造船！造船！造船！ 【飛羽社】中國造船如何攻克LNG船技術？

2022年9月26日,由俄羅斯經波羅的海向德法等歐洲國家輸送天然氣的北溪管道發生爆炸洩漏。 事件發生後,美俄兩國針鋒相對,均稱對方為幕後黑手。 但不管事實真相如何,這起爆炸案都結結實實地給俄歐能源貿易打上了一層枷鎖。 在戰前的2021年,俄羅斯對歐洲的天然氣出口量為1510億立方米, 佔到歐洲天然氣消費總量的約40%。 而到了北溪事件後的2023年,這一數據銳減到了280億立方米。 失去了俄羅斯天然氣的歐洲各國,只能選擇增加其他氣源的進口量, 美國天然氣則開始尤其暢銷。 不過很顯然,美歐間的天然氣輸送無法像俄歐那樣使用管道進行。 於是,這場水下陰謀在改變了世界能源供應格局的同時,還順便帶火了另一種工業產品, 它就是LNG液化天然氣運輸船。 在北溪事件的影響下,2022年LNG運輸船訂單較2021年爆炸性增長了一倍, 達到了173艘,與大量訂單形成鮮明對比的則是當年僅有27艘的交付量。 加上前些年積壓的訂單,代交付總數達到了300艘以上,生產計劃甚至排到了2027年, 一波潑天的富貴差點沒把中韓這唯二的LNG船生產國砸暈過去。 在如此巨大的利益面前,其他造船國卻沒有打算分一杯羹, 這倒不是他們不想,而是他們造不出來, 畢竟造船工業皇冠上的明珠這一名號可不是白來的。 而建造它的難度主要來自於其所運載的貨物,也就是LNG的物理特性。 液化天然氣的主要成分甲烷,常溫常壓下為無色無味氣體, 標準大壓下沸點為零下161.5攝氏度,特性毅然一爆。 這也就意味著LNG船若想保證運輸過程中的安全,就必須解決如下幾個問題。 一、貨艙隔熱,必須使貨艙在灌入LNG後溫度保持在零下161.5度以下, 以使天然氣處於液體狀態。 始操中為了留出冗餘則要求液化艙溫度低於零下163度。 二、貨艙耐低溫,建造貨艙所用的材料必須在超低溫下滿足必要的力學特性, 保證液化艙結構強度,其次要能對抗熱脹冷縮帶來的形變影響以防液化洩漏。 三、液化蒸發,即使液化艙溫度在零下163度以下, 船舶航行中LNG晃蕩撞擊艙壁產生的能量也會加速蒸發。 如果不能妥善處理這些蒸發器,則有可能導致液化艙超壓引發安全事故。 這三條要求雖然看上去難度逆天,但在不考慮成本效益的情況下倒也不是很難實現。 比如讓天然氣保持液體狀態這條, 就可以通過適當增加壓強來讓天然氣沸點升高, 從而達到降低保溫隔熱難度的目的。 而這就需要使用承壓能力最好的球形罐或次制的柱形罐。 同時,球形罐各項尺寸數值相等和接縫位於赤道的特點, 也把熱上冷縮形變帶來的影響控制到了最低。 至於LNG蒸發的問題,如果船東不心疼的話, 直接可控地放出來燒掉就是個不錯的解決方案。 實踐中,許多早期LNG船就是使用了類似的設計, 我們稱其為獨立式液化艙LNG船。 這種設計通常會在船體上縱向不止多個壓力達到0.75兆帕以上的液化天然氣罐。 由厚重的罐體自身承擔LNG蒸氣壓強, 再在罐體和船體間設置支撐和止咬裝置, 這樣就可以把隔熱要求降低到只需要維持罐內溫度在零下130度以下。 這種LNG船的建造相對較為簡單,因此早在1952年, 美國英格拉斯造船廠就使用原柱體承壓不鏽鋼罐搭配巴爾沙木隔熱層, 生產出了全球第一條LNG船,負責將密西西比州的天然氣運送到伊利諾伊州。 