增材制造國內(nèi)外標準發(fā)展及石油裝備標準化工作建議

摘 要：增材制造（AM）作為一種改變傳統(tǒng)制造理念和模式的創(chuàng)新技術(shù)，已成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，因而，在航空航天、醫(yī)療、機械制造等行業(yè)中被逐步廣泛應用，但在石油行業(yè)的研究和應用相對滯后。為推動增材制造在石油工業(yè)中的應用，本文跟蹤分析了國內(nèi)外增材制造領(lǐng)域標準的最新進展，對石油裝備增材制造標準化發(fā)展提出了建議。為促進增材制造技術(shù)在石油裝備制造領(lǐng)域的應用，標準化工作應先行，在現(xiàn)有國家和ISO標準基礎(chǔ)上盡快建立石油裝備材料增材制造標準體系，找到產(chǎn)品應用突破口，借鑒國外先進增材制造標準，制定相應的產(chǎn)品技術(shù)要求和質(zhì)量檢驗與認證認可標準，并要做好與現(xiàn)有標準、規(guī)范的銜接。

關(guān)鍵詞：增材制造（AM），石油裝備，標準化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.005

0 引 言

增材制造（AM）又稱“3D打印”，是以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に?。作為一種改變傳統(tǒng)制造理念和模式的創(chuàng)新技術(shù)，其已成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，是制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效的重要驅(qū)動力[1]。AM的特點是無需模具、可快速成型、可制造復雜的幾何構(gòu)型，具有材料制備過程與零件成形過程一體化的特征，在原材料利用率、制造自由度、功能性最優(yōu)設(shè)計等方面具有明顯優(yōu)勢，尤其適用于小批量、定制化、復雜結(jié)構(gòu)的加工制造，因而，在航空航天、醫(yī)療、機械制造等行業(yè)被逐步廣泛應用[2-3]。

AM作為新興產(chǎn)業(yè)，發(fā)展非常迅速，隨著其產(chǎn)業(yè)及技術(shù)的不斷發(fā)展，面臨的標準化問題日益凸顯，嚴重制約了AM產(chǎn)業(yè)技術(shù)成果的累積、固化和推廣應用[1]。歐美等先進國家投入大量精力開展AM技術(shù)研究和標準制定，我國也將其作為先進制造技術(shù)列入國家發(fā)展規(guī)劃。AM技術(shù)在國外經(jīng)過長期發(fā)展，已經(jīng)形成了比較完整的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、應用全產(chǎn)業(yè)鏈體系，并且與之相關(guān)的標準也比較完善和先進[2]。

標準、規(guī)范及相關(guān)最佳做法是AM生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分，是推動AM技術(shù)應用的關(guān)鍵因素。特別是在石油和天然氣等高度監(jiān)管的行業(yè)，由于缺乏標準、認證和最佳做法，AM的應用受到阻礙[4]。目前，沒有特定的石油和天然氣AM行業(yè)標準來定義該領(lǐng)域使用的金屬部件的認證過程，沒有標準或指南會增加產(chǎn)品/組件不符合最低要求的風險[5]。因此，標準制定是AM技術(shù)在石油工業(yè)大規(guī)模應用的關(guān)鍵推動因素[4]。

為推動AM技術(shù)在石油工業(yè)中的應用，本文在跟蹤分析國內(nèi)外AM領(lǐng)域的標準化最新發(fā)展的基礎(chǔ)上，對石油裝備AM的標準化發(fā)展提出建議。

1 國外增材制造標準發(fā)展

1.1 ISO

通過標準化支撐和引領(lǐng)金屬AM產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為國際共識，國際標準化組織（ISO）于2011年創(chuàng)建ISO/TC 261增材制造標準化技術(shù)委員會，并于當年就與ASTM F42簽署合作協(xié)議，共同開展AM技術(shù)領(lǐng)域的標準化工作。2013年，ISO/TC 261與ASTM F42共同發(fā)布了一份“增材制造標準制定聯(lián)合計劃”。該計劃包含了AM標準的通用結(jié)構(gòu)/層次結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)由任何一方所發(fā)起的項目都能實現(xiàn)一致性。2016年，ISO/TC 261、ASTM F42以及歐洲標準委員會CEN/TC 438進行了充分合作。國際AM標準化的發(fā)展趨勢是ISO、ASTM、CEN（歐洲標準化委員會）共同合作制定統(tǒng)一的國際標準架構(gòu)、路線圖和標準[1， 6 - 8]。國際AM標準化呈現(xiàn)出“高度統(tǒng)一”的特點，即標準體系高度統(tǒng)一（遵照同一套標準體系）、標準內(nèi)容高度統(tǒng)一（制定同一套標準）、開展標準化工作的專家隊伍構(gòu)成高度統(tǒng)一（同一批歐美專家以及部分亞洲專家）[1，9]。

