插入度試驗(yàn)法測定螢石粉中適運(yùn)水份極限

張海峰鐘志光*禤健文譚智毅田瓊劉敏燕顏培簡

（1.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東廣州 510623；2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院；3.廣東海事局）

插入度試驗(yàn)法測定螢石粉中適運(yùn)水份極限

張海峰1鐘志光1*禤健文1譚智毅1田瓊1劉敏燕2顏培簡3

（1.廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局 廣東廣州 510623；2.交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院；3.廣東海事局）

采用插入度試驗(yàn)法對船載運(yùn)輸?shù)奈炇壑羞m運(yùn)水份極限的測定條件進(jìn)行了研究。該方法快速簡便，24小時可得到滿意的檢測結(jié)果,可應(yīng)用于船載運(yùn)輸螢石粉中適運(yùn)水份極限的日常檢驗(yàn)。

船載固體散貨；插入度試驗(yàn)法；易流態(tài)化；螢石；適運(yùn)水份極限

1 前言

國際海事組織于2008年12月在《固體散裝貨運(yùn)安全操作法規(guī)》（BC Code）中引入了“適運(yùn)水份極限”（Transportable Moisture Limit，TML）來限定散裝貨物可安全運(yùn)輸?shù)淖罡吆?，并將可能發(fā)生“液化”的散裝貨物歸入A類危險(xiǎn)品（液化危害性貨物）。螢石粉（又稱氟石粉）由細(xì)粉、小顆粒（最大粒徑為1 mm）組成，主要成分為氟化鈣（CaF2），主要用于生產(chǎn)氫氟酸、牙膏、塑料、玻璃制造等輕工行業(yè)。散裝螢石粉屬A+B類危險(xiǎn)品（同時具有化學(xué)危害性和液化危害性的貨物），《國際海上生命安全公約》（SOLAS公約）第六章中規(guī)定A類危險(xiǎn)品其實(shí)際含水量必須低于TML才可進(jìn)行裝載。從2005的5月到7月，僅僅3個月，就有3艘從中國裝運(yùn)走私螢石的船只在海上發(fā)生傾斜、傾覆事故［1］，肇事原因與貨艙內(nèi)的螢石貨物流態(tài)化有關(guān)。散裝螢石粉在振動力的作用下，緊密度增大而孔隙減少，在含水量不變的情況下，空隙中水壓上升，隨之發(fā)生剪切效應(yīng)下降。一旦外力振動幅度和次數(shù)超過一定限度，這些散裝貨物突然失去剪切強(qiáng)度，像流體一樣發(fā)生流動。這種現(xiàn)象被稱為“流態(tài)化”，是導(dǎo)致散裝貨物移位的重要原因。而貨物的移位，曾導(dǎo)致多起嚴(yán)重沉船事故。

水路運(yùn)輸易流態(tài)化固體散裝貨物適運(yùn)水份極限的測定通常有流盤試驗(yàn)法、插入度試驗(yàn)法、葡式試驗(yàn)法［2］，采用流盤試驗(yàn)法測定礦產(chǎn)品中適運(yùn)水份極限［3，4］已有報(bào)道，而采用插入度試驗(yàn)法測定螢石中適運(yùn)水份極限未見報(bào)道。本文以《國際海運(yùn)固體散裝貨物規(guī)則》（IMSBC）及相關(guān)資料［5-8］為試驗(yàn)基礎(chǔ)，尋找最佳試驗(yàn)條件，建立了快速、準(zhǔn)確的插入度試驗(yàn)法測定螢石粉中適運(yùn)水份極限，為我國出口螢石粉水路運(yùn)輸?shù)陌踩峁┝擞辛ΡＵ希趪H散裝貨物TML檢驗(yàn)分析的實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

2 材料與方法

2.1材料

2.1.1試驗(yàn)樣品

試樣采自廣東口岸出境螢石粉貨物。

2.1.2儀器及器具

MI-1000型插入度試驗(yàn)儀：搗棒一套，深國技儀器有限公司；電子天平（量程范圍0-20 kg，感量0.01 g）：德國Sartorius；5E-MIN6150智能通氮紅外干燥箱（溫度范圍0℃-210℃，精度要求105℃±5℃，可利用空氣/氮?dú)鈴?qiáng)制循環(huán)進(jìn)行通風(fēng)）：湖南長沙開元；量筒：容量為50 mL、200 mL；塑料刻度滴管：用于0-5 mL定量加水，分度值0.2 mL；攪拌容器：直徑約為30 cm的不銹鋼盆，能滿足8 kg試樣的攪拌，也可用相當(dāng)大小的自動攪拌器進(jìn)行攪拌操作，但應(yīng)注意確保機(jī)械攪拌器不會降低試驗(yàn)物質(zhì)的粒度和均勻性；樣品盤：由不銹鋼等耐腐蝕、耐高溫材料制作，尺寸要求為試樣鋪開后厚度小于30 mm，且應(yīng)考慮烘箱內(nèi)腔的面積；稱量盒：用于烘干試樣的扁平容器，由不銹鋼等耐腐蝕、耐高溫材料制作，圓形，直徑100-120 mm，高20-30 mm。

