Фото: Погрузка бокситов в порту Куантан

Бокситы – основное сырье мирового производства алюминия, третьего по распространенности элемента в земной коре. Свое название боксит получил от селения Ле-Бо (Les Baux) на юге Франции, где в 1821 году французским геологом Бертье было впервые обнаружено, что минерал богат алюминием.

Владимир Мотрич, капитан, доцент кафедры судовождения МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Бокситы не имеют строго определенного химического состава, поскольку представляют собой смесь гидроксидов алюминия, глинистых минералов и нерастворимых материалов, таких как кварц. Коммерчески выгодные сорта бокситов содержат до 50% гидроксида алюминия, до 35% кремнезема, обычно в виде кварца, и малые примеси каолинита.

Рис. Лабораторные образцы рядового боксита

Боксит, как правило, представляет собой мягкий материал от белого до серого или красновато-коричневого цвета с землистым блеском. Крупные залежи бокситов располагаются в основном в тропических и субтропических районах Африки, Южной Америке и Австралии. Менее значительные встречаются в Европе. В России бокситы добываются большей частью в Свердловской области.

Гвинея и Австралия обладают самыми крупными запасами бокситов в мире, затем Бразилия, Вьетнам и Ямайка. Следующие по величине запасов – Индонезия, Китай и Гайана (около 1000 млн тонн), за ними – Индия, Суринам и Гана (около 500 млн тонн).

Рис. Основные маршруты морской перевозки бокситов: 1 – Малайзия - Китай; 2 – Австралия - Китай; 3 – Бразилия - Китай; 4 – Гвинея – Китай

В общей сложности ежегодно морским транспортом перевозится около 100 млн тонн бокситов. Бразилия и Гвинея доминируют в морских поставках, отправляя на экспорт более 30 млн тонн бокситов в год каждая. Австралия – более 20 млн тонн, а Малайзия – около 10 млн тонн в год. Небольшие объемы поставляются на мировой рынок из Сьерра-Леоне, Гайаны, Ганы и других стран-экспортеров.

Индонезия поставляла до 50 млн тонн в год до того, как правительство ввело запрет на их экспорт в 2014 году. С тех пор, например, Малайзия, Гвинея и Китай увеличили производство, чтобы удовлетворить потребности китайских предприятий по переработке бокситов.

Большая часть морских перевозок осуществляется на судах типа Panamax (дедвейт около 80 тыс. тонн), при этом примерно по 10% в настоящее время перевозится на судах Capesize (дедвейт более 170 тыс. тонн) и Handymax (дедвейт около 50 тыс. тонн).

Что касается предварительной обработки добытой руды перед погрузкой на судно, то бокситы, доставляемые морем, можно отнести к одной из трех категорий:

1) руда, доставляемая напрямую (Direct Shipped Ore): минимальное просеивание и дробление для удаления крупногабаритных материалов и органических загрязнений (корни деревьев и т.д.); 2) обогащенная руда: руда измельчается, просеивается и промывается для удаления мелких частиц; 3) высушенная для удобства транспортировки руда.

Международный кодекс морской перевозки навалочных грузов (МКМПНГ) относит бокситы к группе С (грузы, которые не способны разжижаться и не имеют опасных химических свойств). В Кодексе есть предупреждение, что эти сведения не являются исчерпывающими и приведены лишь для справки. Перед погрузкой важно получить от грузоотправителя актуальную информацию обо всех физических и химических свойствах грузов, предъявленных к отправке.

Катастрофа балкера Bulk Jupiter

В течение ряда десятилетий перевозка бокситов считалась безопасной, пока не произошла катастрофа балкера Bulk Jupiter.

Итак, теплоход Bulk Jupiter валовой вместимостью 31256 был построен в 2006 году на судоверфи Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. в Японии и относился к классу Handymax; его размерения (длина – 189,99 м, ширина – 32,26 м, осадка – 12,55 м) позволяли беспрепятственно проходить Суэцким и Панамским каналами. Корпус имел усиленный набор для перевозки руды и других тяжелых грузов, при этом допускалась чередующаяся загрузка с порожними трюмами №2 и 4. Дизельный двигатель мощностью 9480 кВт сообщал судну скорость 14,5 узла. В августе 2011 года судно прошло полное освидетельствование на класс Nippon Kaiji Kyokai (NKK) и сменило флаг с панамского на Багамских островов, где находился офис судовладельца Gearbulk Shipowning Ltd., Bermuda.

Рис. Маршрут теплохода Bulk Jupiter

В мае 2014 года в Шанхае Bulk Jupiter прошел докование, во время которого был произведен ремонт повреждений днища, полученных при посадке на мель в сентябре 2013 года. Последующий осмотр всех грузовых помещений и балластных танков дефектов корпуса не выявил, и техническое состояние судна было признано годным для дальнейшей эксплуатации, включая перевозку навалочных грузов, что подтверждалось выдачей всех необходимых сертификатов.

В целом судно успешно прошло ежегодную проверку администрацией государства флага. В соответствии с системой управления безопасностью суперинтендант компании также проинспектировал состояние корпуса и механизмов. На судне действовала компьютерная программа планового технического обслуживания AMOS, и все записи об уходе за корпусными конструкциями, водонепроницаемыми закрытиями, палубными механизмами и спасательными средствами были в порядке.

Совершив морской переход протяженностью 603 мили из порта Маптахут (Таиланд), куда доставил груз 53 565 тонн угля, Bulk Jupiter 12 декабря 2014 года прибыл на внешний рейд порта Куантан (Малайзия), где состоялась передача судна в тайм-чартер компании Winning Shipping Ltd., базировавшейся в Сингапуре. Здесь было получено распоряжение фрахтователя принять груз 46 400 тонн бокситов назначением на Китай вместе с информацией о грузе и инструкциями по режиму транспортировки.

