1張A4紙厚度為0.088毫米,殷瓦鋼的厚度僅為0.7毫米,這種鋼板相當於8張A4紙的厚度,全球僅有中法兩國能製造。殷瓦鋼是製造LNG船最關鍵的材料,LNG運輸船就是液化天然氣運輸船,這種船的建造難度非常大,很多人將它和航空母艦對比,目前只有中美日韓等13個船廠可以建造,被稱為稱為造船業“皇冠上的明珠”。
殷瓦鋼主要的核心製造技術都在法國GTT公司手中,目前也只有我國能獨立研發出殷瓦鋼。GTT公司掌握的殷瓦鋼專利技術達到了壟斷級別,美中韓日等世界大國都離不開GTT公司提供的技術授權,就算GTT公司不生產殷瓦鋼,只提供授權技術服務,每年也有巨大的利潤。
LNG船用來運輸液化天然氣,為了方便運輸,需要將天然氣液化,天然氣主要成分是甲烷,要採用在常壓下低溫冷凍的方法使其液化,甲烷的沸點為-161.5℃,LNG船用-162℃的低溫來液化甲烷。問題來了,如此低的溫度,一般的金屬會發生冷裂的現象,也就是在低溫環境下,金屬的內應力超過合金強度極限時形成的裂紋。
低溫下金屬的強度會大打折扣,1米長的鋁板,溫度降低50度,就會變短2.5毫米,這對於LNG船來說就是毀滅性的災難。建造LNG船最好的材料就是殷瓦鋼了,這種鋼早在1896年就被一名法國物理學家發現了,主要成分是鐵63.8%,鎳36%,碳0.2%,熱膨脹係數非常低,說白了就是它沒有熱脹冷縮的現象。
殷瓦合金膨脹係數小,強度和硬度不高,導熱係數低,塑性和韌性高,主要應用於航天遙感器、熱雙金屬低膨脹層、電子元器件封接材料、顯微鏡和天文望遠鏡中大透鏡的支撐系統、精密儀器、波導管中作結構件、特殊傳輸電纜,提高離子鐳射器穩定性等等。LNG船體與船艙之間還有一層絕緣箱內膽,全部由不膨脹、耐低溫的殷瓦鋼組成。
雖然殷瓦鋼可以用來“冰鎮”天然氣,但是它非常的嬌貴,最薄的鋼板僅有0.7毫米,如果手上有汗液,徒手摸一下,不到一天的時間就會生鏽,這樣整塊鋼板就廢了,並且會影響到臨近的鋼板。所以在焊接過程時,工人要佩戴專用的羊皮吸汗手套,不能有一點汗液。
殷瓦鋼材料厚度分為三個規格,分別是0.7毫米、1.0毫米、1.5毫米,把這種特種鋼造得跟紙一樣薄,不是一件容易的事,在生產過程中更是繁縟複雜,要經過電弧爐冶煉、真空感應熔鍊,Lf精煉、真空氧氣脫碳、真空電弧重熔、電渣重熔、連鑄、熱軋、冷軋等眾多工序,缺一不可,就連美國和德國也無法造出殷瓦鋼。目前僅有中法兩國有這樣的技術。
韓國是全球生產LNG船最多的國家,去年韓國現代重工業、三星重工業、大宇造船3家船廠,為卡達生產100艘LNG船,專案規模為1374億元。但是韓國要從法國GTT公司進口殷瓦鋼,並且用的No.96型液貨圍護系統,也是GTT研發的,所以韓國每生產一艘LNG,就要給法國繳納1000萬美元左右的專利費。
殷瓦鋼的成本很高,是普通鋼材價格的20倍,不是按噸賣的要按公斤賣,1公斤最少100多元,一艘標準的14.7 萬立方米LNG 船,需要殷瓦鋼450噸左右,光殷瓦鋼的成本就需要4800萬元左右。
