设计未来:增材制造对油气行业的好处

内容

• 关于本报告
• 释放3D打印的全部潜力
• 研究发现
• 高强度零件的精确制造
• 案例研究:Protolabs和Rotork齿轮-快速原型，精密工程和认证合规
• 案例研究:Protolabs支持打破速度记录的努力
• 推动油气行业向前发展
• 结论

关于本报告

本文试图反映的挑战和重大机遇有关的更广泛的采用3 d打印技术也被称为增材制造，在石油和天然气行业。

它借鉴了大量公开报告和分析的信息，结合Protolabs自己的市场研究和对石油和天然气专业人士的采访，包括运营商、数字化转型和钻井部门的成员。

本文确定了研究中出现的与3D打印相关的四个关键见解，并提出了解决方案。它的目的不是回答所有的问题，而只是为了进一步讨论3D打印在医疗领域的应用石油天然气工业，
目前阻碍其广泛应用的因素以及它所能带来的各种效益和机会。

释放3D打印的全部潜力

毫不夸张地说，3D打印在石油和天然气行业的市场增长潜力是巨大的，而且还在不断增长。

为了量化上述说法，市场研究和分析提供商SmarTech在2019年6月的一份报告中预测，到2029年，石油和天然气行业3D打印市场的增长将代表20亿美元的机会，其中包括3D硬件销售每年9.75亿美元的收入机会。¹

此外，世界经济论坛估计，3D打印最终可以为石油和天然气行业节省高达300亿美元的额外价值。²

然而，虽然航空等行业目前正在从3D技术中获益^3.在美国，它在石油和天然气领域的应用仍然相对缓慢。造成这种情况的一个原因是，人们普遍坚持一种文化，这种文化支持经过试验和测试的生产和操作方法，通常被称为“第二名的竞争”。提出的其他原因包括法律和监管要求，需要遵守严格的性能和安全标准，3D打印材料的行业认证以及滥用知识产权的可能性。

人们普遍缺乏对3D打印为油气行业带来的重要技术和生产优势的认识。事实上，行业机构石油和天然气技术中心(OGTC)在2020年9月的一份题为“缩小差距-北海净零技术”的报告中并没有提到3D打印。⁴

然而，3D技术对油气供应链的好处是巨大的。这包括零件设计的灵活性、产品开发时间的缩短和资源需求的减少。

ResearchAndMarkets.com的一份报告指出，更严格的环境规范、波动的油价和日益激烈的竞争促使企业倾向于采用复杂的设备设计来提高运营效率。3D打印技术能够制造复杂的部件，而传统工艺可能无法制造这些部件，这使得3D打印技术成为油气行业的必备技术。⁵

最初，3D打印主要局限于聚合物产品，这对石油和天然气行业的吸引力有限。然而，金属基印刷技术的进步使这项技术更加适用。因此，虽然石油和天然气行业中聚合物材料的发展被认为是一个更长期的机会，但金属3D技术的材料开发具有最显着的潜力。其中包括坚固耐腐蚀的高温合金和不锈钢，可用于石油和天然气行业中具有挑战性的环境。

从收到订单到制造的交货速度，以避免冗长的采购过程，被认为是一个关键优势。作为3D打印部件时间表的一个标志，世界上最快的数字制造商Protolabs正在德国建造一个5000平方米的新工厂，这将支持其在一天内交付越来越多项目的雄心。这应该与传统的下单、部件制造和交付方法进行比较。

研究发现

为了更深入地了解阻碍3D打印技术在油气行业快速应用的问题，Protolabs对业内专业人士进行了一系列采访。其中包括来自运营商、数字化转型和井下工具制造行业的经验丰富的人员。井下工具制造商被选为可能从3D打印技术的广泛应用中获益的供应链部门。

从访谈中发现了四个关键的见解:

保守的工业文化

业界在考虑新工艺或新技术时的保守态度是公认的。正如一位受访者所说:“基本的钻井技术已经有90年的历史了，变革的阻力相当大。”

