零下163攝氏度儲存的液化天然氣，在海上如何運輸？

出品| 網易新聞

作者| 一聞，鋼鐵行業研究人員

　　LNG（液化天然氣）運輸船是漂在海上的鋼鐵巨無霸，每建造一艘都需要數萬噸的各類鋼材。不過，即使在鋼鐵業如此發達的今天，LNG主力船型的關鍵部位使用的鋼材，全世界也只有兩個國家能夠生產，一個是法國，另一個則是中國。

　　這種鋼名叫殷瓦鋼，是一種可以在零下163攝氏度以下保持不變形的鎳鐵合金。它薄如紙片，卻是製造LNG船的核心材料，離開它，LNG船整個船體會因為無法承受超低溫而被凍裂。

（殷瓦鋼）

（一）熱脹冷縮？對於殷瓦鋼來說不存在的

　　一般來說, 絕大多數物體都會受熱脹冷縮原理影響，在受熱時體積膨脹, 冷卻時體積收縮，即使是堅硬的金屬也不例外。以鋁板和普通的鋼板為例，環境溫度每降低50攝氏度，1米長的鋁板就會縮短2.5毫米，同等長度的普通鋼板也會縮短1.8毫米。

　　但是，1896年，瑞士籍法國物理學家C.E.Guialm發現，成分為鎳36%、鐵63.8%、碳0.2%的鎳鐵合金卻出現了反常熱膨脹現象，在居里點（230℃）以下的溫度範圍內，這種合金材料的尺寸幾乎不隨溫度變化而發生改變。他將這種合金命名為殷瓦鋼（Invar）,英文意思是「不變的」，殷瓦鋼表現出的這種反常熱膨脹效應也被稱為殷瓦效應。

　　試驗結果表明，當鎳含量在32-36%時，合金的平均膨脹係數為α=1.5×10^6℃, 當鎳含量為36%時, 合金的熱膨脹係數最低, 達到α=1.8×10^6℃，從而獲得了接近零值的熱膨脹係數。

（殷瓦效應）

　　殷瓦鋼這一特性的起因，至今尚沒有一個完整的理論可以作出全面的解釋，但是殷瓦鋼自發現以來，就因其蘊含的巨大工業應用潛力而引起人們的廣泛關注。鑒於殷瓦鋼對材料學的發展起到了至關重要的作用，C.E.Guilaume獲得了1920年的諾貝爾物理學獎，成為冶金專業第一位獲得諾貝爾獎的科學家，也是第一位因一項材料學成果而獲此殊榮的科學家。

（殷瓦鋼發明者、物理學家C.E.Guialm）

　　殷瓦鋼是粗獷的鋼鐵行業中為數不多可以稱作「嬌貴」的產品：它薄如紙片，厚度只有0.7毫米；它價格昂貴，在產品按噸賣的鋼鐵界，殷瓦鋼卻要按公斤賣，而且一公斤要賣100多元；它弱不禁風，對濕度要求非常高，僅是被手一摸，一天之後就會銹穿。殷瓦鋼一旦生鏽，整張昂貴的鋼板就要報廢，所以在生產、搬運、使用過程中，接觸的人都需要戴上特製的吸汗手套，在保存時必須貼膜。

（與殷瓦鋼接觸的所有人都必須戴上吸汗手套）

（二）液化天然氣隔熱防泄漏，殷瓦鋼是最理想材料

　　LNG船是在-163℃低溫下運輸液化天然氣的專用船舶，具有高技術、高難度、高附加值特點，號稱世界民用船舶業「皇冠上的明珠」，目前全球僅有二十多家船廠能夠生產。

　　LNG船主要有球罐型、薄膜型和自持式稜柱型三種。薄膜型因主屏壁薄、隔熱性好、強度高、用材少、能耗低等優勢，成為性能最好的LNG船，約佔LNG船總量的70%，是LNG船的主力船型。

（從左至右：薄膜型、球罐型、自持式稜柱型LNG船）

　　LNG船建造之難，在於其運輸物品的特殊性。液化天然氣屬於危險品，體積被壓縮到氣態的六百分之一，即使一個針眼大小的漏點都會導致泄露，而一旦泄露，LNG將急劇氣化，遇到火源就會引發閃火或蒸氣雲爆炸等事故。

　　LNG核心部位液貨艙內壁是由一片片殷瓦鋼片焊接組合起來的，最薄處僅有0.7mm，光焊縫長度就有百公里左右，而LNG船有四個裝載天然氣的液化艙，每一寸焊縫都不能有一丁點泄漏處。

