LNG运输船结构材料

ＬＮＧ运输船结构材料LNG(液化天然气)是以甲烷为主要成分的烃类混合物，无毒，无腐蚀性。在常压-162摄氏度左右可液化。通常储存在-161.5摄氏度，0.1Mpa左右的低温储藏罐内。LNG船简介：LNG船是一种国际上公认的高技术、高附加值、高可靠性的复杂船型，主要用于海上运输常压低温液化天然气（LNG）的船只，由于受到港口码头和接收站条件的限制，这类船舶目前的标准载货量在12~15万立方米之间。按照国际气体运输规范（IGCcode）的要求，运输LNG的船舶液货舱系统必需有两层屏障（Barrier）,对薄膜型LNG船来说就是两层绝缘和薄膜进行保护，即使在主层薄膜泄漏的情况下仍能保证LNG的安全运输。LNG船在技术上的要求是极其苛刻的,如：1.船体要承受40年疲劳的长寿命要求；2.压载舱油漆要求类似于特涂，表面处理Sa2.5;3.透平装置是重点课题，包括透平安装、高温高压蒸汽管路（6.5MPa/550。C）等；4.庞大的低温报警网络，仅低温报警点就达3000多个；5.焊接式、双层管壁的天然气管路，外层设置通风和气体探测器，或在双壁间充注氮气，并设置低压报警；6.全船货舱区INVAR钢总焊缝长度达到130公里。在船上，低温状态的LNG储罐放置于约510。C高温的机房旁边，但这会导致恶性爆炸事故，因此需要严格的造船技术。LNG船的储罐都是独立于船体的特殊结构。在LNG船舶的设计中，考虑的主要因素是能适应低温介质的材料，以及对易挥发、易燃物的处理。船运LNG储罐材料要求：既要有高强度，又要求有高的韧性；考虑的主要因素是寻找能适应低温介质的材料，并做好对易挥发、易燃物的处理。除了对材料的以上要求外，还相应对材料的造船加丁丁艺成型性和焊接性能等有特殊要求。低温设备要具备可靠的耐低温深冷性能，特别是储存设备应至少满足耐低温的要求(一162℃以下)，设计应达到一196℃[11I。采用深冷液化方案，容易满足要求。因此，用作液化天然气贮藏舱的材料需具备一些基本要求Lr,12J33：(1)对冲击载荷和周变载荷要有较好的适应能力，能经受冲击和疲劳等。(2)在低温时，应有较高的强度和良好的延伸塑性。(3)在工作温度范围内(常温至液态气体温度)，舱用材料的膨胀系数小，而且随温度变化，膨胀系数变化小，即贮藏舱在使用温度范围内，尺寸变化要小，从而得到小的温差应力。合金具有小的导热系数，以改善舱体的绝热性能。(4)一定的低温冲击韧性值目前常用材料：１．Ni36因瓦合金Ni36因瓦合金性能优良，其膨胀系数远低于当时已知的任何一种金属，仅为纯铁的1／lo，且经过适当回火、压延处理后，在一定温度范围内的膨胀系数几乎趋近于零。但因其昂贵的价格而不宜大量采用。２．9％Ni钢目前，9％Ni钢在I。NG储罐中的应用最广。9％Ni钢可在一196℃使用，主要作I。NG储罐用，其优点有：主要组织是铁素体，强度高，对设计有利；热膨胀率小；能够制造大尺寸钢板。由于以上优点，其需要量正在增长，并作为可能使用温度下的低铁素体钢而得到推广。9％Ni钢发展初期，存在着钢板热处理设备问题，故只限于生产NNT(二次正火回火)材料，后来由于热处理技术的进步，可以生产QT(淬火回火)材料，使QT材料占有了优势。由于QT材料经过调质处理，生成了微细的回火马氏体组织，故其低温韧性好，屈强比高于NNT材料。LNG储罐一般很大，焊接后不可能进行热处理，所以为了保证焊接后仍保持原有的良好低温韧性，可使用含70％Ni钢的高Ni基合金作为焊接材料。3．