當前,大多數液化天然氣(LNG)貨艙和燃料罐均采用國際海事組織(IMO)批準的36%鎳鋼、9%鎳鋼、不銹鋼和鋁制造。另一種成本更低且堅固耐用的新材料——高錳鋼(Hi Mn)也越來越受到關注。
雖然經IMO批準的傳統材料能夠滿足液化天然氣低溫儲存的嚴格要求,但由于其成本高昂且生產率較低,導致制造成本居高不下,由此增加了LNG運輸船和LNG動力船的造船成本。對此,韓國船企韓華海洋(原大宇造船海洋)和韓國鋼鐵制造商浦項制鐵于2010年開展了一項聯合開發項目(JDP),以研究使用高錳鋼材料的可行性。
參與此聯合開發項目的還包括ABS、BV、DNV、KR、LR五大船級社。該項目旨在開發和商業化LNG貨艙和燃料罐,使其在滿足低溫儲存條件方面具有相同或更優越的性能,同時降低材料成本并提高生產率。該項目于十年前(2013年)完成,具有十分重要的意義。
在今年7月于溫哥華舉行的“LNG 2023”大會上,韓華海洋研發院院長Joong Kyoo Kang在“液化天然氣運輸船設計和液化天然氣動力船進展”專題討論會上詳細介紹了JDP的研究成果以及韓國船廠隨后使用高錳鋼材料開發IMO B型和IMO C型燃料罐并將其商業化的情況。
為了評估高錳鋼材料,韓華海洋將其低溫性能與現有材料進行了比較,包括IMO批準并列入《國際天然氣規范》(IGC)和《國際燃料規范》(IGF)的用于LNG儲罐制造的9%鎳鋼、不銹鋼和鋁。在為期三年的研究中,項目團隊面臨多項復雜的技術挑戰。在此期間,韓華海洋負責開發高錳鋼建造技術、模型制造、低溫測試、低溫儲罐設計,并對安全性進行了評估;浦項制鐵負責開發高錳鋼材料和焊接材料;船級社負責提供工程支持和材料審批,并進行低溫測試和設計模擬檢驗。
Joong Kyoo Kang指出,其他國家曾多次嘗試將低溫高錳鋼商業化,但由于難以生產出無缺陷的鋼材而失敗。其主要原因之一是難以開發合適的焊接材料。通過各種疲勞測試,韓華海洋與浦項制鐵合作開發并改進了適合各種焊接工藝的焊接材料。
與其他具有類似低溫強度的材料相比,使用高錳鋼制造LNG儲罐可以通過減少厚度來減輕重量,從而通過節省材料提高生產率和競爭力。此外,高錳鋼的熱膨脹系數低,可減少LNG儲罐內部溫度變化引起的熱應力,使其在設計方面更具優勢。
浦項制鐵發布的報告顯示,其低溫高錳鋼在全球具有較高的生產率,而且價格相對低廉。除了韌性和抗拉強度優于傳統材料外,高錳鋼還比9%鎳鋼的成本低30%。這種鋼含有22.5%至25.5%的錳,即使在零下196 ℃的低溫條件下也能保持出色的強度。韓國國內對高錳鋼的期望很高,認為高錳鋼將提升韓國多個行業的競爭力。
2018年,國際海事組織海事安全委員會批準了在低溫LNG儲罐和燃料罐中應用高錳鋼的臨時指南。該指南概述了設計和制造LNG貨艙和燃料罐采用高錳鋼時的要求,確保符合IMO的安全規范。
目前,韓華海洋已經自主研制出IMO B型和IMO C型LNG儲罐設計,并分別以高錳鋼獨立B型貨艙(MCTIBR)和高錳鋼獨立C型貨艙儲罐(Mc-CR)開始接單,以區別于現有的由9%鎳鋼制造的IMO B型和IMO C型LNG儲罐。
Joong Kyoo Kang指出,業界普遍認為,IMO B型儲罐是集裝箱船LNG儲罐最有效、最可靠的解決方案,因為它具有空間效率高、結構堅固、防晃動的特點。B型儲罐的特點是采用部分二級阻隔層,而不是全部二級阻隔層。這種局部二級阻隔層包括主阻隔層上的泄漏路徑、滴水盤以及主阻隔層(即油箱邊界)防泄漏安全性的高端驗證工程。
作為韓華海洋建造的核心船型之一,在散貨船和超大型原油運輸船(VLCC)的LNG雙燃料設計中,IMO C型儲罐由于具有相對更寬敞的露天甲板面積而被采用。韓華海洋與韓國合作伙伴開發了一種獨立的Hi-Mn IMO C型儲罐。
韓華海洋與浦項制鐵長達10年的研發努力已初見成效。目前,韓華海洋已經獲得了36艘LNG動力船的Hi-Mn IMO C型儲罐訂單,包括22艘集裝箱船MCTIBR B 型儲罐訂單和14艘超大型油輪Mc-CR C型儲罐訂單。2022年6月,大宇造船海洋在一艘VLCC上安裝了使用高錳鋼材料制成的IMO C型LNG燃料罐,這是全球造船業首次在VLCC上搭載高錳鋼LNG燃料罐。
此外,2022年,韓華海洋與浦項制鐵還就開發應用造船新材料和適合新材料要求的焊接技術簽署協議。根據協議,雙方準備研發可在高壓低溫條件下運輸液化二氧化碳的特殊鋼材,以及用于儲存和運輸低溫(-235℃)液化氫的高錳鋼材料,同時致力于開發氨燃料動力船需要的氨燃料罐材料和焊接技術,并在未來應用于環保船舶。