3D金屬打印技術(shù)在石油測井儀器研制中的應(yīng)用

馮永仁,秦小飛,蘭萌

(中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院,北京101149)

0 引 言

3D金屬打印技術(shù)在航天、生物醫(yī)療、汽車制造和模具制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1],但在石油測井行業(yè)中應(yīng)用相對較少。鈦合金材料具有強(qiáng)度高、耐腐蝕性好及耐熱性高的優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空及石油測井等對材料要求較高的行業(yè)。北京航空航天大學(xué)利用3D打印技術(shù)制造出超過12 m3的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件。西北工業(yè)大學(xué)打印出5 m多長的鈦合金飛機(jī)零部件,其綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)加工方式制造的零件。目前中國應(yīng)用3D打印技術(shù)制造出具有較大強(qiáng)度的主風(fēng)擋窗框和大中央翼根肋,已應(yīng)用于C919大型客機(jī),減少了設(shè)計(jì)時間,降低飛機(jī)的整體質(zhì)量[2]。中國在研制新型戰(zhàn)斗機(jī)的過程中,采用3D打印技術(shù)制造飛機(jī)的主體零部件,大大減少戰(zhàn)斗機(jī)的研制周期[3]。

目前國內(nèi)外普遍利用3D打印技術(shù)制造鈦合金骨科材料,與以往其它材料相比,在促進(jìn)性和致敏性等生物性能方面有較大的優(yōu)勢,對患者的治愈有良好的幫助[4]。鄭州大學(xué)利用3D激光選區(qū)熔化成形工藝,在熱處理后得到具備優(yōu)異力學(xué)性能的鑄造鋁合金,其屈服強(qiáng)度高達(dá)479 MPa,抗拉強(qiáng)度高達(dá)486 MPa[5]。因此,使用選擇性激光熔化技術(shù)加工的金屬零件,其力學(xué)性能比傳統(tǒng)鑄造加工的零件更好[6]。

液壓類高端測井儀器是集機(jī)械、電子與液壓于一體的復(fù)雜設(shè)備,一些重要零部件需在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能集成,其機(jī)械結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,如模塊化地層測試器電磁閥的集成閥座。還有一些零部件如支撐臂中間套、旋轉(zhuǎn)井壁取心儀轉(zhuǎn)換接頭、井下儀器大功率發(fā)電機(jī)渦輪等,這些零件不僅要實(shí)現(xiàn)一定的功能,滿足強(qiáng)度要求,還要符合傳統(tǒng)機(jī)械加工的工藝要求。

采用3D打印技術(shù),將復(fù)雜機(jī)械零部件直接堆焊成形,減少加工工序,也減少管道交叉布局增加的工藝孔,為復(fù)雜機(jī)械零部件設(shè)計(jì)帶來變革。3D打印可實(shí)現(xiàn)彎曲、圓滑管路的設(shè)計(jì),減少內(nèi)部管線的磨損,降低復(fù)雜零件的冗余設(shè)計(jì)度,減少機(jī)械加工工序,提高零部件可靠性。復(fù)雜關(guān)鍵零部件在批量加工時,采用3D金屬打印技術(shù)批量打印出復(fù)雜零部件,一次成形內(nèi)部復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,少量的外部精密接口采用數(shù)字化機(jī)械加工。

用傳統(tǒng)工藝加工零部件時,設(shè)計(jì)師在零部件的設(shè)計(jì)上需要考慮加工工藝的可行性,通過3D打印技術(shù)可簡化設(shè)計(jì)思路,縮短設(shè)計(jì)時間。井下的高溫、高壓環(huán)境要求零件具有一定的硬度、強(qiáng)度和伸長率。通過拉伸實(shí)驗(yàn),3D打印的鈦合金零件在熱處理后能夠滿足井下環(huán)境對零件的要求。

1 3D打印技術(shù)介紹

3D打印技術(shù)是增材制造的主要實(shí)現(xiàn)形式。增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的減材制造,不需要原胚和模具,直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)通過增加材料的方法生成任何形狀的物體。最大的優(yōu)點(diǎn)是簡化制造程序、縮短新品研制周期、降低開發(fā)成本和風(fēng)險。相比傳統(tǒng)制造工藝,3D打印節(jié)省原材料,用料只有原來的1/3到1/2,制造速度卻快3～4倍。

3D金屬零件打印技術(shù)作為整個3D打印體系中最前沿和最有潛力的技術(shù),是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向,主要分為8類[7-8]。

