零下163摄氏度储存的液化天然气，在海上如何运输？-知乎 - (EPUB全文下载)

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零下163摄氏度储存的液化天然气，在海上如何运输？ - 知乎
出品| 网易新闻
作者| 一闻，钢铁行业研究人员
　　LNG（液化天然气）运输船是漂在海上的钢铁巨无霸，每建造一艘都需要数万吨的各类钢材。不过，即使在钢铁业如此发达的今天，LNG主力船型的关键部位使用的钢材，全世界也只有两个国家能够生产，一个是法国，另一个则是中国。
　　这种钢名叫殷瓦钢，是一种可以在零下163摄氏度以下保持不变形的镍铁合金。它薄如纸片，却是制造LNG船的核心材料，离开它，LNG船整个船体会因为无法承受超低温而被冻裂。
（殷瓦钢）
（一）热胀冷缩？对于殷瓦钢来说不存在的
　　一般来说, 绝大多数物体都会受热胀冷缩原理影响，在受热时体积膨胀, 冷却时体积收缩，即使是坚硬的金属也不例外。以铝板和普通的钢板为例，环境温度每降低50摄氏度，1米长的铝板就会缩短2.5毫米，同等长度的普通钢板也会缩短1.8毫米。
　　但是，1896年，瑞士籍法国物理学家C.E.Guialm发现，成分为镍36%、铁63.8%、碳0.2%的镍铁合金却出现了反常热膨胀现象，在居里点（230℃）以下的温度范围内，这种合金材料的尺寸几乎不随温度变化而发生改变。他将这种合金命名为殷瓦钢（Invar）,英文意思是“不变的”，殷瓦钢表现出的这种反常热膨胀效应也被称为殷瓦效应。
　　试验结果表明，当镍含量在32-36%时，合金的平均膨胀系数为α=1.5×10^6℃, 当镍含量为36%时, 合金的热膨胀系数最低, 达到α=1.8×10^6℃，从而获得了接近零值的热膨胀系数。
（殷瓦效应）
　　殷瓦钢这一特性的起因，至今尚没有一个完整的理论可以作出全面的解释，但是殷瓦钢自发现以来，就因其蕴含的巨大工业应用潜力而引起人们的广泛关注。鉴于殷瓦钢对材料学的发展起到了至关重要的作用，C.E.Guilaume获得了1920年的诺贝尔物理学奖，成为冶金专业第一位获得诺贝尔奖的科学家，也是第一位因一项材料学成果而获此殊荣的科学家。
（殷瓦钢发明者、物理学家C.E.Guialm）
　　殷瓦钢是粗犷的钢铁行业中为数不多可以称作“娇贵”的产品：它薄如纸片，厚度只有0.7毫米；它价格昂贵，在产品按吨卖的钢铁界，殷瓦钢却要按公斤卖，而且一公斤要卖100多元；它弱不禁风，对湿度要求非常高，仅是被手一摸，一天之后就会锈穿。殷瓦钢一旦生锈，整张昂贵的钢板就要报废，所以在生产、搬运、使用过程中，接触的人都需要戴上特制的吸汗手套，在保存时必须贴膜。
（与殷瓦钢接触的所有人都必须戴上吸汗手套）
（二）液化天然气隔热防泄漏，殷瓦钢是最理想材料
　　LNG船是在-163℃低温下运输液化天然气的专用船舶，具有高技术、高难度、高附加值特点，号称世界民用船舶业“皇冠上的明珠”，目前全球仅有二十多家船厂能够生产。
　　LNG船主要有球罐型、薄膜型和自持式棱柱型三种。薄膜型因主屏壁薄、隔热性好、强度高、用材少、能耗低等优势，成为性能最好的LNG船，约占LNG船总量的70%，是LNG船的主力船型。
（从左至右：薄膜型、球罐型、自持式棱柱型LNG船）
　　LNG船建造之难，在于其运输物品的特殊性。液化天然气属于危险品，体积被压缩到气态的六百分之一，即使一个针眼大小的漏点都会导致泄露，而一旦泄露，LNG将急剧气化，遇到火源就会引发闪火或蒸气云爆炸等事故。
　　LNG核心部位液货舱内壁是由一片片殷瓦钢片焊接组合起来的，最薄处仅有0.7mm，光焊缝长度就有百公里左右，而LNG船有四个装载天然气的液化舱，每一寸焊缝都不能有一丁点泄漏处。
　　一艘10万立方米的LNG 船满载时储存的液化天然气总能量相当于40多颗广岛原子弹，如果爆炸，后果不堪设想。所以LNG船建造的关键在于货仓围护系统，这个系统就像一个大冰箱的内胆一样，可以适应从常温到超低温的温度剧变，防止LNG泄露，而且可以在运输过程中维持这样的低温。
　　以NO96型为主的大型薄膜型LNG船，货舱围护系统采用的都是法国GTT公司的专利技术。该系统包括主、次两层薄膜屏蔽层和绝热箱：主次屏蔽层作为保护膜，用以防止LNG蒸发泄露；主次屏蔽层之间以及次屏蔽层和内层船体之间是充填有膨胀珍珠岩的绝热箱，用以隔热保温，既能使LNG保持低温液态，也能防止冻伤船体。
（NO96薄膜型LNG船货仓围护系统）
　　由于殷瓦钢具有热膨胀系数极低的特性，面对巨大的温差变化时，几乎不发生变形，因而在温度极低的环境下，仍然能保持良好的强度，并且比中碳钢具有更强的耐腐蚀性。
　　LNG船的工作环境和殷瓦钢的综合性能决定了它是最适合作为主、次屏蔽层的金属材料。
（薄膜型LNG运输船货仓内壁）
　　不过，殷瓦钢的缺点也很明显，就是对使用环境有苛刻的要求，必须保持洁净、干燥，湿度必须保持在60%以下，否则极易损坏。而且由于殷瓦钢只有0.7毫米厚，所以焊接难度极高，被称为世界上难度最高的焊接技术。
（三）打破技术壁垒有多难？50多年全球只有一家货源
　　从1965年第一艘使用殷瓦钢制造的大型LNG船Jules Verne号出厂开始，50多年来全球只有一家法国厂商可以提供合格的LNG船用殷瓦钢，不可谓不惊人。
　　其实，各国钢铁企业打破殷瓦钢的技术壁垒愿望异常强烈，对钢材卖到白菜价的钢铁企业来说，即使单看殷瓦钢的高附加值，便十分诱人。
　　殷瓦钢的每吨价格是普通船板的20倍左右，以中国建造的14.7 万立方米LNG 船为例，每艘船殷瓦钢的用量为450吨左右，总价超过5000万元。
　　但是，殷瓦钢材料特性复杂，生产难度极大。
　　殷瓦钢属于含镍36%的精密合金，需要有很高的表面质量和良好的力学性能，对钢水纯净度、成分偏析、表面质量等要求非常严格，对钢铁厂的设备能力和工艺精准性都提出了挑战。
　　殷瓦钢生产要经过电弧炉冶炼/真空感应熔炼、LF精炼/真空氧气脱碳、真空电弧重熔/电渣重熔、连铸、热轧、冷轧等复杂的工序流程，在各个工序，除了要采取各种手段保证成分和性能合格以外，还要克服殷瓦钢表面硬度低、易造成轧制缺陷的困难，确保表面质量 ............

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