LNG船國產(chǎn)化研究

摘 要

摘要：隨著LNG海上貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，LNG船的建造越來越受到各國的重視，而我國在這方面的工作才剛剛起步。為此，概述了LNG船的發(fā)展歷史，詳細(xì)介紹了GTT型(薄膜艙)、MOSS型(球形艙)和SP
摘要：隨著LNG海上貿(mào)易的蓬勃發(fā)展，LNG船的建造越來越受到各國的重視，而我國在這方面的工作才剛剛起步。為此，概述了LNG船的發(fā)展歷史，詳細(xì)介紹了GTT型(薄膜艙)、MOSS型(球形艙)和SPB型(棱形艙)3種類型LNG船貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)；討論了LNG船的關(guān)鍵性技術(shù)，指出LNG船的技術(shù)進(jìn)步主要反映在降低日氣化率和提高蒸發(fā)氣的回收利用率上；分析了我國LNG船建造業(yè)和國際先進(jìn)水平的差距，認(rèn)為我國發(fā)展LNG船建造業(yè)面臨如下瓶頸問題：①目前我國制造業(yè)的整體水平、冶金及材料等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展水平和工人技術(shù)水平都是發(fā)展LNG船的制約因素；②缺乏關(guān)鍵性技術(shù)，需要攻關(guān)相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)、設(shè)計技術(shù)、建造技術(shù)、管理技術(shù)、專用工裝設(shè)計5項技術(shù)難題。最后提出了打造中國自己的LNG船的技術(shù)途徑——只有堅定不移地走自主創(chuàng)新與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的道路，才能構(gòu)建好中國的LNG船舶制造業(yè)，打造出完全屬于中國自己的LNG船。
關(guān)鍵詞：LNG船；產(chǎn)業(yè)鏈；薄膜艙；球形艙；棱形艙；自主創(chuàng)新；技術(shù)引進(jìn)
    在LNG海上運輸行業(yè)中，LNG船是連接天然氣液化廠和LNG接收站的重要工具[1]。LNG船是除長輸管線以外進(jìn)行規(guī)模化天然氣輸送最為有效的方法之一，同時也是下游燃?xì)馄髽I(yè)擺脫“照付不議”制約條款最有效的方式。這類船舶在目前技術(shù)條件下的標(biāo)準(zhǔn)載貨量主要集中在(13～15)×104m3的區(qū)間，設(shè)計船齡在40～45a。
    構(gòu)建中國LNG船舶制造業(yè)有著極其重要的意義，但同時也面臨著缺乏關(guān)鍵性技術(shù)的瓶頸問題，要想打造中國自己的LNG船，需要走自主創(chuàng)新與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的道路。
1 LNG船的發(fā)展概況
    20世紀(jì)50～60年代，美國開始研究LNG船，并率先投入于規(guī)模化的天然氣液化和海上LNG商業(yè)貿(mào)易運輸，后來其他的少數(shù)發(fā)達(dá)國家逐漸掌握了LNG船的建造技術(shù)，并發(fā)展至大規(guī)模使用階段。據(jù)統(tǒng)計，2006年LNG船全球共有206艘，2009年就已經(jīng)增加到了300艘。
    從目前的技術(shù)發(fā)展來看，某些先進(jìn)國家已經(jīng)設(shè)計并投入使用了16×104m3、20×104m3乃至30×104m3的LNG運輸船舶[2]。20×104m3以下的LNG船普遍采用雙燃料作為動力(天然氣和柴油)。為求適應(yīng)LNG貿(mào)易的理性發(fā)展，同時也受到LNG發(fā)送站和LNG接收站港口水深條件的限制[3]，LNG運輸船舶的艙容量穩(wěn)定在(10～20)×104m3的水平是較為合理的。此類容量LNG船的建造合同價格同樣隨著LNG海上貿(mào)易的發(fā)展而穩(wěn)步攀升，表l為在1998年至2006年間，艙容量為13.5×104m3LNG船的建造合同價格統(tǒng)計情況。
表1 13.5×104m3LNG船的建造合同價格表
年份
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
造價/億美元
1.90
1.65
1.725
1.65
1.50
1.55
1.85
2.05
2.20
2 LNG船貨艙的圍護(hù)系統(tǒng)
    LNG船貨艙氣化率數(shù)值的取值高低完全是由LNG船貨艙的漏熱性能決定的，因設(shè)計理念的不同，各個國家LNG船貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)采用的隔熱方法也有所不同。據(jù)此，LNG船貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)可分為以下3種：GTT型(Gaz Transport Technigaz)、MOSS型(Moss Rosenberg)和SPB型。GTT型是薄膜艙，MOSS型是球形艙，SPB型是棱形艙(前身為Couch型)[4]。
2.1 GTT型LNG船
    GTT型LNG船為薄膜圍護(hù)系統(tǒng)的LNG船，此類圍護(hù)系統(tǒng)主要由主薄膜、次薄膜、雙層船殼和低溫隔熱層4部分所組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。GTT型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有兩種形式，其薄膜內(nèi)均會受到靜應(yīng)力、動應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用影響。
 

