告别传统制造，油气巨头们的3D打印秘密

在墨西哥湾的一个偏远钻井平台上，工程师们正在焦急等待一个关键零件的到来。

突然，平台上的3D打印机开始运转，几小时后，一个完全符合规格的零件被制造出来。

这不是科幻电影的场景，而是3D打印技术在油气行业中应用的缩影。

作为全球最大的产业之一，油气行业正面临前所未有的挑战。

2021年，全球原油产量达到42亿吨，但行业面临的困境日益严峻。

气候变化带来的压力迫使行业寻求更清洁的生产方式；

地缘政治的不确定性，导致供应链中断和能源价格波动；

日益严格的环保要求也在推动行业转型。

此外，老化的基础设施和设备效率低下问题也亟待解决。

在这样的背景下，3D打印技术的出现，为行业的转型升级提供了新的可能。

3D打印：油气行业的创新驱动力

3D打印，又称增材制造，是通过逐层堆积材料来制造三维物体的技术。

在油气行业，从上游的勘探开发，到中游的运输储存，再到下游的炼化销售，3D打印技术几乎触及了产业链的每一个环节。

它不仅能够提高生产效率，还能帮助减少浪费消耗，降低泄漏事故的风险，从而为行业的可持续发展做出贡献。

行业先驱的3D打印案例

1. 巴克休斯（Baker Hughes）：

作为3D打印的早期使用者，巴克休斯早在2013年就安装了金属激光熔化3D打印设备。

公司利用这项技术开发新一代零部件，包括新型天然气涡轮机。

特别值得一提的是，巴克休斯正在开发复杂几何结构的零件，如离心泵叶轮。

这种叶轮的设计优化可以显著提高泵的效率，减少能源消耗。此外，公司还计划开发一个备件目录，利用增强的3D打印能力，为客户提供更快速、更经济的备件解决方案。

2. 壳牌Shell：

这家全球能源巨头广泛应用3D打印技术制造零部件，特别是那些通常劳动密集型和昂贵的部件。

2021年底，Shell与3D Metalforge合作，为其炼油厂提供3D打印换热器部件。

这个项目的关键在于，他们成功将换热器管件的制造周期缩短至仅两周，而传统方法可能需要数月时间。

这些薄壁管件插入冷凝器和换热器的进口端，用于传热和防止管道故障。

通过采用3D打印技术，Shell不仅大大延长了现有设备的使用寿命，还显著降低了维护成本和停机时间。

3. 埃克森美孚ExxonMobil：

美国能源巨头与澳大利亚公司AML3D合作，设计制造了一个长8米、直径1.5米、重900公斤的金属压力容器零件。

这被认为是市面上最大的商用3D打印零件之一，预计仅需12周即可完成制造。

这个项目使用了AML3D的专有技术Wire Additive Manufacturing（WAM），这是一种源自定向能量沉积（DED）的技术，结合了电弧和认证焊丝。

