當(dāng)前，3D打印技術(shù)在中國(guó)油氣行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。目前，這一行業(yè)中的一些企業(yè)已經(jīng)開始將3D打印技術(shù)應(yīng)用在零部件重構(gòu)、增材制造工藝改進(jìn)、特殊產(chǎn)品制造及教學(xué)宣傳等領(lǐng)域，并且有望擴(kuò)大到油氣生產(chǎn)、油氣田服務(wù)以及設(shè)備制造領(lǐng)域。

根據(jù)中國(guó)石油新聞中心的消息，近日中石油體系中的幾位用戶分享了3D打印技術(shù)在工作實(shí)踐中的應(yīng)用，暢談了3D打印技術(shù)的價(jià)值及挑戰(zhàn)，并展望了3D打印技術(shù)在石油天然氣行業(yè)的發(fā)展前景。

本期，3D科學(xué)谷將對(duì)此進(jìn)行分享，以此與谷友共同感受3D打印技術(shù)在我國(guó)石油天然氣行業(yè)中的發(fā)展。

優(yōu)勢(shì)

高效、靈活、更具成本效益的適應(yīng)創(chuàng)新研發(fā)需求

“油氣行業(yè)的特征決定了需要3D打印技術(shù)優(yōu)勢(shì)支撐?！遍L(zhǎng)慶油田工會(huì)勞動(dòng)經(jīng)濟(jì)女工部主管米順林認(rèn)為，一是油氣行業(yè)的創(chuàng)新產(chǎn)品普遍為鋼鐵材質(zhì)，笨重、不易攜帶，許多實(shí)物需要吊車、卡車裝運(yùn)。二是油氣行業(yè)創(chuàng)新氛圍濃厚，職工創(chuàng)新能力、計(jì)算機(jī)制圖能力普遍提高，為3D打印技術(shù)在油氣行業(yè)的普及推廣建立了牢固的群眾基礎(chǔ)。

大慶油田采油二廠第六作業(yè)區(qū)采油48隊(duì)采油工班長(zhǎng)、劉麗工作室負(fù)責(zé)人劉麗也表示，在創(chuàng)新研發(fā)初期，3D打印以高效、靈活、低成本占據(jù)著不可撼動(dòng)的地位。因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)加工行業(yè)需要高技術(shù)操作人員及多種加工設(shè)備，也不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具、模具，通過(guò)3D打印機(jī)就可以直接打制出三維實(shí)物模型以供革新研發(fā)使用。3D打印作為一種增材制造方式，可以制造出采用傳統(tǒng)方法制造不出來(lái)的非常復(fù)雜的零件，有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。一個(gè)產(chǎn)品通過(guò)3D打印能在數(shù)小時(shí)內(nèi)成型，實(shí)現(xiàn)了從平面圖到實(shí)體的飛躍，在大家的創(chuàng)新思維還沒有冷卻的時(shí)候，可以不斷修改以到達(dá)最終的創(chuàng)新效果。

大慶油田劉麗工作室員工展示應(yīng)用3D技術(shù)打印的產(chǎn)品——“節(jié)能型上下可調(diào)式盤根盒”模型。劉野 攝

滿足小批量復(fù)雜件生產(chǎn)需求，提升產(chǎn)品性能

3D打印技術(shù)在石油測(cè)井領(lǐng)域展現(xiàn)出了一些優(yōu)勢(shì)。中油測(cè)井制造公司經(jīng)理馬驍認(rèn)為，較傳統(tǒng)銑削設(shè)備的減材制造方式，3D打印增材制造材料成本相對(duì)較低，浪費(fèi)極少。在高精度、高強(qiáng)度、高復(fù)雜度的測(cè)井儀器加工制造中，利用金屬3D打印技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備完成多道工序，解決了批量小、換產(chǎn)頻的生產(chǎn)效率問(wèn)題，還提升了產(chǎn)品性能。以微電阻率成像極板為例，通過(guò)模擬仿真研究，3D打印產(chǎn)品耐磨性能較傳統(tǒng)加工方式提升6%。同時(shí)，3D打印技術(shù)可以高效制造傳統(tǒng)手段不能或者很難制造的零部件，如儀器液壓系統(tǒng)中的各種閥組、多油路模塊等。

測(cè)井裝備案例

中油測(cè)井員工操作金屬3D打印機(jī)器，制造微掃極板。

胡彥峰 攝

近年來(lái)，油氣勘探開發(fā)力度不斷加大，耐高溫高壓、高精度、小直徑的測(cè)井儀器需求量快速增長(zhǎng)，但一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊、集成度高的關(guān)鍵部件，卻因加工難度大、周期長(zhǎng)而供不應(yīng)求。測(cè)井裝備迭代研發(fā)的加快，也對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造提出了更高要求。