　　一艘10萬立方米的LNG 船滿載時儲存的液化天然氣總能量相當於40多顆廣島原子彈，如果爆炸，後果不堪設想。所以LNG船建造的關鍵在於貨倉圍護系統，這個系統就像一個大冰箱的內膽一樣，可以適應從常溫到超低溫的溫度劇變，防止LNG泄露，而且可以在運輸過程中維持這樣的低溫。

　　以NO96型為主的大型薄膜型LNG船，貨艙圍護系統採用的都是法國GTT公司的專利技術。該系統包括主、次兩層薄膜屏蔽層和絕熱箱：主次屏蔽層作為保護膜，用以防止LNG蒸發泄露；主次屏蔽層之間以及次屏蔽層和內層船體之間是充填有膨脹珍珠岩的絕熱箱，用以隔熱保溫，既能使LNG保持低溫液態，也能防止凍傷船體。

（NO96薄膜型LNG船貨倉圍護系統）

　　由於殷瓦鋼具有熱膨脹係數極低的特性，面對巨大的溫差變化時，幾乎不發生變形，因而在溫度極低的環境下，仍然能保持良好的強度，並且比中碳鋼具有更強的耐腐蝕性。

　　LNG船的工作環境和殷瓦鋼的綜合性能決定了它是最適合作為主、次屏蔽層的金屬材料。

（薄膜型LNG運輸船貨倉內壁）

　　不過，殷瓦鋼的缺點也很明顯，就是對使用環境有苛刻的要求，必須保持潔凈、乾燥，濕度必須保持在60%以下，否則極易損壞。而且由於殷瓦鋼只有0.7毫米厚，所以焊接難度極高，被稱為世界上難度最高的焊接技術。

（三）打破技術壁壘有多難？50多年全球只有一家貨源

　　從1965年第一艘使用殷瓦鋼製造的大型LNG船Jules Verne號出廠開始，50多年來全球只有一家法國廠商可以提供合格的LNG船用殷瓦鋼，不可謂不驚人。

　　其實，各國鋼鐵企業打破殷瓦鋼的技術壁壘願望異常強烈，對鋼材賣到白菜價的鋼鐵企業來說，即使單看殷瓦鋼的高附加值，便十分誘人。

　　殷瓦鋼的每噸價格是普通船板的20倍左右，以中國建造的14.7 萬立方米LNG 船為例，每艘船殷瓦鋼的用量為450噸左右，總價超過5000萬元。

　　但是，殷瓦鋼材料特性複雜，生產難度極大。

　　殷瓦鋼屬於含鎳36%的精密合金，需要有很高的表面質量和良好的力學性能，對鋼水純凈度、成分偏析、表面質量等要求非常嚴格，對鋼鐵廠的設備能力和工藝精準性都提出了挑戰。

　　殷瓦鋼生產要經過電弧爐冶煉/真空感應熔煉、LF精鍊/真空氧氣脫碳、真空電弧重熔/電渣重熔、連鑄、熱軋、冷軋等複雜的工序流程，在各個工序，除了要採取各種手段保證成分和性能合格以外，還要克服殷瓦鋼表面硬度低、易造成軋制缺陷的困難，確保表面質量。

（殷瓦鋼的生產流程）

　　2013年，國家工信部項目《液化天然氣船用殷瓦合金和絕緣箱膠合板關鍵技術應用研究》科研項目正式啟動，國內鋼鐵企業對LNG船用殷瓦鋼研製展開強力攻關。經過努力，終於成功打破國外技術壁壘，完成了工業化試製，實現了超低溫條件下（-196℃）穩定的物理性能和良好的強度和韌性，並經過了擁有薄膜型LNG船技術專利的法國GTT公司的兩輪嚴格認證。

　　中國正式成為全球第二個可以提供合格LNG船用殷瓦鋼產品的國家。

結語

　　根據權威預測，到2035年，LNG將佔全球天然氣交易量的50%，無論是殷瓦鋼的應用，還是LNG船建造業的發展，未來都將有廣闊的發展和提升空間。

　　LNG船用殷瓦鋼國產化後，國外企業一家獨大的局面被徹底打破，中國造船廠在核心材料採購上更有底氣， LNG船建造成本也將得到有效控制。同時，核心材料的國產化將有利於中國船廠提升LNG船自主建造能力和競爭力，進一步保障中國LNG進口的戰略安全。

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編輯| 史文慧