这种技术不仅可以制造大型金属部件，还能在制造过程中实现材料性能的精确控制。

压力容器的成功制造展示了3D打印技术在大型、高压设备制造中的潜力，为油气行业的设备创新开辟了新的可能性。

4. 雪佛兰Chevron：

为解决供应链问题，雪佛龙与Lincoln Electric合作，利用3D打印技术生产了8个镍合金零件，有效避免了供应链延误。

这些零件是用镍合金制成的，这种材料在油气行业中因其耐腐蚀和高温性能而广泛使用。

通过采用3D打印技术，Chevron不仅解决了供应链中断的问题，还实现了零件的快速定制化生产。

这种按需生产的模式大大减少了库存成本，同时提高了供应链的灵活性和响应速度。

5. 通用电气（GE）：

GE利用3D打印技术生产了一款名为"哈里特"的大型高效燃气轮机。

通过优化涡轮叶片内部冷却通道和燃烧系统设计，该轮机效率提高到了64%。

这个项目的关键在于3D打印技术允许工程师设计和制造复杂的内部结构，这在传统制造方法中是难以实现的。

例如，涡轮叶片内部的冷却通道可以设计成更复杂和高效的形状，从而提高热交换效率。

燃烧系统的优化则允许更精确的燃料和空气混合，提高燃烧效率并减少排放。

这种高效率不仅降低了运营成本，还显著减少了碳排放，为油气行业的可持续发展做出了贡献。

6. PGV Oil Tools：

位于美国德克萨斯州的PGV Oil Tools公司采用了Desktop Metal的Shop System来生产其井下油具。

这一决定使得公司能够以更低的成本、更短的时间生产工具，同时显著减少了生产过程中的废料。

通过采用3D打印技术，PGV Oil Tools不仅提高了生产效率，还增强了其在市场中的竞争力。

3D打印在油气能源行业的全链条应用视角

1. 上游应用：

在勘探与生产领域，3D打印技术主要用于快速原型制作、现场零部件制造和复杂结构设计。

例如，GE正在利用3D打印技术优化燃气轮机内部结构。这种优化不仅提高了燃气轮机的效率，还延长了其使用寿命，减少了维护需求。

通过优化设计，3D打印技术还能帮助减少原材料的使用，从而降低生产过程中的浪费。

2. 中游应用：

在运输和储存环节，3D打印技术用于现场备件制造和管道检测设备创新。

荷兰公司MX3D开发的3D打印管道夹具就是一个很好的例子。这种夹具采用机器人线弧增材制造（WAAM）工艺，不仅制造灵活，还能根据不同管道的需求进行定制。

该零件已通过安全认证，可用于管道维修。

此外，3D打印技术还被用于制造"智能猪"——一种用于管道内部检测的装置。

通过3D扫描和打印技术，可以制作更精确、更灵活的检测设备，提高管道检测的效率和准确性。 

此外，如上文提到的，AML3D公司在2021年11月创造了一个里程碑。他们通过WAAM3D打印技术制造了据称是世界上最大的经过验证的金属油气高压管道组件。

这是首次使用金属3D打印并独立进行压力测试的此类管道组件。

这一成就不仅展示了3D打印技术在大型关键部件制造中的能力，还为提高管道系统的安全性和效率开辟了新的可能性。

此外，3D打印技术在管道系统优化方面也发挥着重要作用。

通过精确控制材料性能和内部结构，3D打印可以生产出更耐腐蚀、更耐磨的管道组件。

这不仅提高了管道的使用寿命，还减少了泄漏的风险，从而提高了整个运输系统的安全性和效率。

3. 下游应用：

在炼化和销售环节，3D打印技术用于设备优化和定制化生产。

一个典型的例子是一家加拿大综合性油气公司借助Markforged的3D打印技术，制造了一台用于处理玻璃纤维增强带的自动化处理机。这些增强带重达115至230磅，人工处理极为困难。

