南极熊盘点：全球石油和天然气行业的3D 打印应用案例

导读：石油和天然气行业是世界上最大的行业之一，因为它是能源行业的一个重要组成部分，2021年全球石油产量约为42亿公吨。虽然由于气候变化以及供应国局势变化的问题，如目前的乌克兰战争等，许多人一直在寻找石油的替代解决方案，但它仍然是头号能源，特别是在供暖方面。因此，许多厂家正在寻找提高管道和其他部件运输效率的方法以减少浪费性消费和因泄漏造成的事故，这一点在行业内也早已不足为奇了。

在众多能源提效的解决方案中，增材制造技术是最具代表性的选项之一，这是因为越来越多的石油和天然气公司正在转向3D打印，以创建几何形状复杂、具有成本效益的部件，特别是在涉及到替换和备件时。在本期文章中，南极熊就列举了目前市场上有代表性的12家顶级厂商在能源行业应用3D打印的典型案例，具体内容如下：

3D Metalforge和壳牌合作制造热交换器部件

壳牌（Shell）是世界上最大的能源公司之一，该公司近年来也转向了增材制造。2021年底，3D Metalforge宣布与壳牌旗下位于新加坡的专门化学制造基地壳牌裕廊岛合作，提供 3D 打印的热交换器零件。这项一次性协议是由壳牌裕廊岛公司的工程师为了减少制造热交换器管部件的交货时间而推动的，由于3D打印技术的应用，这一壮举在短短两周的时间内就完成了。热交换器管部件是插入冷凝器和热交换器进口端的薄壁管，用于传递热量和防止管子故障，因此它们是石油和天然气行业的关键部件。通过应用增材制造技术，壳牌裕廊岛公司能够延长现有设备的使用寿命，这要归功于快速收到具有成本效益的替换零件。

△照片来源：3D Metalforge

来自AML3D的3D打印压力容器

AML3D是一家澳大利亚的金属3D打印机制造商，特别是依靠定向能沉积（DED）工艺的机器。今年夏天，它宣布了一个与美国石油公司ExxonMobil合作的新项目。该项目涉及使用3D打印技术设计一个金属压力容器，长8米，直径1.5米，总重量为907kg。它被认为是市场上最大的商业化3D打印容器。由于AML3D的技术目前与铝、钛、钢和镍合金兼容，AML3D认为只需12周就可以制造出这个零件。

△AML的3DArcemy系统

△ 视频：AML3D 的线材增材制造技术

AML3D创造了世界上最大的石油和天然气管道部件

在AML3D的另一个典型案例中，该公司一直因其线上快速制造（WAM®）工艺生产大型金属零件而闻名，该工艺源自DED，并将电弧与认证焊丝结合起来。早在2021年11月，他们利用3D打印混合制造方法创造了他们认为是最大的、经过验证的金属石油和天然气高压管道部件。之所以选择增材制造，是因为他们希望能够减少环境、人力和安全风险，这也是世界上第一次对这种类型的管道阀芯部件进行金属3D打印和独立压力测试。

△照片来源：AML3D

雪佛龙公司

为了解决供应链问题，世界第六大石油公司雪佛龙也转向了3D打印。为此，这家美国公司邀请了林肯电气公司提供服务，该公司专门从事生产工具的制造，包括焊接、等离子切割解决方案和金属3D打印。两家公司一起满足了雪佛龙公司按需生产的需要，生产了8个由镍合金制成的零件，防止了供应链的延误。

△照片来源：林肯电气

通用电气

通用电气在2018年也转向了石油和天然气行业的3D打印。这家美国公司生产了最大的、可以说是最高效的燃气轮机，名为哈里特。结果，它记录的效率提高了64%。通过使用增材制造技术，通用电气能够生产复杂的几何形状，如燃气轮机叶片内的冷却路径，发动机燃烧系统的设计也通过使用金属3D打印的部件进行了优化。实现最大效率的原因特别是由于复杂几何形状的生产，这使工程师能够改善空气和燃料在涡轮机本身的预混合。

△照片来源：通用电气

吉凯恩液压块

吉凯恩（GKN）公司业务发展经理ümitAydin主任报告说，吉凯恩公司在设计实践中使用增材制造，通过增材制造使液压块子组件（适配器块）的重量减轻了80%。3D打印在液压应用中的应用是对传统制造方法的一个很好的替代，因为它们更轻，可定制。这种增材制造工艺与吉凯恩的技术一起，在几何设计方面实现了自由，没有孔洞重叠的风险。选择增材制造是因为它可以在任何时候对设计进行调整，而在传统方法中，如果需要改变孔的位置以优化油流，则需要新的工具。

