中石油用户谈3D打印技术在油气行业的应用发展
当前，3D打印技术在中国油气行业发挥着越来越重要的作用。目前，这一行业中的一些企业已经开始将3D打印技术应用在零部件重构、增材制造工艺改进、特殊产品制造及教学宣传等领域，并且有望扩大到油气生产、油气田服务以及设备制造领域。
根据中国石油新闻中心的消息，近日中石油体系中的几位用户分享了3D打印技术在工作实践中的应用，畅谈了3D打印技术的价值及挑战，并展望了3D打印技术在石油天然气行业的发展前景。本期，将对此进行分享，以此与谷友共同感受3D打印技术在我国石油天然气行业中的发展。
优势
高效、灵活、更具成本效益的适应创新研发需求
“油气行业的特征决定了需要3D打印技术优势支撑。”长庆油田工会劳动经济女工部主管米顺林认为，一是油气行业的创新产品普遍为钢铁材质，笨重、不易携带，许多实物需要吊车、卡车装运。二是油气行业创新氛围浓厚，职工创新能力、计算机制图能力普遍提高，为3D打印技术在油气行业的普及推广建立了牢固的群众基础。
大庆油田采油二厂第六作业区采油48队采油工班长、刘丽工作室负责人刘丽也表示，在创新研发初期，3D打印以高效、灵活、低成本占据着不可撼动的地位。因为它不像传统加工行业需要高技术操作人员及多种加工设备，也不需要传统的刀具、夹具、模具，通过3D打印机就可以直接打制出三维实物模型以供革新研发使用。3D打印作为一种增材制造方式，可以制造出采用传统方法制造不出来的非常复杂的零件，有效地缩短了产品研发周期。一个产品通过3D打印能在数小时内成型，实现了从平面图到实体的飞跃，在大家的创新思维还没有冷却的时候，可以不断修改以到达最终的创新效果。
▲大庆油田刘丽工作室员工展示应用3D技术打印的产品——“节能型上下可调式盘根盒”模型。刘野 摄
/满足小批量复杂件生产需求，提升产品性能
3D打印技术在石油测井领域展现出了一些优势。中油测井制造公司经理马骁认为，较传统铣削设备的减材制造方式，3D打印增材制造材料成本相对较低，浪费极少。在高精度、高强度、高复杂度的测井仪器加工制造中，利用金属3D打印技术，可实现一台设备完成多道工序，解决了批量小、换产频的生产效率问题，还提升了产品性能。以微电阻率成像极板为例，通过模拟仿真研究，3D打印产品耐磨性能较传统加工方式提升6%。同时，3D打印技术可以高效制造传统手段不能或者很难制造的零部件，如仪器液压系统中的各种阀组、多油路模块等。
测井装备案例
▲中油测井员工操作金属3D打印机器，制造微扫极板。
胡彦峰 摄
近年来，油气勘探开发力度不断加大，耐高温高压、高精度、小直径的测井仪器需求量快速增长，但一些结构复杂、材料特殊、集成度高的关键部件，却因加工难度大、周期长而供不应求。测井装备迭代研发的加快，也对复杂结构件制造提出了更高要求。
2015年，中油测井与西安交大、西北工业大学密切合作，开启了3D打印技术的探索之旅。“当初，我们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。”中油测井智能制造部负责人刘旭说，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，公司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。“这种核心部件只有巴掌大，但结构复杂。”测井技术研究院机械工程师郭英才说，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。
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。
2021年12月13日，中油测井西安自动化车间中的粉末床激光熔化金属3D打印设备经过26个小时，将第15批30支3D打印成型的网状薄壁结构外壳成功“出舱”。每个仅重几百克的网状结构件，包含了螺纹、网纹、镂空、汉字以及LOGO等多种元素，充分展示了公司精密零部件的制造水平，为下一步测井零件轻量化设计和加工提供了新的途径。
“3D打印技术是传统机械加工手段的补充，能够实现产品的一次成型，对科研样机和复杂样件的制造具有立竿见影的优势，可以有效缩短石油测井仪器研发制造周期，帮助石油测井行业简化装备部件制造的复杂结构，避免长时间等待零件的现象等，在提效率、保质量、降成本方面显示出巨大潜力。 ”中油测井制造公司西安制造厂厂长王新峰说。