但相信各位觀眾都不難看出, 這種方案在球形罐和鏡四方形的船體間留下太多未被利用的無效空間。 如果我們能把這些空間利用起來,讓LNG船每次航行都能多運載一些業貨, 無疑就能大大提高其經濟效益。 而且球形罐難以造大的缺陷也很大程度上限制了LNG船的大小和使用場景。 在這些思路的製造下,薄膜型LNG船誕生了。 薄膜型LNG船與獨立貨倉型LNG船最大的區別是, 前者通過一個與船體貼合的成棱柱形的維護系統來起到裝載LNG和隔熱的作用, 同時為了擴大容積,這個維護系統還會被設計得盡可能薄, 因此其結構力學特性只能支撐自重和業貨中立, LNG蒸發產生的蒸汽壓力則要靠船體承載,且通常要求小於0.07兆帕。 那麼薄膜型LNG船的維護系統要如何才能解決棱柱型貨倉艙壁板因熱脹冷縮而導致的接縫開裂, 又要如何在內外溫差200度以上的情況下實現隔熱功能呢? 答案是使用銀瓦缸和絕緣箱。 所謂的銀瓦缸其實是一種鐵基骨鎳合金, 合金中鎳含量在32%到36%之間,骨含量則在4%到6%之間。 這種合金不僅導熱係數低,還擁有著接近於0的熱膨脹係數, 因此使用銀瓦缸建造的業貨屏蔽層能夠在LNG的超低溫下保持較小型變量, 不至於發生洩漏事故。 但僅有銀瓦缸屏蔽層是遠遠不夠的,為了實現隔熱功能, 還需要在銀瓦缸外覆蓋一層填充了珍珠鹽粉的絕緣箱做絕熱層。 這種材料的主要成分為二氧化硅和氧化鋁, 密度為100到180千克每立方米,隔熱係數為0.038瓦每米乘開濕度, 能以較輕的重量實現較好的隔熱性能。 同時為了確保萬無一失,維護系統還會採用雙屏蔽層雙絕熱層設計。 這種採用銀瓦缸加絕緣箱的維護系統設計方案最早由法國氣體運輸公司GT提出, 該公司將其命名為No.82, 其強大的隔熱能力可以將LNG日蒸發率控制在0.15%以內。 到了今天,這一原理的維護系統已經發展到了No.96max, 日蒸發率進一步下降到0.085%。 不過GT公司的No.系列也並非唯一的薄膜型LNG船液火艙維護系統設計方案。 實際上,另一家名為燃氣技術公司TGZ的法國企業 也提出過一種影響深遠的維護系統方案, 那就是MK系列,其中MK3型最具代表性。 與No.系列相比,MK系列的屏蔽層並未採用銀瓦缸, 而是使用了涅含量僅有8%的304號不鏽鋼。 很顯然,這種材質的熱膨脹係數就不像銀瓦缸那樣好看了, 也就更容易因為溫度變化而產生形變。 為了抵消這種形變,MK系列維護系統在用作屏蔽層的不鏽鋼板上加工出了大量雙向波紋。 這樣一來,當屏蔽層鋼板因加註LNG溫度變低而縮小時, 這些波紋就可以伸展開來使鋼板面積變大,以確保接縫的密閉性。 在絕熱層上,TGZ公司則選擇了使用填充聚氨酯的絕緣箱, 以規避GT公司No.系列的專利。 總的來說,No.系列和MK系列都是優秀的薄膜型LNG船設計方案, 兩者的性能和市場佔比不相上下。 也證實這兩種方案在80年代以來的相互競爭, 使得LNG船技術不斷取得進步,帶來了遠洋LNG船產業的大發展。 不僅船隊規模不斷擴張,單船最大運載量也在90年突破了13萬立方米, 極大的促進了國際天然氣貿易。 而駕駛這樣的遠洋船舶則需要長時間坐在工位上盯著海況和海圖, 最終免不了腰緊肩痛。 