2.2方法

2.2.1原理

試樣的含水率通過與水混合來調(diào)整?；旌虾蟮脑嚇又糜趫A缸中以（19.6±2.0）m/s2加速度振動6.0 min。如果試樣表面上的標(biāo)尺插入深度大于50 mm，則表明試樣達(dá)到流動態(tài)，流動水份點(diǎn)為剛達(dá)到流動狀態(tài)前后兩個水份含量的平均值。

2.2.2試樣準(zhǔn)備

試驗(yàn)中試樣用量因散貨密度不同而有所差異。試樣經(jīng)晾干或烘干（涼后手摸不得有潮濕感），對于含有粘性土團(tuán)的試樣，先將土團(tuán)碾散，過5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。取小于5 mm的試樣24 kg（對于來樣已板結(jié)的，直接取試樣24 kg），充分混勻后，將試樣分成A、B、C 3份，分別用于預(yù)實(shí)驗(yàn)及兩次平行主實(shí)驗(yàn)。

2.2.3試驗(yàn)程序

2.2.3.1樣品預(yù)試驗(yàn)

取預(yù)試驗(yàn)試樣A放入攪拌容器中充分?jǐn)嚢?，一旦確認(rèn)試樣還未達(dá)到流動水分點(diǎn)時，則繼續(xù)放入攪拌盆中，加入試樣質(zhì)量0.4%-0.5%的水，再充分?jǐn)嚢?，以備填裝圓缸。如果需要的話，可直接繼續(xù)加水。裝填試樣前，可在圓缸內(nèi)涂抹凡士林，以便試驗(yàn)后取出試樣。將試樣分4層填裝圓缸，裝入每一層后使用夯具夯實(shí)。每一層均應(yīng)在整個試樣的表面上連續(xù)均勻夯實(shí)至邊緣共40次，直到產(chǎn)生均勻的平面。將插入棒穿過托架，置于試樣表面上（使用兩支同樣質(zhì)量的插入棒）。預(yù)試驗(yàn)的目的是盡可能找出流動水份點(diǎn)的大約數(shù)值。

2.2.3.2流動水份點(diǎn)的識別與確定

若插入深度小于50 mm，即未達(dá)到流動水分點(diǎn)，則重復(fù)本文2.2.3.1所述步驟；若插入深度等于50 mm，即剛達(dá)到流動水分點(diǎn)；若插入深度大于50 mm，即剛超過流動水分點(diǎn)，該次所測得未填裝圓缸兩份試樣的含水率分別記為w21、w22；同時，前一次插入深度未達(dá)到50 mm時，未裝填圓缸兩份試樣的含水率，分別記為w11、w12。分別計(jì)算w11、w12的平均值和w21、w22的平均值，分別記為w1和w2，根據(jù)IMSBC規(guī)則規(guī)定，兩者差值不得大于0.5%，兩者的平均值即為流動水分點(diǎn)FMPp。

2.2.3.3流動水份點(diǎn)的主試驗(yàn)程序

分別取試樣B和試樣C，一次加水至低于預(yù)試驗(yàn)中得到的流動水分點(diǎn)0.5%-1%的含水率，在此基礎(chǔ)上，加入試樣質(zhì)量0.2%-0.3%的水，重復(fù)本文2.2.3.1-2.2.3.2所述步驟，測得的流動水分點(diǎn)FMPBP、FMPCP，兩者的平均值即為該貨物的流動水分點(diǎn)FMP。

2.2.3.4結(jié)果計(jì)算

式中：w1-剛達(dá)到流動狀態(tài)前，試樣的平均含水率；w11、w12-分別為剛達(dá)到流動狀態(tài)前時，試樣的每次含水率；

w2-剛達(dá)到流動水分點(diǎn)時或剛超過流動水分點(diǎn)后，試樣的平均含水率；

w21、w22-分別為剛達(dá)到流動水分點(diǎn)時或剛超過流動水分點(diǎn)后，試樣的每次含水率；

FMPp-試樣的流動水分點(diǎn)；

FMPBP-試樣B的流動水分點(diǎn)；

FMPCP-試樣C的流動水分點(diǎn)；

FMP—該貨物的流動水分點(diǎn)。

適運(yùn)水份極限按照流動水份點(diǎn)的90%進(jìn)行計(jì)算：

TML=FMP×90%

3 結(jié)果與討論

3.1影響因素

（1）夯具壓力

夯實(shí)樣品的目的是將試樣壓實(shí)到類似在船舶艙底積載時的程度，隨著散貨密度的增加，夯具壓力也增加，壓力最終定為40 kPa，當(dāng)達(dá)到適運(yùn)水份極限值時，貨物產(chǎn)生明顯的易流態(tài)化現(xiàn)象。

（2）積載因數(shù)

隨著散貨積載因數(shù)的減少，搗棒壓力增加，當(dāng)達(dá)到適運(yùn)水份極限值時，貨物產(chǎn)生明顯的易流態(tài)化現(xiàn)象。