Но судно простояло на якоре до 16 декабря в ожидании причала. Погрузка началась лишь в 22:00 местного времени (UTC+8) следующих суток судовыми средствами и продолжалась 13 дней с перерывами из-за тропических ливней и простоями, вызванными проблемами с электродвигателями грузовых кранов. Всего потери стояночного времени в период с 17 по 30 декабря составили 202,81 часа (8,45 дня). Метеостанция Марди Сунгаи Багинг, находившаяся в 6 км от порта, зарегистрировала 1806,4 мм выпавших осадков, что намного превысило прежний рекорд 1915 года.

Погрузка боксита осуществлялась на причале общего назначения с использованием судовых кранов. Груз доставлялся в обычных самосвалах непосредственно с карьера. Крытых хранилищ, обеспечивающих защиту от дождя или поверхностного стока воды, в порту не было. В процессе погрузки производилась штивка бульдозерами с целью равномерного распределения груза по площади всех пяти грузовых трюмов.

В соответствии с Правилом 2 «Информация о грузе» главы VI «Перевозка грузов» Международной конвенции СОЛАС грузоотправитель должен обеспечить капитана судна или его представителя соответствующей информацией о грузе достаточно заблаговременно до погрузки, с тем чтобы дать возможность принять меры предосторожности, которые могут быть необходимы для надлежащего размещения и безопасной перевозки груза.

Далее, раздел 4 МКМПНГ конкретизирует, что в случае навалочного груза информация должна содержать: удельный погрузочный объем; группу груза (А, В или С); вероятность смещения, включая угол естественного откоса; необходимость штивки, класс опасности, токсичные или воспламеняющиеся газы, которые может выделять груз; воспламеняемость, токсичность, коррозионную активность и склонность груза к поглощению кислорода; свойства самонагревания груза; свойства по выделению воспламеняющихся газов при контакте с водой, радиоактивные свойства, если применимо, и любые другие сведения, требуемые национальными властями.

Капитану Bulk Jupiter была представлена декларация о свойствах груза, подписанная компанией OXY PTE LTD. от имени грузоотправителя 11 декабря в Куантане, за 6 дней до начала погрузки судна. В ней дословно повторялась информация, приведенная в индивидуальной карточке боксита МКМПНГ, и указано содержание влаги 10%, что представлялось маловероятным для груза, хранившегося под открытым небом в разгар сезона тропических ливней.

Рис. Груз боксита на причале после дождя

Ровно такого же содержания были выданы декларации на панамские суда Medi Okinawa и Orchid Island, на которые также велась погрузка бокситов на том же причале.

Уже после получения сообщения о гибели Bulk Jupiter эти данные были перепроверены независимой сюрвейерской компанией SGS Malaysia. На первом судне содержание влаги в грузе составило 15,01%, на втором – 21,3%. На Orchid Island наблюдались признаки нестабильности боксита. По сообщению капитана, из льял трюмов было откачено около 72 м³ воды.

Но вернемся к теплоходу Bulk Jupiter, на котором грузовые операции завершились 30 декабря 2014 года в 21:24. Вскоре судно под проводкой лоцмана отошло от причала, имея осадку 11,2 метра на ровный киль. Лоцман не заметил ничего необычного в поведении судна. Расчеты, выполненные с помощью одобренной компьютерной программы LOAD-ACE, показывали, что остойчивость и прочность судна удовлетворяли всем критериям безопасности.

Погода стояла хорошая. Шел прилив. Высота полной воды в порту Куантан составляла 2,3 метра. Bulk Jupiter покачивался на океанской зыби с амплитудой 2-3°. После того как судно прошло последний буй, ограждающий фарватер, лоцман благополучно покинул борт и наблюдал, как балкер дал полный ход и лег на курс 70° в соответствии с планом перехода. Капитан сообщил об ожидаемом времени прихода в порт назначения Циндао 8 января 2015 года в 10:00 утра. Дальность перехода составляла 2460 миль. По пути фрахтователь планировал организовать бункеровку в порту Гонконг.

Судно было укомплектовано филиппинским экипажем из 19 человек – 9 палубной команды, 6 машинной, 2 на пищеблоке, что даже превышало численность по Свидетельству о минимальном безопасном составе. Все члены экипажа были дипломированы в соответствии с Международной конвенцией ПДНВ-78 с поправками. Возглавлял экипаж 45-летний капитан, обладавший капитанским дипломом без ограничений, выданным Морской администрацией Республики Филиппины 18 ноября 2008 года. Он отработал на Bulk Jupiter четыре контракта и имел достаточный опыт перевозки бокситов навалом в трех рейсах общей продолжительностью 300 суток.

Новый, 2015 год экипаж встретил в тесном кругу в столовой команды. По словам повара, алкогольных напитков на вечеринке не было, если не считать бутылку традиционного шампанского. 1 января в 01:30 все члены экипажа разошлись на отдых по своим каютам, а судовой повар в 6 часов утра был уже на камбузе и готовил завтрак для команды,

К 23:00 31 декабря погода начала заметно портиться. Подул северо-восточный ветер силой 6-7 баллов, разогнав волну высотой 2,5-4 метра. Скорость судна начала падать на пол-узла за каждые 3 часа. К вечеру 1 января 2015 года она составляла 4,3 узла. Сообщений о том, что имелись какие-либо технические проблемы с главным двигателем, не поступало. Можно предположить, что капитан сбавил ход намеренно, чтобы избежать явления слеминга и уменьшить удары волн о корпус.

Погода в Южно-Китайском море определялась тропической депрессией Джангми, доминировавшей над морем Сулу и медленно смещающейся на юго-запад. Утром 2 января по известному отстоянию от ватерлинии до комингса трюма №3 определили высоту волны 4,7 м. О пятиметровой волне и северо-восточном ветре 30 узлов сообщал теплоход Toisa Dauntless, следовавший в том же районе. Гидрометеоцентр Fleet Weather, взявший Bulk Jupiter под проводку по заявке фрахтователя, прислал рекомендацию изменить курс на восток и следовать в Циндао под прикрытием тайваньского берега. В ответ капитан сообщил, что получил распоряжение следовать в Гонконг, расположенный в 1020 милях к юго-западу от Циндао, и запросил новые рекомендации, рассчитывая достичь бункерной станции 5 января к 09:00 утра. Но в Гонконг Bulk Jupiter не прибыл.

