什么是可燃冰

　　可燃冰是天然氣水合物的俗稱，主要成分為甲烷，由水分子與氣體分子組成，外貌呈白色，酷似冰雪，可以像固態(tài)酒精那樣，一點火就燃燒，因此被稱為可燃冰。國際上一致認(rèn)為，可燃冰是未來唯一與美國的頁巖一樣可以是石油、天然氣的替代能源?？扇急鶠槭裁茨苋紵?，因為它的基本成分為甲烷，甲烷是一種可燃體，燃燒產(chǎn)物為水與二氧化碳。據(jù)悉，1m3可燃冰約相當(dāng)于164m3的天燃?xì)?，?00L天然氣可使乘人汽車在城市標(biāo)準(zhǔn)公路上行駛300km。

　　可燃冰是即將取代油、氣的新能源，它在哪里呢？據(jù)現(xiàn)有的地質(zhì)資料顯示，它主要蘊(yùn)藏在海底、深湖底部與陸上凍土層下。據(jù)中國國土資源部調(diào)查，其中陸域資源量至少有350億噸油當(dāng)量，而南海的儲量大約為380億噸油當(dāng)量。此外，在東海海域、青藏高原和東北凍土帶的儲量也是數(shù)以幾百億噸油當(dāng)量計算，俄羅斯貝加爾湖據(jù)稱是全世界最大的天然氣水合物即可燃冰的儲藏寶庫。據(jù)稱全世界可燃冰的總儲量的油當(dāng)量比石油的儲量大得多。

　　中國首采可燃冰

　　人們現(xiàn)在已心知肚明可燃冰在哪里，但要把它開采出來，變成工業(yè)用與民用氣態(tài)燃料決非易事。日本科學(xué)家稱，它們2013年首次從可燃冰中分離出甲烷，但是它們并沒有采集到海底可燃冰樣品，只是用管道收集到可燃冰分離的天然氣。而真正從深海底部采集可燃冰的是中國的科技工作者。

　　2007年，中國發(fā)現(xiàn)南海蘊(yùn)藏著數(shù)量非?？捎^的可燃冰，經(jīng)過近10年來的研究，于2017年3月28日在南海約1266m的深海底成功地工業(yè)開采到大量天然氣，在試采期間，采集量達(dá)到約16km3/d，這是中國國土資源部部長姜大明5月20日對外宣布的喜訊，他說，中國在位于南中國海北部距離珠海320km的神狐海域試采可燃冰取得成功，這是一次重大突破，可能帶來全球能源革命。中國地質(zhì)調(diào)查局局長鐘自然說，可燃冰比石油更環(huán)保。

　　中國地質(zhì)調(diào)查局副局長表示，成功規(guī)?；_采這種有益礦物能源的事實說明，中國在理論基礎(chǔ)和相關(guān)技術(shù)方面取得了前所未有的成功，意味著中國在開采可燃冰領(lǐng)域處于領(lǐng)先位置，它將是繼美國引領(lǐng)“頁巖革命”之后，由中國引領(lǐng)的新一輪“天然氣水合物革命”，將推動全世界能源利用格局的改觀。這次試采現(xiàn)場指揮部辦公室主任邱海峻說：“我們現(xiàn)在掌握了這一技術(shù)，有利于解決‘一帶一路’沿線的資源、能源問題，更有力、有利地推動‘一帶一路’沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和融合?！?

　　工業(yè)化開采海底或甚至洋底可燃冰決非易事，決不是二三年就能解決的，需要一段較長的時間例如七八年才能解決，因為這是一場“革命”，有許多技術(shù)方面的難題，也有資金方面的問題。

