成功制造直径变壁厚复杂连接鹅颈管,中国石油首套3D打印-增材制造试验研究平台投运

2022 年 04 月 11 日

3D打印技术在中国油气行业发挥着越来越重要的作用。目前,这一行业中的一些企业已经开始将3D打印技术应用在零部件重构、增材制造工艺改进、特殊产品制造及教学宣传等领域,并且有望扩大到油气生产、油气田服务以及设备制造领域。

China oil© 中国石油

成就复杂零件

油气运营商越来越愿意考虑将3D打印-增材制造(AM)作为应对其供应链挑战的潜在答案,以实现更高效、更具成本效益的解决方案,以解决持续的库存和远程交付障碍。

oil_valley3D打印在石油天然气领域的应用技术逻辑

电弧增材技术研究系统

根据中国石油网消息,2022年3月底,由工程材料研究院自主设计的中国石油首套增材制造试验研究平台——电弧增材技术研究系统,在西安进行首次联机调试,并成功制造出变直径变壁厚复杂连接鹅颈管等产品。这标志着中国石油金属材料增材技术研发已取得实质性进展。

增材制造通常被称为3D打印。按照热源类型的不同,金属材料的3D打印可分为激光增材、电子束增材、电弧增材等。其中,电弧增材制造采用金属丝材作原料,成形效率和材料利用率高、成本低,力学性能可达到同等锻件水平,特别适合大尺寸复杂构件的快速、高性能生产。

2020年,工程材料研究院凭借雄厚的科研实力,承担了集团公司科技基础条件平台建设项目“电弧增材技术研究系统”的开发任务。两年多来,工程材料研究院加大创新力度,与相关专业公司密切合作,在国内率先采用电弧增材技术打印出大口径低温厚壁三通、钻井大钩钩体等重要产品,并探索掌握了设计方法、材料、工艺、质量评价等全套制造流程,建成了具有自主知识产权的电弧增材试验研究平台。

据了解,增材制造试验研究平台通过集成多种电弧热源、采用机器人和数控机床两种运动系统、结合视觉控制系统动态调整工艺参数、利用激光扫描快速修复缺陷部位、软件内置可二次开发工艺库等一系列创新技术,使产品成形精度、均匀度等大幅提高,并可进行碳钢、合金钢、铝合金、不锈钢、镍基合金等多种材料的增材制造,打印产品重量最大达20吨,成形尺寸最大为2米×2米×1.8米,生产效率最高达8000克/小时,为中国石油后续科研项目的开展和增材产品的制造推广奠定了坚实基础。

正在上升的能源行业3D打印应用

3D 打印正在成为其他行业(如航空航天、汽车和医疗)的成熟制造技术,但能源行业的发展缓慢,主要原因之一是行业内缺乏普遍接受的技术标准,解决这个问题意味着整个供应链的合作,从最终用户、保证供应商到专业3D打印服务公司和OEM。

近年来,油气勘探开发力度不断加大,耐高温高压、高精度、小直径的测井仪器需求量快速增长,但一些结构复杂、材料特殊、集成度高的关键部件,却因加工难度大、周期长而供不应求。测井装备迭代研发的加快,也对复杂结构件制造提出了更高要求。

由于石油天然气行业的特殊性,保持石油和天然气生产设施平稳运行被广泛认为是任何行业中最艰巨的挑战之一。在石油和天然气环境中的高压、严苛服务条件的压力下,关键过程控制组件不可避免地会发生故障。从历史上看,由于平均制造提前期与运营需求不兼容,油气运营商不得不实施昂贵的库存计划,以避免延长停工期的风险。尤其是许多石油和天然气站点还位于偏远或难以进入的地理位置,这使得服务和现场支持成为问题。除非在每个地点都有库存,否则如何能够可靠且快速地向世界遥远角落的设施提供关键零件?而3D打印可以成为快速、小批量的为石油天然气设备制造零部件的解决方案。

中石油在3D打印领域的投入正在加大,其中2015年,中石油旗下中油测井与西安交大、西北工业大学密切合作,开启了3D打印技术的探索之旅。根据中油测井智能制造部负责人刘旭,当初,中油测井专门设计了几种零部件,成型工艺、结构优化、变形控制等均由校方完成。经高温高压测试,首批3D打印的试制品,性能指标完全符合井下恶劣工况测井要求。

中石油旗下的中油测井逐步掌握了金属、树脂、陶瓷等不同材料产品的建模技术、打印工艺、最佳预热时长等,并于2019年成功打印出沟槽种类多、形状不一、结构精巧的阵列感应测井仪线圈骨架。

2020年初,中石油旗下中油测井引进了用于金属和非金属3D打印的激光选区熔化(SLM)和熔融沉积成型(FDM)设备,试制的第一项产品是电成像测井仪的极板。极板要在几千米深的井筒中紧贴井壁工作,加工精度将直接影响测井成功率。

China oil_2© 中国石油

中油测井技术人员结合极板加工余量大,成型过程中易出现开裂、局部变形等实际,在计算机上设计出产品3D数字模型,并按照设定厚度,用切片软件把模型文件分成几千个二维平面,同时,加强质量缺陷分析,优化三维模型,调整应力集中处结构,严控零件装夹误差,合理添加支撑提供反向拉力。

2020年5月14日,经过16个小时连续打印,两块电成像测井仪极板一次成型,质量和性能均达到设计要求。

机遇与挑战并存

大多数现有的金属增材制造技术需要广泛的3D打印参数开发知识,这有时可能是一个劳动密集型的过程,并导致在高效快速地适应不断变化的几何形状和特征方面面临挑战。这些系统还需要对部件进行大量的重新设计,以使其可打印,而不是允许按照最初设计的方式打印部件。此外,整个打印过程的数据对于评估最终部件的质量至关重要。

更重要的是,当前市场上很多增材制造设备的一个限制是:在一台 AM 增材制造设备上设置的打印文件通常不能在另一台机器上直接使用——有时即使它们是相同的品牌和型号——没有用户干预;结果可以是基于单个机器校准的不断变化的文件。这造成了数字库存挑战,类似于油气运营商已经在处理的当前实物库存挑战。

 随着包括中石油等大型油气企业对增材制造技术的投入,势必将进一步推动3D打印技术在质量控制、行业标准方面的发展,3D打印正在逐步成就更可持续发展的能源开采。

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