液化天然氣運輸船關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

王 雷，萬正權(quán)，汪雪良，黃進浩

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082)

0 引 言

液化天然氣(LNG)是清潔、高效、低碳的能源，是對天然氣進行脫水、脫酸性氣體和重烴類處理，然后經(jīng)過壓縮、膨脹、液化而成的低溫液體。作為天然氣的一種獨特的儲存和運輸形式，LNG 資源潛力巨大，在從傳統(tǒng)化石能源向新能源發(fā)展的過度階段扮演著重要角色。

LNG 運輸船是在－163 ℃低溫下運輸液化天然氣的專用船舶，具有高技術(shù)、高難度和高附加值的特點。對超低溫高危液體的安全性防護是LNG 運輸船的設(shè)計重點，而在建造方面同樣存在諸多技術(shù)難點，LNG 運輸船已經(jīng)成為衡量一個國家船舶工業(yè)研究設(shè)計和制造能力的重要標準。

1 LNG 運輸船簡介

1.1 LNG 運輸船特點

LNG 運輸船由船殼體、貨物圍護系統(tǒng)、動力推進系統(tǒng)、裝卸貨管路系統(tǒng)、蒸發(fā)氣回收利用系統(tǒng)等組成。和常規(guī)運輸船不同，LNG 運輸船所運貨物為－163 ℃的低溫液體。從第1 艘LNG 船“甲烷先鋒”號開始，LNG 船的安全性一直是行業(yè)關(guān)注的焦點，維持船體貨物圍護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性更是關(guān)鍵問題［3］。承載液體的貨艙建造材料除了具備抵抗彎曲載荷和晃蕩沖擊的高強度和高韌性，必須具有可靠的耐低溫性能和絕熱性能，以及良好的加工工藝成型性和焊接性能。LNG船的貨艙維護系統(tǒng)可以分為自撐式和薄膜式2 種。自撐式貨艙由自身支持，與船體互相獨立，不依靠船體支撐，有A，B 和C 等3 種不同類型。

IHI SPB 棱柱式貨艙由早期的Conch 型發(fā)展而來，主屏壁采用9%鎳鋼或鋁合金，次屏壁采用特殊膠合板。SPB 型貨艙的最大特點是艙內(nèi)設(shè)置了中縱艙壁，有效地抑制了液面晃蕩的作用。棱形貨艙結(jié)構(gòu)安裝于船殼內(nèi)，空間利用率好，維修簡單，易于航行;甲板平坦，駕駛臺視角廣。盡管具備這些特點，但是SPB 型貨艙沒有得到業(yè)界的認同，SPB系統(tǒng)僅應(yīng)用于1993 年IHI 的Aichi 船廠為Marathon公司建造的2 艘容積為89 880 m3的LNG 船。

MOSS Rosenberg Verft 球型貨艙是B 型貨艙，主屏壁材料已經(jīng)由9%鎳鋼轉(zhuǎn)為鋁合金，絕熱材料為聚氨酯泡沫、酚醛泡沫。這種壓力式的球型貨艙不需要次屏壁，球型艙由圓柱形筒裙支撐，筒裙可吸收球罐的水平收縮和船體的撓曲變形。球型貨艙的上部伸出主甲板，使甲板不連續(xù)，液貨管系布置和維修不方便，而且駕駛盲區(qū)較大。

C 型獨立貨艙由圓筒形筒體和半球形封頭組成，承壓性能好，無需次屏壁。材料采用耐低溫且具有較低熱膨脹系數(shù)的奧氏體鋼。根據(jù)載運量的不同，貨艙分為單圓筒、雙圓筒和三葉型3 種形式。C 型液貨罐屬于通用型技術(shù)，無專利限制，在經(jīng)濟型上具有優(yōu)勢，主要用于中小型LNG 運輸船。