（3）貨物最大裝載深度

隨著貨物最大裝載深度的增加，搗棒壓力增加，當(dāng)達(dá)到適運(yùn)水份極限值時，貨物產(chǎn)生明顯的易流態(tài)化現(xiàn)象。

（4）重力加速度

隨著重力加速度的增加，搗棒壓力增加，當(dāng)達(dá)到適運(yùn)水份極限值時，貨物產(chǎn)生明顯的易流態(tài)化現(xiàn)象。

（5）貨物粒度

對A類水路運(yùn)輸貨物來說，隨著貨物粒度的逐漸減少，當(dāng)達(dá)到適運(yùn)水份極限值時，貨物產(chǎn)生明顯的易流態(tài)化現(xiàn)象。

（6）振動時間

同一樣品隨著受振動的時間增加，在較低的含水率時樣品即可發(fā)生易流態(tài)化現(xiàn)象，當(dāng)振動時間超過6 min后，發(fā)生易流態(tài)化的樣品的含水率趨向一致。為了確保及時準(zhǔn)確地觀測到樣品出現(xiàn)易流態(tài)化現(xiàn)象，根據(jù)IMSBC規(guī)則規(guī)定，并經(jīng)試驗(yàn)得知試驗(yàn)樣品以頻率50 Hz，加速度為（19.6±2.0）m/s2振動6 min時為最佳讀取插入深度時機(jī)。

3.2實(shí)驗(yàn)室間檢驗(yàn)結(jié)果比對情況

廣東檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心（簡稱A1）、廣東中檢公司湛江分公司（簡稱A2）、廈門檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心（簡稱A3）、寧波檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心（簡稱A4）4個實(shí)驗(yàn)室對相同螢石樣品進(jìn)行適運(yùn)水份極限測定，結(jié)果見表1。

表1　螢石粉適運(yùn)水份極限測定結(jié)果（%）

表1結(jié)果顯示，使用插入度試驗(yàn)法測定相同螢石樣品的適運(yùn)水份極限差異不大，根據(jù)IMSBC規(guī)則規(guī)定：插入度試驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差均應(yīng)小于0.3%。

4 結(jié)論

當(dāng)前，我國廣東沿海港口大量出口到美國、日本、歐洲的螢石粉均需要在裝船前出具適運(yùn)水份極限、積載因數(shù)、顆粒分布的檢測報(bào)告，國內(nèi)無相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)可以借鑒。用插入度試驗(yàn)法測定螢石粉中適運(yùn)水份極限在港口實(shí)際應(yīng)用中方便快捷，所出具的TML檢測報(bào)告可作為船方、海事部門、港口管理部門的可靠參考依據(jù)，為物流運(yùn)輸安全提供了技術(shù)保障。

［1］歐義芳.海運(yùn)易流態(tài)化貨物安全技術(shù)初探［J］.世界海運(yùn)，2012，2：15-18.

［2］IMSBC規(guī)則：2008《國際海運(yùn)固體散裝貨物規(guī)則》［S］.

［3］李晨，江麗，劉曙，等.氟石粉適運(yùn)水份限量的測定［J］.化學(xué)世界，2010，11：660-662，674.

［4］袁曉鷹，金偉，張?jiān)伌?，?煤炭適運(yùn)水份極限的測定［J］.煤質(zhì)技術(shù)，2013，2：1-3.

［5］王保紅.《IMSBC》規(guī)則應(yīng)對與規(guī)范執(zhí)行［J］.中國水運(yùn)，2011，5：34-35.

［6］楊英超.船舶安全運(yùn)輸鎳礦探討［J］.中國海事，2012，4：21-24.

［7］張向輝.RINA攻克鎳礦石運(yùn)輸安全難題［J］.中國船檢，2011，9：22.

［8］唐緒謙，李士國.船舶載運(yùn)易流態(tài)化貨物安全措施的探討［J］.中國海事，2015，1：33-34.

The Determination of the Transportable Moisture Limit in Fluorspar Powder with Penetration Testing Method

Zhang Haifeng1，Zhong Zhiguang1*，Xuan Jianwen1，Tan Zhiyi1，Tian Qiong1，Liu Minyan2，Yan Peijian3
（1.Guangdong Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau,Guangzhou,Guangdong,510623；2.China Waterborne Transport Research Institute；3.Guangdong Maritime Safety Administration）

The research for the determination of the transportable moisture limit in fluorspar has been developed with penetration testing method.The method is simple and rapidly with satisfactory results of real samples within 24 h.It will be of practical significance in analysis of the transportable moisture limit in fluorspar from international shipment solid bulk cargos with liquefaction.

Shipment Solid Bulk Cargos；Penetration Testing Method；Liquefaction；Fluorspar；Transportable Moisture Limit

T-651

E-mail：zhanghf@iqtc.cn；*通訊作者E-mail：zhongzg2008@sina.com

交通運(yùn)輸部制標(biāo)項(xiàng)目（2013-429-222-200）；廣東出入境檢驗(yàn)檢疫局科研基金項(xiàng)目（2014GDK52）

2015-05-05