2 января 2015 года в 06:54 центр береговой охраны Японии принял сигнал тревоги. Неоднократные попытки связаться с аварийным судном по всем каналам связи закончились безрезультатно. Сигнал бедствия от Bulk Jupiter немедленно был ретранслирован всем судам, и была инициирована масштабная поисково-спасательная операция.

2 января в 07:00 VINAMARINE (Vietnam Maritime Administration) был принят сигнал от аварийного радиобуя и установлены координаты судна, терпящего бедствие, которые были переданы всем станциям по системе NAVTEX. Рассвет наступил в 07:12. Первым на место трагедии прибыл контейнеровоз ZIM Asia под либерийским флагом, который обнаружил пустую шлюпку и спасательный плот также без людей.

В 14:10 с контейнеровоза были обнаружены в воде два человека в гидрокостюмах. Их поднял на борт подошедший буксир OLNG Muttrah под флагом Омана. Это был судовой повар, в момент аварии работавший на камбузе, и капитан, чье состояние здоровья вызывало серьезные опасения. Спасенного после нахождения в течение 8 часов в штормовом море повара доставили в госпиталь в Вунг-Тау, а капитан, к сожалению, не выжил.

Вечером по проблесковому огню спасательного жилета было найдено тело моряка, которого поднять на борт не удалось из-за сильного волнения. Одно тело было поднято на борт сингапурского балкера Kota Nekad, в котором был опознан старший помощник капитана затонувшего судна.

Поисково-спасательная операция, в которой приняли участие 9 судов и 3 самолета, продолжалась еще три дня, но больше людей обнаружить не удалось. Bulk Jupiter затонул в 150 милях к юго-востоку от побережья Вьетнама в координатах 09° 01'01"N, 109° 15'26"E. Из 19 членов экипажа выжил лишь один, 16 числятся пропавшими без вести.

Уроки трагедии

Как следовало из актов инспекций госпортконтроля и отчетов суперинтендантов, учения по оставлению судна в соответствии с Правилом 19 Главы III Международной конвенции СОЛАС проводились каждый месяц. За время нахождения экипажа на борту было проведено шесть учебных шлюпочных тревог, во время которых осуществлялся сбор всех членов экипажа у мест посадки в шлюпки и надевание спасательных жилетов и гидрокостюмов.

Капитан отмечал, что в первых двух учениях экипаж действовал медленно, в последующем замечаний не было. В последний раз такую тревогу сыграли 6 декабря 2014 года. Учение со спуском шлюпок и маневрированием на воде с расписанным экипажем в соответствии с тем же правилом было проведено однажды в трехмесячный срок 29 ноября 2014 года во время стоянки на якоре на рейде порта Танджунг Бара, Индонезия. Учения показали, что обе спасательные шлюпки выполняли функции исправно, но, как быстро были спущены на воду, информации нет.

Важно помнить, что Правило 31 Главы III Международной конвенции СОЛАС требует обеспечить на грузовом судне возможность спуска на воду всех спасательных шлюпок и плотов с полным комплектом людей и снабжения в течение периода времени, не превышающего 10 минут с момента подачи сигнала об оставлении судна.

Известно, что успех действий экипажа в аварийной ситуации во многом зависит от умелого руководства. Как вспоминал повар, в 06:40 была объявлена общесудовая тревога и по судовой трансляции была подана команда собраться на мостике. Повар забежал в свою каюту, чтобы надеть гидрокостюм и взять документы, но по дороге на мостик встретил нескольких членов экипажа, которые передали распоряжение капитана готовить шлюпку №2. У трапа на шлюпочную палубу повар увидел капитана и пошел за ним, но в это время судно получило внезапный крен 45° на правый борт, а набежавшая волна смыла их в море. Держась вместе, они отплыли на безопасное расстояние, а когда оглянулись, судно уже скрылось под волнами. Судьба остальных членов экипажа осталась неизвестна.

Судя по промежутку времени между моментом объявления общесудовой тревоги в 06:40 и автоматическим срабатыванием аварийного радиобуя в 07:00, судно затонуло в течение 20 минут. Однако организованной эвакуации людей не было, драгоценное время было упущено за счет сбора экипажа на мостике, а не на шлюпочной палубе, как предписано расписанием. Учитывая время суток, большая часть экипажа крепко спала в своих каютах, не имела представления о грозящей опасности и плохо понимала, что надо делать. Все это значительно снизило их шансы на выживание.

Особого признания заслуживает экипаж контейнеровоза ZIM Asia, возглавившего поисково-спасательную операцию, хотя ее эффективность была невысока и высокобортное судно с большой парусностью мало подходило для таких работ. Дополнительные трудности создавали сложные метеоусловия и отсутствие опыта у экипажа.

Бокситы с особенностями

Гибель Bulk Jupiter вызвала оживленное обсуждение в ИМО на заседаниях подкомитета по грузам и контейнерам. После обращения к ведущим компаниям по добыче, производству и транспортировке бокситов была создана Глобальная рабочая группа по изучению поведения бокситов при морской транспортировке, научным координатором которой стал профессор Токийского национального горного института Сусуми Ота.

Натурные наблюдения за поведением австралийских, бразильских и гвинейских бокситов производились на судах класса Panamax, а бокситов происхождения из Малайзии – на судах класса Handymax, как наиболее характерных на данных направлениях.

