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驗樗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可燃冰約相當于164m3的天燃氣，而100L天然氣可使乘人汽車在城市標準公路上行駛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350億噸油當量，而南海的儲量大約為380億噸油當量。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)模化開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、綜合力學性能好、無低溫脆性、加工成形性能好，對環(huán)境友好、可回收性強、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的抗蝕性；鉆探性能良好，可增加鉆井深度30%；有較強的耐熱性，鉆進深度可達8km，進底溫度達200℃仍能正常運轉(zhuǎn)；低溫性能好，其強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)考驗的高強度硬鋁，上世紀20年代已成形，30年代已在飛機制造中獲得大量應(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)用有相當長的歷史，但是現(xiàn)在的用量仍不多，遠未遍及，主要是人們對其認識還不足，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)?；瘧?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。可燃冰采集平臺與岸基建筑設(shè)施用的鋁材的工作環(huán)境極為嚴峻，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，凡是需要中等強度、相當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全金板材的抗剪強度159N/mm2，H34板的為186N/mm2，抗剪屈服強度為拉伸屈服強度的55%，抗壓屈服強度與抗拉性能的相當，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性能見表2，-196℃時的抗拉強度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口的，嚴重限制了能源的增效開采。中國科學院沈陽金屬研究所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，一類有機化合物，通式CnH2n+2，是天然氣、石油和可燃冰的主要成分，當n=1時即CH4，就是甲烷，甲烷燃燒僅產(chǎn)生H2O和CO2?？扇急コ蟪蔀樘烊粴猓銫H4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。

表1 5083合金的典型室溫力學性能

表2 5083型合金O狀態(tài)板材的低溫力學性能