当前,大多数液化天然气(LNG)货舱和燃料罐均采用国际海事组织(IMO)批准的36%镍钢、9%镍钢、不锈钢和铝制造。另一种成本更低且坚固耐用的新材料——高锰钢(Hi Mn)也越来越受到关注。
虽然经IMO批准的传统材料能够满足液化天然气低温储存的严格要求,但由于其成本高昂且生产率较低,导致制造成本居高不下,由此增加了LNG运输船和LNG动力船的造船成本。对此,韩国船企韩华海洋(原大宇造船海洋)和韩国钢铁制造商浦项制铁于2010年开展了一项联合开发项目(JDP),以研究使用高锰钢材料的可行性。
参与此联合开发项目的还包括ABS、BV、DNV、KR、LR五大船级社。该项目旨在开发和商业化LNG货舱和燃料罐,使其在满足低温储存条件方面具有相同或更优越的性能,同时降低材料成本并提高生产率。该项目于十年前(2013年)完成,具有十分重要的意义。
在今年7月于温哥华举行的“LNG 2023”大会上,韩华海洋研发院院长Joong Kyoo Kang在“液化天然气运输船设计和液化天然气动力船进展”专题讨论会上详细介绍了JDP的研究成果以及韩国船厂随后使用高锰钢材料开发IMO B型和IMO C型燃料罐并将其商业化的情况。
为了评估高锰钢材料,韩华海洋将其低温性能与现有材料进行了比较,包括IMO批准并列入《国际天然气规范》(IGC)和《国际燃料规范》(IGF)的用于LNG储罐制造的9%镍钢、不锈钢和铝。在为期三年的研究中,项目团队面临多项复杂的技术挑战。在此期间,韩华海洋负责开发高锰钢建造技术、模型制造、低温测试、低温储罐设计,并对安全性进行了评估;浦项制铁负责开发高锰钢材料和焊接材料;船级社负责提供工程支持和材料审批,并进行低温测试和设计模拟检验。
Joong Kyoo Kang指出,其他国家曾多次尝试将低温高锰钢商业化,但由于难以生产出无缺陷的钢材而失败。其主要原因之一是难以开发合适的焊接材料。通过各种疲劳测试,韩华海洋与浦项制铁合作开发并改进了适合各种焊接工艺的焊接材料。
与其他具有类似低温强度的材料相比,使用高锰钢制造LNG储罐可以通过减少厚度来减轻重量,从而通过节省材料提高生产率和竞争力。此外,高锰钢的热膨胀系数低,可减少LNG储罐内部温度变化引起的热应力,使其在设计方面更具优势。
浦项制铁发布的报告显示,其低温高锰钢在全球具有较高的生产率,而且价格相对低廉。除了韧性和抗拉强度优于传统材料外,高锰钢还比9%镍钢的成本低30%。这种钢含有22.5%至25.5%的锰,即使在零下196 ℃的低温条件下也能保持出色的强度。韩国国内对高锰钢的期望很高,认为高锰钢将提升韩国多个行业的竞争力。
2018年,国际海事组织海事安全委员会批准了在低温LNG储罐和燃料罐中应用高锰钢的临时指南。该指南概述了设计和制造LNG货舱和燃料罐采用高锰钢时的要求,确保符合IMO的安全规范。
目前,韩华海洋已经自主研制出IMO B型和IMO C型LNG储罐设计,并分别以高锰钢独立B型货舱(MCTIBR)和高锰钢独立C型货舱储罐(Mc-CR)开始接单,以区别于现有的由9%镍钢制造的IMO B型和IMO C型LNG储罐。
Joong Kyoo Kang指出,业界普遍认为,IMO B型储罐是集装箱船LNG储罐最有效、最可靠的解决方案,因为它具有空间效率高、结构坚固、防晃动的特点。B型储罐的特点是采用部分二级阻隔层,而不是全部二级阻隔层。这种局部二级阻隔层包括主阻隔层上的泄漏路径、滴水盘以及主阻隔层(即油箱边界)防泄漏安全性的高端验证工程。
作为韩华海洋建造的核心船型之一,在散货船和超大型原油运输船(VLCC)的LNG双燃料设计中,IMO C型储罐由于具有相对更宽敞的露天甲板面积而被采用。韩华海洋与韩国合作伙伴开发了一种独立的Hi-Mn IMO C型储罐。
韩华海洋与浦项制铁长达10年的研发努力已初见成效。目前,韩华海洋已经获得了36艘LNG动力船的Hi-Mn IMO C型储罐订单,包括22艘集装箱船MCTIBR B 型储罐订单和14艘超大型油轮Mc-CR C型储罐订单。2022年6月,大宇造船海洋在一艘VLCC上安装了使用高锰钢材料制成的IMO C型LNG燃料罐,这是全球造船业首次在VLCC上搭载高锰钢LNG燃料罐。
此外,2022年,韩华海洋与浦项制铁还就开发应用造船新材料和适合新材料要求的焊接技术签署协议。根据协议,双方准备研发可在高压低温条件下运输液化二氧化碳的特殊钢材,以及用于储存和运输低温(-235℃)液化氢的高锰钢材料,同时致力于开发氨燃料动力船需要的氨燃料罐材料和焊接技术,并在未来应用于环保船舶。