　　鋁材在新能源革命中的作用

　　在這場新能源革命中，鋁材可派上大用場。鋁是一種不可或缺的基礎(chǔ)材料。鉆探除主要用鋼管外，也可以用鋁合金管；輸送與運輸必須用鋁管與鋁制的容器與貯罐；鉆探與采集可燃冰必須在巨大的平臺上進(jìn)行，制造這種平臺除用90%以上的鋼材與其他材料外，鋁材也占用了相當(dāng)大的比例；港口與海岸設(shè)施的建設(shè)需用一定量的建筑鋁材；可溶解鋁合金成為開采可燃冰的一種高技術(shù)材料。鋁的一系優(yōu)秀性能諸如密度小、資源豐富、價格合理、抗腐蝕性強(qiáng)、綜合力學(xué)性能好、無低溫脆性、加工成形性能好，對環(huán)境友好、可回收性強(qiáng)、易表面處理、可焊接等等，使它在這場新能源革命中登上不可或缺的基礎(chǔ)材料寶座。

　　鉆探管加工技術(shù)中國領(lǐng)先

　　鋁合金鉆控管在石油與天然氣開采中應(yīng)用已有近60年的歷史，早在上世紀(jì)60年代初，美國就開始用2014鋁合金管鉆探石油與石然氣，與鋼管相比，它的優(yōu)點為：質(zhì)量輕，在同一臺鉆機(jī)上可提升更長的鉆桿，提升能源可降低15%——20%，每臺設(shè)備運送的總長度可增加60%，鉆機(jī)能力可以提高50%——100%；安全可靠，不會產(chǎn)生火花，不會燃燒；在有腐蝕性的鉆井中，使用壽命比鋼管的長，特別是對海洋環(huán)境與海水有比鋼管更強(qiáng)的抗蝕性；鉆探性能良好，可增加鉆井深度30%；有較強(qiáng)的耐熱性，鉆進(jìn)深度可達(dá)8km，進(jìn)底溫度達(dá)200℃仍能正常運轉(zhuǎn)；低溫性能好，其強(qiáng)度性能與塑性均隨著溫度的降低而升高。

　　2014合金是一種久經(jīng)考驗的高強(qiáng)度硬鋁，上世紀(jì)20年代已成形，30年代已在飛機(jī)制造中獲得大量應(yīng)用，它的成分（質(zhì)量%）：Si（0.50——1.2），F(xiàn)e0.7，Cu（3.9——5.0），Mn（0.4——1.2)，Mg（0.20——0.8），Cr0.10，Zn0.25，Ti0.15，其他雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余Al。

　　鋁合金鉆探管的結(jié)構(gòu)都是單側(cè)變徑的，可是中國吉林利源精制股份有限公司經(jīng)過幾年研究于2016年成功批量生產(chǎn)內(nèi)外變徑的鉆桿，這在全世界屬首創(chuàng)，使中國一舉成為全球鋁合金鉆桿領(lǐng)跑者。

　　常用鋁合金鉆探管的外徑為50mm——150mm，端頭加厚部分壁厚13mm——27mm，主截面壁厚7.5mm——17mm，端頭加厚部分長度150mm——450mm。雖然鋁合金在油、氣鉆探中的應(yīng)用有相當(dāng)長的歷史，但是現(xiàn)在的用量仍不多，遠(yuǎn)未遍及，主要是人們對其認(rèn)識還不足，二是它的原始成本較高，它的價格約比鋼管高50%，但是它的總成本仍比鋼管的低10%左右，所以還是合算的，特別是使用到期后報廢料的價格仍可達(dá)原始價格的1/3或更多一些，因此應(yīng)加大推廣力度，它的應(yīng)用空間還有較大潛力。

　　天然氣及液化天然氣輸送管道

　　開采可燃冰時必須將它轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，送往發(fā)電站、采暖熱水廠與千家萬戶，作為燃料，這是一種清潔的無污染的高燃值綠色燃料。在這些轉(zhuǎn)變與輸送過程中必須用大量的管材，如鋼管、鋁管、塑料管等。鋁管的價格高，用的較少，只有在那些必需的場合才用。常用的為厚壁擠壓圓管，所謂厚管是指壁厚>6mm的管材，最厚的也不超過20mm。用的合金有1070、3003、包鋁的3003、6061、6063、6351、5083、5086合金等。輸送管的直徑350mm——510mm，壁厚>6mm——21mm。