一艘普通的LNG船的內膽最少由3600片規則的大殷瓦鋼板,和數萬片不規則的小殷瓦鋼板焊接而成的,這些焊縫總長度可達140公里,規則的焊縫可用焊接機器人完成,但是很多狹小的不規則角落必須要人工才能完成,有10%的焊縫需要人工。一個米粒大小的漏洞,就有可能帶來致命後果,導致天然氣揮發造成爆炸。
一直到2005年,我國才有了16名能焊接殷瓦鋼的頂級焊工。殷瓦鋼因為特殊的物理性質,硬度很低很薄,合金含量比普通鋼要高很多,焊接效能差,所以是最難焊接的材料之一。想要學會焊接殷瓦鋼的技術,光培訓費最少需要20萬元,還要經受專業機構嚴格考核,才能獲得GTT公的最高等級焊工證,只有G證才有資格焊接殷瓦鋼,並且每月還得複審。
這就是LNG船內部的液貨艙,它的內壁看著亮晶晶的,由一片片殷瓦鋼片焊接組合起來的,最薄處僅有0.7毫米,光焊縫長度就有百公里左右。為了能在零下163℃的低溫下正常工作,LNG船的貨艙維護系統由2層絕緣箱和2層薄膜組成,這也是整個船體技術含量最高,也最困難的部分。
LNG船外部絕緣箱的材質為充填珍珠岩的層壓板,內部的主、次屏壁採用的殷瓦鋼,一般船體有4個巨型裝載天然氣的液化艙,幾百公里的焊縫不能有一丁點洩漏。如果手印或者汗水不小心落在殷瓦鋼上,鏽蝕的殷瓦鋼也會把周圍的殷瓦鋼腐蝕,就需要全部換掉,花費大量的時間,造船廠會延誤工期無法承受。
工作車間的空氣乾燥度要大於60%,除溼空調是必備的,保證焊接車間的密封性。首先用濃度高於99.7%的無水酒精擦拭,去除水分、灰塵、油汙等雜物,用銼刀打磨掉毛刺,不能快速來回打磨,要自上而下輕輕打磨,打磨後立即清洗。在焊接的過程中,高階焊工要做好防護,戴好羊皮手套,在焊件上不能有一滴汗珠或手印,要求焊工不僅手上要準,更要心裡穩,焊工的情緒波動,會直接影響焊接質量。
普通的電焊機是行不通的,用的是鎢極氬弧焊機,要用純度99.999%的氬氣保護,定位時起弧收弧要儘快完成,只要點一下起弧後就可以立馬熄弧,焊接時鎢極要靠近2塊殷瓦鋼搭接板上邊緣角,但是不能碰到,要從右向左的Z型往返焊接,焊槍擺動頻次為2秒擺動3次,中間不停頓。鋼板間的焊縫燒得要恰到好處,不能焊穿,背面的絕緣箱也不能因為高溫著火。
上面的要求感覺不是很難是吧,但是一條不到4米的焊縫,高階焊工需要5個小時才能焊接完成,並且中間不能停頓,需要一次成型,像魚鱗一樣均勻,往往一干就要3個小時才能停下來休息。其實更像像繡花,一針針均勻地繡上去,最後像像做衣服一樣,把一塊塊的殷瓦鋼連線起來。目前國內,擁有GTT所頒發的焊工資格證書的工人不到200人。
殷瓦鋼的板厚度符合鐳射焊接的應用範疇,但是鐳射焊接能量集中,邊緣部分有著很大的溫差,這樣就加大了焊接應力,影響強度。所以鐳射焊接也有很大的弊端,解決方法就是用分光法獲得雙光束,1束預熱、1束焊接,同步進行,可以有效降低焊接時的溫度梯度,減小應力,在這薄如紙的殷瓦鋼上焊接如繡花一般。
因為這種鋼材焊接難度太大,這也是為何此前全球只有韓國大宇造船廠能夠造LNG船的原因,但是目前的形式變了,我國不但能生產殷瓦鋼,還非常重視高階焊工的培養,基本上都要去歐洲學習焊接技術,這也讓中國成為世界上少數既掌握殷瓦鋼生產,同時也掌握焊接工藝,又能製造LNG船的國家。