LNG围护系统中的创新韩流

发布时间:2013-07-15 11:28:31  来源:航运界     专家:胡可一

  众所周知,目前LNG船的货物围护系统分为MOSS球罐型、GTT薄膜型和IHI的SPB菱形舱型三种。目前在建的大型LNG船中,薄膜型LNG船占了绝对优势。薄膜型LNG货物围护系统(NO96、CS-1和MK-III三种形式)的专利一直被法国GTT公司所垄断,其中NO96和MK-III二种形式的薄膜型LNG货物围护系统几乎占据了所有在建的LNG船的市场,其蒸发率可以控制在0.10~0.15%/天。为此LNG船的建造厂也向GTT支付了不菲的专利费,以三星重工建造的155000立方级MK-III型薄膜式LNG船为例,平均每船约需支付9至10亿韩元(约合772至858万美元);而175000立方级的NO96型型薄膜式LNG船,平均每船约需支付约950万美元(以四艘船平均)。那么薄膜型LNG货物围护系统的结构到底是什么样的呢?是什么动力驱使韩国船企在薄膜型LNG货物围护系统进行创新。
  
  薄膜型LNG货物围护系统
  
  薄膜型LNG货物围护系统由法国GTT公司持有专利,GTT的股权由两家法国的能源巨头法国燃气公司(GDF Suez)、道达尔石油公司(Total)和一家美国的私人基金公司(Hellman & Friedman)拥有。GTT公司的薄膜型LNG货物围护系统目前主要分为三种类型,即NO96型、MARK III型和CS I型。薄膜型LNG货物围护系统原理如图1所示.
  
  
图1  薄膜型货物围护系统示意图
  
  薄膜型(NO96)货物围护系统
  
  NO96薄膜型货物围护系统的主、次屏壁均采用0.7mm厚的36%镍钢(INVAR),隔热材料为充填珍珠岩的层压板绝缘箱。该围护系统的主要优点是其主、次屏壁所采用的镍钢(INVAR)热膨胀系数极低,所以可以采用折边平板拼接的结构,比较容易实施自动焊接的方式,参见图2和图3。缺点是镍钢(INVAR)价格昂贵,厚度比较薄,绝缘箱的安装精度高。对焊接技术要求较高。
 
  
  图2 NO96薄膜型货物围护系统结构原理图
  
  Primary invar membrane: 主殷钢薄膜
  Secondary invar membrane 次殷钢薄膜
  Invar Tube 殷钢管组件
  Inner Hull 船体内壳板
  Resin ropes 树脂胶条
  Insulation Box 绝缘箱
  Coupler base 固定螺栓底脚
  
 
  
  图3  NO96薄膜型货物围护系统舱内实景
  
  薄膜型(MARK III)货物围护系统
  
  MARK III薄膜型货物围护系统的主屏壁为1.2mm厚带有纵横方向槽形的不锈钢板(304L),次屏壁为二层玻璃纤维布及一层铝箔的三合一片材,隔热板块为上下层压板夹增强聚氨酯泡沫。该系统的主要优点是主屏壁的不锈钢厚度较厚,304L不锈钢的焊接要求较为容易,同时,不锈钢板价格相对36%镍钢(INVAR)便宜。缺点是不锈钢热膨胀系数很大,主屏壁需要采用纵横双向槽形结构,加工较为复杂自动化焊接效率较低。图4为MARK III薄膜型货物围护系统的结构原理图,图5为MARK III薄膜型货物围护系统舱内局部的照片。
 
  
  图4是MARK III薄膜型货物围护系统结构原理图
  
  Top Bridge Pad (绝缘层)顶部桥型连接块
  Secondary triplex membrane三合一次屏蔽薄膜
  Primary stainless steel membrane 不锈钢钢主屏蔽薄膜
  Flat joint 平板绝缘嵌条
  Resin ropes 树脂胶条
  Inner hull 船体内壳
  Polyurethane foam panel 聚氨酯泡沫板
  Flexible triplex joint 三合一次屏蔽薄膜接头
  
  
  图5 MARK III薄膜型货物围护系统货舱内的局部细节,图中箭头所指为复杂的折角槽形转接头和封头
  
  ANGLE CORNERS 90° 直角槽形转接头和封头
  DOG LEGS 转角槽形转接头(狗腿)
  FORMED CAPS 预制封头
 
  薄膜型(CS-1)货物围护系统
  
  CS-1薄膜型货物围护系统是GTT公司结合NO96和MARK III两种系统的优点新开发的薄膜型货物围护系统。其主屏壁采用的是NO96的结构,而次屏壁则是MARK III的结构,角部则非常类似NO96的形式。目前该围护系统仅应用于法国大西洋船厂(现在属于STX Europe)为GDF建造的75000立方米和155000立方米电力推进的LNG船,在其它船厂尚未大范围推广应用。图6为CS-1薄膜型货物围护系统的原理图,图7为法国大西洋船厂制作的CS-1薄膜型货物围护系统模拟舱。
 