　　液化天然氣罐

　　可燃冰氣化后變成的氣體就是天然氣，必須使其變成液體，成為液化天然氣（LNG），儲于罐內(nèi)。天然氣必須在-163℃才會液化，在液化過程過會放出一定量的熱，因此，不但貯罐要用無低溫脆性的合金制造，而且熱交換器宜用熱導(dǎo)率高的材料制造，鋁材這兩種性能都優(yōu)秀，是制造LNG罐與熱交換器的上乘材料。LNG罐有船上用的與岸基用的，后者又可分為地上式的與地下的。LNG罐用的代表鋁合金有1100、3003、3004、5052、5083、5454、5456、6061、6063、7039等變形鋁合金與356鑄造鋁合金，用的材料有板材、型材、管材、鑄件、鍛件等，通常一個地上式罐材凈質(zhì)量約1100噸，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%計算，那么制造一個LNG地上貯罐采購鋁材1295t。所用板材一般都為厚板，例如內(nèi)側(cè)板厚度10mm——70mm，用量最大，約占總量的59%，頂板厚度10mm——50mm，用量150噸，占總量的13.6%，底板厚度6mm——25mm，用量100噸，占總量的9.1%。

　　制造貯罐除用無低溫脆性的鋁合金外還可以用含9%Ni的合金鋼與不銹鋼，但是鋁合金是性價比最高的材料。

　　平臺和港基設(shè)施鋁材

　　平臺是一個龐然大物，質(zhì)量輕則幾萬噸，重則十幾萬噸，下部結(jié)構(gòu)不會用鋁材或用的很少，用鋁材多的部位為上層建筑，海港及岸基設(shè)施。同時85%以上為建筑鋁及通用結(jié)構(gòu)鋁材。鋁在建筑方面的規(guī)模化應(yīng)用始于1896年加拿大蒙特利爾人壽保險公司大廈裝上鋁飛檐，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家建筑業(yè)的鋁材消費量僅次于交通運輸業(yè)用量與容器包裝業(yè)之后，中國建筑鋁材的消費量居首，占鋁表觀消費量的41%，2016年的表觀消費量約13200萬噸。建筑鋁材的75%左右為擠壓材，其余的為平軋材及鑄件等，擠壓材的85%以上是用Al-Mg-Si的6063與6061合金生產(chǎn)的，也有不到3%的材料是用7003合金和7005合金擠壓的，平軋建筑鋁材的95%以上為Al-Mn系的3003合金和3004合金、以及1xxx系1050合金等薄板帶?？扇急杉脚_與岸基建筑設(shè)施用的鋁材的工作環(huán)境極為嚴(yán)峻，宜用6063、3003及1050合金制造，同時必須經(jīng)過陽極氧化處理，以防海水及海洋氣氛腐蝕。

　　功勛海洋工程鋁合金5083

　　5083鋁合金在海洋設(shè)備和海岸設(shè)施、液化天然氣裝備中獲得了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，它是一種Al-Mg系合金，成分（質(zhì)量%）：Si0.40，F(xiàn)e0.40，Cu0.10，Mn0.40——1.0，Mg4.0——4.9，Cr0.05——0.25，Zn0.25，Ti0.15，其他雜質(zhì)單個0.05、合計0.15，其余Al，成型于上世紀(jì)40年代后期，是一個美國合金。這個合金家族到2016年底已發(fā)展到有8個成員，可根據(jù)不同情況選用不同的成員：5083、5183A、5183、5283、8283A、8283B、5383、5483。