我們up主一天大部分時間也都坐在椅子上找素材寫文案剪視頻, 腰痠背痛的毛病讓人十分苦惱。 上網一查真讓人嚇一跳,全國深受腰椎問題困擾的人數已躍升至2億, 大到腰間盤突出,小至腰肌老損,90%的原因都是長時間的腹按工作。 在精心挑選下,我終於鎖定了一款最近熱銷的黑白料E3結構大師人體工學椅。 它有著業內率先推出的T型支撐系統,將椅子拆分成了三個功能區, 肩、頸、腰,逐一設計改良,環節因久坐三痛帶來的腰緊肩不適。 三區服役腰託黑科技滿滿,左右服役40度超級旋轉, 中央腰託前後上下自由調節,半環繞式精準承託腰部與脊柱, 給你更加貼合更加舒適的支撐。 無論是小身材還是大體型,總有一個角度適合你。 14度自適應跟隨功能隨心呵護你的腰部,坐姿百變都能撐腰。 專為護頸設計的四圍雙軸頸枕,不僅可以上下調節,更可以前後移動, 甚至頭枕和支架都能旋轉。 無論是前傾還是直坐,絲毫沒有其他品牌椅子在這種狀態下的頸部懸空感。 累了往後一躺,頸枕依然能為頸部提供強有力的支撐。 6D機械扶手兼顧工作和休息的需要, 上下調節能夠適應不同高度的升降桌面,提供有效的手臂支撐。 前後左右移動,左右旋轉,適應不同體型的人群,擴大你的舒適圈。 最核心的就是它居然能夠向上折疊40度,手往上一靠, 無論是休息還是刷滑視頻,都能卸下我一天的疲憊。 椅子的安全性不用擔心,整體通過國際權威BFIMA標準測試, 氣壓杆更是使用國際SGS認證四級氣壓杆,安全舒適兩不誤。 和我一樣有深受腰疼,肩疼,頸疼困擾的觀眾們,不妨抓緊入手。 與其出了問題,花費大量的時間和金錢去康復, 不如像我一樣,提前藉助科學的工具做好預防。 現在點擊評論區置頂鏈接瞭解一下吧。 當來到了90年代中期時,造船產業迅速發展的我國, 也注意到了LNG船龐大的市場潛力。 於是,以滬東中華造船廠為代表的國內船企, 在經過了認真的考察與研究後, 向中船總公司提交了13.5萬立方米LNG船開發與研製項目的立項建議書, 表達了建造出國產LNG船的決心。 但問題在於,當時的中國船廠幾乎沒有任何LNG船相關的項目經驗和技術儲備, 所以便在到底是選擇獨立式還是薄膜式液火艙上犯了難。 在這種背景下,滬東船廠開始了新一輪技術調研, 與掌握著獨立式球冠液火艙建造技術的日本川崎重工, 和掌握著全部薄膜型液火艙技術的由GT和TGZ在1994年合併而來的法國GTT公司進行了接觸。 然後他們就發現,儘管獨立式LNG船在總體技術上難度較低, 但項目最終能否順利完成卻很大程度上取決於鋼鐵廠能否成功交付出大型LNG球冠。 更甚至如果找不到合適的國內鋼鐵企業來完成關鍵的大型球冠製造, 那就得以大分包的方式從日本整體進口。 這也是川崎重工瘋狂向滬東兜售獨立式LNG船方案的重要原因。 而薄膜型LNG船雖然總體上技術難度更高, 但成敗與否的核心因素都掌握在船廠手中。 因此滬東最終選擇了後者提供的No.96方案, 並在2002年正式與GTT簽訂了技術授權協議, 獲得了技術規格書、參考圖紙、材料與設備廠商表等一系列資料。 2004年8月11日,滬東造船拿下了第一條LNG船訂單, 該船設計船長為292米, 形寬43.35米, 形深25.55米, 裝載量為14.7萬立方米。 