薄膜式 LNG 運輸船分為 Gaz-Transport 和Technigaz 兩種類型，其專利都屬于法國燃氣海上運輸技術(shù)公司(GTT)。Gaz Transport (GT)型薄膜式貨艙，主屏壁與次屏壁均為0.7 mm 厚的殷瓦鋼，絕熱材料為充滿膨脹珍珠巖的壓板木箱，現(xiàn)已發(fā)展到GTT No.96 型貨物圍護系統(tǒng)專利。Technigaz(TGZ)型薄膜式貨艙采用1.2 mm 厚的薄膜波紋不銹鋼作為主屏壁，次屏壁是鋁箔纖維加強板，絕熱材料為聚氨酯，現(xiàn)行主要為Mark III 型圍護系統(tǒng)。這2 種GTT 薄膜型LNG 船的船體尺寸較小，屏壁的殷瓦鋼消耗量少;船舶甲板平坦，駕駛盲區(qū)小;艙容利用率高;受風(fēng)面積小，有較好的操縱性。

目前，LNG 運輸船的主導(dǎo)船型是GTT 薄膜型和MOSS 球型。GTT 型LNG 船的很多船型性能優(yōu)于MOSS 型，GTT 薄膜型貨艙LNG 運輸船建造成本更低，寬闊的甲板更利于管系布置，空氣阻力更小，操縱性更好。

圖1 三種典型LNG 運輸船貨艙形式［6］Fig.1 Three typical cargo structures of LNG carriers

1.2 FLNG

FLNG (LNG FPSO)為浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸系統(tǒng)，船體上裝有天然氣收集、加工、液化、存儲和卸載系統(tǒng)，并與系泊系統(tǒng)、LNG 運輸船共同構(gòu)成了海上大型浮式LNG 終端。FLNG 與LNG 運輸船通過串靠或旁靠進行系泊連接，將儲存在貨艙的LNG 經(jīng)由卸載系統(tǒng)轉(zhuǎn)運至LNG 運輸船中。

FLNG 具有較強的抗風(fēng)浪能力、液化和生產(chǎn)處理能力和大容量儲存能力，以及良好的移動性和靈活性，可重復(fù)開發(fā)氣田，利用率高，適于深水和邊際氣田的開發(fā)。由于不必建設(shè)天然氣壓縮平臺和長距離海底管線，F(xiàn)LNG 具有開發(fā)成本低、環(huán)境影響小、附屬工程量小、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點。

2013 年，LNG 運輸船新簽訂單量46 艘。2014年，LNG 運輸船訂單量為60 艘，達到近10 年最高水平。以160 000 m3的LNG 運輸船為例，新船價格已漲到2 億美元。目前全球年均建造能力40 ～60艘，建造LNG 運輸船的船廠集中分布在亞洲，以韓、日、中三國為主。截至2014 年底，各國船廠的手持LNG 運輸船訂單情況如圖2 所示。

圖2 2014 年底各國船廠的手持LNG 運輸船訂單量Fig.2 2014 hand-held orders of LNG carriers of shipyards

2 LNG 運輸船關(guān)鍵技術(shù)

由于所運貨物為－163 ℃的低溫液體，貨物圍護系統(tǒng)是LNG 運輸船的最關(guān)鍵核心技術(shù)。貨物圍護系統(tǒng)由雙層屏壁和絕熱層構(gòu)成，應(yīng)該具備LNG 運輸安全和高效保障的低溫可靠性和高溫絕熱性能［1］。LNG運輸船的貨艙建造材料除了具備高強度和高韌性外，由于要運送低溫LNG，還必須具有可靠的耐低溫深冷性能和低溫絕熱性能，以及良好的加工工藝性能。圍護系統(tǒng)內(nèi)液體運動會沖擊艙壁，LNG 船的晃蕩分析保障了船體不會因嚴重的晃蕩導(dǎo)致圍護系統(tǒng)的失效與破壞。另外，LNG 船的動力推進系統(tǒng)、蒸發(fā)氣回收以及管路系統(tǒng)都是船體關(guān)鍵技術(shù)的組成部分。

1)低溫絕熱技術(shù)