▲长庆油田新能源项目部应用3D打印机设计的合闸线圈保护器，荣获全国发明展览会银奖。（长庆油田数字化与信息中心 供图）
挑战
/管控标准有待制定
3D打印以其制造原理的优势成为具有巨大发展潜力的制造技术。油气企业要想成功采用3D打印技术必须克服许多挑战，技术问题仍然存在。
刘丽坦言，油气行业管理制度和规定较为烦琐，3D打印技术作为新技术，其使用设备及材料在一般企业管理中不易被接受。且油气行业产品一般尺寸规模较大，对增材制造-3D打印设备和现场机械零配件硬度强度要求较高。目前，3D打印技术在我国主要应用于新产品研发，制造精度尚不能令人满意。3D打印技术在进行批量生产时的效率有待提升。
尤其是在测井领域，针对特殊材料的3D打印技术应用，仍需要继续摸索。比如石油测井仪器常用的硬质合金耐磨涂层，如何有效地使合金材料在仪器上烧蚀成功，并能保证其在井下高温高压环境的质量水平，这也是金属3D打印技术应用面临的挑战之一。同时，马骁表示，在3D打印技术标准化方面，油气行业还没有形成统一的增材制造质量控制标准体系。
/具有增材制造思维的人才仍不足
米顺林谈道，3D打印技术目前主要应用于初创设计阶段，在表达设计思路上有独特的优势，但是应用技术需要培养专业的设计师，熟练掌握3D制图，透彻理解3D打印的技术精要，运用3D打印思维进行设计。然而油气行业缺乏懂制图、会使用3D打印设备的复合型人才。另外，设备普及率低，主要是设备的易用性有待提升，特别是一些初创企业推出的3D打印设备，在设备的操作便利性，用户友好型的交互系统方面仍存在很大改进空间，目前的设备往往需要耗费时间调整参数。
▲洞悉我国增材制造人才需求及人才培养体系的发展。
未来
/前景广阔，助力企业压缩成本、提高运营效率
根据最新的《石油天然气3D打印——主题研究》报告，到2030年，3D打印市场的价值将超过600亿美元。3D打印技术已经成为推动工业生产力发展的关键技术之一。
“从企业管理者角度来讲，关注的始终是产品的质量、效率、成本。3D打印技术怎么用、怎么发展，在行业内还没有统一意见。通过近年来中油测井产品制造验证，已经证明3D打印技术在油气行业是可行的，应用方向也比较明确，确实带来了生产效率、产品质量的有效提升。”马骁肯定了3D打印技术的价值，并对其未来发展充满期待。他认为，未来5到10年，随着3D打印技术发展成为主要制造技术之一，结合5G广泛应用，可以建立零件模型库云平台，帮助客户进行产品定制设计、实时仿真。厂家定制化快速生产和提供，实现零库存，将有助于企业提高运营效率，具有广阔的发展空间。
米顺林认为3D打印技术对油气产品设计理念产生了影响。传统的产品设计是建立在工业革命以来所形成的大批量生产方式之上的，这意味着产品的差异性在设计过程中难以体现，3D打印技术使产品的个性化、少量化设计与生产成为可能。随着3D打印技术的发展与应用，产品的生产方式不再成为设计师想象力的束缚，外观再复杂的产品都能通过3D打印机打印出来，且具有功能集成一体化的特点。3D打印可以现场制造所需配件，而不必停工拆解配件。比如钻机，只要有打印机和打印材料就能制造配件，3D打印一个部件只需6个至24个小时。
总体来看，3D打印技术在油气行业大有可为，但要对油气行业产生深远影响，仍有很长的路要走。刘丽谈道，3D打印技术表面上看可以降低研发成本、加快研发进程。深入看，需要成果向生产的转化以及理论与实践的深入融合。
3D打印技术的未来一定可以帮助油气行业解决很多问题，例如研发成果直接运用到现场、野外现场所需的机构复杂或购买周期长的零件都可以直接打印、在海上钻井平台上应用等。由于石油天然气行业的特殊性，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。
尤其是许多石油和天然气站点还位于偏远或难以进入的地理位置，这使得服务和现场支持成为问题。除非在每个地点都有库存，否则如何能够可靠且快速地向世界遥远角落的设施提供关键零件？而3D打印可以成为快速、小批量的为石油天然气设备制造零部件的解决方案。
除此之外，正如中油测井的用户所谈，3D打印技术可以制造传统手段不能或者很难制造的复杂零部件。根据3D科学谷的观察，国际上的石油天然气企业在这一点上也开展了深入实践。
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