  
  图6是CS-1薄膜型货物围护系统模拟舱照片
  
  Top Bridge Pad (绝缘层)顶部桥型连接块
  Secondary triplex membrane三合一次屏蔽薄膜
  Primary invar membrane 殷钢主屏蔽薄膜
  Studs 垂直固定螺栓
  Resin ropes 树脂胶条
  Inner hull 船体内壳
  Polyurethane foam panel 聚氨酯泡沫板
  Flexible triplex joint 三合一次屏蔽薄膜接头
  Invar tube 殷钢管组件
 
  
  图7 法国大西洋船厂制作的CS-1薄膜型货物围护系统模拟舱
  
  在实船建造、气体试验和营运过程中,MARK III和CS-1均发生了类似原因的次屏蔽泄漏事故,给LNG运输公司和船厂带来了巨大的损失,也引起了业界对上述两种LNG围护系统次屏蔽的气密性引起了质疑。相比之下,NO96是目前最为可靠的薄膜型LNG船货物围护系统。作为第四代的LNG货物系统NO96从1983年推向市场以来,已经近三十个年头,相比日新月异的现代工业技术,薄膜型LNG船货物围护系统技术好像显得太古老了?
 
  
  三星重工自主研发的SCA薄膜型LNG围护系统 
  
  2011年9月6日,三星重工在英国伦敦高调发布了SCA(Smart Containment-system Advanced)薄膜型LNG货物围护系统(图 8),此举引起了业界的很大的轰动,SCA系统在蒸发率(BOR)和装载限制要求方面明显优于GTT的MK-III系统。
 
  
  图8 三星重工在伦敦发布了SCA薄膜型LNG货物围护系统
  
  三星重工自主创新的积极性正是来自GTT的高额的专利费,2007年,三星重工和韩国先进科学技术研究所(KAIST,Korean Advanced Institute of Science and Technology)合作研发具有自主知识产权的薄膜型LNG货物围护系统,对于新系统的研发,三星重工选择了一条十分务实的技术创新路线。
  
  首先,三星重工选择了以他们LNG船建造大量采用的MK-III系统作为研发基础以避免技术风险,在MK-III型货物围护系统中,虽然主要专利技术来自GTT,但一些组件、制作工艺和工装上,三星重工也拥有不少专利技术,三星重工也深谙GTT专利技术的保护要点;
  
  其次,2006年至2007年,三星重工建造的MK-III型LNG船的次屏蔽均出现了气密性差等问题,同期,法国大西洋船厂建造的CS-1型LNG船也出现了类似的问题(CS-1型LNG船货物围护系统的次屏蔽材料和结构和MK-III型相同)。GTT当时把这个问题的原因归结在船厂次屏蔽的帖敷施工工艺上,两个船厂为解决此问题付出了很大的代价。因此,三星重工一直想寻找一个次屏蔽的替代材料和结构形式;
  
  第三,薄膜型LNG船在营运过程中均出现了由于晃荡冲击载荷对货物围护系统的损伤,薄膜型货物围护系统在后期维修时工序复杂成本很高;
  
  第四,薄膜型LNG货物围护系统装载高度的限制制约了薄膜型LNG货物围护系统在LNG FSU等海洋工程上的应用,因为这些LNG存储和处理装置在实际营运过程中,液舱内LNG液体不装满的现象十分常见,液舱内薄膜型LNG货物围护系统表面将受到LNG液体由于船舶运动而产生的晃荡冲击和自由液面对船舶稳性的影响,这些因素都不利于薄膜型LNG货物围护系统在FSU等海洋工程上的应用。
  
  针对以上要点,三星重工的SCA系统作了大量的改进和创新,并在伦敦发布会上的模型中得到了充分展示。例如:
  
  1,在MK III主屏蔽的槽型内部填充了一种压力阻尼结构条(PRS:Pressure Resisting Structure);
  
  2,在MK III主屏蔽和绝缘层之间的衬了一层振动缓冲层(VIL:Vibration Isolating Layer);
  
  3,绝缘材料采用了一种新型材料,其厚度和MK III的厚度相同(270mm),但蒸发率由MK III的0.15%下降到0.12%,如果将绝缘层的厚度增加到390mm,蒸发率可降低至0.10%。参见图9;
  