5xxx系铝合金铝是一种面心立方晶格结构的金属，没有低温脆性，其力学性能不随温度的下降而降低，反而有所增强，这是它独特的性能J⋯。铝合金材料的强度在低温下反而比常温下高，是在低温情况下使用的理想材料，故用铝网壳及顶板后，可在整个使用期内省去为防止材料低温脆性增设的保温材料和费用心]。超低温用5083铝合金因具有较高的强度，良好的塑性、耐蚀性及加工性，成为制造低温储罐广泛使用的一种材料。在LNG船舶和LNG储罐的制造中也大量选用了5083铝合金，尤其是液化天然气最大的进口国日本，从20世纪五六十年代建造了一系列LNG储罐和运输船，其中有主体壁结构完全是5083铝合金的LNG储罐，但大多数铝合金还是因为其特有的自重轻和耐腐蚀性成为储罐顶部结构的重要材料。欧美各国更是把铝网壳大量用于对钢材有强腐废水处理池和料仓等的顶盖上。铝网壳与钢用‘⋯。此外采用铝合金制造罐顶在安全性和经济性上也有比较好的特点：(1)防火性；(2)耐腐蚀性和洁净性；(3)经济性。5xxx系铝合金具有抗蚀性强、密度小、比强度大、成形性能高、易于表面处理与无燃烧性等优点，在许多领域中获得。5xxx系铝合金具有良好的加工性能，可以加工成各种板、棒、线材，并广泛应用于船舶、车辆、航空航天等领域。其中，典型的合金如5083合金，主要用于舰艇、船舶、汽车车身等口’1⋯。5083铝合金在海水中主要的腐蚀形式为局部腐蚀，它在海水中的腐蚀电化学行为已有大量研究。铝合金高速船使用的船壳材料全部都是AIMg系合金。船体5083(O态、H112和H321态)、5086、5456等5xxx系列铝合金，如表lLl钊所示。5083铝合金和SUS304奥氏体不锈钢同样为面心立方晶格所组成的材料，故可用于最低的温度范围。由于其强度万方低于9％Ni钢，故其板厚相对较厚，而质量却轻，并且有着良好的弯曲加工性及焊接性，所以与9％Ni钢一样，大量用作LNG的低温储罐。张生高设计了铝合金液化天然气罐式集装箱，其具体罐体部件的材料及性能如表2J73所示。该液化天然气罐式集装箱在选材和结构上进行了创新，首次选用5083铝合金，使容积达到了国内最大，外形尺寸及质量参数满足现有国家标准和规范，市场前景看好。ＬＮＧ船的主要形式及其特点世界上第一艘LNG船建造于1964年。当时吨位很小，技术也不成熟。到70年代，逐步形成挪威MOSS球罐式和法国GT、TGZ两种薄膜形式的LNG船。球罐式的特点是：独立舱体不容易被伤害，可分开制造，造船周期短，质量检查容易；液面晃动效应少，不受装载限制，充装范围宽；保温材料用量少；操作灵活，安全性好，紧急情况下，在装卸的任何阶段都可离港。薄膜式的特点是：船的主要尺寸较小、低温钢材用量少，功率低、燃料消耗低；船体可见度大，视觉宽，船体受风阻面积少；设置完整的第二防漏层，不需要复杂的应力计算；船厂投资少，但劳动强度大，不能对保温层检查；液面易晃动，装载受限制。LNG船的使用寿命一般为35～40年。鉴于LNG特殊的理化性质，LNG船的各方面性能要求极高。由于循环热应力的存在，为了更安全有效地运输LNG，LNG运输船需要有低温可靠性和绝热性-’“，因此一般来说LNG运输船需要专用的船舶。LNG运输船是一种“海上超级冷冻车”，被喻为世界造船“皇冠上的明珠”。它是国际上公认的高技术、高难度、高附加值的“三高”船舶_8J。目前只有日本、美国、韩国、中国和欧洲少数几个国家的13家船厂能够建造。LNG船的储罐是独立于船体的特殊构造，目前营运的LNG船舶的储罐保冷结构型式主要有两种类型：独立型和薄壁型‘叫oJ。独立型储罐是船体与储罐为各自独立的结构，在船体上布置的独立储罐，其热收缩变形不会直接传递到船体。