3D打印技術(shù)在石油機(jī)械類難加工零部件方面的應(yīng)用研究

陳子恒，李新民，惠坤龍，田 柯，雷正明

（西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

目前，陜北油氣井井深普遍達(dá)2000m左右，高溫高壓井深一般達(dá)5000m以上。對(duì)于石油井下測(cè)試來(lái)說(shuō)，油井深度不斷增加，地層溫度也在不斷升高，井內(nèi)壓力也在逐步升高，因此測(cè)井儀常因外部高溫高壓環(huán)境無(wú)法正常工作，難以得到理想的數(shù)據(jù)且耗時(shí)、耗力，檢修周期長(zhǎng)。為此，井下工具保護(hù)措施逐步興起。在石油管道運(yùn)輸中，因?yàn)楝F(xiàn)有的管道熱損耗大，保溫效果不明顯，不得已選用外部加保溫層，這不但影響了檢修周期還增加了投入成本。近年來(lái)興起的3D打印技術(shù)是一種把數(shù)字模型作為基礎(chǔ)，將諸如粉末狀的金屬、塑料等一些可粘合的材料，由逐層打印方法來(lái)塑性或者構(gòu)造出物體的技術(shù)，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)開始利用該項(xiàng)技術(shù)工藝。其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)成本較低，加工周期短，且易于修改產(chǎn)品。

1 3D打印技術(shù)在石油機(jī)械方面的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)的原理是利用以往的平面打印技術(shù)，通過(guò)機(jī)械噴頭的三維立體運(yùn)動(dòng)，逐層利用二維度打印的疊加來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的打印，再由增加的層級(jí)材料來(lái)形成三維的實(shí)體，是一種增材過(guò)程，是從零開始構(gòu)建物體。而以往的塑性加工技術(shù)，是利用鉆孔、切割、銑削等方式來(lái)加工成形的，可看作是消減的過(guò)程。在3D打印中其分層逐步加工過(guò)程與傳統(tǒng)噴墨打印比較相似，經(jīng)過(guò)預(yù)先特殊方法處理的打印用材料，如金屬、陶瓷、樹脂、尼龍、食材、混凝土等都可以用做3D打印的“墨水”。在3D打印技術(shù)體系中，新型打印材料、打印工藝、打印設(shè)計(jì)和控制軟件等是其重要的組成部件，除此之外其核心部件為3D打印機(jī)。

1.2 3D打印技術(shù)在油井測(cè)試類儀器方面的應(yīng)用

油井測(cè)試數(shù)據(jù)是油田開發(fā)生產(chǎn)中不可或缺的資料，同樣也是對(duì)油田的開發(fā)規(guī)律以及油藏動(dòng)態(tài)開展研究的重要根據(jù)，因此保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。在油氣生產(chǎn)過(guò)程中，受地層溫度和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等因素的影響，實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜且多變，井下工具很容易磨損甚至毀壞，且維修成本高，因此對(duì)井下工具的保護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。在以往的石油類機(jī)械防護(hù)產(chǎn)品中大多是分塊加工，然后將井下工具放在其中，用電焊的方式把各部分焊接在一起。由于電焊是超高溫工況加工，其接口處已經(jīng)改變工具的應(yīng)力分布及相變，且有可能對(duì)井下工具造成一定的損害。

在此背景下，針對(duì)石油類井下工具，本研究主要目的是利用3D打印技術(shù)來(lái)制造一些新的石油機(jī)械類零部件，利用3D打印技術(shù)分兩部分打印然后實(shí)現(xiàn)對(duì)接，對(duì)石油機(jī)械零件進(jìn)行保護(hù)，既在強(qiáng)度上保證性能，又進(jìn)一步降低成本，縮短生產(chǎn)周期，更好地保護(hù)井下工具免受磨損。即：利用3D打印技術(shù)，制作一個(gè)略大于測(cè)井儀的外殼，在加工過(guò)程中，可以降低噴頭移動(dòng)速度或者暫停加工把測(cè)井儀放到里面，然后進(jìn)一步加工成無(wú)縫型的保護(hù)殼。

選擇3D打印制造保護(hù)殼具有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省材料，無(wú)邊角廢料，提高打印材料利用效率，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本；②提高保護(hù)殼精度；③不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床或任何模具，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成保護(hù)殼形狀；④可以自動(dòng)、快速、直接、精確地把計(jì)算機(jī)編程出的設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)化打印為實(shí)物模型，制造出可用來(lái)安裝的零部件，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期；⑤提高保護(hù)殼硬度、強(qiáng)度、耐高低溫特性，減輕自身重量，等。