貨物圍護系統(tǒng)必須具備良好的低溫絕熱技術(shù)，不僅能夠減少外界熱量的傳入，減少LNG 的蒸發(fā)和腐蝕，而且能夠防止LNG 泄漏時對船體構(gòu)件造成低溫脆裂破壞。貨物圍護系統(tǒng)沒有制冷設(shè)備為LNG 提供冷量，所以環(huán)境熱量的滲入會引起LNG 的氣化。如果不銹鋼焊接的主屏壁失效，由粘合鋁板構(gòu)成的次屏壁應(yīng)該保持15 天的緊密性。如果絕熱層板引起的斷裂傳到次屏壁，LNG 可能發(fā)生泄露。

LNG 船貨艙的絕熱技術(shù)對LNG 運輸船至關(guān)重要，絕熱材料應(yīng)滿足以下幾個方面的要求:較小的導(dǎo)熱系數(shù)、較小的低溫熱膨脹系數(shù)、良好的抗吸水吸濕性、良好的抗水蒸氣滲透性、良好的阻燃性。

在低溫系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的絕熱方法［2］有堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末絕熱、高真空多層絕熱等。堆積絕熱是典型的低溫絕熱技術(shù)，雖然絕熱效果不是最好，但卻是大型低溫儲罐絕熱的主要方式，在LNG 船上有非常廣泛的應(yīng)用。堆積絕熱可分為泡沫型絕熱和粉末/纖維絕熱2 種類型。泡沫型絕熱材料為非均質(zhì)材料，常見的有聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等，其導(dǎo)熱率主要取決于其密度和發(fā)泡氣體。

聚氨酯泡沫具有低成本、較好的熱性能和機械性能等特點而廣泛應(yīng)用于絕緣層材料。國外學(xué)者［3］應(yīng)用短切玻璃纖維對聚氨酯加以固定，短切玻纖良好的色散和分布特性可以很大程度上增強聚氨酯泡沫的斷裂韌性，改善了材料的低溫脆性。

材料導(dǎo)熱率是影響LNG 船體結(jié)構(gòu)安全和船舶運輸效率的重要因素。貨艙與船體的連接部位需要具備良好的絕熱性，使進入LNG 貨艙的熱量減少，應(yīng)盡可能選擇低熱導(dǎo)率的合金材料。粉末/纖維型絕熱主要利用材料的多孔性限制氣體的對流傳熱，常見的有膨脹珍珠巖、玻璃纖維、礦棉等。氣體的導(dǎo)熱機理變?yōu)樽杂煞肿訉?dǎo)熱，因而氣體的有效熱導(dǎo)降低。典型的材料表觀熱導(dǎo)率［2］數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 典型材料導(dǎo)熱率Tab.1 Thermal conductivity of typical materials

2)耐低溫深冷性能材料

目前，LNG 船貨艙主要的耐低溫材料有殷瓦鋼、9%Ni 鋼和鋁合金。MOSS 球型系統(tǒng)主要金屬材料為9%鎳鋼和5083 鋁合金;GTT No.96 型圍護系統(tǒng)主要金屬材料為36%鎳鋼合金，即殷瓦鋼;GTT Mark III 型圍護系統(tǒng)主要金屬材料為304 L 不銹鋼;SPB 型系統(tǒng)主要金屬材料為含鎂4.5%的5083 鋁合金。LNG 船的貨艙需要承受低溫，使得材料不僅要具備一定的強度，而且要有足夠的低溫韌性，以防金屬脆裂。圍護系統(tǒng)材料的選用取決于使用的最低溫度以及與載運貨物的相容性。

殷瓦鋼是一種鐵鎳合金，熱膨脹系數(shù)極小，導(dǎo)熱系數(shù)低，強度、硬度不高，塑性、韌性高，能在很寬的溫度范圍內(nèi)保持固定尺寸。這些特殊的材料特性決定了它可以防止船體結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下冷裂，是LNG 運輸船的關(guān)鍵材料。殷瓦鋼含有大量的鎳，價格十分昂貴，制造困難。GTT 型LNG 船主次屏壁由成千上萬的0.7 mm 厚殷瓦鋼焊接而成。液艙不允許任何泄漏，殷瓦鋼極易生銹和腐蝕，對溫濕度要求很高，作業(yè)人員的汗水就會造成其腐蝕，因此對焊接工藝要求非常高。只有具備GTT 公司認可的手工焊和自動焊證書才可以進行殷瓦鋼薄膜的焊接操作。