通过使用Markforged Mark Two连续纤维3D打印机，公司为自动处理机制造了定制部件，大大降低了成本。

这不仅解决了人工搬运重物的问题，还将工厂产能提高了15%，同时节省了27,000加元。

这个案例展示了3D打印技术在提高工厂自动化和效率方面的巨大潜力。 

在零售端，3D打印技术也在找到其应用空间。

一些公司正在探索使用3D打印技术制造定制化的加油枪和油泵部件。

这些3D打印的部件不仅可以提高耐用性，还能改善用户体验。

例如，通过优化加油枪的人体工程学设计，可以减少用户在加油过程中的疲劳感。

此外，定制化的油泵部件可以根据不同加油站的具体需求进行设计，提高整体运营效率。

3D打印：不止于生产制造本身

1. 供应链革新：

3D打印技术正在彻底改变供应链管理。

一个典型的例子是Spare Parts 3D和巴西公司Ocyan的合作。

他们使用综合DigiPART软件，分析了Ocyan库存中的17,000个零件，评估它们使用增材制造的潜力。

AM易道之前分享过这个软件：沉睡的图纸秒变三维数模，点亮隐匿的天量市场

分析结果显示，11%的零件适合3D打印生产。这种"数字库存"模式不仅大大减少了库存成本，还提高了供应链的灵活性。

通过减少库存，公司可以释放大量资金，同时也降低了零件过时的风险。

此外，这种模式还能显著缩短交付时间，从数月缩短到数天，大大减少了停机时间带来的损失。

此外，3D打印技术通过实现本地化生产，大大减少了零部件的运输需求。

这不仅降低了物流成本，还显著减少了运输过程中的碳排放，为行业的碳减排目标做出了贡献。

2. 产品创新：

3D打印为产品创新提供了新的可能性。

GKN公司通过3D打印技术实现了液压块组件（适配器块）80%的重量减轻。

这种重量减轻不仅提高了设备的效率，还降低了运输和安装成本。

更重要的是，3D打印技术带来的设计自由度使得工程师可以优化液压块内部的油流通道，从而提高系统效率。

与传统制造方法相比，3D打印允许在任何时候进行设计调整，而无需新的工具。这种灵活性大大加速了产品开发周期，使公司能够更快地响应市场需求。 

更重要的是，3D打印技术在几何设计方面提供了前所未有的自由度。例如，在GKN的液压块设计中，3D打印技术可以避免重叠孔的风险，这在传统制造中是一个常见问题。

这种设计自由度不仅优化了产品性能，还简化了制造过程，减少了潜在的故障点。

在管道系统创新方面，3D打印技术也展现出巨大潜力。

例如，通过3D打印技术，工程师们可以设计和制造具有复杂内部结构的管道组件，如内置涡流发生器或特殊表面纹理的管道。

这些创新设计可以显著提高流体传输效率，减少能量损失，从而提高整个管道系统的性能。

3. 环保贡献：

2021年5月，法国公司Vallourec和Total成功在北海安装了一个3D打印的水柱。

上图为传统的水柱零部件

这个高1.2米、重220公斤的部件比传统制造方法减轻了50%的重量，同时保证了作业安全。

水柱是一种用于在井的建设过程中阻挡烃类突涌的关键组件，对现场工作人员的安全至关重要。

通过采用3D打印技术，特别是WAAM工艺，Vallourec和Total不仅实现了部件的轻量化，还提高了其性能。

轻量化意味着安装和运输更加便捷，同时也降低了整个平台的重量，从而减少了能源消耗和碳排放。

这个案例展示了3D打印技术在提高海上油气开采安全性和环保性方面的巨大潜力。

3D打印技术在减少碳足迹方面的贡献还体现在其优化设计和材料使用的能力上。

通过拓扑优化等技术，3D打印可以生产出更轻量化的部件，减少材料使用的同时提高性能。

这不仅降低了生产过程中的能源消耗，还减少了最终产品在使用过程中的能耗。

此外，3D打印的本地化生产模式大大减少了零部件的运输需求，进一步降低了碳排放。

4. 安全性提升：

3D打印技术在提高油气行业安全性方面发挥着重要作用。

通过优化设备设计和快速生产备件，3D打印可以帮助减少设备故障和泄漏事故的风险。

例如，3D打印的传感器外壳可以更好地适应恶劣环境，提高监测系统的可靠性。

在发生紧急情况时，能够快速3D打印所需的修复部件，可以大大缩短故障处理时间，降低安全风险。

挑战与展望

尽管3D打印技术在油气行业展现出巨大潜力，但其大规模应用仍面临技术局限性、行业标准和认证问题、以及人才短缺等挑战。

然而，前景依然光明。

Velo3D与Duncan Machine Products(DMP)的合作就是一个例证。

展望未来，AM易道认为，3D打印技术在油气行业的应用前景更加广阔。

我们可能会看到深海机器人配备3D打印设备，能够在海底直接制造和修复设备，大大减少深海作业的成本和风险。

智能油田可能利用3D打印技术实现设备的实时优化和升级，结合物联网和人工智能技术，实现生产过程的实时监控和优化。

在极端环境下的能源开发，如极地或外太空，3D打印技术可能成为关键的支持技术，使得在这些艰难环境中的能源开发成为可能。

据预测，到2025年，油气行业的3D打印市场规模将达到320亿美元，到2030年可能增长至600亿美元。根据Protolabs的报告，约83%的油气公司正在考虑采用3D打印来满足其备件需求。

这些数字充分说明了行业对这项技术的信心和期待。

AM易道结语：

3D打印技术正在悄然改变油气行业的面貌。

它不仅是一种制造技术，更是一种新的思维方式，正推动这个传统行业向更加智能、高效、环保的方向发展。

通过减少浪费消耗、提高设备性能和安全性，3D打印技术正在帮助油气行业应对能源转型带来的挑战。

AM易道认为，在能源转型的大背景下，3D打印技术为油气行业注入了新的活力。

它既是一种工具，也是一种机遇。

如何充分利用这项技术，在保持竞争力的同时实现可持续发展，将是每个油气企业需要思考的重要课题。

无论如何，有一点是确定的：

3D打印技术正在，也将继续重塑油气行业的未来。