　　5083型合金的典型用途：艦船、汽車、飛機(jī)與其他航空器、低溫設(shè)備、電訊塔、鉆控裝置、運輸工具、導(dǎo)彈零部件，凡是需要中等強(qiáng)度、相當(dāng)高的抗腐蝕性能的焊接裝置皆可用此合金制造。它們的物理性能：20℃時密度2.66g/cm3，液相線溫度640℃、固相線溫度585℃，20℃——100℃的平均線脹系數(shù)23.8×10-6/℃，20℃的體脹系數(shù)69×10-6/℃，20℃時比熱容900J/（kg·℃），20℃熱導(dǎo)率127W/（M·℃），20℃時的平均等體積電導(dǎo)率31%IACS，20℃時各種狀態(tài)材料的平均電阻率56.0nΩ·m，電阻溫度系數(shù)0.1nΩ·m/℃。在25℃的含53g NaCl/L及3g H2O2/L的水溶液中對0.1N甘汞電極的電位為-0.88V。這類合金材料的退火溫度343℃，不需要保溫，出爐空冷。5083型合金板材的典型抗拉性能見表1。

　　5083-O全金板材的抗剪強(qiáng)度159N/mm2，H34板的為186N/mm2，抗剪屈服強(qiáng)度為拉伸屈服強(qiáng)度的55%，抗壓屈服強(qiáng)度與抗拉性能的相當(dāng)，合金的泊松系數(shù)0.33。合金的正彈性模量71GN/m2，剪切彈性模量26.4GN/mm2，抗壓彈性模性72.4GN/m2。5083-O合金板材的低溫力學(xué)性能見表2，-196℃時的抗拉強(qiáng)度Rm 為室溫時的1.5倍，而伸長率同時上升16個百分點，成為開采可燃冰裝備的難得的寶貴材料。

　　可溶解鋁合金

　　可溶解鋁合金是一種可在純水中快速溶解而且與水的起始反應(yīng)溫度和在水中的溶解速率均能在應(yīng)用中可調(diào)可控的材料，國外在能源鉆探中早已用上這類材料，但中國用的以這類材料制造的壓裂球、橋塞和球座等都是進(jìn)口的，嚴(yán)重限制了能源的增效開采。中國科學(xué)院沈陽金屬研究所2016年研發(fā)成功的可溶解鋁合金一舉解決了此問題。金屬研究所是通過添加低熔點金屬和金種強(qiáng)化合金元素的方法研制成可在純水中即可溶解的鋁合金。這種鋁合金與水起反應(yīng)的溫度從室溫至85℃范圍內(nèi)可調(diào)，溶解速率也可根據(jù)不同工況調(diào)整。此種可溶鋁合金鉆控工件除有良好的溶解性能外，還兼有足夠高的強(qiáng)度和一定的成形性，可采用傳統(tǒng)工藝熔煉鑄造與加工成型，成本較低，適合大規(guī)模應(yīng)用與推廣，對可燃冰開采有一定的促進(jìn)作用。

　　最后，還得說說天然氣的那些事。因為可燃冰是天然氣的水化合物，而天然氣的主要成分為甲烷，甲烷是烷的一種即第一種，烷即烷烴，一類有機(jī)化合物，通式CnH2n+2，是天然氣、石油和可燃冰的主要成分，當(dāng)n=1時即CH4，就是甲烷，甲烷燃燒僅產(chǎn)生H2O和CO2?？扇急コ蟪蔀樘烊粴?，其CH4含量>80%，與少量的C2H6、C3H8等，它們都可燃燒，產(chǎn)物也是水和二氧化碳。

　　天然氣的集輸除液化后由車船運輸外，一般由管道運輸。最早的輸氣管網(wǎng)在中國四川自流井氣田上，用竹木為主原料，與麻布、桐油、石灰制成的防漏氣管道，總計100km長，現(xiàn)在則用鋼管輸送，中國著名的陜京輸氣管線，從陜西靖邊首站至北京石景山衙門口末站，全長84km，管徑660mm，輸氣量（11——20）億Nm3/a是目前國內(nèi)最長的輸氣管線。由于“一帶一路”的建設(shè)，中國與中亞國家、俄羅斯、緬甸等已建成或在建一些國際輸氣線。

　　天然氣液化技術(shù)就是把天然氣通過超低溫環(huán)境中，壓縮到原體積的1/600，成為液體，保持在-161.5℃以下供使用。