独立型储罐主要有Conch型、SPB(IHI)型和MOSS型。由于Conch棱柱型储罐的绝热层表面承受拉应力．容易造成绝热材料撕裂，从而使船体内板发生低温脆化开裂；而且，此种结构制造复杂，因此现已不采用。SPB型也称独立型棱柱式储罐，是由Conch型发展而成的，它的最大特点在于其安全性。该型船的储罐主屏壁采用9％镍钢或铝合金，次屏壁为简化部分阻挡层采用特殊胶合板。而M()SS型船的储罐主屏壁(球体)采用9％镍钢或铝合金，球体上的绝热材料采用硬质聚氨酯泡沫和酚醛泡沫双重绝热板块系统。这种储罐的优势在于压力式的液货储罐不需要提供次屏壁。薄壁型储罐是在船体内部安装绝热材料以覆盖在薄金属板上，薄金属板仅仅是保持液密，液货的荷重直接作用在绝热材料和船体上。薄壁型储罐有GT型和TGZ型。GT型因其有两层殷钢(36％镍钢)屏蔽，故比较安全，而由于仅是主屏壁采用0．7mm厚的36％镍钢，所以降低了产品成本。TGZ型的特点则是第一层的镍钢波纹板在收缩或膨胀时由波纹板吸收，而第二层屏蔽铝箔纤维加强板是为了降低价格和提高可靠性。两种薄壁型储罐的优点是：内壁用薄膜做成，材料消耗少，可以减轻结构质量，经济性好。薄膜型、球罐型和菱形LNG运输船MarkIII型主薄膜采用1.2毫米的304L不锈钢板1，次薄膜为三重材料－玻璃纤维布/铝泊/玻璃纤维布碾压而成，主次绝缘层为强化聚亚胺脂泡沫塑料块。球罐型货舱用裙状筒体结构以直接焊接的方式支撑在船体上构成一个自支撑的液货舱，筒体结构起到了支撑液货舱和隔离低温的液货舱与船体直接接触的作用。货舱材料采用30～169毫米的AA50830铝合金材料，货舱外部包裹聚苯乙烯绝缘层。球罐型采用AA5083的铝合金制造。外形为一球体，球体外采用的一种绝缘是镶板式聚胺酯泡沫。在球体的赤道上安装支承围裙，支承围裙是通过爆炸成型的特殊构件，与船体结构相连，以减少热的传导。十四五万立方米的LNG船，最大贮罐的球体内径超过40m，空罐总重量约900吨左右。由于球罐型贮罐与船体结构之间，除支承围裙外，完全处于独立状态，无论是LNG的超低温度，或是LNG的静、动压力都由球罐贮罐直接承受。因此，球罐贮罐通常又称之为独立式贮罐薄膜型薄膜型LNG船就是以船体直接作为储存LNG贮罐的LNG船MKIII型LNG船的液货舱系统包括两层薄膜和绝缘：主层的薄膜采用1.2mm厚的压筋型不锈钢薄板，压筋的目的是为了释放温度和结构应力；采用的是由中间为铝合金薄膜，两面为玻璃纤维布制成的“三明治”结构；此次层薄膜可与主层和次层绝缘预制在一起，加快船上施工的进度，该绝热材料为增强聚胺酯泡沫。NO.96型LNG船的货舱围护系统也包括两层薄膜和绝缘：主次薄漠均为0.7mmINVAR钢(含36%镍的钢),由于该种钢材的热膨胀系数极小,从20摄氏度到-163摄氏度几乎无变形,故被称之为不变钢;主次层薄膜之间以及次层薄膜和船体内壳之间都是由充填有膨胀珍珠岩的绝缘箱作为绝热材料LNG储罐的深冷绝热技术概述LNG船的储罐深冷绝热是一个关键技术，深冷绝热方法一般有一下几种：高真空保冷、粉末填充真空保冷、叠层（多层）真空绝热等。目前常用的深冷绝热材料大致有气孔型、纤维型和气泡型三类。这些材料主要有聚氨酯、酚醛、聚氯乙烯、聚苯乙烯等发泡塑料及粒状膨胀珍珠岩、玻璃纤维等材料，但这些材料在使用中都存在一定的问题。例如，LNG船的液罐，如果绝热材料柔软性欠缺将很容易导致绝热材料的龟裂，这将直接影响到罐体的保冷效果。更加有效的绝热保冷技术和材料都正在研究之中，相信不久就会有效果更理想的办法和材料。