油氣運(yùn)營商越來越愿意考慮將金屬增材制造（AM，又名 3D 打印）作為應(yīng)對此類挑戰(zhàn)的潛在答案，以實(shí)現(xiàn)更高效、更具成本效益的解決方案，以解決持續(xù)的庫存和地理障礙。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來深度了解3D打印在油氣領(lǐng)域的應(yīng)用、3D打印技術(shù)及材料方面的最新進(jìn)展。

© 3D科學(xué)谷白皮書

挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

       保持石油和天然氣生產(chǎn)設(shè)施平穩(wěn)運(yùn)行被廣泛認(rèn)為是任何行業(yè)中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。在石油和天然氣 (O&G) 環(huán)境中的高壓、嚴(yán)苛服務(wù)條件的壓力下，關(guān)鍵過程控制組件不可避免地會發(fā)生故障。從歷史上看，由于平均制造提前期與運(yùn)營需求不兼容，油氣運(yùn)營商不得不實(shí)施昂貴的庫存計劃，以避免延長停工期的風(fēng)險。當(dāng)前石油天然氣開采制造領(lǐng)域?qū)?D打印的采用還存在著很多的挑戰(zhàn)，大多數(shù)現(xiàn)有的金屬增材制造技術(shù)需要廣泛的3D打印參數(shù)開發(fā)知識，這有時可能是一個勞動密集型的過程，并導(dǎo)致在高效快速地適應(yīng)不斷變化的幾何形狀和特征方面面臨挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)還需要對部件進(jìn)行大量的重新設(shè)計，以使其可打印，而不是允許按照最初設(shè)計的方式打印部件。此外，整個打印過程的數(shù)據(jù)對于評估最終部件的質(zhì)量至關(guān)重要。更重要的是，當(dāng)前市場上很多增材制造設(shè)備的一個限制是：在一臺 AM 增材制造設(shè)備上設(shè)置的打印文件通常不能在另一臺機(jī)器上直接使用——有時即使它們是相同的品牌和型號——沒有用戶干預(yù)；結(jié)果可以是基于單個機(jī)器校準(zhǔn)的不斷變化的文件。這造成了數(shù)字庫存挑戰(zhàn)，類似于油氣運(yùn)營商已經(jīng)在處理的當(dāng)前實(shí)物庫存挑戰(zhàn)。

       迄今為止，國石油協(xié)會 (API) 還沒有發(fā)布關(guān)于 AM 材料采購或規(guī)格的指南。對于有興趣將更先進(jìn)的工業(yè) AM 技術(shù)應(yīng)用到其可提供的速度和質(zhì)量有益的應(yīng)用中的用戶來說，這一直是一個挑戰(zhàn)。不過盡管如此，3D打印在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)形成了一個既定的上升發(fā)展趨勢。

3D打印-對抗腐蝕的涂層技術(shù)-EHLA

© 亞琛Fraunhofer ILT

 3D打印-石油企業(yè)在行動

用于大型金屬零件、模具、工具和原型的金屬 3D 打印是一種改變游戲規(guī)則的解決方案，適用于包括工業(yè)制造、能源和航空航天在內(nèi)的各種終端市場。在加快上市速度時，3D打印為設(shè)計靈活性和降低成本提供了終極答案。

© 3D科學(xué)谷白皮書

I 貝克休斯

     根據(jù)世界石油網(wǎng)站2020年11月13日的報道， 伍爾特工業(yè)北美公司（WINA）和貝克休斯宣布了一項(xiàng)聯(lián)合服務(wù)計劃，旨在擴(kuò)大其向一系列工業(yè)行業(yè)的客戶提供先進(jìn)設(shè)計、數(shù)字庫存和定制3D打印服務(wù)的能力。WINA與貝克休斯就石油和天然氣、可再生能源、發(fā)電、海事、汽車和航空航天行業(yè)等領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計和增材制造機(jī)會展開合作，為伍爾特帶來新的規(guī)模和自動化水平全球客戶供應(yīng)鏈。