Большинство рейсов проходило в относительно спокойных условиях при волнении моря до 2,0 метров, в некоторых рейсах наблюдались прохождения циклонов или тайфунов и волнение достигало 8,0 метров. Наиболее тяжелые погодные условия наблюдались в Восточно-Китайском море, хотя некоторые неблагоприятные условия были и у побережья Северной Австралии. В среднем период качки судов составлял около 10 секунд, или 0,1 Гц.

Плотность навалочного груза необходимо знать для оценки его свойств, так как от этого зависит передача усилий в его массе, а также сыпучесть и способность к усадке. Она обычно характеризуется коэффициентом пористости, который указывает на соотношение между объемами, занимаемыми твердыми частицами груза и порами между частицами. В условиях морской перевозки изменение плотности массы груза зависит от способа и высоты его загрузки в грузовых помещениях судна, а также от интенсивности действия таких внешних динамических сил, как вибрация и качка судна.

Рис. Груз боксита в трюме Orchid Island

Результаты наблюдений показали, что суда Handymax испытывают наибольшие колебания при сходных условиях состояния моря. Носовой отсек испытывает наибольшее ускорение, которое обычно около 1 g. Лазерное сканирование и фотограмметрия позволили точно оценить максимальное уплотнение 14,8%, минимальное 2,7%. Среднее уплотнение составило 8,75%.

МКМПНГ в Разделе 7 особо рассматривает опасность разжижения навалочных грузов с высоким содержанием влаги, которые относятся к грузам группы А. Поэтому специальными целями детального изучения поведения бокситов Глобальной рабочей группы были определены разработки научно обоснованных критериев для включения бокситов в группу С или группу А и глобально применимой методики испытания бокситов группы А по определению транспортабельного предела влажности (ТПВ).

Наличие влаги в навалочном грузе оказывает существенное влияние на взаимосвязь между частицами груза, а следовательно, и на его свойства. Общепринятой четкой классификации видов влаги, содержащейся в сыпучем материале, в настоящее время не имеется, однако укрупненно можно подразделить виды воды в навалочном грузе на:

– конституционная, или прочносвязанная влага, которая входит в состав вещества груза;

– водяной пар, или гигроскопическая влага – впитывается или отдается массой груза в зависимости от температуры и влажности окружающей среды;

– пленочная, или молекулярная влага – обволакивает частицы груза и удерживается силами молекулярного притяжения;

- гравитационная и капиллярная вода – свободная вода, заполняющая полностью или частично поры между частицами груза (поровая вода).

Рис. Груз боксита на причале после дождя

В зависимости от наличия в грузе того или иного вида влаги принято подразделять грузы на сухие, содержащие только конституционную влагу, воздушно-сухие, содержащие конституционную с гигроскопической влагой и влажные, содержащие поровую воду.

Влажность груза, как правило, определяют путем высушивания образца в сушильном шкафу при температуре 105-110° С до достижения постоянной массы пробы. Величина влажности находится как процентное отношение массы влаги, испарившейся после высушивания, к первоначальной массе образца:

, (1)

где W – искомая влажность, %;

А – масса образца до высушивания, г;

В – масса образца после высушивания, г.

Понять взаимодействие компонентов сложного конгломерата, который представляет собой навалочный груз, в значительной мере помогает один из разделов инженерной геологии «Механика грунтов», основы которой заложил Шарль Огюстен Кулон в 1773 году работой о давлении грунта на подпорные стенки. Эта дисциплина изучает условия нарушения устойчивости и прочности грунтов в основании различных сооружений, а также деформации грунтов под воздействием приложенных сил.

В механике грунтов влажность принято характеризовать величиной коэффициента влагонасыщенности, который определяется как отношение природной влажности грунта к его полной влагоемкости:

, (2)

где Iw – коэффициент влагонасыщенности;

W – природная влажность;

Wп – полная влагоемкость, т.е. влажность, соответствующая полному заполнению пор водой.

В зависимости от степени насыщения грунтов водой их разделяют на маловлажные (0 < Iw < 0,5), очень влажные (0,5 < Iw < 0,8) и насыщенные водой (0,8 < Iw < 1).

При этом механизм разжижение груза в условиях морской перевозки может быть представлен таким образом.

При погрузке судна частицы груза укладываются довольно рыхло и штабель представляет собой ненасыщенную массу, содержащую сухие вещества, воду и воздух.

Рис. А – когда частицы находятся в контакте друг с другом, за счет трения между ними поддерживается структура груза даже при наличии в порах воды и воздуха; Б – когда частицы не находятся в контакте друг с другом, вода свободно течет между ними, груз разжижается

Если судно неподвижно стоит в порту, ничего не происходит. Как только судно выйдет в море, оно начнет испытывать качку, удары волн, вибрацию от работы двигателя и знакопеременные деформации корпуса, которые передаются грузу. Эти силы приводят к уплотнению штабеля и увеличению его насыпной плотности. Происходит гравитационное перемещение воды сверху вниз. В тихую погоду процесс протекает медленно, а при наличии качки более интенсивно. Сокращение пространства между частицами приводит к повышению давления воды, что снижает трение между ними, приводя к уменьшению сопротивления груза сдвигу.

При динамическом воздействии умеренной интенсивности уплотнение груза происходит не так быстро, вода остается внизу и происходит разжижение нижнего слоя груза. Протекание процесса разжижения зависит от характера динамического воздействия. При ударном воздействии и полном насыщении груза водой обычно происходит разжижение всего груза. Действие вибрации вызывает послойное разжижение груза и распространение зоны разжижения от верхних слоев в глубинные.

Рис. Пример полного разжижения груза

Максимальное содержание влаги в грузе, которое считается безопасным для перевозки на судах, называется транспортабельным пределом влажности (ТПВ) груза, способного разжижаться. Эта величина определяется процедурами испытаний, одобренными компетентными органами.

Одобренные методы испытаний

В контексте МКМПНГ к одобренным методам относятся.

