API为天然气和石油行业制定3D打印应用标准

增材制造，也被称为3D打印，将通过提高运营效率和创新，同时帮助减少排放，彻底改变天然气和石油行业。南极熊获悉，为了充分挖掘这项快速发展的技术的潜力，美国石油学会（API）已经为该行业使用的聚合物基和金属部件制定了两个互补的3D打印标准：即API标准20S《石油和天然气工业中使用的增材制造金属部件》和API标准20T《石油和天然气工业中使用的增材制造聚合物部件》，这两份标准强调了该行业将如何采用新技术和创新来改善运营。

南极熊找到了与这两份标准相关的审议版，感兴趣的熊友可以进行下载阅读：

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2022-9-16 21:49 上传

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API 20S和20T分别专注于金属和聚合物部件，代表了为天然气和石油行业提供部件的增材制造商的基准要求和工艺控制。特别是，API 20S和20T规定了对3D打印部件的制造工艺、生产、标识和文件的鉴定要求。这些标准还为测试和记录聚合物和金属部件的3D打印材料特性提供了指导，并且它们引入了三个增材制造规范级别，定义了越来越多的技术、质量和资格要求。

API全球行业服务部高级副总裁AnchalLiddar表示："这些新标准反映了该行业专注于前沿技术和创新来满足全球能源需求，同时不断努力变得更清洁、更安全和更高效。3D打印有望为我们行业的所有领域带来巨大的利益。"

第三次工业革命

增材制造是一种根据数字设计，使用连续的材料层制造三维物体的过程，见图1。它与减材制造形成对比，减材制造是一种传统的制造工艺，通过原材料的加工来雕刻或去除材料形成一个形状，然后将几个对象组装成最终产品。自从该技术在20世纪80年代首次被开发出来，作为快速制作原型的一种手段，它已经发展并在制造业中获得了进一步的应用，促使一些学者将其称为新生的 "第三次工业革命"。

图 1.与减材制造相比，增材制造是一种使用连续材料层从数字设计中构建 3D 对象的过程。

多年来，增材制造已被应用到一系列行业中，包括航空、医疗保健、海事和消费产品。今天，3D打印在12.7万亿美元的全球制造业市场中占比不到0.1%。然而，根据最近的一份报告《石油和天然气的3D打印-专题研究》，估计到2025年，3D打印市场价值将达到320亿美元，到2030年将超过600亿美元。

天然气和石油行业近年来逐渐采用增材制造，将其用于钻井、非关键或小型部件、原型开发以及不再生产的过时部件的逆向工程。

例如，康菲石油公司一直在测试3D打印，用于更换阿拉斯加北坡原有的40年历史的燃气轮机的燃烧器塞子。由于这些部件不再生产，磨损的燃烧器塞子很难更换，而且成本很高，往往需要30到60周的时间才能运到这个与世隔绝的地区。然而，通过使用3D打印技术，可以在大约一周内生产出这些部件，并将它们运到油田所在地。

荷兰皇家壳牌公司使用3D打印技术制作设计原型和工具已经有十多年了，而且它正越来越多地在难以到达的地区部署该技术来打印备件，例如尼日利亚的海上平台，见图2。该公司指出，3D打印技术可以节省成本，并加快最终使用的备件的交货时间，包括热交换器、泵中的叶轮和聚合物密封盖，这有助于提高运营安全。

图 2.运营商发现 3D 打印是一种经济高效的方法，可以为难以到达的区域（例如海上平台和钻井平台）的设施和资产打印备件。

据报道，埃克森美孚公司正在使用 3D 打印技术对其 cMist 技术进行快速成型，该技术可去除天然气中的水、二氧化碳和硫化氢，以达到安全和气体质量标准。

随着技术的发展，人们对增材制造的兴趣与日俱增。数字化制造商Protolabs对欧洲油田服务行业高管进行的一项调查显示，82%的受访者计划从事3D打印和按需制造。

增材制造的标准制定

伴随着3D打印应用的扩大，一些标准制定组织和分类机构，包括ASTM国际组织、国际标准化组织（ISO）、美国机械工程师协会（ASME）和挪威的DNV，它们分别发布了增材制造的标准。然而，从标准的角度来看，API 20S和20T是第一个专门针对为天然气和石油行业提供部件的制造商的3D打印标准。

3D打印的指南或标准将有助于确保部件满足最低材料要求，以及降低部件的鉴定成本。鉴定是证明部件能够满足或超过某些制造标准的一个关键过程，例如API为天然气和石油行业制定的标准。此前，由于缺乏鉴定指导，也延缓了增材制造在该行业的应用。

作为天然气和石油行业首屈一指的全球标准制定组织，API与成员公司合作，并经常与美国联邦监管机构合作，已经制定了800多个标准，以提高运营安全、效率和可持续性。标准增强了操作的安全性，确保了质量，有助于降低成本，减少浪费和尽量减少混乱。它们有助于加快接受速度，更快地将产品推向市场，并避免每次制造产品时都要从头开始。

"随着天然气和石油行业将3D打印用于更广泛的用途，伴随着标准满足这个经常在挑战性环境下运作的行业的特定需求至关重要，"API标准和分部服务副总裁Alexa Burr说。"API标准20S和20T将有助于建立对该技术的信心，并加快其在整个行业的应用。"

