增材制造技术在油气装备制造业的应用现状与展望

□ 段树军 □ 文永川 □ 王 霞 □ 游 娜,3 □ 易 畅 □ 赵维宁

1.宝鸡石油机械有限责任公司 陕西宝鸡 721002 2.西南石油大学 机电工程学院 成都 610500 3.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司 陕西宝鸡 721002

1 研究背景

增材制造技术是以三维模型数据为基础,采用材料堆积的方式制造实体零件的技术。与传统材料切削加工制造工艺不同,增材制造技术是一种自下而上的材料累加制造工艺[1-2]。增材制造技术在三十多年发展历程中,被称为材料累加制造、分层制造、快速原型、三维打印等,目前已被广泛应用于航空、航天、汽车、医疗等行业。鉴于增材制造技术在原型制造、复杂零件制造、小批量生产等方面具有的优势,国际知名油服公司对增材制造技术在油气行业的应用进行了积极的探索[3-5]。近几年来,增材制造技术在油气装备制造业的应用场景不断丰富,笔者对此进行介绍。

2 增材制造技术分类

增材制造技术经历三十多年的发展,已经形成了多种工艺,国际标准化组织、美国材料与试验协会将增材制造技术分为粘结剂喷射成型、定向能量沉积、材料挤出、材料喷射、粉末床熔融、薄材叠层和光聚合七大类[6]。油气行业作为增材制造技术应用的追赶领域,目前也探索应用了多种增材制造技术,应用较多的增材制造技术包括立体光固化成型、熔融沉积制造、选择性激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔融、直接金属激光烧结等,各种常见增材制造技术成型原理及工艺特点见表1。

表1 常见增材制造技术成型原理及工艺特点

3 增材制造技术应用现状

最早出现的增材制造技术是立体光固化成型,主要应用于模具及模型制造,通过铸造完成零部件的生产。随着增材制造技术所用材料种类的不断增加,材料及装备性能持续提升,采用增材制造技术直接制造零部件的比例在油气装备制造业增材制造技术应用中不断提高。

3.1 快速铸造

快速铸造是快速原型技术与传统铸造技术的完美结合。立体光固化成型作为成熟的快速铸造技术,应用于聚晶金刚石钻头模具的制作。立体光固化成型在聚晶金刚石钻头模具制造过程中的应用,解决了复杂结构聚晶金刚石钻头生产制造的难题,提高了聚晶金刚石钻头的制造精度及生产效率。随着增材制造技术不同工艺路线的发展,选择性激光烧结亦被应用于聚晶金刚石钻头模具制作。选择树脂砂烧结成型,得到可直接用于聚晶金刚石钻头烧结的砂型,如图1所示。与立体光固化成型相比,选择性激光烧结进一步提高了生产效率,同时减小了模型翻制过程中人为不确定因素对模型质量的影响,从而更好地保证烧结的聚晶金刚石钻头本体与设计的一致性。

▲图1 选择性激光烧结成型聚晶金刚石钻头砂型

3.2 直接制造

近年来,油气行业对增材制造技术重视程度不断提高,技术投入稳步加大,增材制造技术应用于零部件直接生产制造得到了广泛关注,成型材料已经涵盖金属、非金属、复合材料等多种材料,典型应用方向有复杂结构制造、结构优化、传热效率提升等。

3.2.1 复杂结构制造

在复杂结构制造方面,增材制造技术突破了传统减材、等材工艺难加工或无法加工的局限,制造成本不随零件复杂性的提高而增加。

中油测井公司采用选择性激光熔化制造了超大尺寸岩性密度测井仪探头。岩性密度测井仪探头表面为不规则弧形,有多处圆弧线切面和多组高精度密封小孔,是测井传感器中结构较为复杂的部件。使用选择性激光熔化制造的岩性密度测井仪,探头尺寸及形位公差均满足设计要求,抗拉强度提高6%,解决了采用常规加工制造方式存在的加工周期长、制造成本高等突出问题。

宝鸡石油机械公司采用选择性激光熔化制造了井下工具中的流道零件[7],如图2所示。成型流道零件的端面跳动及圆跳动仅为0.01 mm,制造完成后,通过地面试验验证了流道零件满足设计要求。通过应用增材制造技术,大幅缩短了流道零件的生产周期,加快了产品研发进度。

▲图2 井下工具流道零件

某些薄壁外筒零件采用常规生产手段制造时,存在材料利用率低、生产周期长、加工难度大等问题,增材制造技术在薄壁结构制造中的应用亦得到了较多关注。

3.2.2 结构优化

与常规制造技术相比,增材制造技术释放了设计的自由度,可以最大限度发挥设计者的创造力。随着增材制造技术的不断发展,结构优化在产品设计中的应用越来越多。

哈里伯顿公司利用立体光固化成型制造了业界第一个具有复杂内部形状的封隔器密封元件[8],如图3所示。常规生产手段通常只能制造具有简单几何形状的密封件,这一封隔器密封元件结合屈曲分析加入了内部特征,可以使密封元件在被压缩时更好地实现密封功能。

▲图3 封隔器密封元件

在封隔器的结构设计中,哈里伯顿公司还利用金属增材制造技术制造了密封胶筒防突装置,如图4所示[4]。密封胶筒防突装置从金属增材制造到热处理再到后续机加工,总共用时仅为三周,产品开发进度加快明显。

