油气运营商越来越愿意考虑将金属增材制造（AM，又名 3D 打印）作为应对此类挑战的潜在答案，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地理障碍。本期，3D科学谷与谷友一起来深度了解3D打印在油气领域的应用、3D打印技术及材料方面的最新进展。

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挑战与机遇并存

       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 (O&G) 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。当前石油天然气开采制造领域对3D打印的采用还存在着很多的挑战，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。

       迄今为止，国石油协会 (API) 还没有发布关于 AM 材料采购或规格的指南。对于有兴趣将更先进的工业 AM 技术应用到其可提供的速度和质量有益的应用中的用户来说，这一直是一个挑战。不过尽管如此，3D打印在石油天然气领域的应用已经形成了一个既定的上升发展趋势。

3D打印-对抗腐蚀的涂层技术-EHLA

© 亚琛Fraunhofer ILT

 3D打印-石油企业在行动

用于大型金属零件、模具、工具和原型的金属 3D 打印是一种改变游戏规则的解决方案，适用于包括工业制造、能源和航空航天在内的各种终端市场。在加快上市速度时，3D打印为设计灵活性和降低成本提供了终极答案。

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I 贝克休斯

     根据世界石油网站2020年11月13日的报道， 伍尔特工业北美公司（WINA）和贝克休斯宣布了一项联合服务计划，旨在扩大其向一系列工业行业的客户提供先进设计、数字库存和定制3D打印服务的能力。WINA与贝克休斯就石油和天然气、可再生能源、发电、海事、汽车和航空航天行业等领域的先进设计和增材制造机会展开合作，为伍尔特带来新的规模和自动化水平全球客户供应链。

       在逆向工程方面，更换关键零件通常意味着交货时间长，或者由于零件停产而导致停机。贝克休斯增材制造服务公司的快速响应服务通过逆向工程重现损坏或停产的零件，从而将维修时间缩短至几天或几周。此外，贝克休斯的工程师通过应用新的高级设计功能来提高替换零件的效率和耐用性，同时评估可能的修改以加强零件的结构设计。具体来说，贝克休斯在增材制造服务领域有其设计与制造基础。贝克休斯早期从使用增材制造技术开始为其自身的设备制造零件，而贝克休斯的工业成像技术则是通过检测增材制造零件获取对增材制造的深入了解。

I  雪佛龙 Chevron

近日，巴菲特增持美国石油公司雪佛龙成为新闻热点，然而很少有人注意到雪佛龙通过3D打印加持其能源开采领域的竞争力。通过3D打印技术，雪佛龙正在探索如何更快地制造零件，以便能够按计划恢复运营。

 © 雪佛龙

在最近的例行维护停机期间，传统制造零件的交货时间延长和供应链延迟对雪佛龙计划的重启计划提出了挑战。雪佛龙的增材工程团队与林肯电气合作，使用增材制造打印满足生产和质量标准的关键替换零件，从而按计划重回进度。

林肯电气公司（美国俄亥俄州克利夫兰）的增材制造解决方案部门，使用公司自己的基于GMAW的WAAM技术，在其20台机器上提供定制化的WAAM打印服务。

林肯大型金属零件的3D打印

© 林肯电气

林肯电气（Lincoln Electric）是焊接和切割设备，自动化和易耗品（例如各种模具钢，不锈钢，镍，青铜和铝合金的焊丝）的长期供应商。根据3D科学谷的了解，十多年来，该公司一直在探索金属增材制造。

林肯电气为雪佛龙提供增材制造服务

© 林肯电气

        林肯电气的不同之处在于，由于林肯制造焊接设备，灵活的自动化系统（机器人和定位器），并拥有CNC机加工技术以及林肯的焊丝原料，林肯不仅在焊接和先进的自动化方面拥有数十年的经验，而且拥有并开发了自己的增材制造软件，该软件不仅将3D模型分成多个层以生成沉积路径，还对机器人和定位器进行编程。

林肯的SculptPrint操作系统最初是为驱动复杂的5轴NC加工而开发的，此后已适应AM增材制造技术。由于林肯拥有该软件，因此可以了解有关WAAM流程的更多信息并提高效率，并可以立即进行更新。在大型母公司的力量的支持下，林肯电气能够在推动整个WAAM流程前进的过程中投资于每个先进技术领域。

林肯目前的WAAM系统的构建空间为1.2 x 1.8 x 1.8米，如果是较窄的零件，则打印量最多可增加到2.7米长。当然如果需要，林肯可以轻松地使用更大的机器人或基座来抬起机器人，以扩展当前的构建范围。根据3D科学谷的进一步了解，林肯正在进行几个项目，这些项目长3.1米，垂直打印1.2到1.5米的线段，并在打印后将它们焊接在一起。

I  中国石油

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。

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。

不仅仅是电弧增材技术，中石油在3D打印领域的投入正在加大，其中早在2015年，中石油旗下中油测井就与西安交大、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。

© 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。

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