– Испытание на виброударном столе с постепенным увеличением влажности образца на 1-2% до наступления состояния разжижения. Этот тест был впервые применен в 1980-х и стал стандартным испытанием для определения точки текучести мелкодисперсных концентратов. Он применим для минералов с минимальным размером частиц 1 мм и может использоваться для частиц с максимальным размером до 7 мм. Суть теста – в передаче физической энергии образцу аналогично тому, что происходит в трюмах судна. Горизонтальная платформа совершает 25 падений в течение двух минут с высоты 12,5 мм. Состояние текучести определяется визуально по тому, как образец проявляет пластическую деформацию и не крошится. Тест очень прост, но результат в значительной степени зависит от квалификации персонала, проводящего тест.

Рис. Одобренные методы испытаний: А – на виброударном столе; Б – на пенетрацию; В – по методу Проктора – Фагерберга; Г – кривая уплотнения

– Испытание на пенетрацию впервые начали применять в 1990-х. Оно основано на принципе прямой зависимости между потерей прочности на сдвиг в результате циклической вибрации и разжижением. В ходе процедуры материал, помещенный в цилиндрический сосуд, подвергается вибрации. Влажность разжижения определяется по глубине проникания индикатора. Подтверждением того, что влагосодержание пробы превышает величину влажности разжижения, принято считать проникновение установленного на поверхности пробы стержня на глубину более 50 мм. Метод может использоваться для испытания материалов с крупностью частиц до 25 мм и меньше зависит от квалификации лаборанта.

– Испытание по методу Проктора – Фагерберга воспроизводит плотность насыпи в сухом виде, которая наблюдается в трюмах судна, за счет использования энергии уплотнения. При каждом испытании методом уплотнения к пробе высушенного испытываемого вещества добавляется надлежащее количество воды, после чего проба тщательно перемешивается в течение 5 минут. Примерно одна пятая ее часть помещается в форму, поверхность разравнивается, а затем добавленная часть пробы равномерно утрамбовывается по всей поверхности.

При трамбовании молот массой 350 г, находящийся в направляющей трубке, сбрасывается 25 раз с высоты 0,2 метра. При объеме емкости 1000 см³ рассчитывают: коэффициент пористости (объем пустот, деленный на объем твердого вещества), степень насыщения, процентное содержание по объему: S, общее содержание воды, процентное содержание по массе. Затем наносят данные на график. Критическому влагосодержанию соответствует точка пересечения кривой уплотнения с линией, соответствующей степени насыщения S = 70%. Кривые уплотнения должны быть построены с использованием стандартных методов расчета, и результаты в значительной степени зависят от точности определения удельного веса.

При использовании первых двух методов транспортабельный предел влажности рассчитывается как 90% от влажности разжижения, что дает небольшой запас безопасности, а при использовании метода Проктора – Фагерберга находится по графику как критическое содержание воды при степени насыщения 70%.

Рис. Заполнение порового пространства между сеткой зерен мелкодисперсной фракции малого диаметра или крупнозернистой фракции большего диаметра

Характерными представителями грузов группы А являются концентраты руд различных металлов, при обогащении которых используется метод флотации. Увлажненные концентраты способны разжижаться под действием динамических нагрузок, причем в момент разжижения груза его сопротивление сдвигу может стать равным нулю, и груз будет вести себя как жидкость. Если перевозится концентрат или другой груз, способный разжижаться, грузоотправитель должен снабдить капитана судна или его представителя подписанным свидетельством о ТПВ и подписанным свидетельством или декларацией о влагосодержании. В свидетельстве о ТПВ должен содержаться или прилагаться к нему результат испытаний по определению ТПВ. В декларации о влагосодержании должно содержаться или прилагаться к ней заявление грузоотправителя о том, что влагосодержание является, насколько ему известно и как он считает, средней величиной влагосодержания груза на момент вручения декларации капитану.

Глобальной рабочей группой были выполнены испытания бокситов из самых различных месторождений всеми известными методами. Их результаты не продемонстрировали ни малейшей их склонности к разжижению. В целом при перевозке бокситов морем в различных климатических зонах в штабеле груза обеспечивался хороший дренаж в льяльные колодцы и скопления влаги в нижних слоях не наблюдалось. В этом случае движение частиц ограничено сцеплением и давление воды в пространствах между частицами груза не повышается. Значит, причина нестабильности бокситов, создающей угрозу безопасности судна, крылась в другом.

Угроза безопасности судна

Ввиду того что бокситы разрабатываются открытым способом с применением экскаваторов, бульдозеров и даже промышленных взрывчатых веществ, предъявляемый к перевозке груз весьма разнообразен по гранулометрическому составу и содержит частицы диаметром от 100 мм (размер булыжника) до мелкого ила (6 микрон). Скальные породы перемежаются с рыхлыми, глинистого характера. При добыче взрывами порода частично превращается в мелкодисперсионную и пылеобразную массу, частично в кусковатую. Крупные глыбы разрушаются дополнительными взрывами.

Диапазон состава частиц, наблюдаемый в бокситах, отражается в круге поведения, которое может произойти при увеличении содержания мелких частиц с почти нулевого уровня до чистой матрицы, состоящей только из мелких частиц. По мере увеличения содержания мелких частиц поровое пространство между крупными частицами частично заполняется мелкодисперсионными, хотя небольшое их количество может образовывать перемычки между крупными частицами. Полученный материал называется материалом с недостаточным наполнением. Его поведение под нагрузкой будет зависеть от прочности и жесткости сетки из крупных частиц (крупнозернистой сетки), поскольку именно на них приходится большая часть нагрузки.

Дальнейшее увеличение содержания мелких частиц достигает критического состояния, когда они полностью заполняют поровое пространство крупнозернистой сетки (ткань с критическим заполнением). При загрузке нагрузка распределяется между крупнозернистой сеткой и матрицей из мелких частиц, заполняющих пустоты. Поведение материала под нагрузкой обусловлено совместным действием крупнозернистой сетки и мелкодисперсной матрицы.