9%Ni 鋼主要組織是鐵素體，可在－196℃使用，因強度高、熱膨脹率小而在LNG 儲罐中廣泛應(yīng)用。隨著熱處理技術(shù)的進步，淬火回火材料經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，生成了微細的回火馬氏體組織，低溫韌性好，屈強比高于二次正火回火材料。LNG 儲罐一般很大，焊接后不可能進行熱處理，所以為了保持焊接后仍有良好的低溫韌性，使用含70%Ni 鋼的高Ni基合金作為焊接材料。

超低溫用5083 鋁合金密度小、比強度大，具有良好的塑性、耐蝕性及加工性，沒有低溫脆性，成為制造低溫儲罐廣泛使用的一種材料。20 世紀日本在LNG 船舶和LNG 儲罐的制造中也大量選用了5083 鋁合金，其中有主體壁結(jié)構(gòu)完全是5083 鋁合金的LNG 儲罐，這種鋁合金還以其特有的防火性、耐腐蝕性、潔凈性和經(jīng)濟性等方面的優(yōu)點而成為低溫儲罐頂部結(jié)構(gòu)的重要材料。

3)液艙晃蕩分析技術(shù)

液艙裝載的帶有自由表面的液體在外界激勵下會發(fā)生晃蕩運動，當外界激勵頻率接近液體的固有頻率時，液體運動加劇并強烈沖擊艙壁，嚴重時會導(dǎo)致圍護系統(tǒng)的失效與破壞。LNG 船航行狀態(tài)下運動復(fù)雜，變速、搖擺等運動形式都會引起貨艙內(nèi)LNG 晃蕩［4］。而貨艙內(nèi)縱向自由液面長，晃蕩情況下液體壓強變化幅度大，容易對結(jié)構(gòu)強度計算產(chǎn)生較大影響。

為了控制圍護系統(tǒng)內(nèi)LNG 的晃蕩壓力，LNG 船的設(shè)計充裝高度通常小于10%的艙長或者大于70%的艙高。未來LNG 船向大型化發(fā)展，艙內(nèi)液面高度將逐漸降低，這使得深入研究LNG 運輸船在各種充裝高度時的液艙晃蕩特性和試驗分析顯得更加重要。學(xué)者［5］基于對薄膜型圍護系統(tǒng)的一系列沖擊試驗，對加固聚氨酯泡沫進行回復(fù)位移的測量，評估結(jié)構(gòu)的阻尼特性和抗斷裂特性。這種絕熱材料的加固改進對艙內(nèi)晃蕩有一定的改善作用。

結(jié)合LNG 船貨艙裝載情況，計算航行過程可能出現(xiàn)的晃蕩周期和晃蕩載荷，和船體自身縱搖周期比較，可以避免共振加劇液體晃蕩問題。計及多種激發(fā)條件，開展波浪、船體和液化天然氣三相耦合的強非線性問題的研究是未來解決晃蕩問題的重要手段。

4)動力推進系統(tǒng)

LNG 船的動力推進系統(tǒng)有以下幾種:雙燃料蒸汽輪機推進、雙燃料柴油機電力推進、雙燃料燃氣輪機電力推進、雙燃料柴油機推進、具有再液化裝置的低速柴油機推進。大部分LNG 船隊選用傳統(tǒng)的雙燃料蒸汽輪機作為主動力裝置，由于綜合效率較低，在LNG 新船的訂單中正逐步被雙燃料柴油機電力推進和具有再液化裝置的柴油機推進系統(tǒng)取代，而雙燃料柴油機和雙燃料燃氣輪機電力推進這2 種新型推進系統(tǒng)同樣表現(xiàn)出很高的可用性［6］。新型的電力推進裝置不僅布置靈活、冗余度高，而且具有良好的碳排放性、燃油經(jīng)濟性和動力性，成為LNG船動力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

