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中国引领世界新能源革命 开发可燃冰铝材将派上大用场
发布日期:2017-06-20     来源:第一压铸     浏览次数:
核心提示:中国国土资源部部长姜大明5月20日对外宣布说,中国在位于南中国海北部距离珠海320km的神狐海域试采可燃冰取得成功,这是一次重大突破,可能带来全球能源革命。中国地质调查局局长钟自然说,可燃冰比石油更环保。

什么是可燃冰

可燃冰是天然气水合物的俗称,主要成分为甲烷,由水分子与气体分子组成,外貌呈白色,酷似冰雪,可以像固态酒精那样,一点火就燃烧,因此被称为可燃冰。国际上一致认为,可燃冰是未来唯一与美国的页岩一样可以是石油、天然气的替代能源。可燃冰为什么能燃烧,因为它的基本成分为甲烷,甲烷是一种可燃体,燃烧产物为水与二氧化碳。据悉,1m3可燃冰约相当于164m3的天燃气,而100L天然气可使乘人汽车在城市标准公路上行驶300km。

可燃冰是即将取代油、气的新能源,它在哪里呢?据现有的地质资料显示,它主要蕴藏在海底、深湖底部与陆上冻土层下。据中国国土资源部调查,其中陆域资源量至少有350亿吨油当量,而南海的储量大约为380亿吨油当量。此外,在东海海域、青藏高原和东北冻土带的储量也是数以几百亿吨油当量计算,俄罗斯贝加尔湖据称是全世界最大的天然气水合物即可燃冰的储藏宝库。据称全世界可燃冰的总储量的油当量比石油的储量大得多。

中国首采可燃冰

人们现在已心知肚明可燃冰在哪里,但要把它开采出来,变成工业用与民用气态燃料决非易事。日本科学家称,它们2013年首次从可燃冰中分离出甲烷,但是它们并没有采集到海底可燃冰样品,只是用管道收集到可燃冰分离的天然气。而真正从深海底部采集可燃冰的是中国的科技工作者。

2007年,中国发现南海蕴藏着数量非常可观的可燃冰,经过近10年来的研究,于2017年3月28日在南海约1266m的深海底成功地工业开采到大量天然气,在试采期间,采集量达到约16km3/d,这是中国国土资源部部长姜大明5月20日对外宣布的喜讯,他说,中国在位于南中国海北部距离珠海320km的神狐海域试采可燃冰取得成功,这是一次重大突破,可能带来全球能源革命。中国地质调查局局长钟自然说,可燃冰比石油更环保。

中国地质调查局副局长表示,成功规模化开采这种有益矿物能源的事实说明,中国在理论基础和相关技术方面取得了前所未有的成功,意味着中国在开采可燃冰领域处于领先位置,它将是继美国引领“页岩革命”之后,由中国引领的新一轮“天然气水合物革命”,将推动全世界能源利用格局的改观。这次试采现场指挥部办公室主任邱海峻说:“我们现在掌握了这一技术,有利于解决‘一带一路’沿线的资源、能源问题,更有力、有利地推动‘一带一路’沿线的经济发展和融合。”

工业化开采海底或甚至洋底可燃冰决非易事,决不是二三年就能解决的,需要一段较长的时间例如七八年才能解决,因为这是一场“革命”,有许多技术方面的难题,也有资金方面的问题。

铝材在新能源革命中的作用

在这场新能源革命中,铝材可派上大用场。铝是一种不可或缺的基础材料。钻探除主要用钢管外,也可以用铝合金管;输送与运输必须用铝管与铝制的容器与贮罐;钻探与采集可燃冰必须在巨大的平台上进行,制造这种平台除用90%以上的钢材与其他材料外,铝材也占用了相当大的比例;港口与海岸设施的建设需用一定量的建筑铝材;可溶解铝合金成为开采可燃冰的一种高技术材料。铝的一系优秀性能诸如密度小、资源丰富、价格合理、抗腐蚀性强、综合力学性能好、无低温脆性、加工成形性能好,对环境友好、可回收性强、易表面处理、可焊接等等,使它在这场新能源革命中登上不可或缺的基础材料宝座。