自2004年第一部增材制造ISO標準發(fā)布以來，截至2023年11月，ISO已制定發(fā)布了56項、正在制定25項AM領(lǐng)域的標準，其中2021—2023年新發(fā)布的AM相關(guān)標準有28項（見表1），僅在2023年就發(fā)布標準19項。這些數(shù)據(jù)表明，ISO增材制造的標準有加快的趨勢。

1.2 美國

（1）SAE

美國汽車工程師學會（SAE），是美國及世界汽車工業(yè)（包括航空和海洋）有重要影響力的學術(shù)團體，也是世界上汽車、海洋和航空/航天運輸機械技術(shù)信息的資源之一。早在2002年2月，美國汽車工程師協(xié)會（SAE）針對Ti-6Al-4V合金激光近成型制品的需求，發(fā)布了世界上第一項增材制造技術(shù)標準SAE AMS 4999-2002《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》[2]。

鑒于增材制造技術(shù)近年來迅猛發(fā)展的勢頭，SAE International于2015年成立了AMS-AM增材制造委員會，負責編制和維護與增材制造相關(guān)的航空航天材料和工藝規(guī)范標準以及相關(guān)的技術(shù)報告，并得到聯(lián)邦航空管理局的任務函，以協(xié)助監(jiān)管機構(gòu)制定增材制造認證指導材料，將繼續(xù)制定金屬和聚合物的AMS規(guī)范，以支持航空航天的行業(yè)需求[2]。截至2023年12月，SAE已經(jīng)發(fā)布及正在制定增材制造方面標準30余項，其中近四年來制修訂的標準16項。

（2）ASTM

美國材料試驗協(xié)會（ASTM）于2009年成立了專門的增材制造技術(shù)委員會ASTM F42，是最早成立的增材制造技術(shù)委員會的標準化協(xié)會組織。其主要目標是制定增材制造材料、產(chǎn)品、系統(tǒng)和服務等領(lǐng)域的特性和性能標準、試驗方法和程序標準，促進增材制造技術(shù)推廣與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2012年，ASTM F42發(fā)布了F2792-12a《增材制造術(shù)語》標準，并于2015年與ISO合作對該標準進行了修訂，發(fā)布了第一份ISO/ASTM聯(lián)合標準，對增材制造技術(shù)推廣及產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的術(shù)語與定義進行了規(guī)范。之后，ASTM與ISO聯(lián)合制修訂了多項增材制造標準[2，6-7]。

A S TM致力于完善增材制造標準體系，截至2023年12月，ASTM共頒布了19項標準。2020年以來，修訂了3項標準：ASTM F3049-14（2021）《用于增材制造的金屬粉末表征屬性的標準指南》、ASTM F3055-14a（2021）《粉末床熔融增材制造鎳合金（UNS N07718）的標準規(guī)范》、ASTM F3056-14（2 0 21）《粉末床熔融增材制造鎳合金（U N SN06625）的標準規(guī)范》。

（3）ASME

美國機械工程師協(xié)會（A SM E）成立于18 8 0年，是世界上建立最早的機械工程學術(shù)團體。目前ASME擁有工業(yè)和制造行業(yè)的600項標準和規(guī)范，這些標準和規(guī)范已被全球90多個國家采用。ASMEY14第4 6分委員會成立的目的是為增材制造開發(fā)和標準化提供統(tǒng)一的產(chǎn)品定義（主要是設(shè)計和開發(fā)）。ASME發(fā)布了2項增材制造領(lǐng)域的標準[4]：ASME Y14.46-2022《增材制造的產(chǎn)品定義》，標準涵蓋了增材制造技術(shù)特有的術(shù)語定義和特征，并在產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)集和相關(guān)文件中對其統(tǒng)一規(guī)范提出了建議。