LNG 運輸船的動力推進系統(tǒng)包括基本推進系統(tǒng)、主發(fā)電設(shè)備和蒸發(fā)氣利用裝置。隨著LNG 運輸船的數(shù)量和噸位的不斷增大，蒸發(fā)氣持續(xù)增加。每天有超過0.1%的LNG 蒸發(fā)，不經(jīng)過回收利用而直接燃燒蒸發(fā)氣非常不經(jīng)濟，而且增加了蒸發(fā)氣易燃易爆的不安全因素。上述所有的推進系統(tǒng)都實現(xiàn)了蒸發(fā)氣的回收利用，或用作燃料或回收再液化。LNG 船蒸發(fā)氣的再液化屬于低溫工程:氮氣在壓縮機中被壓縮，然后在膨脹過程得到低溫，通過熱交換器來液化蒸發(fā)氣。在具體選擇LNG 運輸船的推進系統(tǒng)時，既要總體上考慮可靠性、安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等方面因素，又要兼顧貨物容量、航行海況、港口環(huán)境等限制條件。

5)建造安裝平臺技術(shù)

殷瓦鋼薄膜和低溫隔熱材料是GTT 型LNG 船圍護系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)，共同保證了船體不受低溫侵害而產(chǎn)生脆性破壞，因而薄膜和絕緣箱的安裝技術(shù)對圍護系統(tǒng)的質(zhì)量有重要影響。在殷瓦鋼和絕熱箱的安裝前需要搭建專門的建造安裝平臺。LNG 船貨物圍護系統(tǒng)安裝平臺［7］可分為框架區(qū)域、通道區(qū)域和工作區(qū)域，通常建造約10 層?？蚣軈^(qū)域由M 型框架和C 型連接梁組成，通道區(qū)域和工作區(qū)域統(tǒng)稱伸縮梁區(qū)域，由鋼跳板和膠合板覆蓋。

安裝平臺的關(guān)鍵技術(shù)主要包括樁腿布置、懸伸梁和通道設(shè)計、角隅結(jié)構(gòu)設(shè)計、支撐腿設(shè)計以及斜坡設(shè)計5 個方面。在安裝平臺基本結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，既要滿足強度和穩(wěn)定性要求，又要使復(fù)雜的工藝盡量便于施工。安裝平臺的樁腿支撐在底面絕緣箱上，需要考慮絕緣箱的受力，統(tǒng)籌計算樁腿間距進而避開2 個絕緣箱相交處?？烧{(diào)式懸伸梁端部和內(nèi)艙壁保持一定距離，通過支撐腿調(diào)節(jié)機構(gòu)的微調(diào)和粗調(diào)安裝底部絕緣箱。安裝平臺的角隅結(jié)構(gòu)為加強的方形框架，并覆蓋整個艙內(nèi)安裝范圍。最后經(jīng)過高精度控制建造，形成受力均勻的安裝平臺。

6)裝卸貨管路系統(tǒng)

LNG 運輸船的裝卸貨管路系統(tǒng)由超低溫管路和高溫管路系統(tǒng)構(gòu)成，分別應(yīng)用于貨艙區(qū)域的LNG 裝卸載通道和機艙區(qū)域的船舶動力通道。LNG 運輸船在裝載、卸載和航行過程中會承受巨大的溫差載荷，同時船體變形和運動狀態(tài)的變化也會對管路系統(tǒng)造成影響。由于管路變形導(dǎo)致的LNG 泄漏會威脅船舶附近的人和設(shè)備安全，擴散到空氣中更有爆炸的危險。裝卸管路的應(yīng)力和壓力損失分析是LNG 運輸船的重要技術(shù)，分析中涉及多種裝卸作業(yè)模式下的壓力損失、管內(nèi)流速以及作業(yè)時間等因素，這對確定合理的裝卸LNG 模式有重要的參考意義。