钻探管加工技术中国领先

铝合金钻控管在石油与天然气开采中应用已有近60年的历史,早在上世纪60年代初,美国就开始用2014铝合金管钻探石油与石然气,与钢管相比,它的优点为:质量轻,在同一台钻机上可提升更长的钻杆,提升能源可降低15%~20%,每台设备运送的总长度可增加60%,钻机能力可以提高50%~100%;安全可靠,不会产生火花,不会燃烧;在有腐蚀性的钻井中,使用寿命比钢管的长,特别是对海洋环境与海水有比钢管更强的抗蚀性;钻探性能良好,可增加钻井深度30%;有较强的耐热性,钻进深度可达8km,进底温度达200℃仍能正常运转;低温性能好,其强度性能与塑性均随着温度的降低而升高。

2014合金是一种久经考验的高强度硬铝,上世纪20年代已成形,30年代已在飞机制造中获得大量应用,它的成分(质量%):Si(0.50~1.2),Fe0.7,Cu(3.9~5.0),Mn(0.4~1.2),Mg(0.20~0.8),Cr0.10,Zn0.25,Ti0.15,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余Al。

铝合金钻探管的结构都是单侧变径的,可是中国吉林利源精制股份有限公司经过几年研究于2016年成功批量生产内外变径的钻杆,这在全世界属首创,使中国一举成为全球铝合金钻杆领跑者。

常用铝合金钻探管的外径为50mm~150mm,端头加厚部分壁厚13mm~27mm,主截面壁厚7.5mm~17mm,端头加厚部分长度150mm~450mm。虽然铝合金在油、气钻探中的应用有相当长的历史,但是现在的用量仍不多,远未遍及,主要是人们对其认识还不足,二是它的原始成本较高,它的价格约比钢管高50%,但是它的总成本仍比钢管的低10%左右,所以还是合算的,特别是使用到期后报废料的价格仍可达原始价格的1/3或更多一些,因此应加大推广力度,它的应用空间还有较大潜力。

天然气及液化天然气输送管道

开采可燃冰时必须将它转变为气体,送往发电站、采暖热水厂与千家万户,作为燃料,这是一种清洁的无污染的高燃值绿色燃料。在这些转变与输送过程中必须用大量的管材,如钢管、铝管、塑料管等。铝管的价格高,用的较少,只有在那些必需的场合才用。常用的为厚壁挤压圆管,所谓厚管是指壁厚>6mm的管材,最厚的也不超过20mm。用的合金有1070、3003、包铝的3003、6061、6063、6351、5083、5086合金等。输送管的直径350mm~510mm,壁厚>6mm~21mm。

液化天然气罐

可燃冰气化后变成的气体就是天然气,必须使其变成液体,成为液化天然气(LNG),储于罐内。天然气必须在-163℃才会液化,在液化过程过会放出一定量的热,因此,不但贮罐要用无低温脆性的合金制造,而且热交换器宜用热导率高的材料制造,铝材这两种性能都优秀,是制造LNG罐与热交换器的上乘材料。LNG罐有船上用的与岸基用的,后者又可分为地上式的与地下的。LNG罐用的代表铝合金有1100、3003、3004、5052、5083、5454、5456、6061、6063、7039等变形铝合金与356铸造铝合金,用的材料有板材、型材、管材、铸件、锻件等,通常一个地上式罐材净质量约1100吨,其中板材占82%,型材占9%,其他占9%,如果制造的材料利用率按85%计算,那么制造一个LNG地上贮罐采购铝材1295t。所用板材一般都为厚板,例如内侧板厚度10mm~70mm,用量最大,约占总量的59%,顶板厚度10mm~50mm,用量150吨,占总量的13.6%,底板厚度6mm~25mm,用量100吨,占总量的9.1%。

制造贮罐除用无低温脆性的铝合金外还可以用含9%Ni的合金钢与不锈钢,但是铝合金是性价比最高的材料。

平台和港基设施铝材

平台是一个庞然大物,质量轻则几万吨,重则十几万吨,下部结构不会用铝材或用的很少,用铝材多的部位为上层建筑,海港及岸基设施。同时85%以上为建筑铝及通用结构铝材。铝在建筑方面的规模化应用始于1896年加拿大蒙特利尔人寿保险公司大厦装上铝飞檐,现在工业发达国家建筑业的铝材消费量仅次于交通运输业用量与容器包装业之后,中国建筑铝材的消费量居首,占铝表观消费量的41%,2016年的表观消费量约13200万吨。建筑铝材的75%左右为挤压材,其余的为平轧材及铸件等,挤压材的85%以上是用Al-Mg-Si的6063与6061合金生产的,也有不到3%的材料是用7003合金和7005合金挤压的,平轧建筑铝材的95%以上为Al-Mn系的3003合金和3004合金、以及1xxx系1050合金等薄板带。可燃冰采集平台与岸基建筑设施用的铝材的工作环境极为严峻,宜用6063、3003及1050合金制造,同时必须经过阳极氧化处理,以防海水及海洋气氛腐蚀。