  4,次屏蔽由MK III型的二层玻璃纤维布中间夹一层铝箔的三合一片材改为二层铝箔中间夹一层玻璃纤维布(MCL:Metal Composite Laminate),用PU胶水粘合厚度为0.39mm,这个貌似小小的改动却大大地降低了次屏蔽粘合过程中对胶水施工工艺的要求、改善了次屏蔽的气密性,有效地解决了MK III的次屏蔽的气密性问题。
 
  
  图9 三星重工SCA薄膜型货物围护系统的结构细节
  
  PRS 压力阻尼结构
  Primary barrier with the PRS 带有压力阻尼结构条的主屏蔽
  Secondary Barrier 次屏蔽
  Flat Board 绝缘平板组件
  VIL 振动缓冲层
  Angle Board 角隅板组件
  Liquid Passage 集液通道
  
  为验证和评估SCA货物围护系统的绝热性能、次屏蔽的完整性和施工工艺流程,三星重工制作了三个模拟舱段。通过温度负荷试验、冲击阻尼结构和次屏蔽的密性试验没有发现系统失效的现象。上述模拟舱的制作和验证为SCA的实用化打下了坚实的基础。
 
  
  三星重工自主研发的ABAS阻尼毯 
  
  薄膜型LNG货物围护系统的晃荡冲击不仅对LNG装载高度的限制制约而且会引起蒸发率的增加,这就制约了其在LNG FSU等海洋工程上的应用。对此三星重工开发了一种称之为ABAS(Anti-BOG Anti-Sloshing Blanket)的阻尼毯,并在2011年三月的Gastech国际会议上发布,这种阻尼毯可显著地减少LNG的气体蒸发和晃荡冲击导致的舱内货物围护系统的结构损伤。
  
  使用阻尼毯减少晃荡冲击方法并不是一个十分高深的理论,在以前中国的农村里用木桶担水常常在水面上漂浮一块方形的木块以防止担水过程中水晃出水桶。在运载火箭、空客A330客机和大型卡车的燃料箱内都采用这种阻尼毯以减少液体晃荡冲击。这种阻尼毯是德国的化学品公司BASF发明的,它使用一种叫“BASOTECT”的材料(一种用三聚氰胺制成的蜂窝状泡沫块),这是一种耐低温并在宽广的温度范围内具有稳定的物理性能的轻质材料。2008年,BASF推出了船用版并参加了由三星重工牵头的ABAS的项目组。ABAS由许多一米见方由“BASOTECT”制成的泡沫块,泡沫块中心采用空心的铝合金结构并用“U”型螺栓连接形成阻尼毯,其非常轻的自重可保证它可漂浮在LNG液体表面。
  
  ABAS阻尼毯的海绵状浮体漂浮在LNG表面时,LNG液体会浸润到阻尼毯的海绵体内,从而减弱LNG液面的晃荡冲击,同时由于晃荡的减少而减低了蒸发气的产生。据三星重工宣称,采用这种阻尼毯可取消液舱的装载限制。
  
  通常为解决薄膜型货物围护系统在LNG浮式储油装置应用时的晃荡问题,通常的布置方案是液舱采用纵向双排布置(Two-Row System),这种布置需要纵中舱壁和相应的船体结构,如果采用阻尼毯则不需要这样的双排舱并设置纵中舱壁的结构除非船体的纵总强度的要求,这样船舶的建造成本则会大幅度降低。
  
  采用阻尼毯所带来的另外一个优点是液舱的上部不需要像传统的LNG船为了降低晃荡冲击而设计成45度的斜角,而可设计成垂直的,这样可大幅度提高舱容利用率。
  
  作为一个新的创新事物,也引起了一些业内专家对这种阻尼毯的质疑,例如:
  
  1,当液舱打空检修时,渗透在ABAS阻尼毯的海绵状浮体内和在浮体下面积聚的LNG是否会挥发造成有害区域;
  
  2,阻尼毯边缘在舱内随LNG液体晃荡运动时会对液舱的主屏蔽产生冲击;
  
  3,在阻尼毯的试验过程中,泡沫块中心采用空心的铝合金结构浮体由于低温也出现了微裂纹。
  
  对上述质疑,三星重工的主任工程师Chun Sangeon认为上述第一、二条是完全没有问题的,在设计过程中已经得到了充分的考虑,第三点,他们正在考虑一种替代浮体材料。
 