不過真正上手開始建造薄膜型LNG船後, 滬東船廠發現事情並沒有一開始想像的那麼簡單。 要建造薄膜型LNG船必須掌握三大核心技術, 它們分別是液厚艙維護系統、超低溫泊運系統和雙燃料推進系統。 擺在船廠面前的第一個問題就是如何搞定這個維護系統。 其中又以著名的櫻瓦鋼焊接最為突出。 在建造Number系列方案的LNG船時, 為了節省昂貴的櫻瓦鋼材料以及降低結構重量, 船廠普遍都會使用0.5到0.7毫米厚的櫻瓦鋼薄膜, 而不是櫻瓦鋼板來製作屏蔽層。 這就使得焊接工藝參數控制成為了一個巨大的難點。 如果焊接電流過大就會把櫻瓦鋼薄膜焊穿, 導致火災事故, 而焊接電流過小又會使得焊縫強度不夠, 無法經受住長達數十年的使用。 更令人窒息的是, 櫻瓦鋼這種材料雖然抗熱膨脹卻極端不耐腐蝕, 甚至在其表面蹭上焊液都會導致薄膜在8小時內迅速生鏽, 這更是進一步加大了櫻瓦鋼焊接的難度。 另外屏蔽層轉角處櫻瓦鋼三面體的建造也是一大技術難點, 由於邊角處形狀不規則, 受力情況更複雜, 所以便更容易在航行中受到液火晃動衝擊而損壞。 這也使得J10部件對精度要求非常高, 必須將不到1毫米厚的櫻瓦鋼薄膜準確地焊接在指定位置, 否則就無法和成立結構緊密配合, 可用載荷也會下降。 這時候可能有觀眾想問了, 既然櫻瓦鋼處理起來如此複雜, 為什麼不選擇MKIII方案呢? 這個方案不是不需要使用櫻瓦鋼嗎? 沒有選擇MK方案是因為它屏蔽層使用的不鏽鋼板厚度同樣需要低至1.2毫米, 所以也存在著焊接工藝參數難控制的問題。 焊接難度雖然比No.系列略低, 但只能低一點點不能低多了, 且其鋼板獨特的雙向波紋設計還會使得加工工序更為複雜, 全流程難度實際上大致與No.96方案持平。 除了屏蔽層外, 建造維護系統中絕熱層的絕緣箱也不是一件簡單的事情, 這些絕緣箱雖然沒用到什麼特殊材料, 但卻對加工精度要求非常高。 通常來說,每個絕緣箱的長寬高尺寸誤差均需要控制在0.5毫米以內, 這樣才能在拼接後形成一個平整的表面, 為屏蔽層提供支撐。 而安裝這些櫻瓦鋼薄膜和絕緣箱還需要用到一種專用的安裝平臺系統, 說白了其實就是膠手架。 只不過這種膠手架由於需要安裝在已經鋪設好櫻瓦鋼和絕緣箱的液火艙底面上, 所以對重量、受力計算和安裝精度有著很高的要求, 這樣纔不會壓壞前期施工成果,造成重大反攻。 液火艙建好後,這些膠手架還得拆開來從蹦塔安裝口移出, 因此也需要將零部件設計得足夠小巧。 在解決了維護系統的建造後,第二件事便是要搞定超低溫博運系統。 這個系統的主要部分是蹦塔。 蹦塔是LNG船液火艙中的唯一裝置, 是將LNG注入抽出液火艙的關鍵樞紐。 它同樣由櫻瓦鋼製造且吊裝在液火艙的天花板上。 很不幸,這玩意兒的要求仍然是高製造精度, 如果蹦塔做得過長,就會在安裝過程中戳破底部櫻瓦鋼薄膜, 如果過短,又無法將LNG全部抽出。 在安裝時,船廠還得用吊機把高度超過30米的蹦塔整體吊至主甲板上空, 再緩慢放置狹小的安裝口,期間不能碰到已經完工的液火艙, 這同樣對吊機師傅的手藝提出了很高要求。 最後,所謂的雙燃料推進系統,則是一種盡可能利用LNG自然蒸發器的裝置。 