▲图4 密封胶筒防突装置

贝克休斯公司设计了一种用于封隔器的多层花瓣式支承环[9-10],如图5所示。使用金属增材制造技术制造这一零件并组装后,模拟高温高压工况进行试验测试,使这一零件的功能及封隔器的密封效果得到了有效验证。目前,使用金属增材制造技术制造的多层花瓣式支承环已规模应用于贝克休斯公司系列超高压封隔器产品。

贝克休斯公司采用增材制造技术制造的井下流体分析工具中的滤芯如图6所示。这一滤芯将两个部件整合为一个,过滤效率得到了提高,使井下流体分析工具的交付周期缩短了65%[11]。

▲图5 多层花瓣式支承环

▲图6 井下流体分析工具中滤芯

斯伦贝谢公司利用电子束熔融发明了Aegis钻头宙斯盾装甲保护层技术[12],如图7所示。通过电子束熔融来制造用于钢体聚晶金刚石钻头的甲片,赋予钢体聚晶金刚石钻头比肩胎体钻头的抗冲蚀性能,由此抗冲蚀性能提高400%,抗弯强度提高40%。两个采用Aegis钻头宙斯盾装甲保护层技术的新型钻头共完成八口井的现场应用,应用效果显示,平均机械钻速提高36%,累计节省179 h纯钻时间。

▲图7 Aegis钻头宙斯盾装甲保护层技术

拓扑优化是在满足约束及使用性能的前提下,在给定区域内对材料分布进行优化的数学方法。拓扑优化后结构通常具有复杂形状,可制造性较差,增材制造技术的出现解决了这个问题。增材制造技术和拓扑优化相辅相成,拓扑优化为增材制造技术提供设计方案,增材制造技术为拓扑优化提供实现手段,两者的深度融合已是大势所趋。埃克森美孚公司和ANSYS公司均就油气行业增材制造技术在拓扑优化方面的应用进行了探索[13-14]。通用电气发动机支架拓扑优化前后对比如图8所示。拓扑优化与增材制造技术结合,为海洋油气装备等质量及空间要求严格的设备提供了更好的解决方案。

▲图8 发动机支架拓扑优化前后对比

3.2.3 传热效率提升

热交换器在石油化工行业有广泛的应用,采用常规生产方法制造的热交换器通常内部结构简单,传热效率相对较低。强化湍流是强化传热的主要途径,优化热交换器内部结构是一种有效手段,结构优化后不易结垢,保持流道通畅。内部螺旋结构的热交换器可以通过增材制造技术生产制造[15],如图9所示,能够在给定空间内提供最大的换热面积。与常规生产方法制造的传统热交换器相比,在传热效率相同的情况下,采用增材制造技术制造的具有复杂内部结构的热交换器体积更小,质量更轻。

此外,增材制造技术还可以提升供应链的灵活性。贝克休斯公司和阿布扎比国家石油公司对增材制造技术在油气制造供应链中的应用进行了探索[16-17]。贝克休斯公司通过举例说明阐述了增材制造技术能够增强售后市场备件供应的弹性,阿布扎比国家石油公司以自身为例,为增材制造技术在油气供应链中的应用制订了可执行的规则框架及路线图。增材制造技术可以凭借快速制造优势,实现及时生产和按需生产,尤其是针对某些不可预测的备件需求,增材制造技术可以显著缩短交付周期。通过引入增材制造技术降低库存水平,可以有效减少精益生产中的库存浪费,为油气装备制造企业更好地推进精益生产提供技术支持。

▲图9 内部螺旋结构热交换器

4 展望

增材制造技术作为一种能够推动制造业发生颠覆性变化的技术,在油气行业有着巨大的应用潜力,但目前在油气装备制造业中的应用还很有限。在装备制造企业加速走出去的大环境下,为使增材制造技术更好地服务于油气装备制造业,相关制造企业应该在设计、应用研究、标准等方面进一步加强工作,充分发挥技术优势。

在设计方面,随着零件复杂程度的提高,采用增材制造技术生产的产品低成本效益更明显,这与传统设计思路截然不同。油气装备制造业作为传统行业,目前设计人员对增材制造技术的认识还不够充分,相关专家学者已经提出了一些基于增材制造技术的设计方法和设计准则,帮助设计人员快速掌握和使用计算机软件进行设计制造[18]。设计人员需着重提升原始创新能力,将增材制造技术思维融入产品设计过程,一些基于增材制造技术的一体化设计、结构优化设计案例给予了设计人员很好的启发。

在应用研究方面,确保得到具有性能稳定、可重复性强的增材制造零部件,并在长期服役过程中安全、可靠,是增材制造技术在油气装备制造业应用的焦点问题,相关企业均已开展了增材制造技术工艺及后处理对增材制造零部件性能影响的研究工作,相关研究成果有助于增强油气装备制造业信心,加速增材制造技术在油气装备制造业的推广应用。

在标准方面,标准是新技术实现规模化应用的基础,标准缺失是制约增材制造技术在油气装备制造业应用的一个重要因素。油气行业第一个增材制造技术标准即将发布[19],这一标准定义了金属材料增材制造技术的最低制造质量要求。油气行业应充分结合行业特点,建立健全油气行业增材制造技术标准体系,从而使更安全、广泛地应用增材制造技术。