(1)光固化立體成形技術(shù)。該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)控制紫外光對液態(tài)光敏樹脂(UV樹脂、環(huán)氧樹脂等)進(jìn)行逐層掃描,使其固化發(fā)生聚合反應(yīng)。固化完成1個層面后,工作臺下降1個層面高度,繼續(xù)掃描、固化,直至形成最終零件。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以形成精度較高的零件,缺點(diǎn)是材料自身具有局限性,工藝復(fù)雜、成本高。

(2)熔融沉積成形技術(shù)。該技術(shù)利用電能對噴頭內(nèi)的絲狀材料(塑料、低熔點(diǎn)合金絲、石蠟等)加熱,使其達(dá)到熔融狀態(tài)。計(jì)算機(jī)根據(jù)分層數(shù)據(jù)控制噴頭在工作臺上運(yùn)動,融絲冷卻后形成1個層面,噴頭向上移動1個層面高度,依次堆疊最終形成目標(biāo)零件。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是污染小、操作簡單、維護(hù)方便,缺點(diǎn)是零件的精度和表面光潔度較差。

(3)選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。采用激光為能量源,以各類粉末材料為原料。鋪粉系統(tǒng)在工作臺上鋪一層極薄的粉,激光束根據(jù)計(jì)算機(jī)提供的分層數(shù)據(jù)對粉末選擇性燒結(jié),完成后工作臺下降1個截面高度,繼續(xù)進(jìn)行下一層的燒結(jié)。如此反復(fù)循環(huán),直至加工完成。最后去除表面多余的粉末,進(jìn)行后處理,形成最終零件。相對于其他的3D打印成形技術(shù),選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可應(yīng)用的原材料較多,有金屬粉末、聚合物粉末、陶瓷粉末、石蠟粉末以及復(fù)合材料等。缺點(diǎn)是形成的零件表面質(zhì)量較差、尺寸精度低,工藝參數(shù)對零件的質(zhì)量難以控制。

(4)三維打印成形技術(shù)。該技術(shù)利用粉末作為原材料,通過噴嘴噴射硅膠等黏結(jié)劑將粉末與成形件的截面進(jìn)行黏結(jié),中間沒有被黏結(jié)劑噴到的粉末起到了很好的支撐作用。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是材料價格低、效率高,可以形成大尺寸零件;缺點(diǎn)是強(qiáng)度低,表面質(zhì)量較差。

(5)選擇性激光熔化技術(shù)。該技術(shù)需要使金屬粉末完全熔化,直接成形金屬件,因此,需要高功率的激光器。開始掃描前水平鋪粉輥先把金屬粉末平鋪到加工室的基板上,激光束將按當(dāng)前層的輪廓信息選擇性熔化基板上的粉末,加工出當(dāng)前層的輪廓,可升降系統(tǒng)下降1個圖層厚度的距離,滾動鋪粉輥在已加工好的當(dāng)前層上鋪金屬粉末,設(shè)備調(diào)入下一圖層進(jìn)行加工,如此層層加工,直到整個零件加工完畢。整個加工過程在抽真空或通有氣體保護(hù)的加工室中進(jìn)行,以避免金屬在高溫下與其他氣體發(fā)生反應(yīng)。利用該技術(shù)可制造致密性高、力學(xué)性能好的金屬零件,但目前這種技術(shù)無法成形大尺寸零件。

(6)電子束熔化技術(shù)。該技術(shù)采用高能高速的電子束選擇性地轟擊金屬粉末,使粉末材料熔化成形。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)對一些工藝參數(shù)如電子束電流、聚焦電流、作用時間、粉末厚度、加速電壓、掃描方式進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),作用時間對成形影響最大。電子束熔化技術(shù)具有加工速度快,成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的優(yōu)勢,但是成形尺寸受到粉末床和真空室的限制[4]。

(7)激光熔覆式成形技術(shù)。成形過程中,通過噴嘴將粉末聚集到工作平面上,激光束也聚集到該點(diǎn),將粉光作用點(diǎn)重合,通過工作臺或噴嘴移動,獲得堆積的熔覆實(shí)體。這種成形工藝可以成形大尺寸金屬零件,但是無法成形結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件[9]。

(8)電子束熔絲沉積成形技術(shù)。該技術(shù)又稱電子束自由成形制造技術(shù),在真空環(huán)境中,以電子束為熱源,金屬絲材為成形材料,通過送絲裝置將金屬絲送入熔池并按設(shè)定軌跡運(yùn)動,直到制造出目標(biāo)零件或毛坯。這種方法效率高,成形零件內(nèi)部質(zhì)量好,但是成形精度及表面質(zhì)量差,且不適用于塑性較差的材料,無法加工成絲材[10]。