Наличие в составе боксита существенной доли мелкодисперсионных частиц предопределяет изменчивость его транспортных свойств в зависимости от влажности.

Степень подвижности навалочных грузов в общем случае принято характеризовать величинами внутреннего трения и сопротивления сдвигу.

Нагрузки, испытываемые грузом, зависят от реакции судна на колебания моря, с которыми оно сталкивается, и должны определяться в течение рейса судна. На эти силы влияют ориентация судна по отношению к волнам, величина волны, размер судна и маршрут вдали от тропических штормов. Численное моделирование позволяет оценить напряжение, возникающее в грузе из-за движения судна (индуцированное напряжение). Эти результаты позволяют сравнить их с результатами геотехнических испытаний, поскольку индуцированное напряжение можно сравнить с сопротивлением груза нагрузкам. Наконец, масштабное физическое моделирование позволяет протестировать экстремальные условия, связанные с влажностью груза и движением судна. Эти тесты позволяют выявить различные виды нестабильности, а также определить, при каких условиях влажности груза и движения судна они возникают.

Глобальная рабочая группа использовала различные экспериментальные методы, включая циклические трехосевые испытания и физическое моделирование, чтобы исследовать всевозможные формы нестабильности бокситов из-за влажности.

Моделирование производилось для судов четырех классов по дедвейту (Handymax, Panamax и Capesize) на разных маршрутах. Результаты показали, что суда Handymax создают наибольшие вынужденные усилия в грузе, поскольку они имеют наибольшие перемещения. Кроме того, на направлении перевозки из Малайзии в Китай имел место высокий риск встречи с тропическими циклонами.

Процедура проведения циклических трехосевых испытаний заключалась в следующем. Гомогенизированные образцы укладывали в трехосную форму в пять слоев при известном содержании влаги до требуемой плотности в сухом состоянии, а затем заливали водой при атмосферных условиях до состояния насыщения. Форму герметизировали и создавали вакуум. Затем проводилось изотропное уплотнение при одинаковом давлении по всему периметру (σ₁ = σ₃), чтобы довести образец до удерживающего давления. После этого к образцу прикладывалось анизотропное вертикальное напряжение, возрастающее со временем (σ₁ > σ₃, или в данном случае σ_h > σ_v).

После выдерживания образца до полного осушения и выравнивания давления дренажные клапаны закрывали, и испытания продолжались без осушения (нулевое изменение объема), чтобы смоделировать прикладываемые циклические напряжения. При этом полностью насыщенный образец находился в искусственно недренированном состоянии, что можно считать наихудшим сценарием для подобных материалов.

Рис. Схема проведения циклического трехосевого теста

Разжижение должно было произойти, когда давление поровой воды в образце достигнет 95% от первоначального. При таких условиях избыточное давление поровой воды приводит к снижению сцепления частиц и, следовательно, прочности на сдвиг практически до нуля и разжижению. На самом же деле испытания не выявили способности бокситов к разжижению, однако в условиях отсутствия дренажа при самых неблагоприятных движениях судна наблюдалось явление, названное динамической сепарацией, которое заключалось в подъеме жидкого шлама над слоем плотного груза с низким содержанием влаги.

Для проверки поведения бокситов в экстремальных условиях, а также для выяснения того, существуют ли иные виды нестабильности, кроме разжижения, было проведено физическое моделирование с использованием установки Hexapod, в которой контейнер приводился в действие с шестью степенями свободы для имитации различных условий состояния моря. Типичные колебания качки были вызваны частотой 0,1 Гц при амплитуде 25°. Давление поровой воды контролировалось с помощью датчиков давления, установленных в основании и в середине штабеля. Испытания также не выявили способности разжижаться, но эффект динамической сепарации подтвердился.

Для того чтобы груз подвергся динамической сепарации, он должен содержать значительное количество мелких частиц, иметь высокое содержание влаги и испытывать значительные нагрузки, обусловленные движением судна. При наличии всех этих факторов груз в штабеле уплотняется, давление поровой воды растет, но не доходит до уровня разжижения, что приводит к вытеснению влаги на поверхность груза. Этому способствует и капиллярный подъем воды. Содержание влаги в основной массе груза становится ниже, и он становится более плотным. По мере подъема воды на поверхность штабель груза может оседать и выравниваться. Затем образуется свободная поверхность из шлама над всем слоем груза.

Рис. Эпюра напряжений, действующих на частицы груза

Главную опасность в случае динамической сепарации груза в трюме представляет отрицательное влияние свободной поверхности образующегося шлама на остойчивость судна.

Единственный выживший член экипажа Bulk Jupiter хорошо запомнил несимметричную качку и резкое нарастание крена на один борт до катастрофического. По свидетельству старшего помощника капитана теплохода Orchid Island, принявшего груз бокситов после Bulk Jupiter, жидкая фаза груза образовалась на 5-й день после выхода в море. По его описанию, поверхность груза стала плоской и перемещалась от борта к борту, напоминая желе. В каждом углу или на поверхности груза также образовались лужицы воды. Это вполне соответствует признакам динамической сепарации.

Рис. Динамическая сепарация боксита: на фотографии видны две свободные поверхности, каждая из которых занимает разный уровень, а склон водораздела выглядит более сухим и неповрежденным

Признаки динамической сепарации

Имеются факты, свидетельствующие, что при движении судна динамическая сепарация может происходить и с другими навалочными грузами с повышенной влажностью.

Анализ подобных происшествий позволяет выявить некоторую общность:

1. Умеренный ветер и волнение 4-5 баллов – вполне достаточные условия, чтобы вызвать нестабильность груза при достаточно высоком содержании влаги.

2. Первым признаком проблем с грузом является необычная, или атипичная, качка.

3. После относительно короткого периода умеренной качки появляется небольшой крен в 3-5 градусов (фаза 1).

