增材制造技術在油氣裝備制造業的應用現狀與展望

□ 段樹軍 □ 文永川 □ 王 霞 □ 游 娜,3 □ 易 暢 □ 趙維寧

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721002 2.西南石油大學 機電工程學院 成都 610500 3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 陜西寶雞 721002

1 研究背景

增材制造技術是以三維模型數據為基礎,采用材料堆積的方式制造實體零件的技術。與傳統材料切削加工制造工藝不同,增材制造技術是一種自下而上的材料累加制造工藝[1-2]。增材制造技術在三十多年發展歷程中,被稱為材料累加制造、分層制造、快速原型、三維打印等,目前已被廣泛應用于航空、航天、汽車、醫療等行業。鑒于增材制造技術在原型制造、復雜零件制造、小批量生產等方面具有的優勢,國際知名油服公司對增材制造技術在油氣行業的應用進行了積極的探索[3-5]。近幾年來,增材制造技術在油氣裝備制造業的應用場景不斷豐富,筆者對此進行介紹。

2 增材制造技術分類

增材制造技術經歷三十多年的發展,已經形成了多種工藝,國際標準化組織、美國材料與試驗協會將增材制造技術分為粘結劑噴射成型、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融、薄材疊層和光聚合七大類[6]。油氣行業作為增材制造技術應用的追趕領域,目前也探索應用了多種增材制造技術,應用較多的增材制造技術包括立體光固化成型、熔融沉積制造、選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、電子束熔融、直接金屬激光燒結等,各種常見增材制造技術成型原理及工藝特點見表1。

表1 常見增材制造技術成型原理及工藝特點

3 增材制造技術應用現狀

最早出現的增材制造技術是立體光固化成型,主要應用于模具及模型制造,通過鑄造完成零部件的生產。隨著增材制造技術所用材料種類的不斷增加,材料及裝備性能持續提升,采用增材制造技術直接制造零部件的比例在油氣裝備制造業增材制造技術應用中不斷提高。

3.1 快速鑄造

快速鑄造是快速原型技術與傳統鑄造技術的完美結合。立體光固化成型作為成熟的快速鑄造技術,應用于聚晶金剛石鉆頭模具的制作。立體光固化成型在聚晶金剛石鉆頭模具制造過程中的應用,解決了復雜結構聚晶金剛石鉆頭生產制造的難題,提高了聚晶金剛石鉆頭的制造精度及生產效率。隨著增材制造技術不同工藝路線的發展,選擇性激光燒結亦被應用于聚晶金剛石鉆頭模具制作。選擇樹脂砂燒結成型,得到可直接用于聚晶金剛石鉆頭燒結的砂型,如圖1所示。與立體光固化成型相比,選擇性激光燒結進一步提高了生產效率,同時減小了模型翻制過程中人為不確定因素對模型質量的影響,從而更好地保證燒結的聚晶金剛石鉆頭本體與設計的一致性。

▲圖1 選擇性激光燒結成型聚晶金剛石鉆頭砂型

3.2 直接制造

近年來,油氣行業對增材制造技術重視程度不斷提高,技術投入穩步加大,增材制造技術應用于零部件直接生產制造得到了廣泛關注,成型材料已經涵蓋金屬、非金屬、復合材料等多種材料,典型應用方向有復雜結構制造、結構優化、傳熱效率提升等。

3.2.1 復雜結構制造

在復雜結構制造方面,增材制造技術突破了傳統減材、等材工藝難加工或無法加工的局限,制造成本不隨零件復雜性的提高而增加。

中油測井公司采用選擇性激光熔化制造了超大尺寸巖性密度測井儀探頭。巖性密度測井儀探頭表面為不規則弧形,有多處圓弧線切面和多組高精度密封小孔,是測井傳感器中結構較為復雜的部件。使用選擇性激光熔化制造的巖性密度測井儀,探頭尺寸及形位公差均滿足設計要求,抗拉強度提高6%,解決了采用常規加工制造方式存在的加工周期長、制造成本高等突出問題。

寶雞石油機械公司采用選擇性激光熔化制造了井下工具中的流道零件[7],如圖2所示。成型流道零件的端面跳動及圓跳動僅為0.01 mm,制造完成后,通過地面試驗驗證了流道零件滿足設計要求。通過應用增材制造技術,大幅縮短了流道零件的生產周期,加快了產品研發進度。

▲圖2 井下工具流道零件

某些薄壁外筒零件采用常規生產手段制造時,存在材料利用率低、生產周期長、加工難度大等問題,增材制造技術在薄壁結構制造中的應用亦得到了較多關注。

3.2.2 結構優化

與常規制造技術相比,增材制造技術釋放了設計的自由度,可以最大限度發揮設計者的創造力。隨著增材制造技術的不斷發展,結構優化在產品設計中的應用越來越多。

哈里伯頓公司利用立體光固化成型制造了業界第一個具有復雜內部形狀的封隔器密封元件[8],如圖3所示。常規生產手段通常只能制造具有簡單幾何形狀的密封件,這一封隔器密封元件結合屈曲分析加入了內部特征,可以使密封元件在被壓縮時更好地實現密封功能。

▲圖3 封隔器密封元件

在封隔器的結構設計中,哈里伯頓公司還利用金屬增材制造技術制造了密封膠筒防突裝置,如圖4所示[4]。密封膠筒防突裝置從金屬增材制造到熱處理再到后續機加工,總共用時僅為三周,產品開發進度加快明顯。

