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　　什么是可燃冰
　　可燃冰是天然氣水合物的俗稱(chēng)，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(diǎn)火就燃燒，因此被稱(chēng)為可燃冰。國(guó)際上一致認(rèn)為，可燃冰是未來(lái)唯一與美國(guó)的頁(yè)巖一樣可以是石油、天然氣的替代能源。可燃冰為什么能燃燒，因?yàn)樗幕境煞譃榧淄?，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(chē)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(guó)國(guó)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(chǔ)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(chǔ)量也是數(shù)以幾百億噸油當(dāng)量計(jì)算，俄羅斯貝加爾湖據(jù)稱(chēng)是全世界最大的天然氣水合物即可燃冰的儲(chǔ)藏寶庫(kù)。據(jù)稱(chēng)全世界可燃冰的總儲(chǔ)量的油當(dāng)量比石油的儲(chǔ)量大得多。
　　中國(guó)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(kāi)采出來(lái)，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(chēng)，它們2013年首次從可燃冰中分離出甲烷，但是它們并沒(méi)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(guó)的科技工作者。
　　2007年，中國(guó)發(fā)現(xiàn)南海蘊(yùn)藏著數(shù)量非常可觀的可燃冰，經(jīng)過(guò)近10年來(lái)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(kāi)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(guó)國(guó)土資源部部長(zhǎng)姜大明5月20日對(duì)外宣布的喜訊，他說(shuō)，中國(guó)在位于南中國(guó)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(lái)全球能源革命。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局局長(zhǎng)鐘自然說(shuō)，可燃冰比石油更環(huán)保。
　　中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局副局長(zhǎng)表示，成功規(guī)?；_(kāi)采這種有益礦物能源的事實(shí)說(shuō)明，中國(guó)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(guó)在開(kāi)采可燃冰領(lǐng)域處于領(lǐng)先位置，它將是繼美國(guó)引領(lǐng)“頁(yè)巖革命”之后，由中國(guó)引領(lǐng)的新一輪“天然氣水合物革命”，將推動(dòng)全世界能源利用格局的改觀。這次試采現(xiàn)場(chǎng)指揮部辦公室主任邱海峻說(shuō)：“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(wèn)題，更有力、有利地推動(dòng)‘一帶一路’沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和融合。”
　　工業(yè)化開(kāi)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(zhǎng)的時(shí)間例如七八年才能解決，因?yàn)檫@是一場(chǎng)“革命”，有許多技術(shù)方面的難題，也有資金方面的問(wèn)題。
　　鋁材在新能源革命中的作用
　　在這場(chǎng)新能源革命中，鋁材可派上大用場(chǎng)。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(yùn)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(tái)上進(jìn)行，制造這種平臺(tái)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(kāi)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(jià)格合理、抗腐蝕性強(qiáng)、綜合力學(xué)性能好、無(wú)低溫脆性、加工成形性能好，對(duì)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(chǎng)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(guó)領(lǐng)先
　　鋁合金鉆控管在石油與天然氣開(kāi)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(guó)就開(kāi)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(diǎn)為：質(zhì)量輕，在同一臺(tái)鉆機(jī)上可提升更長(zhǎng)的鉆桿，提升能源可降低15%~20%，每臺(tái)設(shè)備運(yùn)送的總長(zhǎng)度可增加60%，鉆機(jī)能力可以提高50%~100%；安全可靠，不會(huì)產(chǎn)生火花，不會(huì)燃燒；在有腐蝕性的鉆井中，使用壽命比鋼管的長(zhǎng)，特別是對(duì)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(yùn)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(yàn)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(gè)0.05、合計(jì)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(guó)吉林利源精制股份有限公司經(jīng)過(guò)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(guó)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(zhǎng)度150mm~450mm。