3 結(jié) 語

最近20 年，LNG 運輸船在世界范圍內(nèi)飛速發(fā)展，歐美等傳統(tǒng)技術(shù)強國繼續(xù)把持GTT 薄膜型和MOSS 球型LNG 運輸船的關(guān)鍵技術(shù)專利，亞洲則主導(dǎo)全球LNG 船舶建造和消費，中國在造船市場的崛起正在改變韓國一家獨大的局面。相比于傳統(tǒng)船型市場逐漸趨于飽和的現(xiàn)狀，國際海洋油氣的開采裝備和運輸船正在蓬勃發(fā)展，帶動著區(qū)域性的經(jīng)濟增長，而具有高附加值的LNG 運輸船已經(jīng)成為國際競爭的重點領(lǐng)域。

在LNG 產(chǎn)業(yè)強勁需求的帶動下，LNG 運輸船正在逐步進行技術(shù)革新。關(guān)鍵技術(shù)的進步將促使LNG運輸船具有更大的運輸能力和更高的安全可靠性。對于LNG 船的關(guān)鍵技術(shù)，本文提出以下幾個未來發(fā)展趨勢:

1)安全性

貨物圍護系統(tǒng)是LNG 運輸船的安全性的最關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。耐低溫材料和絕熱技術(shù)不僅能夠減少外界熱量的傳入，減少LNG 的蒸發(fā)和腐蝕，而且能夠防止LNG 泄漏時船體構(gòu)件的低溫脆裂破壞?；谠屑夹g(shù)的革新和改善研究，開發(fā)提高結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的新技術(shù)將繼續(xù)成為LNG 運輸船發(fā)展的重要方向。

2)大型化

LNG 的運輸費用較高，業(yè)界一直致力于提高LNG 船的綜合運輸能力。LNG 運輸船大型化能夠降低船舶的運營成本、減少污染物排放。國際市場上以Q 系列船型為代表的最新一代LNG 運輸船已經(jīng)達到260 000 m3的裝載量，而國際能源巨頭公司正在開發(fā)裝載量更大、容積利用率更高的新船型。

3)節(jié)能化

通過改進絕熱層結(jié)構(gòu)或應(yīng)用真空絕熱技術(shù)等新型絕熱形式可以降低LNG 的蒸發(fā)率，結(jié)合航線合理選擇LNG 運輸船的動力推進系統(tǒng)，提高燃燒效率和推進功率。另外，更有效地利用蒸發(fā)氣、改進蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)，減少船上耗電設(shè)備都是LNG 船節(jié)能化的重要體現(xiàn)。

4)高效化

LNG 運輸船的市場需求旺盛，船廠在提高建造效率方面正加強細化技術(shù)改進。韓國和日本目前代表了國際先進的LNG 運輸船建造能力，對于高附加值船舶在制造加工、精度控制、安裝技術(shù)、管理技術(shù)等方面有著豐富的經(jīng)驗。目前國內(nèi)唯一具備LNG 運輸船建造經(jīng)驗的滬東中華船廠年均建造能力為2 ～3 艘，這一數(shù)據(jù)和國際領(lǐng)先的同行相比還有很大差距，應(yīng)借鑒并消化國外先進經(jīng)驗，提高綜合建造能力。

5)規(guī)范化

在國際上已有針對LNG 運輸船專門設(shè)立的安全標準和技術(shù)規(guī)范，國際能源署、國際海事組織、船級社都頒布了相關(guān)的規(guī)范和細則。但是國內(nèi)在LNG 運輸船的設(shè)計、建造方面的規(guī)范缺乏系統(tǒng)性、實用性和協(xié)調(diào)性，在未來的研究中應(yīng)加快完善標準體系的進度。

攻克技術(shù)難點、擁有中國自主的大型LNG 運輸船關(guān)鍵技術(shù)，將極大地提高我國高附加值船舶的研究和建造能力。因此，我國應(yīng)緊跟國際前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢，加強制造產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建和實用技術(shù)的改進，爭取早日形成一套成熟的集研發(fā)、設(shè)計、建造、運營、維修于一體的LNG 運輸船關(guān)鍵技術(shù)體系。

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