1.3 3D打印技術(shù)在石油保溫管材方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)制造的保溫管材熱損較高，保溫度低，制造成本高，破損后很難再回收利用。而利用3D打印技術(shù)制造出的保溫管材耗能低，污染小，并可以回收后二次利用，且有較好的保溫性能，熱損小，制造成本低。

傳統(tǒng)制造的石油管道多為金屬材質(zhì)，生活用管多為塑料制品。為了避免金屬材質(zhì)的管路發(fā)生腐蝕，需對(duì)其經(jīng)常維護(hù)，同樣塑料材質(zhì)的管路也需避免老化現(xiàn)象發(fā)生。在管材的使用中，主要解決和考慮的是管道的保溫能力。傳統(tǒng)的保溫管材在25℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.08W·(m·K)，硬質(zhì)保溫管材的密度不大于220 kg/m3，半硬質(zhì)管材不大于200 kg/m3，軟質(zhì)管材不大于150 kg/m3。通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的管材與普通管材看似毫無(wú)差別，但是在其內(nèi)部達(dá)到無(wú)縫的條件下，還可以再通過(guò)調(diào)節(jié)管壁的厚度來(lái)進(jìn)一步控制管材保溫的效果。針對(duì)管壁縫隙可填充保溫材料泡沫劑或者選擇真空。

對(duì)于保溫管材的選擇，首先考慮的是管材允許使用的溫度應(yīng)高于正常操作時(shí)介質(zhì)的最高溫度。其次，當(dāng)在相同的溫度范圍下有著不同材料可供選擇時(shí)，應(yīng)選用熱導(dǎo)率小、密度小、造價(jià)低、易于施工的材料制品。

1.4 3D打印與傳統(tǒng)制造保溫管道的對(duì)比

（1）保溫性能。傳統(tǒng)管材一般經(jīng)過(guò)后期加工，通過(guò)外部使用泡沫保溫層或者其他保溫層來(lái)達(dá)到保溫目的。而3D打印管材在加工管道的同時(shí)，通過(guò)改變管道的管壁結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)保溫效果，并且可以通過(guò)改變壁厚使管材的保溫性能改變，使管道在南北方溫差大的場(chǎng)合均適用。

（2）防腐性能。一般深埋于地下的管道，或多或少都會(huì)被腐蝕，尤其是金屬管材。傳統(tǒng)管道通過(guò)給金屬管道表面涂防腐漆或者鍍抗氧化性、酸堿性的物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)防腐防氧化。而3D打印管材利用塑料自身的抗氧化性能及ABS材料自身的抗酸堿性能，可不用后期加工實(shí)現(xiàn)抗氧化性和防腐性能。

（3）制作成本。傳統(tǒng)管材在制造過(guò)程中成本較高，原材料進(jìn)價(jià)高，還要通過(guò)后期成形加工，制作成本比較高。且管材密度大，硬度大，質(zhì)量大，運(yùn)輸成本高。庫(kù)存率受市場(chǎng)影響大。而3D打印使用的材料源于塑料，便于分類回收，且可對(duì)廢物進(jìn)行二次利用，成本低。管材密度小，硬度較小，質(zhì)量小，運(yùn)輸成本低。受市場(chǎng)影響小，可以實(shí)現(xiàn)即需即供。

（4）導(dǎo)熱率。保溫管材的導(dǎo)熱率非常重要。傳統(tǒng)管材所采用的原材料比較單一，具有恒定的導(dǎo)熱率。金屬管材導(dǎo)熱率大，保溫性能差；塑料管材導(dǎo)熱率較小，保溫性能略好。而3D打印制造的管材，通過(guò)調(diào)整自身的管壁結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步降低導(dǎo)熱率，從而達(dá)到更好的保溫效果。

2 結(jié)語(yǔ)

3D打印技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。而《中國(guó)制造2025》也提出要大力發(fā)展3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)。未來(lái)，3D打印不僅在醫(yī)療、食品、工業(yè)、石油機(jī)械等領(lǐng)域大放光彩，也會(huì)在中國(guó)芯片等高技術(shù)制造領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟進(jìn)化，該技術(shù)也必將得到更廣泛的應(yīng)用。