本文中3D打印的石油測井零件,尺寸不大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對零件的力學(xué)性能要求較高,因此,采用選擇性激光熔化技術(shù)進(jìn)行加工。

2 3D金屬打印在石油測井系統(tǒng)的應(yīng)用案例

由于3D金屬打印能夠成形金屬粉末完全結(jié)合的功能性零件,致密度可達(dá)100%,打印產(chǎn)品的強(qiáng)度可與傳統(tǒng)加工產(chǎn)品相媲美。3D金屬打印可直接獲得任意形狀,使其打印的零件可以完美解決內(nèi)部孔道彎曲的問題,這是傳統(tǒng)加工所無法比擬的。

2.1 石油測井儀器上穿線零件打印

石油測井儀器朝智能化發(fā)展,通過向儀器內(nèi)部電子元器件下達(dá)指令,使儀器得到精確控制。由于整個儀器是金屬材料,為保證儀器的壽命和可靠性,導(dǎo)線通過彎孔的位置必須光滑。有些過線彎孔用傳統(tǒng)數(shù)字機(jī)械加工難以保證其光滑度。圖1(a)為井壁取心儀上根據(jù)傳統(tǒng)機(jī)械加工設(shè)計(jì)的過線孔零件。

圖1 過線零件加工設(shè)計(jì)圖

3D金屬打印可有效避免導(dǎo)線在彎孔處的磨損,減少工藝孔。圖1(b)是該零件的3D金屬打印設(shè)計(jì)圖。加工過程中,將三維STL格式的零件圖形用Magic軟件進(jìn)行加支撐處理,利用切片軟件RPTOOLS(EOS公司出品)進(jìn)行切片,厚度為0.03 mm,將切片文件導(dǎo)入到EOSPRINT(EOS公司出品的離線打印軟件)進(jìn)行位置擺放及激光加工工藝選擇(包括激光功率、速度及搭接率等)(見圖2),圖2中綠色為激光燒結(jié)部分。將EOSPRINT保存好的文件傳輸?shù)?D打印機(jī)EOSM 290。

圖2 EOSPRINT中激光掃描燒結(jié)路徑圖

打印前在機(jī)器內(nèi)添加足夠量的鈦合金(Ti-6Al-4V)粉末,將粉末過篩處理,粉末顆?？刂?5～45 μm。加工平臺上安裝打印所需鈦合金基板并調(diào)平,安裝通風(fēng)口保證惰性氣體循環(huán)利用,關(guān)閉艙門,進(jìn)行基板首層鋪粉,鋪粉完畢后打開氬氣閥門向機(jī)器內(nèi)部充入濃度高于99.996%的氬氣。點(diǎn)擊開始按鍵,當(dāng)機(jī)器加工倉內(nèi)氧氣濃度降至0.1%以下時,機(jī)器開始自動打印,打印結(jié)束后自動關(guān)閉激光及氬氣閥門。

打印結(jié)束后將零件連同基板去除多余金屬粉末后從機(jī)器內(nèi)取出,多余粉末過篩后可循環(huán)使用。將零件連同基板進(jìn)行噴砂,去除零件表面及內(nèi)部粘連的殘余粉末顆粒,進(jìn)行熱處理后利用線切割將零件從基板上切下,根據(jù)用戶要求進(jìn)行外表面銑削及螺紋加工,加工后的過線孔零件見圖3。

圖3 3D金屬打印加工后的過線孔零件

由于零件工作環(huán)境特殊,要求過線孔零件有一定的致密性,對其耐壓性能和絕緣性能要求較高。對3D打印后的零件進(jìn)行壓力測試和絕緣性測試,耐壓大于140 MPa,在1 000 V的電壓下,其阻值為4 000 MΩ,滿足設(shè)計(jì)要求。目前3D金屬打印的過線孔零件已在大直徑旋轉(zhuǎn)井壁取心儀上產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2.2 液壓集成閥座打印

液壓集成閥座是石油儀器上的重要零件,對石油系統(tǒng)的運(yùn)行具有關(guān)鍵的控制作用[11]。液壓元件主要通過對集成閥座上電磁閥的控制實(shí)現(xiàn)測井系統(tǒng)的功能,如支撐腿的張開、收回等。由于液壓集成閥座的功能集成化,其上往往需要安裝2個以上的電磁閥,這導(dǎo)致液壓集成閥座上孔道較多。由于傳統(tǒng)機(jī)械加工會產(chǎn)生較多的工藝孔,難以保證零件的密封性能。一些孔道間距較小,容易出現(xiàn)孔道相交的現(xiàn)象,難以保證零件的合格率,并且加工時間較長,一般在5 h以上。

