3D打印技术在石油机械类难加工零部件方面的应用研究

陈子恒，李新民，惠坤龙，田 柯，雷正明

（西安石油大学 机械工程学院，陕西 西安 710065）

目前，陕北油气井井深普遍达2000m左右，高温高压井深一般达5000m以上。对于石油井下测试来说，油井深度不断增加，地层温度也在不断升高，井内压力也在逐步升高，因此测井仪常因外部高温高压环境无法正常工作，难以得到理想的数据且耗时、耗力，检修周期长。为此，井下工具保护措施逐步兴起。在石油管道运输中，因为现有的管道热损耗大，保温效果不明显，不得已选用外部加保温层，这不但影响了检修周期还增加了投入成本。近年来兴起的3D打印技术是一种把数字模型作为基础，将诸如粉末状的金属、塑料等一些可粘合的材料，由逐层打印方法来塑性或者构造出物体的技术，目前国内已经开始利用该项技术工艺。其特点是经济成本较低，加工周期短，且易于修改产品。

1 3D打印技术在石油机械方面的应用

1.1 3D打印技术的原理

3D打印技术的原理是利用以往的平面打印技术，通过机械喷头的三维立体运动，逐层利用二维度打印的叠加来实现对曲面的打印，再由增加的层级材料来形成三维的实体，是一种增材过程，是从零开始构建物体。而以往的塑性加工技术，是利用钻孔、切割、铣削等方式来加工成形的，可看作是消减的过程。在3D打印中其分层逐步加工过程与传统喷墨打印比较相似，经过预先特殊方法处理的打印用材料，如金属、陶瓷、树脂、尼龙、食材、混凝土等都可以用做3D打印的“墨水”。在3D打印技术体系中，新型打印材料、打印工艺、打印设计和控制软件等是其重要的组成部件，除此之外其核心部件为3D打印机。

1.2 3D打印技术在油井测试类仪器方面的应用

油井测试数据是油田开发生产中不可或缺的资料，同样也是对油田的开发规律以及油藏动态开展研究的重要根据，因此保证测试数据的准确性至关重要。在油气生产过程中，受地层温度和复杂的结构等因素的影响，实际的生产环境复杂且多变，井下工具很容易磨损甚至毁坏，且维修成本高，因此对井下工具的保护技术应运而生。在以往的石油类机械防护产品中大多是分块加工，然后将井下工具放在其中，用电焊的方式把各部分焊接在一起。由于电焊是超高温工况加工，其接口处已经改变工具的应力分布及相变，且有可能对井下工具造成一定的损害。

在此背景下，针对石油类井下工具，本研究主要目的是利用3D打印技术来制造一些新的石油机械类零部件，利用3D打印技术分两部分打印然后实现对接，对石油机械零件进行保护，既在强度上保证性能，又进一步降低成本，缩短生产周期，更好地保护井下工具免受磨损。即：利用3D打印技术，制作一个略大于测井仪的外壳，在加工过程中，可以降低喷头移动速度或者暂停加工把测井仪放到里面，然后进一步加工成无缝型的保护壳。

选择3D打印制造保护壳具有以下优点：①节省材料，无边角废料，提高打印材料利用效率，进一步降低生产成本；②提高保护壳精度；③不再需要传统的刀具、夹具和机床或任何模具，直接从计算机图形数据中生成保护壳形状；④可以自动、快速、直接、精确地把计算机编程出的设计图转化打印为实物模型，制造出可用来安装的零部件，缩短产品研发周期；⑤提高保护壳硬度、强度、耐高低温特性，减轻自身重量，等。

1.3 3D打印技术在石油保温管材方面的应用

传统制造的保温管材热损较高，保温度低，制造成本高，破损后很难再回收利用。而利用3D打印技术制造出的保温管材耗能低，污染小，并可以回收后二次利用，且有较好的保温性能，热损小，制造成本低。

传统制造的石油管道多为金属材质，生活用管多为塑料制品。为了避免金属材质的管路发生腐蚀，需对其经常维护，同样塑料材质的管路也需避免老化现象发生。在管材的使用中，主要解决和考虑的是管道的保温能力。传统的保温管材在25℃时的导热系数不大于0.08W·(m·K)，硬质保温管材的密度不大于220 kg/m3，半硬质管材不大于200 kg/m3，软质管材不大于150 kg/m3。通过计算机软件设计的管材与普通管材看似毫无差别，但是在其内部达到无缝的条件下，还可以再通过调节管壁的厚度来进一步控制管材保温的效果。针对管壁缝隙可填充保温材料泡沫剂或者选择真空。

对于保温管材的选择，首先考虑的是管材允许使用的温度应高于正常操作时介质的最高温度。其次，当在相同的温度范围下有着不同材料可供选择时，应选用热导率小、密度小、造价低、易于施工的材料制品。

1.4 3D打印与传统制造保温管道的对比

（1）保温性能。传统管材一般经过后期加工，通过外部使用泡沫保温层或者其他保温层来达到保温目的。而3D打印管材在加工管道的同时，通过改变管道的管壁结构来实现保温效果，并且可以通过改变壁厚使管材的保温性能改变，使管道在南北方温差大的场合均适用。

（2）防腐性能。一般深埋于地下的管道，或多或少都会被腐蚀，尤其是金属管材。传统管道通过给金属管道表面涂防腐漆或者镀抗氧化性、酸碱性的物质来实现防腐防氧化。而3D打印管材利用塑料自身的抗氧化性能及ABS材料自身的抗酸碱性能，可不用后期加工实现抗氧化性和防腐性能。

（3）制作成本。传统管材在制造过程中成本较高，原材料进价高，还要通过后期成形加工，制作成本比较高。且管材密度大，硬度大，质量大，运输成本高。库存率受市场影响大。而3D打印使用的材料源于塑料，便于分类回收，且可对废物进行二次利用，成本低。管材密度小，硬度较小，质量小，运输成本低。受市场影响小，可以实现即需即供。

（4）导热率。保温管材的导热率非常重要。传统管材所采用的原材料比较单一，具有恒定的导热率。金属管材导热率大，保温性能差；塑料管材导热率较小，保温性能略好。而3D打印制造的管材，通过调整自身的管壁结构，可以进一步降低导热率，从而达到更好的保温效果。

2 结语

3D打印技术具有诸多优势。而《中国制造2025》也提出要大力发展3D打印技术产业。未来，3D打印不仅在医疗、食品、工业、石油机械等领域大放光彩，也会在中国芯片等高技术制造领域发挥巨大作用。随着3D打印技术的不断成熟进化，该技术也必将得到更广泛的应用。