功勋海洋工程铝合金5083

5083铝合金在海洋设备和海岸设施、液化天然气装备中获得了相当广泛的应用,它是一种Al-Mg系合金,成分(质量%):Si0.40,Fe0.40,Cu0.10,Mn0.40~1.0,Mg4.0~4.9,Cr0.05~0.25,Zn0.25,Ti0.15,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余Al,成型于上世纪40年代后期,是一个美国合金。这个合金家族到2016年底已发展到有8个成员,可根据不同情况选用不同的成员:5083、5183A、5183、5283、8283A、8283B、5383、5483。

5083型合金的典型用途:舰船、汽车、飞机与其他航空器、低温设备、电讯塔、钻控装置、运输工具、导弹零部件,凡是需要中等强度、相当高的抗腐蚀性能的焊接装置皆可用此合金制造。它们的物理性能:20℃时密度2.66g/cm3,液相线温度640℃、固相线温度585℃,20℃~100℃的平均线胀系数23.8×10-6/℃,20℃的体胀系数69×10-6/℃,20℃时比热容900J/(kg·℃),20℃热导率127W/(M·℃),20℃时的平均等体积电导率31%IACS,20℃时各种状态材料的平均电阻率56.0nΩ·m,电阻温度系数0.1nΩ·m/℃。在25℃的含53g NaCl/L及3g H2O2/L的水溶液中对0.1N甘汞电极的电位为-0.88V。这类合金材料的退火温度343℃,不需要保温,出炉空冷。5083型合金板材的典型抗拉性能见表1。

表1 5083合金的典型室温力学性能

5083-O全金板材的抗剪强度159N/mm2,H34板的为186N/mm2,抗剪屈服强度为拉伸屈服强度的55%,抗压屈服强度与抗拉性能的相当,合金的泊松系数0.33。合金的正弹性模量71GN/m2,剪切弹性模量26.4GN/mm2,抗压弹性模性72.4GN/m2。5083-O合金板材的低温力学性能见表2,-196℃时的抗拉强度Rm 为室温时的1.5倍,而伸长率同时上升16个百分点,成为开采可燃冰装备的难得的宝贵材料。

表2 5083型合金O状态板材的低温力学性能

可溶解铝合金

可溶解铝合金是一种可在纯水中快速溶解而且与水的起始反应温度和在水中的溶解速率均能在应用中可调可控的材料,国外在能源钻探中早已用上这类材料,但中国用的以这类材料制造的压裂球、桥塞和球座等都是进口的,严重限制了能源的增效开采。中国科学院沈阳金属研究所2016年研发成功的可溶解铝合金一举解决了此问题。金属研究所是通过添加低熔点金属和金种强化合金元素的方法研制成可在纯水中即可溶解的铝合金。这种铝合金与水起反应的温度从室温至85℃范围内可调,溶解速率也可根据不同工况调整。此种可溶铝合金钻控工件除有良好的溶解性能外,还兼有足够高的强度和一定的成形性,可采用传统工艺熔炼铸造与加工成型,成本较低,适合大规模应用与推广,对可燃冰开采有一定的促进作用。

最后,还得说说天然气的那些事。因为可燃冰是天然气的水化合物,而天然气的主要成分为甲烷,甲烷是烷的一种即第一种,烷即烷烃,一类有机化合物,通式CnH2n+2,是天然气、石油和可燃冰的主要成分,当n=1时即CH4,就是甲烷,甲烷燃烧仅产生H2O和CO2。可燃冰去除水后成为天然气,其CH4含量>80%,与少量的C2H6、C3H8等,它们都可燃烧,产物也是水和二氧化碳。

天然气的集输除液化后由车船运输外,一般由管道运输。最早的输气管网在中国四川自流井气田上,用竹木为主原料,与麻布、桐油、石灰制成的防漏气管道,总计100km长,现在则用钢管输送,中国着名的陕京输气管线,从陕西靖边首站至北京石景山衙门口末站,全长84km,管径660mm,输气量(11~20)亿Nm3/a是目前国内最长的输气管线。由于“一带一路”的建设,中国与中亚国家、俄罗斯、缅甸等已建成或在建一些国际输气线。

天然气液化技术就是把天然气通过超低温环境中,压缩到原体积的1/600,成为液体,保持在-161.5℃以下供使用。

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