4. Начальный небольшой крен постепенно увеличивается до 10-20 градусов и более.

5. Выжившие члены экипажа рассказывают о мгновенном исчезновении аварийного судна в воде, что соответствует второй фазе, вызванной подмыванием твердой массы груза и смещением ее на борт.

6. Время от возникновения начального крена составляет от 20 минут до нескольких часов.

7. Во многих случаях у капитана не было возможности предпринять действия для спасения судна и экипажа.

8. Способность раннего распознавания опасности во многих случаях была низкой. Информация об остойчивости судна и компьютерные программы не предоставляют капитану достаточно указаний для быстрой оценки ситуации в подобных случаях.

В судовой документации приводятся поправки к метацентрической высоте или вертикальному статическому моменту относительно основной плоскости на влияние свободных поверхностей для цистерн, в которых располагается водный балласт, топливо и другие жидкие запасы. Для уменьшения отрицательного влияния переливающихся жидкостей на остойчивость судна такие емкости, как правило, ограничивают в размерах.

В случае же перехода навалочного груза в жидкую фазу последствия для судна будут гораздо более драматичны. Грузовой отсек не только больше, чем другие емкости для жидких запасов, но объем и плотность жидкой суспензии в трюме намного больше, а период ее колебаний из-за вязкостных свойств может не совпадать по фазе с периодом качки судна.

Кодекс остойчивости в неповрежденном состоянии ИMO требует, чтобы каждое судно соответствовало минимальным критериям остойчивости и поддерживало их на протяжении всего рейса. При этом начальная метацентрическая высота должна быть не менее 0,15 метра. Однако метацентрическая высота типичного балкера класса Handymax дедвейтом 50 тыс. тонн с полным грузом бокситов во всех трюмах при выходе из порта погрузки составляет около 6 метров. Такая загрузка обусловливает резкую качку с периодом около 10 с.

Для лучшего понимания поведения судна, когда груз в трюмах подвергается динамической сепарации, были проведены натурные эксперименты с моделью судна Handymax в масштабе 1:180, которая загружалась фиксированными грузами для воспроизведения осадки и остойчивости, подобной состоянию с полным грузом в трюмах. Для имитации свободного перемещения шлама плотностью 1,5 т/м³ на полках в трюмах размещались стальные шары.

При последовательном образовании свободной поверхности в трех трюмах вследствие несовпадения по фазе перемещений шлама судно приобретает небольшой крен. На модели это положение, когда на одной полке шар находится на одном борту, а на двух других – на противоположном. Это тот момент, когда экипаж замечает что-то необычное в поведении судна.

Катастрофический крен возникает, когда перемещения шлама сравняются по фазе.

Отсюда можно сделать вывод, что выживание экипажа в этой ситуации зависит от:

а) своевременного распознавания признаков опасности, какими бы неприметными они ни были;

б) бдительности и постоянного наблюдения за грузом в трюмах;

в) твердого знания критериев остойчивости судна и их обеспечения;

г) готовности к оставлению судна, если в этом возникнет необходимость;

д) учета ограничений спасательных средств – в первую очередь по спуску спасательных шлюпок при крене;

е) своевременного оставления судна до возникновения катастрофического крена и опрокидывания судна.

Последствия динамической сепарации груза для безопасности судна и его экипажа представляют те же риски, что и при разжижении груза. Как разжижение груза, процесс динамической сепарации можно предотвратить, обеспечив ограниченное содержание мелких частиц и влаги в боксите, поскольку распределение частиц по размерам и содержание влаги являются основными параметрами, влияющими на возникновение этого явления.

Рис. Сравнение поведения реального судна и масштабной модели под влиянием свободной поверхности

За последнее десятилетие парк балкеров вырос с 10 000 судов в 2013 году до почти 12 200 к январю 2024 года и составляет более 40% мирового тоннажа. Появились десятки новых навалочных грузов, совершенствуется технология перевозки. Поэтому крайне важно, чтобы экипажи были осведомлены о любых опасных свойствах груза. Как живой документ МКМПНГ развивается и пересматривается каждые два года.

Исходя из результатов испытаний, Глобальной рабочей группой в интересах морской перевозки была предложена классификация бокситов на основе процентного содержания мелкодисперсионных частиц.

Предложение было рассмотрено на 101-й сессии Комитета по безопасности на море ИМО в июне 2019 года. Принятые поправки к МКМПНГ разделили бокситы на две группы:

1. Группа С, в которую вошли бокситы, содержащие:

– 30% или менее мелких частиц размером менее 1 мм (D₃₀ > 1 мм); или

– 40% или менее частиц размером менее 2,5 мм (D₄₀ > 2,5 мм); или

– и то и другое вместе.

Если грузоотправитель предоставит капитану свидетельство о том, что согласно результатам испытаний, одобренных компетентным органом порта погрузки, содержащаяся в грузе влага свободно стекает из груза, вследствие чего степень насыщения не может достичь 70%, то этот груз также относится к группе С.

За исключением обеспечения чистоты льяльных колодцев и работоспособности осушительной системы, особых мер предосторожности такой груз не требует.

2. Группа А – боксит мелкозернистый, содержащий:

– более 30% мелких частиц размером менее 1 мм (D₃₀ < 1 мм); и

– более 40% частиц размером менее 2,5 мм (D₄₀ < 2,5 мм).

Такой груз может утратить стабильность, если произойдет динамическая сепарация содержащейся в нем влаги с образованием жидкой взвеси (из воды и мелких твердых частиц) над твердым материалом, в результате чего может возникнуть эффект свободной поверхности, что может существенно повлиять на остойчивость судна. Данный груз не склонен к динамической сепарации при транспортировке с влагосодержанием ниже его транспортабельного предела влажности.

