增材制造技术在石油化工领域的应用展望

王存智,张家灿,白 亮

(中国石化工程建设有限公司,北京 100101)

增材制造技术(又称3D打印)是一种集数字化、智能化、绿色生态化于一体的先进制造技术,通过对三维数字模型进行分层处理,并借助数字化制造设备,将材料逐层叠加形成实体产品,目前已逐步应用于日常用品、汽车、医疗、航天等各个领域。该技术十分契合石化行业高质量发展征程“创新驱动”、“绿色低碳”、“智能制造”的发展理念,但其目前在石油化工领域的应用还比较少,发展潜力和应用前景十分值得探索和挖掘。

1 增材制造技术国内外产业政策

新一轮数字化制作浪潮正在全球兴起,为抢抓此次转型升级机遇,国内外纷纷将增材制造技术列为未来制造业发展的重要方向。以增材制造技术为代表的创新技术开发与应用已经成为各国“再工业化”和提升制造业国际竞争力的重要战略举措。

1.1 国外相关政策

自2009年以来,美国先后制定了“重振美国制造业框架”、“先进制造国家战略计划”等,将增材制造技术列入“全美制造业创新网络”计划。2022年,美国白宫启动了“增材制造技术推进(AM Forward)计划”,旨在进一步抢占增材制造技术的战略先机,加速其产业化应用进程。

欧盟于2015年斥资2.25亿欧元开展增材制造技术专项研究并发布了“增材制造技术标准化路线图”,明确了2015～2022年的增材制造标准研究计划;德国也先后出台了“高技术战略2020”和“德国工业4.0战略计划实施建议”等政府级战略文件;英国自2011年起大力扶持增材制造技术研发,并且在“未来高附加值制造技术展望”中将增材制造技术定位为提高国家竞争力的主要技术之一。

日本、韩国、瑞士、新加坡等国也纷纷制定了相应的政策积极开展增材制造技术的研究,致力于推动增材制造技术的研发和创新进程,争夺全球新技术的制高点。

1.2 国内相关政策

2015年,习近平总书记在G20峰会上指出,“新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇,催生互联网+、分享经济、3D打印、智能制造等新理念、新业态”。

2015年以来,国务院及工信部等先后出台了“中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要”、“中国制造2025”、“国家增材制造技术产业发展推进计划(2015-2016年)”、“增材制造技术产业发展行动计划(2017-2020年)”等纲领性文件,将增材制造技术作为提升制造业核心竞争力与发展智能制造技术的重要着力点,旨在将新一代信息技术与制造业深度融合,形成新的发展方式、产业形态和商业模式。

2 增材制造技术特点

2.1 数字化和智能化的先进制造技术

增材制造技术是基于数字化的设计文件将材料连接制作产品的过程,设计方通过互联网将数字化设计文件传输给用户或者放到数字化平台上,用户通过物联网技术,就可以利用数字化增材制造设备在用户现场完成产品制造,切实做到了制造上的分散性、实时性和按需生产。增材制造技术与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术。

智能化设计平台的搭建与研发是目前增材制造技术的重要研究方向。通过该平台可以自动实现三维模型分层和打印路径规划,智能实现打印预处理和生产自动化,智能预测和避免零件在打印过程中发生变形、裂纹、表面质量差等问题,从产品设计、绿色优化、制造优化到绿色评估实现全流程智能化制造。

2.2 柔性化和一体化的降维制造技术

增材制造技术将三维结构分层转化成二维结构,然后逐层叠加最终完成三维产品的制作,这一降维打印的特性使得增材制造技术突破了传统制造技术的瓶颈,一方面使得结构特别复杂的零部件有了加工制造的可能性,让产品设计摆脱了可制造性的约束;另一方面可以将多个零件组装的产品一体化成形,简化了制造工序,节约了制造和装配成本。

增材制造技术由传统制造技术的“制造引导设计”转变为“设计引导制造”,极大提高了设计的自由度和制造的柔性化,为设计创新提供了更加灵活的设计思路和更加广阔的创新空间。

2.3 定制化和个性化的快速制造技术

集中化和批量化的设计生产模式是传统制造行业的特点和优势,这种特点可以做到满足多数人的共性需求,也注定了其产品难以实现独特性和个性化。增材制造技术采用数字化结合物联网的智能设计及制造方式,使用户能够根据自己的需求量身定制产品,可以快速、低成本实现单件制造,而且越是结构复杂的产品,其制造的成本和速度效益越显著。

因此,增材制造技术特别适合定制化和个性化的应用领域,这也是增材制造技术在医疗和髙端医疗器械领域得以成功大规模应用的关键。

2.4 绿色化和经济化的低碳制造技术

国际上通常用生命周期评价(LCA)方法对产品系统进行环境影响定量分析。目前关于增材制造技术对比传统制造技术对于环境的影响尚未有定论。大量研究表明:在上游粉末以及单位能耗上,增材制造技术并没有明显优势,但是其可以实现原材料的充分利用,尤其是当设备轻量化和一体化程度较高时,增材制造技术在材料利用率和装配环节呈现了更多优势【1】。

从材料的利用角度,增材制造是“净成形”技术,理论上可以实现材料的零损耗,减免了传统制造因切削、成形而需要的成本;从运输和装配的角度,某些产品可以在用户现场完成增材制造过程,增材制造技术还可以实现复杂零部件的一体化成形,降低运输和装配环节成本。