ASME P TB-13-2021《采用增材制造的承壓金屬部件》，屬于壓力（容器）技術(shù)手冊（PTB），涉及采用激光和電子束能量源的AM粉末床熔融工藝（PBF）建造承壓部件，也允許將AM部件連接（焊接或釬焊）到非AM部件形成混合結(jié)構(gòu)。

（4）AWS

美國焊接協(xié)會（AWS）成立于1919年，在全球范圍內(nèi)推進焊接和相關(guān)連接和切割工藝的科學、技術(shù)和應用。AWS只發(fā)布了一項增材制造領(lǐng)域的標準：AWS D20.1/D20.1M：2019《增材制造金屬構(gòu)件規(guī)范》[4]。該規(guī)范規(guī)定了使用增材制造金屬部件的一般要求，包括增材制造部件的設(shè)計、鑒定、制造、檢驗和驗收。

（5）API

美國石油學會（API）成立于1919年，是石油和天然氣行業(yè)建立、維護和分發(fā)共識標準的全球領(lǐng)導者，已經(jīng)制定了800多項標準，被石油行業(yè)普遍采用。API發(fā)布了2項增材制造領(lǐng)域的標準：API STD 20S：2021《用于石油和天然氣工業(yè)的增材制造金屬部件》，規(guī)定了石油和天然氣行業(yè)中使用的增材制造金屬部件的制造工藝、生產(chǎn)、標記和文檔的評定要求，適用于通過粉末床熔融（PBF）、定向能量沉積（DED）和黏結(jié)劑噴射（BJT）工藝生產(chǎn)的增材制造金屬部件。

API STD 20T：2022《用于石油和天然氣的增材制造聚合物基組件》，規(guī)定了石油和天然氣行業(yè)中使用的增材制造聚合物基組件的制造工藝、生產(chǎn)、標記和文檔的評定要求，適用于通過材料擠出（FFF、FDM、FGF）和粉末床熔融（SLS、MJF）生產(chǎn)的增材制造聚合物基組件（包括復合材料）。

1.3 德國

2020年7月，德國材料學會（DESY）發(fā)布了增材制造通用術(shù)語。2021年6月，德國金屬材料學會（DFM）發(fā)布了一項增材制造技術(shù)規(guī)范草案，包含增材制造零件的分類和尺寸、增材制造過程的一般要求、材料應用和尺寸偏差等內(nèi)容。此外，德國金屬材料學會（DFM）還發(fā)布了增材制造技術(shù)標準：《金屬材料增材制造》《增材制造產(chǎn)品的技術(shù)條件》。歐洲焊接聯(lián)合會發(fā)布了國際增材制造人員職業(yè)資格培訓與認證制度。

德國標準化協(xié)會（DI N）與德國工程師協(xié)會（VDI）針對于增材制造技術(shù)的發(fā)展與應用制定了相應的標準共計21項，2020年以來發(fā)布8項。

1.4 挪威

挪威船級社（DNV）成立于1864年，是一家全球領(lǐng)先的專業(yè)風險管理服務機構(gòu)。DNV為客戶提供全面的風險管理和各類評估認證服務，主要涉及船級服務、認證服務、技術(shù)服務等方面，在海事、石油天然氣、能源以及食品和保健領(lǐng)域奠定了全球領(lǐng)先地位。DNV制定的增材制造標準見表2，內(nèi)容主要涉及材料、方法、設(shè)備、人員等方面的資格評定。

1.5 英國

英國一直是全球3D打印技術(shù)研究與應用的引領(lǐng)者，在增材制造標準制定方面，英國政府也非常重視。2015年英國政府發(fā)布了《3D打印技術(shù)研究與應用的監(jiān)管框架》，2019年發(fā)布了《增材制造產(chǎn)品和服務監(jiān)管框架》，明確了3D打印產(chǎn)品、服務及相關(guān)設(shè)備的分類要求，建立了產(chǎn)品質(zhì)量要求、安全要求等行業(yè)標準，還包含了增材制造技術(shù)監(jiān)管要求和政府采購監(jiān)管要求。英國標準研究院（BSI）采用ISO、ISO/ASTM、ISO/IEC發(fā)布的增材制造標準，編號前面加BS EN，如BS EN ISO/ASTM 52900， 2022。BSI自行發(fā)布的增材制造標準有3項，正在制定過程有1項。