风险厌恶被认为是行业保守主义背后的关键驱动因素。一位受访者评论说:“一般来说，大家都在竞相成为第二名……像3D打印这样的技术还没有被广泛采用……因为他们在等待别人来做。”

另一位受访者描述了一个典型的石油行业对话来强调这一点:“那么，你们和YY运营有限公司合作了吗?当你和他们谈妥了，告诉我，然后我就报名。’这就是文化。”

该行业规避风险的本质背后的主要动机被确定为安全。然而，正如一位钻井专家所说，石油和天然气商品价格的变化以及当前利润的紧缩也影响了供应链的风险偏好。

“事情很紧张，没有额外的资金来开始投资这些事情。此外，由于目前的合同可能只有几年的期限，所以对于钻井平台来说，你必须很快找到投资回收期。你不能再做5到10年的预算了，因为油价是如此不可预测。”

然而，更多地接受和采用包括数字化在内的新技术，被认为是提高成本效率和行业寿命的解决方案，特别是在成熟地区。⁶

如果要实现其潜在的增长，就需要在行业中对3D打印的好处有更大的信任和理解。在部署这些技术方面取得成功的例子越来越多，并得到广泛宣传，可以支持公司的采购决策。

安全、可靠、质量保证

安全是整个油气行业最关键的问题。说到3D打印，工艺和产品的安全性和可靠性是至关重要的。

在原始设备制造商(oem)的认证批准和质量保证方面，3D打印部件与原始部件的等效性被列为支持采用3D打印的首要因素之一。

由独立的、行业认可的机构进行的认证可以让运营商相信他们使用的产品是安全的，并支持生产优化。

举个例子，Protolabs最近获得了“资格”制造商认证证书来自独立风险管理和保证专家DNV的直接金属激光烧结(DMLS)技术，特别是用于恶劣的海上和陆上环境的高温合金Inconel 718。该奖项意味着该公司是世界上第一家使用粉末床融合技术的认证制造商。

库存问题

受访者提出了3D打印解决离岸资产库存问题的潜在能力。能够在钻井平台上“及时”生产备件，被视为减少对大量备用库存需求的一种方式，同时也减少了非生产时间或停机时间。

在净零排放立法和关注行业社会运营许可证的背景下，通过消除不必要的材料和备件运输来减少碳排放的机会被认为是重要的。避免海关进口成本(有时高达20%)也被视为一项优势。

一些受访者指出，虽然离岸或远程3D打印替换零件的能力似乎是有益的，但该过程的速度必须超过采购传统制造零件并运输零件的成本和时间。

目前，钻井平台的平均日费率在15万至18万美元之间，通过快速提供组件来避免昂贵的停机时间显然是有吸引力的。然而，为了证明该解决方案的可行性，需要更准确地量化问题的规模。

缺乏3D打印技术的知识和意识

一些受访者承认，3D打印知识的缺乏，特别是在石油和天然气行业的高层。有人评论道:“油气行业对新技术有很多无知之处——人们就是不了解其可能性。公司常常因为缺乏知识而感到尴尬。”

一位参加技术会议的钻井专家表示，他从未听说3D打印技术被推广到石油和天然气行业。这得到了一位数字化转型专家的证实。“我们正在与许多运营商一起寻找最重要的技术重点……3D打印甚至没有引起人们的注意。”

如果油气行业想要充分利用3D打印技术的优势，就必须解决对3D打印缺乏认识的问题。

高强度零件的精确制造

虽然3D打印在石油和天然气领域的应用速度缓慢，但它一直稳定且正在增长。项目由壳牌、BP、道达尔、通用电气石油天然气、西门子能源、伍德赛德能源和贝克休斯等几家主要公司承担。

壳牌已经认识到，备件管理是一个重大的后勤挑战，特别是在海上，并在阿姆斯特丹的壳牌技术中心开发了一个3D打印实验室。该公司最近获得了粉末床熔融3D打印设备的最佳实践资格。该中心有三个主要活动领域:备件打印、新颖设计和快速原型制作。