2015年，中油測(cè)井與西安交大、西北工業(yè)大學(xué)密切合作，開啟了3D打印技術(shù)的探索之旅。“當(dāng)初，我們專門設(shè)計(jì)了幾種零部件，成型工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形控制等均由校方完成?！敝杏蜏y(cè)井智能制造部負(fù)責(zé)人劉旭說(shuō)，經(jīng)高溫高壓測(cè)試，首批3D打印的試制品，性能指標(biāo)完全符合井下惡劣工況測(cè)井要求。

中油測(cè)井逐步掌握了金屬、樹脂、陶瓷等不同材料產(chǎn)品的建模技術(shù)、打印工藝、最佳預(yù)熱時(shí)長(zhǎng)等，并于2019年成功打印出溝槽種類多、形狀不一、結(jié)構(gòu)精巧的陣列感應(yīng)測(cè)井儀線圈骨架。

2020年初，公司引進(jìn)了用于金屬和非金屬3D打印的激光選區(qū)熔化（SLM）和熔融沉積成型（FDM）設(shè)備，試制的第一項(xiàng)產(chǎn)品是電成像測(cè)井儀的極板?！斑@種核心部件只有巴掌大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜?！睖y(cè)井技術(shù)研究院機(jī)械工程師郭英才說(shuō)，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(cè)井成功率。

技術(shù)人員結(jié)合極板加工余量大，成型過(guò)程中易出現(xiàn)開裂、局部變形等實(shí)際，在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出產(chǎn)品3D數(shù)字模型，并按照設(shè)定厚度，用切片軟件把模型文件分成幾千個(gè)二維平面，同時(shí)，加強(qiáng)質(zhì)量缺陷分析，優(yōu)化三維模型，調(diào)整應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)，嚴(yán)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(jīng)過(guò)16個(gè)小時(shí)連續(xù)打印，兩塊電成像測(cè)井儀極板一次成型，質(zhì)量和性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2021年12月13日，中油測(cè)井西安自動(dòng)化車間中的粉末床激光熔化金屬3D打印設(shè)備經(jīng)過(guò)26個(gè)小時(shí)，將第15批30支3D打印成型的網(wǎng)狀薄壁結(jié)構(gòu)外殼成功“出艙”。每個(gè)僅重幾百克的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)件，包含了螺紋、網(wǎng)紋、鏤空、漢字以及LOGO等多種元素，充分展示了公司精密零部件的制造水平，為下一步測(cè)井零件輕量化設(shè)計(jì)和加工提供了新的途徑。

“3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)機(jī)械加工手段的補(bǔ)充，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品的一次成型，對(duì)科研樣機(jī)和復(fù)雜樣件的制造具有立竿見影的優(yōu)勢(shì)，可以有效縮短石油測(cè)井儀器研發(fā)制造周期，幫助石油測(cè)井行業(yè)簡(jiǎn)化裝備部件制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，避免長(zhǎng)時(shí)間等待零件的現(xiàn)象等，在提效率、保質(zhì)量、降成本方面顯示出巨大潛力?！敝杏蜏y(cè)井制造公司西安制造廠廠長(zhǎng)王新峰說(shuō)。

長(zhǎng)慶油田新能源項(xiàng)目部應(yīng)用3D打印機(jī)設(shè)計(jì)的合閘線圈保護(hù)器，榮獲全國(guó)發(fā)明展覽會(huì)銀獎(jiǎng)。（長(zhǎng)慶油田數(shù)字化與信息中心 供圖）

挑戰(zhàn)

管控標(biāo)準(zhǔn)有待制定

3D打印以其制造原理的優(yōu)勢(shì)成為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ闹圃旒夹g(shù)。油氣企業(yè)要想成功采用3D打印技術(shù)必須克服許多挑戰(zhàn)，技術(shù)問(wèn)題仍然存在。

劉麗坦言，油氣行業(yè)管理制度和規(guī)定較為煩瑣，3D打印技術(shù)作為新技術(shù)，其使用設(shè)備及材料在一般企業(yè)管理中不易被接受。且油氣行業(yè)產(chǎn)品一般尺寸規(guī)模較大，對(duì)增材制造-3D打印設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械零配件硬度強(qiáng)度要求較高。目前，3D打印技術(shù)在我國(guó)主要應(yīng)用于新產(chǎn)品研發(fā)，制造精度尚不能令人滿意。3D打印技術(shù)在進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)的效率有待提升。

尤其是在測(cè)井領(lǐng)域，針對(duì)特殊材料的3D打印技術(shù)應(yīng)用，仍需要繼續(xù)摸索。比如石油測(cè)井儀器常用的硬質(zhì)合金耐磨涂層，如何有效地使合金材料在儀器上燒蝕成功，并能保證其在井下高溫高壓環(huán)境的質(zhì)量水平，這也是金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一。同時(shí)，馬驍表示，在3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，油氣行業(yè)還沒有形成統(tǒng)一的增材制造質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)體系。