對於滬東計劃建造的大鵬號號而言, 其14.7萬立方米的液火艙在98%裝載率和0.15%日蒸發率的狀態下, 每天至少要因蒸發損失90噸LNG,其燃燒釋放的能量相當於114噸柴油。 如果像早期LNG船一樣直接做釋放燃燒處理,無疑會形成巨大的浪費。 因此,現代LNG船普遍會採用雙燃料發動機,將LNG蒸發處的天然氣抽出, 利用管道輸入進蒸汽鍋爐或特製的柴油發動機中,用以驅動推進裝置。 但這種雙燃料推進系統無疑也會因為需要輸入兩種燃料而更加複雜, 並且天然氣比起煤炭和柴油而言危險性更大, 所以還得在動力艙中增設大量天然氣洩漏檢測、消防、預報措施。 以上提到的這些難點也許單獨拿出來不算什麼, 在一條焊縫、一個絕緣箱、一段崩塌和一組雙燃料發動機天然氣抽氣管繫上, 實現高精度焊接與製造並不難。 但對於大鵬號號這樣的大型LNG船而言, 如何對其維護系統總長130公里的焊縫和1100多種5.5萬多個絕緣箱做好品控就會變成一個大問題。 為了攻克這些技術難點,也為了給此後的LNG船項目鋪路, 滬東廠可以說是用盡了一切辦法。 比如在英瓦岡的焊接上,滬東廠為了在短時間內組建一支足夠規模的合格焊工團隊, 就先從日韓船廠中挖走一批現成的中國籍LNG船員工, 又派出了一批人員赴國外接受GTT的英瓦岡焊接培訓, 最後讓這兩批熟練技工作為師傅在廠內搞船幫帶, 通過三結合的辦法完成了目標。 值得一提的是,即使做了如此準備, 滬東廠內外仍有聲音認為中國無法自主完成英瓦岡三面體和崩塌建設, 建議我國直接從法國大西洋船廠進口成品。 對於這種聲音,滬東廠的決定是幹就完了。 結果滬東廠不僅實現了這些部件的製造, 甚至在重量控制等指標上做出了比同時期日本船廠更好的成績。 在絕緣箱的製造上,負責此工程的滬東廠下屬中船電站設備公司, 起初想從意大利進口一條完整生產線, 但經過考慮後發現這一方案不僅要消耗外匯,時間上也來不及, 所以便選擇了自己動手, 在GTT指導下建立起一條半國產化的絕緣箱生產線, 並順利通過了專利方認證。 在整個大鵬浩浩建造期間,共生產了1.2萬個絕緣箱, 完成預定目標的同時,幫助滬東廠節省了2000萬的經費。 為了避免在正式開工後遇到意外情況,造成工期延誤, 滬東廠還事先搭建了數個1比1尺寸的模擬野火艙, 供工人練習維護系統的安裝。 在法國技術資料的基礎上,根據滬東廠生產環境的實際情況, 確立了一套安裝平臺拆裝,英瓦剛薄膜焊接,絕緣箱安裝技術規範, 完成了80多項技術工藝的公關,申請了31項維護系統相關專利, 完成了對國外技術的引進、消化、吸收。 三大核心子系統建成後,滬東廠還在檢驗親密性等實驗工作之餘, 編寫了500多頁總計50萬字的實驗檢驗大綱。 最終功夫不負有心人,2005年12月28日,大鵬浩浩成功下水出霧, 於2008年3月17日成功交付,總建造週期只有3年多。 這對於首制薄膜型LNG船而言,是個非常不錯的成績。 在此後的一年中,滬東廠相繼交付了5艘第一代長青系列薄膜型LNG船, 並在建造水準上取得了質的突破。 在建造45號船時,其造船週期就已經相較於大鵬浩浩縮短了45%, 且單層英瓦剛屏蔽層親密性漏點從40個減少到了個位數。 截止到目前,滬東廠已經建造出了4代近50艘LNG船, 並且在十幾年的實踐中大大提升了LNG船的國產化率, 同時進行了大量技術創新。 