1.6 日本

日本政府和產(chǎn)業(yè)界都非常重視增材制造技術(shù)的開發(fā)和應用。日本標準協(xié)會、日本工業(yè)聯(lián)合會、日本機械工業(yè)技術(shù)協(xié)會、日本金屬加工技術(shù)協(xié)會等組織也積極開展增材制造技術(shù)的研究和標準制定。日本標準協(xié)會（JSA）發(fā)布的增材制造標準只有1項：JSA JIS B 9441 Revision 20J， March 23， 2020《增材制造-總原則-術(shù)語和基本概念》。

2 國內(nèi)增材制造標準發(fā)展

2.1 國家標準

我國于2002年開始增材制造產(chǎn)業(yè)標準化的相關(guān)工作，依托全國特種加工機床標準化技術(shù)委員會，主要針對快速成形機床產(chǎn)品制定了近10項國家標準及行業(yè)標準，但內(nèi)容較單一。標準沒有涉及關(guān)鍵共性、設(shè)計、工藝和方法、檢驗與測試等方面的需求，很難全面反映國內(nèi)現(xiàn)有增材制造技術(shù)的研究水平。2010年以來，國家出臺各項政策支持增材制造的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，對標準化工作也提出了要求?！对霾闹圃飚a(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015－2016年）》明確提出要建立和完善產(chǎn)業(yè)標準體系?！丁笆奈濉敝悄苤圃彀l(fā)展規(guī)劃》《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020－2022年）》等，對智能制造、增材制造標準化提出了新要求。2016年，全國增材制造標準化技術(shù)委員會（SAC/TC 562）正式成立，對口的國際標準化組織是ISOTC 216，在國家層面上開展增材制造標準化工作，主要負責制修訂相關(guān)行業(yè)的國家標準，進一步規(guī)范中國3D打印市場產(chǎn)品及服務標準[10]。

我國增材制造標準制修訂發(fā)展很快。截至2023年底，我國已發(fā)布增材制造的國家標準61項，正在制定/計劃制定的標準有28項，2021年以來制修訂的標準有22項（見表3）。發(fā)布的標準數(shù)量已超過ISO標準數(shù)量，推動了增材制造技術(shù)的發(fā)展。

2.2 行業(yè)和地方標準

增材制造是一種工藝先進、智能化程度高、方法靈活的新興的制造技術(shù)，在航空航天、機械制造、醫(yī)療、核工業(yè)、石油、化工等行業(yè)具有良好的應用前景，相關(guān)行業(yè)和地方已開展標準體系研究和標準制定工作[1，11-12]。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2023年12月，我國相關(guān)行業(yè)和地方發(fā)布的增材制造標準有32項，其中近四年制定的有16項。

2.3 團體標準

團體標準是我國市場主導制定標準的主要構(gòu)成，是由團體按照自行規(guī)定的標準程序制定并發(fā)布，供團體成員或社會自愿采用的標準。自2018年《中國人民共和國標準化法》修訂以來，我國團體標準發(fā)展迅速。國家標準化管理委員會等六部門聯(lián)合印發(fā)的《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020—2022年）》管理針對具體技術(shù)和產(chǎn)品制定具有引領(lǐng)性、競爭性的團體標準，增材制造團體標準得到了快速發(fā)展[13]。根據(jù)國家標準信息公共服務平臺上備案信息，共有41家機構(gòu)發(fā)布增材制造行業(yè)團體標準共計185項，其中4項以上的有8家（見表4）。

2.4 企業(yè)標準

我國有許多增材制造企業(yè)類企業(yè)，制定了數(shù)量眾多的增材制造（3D打?。┢髽I(yè)標準，許多已在國家標準化管理委員會備案，詳細信息可在國家標準信息公共服務平臺上查詢。

3 石油裝備增材制造標準化建議

增材制造技術(shù)是一種顛覆性的金屬零部件智能制造工藝方法，它可以改變構(gòu)件結(jié)構(gòu)、改變材料、改變重大裝備的制造模式。相關(guān)機構(gòu)開展了增材技術(shù)在高壓油氣管道上應用技術(shù)研究，表明AM的三通管件在定制化、特殊環(huán)境和特殊用途工況情況下，具有良好的推廣和應用前景[14]。AM正在徹底改變包括石油和天然氣行業(yè)在內(nèi)的多個行業(yè)的設(shè)計、制造和供應鏈概念。隨著越來越多的金屬AM組件在石油和天然氣行業(yè)中投入使用，對制造和質(zhì)量要求及控制的標準或指南的需求正在增長[5]。