2.2 MOSS型LNG船
 MOSS型LNG船的球罐采用鋁合金制成，板材的厚度按照不同的部位大致取值在30～170nm。為達(dá)到理想的保溫作用，鋁合金球的外表覆蓋著一層厚厚的泡沫絕緣材料，同時為了保護(hù)絕緣材料，整個貨艙球的最外表面是保護(hù)型金屬外殼。大型球罐的制造工藝流程分為備材、分段焊接、組件合成和液罐總成4個部分，詳見圖2。
 

2.3 SPB型LNG船
    SPB型LNG船是由棱形Couch型LNG船逐漸發(fā)展而來的，其貨艙結(jié)構(gòu)原本是考慮設(shè)計在液化石油氣(LPG)船上的。研發(fā)之初，為減少貨物(即LNG)在艙內(nèi)的晃蕩撞擊，增加船舶的穩(wěn)定性和安全性，通常在貨艙內(nèi)部增加一道縱向艙壁將貨艙一分為二，貨艙材料采用的是耐低溫鋁合金，絕熱材料采用塑料泡沫。目前此類結(jié)構(gòu)船舶已較少用作LNG船。
3 LNG船技術(shù)發(fā)展的新構(gòu)思
    在LNG船的建造和發(fā)展過程中，技術(shù)的持續(xù)更新和不斷進(jìn)步是提高LNG運輸效益和拓展LNG市場的一個非常重要的因素，LNG船的技術(shù)進(jìn)步主要反映在日氣化率和蒸發(fā)氣的回收利用上。
3.1 具備熱阻滯新型艙裙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
    在MOSS型船的球形儲槽中，沿艙裙結(jié)構(gòu)的漏熱量占儲槽總漏熱量的比例較大，如果我們在此流程中采用較為先進(jìn)的熱阻滯結(jié)構(gòu)，則可大大地減少漏熱量。此項技術(shù)的關(guān)鍵在于插嵌入一塊特殊材質(zhì)的不銹鋼板在鋁和鋼質(zhì)裙之間，這樣既可以起到隔熱的效果，又可以發(fā)揮其穩(wěn)定系統(tǒng)的作用，而且可以將日氣化率下降到0.1%左右。其結(jié)果如圖3所示。
 

3.2 再次液化系統(tǒng)的模擬研究
    在LNG船上裝備可靠性較強(qiáng)的再次液化裝置，具有巨大的市場價值。再次液化裝置分為全部再次液化裝置、自持式再次液化裝置和部分再次液化裝置3類，其均處于可行性研究階段，并未實際投入生產(chǎn)使用。圖4為LNG船的再次液化裝置原理圖。

3.3 強(qiáng)制氣化系統(tǒng)
    為了提高LNG船的氣化效率，在一個富有彈性的范圍內(nèi)提供更多的天然氣，可以在LNG船上考慮設(shè)計強(qiáng)制氣化系統(tǒng)。強(qiáng)制氣化系統(tǒng)主要包括加熱器、壓縮機(jī)、強(qiáng)制式蒸發(fā)器、閥門、水泵(液貨艙內(nèi))以及一些附屬設(shè)備等。相關(guān)原理如圖5所示。
 

