根據3D科學谷的市場觀察，油氣運營商越來越願意考慮將金屬增材制造（AM，又名 3D 打印）作爲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。
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挑戰與機遇並存
根據3D科學谷，保持石油和天然氣生産設施平穩運行被廣泛認爲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。從曆史上看，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，並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：在一台 AM 增材制造設備上設置的打印文件通常不能在另一台機器上直接使用——有時即使它們是相同的品牌和型號——沒有用戶幹預；結果可以是基于單個機器校准的不斷變化的文件。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。
迄今爲止，根據3D科學谷的市場觀察，美國石油協會 (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-對抗腐蝕的塗層技術-EHLA
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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 打印是一種改變遊戲規則的解決方案，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打印爲設計靈活性和降低成本提供了終極答案。
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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，爲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，或者由于零件停産而導致停機。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産的零件，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，根據3D科學谷的市場觀察，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爲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。（延伸閱讀：無微不至的檢測）
I 雪佛龍 Chevron
近日，巴菲特增持美國石油公司雪佛龍成爲新聞熱點，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，以便能夠按計劃恢複運營。
© 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啓計劃提出了挑戰。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産和質量標准的關鍵替換零件，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台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，不鏽鋼，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。
林肯電氣爲雪佛龍提供增材制造服務
© 林肯電氣
根據3D科學谷的進一步了解，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），並擁有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，而且擁有並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操作系統最初是爲驅動複雜的5軸NC加工而開發的，此後已適應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流程的更多信息並提高效率，並可以立即進行更新。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系統的構建空間爲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擡起機器人，以擴展當前的構建範圍。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，並在打印後將它們焊接在一起。