       在逆向工程方面，更換關(guān)鍵零件通常意味著交貨時間長，或者由于零件停產(chǎn)而導(dǎo)致停機(jī)。貝克休斯增材制造服務(wù)公司的快速響應(yīng)服務(wù)通過逆向工程重現(xiàn)損壞或停產(chǎn)的零件，從而將維修時間縮短至幾天或幾周。此外，貝克休斯的工程師通過應(yīng)用新的高級設(shè)計功能來提高替換零件的效率和耐用性，同時評估可能的修改以加強(qiáng)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體來說，貝克休斯在增材制造服務(wù)領(lǐng)域有其設(shè)計與制造基礎(chǔ)。貝克休斯早期從使用增材制造技術(shù)開始為其自身的設(shè)備制造零件，而貝克休斯的工業(yè)成像技術(shù)則是通過檢測增材制造零件獲取對增材制造的深入了解。

I  雪佛龍 Chevron

近日，巴菲特增持美國石油公司雪佛龍成為新聞熱點(diǎn)，然而很少有人注意到雪佛龍通過3D打印加持其能源開采領(lǐng)域的競爭力。通過3D打印技術(shù)，雪佛龍正在探索如何更快地制造零件，以便能夠按計劃恢復(fù)運(yùn)營。

 © 雪佛龍

在最近的例行維護(hù)停機(jī)期間，傳統(tǒng)制造零件的交貨時間延長和供應(yīng)鏈延遲對雪佛龍計劃的重啟計劃提出了挑戰(zhàn)。雪佛龍的增材工程團(tuán)隊(duì)與林肯電氣合作，使用增材制造打印滿足生產(chǎn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵替換零件，從而按計劃重回進(jìn)度。

林肯電氣公司（美國俄亥俄州克利夫蘭）的增材制造解決方案部門，使用公司自己的基于GMAW的WAAM技術(shù)，在其20臺機(jī)器上提供定制化的WAAM打印服務(wù)。

林肯大型金屬零件的3D打印

© 林肯電氣

林肯電氣（Lincoln Electric）是焊接和切割設(shè)備，自動化和易耗品（例如各種模具鋼，不銹鋼，鎳，青銅和鋁合金的焊絲）的長期供應(yīng)商。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，十多年來，該公司一直在探索金屬增材制造。

林肯電氣為雪佛龍?zhí)峁┰霾闹圃旆��?wù)

© 林肯電氣

        林肯電氣的不同之處在于，由于林肯制造焊接設(shè)備，靈活的自動化系統(tǒng)（機(jī)器人和定位器），并擁有CNC機(jī)加工技術(shù)以及林肯的焊絲原料，林肯不僅在焊接和先進(jìn)的自動化方面擁有數(shù)十年的經(jīng)驗(yàn)，而且擁有并開發(fā)了自己的增材制造軟件，該軟件不僅將3D模型分成多個層以生成沉積路徑，還對機(jī)器人和定位器進(jìn)行編程。

林肯的SculptPrint操作系統(tǒng)最初是為驅(qū)動復(fù)雜的5軸NC加工而開發(fā)的，此后已適應(yīng)AM增材制造技術(shù)。由于林肯擁有該軟件，因此可以了解有關(guān)WAAM流程的更多信息并提高效率，并可以立即進(jìn)行更新。在大型母公司的力量的支持下，林肯電氣能夠在推動整個WAAM流程前進(jìn)的過程中投資于每個先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。

林肯目前的WAAM系統(tǒng)的構(gòu)建空間為1.2 x 1.8 x 1.8米，如果是較窄的零件，則打印量最多可增加到2.7米長。當(dāng)然如果需要，林肯可以輕松地使用更大的機(jī)器人或基座來抬起機(jī)器人，以擴(kuò)展當(dāng)前的構(gòu)建范圍。根據(jù)3D科學(xué)谷的進(jìn)一步了解，林肯正在進(jìn)行幾個項(xiàng)目，這些項(xiàng)目長3.1米，垂直打印1.2到1.5米的線段，并在打印后將它們焊接在一起。