△照片来源：吉凯恩

Markforged创造的胶带垫

3D打印在石油和天然气领域的各种应用的另一个例子是，加拿大一家综合石油和天然气公司向Markforged求助，要求创建一个能够处理玻璃钢带垫的自动处理机器。该公司正在努力，因为这些垫子的重量在52kg到104kg之间，使得它们对一个人来说太重了，无法处理。然而，生产这种垫子处理机的成本太高，尽管拥有这种机器有望使工厂的产量增加15%。相反，他们转向Markforged Mark Two和连续纤维3D打印，以更低的成本为机器制造定制部件。最后，该公司能够节省27,000美元的CAD，并显示了在管道之外的石油和天然气的应用。

MX3D的3D打印管道夹子

增材制造公司MX3D在2021年底为石油和天然气行业开发了一个3D打印的管道钳。该零件是由MX3D、TeamIndustries和TiaT合作制造和测试的。采用了一种混合方法，结合了MX3D的机器人线弧增材制造（WAAM）工艺。3D打印的管道钳已经过测试和认证，具有很高的安全性，展示了WAAM如何在石油和天然气领域使用。

△照片来源：MX3D

PGV石油工具公司和桌面金属公司

位于卡内斯市的PGV Oil Tools是一家制造公司，30多年来一直专门设计和制造井下石油工具。这家德克萨斯州的公司早在1983年就成立了，一直在为许多不同的行业制造设备，包括石油和天然气、航空航天和机器人及自动化行业。在仍然依靠数控加工等传统制造方法的同时，该公司还决定应用金属3D打印，并充分利用创新的增材制造技术。为了生产其井下石油工具，PGV公司选择了桌面金属车间系统，与传统方法相比，该系统使公司生产工具的成本和时间更低。除此之外，使用3D打印技术还可以减少生产中的浪费。

△由PGV3D打印的金属石油和天然气组件。照片来自桌面金属

△视频：金属 3D 打印技术用于制造石油和天然气应用的井下工具

Space Parts 3D和Ocyan

这两家公司，Spare 3D和Ocyan，已经合作加速石油和天然气行业的增材制造。为海上石油和天然气行业提供解决方案的巴西公司Ocyan求助于Spare 3D，这是一家位于巴黎的法国公司，专门从事增材制造的零部件数字库存。他们一直在使用全面的DigiPART软件，这个软件可以通过减少延时、交货时间、最低订货量或库存水平，来推动增材制造在备件制造上应用。他们已经能够将这个软件整合到他们的备件供应链中。这已经是该公司建立的第一个部分，也为制定备件增材制造的采用路径创建了一个共同的框架。这两家公司的工作涉及对Ocyan公司库存的17000个零件进行分析，以评估其利用增材制造进行生产的潜力。这导致可行的零件占分析的全部零件的11%。

△照片来源：Spare Parts 3D

瓦卢瑞克公司和道达尔公司的3D打印海上部件

2021年5月，法国合作伙伴瓦卢瑞克公司和道达尔公司首次宣布在北海成功安装了一个3D打印水套。作为提醒，waterbushing是石油和天然气钻探行业中使用的一种部件，用于在施工过程中阻挡油气涌出的油井。因此，它是确保现场工作人员安全的一个关键因素。因此，这两个法国集团依靠增材制造，特别是WAAM工艺，设计了一个1.2米高的部件，重量为220公斤，这意味着重量减少了50%。

△传统设计的水刀（图片来源：瓦卢瑞克公司）

Velo3D和DuncanMachine Products为石油和天然气行业合作

2020年，增材制造设备制造商Velo3D宣布与石油和天然气行业的一个主要参与者Duncan Machine Products（DMP）建立伙伴关系。致力于提供高精度的加工服务，DMP是石油和天然气行业以及航空航天业的重要供应商。在2020年第二季度，DMP接收了完整的Velo3D系统，其中包括Flow™印前软件、Sapphire® 3D打印机和Assure™质量管理软件。Velo3D的首席执行官兼创始人Benny Buller说："鉴于复杂的工程要求，金属增材制造是石油和天然气行业的兼容工艺"。得益于这种金属3D打印解决方案，DMP旨在应对不断增长的市场需求，以及提高最终零件的产量和缩短交货时间。