Mysteriet om fragtskibene, der synker, når deres last pludselig bliver flydende

Tænk på en farlig last, og giftigt affald eller sprængstoffer kan komme til at tænke på. Men granulerede laster som knust malm og mineralsand er ansvarlige for tabet af adskillige skibe hvert år. Gennemsnitlig, ti "solid bulk carriers" er gået tabt på havet hvert år i det sidste årti.

Faste bulklaster – defineret som granulære materialer, der lastes direkte ind i et skibs lastrum – kan pludselig forvandle sig fra en fast tilstand til en flydende tilstand, en proces kendt som likvefaktion. Og dette kan være katastrofalt for ethvert skib, der transporterer dem – og deres besætning.

I 2015 de 56, 000 tons bulkskib Bulk Jupiter sank hurtigt omkring 300 km sydvest for Vietnam, med kun en af ​​dens 19 besætning, der overlevede. Dette medførte advarsler fra Den Internationale Søfartsorganisation om mulig fortætning af den relativt nye faste bulklast bauxit (en aluminiummalm).

Meget er kendt om fysikken bag fortætning af granulære materialer fra geoteknisk og jordskælvsteknik. Jordens kraftige rystelser får trykket i grundvandet til at stige til et sådant niveau, at jorden "flyder". Men på trods af vores forståelse af dette fænomen, og retningslinjerne på plads for at forhindre det, det får stadig skibe til at synke og tager deres besætning med sig.

Faste bulklaster

Faste bulklaster er typisk "tofasede" materialer, da de indeholder vand mellem de faste partikler. Når partiklerne kan røre ved, friktionen mellem dem gør, at materialet virker som et fast stof (selvom der er væske til stede). Men når vandtrykket stiger, disse interpartikelkræfter reduceres, og materialets styrke falder. Når friktionen er reduceret til nul, materialet virker som en væske (selvom de faste partikler stadig er til stede).

En fast bulklast, der tilsyneladende er stabil på kajkanten, kan blive flydende, fordi trykket i vandet mellem partiklerne opbygges, når det læsses på skibet. Dette er især sandsynligt, hvis som det er almindelig praksis, lasten lastes med et transportbånd fra kajkanten ind i lastrummet, som kan involvere et fald af betydelig højde. Skibets vibrationer og bevægelse fra motoren og havet under sejladsen kan også øge vandtrykket og føre til væskedannelse af lasten.

Når en fast bulklast bliver flydende, den kan flytte sig eller skvulpe inde i et skibs lastrum, gør fartøjet mindre stabilt. En flydende last kan flytte sig helt til den ene side af lastrummet. Hvis den genvinder sin styrke og vender tilbage til en fast tilstand, lasten forbliver i den forskudte position, hvilket får skibet til permanent at vippe eller "liste" i vandet. Lasten kan derefter blive flydende igen og flytte sig yderligere, forøgelse af listevinklen.

På et tidspunkt, listvinklen bliver så stor, at der kommer vand ind i skroget gennem lugedækslerne, eller fartøjet er ikke længere stabilt nok til at komme sig efter den rullende bevægelse forårsaget af bølgerne. Vand kan også bevæge sig inde fra lasten til dens overflade som følge af væskedannelse, og efterfølgende slibning af dette frie vand kan yderligere påvirke fartøjets stabilitet. Medmindre støjen kan stoppes, skibet er i fare for at synke.

Den Internationale Søfartsorganisation har koder, der styrer, hvor meget fugt der er tilladt i fast bulklast for at forhindre væskedannelse. Så hvorfor sker det stadig?

Det tekniske svar er, at den eksisterende vejledning om stuvning og forsendelse af faste bulklaster er for enkel. Likvefaktionspotentialet afhænger ikke kun af, hvor meget fugt der er i en bulklast, men også andre materialeegenskaber, såsom partikelstørrelsesfordelingen, forholdet mellem volumen af ​​faste partikler og vand og lastens relative massefylde samt lastemetoden og fartøjets bevægelser under rejsen.

Produktion og transport af nye materialer, såsom bauxit, og øget forarbejdning af traditionelle malme, før de transporteres, betyder, at der transporteres mere last, hvis materielle adfærd ikke er godt forstået. Dette øger risikoen for, at lasten bliver likvefaktion.

Kommercielle dagsordener spiller også en rolle. For eksempel, tryk for at laste fartøjer fører hurtigt til mere hård lastning, selvom det risikerer at øge vandtrykket i lasterne. Og pres for at levere den samme tonnage last, som blev lastet, kan afskrække besætningen på fartøjet til at dræne laster under rejsen.

Hvad er løsningen?

For at løse disse problemer, skibsfartsindustrien er nødt til bedre at forstå den materielle adfærd af faste bulklaster, der nu transporteres, og foreskrive passende test. Ny teknologi kan hjælpe. Sensorer i et skibs lastrum kunne overvåge vandtrykket i bulklasten. Eller overfladen af ​​lasten kunne overvåges, for eksempel ved hjælp af lasere, at identificere eventuelle ændringer i dens position.

Udfordringen er at udvikle en teknologi, der er billig nok, hurtig at installere og robust nok til at overleve lastning og losning af lasten. Hvis disse udfordringer kan overvindes, at kombinere data om lastens vandtryk og bevægelse med information om vejret og skibets bevægelser kunne producere en real-time advarsel om, hvorvidt lasten var ved at blive flydende.

Besætningen kunne så handle for at forhindre, at vandtrykket i lasten stiger for meget, for eksempel, ved at dræne vand fra lastrummene (for at reducere vandtrykket) eller ændre fartøjets kurs for at undgå særligt dårligt vejr (for at reducere skibets bevægelser). Eller hvis det ikke var muligt, de kunne evakuere fartøjet. På denne måde dette fænomen med likvefaktion af fast bulklast kunne overvindes, og færre skibe og besætning ville gå tabt på havet.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.