國內(nèi)外AM標準發(fā)展很快，尤其是近年來，隨著技術(shù)的不斷成熟和應用的不斷推廣，標準發(fā)布數(shù)量呈現(xiàn)快速增長的趨勢。AM標準的現(xiàn)狀和發(fā)展對于推動AM技術(shù)的應用和發(fā)展具有重要意義。通過制定統(tǒng)一的標準，可以提高AM產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，降低制造成本，促進AM技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應用。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和標準的不斷完善，AM將為制造業(yè)帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)。

石油裝備是石油工業(yè)的重要組成部分，對于保障國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的石油裝備制造存在著生產(chǎn)周期長、成本高、靈活性差等問題，無法滿足快速變化的市場需求。石油裝備面臨高溫、高壓、高腐蝕等服役工況，材料種類繁多，包括金屬和非金屬材料，但以金屬材料的AM為主。而AM可以通過逐層堆積材料來制造復雜形狀的零部件，具有快速、靈活、高效的特點，可以為石油裝備制造帶來革命性的變革。然而，由于相關(guān)技術(shù)和標準不夠完善，導致AM的發(fā)展也面臨諸多挑戰(zhàn)。目前，AM技術(shù)在石油裝備領(lǐng)域的應用尚處于起步階段，還未形成規(guī)?；藴驶彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，存在一定的不確定性。AM作為一種新型的智能制造技術(shù)，已在航空、航天、醫(yī)療、汽車、船舶等行業(yè)得到廣泛應用，但在石油行業(yè)中的研究和應用相對滯后，未來為了促進AM技術(shù)在石油裝備材料行業(yè)的應用，標準化工作應先行，建議：

（1）盡快建立石油裝備材料AM標準體系，分為幾個層次：1）基礎(chǔ)標準，主要采用現(xiàn)有的ISO和國家標準；2）方法、工藝、材料標準，以采用現(xiàn)有的ISO、國家和行業(yè)、團體標準為主，結(jié)合特點，補充制定相關(guān)標準；3）制定行業(yè)專有的標準，主要圍繞行業(yè)使用特點和環(huán)境要求，制定產(chǎn)品、檢驗、認證等標準。

（2）找到產(chǎn)品應用突破口，技術(shù)要可靠，性能和質(zhì)量要穩(wěn)定，借鑒國外先進AM標準，制定相應的產(chǎn)品技術(shù)要求和質(zhì)量檢驗與認證認可標準，在行業(yè)應用中取得經(jīng)濟效益和示范效果。

（3）要做好與現(xiàn)有標準、規(guī)范的銜接，現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范、產(chǎn)品標準，其零部件允許采用AM方法，給出性能技術(shù)和質(zhì)量檢測要求，這樣才能突破AM產(chǎn)品應用的障礙，使設(shè)計、制造、檢驗和應用有標準可依，做到合規(guī)使用。

4 結(jié) 語

增材制造（AM）作為一種改變傳統(tǒng)制造理念和模式的創(chuàng)新技術(shù)，已成為引領(lǐng)科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革的關(guān)鍵技術(shù)之一，因而，在航空航天、醫(yī)療、機械制造等領(lǐng)域被廣泛應用。隨著AM技術(shù)在工業(yè)中推廣應用，迫切需要標準化來確保其產(chǎn)品質(zhì)量的一致性和可靠性。標準是AM生產(chǎn)過程中不可或缺的一部分，是推動AM技術(shù)應用的關(guān)鍵因素。特別是在石油和天然氣等高度監(jiān)管的行業(yè)，由于缺乏標準，AM的應用受到阻礙。為促進增材制造技術(shù)在石油裝備制造領(lǐng)域的應用，標準化工作應先行，在現(xiàn)有國家和ISO標準基礎(chǔ)上盡快建立石油裝備材料增材制造標準體系，找到產(chǎn)品應用突破口，借鑒國外先進增材制造標準，制定相應的產(chǎn)品技術(shù)要求和質(zhì)量檢驗與認證認可標準，并要做好與現(xiàn)有標準、規(guī)范的銜接。

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作者簡介

李為衛(wèi)，正高級工程師，主要從事油氣輸送管道材料研究及標準化工作。

（責任編輯：袁文靜）