣天气造成的船舶大幅度摇摆尤其是横摇，往往是导致船舶横倾和稳性降低的诱因。

2.3 保证船舶运输易流态化货物安全的相关措施

2.3.1 一般性安全措施

1）装货前审查货物适运水分极限

在货物装船前，船长应当审查货物的含水量是否超过货物适运水分极限。除审查货方所提供的TML和货物实际含水量声明以外，船方应当根据经验方法加以核实，如船方对货物的含水量有怀疑，可以要求货方重新检测货物的实际含水量。常用的经验方法包括：

（1）用坚固圆筒或类似容器（0.5-1升，例如船上的小油漆桶）装半罐货物，从0.2米高处摔在甲板上，以1-2秒为间隔，重复25次，观测货样表面是否出现游离水分或呈流动状。如出现游离水

分或呈流动状态，则在装货前应进行附加的实验室试验。这一方法也是IMSBC规则测度报告流态化可能性的补充测试程序。

（2）手抓矿粉成团后即松开，若矿粉散开，则该矿粉含水量在5%-8%；若矿粉仍然抱团不散，则矿粉含水量超过8%。

（3）用手抓一把矿粉，从1.5米高度自由坠落到甲板或硬地上，若矿粉崩散则含水量小于8%，若货物仍为一团，则含水量超过10%。

（4）脚踩在矿粉上，出现松软现象，呈流沙流动，则含水量过高。

2）装货前保证船舶适载

在货物装船前，船方应当保证船舶货舱适载，尤其应当保证货舱水密和排水畅通。在装运精矿粉等积载因素较小的货物时，货舱内的污水井常常因被一层紧密的矿粉覆盖而堵塞，使得排水非常困难，因此，除了在装货前应当保证污水井和污水沟清洁畅通外，还可以在污水井上方设立临时围井，避免货物覆盖在污水井上方。在装货前应当检查货舱的水密情况，尤其是舱盖板的水密情况，一旦发现舱盖板得水密橡皮压条老化、破损等情况，应当及时修理换新。

3）雨雪天应当及时停装

在货物装船过程中，发现可能出现雨雪天气时，应当及时停装并关舱。此外，对尚未装上船的货物也应当采取相应的防雨雪措施。

4）开航前应当认真核算船舶的稳性

因矿粉等货物的积载因素较低，货物装船后船舶重心较低，其船舶初稳性高度一般是足够的。但是，船舶开航前仍然应当认真核算船舶的稳性，尤其是应当充分考虑各液舱的自由液面以及货舱内货物可能液态化造成的自由液面的影响，确保船舶有足够的稳性。为降低各液舱对自由液面的影响，应当适当调整油水舱，尽可能使液体舱装满或空舱。

5）做好船舶航行计划尽可能避开恶劣天气，适当地操纵船舶减小船舶横摇

开航前，船方应当结合航线所经过的海域特点、海区气象预报和本船的特点，认真做好船舶航行计划，尽可能避开可能对船舶航行安全造成影响的大风浪区，在航行中一旦预计到可能遭遇大风浪，应当及时调整船舶航线，避开大风浪区。在航行过程中，应当运用良好的船艺，适当操纵船舶降低船舶在波浪中的摇摆，尤其应当降低船舶的大幅度横摇。

6）船舶在航行中应当经常检查船舶、货物情况和船舶稳性情况，及时对船舶的危险性作出评估。

船舶开航后，应当每天至少两次（最好4-5次）检查船舶水密情况、货舱污水井情况等情况，尤其应当测量和记录污水井情况，并及时抽排污水井污水；每天应当检查货舱内货物表面情况，尤其是当船舶经过较长时间颠簸后，更应注意货物是否可能出现流态化。一旦出现货物流态化的迹象，应当及时报告公司，并采取相应的措施。此外，可以通过测定船舶横摇周期的变化来判别船舶稳性的变化情况，一旦发现船舶横摇周期变长，可以说明船舶稳性已经降低。

2.3.2 航行中的应急措施

1）适当操纵船舶，降低船舶的摇摆

船舶一旦遇到大风浪，必须果断地采取措施降低船舶横摇。具体而言，顶浪或偏顶浪（风浪角度15°左右）时，船舶的横摇幅度较小，在航行中可以通过适当调整船舶的航向，找到一个船舶横摇幅度最小的航向；适当地降低航速也可以起到缓解横摇的作用。当风浪较大时，可以采取滞航的措施，但是在采取滞航措施时一定要保证船舶有足够的舵效。