例如在2017年,聯合寶武鋼鐵對英瓦剛的冶煉進行了國產化。 同年,於第四代長青系列LNG船上, 應用了國產WINGD-X72DF型雙燃料低速柴油發動機。 2018年,建成了全球首個No.96型維護系統絕緣箱全自動生產線。 2023年,完成了第五代27萬立方米LNG船的船機設, 此類種種不再贅述。 但關鍵的問題在於,無論這些子系統如何進步, 我國LNG船的建造, 長期以來都一直無法跳出GTT公司的Number系列和Mark系列構築的專利壁壘。 這倒不是我國缺乏創新能力, 而是在目前基礎科學發展水平的限制下, 薄膜型LNG液化艙設計方案的最優解只有這兩個。 實際上,韓國早在2014年就推出了一種名為KC-1的薄膜型液化艙方案, 該方案使用一種帶有錯位槽的304不鏽鋼板建造屏蔽層, 通過錯位槽的張力壓合鋼板縫隙, 消解熱脹冷縮帶來的縫隙開裂問題。 但這種方案卻由於安全性等因素始終沒有獲得大範圍市場認可。 在這種情況下,我國乾脆放棄了在薄膜型液化艙上跟GTT鑽牛角尖, 轉而開始研發一種新型的獨立式液化艙維護系統。 這種獨立式液化艙不再採用球冠, 而是使用了與薄膜型同樣的棱柱設計, 以實現遠超球冠的空間利用率, 但同時又具備承壓能力, 所以其艙壁的厚度比薄膜型更大, 運載效率較薄膜型略低, 技術特點介於球冠和薄膜之間。 採用這種設計最大的好處就是不用向GTT支付專利費。 其次是液化艙維護系統可以與船體分開建造, 而不是像薄膜型一樣, 必須等船體完工才能進入艙內安裝維護系統, 從而大大縮短了建造週期。 缺點則是剛剛提到的運載效率較薄膜型略低, 以及設計難度較大。 由於獨立式液化艙需要具備承壓能力, 所以對結構強度有著更高要求, 但棱柱型艙又不像球冠那樣各項受力相同, 便需要使用有線源軟件, 在設計階段就覈算好其承壓時的受力情況, 確保其安全性。 2023年10月, 這種棱柱型獨立式液化艙維護系統, 首次應用在了滬東廠生產的一型14000立方米運載量LNG船上, 開始進行運營與市場驗證。 如果後續發展順利, 那便能為世界帶來LNG船維護系統的中國解決方案。 縱觀近代史, 我們不難發現, 作為造船工業皇冠上的三顆明珠之一, LNG船的重要性始終在不斷地增加。 它既能作為拳頭技術產品出口創匯, 又能自建自用改善國家能源戰略安全態勢。 只是從獨立式球冠到薄膜型液化艙的進步和愈發大型化的趨勢, 也讓建造這種船舶變得更加困難。 自50年代LNG船誕生以來, 全球總計已有近80家船廠曾生產過LNG船。 但到了2018年, 仍然具有LNG船生產能力的船廠就只剩下了22家。 從現有手持訂單的情況來看, 未來這一數字還將繼續萎縮到10家船廠以內, 其中包括韓國4家, 中國5家, 俄羅斯1家。 韓國的這4家船廠又以絕對的龍頭態勢包攬了市場上70%的LNG船訂單。 而我國能建造LNG船的船廠中, 其餘船廠尚在起步階段, 需要在建造工藝、造船週期等多方面上奮起直追。 但我們也無需為暫時的劣勢而氣餒, 以發展的眼光來看, 我國的LNG船建造技術已經在30年中實現了從無到有和從有到今, 未來也一定會在當前承接的基礎上, 依靠從業者們的奮鬥進取之心和整體產業規模優勢, 在國際競爭中拼殺出更廣闊的天地。