Опасность эффекта динамической сепарации была признана реальной на 105-й сессии КБМ, когда в апреле 2022 года Резолюцией MSC.500(105) заголовок раздела 7 был заменен на следующий: «Грузы, склонные к разжижению или подверженные динамической сепарации». Определение «группа А» заменено следующим текстом: «Группа А включает грузы, характеризующиеся опасностью вследствие присутствия влаги, которая может привести к разжижению или к динамической сепарации, если грузы перевозятся при содержании влаги, превышающем транспортабельный предел влажности».

Эти поправки вступили в силу 1 декабря 2023 года.

Наиболее подходящим тестом для определения транспортабельного предела влажности для всех выявленных механизмов нестабильности, включая разжижение и динамическую сепарацию, признается тест Проктора – Фагерберга, который основан на надежных геотехнических измерениях. Применительно к бокситам этот тест был модифицирован. Пресс-форма большего размера позволила проводить испытания бокситов, содержащих крупные частицы. Молот массой 350 г заменен на 150-граммовый D-образный молоток, обеспечивающий давление трамбовки, которое соответствует фактической насыпной плотности бокситов. В модифицированном тесте Проктора – Фагерберга транспортабельный предел влажности (ТПВ) определяется на уровне 80% от насыщенности, что оставляет запас безопасности 10-15%.

Раздел 7.3.1.1 Кодекса МКМПНГ гласит, что: «Грузы группы А принимаются к погрузке только в том случае, если фактическое содержание влаги в грузе меньше его ТПВ». Следовательно, капитан судна не должен принимать такой груз к погрузке без предварительного получения соответствующей документации, подтверждающей содержание влаги и ТПВ в грузе.

1. Во время погрузочных операций и в рейсе влагосодержание груза должно поддерживаться на уровне ниже ТПВ.

2. Обработка груза не должна производиться во время атмосферных осадков.

3. Во время обработки груза все нерабочие люки грузовых помещений должны быть закрыты.

Кроме того, следует регулярно, как минимум один раз в день в течение рейса, если имеется такая возможность, проводить осмотр поверхности груза. Если во время рейса на поверхности груза наблюдается свободная вода либо жидкая взвесь или груз приходит в состояние разжижения, капитан должен предпринять соответствующие действия для предотвращения смещения груза и опрокидывания судна и рассмотреть возможность аварийного захода в место убежища. Льяла грузовых трюмов должны проверяться через регулярные промежутки времени и по мере необходимости осушаться.

Нештатное поведение судна (подрагивания, рыскание) может также указывать на нестабильность груза, требующую соответствующих мер со стороны капитана.

Рис. Действия до и во время погрузки

К сожалению, имелись случаи, когда отправитель в информации о грузе указывал неверную величину ТПВ. Капитан судна может провести проверочные испытания для приблизительного определения возможности разжижения груза на борту судна или на причале с помощью следующего вспомогательного метода:

Металлическая банка цилиндрической формы или подобная ей емкость (объемом 0,5–1 л) наполовину заполняется пробой вещества. Затем эту банку берут в руку и резко ударяют с высоты около 0,2 м о твердую поверхность, такую, как поверхность массивного стола. Эту процедуру повторяют 25 раз с интервалами в одну или две секунды. После этого поверхность вещества проверяют на предмет появления свободной влаги или состояния разжижения. Если обнаружено появление свободной влаги или состояние разжижения, то следует принять меры к проведению дополнительных лабораторных испытаний вещества до того, как оно будет принято к погрузке.

Рис. Баночный тест

В отчете о расследовании гибели Bulk Jupiter приведен весьма показательный эпизод. Руководство компании, обеспокоенное продолжительными ливнями во время стоянки судна в порту, предложило капитану провести баночный тест для определения состояния груза. В ответ капитан спросил: «Что вы подразумеваете под тестом?». Это свидетельствует о том, что те, кому вверяется жизнь людей и судьба судна, не всегда хорошо знают требования нормативных документов.

Минимальные стандарты компетентности судоводителей уровня управления приведены в Таблице A-II/2 Кодекса ПДНВ. Для выполнения своих обязанностей по функции «Обработка и размещение грузов на уровне управления» от кандидата на получение диплома капитана или старшего помощника капитана требуется умение установить процедуры безопасной обработки грузов согласно положениям соответствующих документов, таких как МКМПОГ, МКМПНГ, Приложения III и V к МАРПОЛ 73/78 и т.п. В отношении перевозки навалочных грузов требуется также знание ограничений относительно прочности важнейших конструктивных элементов навалочного судна и умение толковать полученные значения изгибающих моментов и перерезывающих сил вместе с умением объяснить, как избежать вредного влияния, которое оказывают на навалочные суда коррозия, усталость и неправильная обработка груза. В качестве метода демонстрации компетентности может использоваться одобренный опыт работы на судне или одобренная подготовка на тренажере.

Для понимания потенциальных опасностей, связанных с погрузкой, транспортировкой и выгрузкой навалочных грузов, а также приобретения прочных знаний в области безопасности и защиты окружающей среды, оказания помощи в освоении стандартных операций и навыков в использовании МКМПНГ ИМО разработан и одобрен Модельный курс 1.45 «Безопасная обработка и транспортировка навалочных грузов».

Курс предназначен для экипажей морских судов, портовых властей, операторов терминалов, грузоотправителей, сотрудников судоходных компаний, персонала лабораторий, имеющих отношение к перевозке навалочных грузов. Слушатель, успешно окончивший данный курс, способен:

– идентифицировать риски, связанные с перевозкой навалочного груза;

– оценивать возможность приема к перевозке партии навалочного груза, в частности груза группы А;

– соблюдать безопасные методы погрузки и практику перевозки навалочных грузов;

– выполнять требования охраны судна и портового средства при погрузке, транспортировке и выгрузке навалочного груза;

– организовать и вести контроль грузовых операций согласно положениям МКМПНГ.

Необходимо наладить подготовку таких специалистов во всех морских учебных организациях и учебно-тренажерных центрах.

Морские порты №3-4 (2025)