3D打印技術在石油機械類難加工零部件方面的應用研究

陳子恒，李新民，惠坤龍，田 柯，雷正明

（西安石油大學 機械工程學院，陜西 西安 710065）

目前，陜北油氣井井深普遍達2000m左右，高溫高壓井深一般達5000m以上。對于石油井下測試來說，油井深度不斷增加，地層溫度也在不斷升高，井內壓力也在逐步升高，因此測井儀常因外部高溫高壓環境無法正常工作，難以得到理想的數據且耗時、耗力，檢修周期長。為此，井下工具保護措施逐步興起。在石油管道運輸中，因為現有的管道熱損耗大，保溫效果不明顯，不得已選用外部加保溫層，這不但影響了檢修周期還增加了投入成本。近年來興起的3D打印技術是一種把數字模型作為基礎，將諸如粉末狀的金屬、塑料等一些可粘合的材料，由逐層打印方法來塑性或者構造出物體的技術，目前國內已經開始利用該項技術工藝。其特點是經濟成本較低，加工周期短，且易于修改產品。

1 3D打印技術在石油機械方面的應用

1.1 3D打印技術的原理

3D打印技術的原理是利用以往的平面打印技術，通過機械噴頭的三維立體運動，逐層利用二維度打印的疊加來實現對曲面的打印，再由增加的層級材料來形成三維的實體，是一種增材過程，是從零開始構建物體。而以往的塑性加工技術，是利用鉆孔、切割、銑削等方式來加工成形的，可看作是消減的過程。在3D打印中其分層逐步加工過程與傳統噴墨打印比較相似，經過預先特殊方法處理的打印用材料，如金屬、陶瓷、樹脂、尼龍、食材、混凝土等都可以用做3D打印的“墨水”。在3D打印技術體系中，新型打印材料、打印工藝、打印設計和控制軟件等是其重要的組成部件，除此之外其核心部件為3D打印機。

1.2 3D打印技術在油井測試類儀器方面的應用

油井測試數據是油田開發生產中不可或缺的資料，同樣也是對油田的開發規律以及油藏動態開展研究的重要根據，因此保證測試數據的準確性至關重要。在油氣生產過程中，受地層溫度和復雜的結構等因素的影響，實際的生產環境復雜且多變，井下工具很容易磨損甚至毀壞，且維修成本高，因此對井下工具的保護技術應運而生。在以往的石油類機械防護產品中大多是分塊加工，然后將井下工具放在其中，用電焊的方式把各部分焊接在一起。由于電焊是超高溫工況加工，其接口處已經改變工具的應力分布及相變，且有可能對井下工具造成一定的損害。

在此背景下，針對石油類井下工具，本研究主要目的是利用3D打印技術來制造一些新的石油機械類零部件，利用3D打印技術分兩部分打印然后實現對接，對石油機械零件進行保護，既在強度上保證性能，又進一步降低成本，縮短生產周期，更好地保護井下工具免受磨損。即：利用3D打印技術，制作一個略大于測井儀的外殼，在加工過程中，可以降低噴頭移動速度或者暫停加工把測井儀放到里面，然后進一步加工成無縫型的保護殼。

選擇3D打印制造保護殼具有以下優點：①節省材料，無邊角廢料，提高打印材料利用效率，進一步降低生產成本；②提高保護殼精度；③不再需要傳統的刀具、夾具和機床或任何模具，直接從計算機圖形數據中生成保護殼形狀；④可以自動、快速、直接、精確地把計算機編程出的設計圖轉化打印為實物模型，制造出可用來安裝的零部件，縮短產品研發周期；⑤提高保護殼硬度、強度、耐高低溫特性，減輕自身重量，等。

1.3 3D打印技術在石油保溫管材方面的應用

傳統制造的保溫管材熱損較高，保溫度低，制造成本高，破損后很難再回收利用。而利用3D打印技術制造出的保溫管材耗能低，污染小，并可以回收后二次利用，且有較好的保溫性能，熱損小，制造成本低。

傳統制造的石油管道多為金屬材質，生活用管多為塑料制品。為了避免金屬材質的管路發生腐蝕，需對其經常維護，同樣塑料材質的管路也需避免老化現象發生。在管材的使用中，主要解決和考慮的是管道的保溫能力。傳統的保溫管材在25℃時的導熱系數不大于0.08W·(m·K)，硬質保溫管材的密度不大于220 kg/m3，半硬質管材不大于200 kg/m3，軟質管材不大于150 kg/m3。通過計算機軟件設計的管材與普通管材看似毫無差別，但是在其內部達到無縫的條件下，還可以再通過調節管壁的厚度來進一步控制管材保溫的效果。針對管壁縫隙可填充保溫材料泡沫劑或者選擇真空。

對于保溫管材的選擇，首先考慮的是管材允許使用的溫度應高于正常操作時介質的最高溫度。其次，當在相同的溫度范圍下有著不同材料可供選擇時，應選用熱導率小、密度小、造價低、易于施工的材料制品。

1.4 3D打印與傳統制造保溫管道的對比

（1）保溫性能。傳統管材一般經過后期加工，通過外部使用泡沫保溫層或者其他保溫層來達到保溫目的。而3D打印管材在加工管道的同時，通過改變管道的管壁結構來實現保溫效果，并且可以通過改變壁厚使管材的保溫性能改變，使管道在南北方溫差大的場合均適用。

（2）防腐性能。一般深埋于地下的管道，或多或少都會被腐蝕，尤其是金屬管材。傳統管道通過給金屬管道表面涂防腐漆或者鍍抗氧化性、酸堿性的物質來實現防腐防氧化。而3D打印管材利用塑料自身的抗氧化性能及ABS材料自身的抗酸堿性能，可不用后期加工實現抗氧化性和防腐性能。

（3）制作成本。傳統管材在制造過程中成本較高，原材料進價高，還要通過后期成形加工，制作成本比較高。且管材密度大，硬度大，質量大，運輸成本高。庫存率受市場影響大。而3D打印使用的材料源于塑料，便于分類回收，且可對廢物進行二次利用，成本低。管材密度小，硬度較小，質量小，運輸成本低。受市場影響小，可以實現即需即供。

（4）導熱率。保溫管材的導熱率非常重要。傳統管材所采用的原材料比較單一，具有恒定的導熱率。金屬管材導熱率大，保溫性能差；塑料管材導熱率較小，保溫性能略好。而3D打印制造的管材，通過調整自身的管壁結構，可以進一步降低導熱率，從而達到更好的保溫效果。

2 結語

3D打印技術具有諸多優勢。而《中國制造2025》也提出要大力發展3D打印技術產業。未來，3D打印不僅在醫療、食品、工業、石油機械等領域大放光彩，也會在中國芯片等高技術制造領域發揮巨大作用。隨著3D打印技術的不斷成熟進化，該技術也必將得到更廣泛的應用。