I  中國石油

根據(jù)中國石油網(wǎng)消息，2022年3月底，由工程材料研究院自主設(shè)計的中國石油首套增材制造試驗(yàn)研究平臺——電弧增材技術(shù)研究系統(tǒng)，在西安進(jìn)行首次聯(lián)機(jī)調(diào)試，并成功制造出變直徑變壁厚復(fù)雜連接鵝頸管等產(chǎn)品。這標(biāo)志著中國石油金屬材料增材技術(shù)研發(fā)已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

2020年，工程材料研究院憑借雄厚的科研實(shí)力，承擔(dān)了集團(tuán)公司科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)項(xiàng)目“電弧增材技術(shù)研究系統(tǒng)”的開發(fā)任務(wù)。兩年多來，工程材料研究院加大創(chuàng)新力度，與相關(guān)專業(yè)公司密切合作，在國內(nèi)率先采用電弧增材技術(shù)打印出大口徑低溫厚壁三通、鉆井大鉤鉤體等重要產(chǎn)品，并探索掌握了設(shè)計方法、材料、工藝、質(zhì)量評價等全套制造流程，建成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電弧增材試驗(yàn)研究平臺。

據(jù)了解，增材制造試驗(yàn)研究平臺通過集成多種電弧熱源、采用機(jī)器人和數(shù)控機(jī)床兩種運(yùn)動系統(tǒng)、結(jié)合視覺控制系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整工藝參數(shù)、利用激光掃描快速修復(fù)缺陷部位、軟件內(nèi)置可二次開發(fā)工藝庫等一系列創(chuàng)新技術(shù)，使產(chǎn)品成形精度、均勻度等大幅提高，并可進(jìn)行碳鋼、合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金等多種材料的增材制造，打印產(chǎn)品重量最大達(dá)20噸，成形尺寸最大為2米×2米×1.8米，生產(chǎn)效率最高達(dá)8000克/小時，為中國石油后續(xù)科研項(xiàng)目的開展和增材產(chǎn)品的制造推廣奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。

不僅僅是電弧增材技術(shù)，中石油在3D打印領(lǐng)域的投入正在加大，其中早在2015年，中石油旗下中油測井就與西安交大、西北工業(yè)大學(xué)密切合作，開啟了3D打印技術(shù)的探索之旅。根據(jù)中油測井智能制造部負(fù)責(zé)人劉旭，當(dāng)初，中油測井專門設(shè)計了幾種零部件，成型工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形控制等均由校方完成。經(jīng)高溫高壓測試，首批3D打印的試制品，性能指標(biāo)完全符合井下惡劣工況測井要求。

中石油旗下的中油測井逐步掌握了金屬、樹脂、陶瓷等不同材料產(chǎn)品的建模技術(shù)、打印工藝、最佳預(yù)熱時長等，并于2019年成功打印出溝槽種類多、形狀不一、結(jié)構(gòu)精巧的陣列感應(yīng)測井儀線圈骨架。

2020年初，中石油旗下中油測井引進(jìn)了用于金屬和非金屬3D打印的激光選區(qū)熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）設(shè)備，試制的第一項(xiàng)產(chǎn)品是電成像測井儀的極板。極板要在幾千米深的井筒中緊貼井壁工作，加工精度將直接影響測井成功率。

© 中國石油

中油測井技術(shù)人員結(jié)合極板加工余量大，成型過程中易出現(xiàn)開裂、局部變形等實(shí)際，在計算機(jī)上設(shè)計出產(chǎn)品3D數(shù)字模型，并按照設(shè)定厚度，用切片軟件把模型文件分成幾千個二維平面，同時，加強(qiáng)質(zhì)量缺陷分析，優(yōu)化三維模型，調(diào)整應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)，嚴(yán)控零件裝夾誤差，合理添加支撐提供反向拉力。2020年5月14日，經(jīng)過16個小時連續(xù)打印，兩塊電成像測井儀極板一次成型，質(zhì)量和性能均達(dá)到設(shè)計要求。

(責(zé)任編輯：admin)

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