油氣運營商越來越愿意考慮將金屬增材制造（AM，又名 3D 打印）作為應對此類挑戰的潛在答案，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地理障礙。本期，3D科學谷與谷友一起來深度了解3D打印在油氣領域的應用、3D打印技術及材料方面的最新進展。

© 3D科學谷白皮書

挑戰與機遇并存

       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 (O&G) 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。當前石油天然氣開采制造領域對3D打印的采用還存在著很多的挑戰，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。

       迄今為止，國石油協會 (API) 還沒有發布關于 AM 材料采購或規格的指南。對于有興趣將更先進的工業 AM 技術應用到其可提供的速度和質量有益的應用中的用戶來說，這一直是一個挑戰。不過盡管如此，3D打印在石油天然氣領域的應用已經形成了一個既定的上升發展趨勢。

3D打印-對抗腐蝕的涂層技術-EHLA

© 亞琛Fraunhofer ILT

 3D打印-石油企業在行動

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則的解決方案，適用于包括工業制造、能源和航空航天在內的各種終端市場。在加快上市速度時，3D打印為設計靈活性和降低成本提供了終極答案。

© 3D科學谷白皮書

I 貝克休斯

     根據世界石油網站2020年11月13日的報道， 伍爾特工業北美公司（WINA）和貝克休斯宣布了一項聯合服務計劃，旨在擴大其向一系列工業行業的客戶提供先進設計、數字庫存和定制3D打印服務的能力。WINA與貝克休斯就石油和天然氣、可再生能源、發電、海事、汽車和航空航天行業等領域的先進設計和增材制造機會展開合作，為伍爾特帶來新的規模和自動化水平全球客戶供應鏈。

       在逆向工程方面，更換關鍵零件通常意味著交貨時間長，或者由于零件停產而導致停機。貝克休斯增材制造服務公司的快速響應服務通過逆向工程重現損壞或停產的零件，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用新的高級設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零件的結構設計。具體來說，貝克休斯在增材制造服務領域有其設計與制造基礎。貝克休斯早期從使用增材制造技術開始為其自身的設備制造零件，而貝克休斯的工業成像技術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，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域的競爭力。通過3D打印技術，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運營。

 © 雪佛龍

在最近的例行維護停機期間，傳統制造零件的交貨時間延長和供應鏈延遲對雪佛龍計劃的重啟計劃提出了挑戰。雪佛龍的增材工程團隊與林肯電氣合作，使用增材制造打印滿足生產和質量標準的關鍵替換零件，從而按計劃重回進度。

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，在其20臺機器上提供定制化的WAAM打印服務。

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）的長期供應商。根據3D科學谷的了解，十多年來，該公司一直在探索金屬增材制造。

林肯電氣為雪佛龍提供增材制造服務

© 林肯電氣

        林肯電氣的不同之處在于，由于林肯制造焊接設備，靈活的自動化系統（機器人和定位器），并擁有CNC機加工技術以及林肯的焊絲原料，林肯不僅在焊接和先進的自動化方面擁有數十年的經驗，而且擁有并開發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，還對機器人和定位器進行編程。

林肯的SculptPrint操作系統最初是為驅動復雜的5軸NC加工而開發的，此后已適應AM增材制造技術。由于林肯擁有該軟件，因此可以了解有關WAAM流程的更多信息并提高效率，并可以立即進行更新。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流程前進的過程中投資于每個先進技術領域。

林肯目前的WAAM系統的構建空間為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。當然如果需要，林肯可以輕松地使用更大的機器人或基座來抬起機器人，以擴展當前的構建范圍。根據3D科學谷的進一步了解，林肯正在進行幾個項目，這些項目長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。

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。

不僅僅是電弧增材技術，中石油在3D打印領域的投入正在加大，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。

© 中國石油

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。

(責任編輯：admin)

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