  
  韩国燃气公司自主研发的KC-1薄膜型LNG围护系统 
  
  韩国燃气公司(KOGAS: Korea Gas Corporation)正在开发一种称之为KC-1 LNG货物围护系统,它的主次屏蔽也是由带有槽型压筋不锈钢制成。KC-1的核心技术来自韩国燃气公司研发的陆用LNG储存舱,韩国燃气公司于2001年研制成功了一个1300立方的陆上储罐作为实验项目,通过这个实验储罐建造和试用,韩国燃气公司对主次屏蔽和绝缘材料的性能进行了低温性能的验证。之后,KC-1 LNG货物围护系统应用在韩国燃气公司设在仁川接收站第19、20号200,000立方的储罐上。
  KC-1 LNG货物围护系统的主次屏蔽也是由1.5毫米厚带有槽型压筋304L不锈钢制成,采用115公斤/立方的聚氨酯材料作为绝缘,参见图10 KC-1LNG货物围护系统剖面图。KC-1 LNG货物围护系统的主次屏蔽间的间距非常近,其基本设计思路是尽量减少船体的变形和主次屏蔽的伸缩对绝缘层的影响。韩国燃气公司于2006年就申请了KC-1在LNG船上应用的专利,并以4艘实船订单邀请韩国船厂在实船建造中应用,但韩国船企响应并不积极,况且还要考虑外国 船东对货物围护系统的倾向性。
  
  Primary Membrane 主屏蔽薄膜
  Secondary Membrane 次屏蔽薄膜
  Primary Corner Membrane 角隅主屏蔽薄膜
  Secondary Corner Membrane 角隅次屏蔽薄膜
  Inter Barrier Board (=Inter Barrier Spacer)主次屏蔽间的保距条
  Corner Anchor 角隅锚固件
  Leveling Plate 平面调整板
 
  主次屏蔽包括中间的保距条可在车间里进行预制并采用等离子对接焊将其拼成大平面板块,再在舱内用等离子搭接焊进行拼接,绝缘层只有一层是胶条粘结在船体结构表面的,主次屏蔽层是通过一种特种的锚固件和绝缘层连接的。KC-1 LNG货物围护系统的最大优点是避免了在压筋槽型上的焊接,这样可大范围地应用自动焊机提高生产效率。参见图11 KC-1 LNG货物围护系统结构示意图。
 
  
  Thick Corner Plate 加厚角隅板
  Primary Membrane 主屏蔽薄膜
  Secondary Membrane 次屏蔽薄膜
  Inter Barrier Board (=Inter Barrier Spacer)主次屏蔽间的保距板条
  Insulation Panel 绝缘层
  Membrane Anchor 薄膜锚固件
  Corner Insulation 角隅绝缘
  Corner Anchor 角隅锚固件
  Corner Membrane 角隅处薄膜
  
  创新韩流能撼动GTT的霸主地位吗?
  
  当中国船企还沉浸在首批LNG船成功交付、摘取了LNG船建造这颗皇冠上明珠的喜悦之中时,三星重工去年在伦敦高调而自信地发布了他们自行研制的LNG船货物围护系统SCA,这无疑对造船界和LNG运输行业引起了很大的震动,此前尽管有KC-1货物围护系统的发布以及一些其它新型围护系统概念的推出,但行业内从来没有人怀疑过GTT的地位会动摇。
  
  相比较三星重工现在使用的GTT MK III系统,新的SCA系统具有蒸发率低,次屏蔽完全气密,施工方便的优点。和韩国另一个由KOGAS自主研发的KC-1系统,SCA系统在技术和工艺上更加成熟一些。
  
  面对三星重工自主研发的SCA LNG船货物围护系统,GTT颇有微词,声称SCA和MK-III有相似之处,正在动用法律手段予以取证,另一方面,摄于三星重工是GTT最大的客户,GTT并未付诸实际行动。GTT正在考虑改进NO96型货物围护系统,拟采用聚苯乙烯发泡材料代替以前的珍珠岩粉,以降低蒸发率。对于标准的155000立方的MK-III型LNG船而言,这意味着一旦三星重工的SCA投入应用,对三星重工自身而言,只需有限的专利维护费和研发成本分摊,这意味着每船可节约七百万美元,约合付给GTT的专利费的八成以上。这个成本优势和韩国船厂本来所具有的建造效率的优势足以抵消韩中船企间的劳动力成本差距。
  
  前段时间炒得沸沸扬扬的GTT出售其股份的意向,意欲争购GTT股权的是现代重工和大宇造船海洋,三星重工无意参与,而注重研发自己的LNG船货物围护系统。三家韩国船企的目的是同样的旨在掌握LNG船货物围护核心技术降低LNG船货物围护专利费。
  
  尽管SCA、KC-1和ABAS让船东接受也许还需要一个实船验证的过程,但三星重工和韩国燃气公司的创新精神和创新方式是非常值得称道的,对此,中国船企不仅要学习更重要的是要反思。