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台——電弧增材技術研究系統，在西安進行首次聯機調試，並成功制造出變直徑變壁厚複雜連接鵝頸管等産品。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台建設項目“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、鑽井大鈎鈎體等重要産品，並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産權的電弧增材試驗研究平台。
據了解，增材制造試驗研究平台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複缺陷部位、軟件內置可二次開發工藝庫等一系列創新技術，使産品成形精度、均勻度等大幅提高，並可進行碳鋼、合金鋼、鋁合金、不鏽鋼、鎳基合金等多種材料的增材制造，打印産品重量最大達20噸，成形尺寸最大爲2米×2米×1.8米，生産效率最高達8000克/小時，爲中國石油後續科研項目的開展和增材産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，開啓了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、陶瓷等不同材料産品的建模技術、打印工藝、最佳預熱時長等，並于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，試制的第一項産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，在計算機上設計出産品3D數字模型，並按照設定厚度，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。
I 殼牌
2022年，殼牌和 LRQA（前身爲勞氏船級社）已根據歐洲壓力設備指令 (PED) 對3D打印壓力容器進行了認證。這是 4 年合作的成果，殼牌是歐洲第一家能源領域就內部 3D 打印零件獲得第三方權威機構 CE 認證的公司，LRQA 將3D打印容器歸類爲 PED III 類。
3D科學谷了解到該容器是通過殼牌阿姆斯特丹能源轉型園區的粉末床熔化增材制造設備制造的，設計用于高達 220 bar的壓力。該認證是能源行業的一個重要裏程碑，因爲迄今爲止，還沒有專門針對 3D 打印壓力容器的立法或全球標准，缺乏法規意味著通常不允許使用 3D 打印壓力設備。殼牌通過3D打印壓力容器來收集研究數據，這些數據有助于提高該行業對增材制造的信任，這使得壓力容器的庫存可以變爲數字化，作爲一種“及時”采購備件的技術解決方案，而不是通過多年儲存實物備件。
© 殼牌
殼牌與相關技術專家還一起運行多個其他零件的增材制造項目，以獲取 3D 打印各種應用的知識，從備件管理到快速原型制作和測試新穎設計。壓力容器的鑒定工作提供了寶貴的數據點和見解，以支持與標准機構的討論，以擴大更多增材制造的零件的使用。
根據3D科學谷的了解，殼牌將繼續成爲能源領域增材制造研發領域的領導者，殼牌通過與全球多個合作夥伴合作，以發展自己的能力和 3D 打印在能源領域的應用範圍。殼牌現在擁有的知識還可以幫助其合作夥伴認證他們的3D打印零部件以進行商業化。
在過去的幾年裏，殼牌通過能源領域的一些全球增材制造項目繼續增加對 3D 打印和數字零件管理的依賴。例如，殼牌利用3D打印技術顯著降低了尼日利亞周邊海上業務的成本，並與能源公司貝克休斯合作開發按需 3D打印葉輪，可將交貨時間縮短多達 75%。
最近，根據3D科學谷的了解，殼牌與制造服務提供商 3D Metalforge 合作，爲其海上設施之一提供 3D 打印的熱交換器零件。這種熱交換器零件含有專用微型管道的設計，有助于殼牌通過降低零件故障的可能性來最大限度地減少其設備停機時間。
而殼牌的內部3D 打印能力建設則始于 2011 年，當時使用金屬激光打印機制造獨特的測試設備，如今，殼牌在其位于阿姆斯特丹和班加羅爾的技術中心擁有大約 15 台塑料、陶瓷和金屬打印機。
© 殼牌
殼牌的 3D 打印策略不是自己制造零件。相反，旨在與殼牌的技術權威、原始設備制造商和當地合作夥伴合作，開發一個數字倉庫，存儲在需要時3D打印組件所需的所有信息。由當地生態系統支持的數字倉庫將真正縮短交貨時間、更加負責任地使用資源，並爲殼牌運營所在的當地社區帶來進步。