4 構(gòu)建中國LNG船制造業(yè)的重要性
4.1 保障國家的能源安全
    據(jù)統(tǒng)計，2010年，我國需要38艘LNG船以期帶動LNG貿(mào)易的發(fā)展，到2015年，則將超過65艘。如果我國本土企業(yè)完全掌握了LNG船舶建造的核心技術(shù)，那么我國能源戰(zhàn)略的實施將會得到強(qiáng)有力的保障[5]。
4.2 激活能源供應(yīng)市場
    下游燃?xì)馄髽I(yè)擁有一定規(guī)模的LNG載運能力，可以激活能源供應(yīng)市場。
4.3 提高船舶工業(yè)國際競爭力
    打造中國自己的LNG船，可以大大提高我國船舶工業(yè)的整體技術(shù)水平和競爭力，促進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)調(diào)整，擴(kuò)大船舶工業(yè)的生存和發(fā)展空間。日本和韓國造船業(yè)的發(fā)展歷程就證明了這一點。他們通過技術(shù)引進(jìn)和自我創(chuàng)新，確立了本國在國際船舶行業(yè)中的強(qiáng)國地位[6]。
4.4 提高船舶工業(yè)出口創(chuàng)匯能力并帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
    LNG船由于技術(shù)難度大、附加值高、價格是同噸位散貨船的4～5倍，因而建造LNG船具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。LNG船項目關(guān)聯(lián)度較大，能帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而且建造LNG船涉及的眾多關(guān)鍵性技術(shù)，同樣對其他船舶制造也是一個促進(jìn)。
5 中國LNG船舶國產(chǎn)化的可行性
    中國是世界上第三大造船大國，國內(nèi)的大型船廠已經(jīng)基本具備建造各類新型船舶的經(jīng)驗和條件，某些國內(nèi)大型船舶建造企業(yè)已經(jīng)完成了LNG船模擬貨艙的制作，突破了LNG船制造中的某些關(guān)鍵性技術(shù)，特別是中船集團(tuán)下屬的滬東中華造船集團(tuán)有限公司承擔(dān)的“大型薄膜型液化天然氣船關(guān)鍵制造技術(shù)研究”項目，目前已通過了中華人民共和國工業(yè)和信息化部的驗收。因此，從現(xiàn)有水平來看，中國完全有潛力獨立承擔(dān)LNG船的建造工作。
6 中國LNG船制造業(yè)面臨的困境
    就LNG船的建造能力而言，我國與世界領(lǐng)先國家的差距主要表現(xiàn)在LNG船的整體研發(fā)能力方面。目前，我國只是消化吸收了15×104m3LNG船的建造技術(shù)，而對于20×104m3以上的LNG船還缺乏技術(shù)準(zhǔn)備，需要攻關(guān)的技術(shù)難點主要有以下5項。
6.1 基礎(chǔ)技術(shù)
    主要包括LNG船船體溫度場分布、計算流體力學(xué)技術(shù)在LNG船上的應(yīng)用、液貨艙晃蕩壓力、螺旋槳設(shè)計技術(shù)、LNG船材料與設(shè)備國產(chǎn)化和LNG船特殊管系的溫度應(yīng)力分析研究。
6.2 設(shè)計技術(shù)
    主要包括LNG船設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、船體論證、船體結(jié)構(gòu)對液貨艙溫度場的應(yīng)力響應(yīng)、典型動力裝置設(shè)計技術(shù)、船體屈曲屈服疲勞強(qiáng)度及變形的分析、集成自動化系統(tǒng)、超大容量電站電網(wǎng)和涂裝規(guī)范等。
6.3 建造技術(shù)
    主要包括新型動力裝置安裝及實驗技術(shù)、超大型分段精度建造技術(shù)、絕緣箱制造技術(shù)與產(chǎn)能、總組和船塢總裝技術(shù)、船體焊接技術(shù)、泵塔制造及安裝技術(shù)、殷瓦焊接技術(shù)規(guī)范、殷瓦安裝技術(shù)和貨艙圍護(hù)系統(tǒng)密封性試驗技術(shù)等。
6.4 管理技術(shù)
    包括計劃管理技術(shù)、質(zhì)量管理中CTI計劃標(biāo)準(zhǔn)化、HSE管理技術(shù)和貨艙圍護(hù)系統(tǒng)物流管理技術(shù)等。
6.5 專用工裝設(shè)計
    主要包括液貨艙圍護(hù)系統(tǒng)殷瓦安裝模板及工具、檢驗超低溫閥門的壓力檢測設(shè)備和泵塔制造的專用工具裝備等。