采用3D金屬打印技術(shù),可在保證加工質(zhì)量的同時,提高加工速度,加工時間比傳統(tǒng)機(jī)械加工縮短一半左右。同時也保證了集成閥座的密封性能,節(jié)省原材料和成本。集成閥座3D金屬打印裝配圖見圖4,整個加工過程與穿線零件打印相同。

圖4 集成閥座3D金屬打印裝配圖

2.3 支撐臂中間套打印

支撐臂在石油系統(tǒng)上的主要作用是推靠、坐封和解卡,使儀器固定在確切的地層位置上。支撐臂由液壓控制,通過控制液壓油的方向來控制支撐臂中間套和活塞桿的伸縮。座封地層時支撐臂承受壓力較大,對支撐臂中間套和活塞桿的強(qiáng)度要求較高。

支撐臂中間套是支撐臂的重要零件,圖5(a)是其傳統(tǒng)加工設(shè)計(jì)圖。由于加工工藝的限制,過油孔最小加工直徑為4.4 mm,在加工完成后需要工藝密封堵孔,導(dǎo)致I處比較薄弱,最薄弱處為1.2 mm,耐壓強(qiáng)度為80 MPa,大大降低了整個支撐臂的強(qiáng)度,不能滿足零部件對環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。

圖5 支撐臂中間套設(shè)計(jì)圖

圖5(b)是支撐臂中間套的3D金屬打印設(shè)計(jì)圖。采用3D金屬打印技術(shù)可以避免工藝孔的存在,在滿足實(shí)際需要的情況下,利用3D打印技術(shù)可加工2.5 mm的過油孔道,整個零件最薄弱的部分為3 mm,耐壓強(qiáng)度大于140 MPa,大幅度提高支撐臂的整體強(qiáng)度和耐壓性能,同時保證零件的密封性能。

圖6 電機(jī)渦輪模型

2.4 井下儀器大功率發(fā)電機(jī)渦輪打印

對于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的零件,采用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法耗時較長、加工難度較高,無法一次性加工成形,不能保證零件的強(qiáng)度。隨鉆井下儀器大功率發(fā)電機(jī)渦輪為儀器各項(xiàng)功能指令提供能量,是重要的功能性零件,其結(jié)構(gòu)見圖6(a)。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,由多個曲面構(gòu)成,加工難度較大,傳統(tǒng)機(jī)械加工難以保證零件的精度,加工時間較長。采用3D金屬打印,既保證零件的強(qiáng)度和精度,又大大縮減了零件的加工時間,提高了效率。3D金屬打印的電機(jī)渦輪模型見圖6(b),其打印過程與穿線零件相同。

對電機(jī)渦輪進(jìn)行不同配比鉆井液的試驗(yàn)水循環(huán)分析,得到其不同轉(zhuǎn)速下的排量、總壓降的關(guān)系(見圖7)。圖7中鉆井液1—鉆井液10其運(yùn)動黏度逐漸增大。由圖7可見,在同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)動黏度越小的鉆井液排量越大,運(yùn)動黏度越小的鉆井液總壓差越小,隨著轉(zhuǎn)速的增大渦輪的排量和總壓降不斷增大。由不同轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的排量和壓降數(shù)據(jù)分析可知,3D打印的渦輪零件滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 渦輪的排量和壓降性能

對3D加工完成后的石油測井儀器零件進(jìn)行力學(xué)性能分析,得到數(shù)據(jù)見表1。

表1 選擇性激光熔化鈦合金零件的力學(xué)性能

從表1可知,經(jīng)熱處理后3D打印鈦合金測井儀器零件的密度和抗拉強(qiáng)度沒有變化,屈服強(qiáng)度和硬度略有下降,伸長率得到顯著提升,零件整體表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能,滿足對測井零件力學(xué)性能的要求。

上述4種3D打印的測井零件已安裝到了測井儀器上,分別在渤海、華北和山西作業(yè)7口井,在高溫和高壓的環(huán)境下表現(xiàn)出良好的性能。

3 結(jié)束語

3D金屬打印技術(shù)在石油測井儀器的研制中應(yīng)用廣泛,打印的金屬零件表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,解決過線零件內(nèi)部彎孔、集成閥座內(nèi)部孔道較多、支撐臂中間套強(qiáng)度高、電機(jī)渦輪形狀不規(guī)則等問題。從減少加工時長、降低加工成本、提高加工精度、優(yōu)化加工設(shè)計(jì)出發(fā),對石油測井儀器的發(fā)展具有重要的意義。3D打印技術(shù)從根本上改變了人類的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,對測井儀器研制的影響有待于進(jìn)一步探究。