3 增材制造技术在石油化工应用场景展望

3.1 设计研发及试验装置

目前增材制造技术已经广泛应用于产品的设计研发和模型制造环节。在燃气轮机领域,增材制造技术可以将某些部件研发周期减少75%【2】;在汽车行业,增材制造技术广泛应用于零部件的造型评审和设计验证【3】;在核工业领域,正在利用增材制造技术快速制备缩小比例的金属零件模型来辅助研发【4】;在国防领域,增材制造技术更是已经广泛应用于导弹、潜艇、卫星等的模型制造和研制【5】。

在“油转化”发展背景和“双碳”发展目标的驱动下,近年来石化行业加快“新能源、新经济、新领域”产业布局,一大批“新工艺、新技术、新产品”的试验装置正在进行建设,试验装置的设备和产品研发阶段的模型机具有规格小、批量少、标准化程度低的特点,利用增材制造技术可以降低其制造成本,并快速完成设备研发“设计-制造-验证-优化”的迭代过程,缩短研发周期。

3.2 装备修复及再制造

对于炼化企业在生产运行过程中故障率高、备件储备困难、检修难度高、检修速度慢的设备,如叶轮、叶片、转子、齿轮等, 其故障检修是企业的难点和痛点, 以常见叶轮损伤为例, 叶轮损伤占离心空压机故障率的50%以上,当炼化企业出现此类故障时,由于通常没有备件,就会面临着故障修复成本高、质量低、时间长等影响装置运行的问题。

对于此类设备,可以形成基于增材制造技术的检修预案,建立真正意义上的“数字库存”,降低备件成本,提升检修效率和质量,增强炼化企业检维修保障能力。

国外已经广泛将增材制造技术用于航空航天领域的零部件修复。德国哈弗曼公司研制了“多轴激光粉末熔化焊接系统”,并利用该系统实现了对航空发动机钛合金叶片等易损件的修复;欧洲和德国资助了FANTASIA和TurPro项目,该项目针对压气机和涡轮叶片修复开展研究,以确立欧洲涡轮发动机制造商的全球领导地位。

哈工大、北航等多家高校也利用增材制造技术进行了辊轴、C919大飞机核心部件、发动机涡轮叶片等零部件的修复研究【6-7】。

3.3 装备质量提升

增材制造技术可以做到任何部位均可实现数字可控,消除壁厚和位置效应。王华明院士指出,“3D打印突破传统冶金对材料制备及性能的原理性瓶颈,实现新一代高性能设备与复杂结构制造”【8】。

目前,石油化工领域存在一些具有高性能、高精度、高成本、结构复杂等特点的设备,传统制造技术难以满足设计要求,或者其质量提升限于瓶颈。例如,压缩机或泵叶轮,由于其结构复杂且性能要求较高,传统铣削工艺已限制了其性能提升;一些带内部流道的结构复杂的仪表阀门、液压元件、超高压聚乙烯装置异形件等,其内部通常具有复杂的腔道供介质流通,传统制造工艺加工难度大,生产周期长,性能和可靠性均难以得到保证。

对于此类设备,增材制造技术正在展现出其天然的优势。西门子公司利用增材制造技术制造出带全新内部冷却结构的燃气轮机叶片,改善了内部散热性能【9】;中科院采用该技术3D打印出传统加工无法实现的微纳米空洞结构的油水分离器【10】;中广核集团通过3D打印得到满足国际核电标准RCC-M要求的精密仪表阀,极大缩短了制造时间【11】。

3.4 装备减量化设计

增材制造技术可以把每个零部件都控制在最优化的设计尺寸,并且可以获得小尺度范围内具有精细结构且性能更优的整体式材料。对于采用传统制造工艺导致设计裕量过高、质量过大、材料损耗过大、零件数量较多、装配结构复杂的设备,通过增材制造技术可以实现设备质量、材料损耗量、零部件数量以及安装工作量的减量化设计。

以压缩机转轴为例,空心轴具有质量小、刚度/质量比高、离心力小、临界转速高等优势,但是传统制造技术难以加工。目前已经有单位在发动机叶轮【12】和压缩机转轴【13】内部设计点阵结构然后进行增材制造,采用该方法可减轻质量并改善其工作性能,还可以显著降低零件内部残余应力。

多孔材料,尤其微孔分子筛,是石油化工行业常用的催化、吸附、分离材料。通过增材制造技术可以准确调控目标结构,获得性能更优的整体式多孔材料,缓解传统细颗粒磨损造成的压降、传质与热问题。例如,Li Xin等【14】打印制备了3D-PFMZSM-5和3D-PFMY催化剂,并将其应用于正己烷催化裂解反应中,呈现出更高的稳定性和低碳烯烃选择性;Regufe等【15】制备了3D-PFM吸附剂,在压力15 kPa、温度30 ℃(303 K)条件下对CO2的吸附量高达1.45 mmol/g。

4 结语

增材制造技术是一种集数字制造、智能制造和绿色制造于一体的革命性技术,十分契合石油化工领域的战略方针,在提升生产效率、提高制造精度、降低制造成本、提升装备质量等方面呈现出了巨大的潜力。在石化行业高质量发展的要求下,应坚持创新驱动,进一步在石油化工领域针对设备全生命周期深入挖掘增材制造技术的应用场景和发展前景,形成增材制造及相关技术储备,并逐步提升其技术成果适用性,助力推动石化行业高质量、绿色化、低耗比、多元化发展。