具有增材制造思維的人才仍不足

米順林談道，3D打印技術(shù)目前主要應(yīng)用于初創(chuàng)設(shè)計(jì)階段，在表達(dá)設(shè)計(jì)思路上有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是應(yīng)用技術(shù)需要培養(yǎng)專業(yè)的設(shè)計(jì)師，熟練掌握3D制圖，透徹理解3D打印的技術(shù)精要，運(yùn)用3D打印思維進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而油氣行業(yè)缺乏懂制圖、會(huì)使用3D打印設(shè)備的復(fù)合型人才。另外，設(shè)備普及率低，主要是設(shè)備的易用性有待提升，特別是一些初創(chuàng)企業(yè)推出的3D打印設(shè)備，在設(shè)備的操作便利性，用戶友好型的交互系統(tǒng)方面仍存在很大改進(jìn)空間，目前的設(shè)備往往需要耗費(fèi)時(shí)間調(diào)整參數(shù)。

未來(lái)

前景廣闊，助力企業(yè)壓縮成本、提高運(yùn)營(yíng)效率

根據(jù)最新的《石油天然氣3D打印——主題研究》報(bào)告，到2030年，3D打印市場(chǎng)的價(jià)值將超過(guò)600億美元。3D打印技術(shù)已經(jīng)成為推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

“從企業(yè)管理者角度來(lái)講，關(guān)注的始終是產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、成本。3D打印技術(shù)怎么用、怎么發(fā)展，在行業(yè)內(nèi)還沒有統(tǒng)一意見。通過(guò)近年來(lái)中油測(cè)井產(chǎn)品制造驗(yàn)證，已經(jīng)證明3D打印技術(shù)在油氣行業(yè)是可行的，應(yīng)用方向也比較明確，確實(shí)帶來(lái)了生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的有效提升?！瘪R驍肯定了3D打印技術(shù)的價(jià)值，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展充滿期待。他認(rèn)為，未來(lái)5到10年，隨著3D打印技術(shù)發(fā)展成為主要制造技術(shù)之一，結(jié)合5G廣泛應(yīng)用，可以建立零件模型庫(kù)云平臺(tái)，幫助客戶進(jìn)行產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)仿真。廠家定制化快速生產(chǎn)和提供，實(shí)現(xiàn)零庫(kù)存，將有助于企業(yè)提高運(yùn)營(yíng)效率，具有廣闊的發(fā)展空間。

米順林認(rèn)為3D打印技術(shù)對(duì)油氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生了影響。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是建立在工業(yè)革命以來(lái)所形成的大批量生產(chǎn)方式之上的，這意味著產(chǎn)品的差異性在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以體現(xiàn)，3D打印技術(shù)使產(chǎn)品的個(gè)性化、少量化設(shè)計(jì)與生產(chǎn)成為可能。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式不再成為設(shè)計(jì)師想象力的束縛，外觀再復(fù)雜的產(chǎn)品都能通過(guò)3D打印機(jī)打印出來(lái)，且具有功能集成一體化的特點(diǎn)。3D打印可以現(xiàn)場(chǎng)制造所需配件，而不必停工拆解配件。比如鉆機(jī)，只要有打印機(jī)和打印材料就能制造配件，3D打印一個(gè)部件只需6個(gè)至24個(gè)小時(shí)。

總體來(lái)看，3D打印技術(shù)在油氣行業(yè)大有可為，但要對(duì)油氣行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，仍有很長(zhǎng)的路要走。劉麗談道，3D打印技術(shù)表面上看可以降低研發(fā)成本、加快研發(fā)進(jìn)程。深入看，需要成果向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化以及理論與實(shí)踐的深入融合。

3D打印技術(shù)的未來(lái)一定可以幫助油氣行業(yè)解決很多問(wèn)題，例如研發(fā)成果直接運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)、野外現(xiàn)場(chǎng)所需的機(jī)構(gòu)復(fù)雜或購(gòu)買周期長(zhǎng)的零件都可以直接打印、在海上鉆井平臺(tái)上應(yīng)用等。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，由于石油天然氣行業(yè)的特殊性，保持石油和天然氣生產(chǎn)設(shè)施平穩(wěn)運(yùn)行被廣泛認(rèn)為是任何行業(yè)中最艱巨的挑戰(zhàn)之一。在石油和天然氣環(huán)境中的高壓、嚴(yán)苛服務(wù)條件的壓力下，關(guān)鍵過(guò)程控制組件不可避免地會(huì)發(fā)生故障。從歷史上看，由于平均制造提前期與運(yùn)營(yíng)需求不兼容，油氣運(yùn)營(yíng)商不得不實(shí)施昂貴的庫(kù)存計(jì)劃，以避免延長(zhǎng)停工期的風(fēng)險(xiǎn)。

尤其是許多石油和天然氣站點(diǎn)還位于偏遠(yuǎn)或難以進(jìn)入的地理位置，這使得服務(wù)和現(xiàn)場(chǎng)支持成為問(wèn)題。除非在每個(gè)地點(diǎn)都有庫(kù)存，否則如何能夠可靠且快速地向世界遙遠(yuǎn)角落的設(shè)施提供關(guān)鍵零件？而3D打印可以成為快速、小批量的為石油天然氣設(shè)備制造零部件的解決方案。