在制造現場，使用 3D 打印服務可減少庫存組件的需要。團隊只需打印所需的替換件，既節省時間又節省金錢。例如，在荷蘭的 Pernis 煉油廠，殼牌正在測試使用 3D 打印爲生産關鍵的 7 級離心泵生産葉輪，這是用于關鍵服務多級泵組件的同類增材制造應用中的第一個零件。
該項目是與Baker Hughes-貝克休斯密切合作進行的，貝克休斯將打印該零件。該試點項目——如果成功——將意味著煉油廠可以“及時”供應 3D 打印泵葉輪，而不是儲存多年的備件。據估計，與使用傳統制造工藝相比，3D 打印這些生産關鍵部件的供應時間減少了 75%。
此外，2021 年 11 月 2 日，3D Metalforge（ASX：3MF）宣布成功將增材制造的換熱器部件交付給殼牌裕廊島的化工基地。殼牌裕廊島工程師選擇使用 3D Metalforge 的增材制造 (AM) 技術和工藝來加快制造換熱器管組件所需的交貨時間。
© 殼牌
熱交換器是用來使熱量從熱流體傳遞到冷流體，以滿足規定工藝要求的裝置，是對流傳熱及熱傳導的一種工業應用。熱交換器不僅能提高設備運行效率、延長設備使用壽命、還能提高能源利用率、保障設備的安全，因此廣泛應用于航空航天、汽車、電子設備、工業設備領域。
在這個案例中，3D Metalforge在打印和測試之前爲零件創建數字文件。熱交換器組件在創紀錄的兩周內成功安裝並完成，3D打印的熱交換器部件縮短了交貨時間。實現了更快、更經濟高效地交付關鍵備件的方法，以幫助殼牌這樣的公司減少設備停機時間。
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殼牌在3D打印領域積累了豐富的制造經驗，尤其是液壓零件、熱交換器零件等高附加值零件的增材制造，關于3D打印在液壓零件、熱交換器方面的應用，請參考《3D打印液壓控制系統的技術類型、設計邏輯及發展現狀與展望》、《從管殼、板翅到點陣、螺旋，3D打印熱交換器的技術邏輯與展望》。
I 更多
在一個案例中， IMI Critical 現已交付了最高關鍵性增材制造規範級別 3 (AMSL 3)，即用于現場服務的首件組件構建零件，還符合 API20S 草案要求，是在由合約制造商 Knust-Godwin 運營的 VELO3D Sapphire AM 系統上打印的。
© IMI Critical
AM增材制造系統制造商VELO3D 爲 IMI Critical 提供所需水平的先進 AM 技術。與同時也是 API 委員會成員的主要油氣運營商合作，VELO3D的該解決方案包括自動預構建系統校准和端到端構建質量監控和報告——這些功能提供的數據類型正是 API20S 的許多目標所基于的數據類型。該聯合項目的長期目標是建立一個現場測量數據綱要，以支持 AM 生産部件認證的路徑，以及未來建立更精確的材料特性和測試方法規範。
對于團隊項目，O&G 操作員選擇了一個常用的節流閥籠。該部件制造時帶有用于端口的簡單槽孔，由于高壓降操作中的修邊腐蝕，這些槽孔可能會出現振動和損壞問題。
從創建這個部件到今天，流量控制行業已經發生了很大的變化。一項創新是 IMI Critical 的技術改進 DRAG®，DRAG®由一系列離散的多級流路組成，可以更好地控制流體速度並防止振動和修剪侵蝕問題。多年來一直生産金屬 AM 部件的 IMI Critical 看到了一個商機，不僅可以“按需”更換部件，還可以通過 DRAG 提高其性能。
不僅僅是以上這些案例，根據3D科學谷的市場觀察，石油天然氣領域對3D打印技術的采用步伐正在加快，其中Howco公司2020年還購買全新的SLM Solutions的SLM®500選區激光熔化設備。Howco公司是全球領先的石油、天然氣行業原材料分銷商，這台增材制造設備將用于Howco公司新建于得克薩斯州休斯頓的增材制造工廠。
而國際質量保證和風險管理公司DNVGL還在新加坡推出全球增材制造中心，致力于石油天然氣，海洋和海洋（O＆M）領域3D打印技術的研發。
DNVGL通過新加坡的增材制造中心，通過3D打印硬件，工藝，材料和3D打印部件認證的技術標准和指導方針，加速O＆M行業中3D打印的應用。
3D打印-更耐腐蝕的材料技術
I ODS合金
2022年，歐洲地平線 HORIZON 2020發起topAM 項目，支持開發3D打印ODS氧化物彌散強化合金。ODS合金是基于馬氏體鋼和鐵素體鋼的基礎上形成的材料，由于本身的晶體結構，體立方中心的鋼基體可以形成具有彌散的柯氏氣體團，形成超穩定的強化態，具有抗高溫蠕變的特性。
在這個項目中，亞琛工業大學通過微觀結構演化模擬軟件進行的有限元法 (FEM) 模擬顯示，在項目中考慮的基礎合金中加入氧化物後，在改善微觀結構方面取得了可喜的成果，項目期待著第一個機械和腐蝕測試結果。
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歐盟資助的 topAM 項目的目標是開發新的工藝路線，用于制造氧化物彌散強化合金，該合金由金屬基體（FeCrAl、Ni 和 NiCu）組成，其中散布著小的氧化物顆粒。這些合金將作爲3D打印增材制造的粉末生産，並爲加工工業提供競爭優勢。
