增材制造技術在石油化工領域的應用展望

王存智,張家燦,白 亮

(中國石化工程建設有限公司,北京 100101)

增材制造技術(又稱3D打印)是一種集數字化、智能化、綠色生態化于一體的先進制造技術,通過對三維數字模型進行分層處理,并借助數字化制造設備,將材料逐層疊加形成實體產品,目前已逐步應用于日常用品、汽車、醫療、航天等各個領域。該技術十分契合石化行業高質量發展征程“創新驅動”、“綠色低碳”、“智能制造”的發展理念,但其目前在石油化工領域的應用還比較少,發展潛力和應用前景十分值得探索和挖掘。

1 增材制造技術國內外產業政策

新一輪數字化制作浪潮正在全球興起,為搶抓此次轉型升級機遇,國內外紛紛將增材制造技術列為未來制造業發展的重要方向。以增材制造技術為代表的創新技術開發與應用已經成為各國“再工業化”和提升制造業國際競爭力的重要戰略舉措。

1.1 國外相關政策

自2009年以來,美國先后制定了“重振美國制造業框架”、“先進制造國家戰略計劃”等,將增材制造技術列入“全美制造業創新網絡”計劃。2022年,美國白宮啟動了“增材制造技術推進(AM Forward)計劃”,旨在進一步搶占增材制造技術的戰略先機,加速其產業化應用進程。

歐盟于2015年斥資2.25億歐元開展增材制造技術專項研究并發布了“增材制造技術標準化路線圖”,明確了2015～2022年的增材制造標準研究計劃;德國也先后出臺了“高技術戰略2020”和“德國工業4.0戰略計劃實施建議”等政府級戰略文件;英國自2011年起大力扶持增材制造技術研發,并且在“未來高附加值制造技術展望”中將增材制造技術定位為提高國家競爭力的主要技術之一。

日本、韓國、瑞士、新加坡等國也紛紛制定了相應的政策積極開展增材制造技術的研究,致力于推動增材制造技術的研發和創新進程,爭奪全球新技術的制高點。

1.2 國內相關政策

2015年,習近平總書記在G20峰會上指出,“新一輪科技和產業革命正在創造歷史性機遇,催生互聯網+、分享經濟、3D打印、智能制造等新理念、新業態”。

2015年以來,國務院及工信部等先后出臺了“中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要”、“中國制造2025”、“國家增材制造技術產業發展推進計劃(2015-2016年)”、“增材制造技術產業發展行動計劃(2017-2020年)”等綱領性文件,將增材制造技術作為提升制造業核心競爭力與發展智能制造技術的重要著力點,旨在將新一代信息技術與制造業深度融合,形成新的發展方式、產業形態和商業模式。

2 增材制造技術特點

2.1 數字化和智能化的先進制造技術

增材制造技術是基于數字化的設計文件將材料連接制作產品的過程,設計方通過互聯網將數字化設計文件傳輸給用戶或者放到數字化平臺上,用戶通過物聯網技術,就可以利用數字化增材制造設備在用戶現場完成產品制造,切實做到了制造上的分散性、實時性和按需生產。增材制造技術與智能機器人、人工智能并稱為實現數字化制造的三大關鍵技術。

智能化設計平臺的搭建與研發是目前增材制造技術的重要研究方向。通過該平臺可以自動實現三維模型分層和打印路徑規劃,智能實現打印預處理和生產自動化,智能預測和避免零件在打印過程中發生變形、裂紋、表面質量差等問題,從產品設計、綠色優化、制造優化到綠色評估實現全流程智能化制造。

2.2 柔性化和一體化的降維制造技術

增材制造技術將三維結構分層轉化成二維結構,然后逐層疊加最終完成三維產品的制作,這一降維打印的特性使得增材制造技術突破了傳統制造技術的瓶頸,一方面使得結構特別復雜的零部件有了加工制造的可能性,讓產品設計擺脫了可制造性的約束;另一方面可以將多個零件組裝的產品一體化成形,簡化了制造工序,節約了制造和裝配成本。

增材制造技術由傳統制造技術的“制造引導設計”轉變為“設計引導制造”,極大提高了設計的自由度和制造的柔性化,為設計創新提供了更加靈活的設計思路和更加廣闊的創新空間。

2.3 定制化和個性化的快速制造技術

集中化和批量化的設計生產模式是傳統制造行業的特點和優勢,這種特點可以做到滿足多數人的共性需求,也注定了其產品難以實現獨特性和個性化。增材制造技術采用數字化結合物聯網的智能設計及制造方式,使用戶能夠根據自己的需求量身定制產品,可以快速、低成本實現單件制造,而且越是結構復雜的產品,其制造的成本和速度效益越顯著。

因此,增材制造技術特別適合定制化和個性化的應用領域,這也是增材制造技術在醫療和髙端醫療器械領域得以成功大規模應用的關鍵。

2.4 綠色化和經濟化的低碳制造技術

國際上通常用生命周期評價(LCA)方法對產品系統進行環境影響定量分析。目前關于增材制造技術對比傳統制造技術對于環境的影響尚未有定論。大量研究表明:在上游粉末以及單位能耗上,增材制造技術并沒有明顯優勢,但是其可以實現原材料的充分利用,尤其是當設備輕量化和一體化程度較高時,增材制造技術在材料利用率和裝配環節呈現了更多優勢【1】。

從材料的利用角度,增材制造是“凈成形”技術,理論上可以實現材料的零損耗,減免了傳統制造因切削、成形而需要的成本;從運輸和裝配的角度,某些產品可以在用戶現場完成增材制造過程,增材制造技術還可以實現復雜零部件的一體化成形,降低運輸和裝配環節成本。