利用3D打印的行业优势

增材制造可以为天然气和石油行业提供显著的效率和成本效益，因为它缩短了交货时间和供应链压力。许多增材制造装置几乎可以部署在任何地方，有助于使部件的制造接近使用点。这种灵活性可以提高偏远地区和离岸业务的运营效率。它还可以促进所有行业部门的制造和供应链弹性的离岸化，这是Covid-19大流行病和乌克兰战争所暴露的脆弱性。

运营商目前储存了大量的备件和组件，或者等待新的库存，导致昂贵的仓储和停机时间。增材制造的按需、现场性质和 "数字仓库"的使用可以帮助解决这些问题，为天然气和石油行业带来巨大利益。世界经济论坛的一份报告估计，该行业的零部件3D打印可以将库存水平降低2%，将维修、保养和运输成本削减3%。

与减材制造相比，增材制造优化了设计和制造过程，最大限度地减少了加工和材料去除的需要，转化为更少的浪费和材料使用。非物质化--或者用更少的材料生产最终产品--不仅可以节省材料成本，还有助于减少行业的间接环境足迹。

增材制造使创新者能够快速、有效地将创意推向市场。通过数字模型，3D打印为原型设计提供了灵活性，并简化了定制部件的生产，而这些部件在传统制造中是很难、很昂贵或不可能做到的。这有效地消除了在生产某些部件时对规模经济的需求。

此外，增材制造还可以通过将复杂零件打印成一体，以传统制造无法实现的几何形状来提高制造效率。例如，通用电气的子公司通用航空一直在使用3D打印技术为其LEAP发动机制造数千个喷气发动机燃料喷嘴。增材制造的喷气发动机燃料喷嘴不是由20个不同的部件焊接在一起，而是由一个部件组成，其重量减少25%，耐用性提高5倍，成本效率提高30%。鉴于天然气和石油行业所使用的部件的复杂性，3D打印可以产生类似的效率，同时还可以通过减少构成复杂部件的单个部件的故障几率来加强安全和环境保护。

康菲石油公司领导API关于3D打印的20S标准小组的工程师Carlo De Bernardi说：" 3D 打印为零件和组件的创意设计开辟了无数可能性，而传统制造方式需要焊接、铸造和研磨材料才能制造出来。通过允许工程师进行数字化设计，而不需要昂贵的研究和开发周期，该行业可以变得更加高效和创新。"

随着天然气和石油行业继续变得更加清洁和高效，增材制造提供了减少该行业间接碳足迹的潜力。

增材制造不仅可以减少在扩展的供应链中运输部件的需要，而且还可以以另一种方式影响运输部门，因为更轻的部件可以减少燃料消耗。同时，由于3D打印在制造过程中需要更少的原材料，或者说非物质化，该行业可以间接地在材料投入的生产过程中减少排放。

因此，增材制造的固有效率，包括与传统制造相比需要更少的材料，再加上物流的减少，可以推动碳排放的大幅减少。这样一来，3D打印有助于展示行业对API气候行动倡议的采纳，该倡议详细说明了行业对通过减少温室气体排放来保护环境的承诺。

尽管3D打印在天然气和石油行业的前景很好，但在其获得更广泛的使用之前，仍有一些障碍必须解决，以增强对该技术的信心。天然气和石油生产是在具有挑战性的环境中进行的，腐蚀、高温和高压都是必须考虑到的因素，以确保安全操作。

API 20S 和 20T 为更广泛的应用铺平道路

考虑到独特和具有挑战性的生产环境，目前对3D打印部件可以和应该使用的地方有限制。因此，需要对增材制造工艺和材料投入进行进一步的测试，以确保部件能够承受与硫化氢、二氧化碳和氯化物等烃混合物的持续接触，以及在不同的pH值、温度和压力下都有好的表现。此外，还需要证明增材组件对酸和非酸等级的适用性。

这将需要识别和测试对该行业至关重要的聚合物以及金属和合金，它们可以根据API 20S和20T通过最新的增材制造技术生产，重点是适用于大规模和承压部件的方法，见图3。API 20S和20T是基础文件，允许行业利用这些标准来生产各种部件，并确定它们的最佳适用范围。它们旨在鼓励整个行业更安全、更广泛、更快速地采用增材制造，为其在主流行业应用中的使用建立更大的信心。

图 3.确保组件能够承受与作为烃混合物一部分的 H2S、CO2 和氯化物的持续接触——以及在不同的 pH 值、温度和压力下运行——将需要识别和测试聚合物以及金属和合金对行业至关重要，可以通过符合 API 20S 和 20T 的增材制造技术生产。

最终，认证过程是由最终用户来定义应用要求，并制定功能规格以满足这些要求。这些规格被提供给原始设备制造商，然后他们将根据适当的制造工艺、材料特性和质量控制规定，制定技术设计规格以满足这些要求。

预计增材制造部件的认证将遵循行业内应用的其他传统制造部件的类似原则，即考虑应力-应变关系、屈服强度、极限拉伸强度、断裂韧性、强度-温度关系、抗爆和抗塌陷性以及增材制造部件的抗疲劳性。

API 20S和20T代表了允许使用增材制造生产API产品标准所涵盖传统部件的第一步。然而，后续我们还必须确定可以将增材制造部件添加到哪些产品规格当中。