雖然鋁合金在油、氣鉆探中的應(yīng)用有相當(dāng)長(zhǎng)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(duì)其認(rèn)識(shí)還不足，二是它的原始成本較高，它的價(jià)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(bào)廢料的價(jià)格仍可達(dá)原始價(jià)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(kāi)采可燃冰時(shí)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(wàn)戶，作為燃料，這是一種清潔的無(wú)污染的高燃值綠色燃料。在這些轉(zhuǎn)變與輸送過(guò)程中必須用大量的管材，如鋼管、鋁管、塑料管等。鋁管的價(jià)格高，用的較少，只有在那些必需的場(chǎng)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(guò)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(chǔ)于罐內(nèi)。天然氣必須在-163℃才會(huì)液化，在液化過(guò)程過(guò)會(huì)放出一定量的熱，因此，不但貯罐要用無(wú)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(gè)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(jì)算，那么制造一個(gè)LNG地上貯罐采購(gòu)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(wú)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(jià)比最高的材料。
　　平臺(tái)和港基設(shè)施鋁材
　　平臺(tái)是一個(gè)龐然大物，質(zhì)量輕則幾萬(wàn)噸，重則十幾萬(wàn)噸，下部結(jié)構(gòu)不會(huì)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(shí)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)?；瘧?yīng)用始于1896年加拿大蒙特利爾人壽保險(xiǎn)公司大廈裝上鋁飛檐，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家建筑業(yè)的鋁材消費(fèi)量?jī)H次于交通運(yùn)輸業(yè)用量與容器包裝業(yè)之后，中國(guó)建筑鋁材的消費(fèi)量居首，占鋁表觀消費(fèi)量的41%，2016年的表觀消費(fèi)量約13200萬(wàn)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。可燃冰采集平臺(tái)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(shí)必須經(jīng)過(guò)陽(yáng)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(gè)0.05、合計(jì)0.15，其余Al，成型于上世紀(jì)40年代后期，是一個(gè)美國(guó)合金。這個(gè)合金家族到2016年底已發(fā)展到有8個(gè)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(chē)、飛機(jī)與其他航空器、低溫設(shè)備、電訊塔、鉆控裝置、運(yùn)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(shí)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(shí)比熱容900J/（kg·℃），20℃熱導(dǎo)率127W/（M·℃），20℃時(shí)的平均等體積電導(dǎo)率31%IACS，20℃時(shí)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(duì)0.1N甘汞電極的電位為-0.88V。這類(lèi)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(jiàn)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(jiàn)表2，-196℃時(shí)的抗拉強(qiáng)度Rm 為室溫時(shí)的1.5倍，而伸長(zhǎng)率同時(shí)上升16個(gè)百分點(diǎn)，成為開(kāi)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(guó)外在能源鉆探中早已用上這類(lèi)材料，但中國(guó)用的以這類(lèi)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(kāi)采。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)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(wèn)題。金屬研究所是通過(guò)添加低熔點(diǎn)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(duì)可燃冰開(kāi)采有一定的促進(jìn)作用。
　　最后，還得說(shuō)說(shuō)天然氣的那些事。因?yàn)榭扇急翘烊粴獾乃衔?，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(lèi)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(shí)即CH4，就是甲烷，甲烷燃燒僅產(chǎn)生H2O和CO2。可燃冰去除水后成為天然氣，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(chē)船運(yùn)輸外，一般由管道運(yùn)輸。最早的輸氣管網(wǎng)在中國(guó)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(jì)100km長(zhǎng)，現(xiàn)在則用鋼管輸送，中國(guó)著名的陜京輸氣管線，從陜西靖邊首站至北京石景山衙門(mén)口末站，全長(zhǎng)84km，管徑660mm，輸氣量（11~20）億Nm3/a是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的輸氣管線。由于“一帶一路”的建設(shè)，中國(guó)與中亞國(guó)家、俄羅斯、緬甸等已建成或在建一些國(guó)際輸氣線。
　　天然氣液化技術(shù)就是把天然氣通過(guò)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。

表1 5083合金的典型室溫力學(xué)性能

表2 5083型合金O狀態(tài)板材的低溫力學(xué)性能