2）抽排污水井和货物表面的游离水

当污水井有污水时，应当及时排空。当货物水分超标可能出现游离水时，可以用空滑油桶，四周用气割吹成小洞后，将桶埋设在货舱内货物的表面，使货物表面的游离水流入桶中，在用潜水泵抽干。桶的数量可以根据货舱的大小和水分多少确定。

3）加注压载水

当由于货物流态化而使得船舶稳性降低时，如果船舶载重量有富余，可以采取往双层底注入压载水以降低船舶的重心、提高船舶稳性。但是，在采取这种措施时，应当经过严格计算。一方面在双层底注入压载水可以起到降低船舶重心、提高稳性的作用；另一方面，当双层底舱的压载水不满舱时以及在加注压载水的过程中，因压载水本身存在自由液面，导致船舶稳性的降低；此外，注入压载水后会使得船舶的储备浮力减小。因此，只有经过计算，注入压载水后，考虑船舶自由液面影响后的船舶的初稳性高度会增加且船舶不会超载的情况下，才可以采取注入压载水的措施。在选择双层底压载舱时，应当注意尽可能是宽度和长度较小的双层底压载水舱，最好是在船舶纵总剖面附近的双层底压载水舱。在过去许多沉船案例中，当货物出现流态化而出现船舶稳性降低时，往往会出现船舶横倾的情况，船长往往会决定向横倾的另一舷注入压载水，但由于船舶初稳性高度已经很小，注入一定量的压载水后，船舶会突然出现向另一侧的横倾，且横倾角度加大，船长又会往另一侧注入压载水以调整船舶横倾，结果由于压载水自由液面的影响使得船舶稳性进一步降低，从而导致船舶沉没。因此，采用加注压载水以调整船舶横倾和降低船舶重心的措施应当非常慎重，必须经过严格的计算，并且如果一旦采用注入压载水的措施，一定要将该压载舱注满。

4）调驳油水以减小船舶的横倾

根据前述对货物流态化后船舶容易沉没的机理分析可知，当货物出现流态化后，往往会出现横倾，为避免横倾进一步加大，必须采取措施减小船舶的横倾，否则会因货物的移动导致船舶横倾的进一步加剧。为此，可以通过调拨油水舱的燃油、淡水来减小船舶横倾。在调拨燃油、淡水时，必须考虑调拨油水造成的自由液面的影响，尽可能降低自由液面的影响。为此，可以选择舱室宽度长度小的舱室进行调拨。

5）及时电告公司和申请救助，操纵中应当避免使用大舵角。

当船舶发生横倾时，应当及时电告公司，查明原因，并采取相应的措施，防止横倾加剧，如附近有锚地或者港口，应当驶往附近的港口和锚地进行处理，恢复船舶的正浮；如附近有专业救助力量应当及时申请救助，以扶正船舶。当船舶出现横倾后，在操纵上除应当减轻船舶的横摇外，还应当特别注意避免大幅度转向或者使用大舵角，以免由于船舶用舵造成的横倾与船舶横摇的相位一致而造成船舶横倾进一步加剧。

3．结束语

运输易液态化货物存在一定的危险性，尤其是运输镍矿这一类货物，这种危险性更大。为此，船舶在装载之前必须掌握货物的适运水分极限TML和货物的实际含水量情况，一旦超出TML，应当拒装。在航行过程中，应当根据船舶本身的操纵特性和货物的特性正确采取操纵措施和预防货物移动的措施，以确保船舶的安全。

参考文献

[1]见雷海：精选矿粉的安全运输，载《航海技术》2006年第3期，第20-23页；

[2]王鸿鹏：干散货流动性对船舶的影响及运输对策，载《集美航海学院学报》，1996年第1期，第11-17页

[3]赵亚冰、丁善读：船载易流态化固体散货特定危险因及其控制，载《青岛远洋船员学院学报》2006年第2期，第51-53页。

A Study on Safe Carriage of Cargoes Which May Liquefy

Zhao Y uelin

(Dalian Maritime University)

Abstract:Based on analysis of the capsize mechanism of the ships carrying cargoes which may liquefy, this paper identifies the dangerous factors affecting the safe carriage of the cargoes which may liquefy. Finally, this paper proposes both the general safety measures before and during loading of cargoes which may liquefy and the emergency measures for ship handling during the voyage.

Key Words:Cargoes which may liquefy; Stability; Capsize; Transportable Moisture Limit; Safe Carriage.