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    增材制造技術在油氣三通制造領域的應用

    ?????? 來源: 中國鋼鐵新聞網 中國冶金報社 ???????發布時間:2019-12-05


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    增材制造技術(additive manufacturing,AM)是利用零件的三維數據模型,通過分層制造、逐層疊加的方法制造實體零件(美國試驗材料學會定義)。增材制造技術是在數控CAD(計算機輔助設計)/CAE(計算機輔助工程)/CAM(計算機輔助制造)、焊接和新材料等成熟技術的基礎上發展而來,其成形方法將產品數字化設計、制造、分析高度一體化,具有加工柔性高、無需模具、工序少、加工周期短、可加工成任意形狀、尺寸適應性好、加工成本低且成形件物理化學性能優異等優點。

    增材制造技術可以分為快速原型制造技術和金屬構件直接制造技術兩大類??焖僭椭圃旒夹g主要方法有3D打?。?/span>3DP)、立體印刷(SLA)、疊層實體造型(LOM)、熔融沉積造型(FDM)、選擇性激光燒結(SLS)等五大類。這類技術主要制造尺寸較小的,由樹脂、石蠟、紙張等材料組成的原型樣件及由陶瓷、金屬粉末組成的非致密原型樣件或模型。金屬構件直接制造技術則采用高功率激光束、電子束、等離子束和電弧等對粉末或絲材進行逐層熔化或凝固堆積,直接制造出致密金屬零件。

    金屬材料的增材制造技術作為整個增材制造體系中最具前沿性和難度較大的技術,是先進制造技術的重要發展方向。金屬材料的增材制造技術按照熱源類型的不同主要可分為激光增材制造、電子束增材制造、電弧增材制造等。其中,激光增材制造成形控制性能好,但能量利用率低,成形效率不高。電子束增材制造的成形效率高、能量利用率高,但其成形尺寸規格受價格昂貴的真空室體積限制。激光增材制造和電子束增材制造的設備投資和運行成本高,材料大多為鈦合金。電弧增材制造在成形精度、微觀組織、均勻度等方面不及前兩者,但其材料適用范圍更廣,成形效率高,成本低,因而應用前景十分廣闊。

    與傳統的大規模生產方式相比,增材制造在小批量定制產品的生產上更具優勢。因此其目前主要應用于航空、航天、軍工和醫療等領域。但是隨著增材制造技術的不斷發展,其應用于油氣行業的獨特商業價值逐漸顯示出來。2013年,GE(美國通用電氣)石油天然氣公司在意大利佛羅倫薩工廠開設了增材制造實驗室,主要制造葉輪機零部件和先進合金零部件。2015年,GE石油天然氣公司利用增材制造復合加工銑床,制造特殊配置的控制閥部件,并應用于整個能源行業。20165月份,GE石油天然氣公司在其位于意大利的石油天然氣工廠開設了一條增材制造零部件生產線,用于以激光為基礎的燃氣輪機的制造,目前其打印的最大燃氣渦輪機運作效率高達64%。

    大口徑、高強度厚壁三通管件制造一直都是我國高壓長輸管線建設的瓶頸之一,傳統的熱擠壓三通管件制造方法存在一些問題。在生產工藝方面,高壓、大口徑三通管件標準要求的設計壁厚超出了制造設備的熱加工能力;在產品質量方面,熱拔過程中的多次高溫熱處理,造成三通管件的支管和肩部表面到中心部位的組織和性能差異明顯,中心部位的屈服強度和夏比沖擊吸收能量顯著下降,存在潛在的脆性失穩開裂風險;在焊接方面,三通毛坯管的焊接方法為手工焊接,焊接生產效率和產品質量穩定性低,導致焊縫成為三通管件上的薄弱環節。為此,中國石油集團石油管工程技術研究院聯合南方增材科技有限公司,在國內首次將電熔增材制造技術應用于高鋼級、大口徑厚壁三通管件的制造,無需模具,克服了傳統制造方法的壁厚壁壘。經檢驗,產品不同方向、厚度的組織均勻一致,力學性能達到甚至超過同等鍛件水平,優良的綜合性能完全滿足了中俄東線低溫環境用X80熱擠壓三通管件的標準要求。

    增材制造技術為高鋼級、厚壁大口徑油氣三通管件的制造提供了一條快速、高性能和短周期的技術新途徑。

     

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