成功制造直徑變壁厚復雜連接鵝頸管，中國石油首套3D打印-增材制造試驗研究平臺投運
3D打印技術在中國油氣行業發揮著越來越重要的作用。目前，這一行業中的一些企業已經開始將3D打印技術應用在零部件重構、增材制造工藝改進、特殊產品制造及教學宣傳等領域，并且有望擴大到油氣生產、油氣田服務以及設備制造領域。
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成就復雜零件
根據3D科學谷，油氣運營商越來越愿意考慮將3D打印-增材制造（AM）作為應對其供應鏈挑戰的潛在答案，以實現更高效、更具成本效益的解決方案，以解決持續的庫存和遠程交付障礙。
3D打印在石油天然氣領域的應用技術邏輯
© 3D科學谷白皮書
電弧增材技術研究系統
根據中國石油網消息，2022年3月底，由工程材料研究院自主設計的中國石油首套增材制造試驗研究平臺——電弧增材技術研究系統，在西安進行首次聯機調試，并成功制造出變直徑變壁厚復雜連接鵝頸管等產品。這標志著中國石油金屬材料增材技術研發已取得實質性進展。
增材制造通常被稱為3D打印。按照熱源類型的不同，金屬材料的3D打印可分為激光增材、電子束增材、電弧增材等。其中，電弧增材制造采用金屬絲材作原料，成形效率和材料利用率高、成本低，力學性能可達到同等鍛件水平，特別適合大尺寸復雜構件的快速、高性能生產。
2020年，工程材料研究院憑借雄厚的科研實力，承擔了集團公司科技基礎條件平臺建設項目“電弧增材技術研究系統”的開發任務。兩年多來，工程材料研究院加大創新力度，與相關專業公司密切合作，在國內率先采用電弧增材技術打印出大口徑低溫厚壁三通、鉆井大鉤鉤體等重要產品，并探索掌握了設計方法、材料、工藝、質量評價等全套制造流程，建成了具有自主知識產權的電弧增材試驗研究平臺。
據了解，增材制造試驗研究平臺通過集成多種電弧熱源、采用機器人和數控機床兩種運動系統、結合視覺控制系統動態調整工藝參數、利用激光掃描快速修復缺陷部位、軟件內置可二次開發工藝庫等一系列創新技術，使產品成形精度、均勻度等大幅提高，并可進行碳鋼、合金鋼、鋁合金、不銹鋼、鎳基合金等多種材料的增材制造，打印產品重量最大達20噸，成形尺寸最大為2米×2米×1.8米，生產效率最高達8000克/小時，為中國石油后續科研項目的開展和增材產品的制造推廣奠定了堅實基礎。
正在上升的能源行業3D打印應用
3D科學谷看到，3D 打印正在成為其他行業（如航空航天、汽車和醫療）的成熟制造技術，但能源行業的發展緩慢，主要原因之一是行業內缺乏普遍接受的技術標準，解決這個問題意味著整個供應鏈的合作，從最終用戶、保證供應商到專業3D打印服務公司和OEM。
近年來，油氣勘探開發力度不斷加大，耐高溫高壓、高精度、小直徑的測井儀器需求量快速增長，但一些結構復雜、材料特殊、集成度高的關鍵部件，卻因加工難度大、周期長而供不應求。測井裝備迭代研發的加快，也對復雜結構件制造提出了更高要求。
根據3D科學谷，由于石油天然氣行業的特殊性，保持石油和天然氣生產設施平穩運行被廣泛認為是任何行業中最艱巨的挑戰之一。在石油和天然氣環境中的高壓、嚴苛服務條件的壓力下，關鍵過程控制組件不可避免地會發生故障。從歷史上看，由于平均制造提前期與運營需求不兼容，油氣運營商不得不實施昂貴的庫存計劃，以避免延長停工期的風險。尤其是許多石油和天然氣站點還位于偏遠或難以進入的地理位置，這使得服務和現場支持成為問題。除非在每個地點都有庫存，否則如何能夠可靠且快速地向世界遙遠角落的設施提供關鍵零件？而3D打印可以成為快速、小批量的為石油天然氣設備制造零部件的解決方案。
中石油在3D打印領域的投入正在加大，其中2015年，中石油旗下中油測井與西安交大、西北工業大學密切合作，開啟了3D打印技術的探索之旅。根據中油測井智能制造部負責人劉旭，當初，中油測井專門設計了幾種零部件，成型工藝、結構優化、變形控制等均由校方完成。經高溫高壓測試，首批3D打印的試制品，性能指標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、陶瓷等不同材料產品的建模技術、打印工藝、最佳預熱時長等，并于2019年成功打印出溝槽種類多、形狀不一、結構精巧的陣列感應測井儀線圈骨架。
2020年初，中石油旗下中油測井引進了用于金屬和非金屬3D打印的激光選區熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）設備，試制的第一項產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。
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中油測井技術人員結合極板加工余量大，成型過程中易出現開裂、局部變形等實際，在計算機上設計出產品3D數字模型，并按照設定厚度，用切片軟件把模型文件分成幾千個二維平面，同時，加強質量缺陷分析，優化三維模型，調整應力集中處結構，嚴控零件裝夾誤差，合理添加支撐提供反向拉力。
2020年5月14日，經過16個小時連續打印，兩塊電成像測井儀極板一次成型，質量和性能均達到設計要求。
機遇與挑戰并存
大多數現有的金屬增材制造技術需要廣泛的3D打印參數開發知識，這有時可能是一個勞動密集型的過程，并導致在高效快速地適應不斷變化的幾何形狀和特征方面面臨挑戰。這些系統還需要對部件進行大量的重新設計，以使其可打印，而不是允許按照最初設計的方式打印部件。此外，整個打印過程的數據對于評估最終部件的質量至關重要。
更重要的是，當前市場上很多增材制造設備的一個限制是：在一臺 AM 增材制造設備上設置的打印文件通常不能在另一臺機器上直接使用——有時即使它們是相同的品牌和型號——沒有用戶干預；結果可以是基于單個機器校準的不斷變化的文件。這造成了數字庫存挑戰，類似于油氣運營商已經在處理的當前實物庫存挑戰。
隨著包括中石油等大型油氣企業對增材制造技術的投入，勢必將進一步推動3D打印技術在質量控制、行業標準方面的發展，3D打印正在逐步成就更可持續發展的能源開采。
(責任編輯：admin)
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