topAM 項目將降低ODS成本、提高能源效率和卓越的性能，同時顯著延長使用壽命。該項目由在與該提案相關的領域處于世界領先地位的用戶、材料供應商和研究機構組成，這保證了 topAM 的高效、高水平、面向應用的執行。工業項目合作夥伴，尤其是中小企業，將因其在材料加工價值鏈中的戰略地位而獲得更高的競爭力，例如粉末生産，以與集成計算材料工程 ICME 的獨特結合，鞏固歐洲在 AM 增材制造這一新興技術領域的領先地位。
I 超級雙相合金
根據3D科學谷的市場了解，就爲承受苛刻加工環境提供解決方案而言，有一個無可爭辯的重要材料家族叫山特維克集團。根據3D科學谷的市場觀察，山特維克Osprey® 2507 爲增材制造提供了面向生産的優化，這是一種超級雙相合金，具有出色的耐腐蝕性和出色的機械強度。
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根據3D科學谷的了解，憑借領先的材料技術，山特維克已經推出了一種“重新發明的葉輪”——一種更輕、更快、更高效的海上必需品，這是與能源巨頭 Equinor 和挪威尤裏卡泵公司合作開發的。現在，各種海洋領域的項目——其中超級雙相不鏽鋼是首選材料——超級雙相不鏽鋼和 3D 打印的顛覆性組合正在改變和重塑高端零件的制造方式與性能。
I 國內-鎳钴合金粉體材料
2021年金昌市與金川集團共同招商引資，引進了甘肅金澤川增材制造有限公司1.5萬平方米鎳钴合金粉體材料增材制造項目，這是甘肅省引進的第一個增材制造項目，建成後，將成爲甘肅省最大的增材制造項目。
在位于金昌經濟技術開發區的金川民營經濟産業園，甘肅金澤川增材制造項目一期廠房主體已經完工，正在進行內部的裝飾，預計2022年6月竣工，年底正式投産。
甘肅金澤川1.5萬平方米鎳钴合金粉體材料增材制造項目，是利用金川的鎳钴資源優勢，生産以鎳基、钴基、鐵基、非晶態、納米氧化锆等3D打印系列生産制造增材耐磨産品，應用激光噴塗、等離子熔覆、超音速噴塗等技術增加設備的使用壽命，及易損件的修複。生産的增材産品具有強度高、耐腐蝕、耐沖擊等特性，非常適合在金川礦山使用，對目前使用的常規材料具有很強的替代性。
關于更多3D打印材料技術深潛，請參考3D科學谷白皮書系列：《不鏽鋼3D打印白皮書》，《銅金屬3D打印白皮書》，《鋁金屬3D打印白皮書》，《3D打印高溫合金白皮書》。
不僅僅是3D打印材料技術在發生深刻的變革，3D打印設備技術一方面更加多樣化，另一方面更加高效、打印過程與質量可控，關于金屬3D打印設備的技術發展，請參考3D科學谷發布的《洞悉金屬3D打印的技術發展趨勢》 。
3D打印-更便捷的數據技術
德國ACAM亞琛增材制造中心對增材制造在多功能材料方面的願景爲無限組合的材料與技術，而最終的目標是點擊即生産。ACAM亞琛增材制造中心定義達到這個願景的進階過程包括5個梯度，當前的世界範圍內的發展大多還處在Level 0的水平，Level 0爲功能化增材制造過程，Level 1爲可預測的增材制造過程，Level 2爲自動化的增材制造過程，Level 3爲全自動化的增材制造包括前處理與後處理，Level 4爲集成化的全自動化不同制造工藝的組合。
當前金屬增材制造下遊加工步驟尚未實現自動化，部分原因是要制造的零件的幾何形狀不同，對自動化帶來了極大的挑戰, 推動3D打印規模化，亞琛工業大學DAP數字增材制造學院最新的研究結果之一是通過開放虛擬化格式（OVF）解決增材制造過程數據過大的痛點。
簡化數據量，同時增加激光粉末床熔化 (LPBF) 3D打印工藝的制造數據的數據大小：這是亞琛工業大學激光技術和數字增材生産 DAP 學院的科學家們與與弗勞恩霍夫激光技術研究所Fraunhofer ILT共同努力的結果。OVF被稱爲開放矢量格式，除了顯著減少數據量外，還實現了零件設計的數據到生産工廠的高效傳輸。
目前OVF 在3個項目中獲得了驗證，包括亞琛工業大學DAP學院參與的“汽車系列工藝增材制造的工業化和數字化”項目（ IDAM）；中國科技部和德國教育和研究部資助的“受保護雲環境中的工業 3D 打印切片”項目 (ProCloud3D)；德國研究基金會 DFG 資助的“生産互聯網” (IoP) 卓越集群項目。
關于數據對解鎖3D打印産業化潛力的深度透視，請參考3D科學谷發布的《人工智能+3D打印=？》
知之既深，行之則遠。基于全球範圍內精湛的制造業專家智囊網絡，3D科學谷爲業界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察。有關增材制造領域的更多分析，請關注3D科學谷發布的白皮書系列。
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