    LNG船的設(shè)計、建造要求極為苛刻，目前我國制造業(yè)的整體水平、冶金及材料等相關(guān)行業(yè)的發(fā)展水平和工人技術(shù)水平都是我國發(fā)展LNG船的制約因素。
7 中國LNG船國產(chǎn)化的技術(shù)路徑
   盡管目前國內(nèi)某些船舶建造企業(yè)基本具備了一定規(guī)模的LNG船建造能力，但要全面掌握LNG船建造技術(shù)，完成整個產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建，最好還是要走自主創(chuàng)新與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的道路。
    中國的船舶建造企業(yè)應(yīng)該以LNG船體結(jié)構(gòu)平臺作為總體設(shè)計平臺，最好以貨物圍護(hù)、超低溫液貨、動力、電力和集控5大系統(tǒng)為研究重點，發(fā)揮產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的優(yōu)勢，充分利用已有基礎(chǔ)。引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新和自主開發(fā)協(xié)同進(jìn)行，總體技術(shù)和系統(tǒng)技術(shù)、配套技術(shù)協(xié)同展開。在完成目標(biāo)船的同時，形成自主研發(fā)設(shè)計能力，實現(xiàn)LNG船的自主創(chuàng)新，全面提高產(chǎn)業(yè)的競爭力。
   要真正實現(xiàn)上述目標(biāo)，必須要把LNG船船型、船體結(jié)構(gòu)兩大平臺的研制.712作交由行業(yè)權(quán)威研究機(jī)構(gòu)牽頭，聯(lián)合相關(guān)高校等研究單位共同攻關(guān)，開發(fā)出全部具有自主知識產(chǎn)權(quán)、能夠滿足最新技術(shù)要求、性能優(yōu)良的新船型。
    此外，LNG船貨艙貨物圍護(hù)系統(tǒng)可以通過購買國外專利技術(shù)，逐漸實現(xiàn)絕緣箱和絕緣材料的國產(chǎn)化。在超低溫液貨系統(tǒng)和動力系統(tǒng)方面，可與國外廠商開展技術(shù)合作，進(jìn)而掌握系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)國產(chǎn)化。在電力系統(tǒng)和集控系統(tǒng)方面，則要實現(xiàn)自主開發(fā)。掌握設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。
8 結(jié)束語
    截至2009年，通過技術(shù)引進(jìn)的方式，我國已完成了5艘LNG船的建造，第6艘LNG船也已開始進(jìn)入技術(shù)準(zhǔn)備階段。與此同時，數(shù)家知名船舶建造企業(yè)都已表示愿意涉足LNG船建造領(lǐng)域。
    要想真正打造出完全屬于中國自主研發(fā)的LNG船，是一項需要長期堅持的工作，涉及眾多產(chǎn)業(yè)類型和多項創(chuàng)新技術(shù)，需要相關(guān)專業(yè)同仁們的共同努力。
參考文獻(xiàn)
[1] 歐衛(wèi)新，李玉如.我國LNG海運市場發(fā)展前景展望[J].水運管理，2007，29(6)：6-8.
[2] 付昌輝.全球LNG貿(mào)易與LNG船需求[J].中國水運，2003(4)：5-6.
[3] 張青松.港口水域LNG罐箱運輸定量風(fēng)險評價[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1)：114-116.
[4] 汪風(fēng)蓮，朱榮改，王晶.我國LNG船舶的建造技術(shù)問題分析[J].石油規(guī)劃設(shè)計，2002，13(5)：11-13.
[5] 王健.液化天然氣船業(yè)運輸?shù)奶接慬J].天津煤氣，2004(4)：11-13.
[6] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
 
(本文作者：張濤1 高彩魁2 羅明星3 1.廣東省深圳市城市規(guī)劃發(fā)展研究中心；2.廣東省深圳市城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司；3.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院)