3 增材制造技術在石油化工應用場景展望

3.1 設計研發及試驗裝置

目前增材制造技術已經廣泛應用于產品的設計研發和模型制造環節。在燃氣輪機領域,增材制造技術可以將某些部件研發周期減少75%【2】;在汽車行業,增材制造技術廣泛應用于零部件的造型評審和設計驗證【3】;在核工業領域,正在利用增材制造技術快速制備縮小比例的金屬零件模型來輔助研發【4】;在國防領域,增材制造技術更是已經廣泛應用于導彈、潛艇、衛星等的模型制造和研制【5】。

在“油轉化”發展背景和“雙碳”發展目標的驅動下,近年來石化行業加快“新能源、新經濟、新領域”產業布局,一大批“新工藝、新技術、新產品”的試驗裝置正在進行建設,試驗裝置的設備和產品研發階段的模型機具有規格小、批量少、標準化程度低的特點,利用增材制造技術可以降低其制造成本,并快速完成設備研發“設計-制造-驗證-優化”的迭代過程,縮短研發周期。

3.2 裝備修復及再制造

對于煉化企業在生產運行過程中故障率高、備件儲備困難、檢修難度高、檢修速度慢的設備,如葉輪、葉片、轉子、齒輪等, 其故障檢修是企業的難點和痛點, 以常見葉輪損傷為例, 葉輪損傷占離心空壓機故障率的50%以上,當煉化企業出現此類故障時,由于通常沒有備件,就會面臨著故障修復成本高、質量低、時間長等影響裝置運行的問題。

對于此類設備,可以形成基于增材制造技術的檢修預案,建立真正意義上的“數字庫存”,降低備件成本,提升檢修效率和質量,增強煉化企業檢維修保障能力。

國外已經廣泛將增材制造技術用于航空航天領域的零部件修復。德國哈弗曼公司研制了“多軸激光粉末熔化焊接系統”,并利用該系統實現了對航空發動機鈦合金葉片等易損件的修復;歐洲和德國資助了FANTASIA和TurPro項目,該項目針對壓氣機和渦輪葉片修復開展研究,以確立歐洲渦輪發動機制造商的全球領導地位。

哈工大、北航等多家高校也利用增材制造技術進行了輥軸、C919大飛機核心部件、發動機渦輪葉片等零部件的修復研究【6-7】。

3.3 裝備質量提升

增材制造技術可以做到任何部位均可實現數字可控,消除壁厚和位置效應。王華明院士指出,“3D打印突破傳統冶金對材料制備及性能的原理性瓶頸,實現新一代高性能設備與復雜結構制造”【8】。

目前,石油化工領域存在一些具有高性能、高精度、高成本、結構復雜等特點的設備,傳統制造技術難以滿足設計要求,或者其質量提升限于瓶頸。例如,壓縮機或泵葉輪,由于其結構復雜且性能要求較高,傳統銑削工藝已限制了其性能提升;一些帶內部流道的結構復雜的儀表閥門、液壓元件、超高壓聚乙烯裝置異形件等,其內部通常具有復雜的腔道供介質流通,傳統制造工藝加工難度大,生產周期長,性能和可靠性均難以得到保證。

對于此類設備,增材制造技術正在展現出其天然的優勢。西門子公司利用增材制造技術制造出帶全新內部冷卻結構的燃氣輪機葉片,改善了內部散熱性能【9】;中科院采用該技術3D打印出傳統加工無法實現的微納米空洞結構的油水分離器【10】;中廣核集團通過3D打印得到滿足國際核電標準RCC-M要求的精密儀表閥,極大縮短了制造時間【11】。

3.4 裝備減量化設計

增材制造技術可以把每個零部件都控制在最優化的設計尺寸,并且可以獲得小尺度范圍內具有精細結構且性能更優的整體式材料。對于采用傳統制造工藝導致設計裕量過高、質量過大、材料損耗過大、零件數量較多、裝配結構復雜的設備,通過增材制造技術可以實現設備質量、材料損耗量、零部件數量以及安裝工作量的減量化設計。

以壓縮機轉軸為例,空心軸具有質量小、剛度/質量比高、離心力小、臨界轉速高等優勢,但是傳統制造技術難以加工。目前已經有單位在發動機葉輪【12】和壓縮機轉軸【13】內部設計點陣結構然后進行增材制造,采用該方法可減輕質量并改善其工作性能,還可以顯著降低零件內部殘余應力。

多孔材料,尤其微孔分子篩,是石油化工行業常用的催化、吸附、分離材料。通過增材制造技術可以準確調控目標結構,獲得性能更優的整體式多孔材料,緩解傳統細顆粒磨損造成的壓降、傳質與熱問題。例如,Li Xin等【14】打印制備了3D-PFMZSM-5和3D-PFMY催化劑,并將其應用于正己烷催化裂解反應中,呈現出更高的穩定性和低碳烯烴選擇性;Regufe等【15】制備了3D-PFM吸附劑,在壓力15 kPa、溫度30 ℃(303 K)條件下對CO2的吸附量高達1.45 mmol/g。

4 結語

增材制造技術是一種集數字制造、智能制造和綠色制造于一體的革命性技術,十分契合石油化工領域的戰略方針,在提升生產效率、提高制造精度、降低制造成本、提升裝備質量等方面呈現出了巨大的潛力。在石化行業高質量發展的要求下,應堅持創新驅動,進一步在石油化工領域針對設備全生命周期深入挖掘增材制造技術的應用場景和發展前景,形成增材制造及相關技術儲備,并逐步提升其技術成果適用性,助力推動石化行業高質量、綠色化、低耗比、多元化發展。