▲圖4 密封膠筒防突裝置

貝克休斯公司設計了一種用于封隔器的多層花瓣式支承環[9-10],如圖5所示。使用金屬增材制造技術制造這一零件并組裝后,模擬高溫高壓工況進行試驗測試,使這一零件的功能及封隔器的密封效果得到了有效驗證。目前,使用金屬增材制造技術制造的多層花瓣式支承環已規模應用于貝克休斯公司系列超高壓封隔器產品。

貝克休斯公司采用增材制造技術制造的井下流體分析工具中的濾芯如圖6所示。這一濾芯將兩個部件整合為一個,過濾效率得到了提高,使井下流體分析工具的交付周期縮短了65%[11]。

▲圖5 多層花瓣式支承環

▲圖6 井下流體分析工具中濾芯

斯倫貝謝公司利用電子束熔融發明了Aegis鉆頭宙斯盾裝甲保護層技術[12],如圖7所示。通過電子束熔融來制造用于鋼體聚晶金剛石鉆頭的甲片,賦予鋼體聚晶金剛石鉆頭比肩胎體鉆頭的抗沖蝕性能,由此抗沖蝕性能提高400%,抗彎強度提高40%。兩個采用Aegis鉆頭宙斯盾裝甲保護層技術的新型鉆頭共完成八口井的現場應用,應用效果顯示,平均機械鉆速提高36%,累計節省179 h純鉆時間。

▲圖7 Aegis鉆頭宙斯盾裝甲保護層技術

拓撲優化是在滿足約束及使用性能的前提下,在給定區域內對材料分布進行優化的數學方法。拓撲優化后結構通常具有復雜形狀,可制造性較差,增材制造技術的出現解決了這個問題。增材制造技術和拓撲優化相輔相成,拓撲優化為增材制造技術提供設計方案,增材制造技術為拓撲優化提供實現手段,兩者的深度融合已是大勢所趨。埃克森美孚公司和ANSYS公司均就油氣行業增材制造技術在拓撲優化方面的應用進行了探索[13-14]。通用電氣發動機支架拓撲優化前后對比如圖8所示。拓撲優化與增材制造技術結合,為海洋油氣裝備等質量及空間要求嚴格的設備提供了更好的解決方案。

▲圖8 發動機支架拓撲優化前后對比

3.2.3 傳熱效率提升

熱交換器在石油化工行業有廣泛的應用,采用常規生產方法制造的熱交換器通常內部結構簡單,傳熱效率相對較低。強化湍流是強化傳熱的主要途徑,優化熱交換器內部結構是一種有效手段,結構優化后不易結垢,保持流道通暢。內部螺旋結構的熱交換器可以通過增材制造技術生產制造[15],如圖9所示,能夠在給定空間內提供最大的換熱面積。與常規生產方法制造的傳統熱交換器相比,在傳熱效率相同的情況下,采用增材制造技術制造的具有復雜內部結構的熱交換器體積更小,質量更輕。

此外,增材制造技術還可以提升供應鏈的靈活性。貝克休斯公司和阿布扎比國家石油公司對增材制造技術在油氣制造供應鏈中的應用進行了探索[16-17]。貝克休斯公司通過舉例說明闡述了增材制造技術能夠增強售后市場備件供應的彈性,阿布扎比國家石油公司以自身為例,為增材制造技術在油氣供應鏈中的應用制訂了可執行的規則框架及路線圖。增材制造技術可以憑借快速制造優勢,實現及時生產和按需生產,尤其是針對某些不可預測的備件需求,增材制造技術可以顯著縮短交付周期。通過引入增材制造技術降低庫存水平,可以有效減少精益生產中的庫存浪費,為油氣裝備制造企業更好地推進精益生產提供技術支持。

▲圖9 內部螺旋結構熱交換器

4 展望

增材制造技術作為一種能夠推動制造業發生顛覆性變化的技術,在油氣行業有著巨大的應用潛力,但目前在油氣裝備制造業中的應用還很有限。在裝備制造企業加速走出去的大環境下,為使增材制造技術更好地服務于油氣裝備制造業,相關制造企業應該在設計、應用研究、標準等方面進一步加強工作,充分發揮技術優勢。

在設計方面,隨著零件復雜程度的提高,采用增材制造技術生產的產品低成本效益更明顯,這與傳統設計思路截然不同。油氣裝備制造業作為傳統行業,目前設計人員對增材制造技術的認識還不夠充分,相關專家學者已經提出了一些基于增材制造技術的設計方法和設計準則,幫助設計人員快速掌握和使用計算機軟件進行設計制造[18]。設計人員需著重提升原始創新能力,將增材制造技術思維融入產品設計過程,一些基于增材制造技術的一體化設計、結構優化設計案例給予了設計人員很好的啟發。

在應用研究方面,確保得到具有性能穩定、可重復性強的增材制造零部件,并在長期服役過程中安全、可靠,是增材制造技術在油氣裝備制造業應用的焦點問題,相關企業均已開展了增材制造技術工藝及后處理對增材制造零部件性能影響的研究工作,相關研究成果有助于增強油氣裝備制造業信心,加速增材制造技術在油氣裝備制造業的推廣應用。

在標準方面,標準是新技術實現規模化應用的基礎,標準缺失是制約增材制造技術在油氣裝備制造業應用的一個重要因素。油氣行業第一個增材制造技術標準即將發布[19],這一標準定義了金屬材料增材制造技術的最低制造質量要求。油氣行業應充分結合行業特點,建立健全油氣行業增材制造技術標準體系,從而使更安全、廣泛地應用增材制造技術。