壳牌还使用3D打印技术来验证结构设计，例如在墨西哥湾深水库仑油田的海床上。该项目的基础泥垫具有铰接的“翅膀”，在运输过程中折叠起来，一旦部署到海底，就会打开到全尺寸。3D打印比例模型发现铰链中的螺栓存在问题，导致无法正确对齐，从而避免了施工问题和成本超支。⁷

最近，贝克休斯与北美北方工业公司(WINA)合作，提供设计、数字库存和定制3D打印服务。华体会app官网⁸在其他主要的油气供应链公司中，通用电气在3D打印市场也很活跃。

因此，3D打印的优势在石油和天然气行业得到了越来越多的认可。

案例研究:Protolabs和Rotork齿轮-快速原型，精密工程和认证合规

Rotork Gears专注于为石油和天然气行业的每个部门生产执行器和相关的流量控制设备，包括生产，加工，分销和储存。

Rotork被委托为石化炼油厂识别和设计如何减少阀门泄漏。该解决方案是一个定制的专利外壳，旨在防止流体从阀杆泄漏并排放到大气中。人们期望这种创新
产品将对泄漏检测和遏制产生重大影响，并将支持泄漏管理和维护过程。

设计和原型制作

速度对这个项目来说很重要。为了实现快速测试，Rotork需要一个“概念验证”
原型迅速完成。Protolabs是一家经过认证的供应商，因其在规定时间内交付的可靠能力而被选为生产合作伙伴。

在Rotork准备好CAD模型后，将文件上传到Protolabs的报价系统。房屋原型随后在收到订单后的四天内使用CNC加工制造。

工程学与电子学的结合

该项目为Rotork的机械和电气工程师提供了一个在跨学科环境中分享专业知识和工作的机会。它还为最终用户节省了大量成本。

加强人际关系

除了泄漏外壳项目外，Rotork还与Protolabs合作制造电子产品的塑料外壳原型。一旦设计和内部测试完成，两种产品的现场试验将开始，以确保它们符合严格的欧洲认证标准。预计今年晚些时候，一个“真正的”阀门将在Rotork公司描述为一个
具有里程碑意义的项目。

案例研究:Protolabs支持打破速度记录的努力

Protolabs的客户Alex Degnes决心制造世界上最强大的二冲程发动机，Protolabs正在帮助他提供直接金属激光烧结(DMLS)金属3D打印服务。

这位挪威人目前正在改进他的二冲程超级摩托车“实验测试车一号”，包括安装一个全新的发动机。他的目标是邦纳维尔摩托车速度试验，他希望在那里打破目前50cc组别的时速91英里的记录，并加速到100英里以上。

亚历克斯总是非常亲力亲为。然而，他意识到，如果他要创造世界上最强大的二冲程发动机，他需要外部专家的帮助，并向Protolabs寻求帮助。

“当我有了引擎设计的最初想法时，我想我可能需要3D打印它。但是我喜欢自己动手，所以我对熔模铸造做了一些研究并购买了塑料3D打印机。”亚历克斯说。

Alex打印了一个模型，然后用铝浇铸了一个圆柱体，但遇到了气孔和熔模铸造的问题，这不能满足他的详细要求。

“我知道有了3D打印，我可以做所有我真正想做的令人兴奋的事情，并节省下来在某种程度上，关键的重量是不可能的铸造，例如利用蜂窝结构内部的固体部件。我得出的结论是，我真的应该得到这个部分的3D打印并联系Protolabs。我很高兴我这么做了。”

亚历克斯订购了一个AlSi10Mg铝气缸，使用Protolabs的DMLS服务生产。AlSi10Mg是一种典型的铸造合金，具有良好的铸造性能，最常用于薄壁和复杂几何形状的铸件。

它是替代铸件的绝佳选择，重量轻，具有良好的热性能。该合金具有良好的强度、硬度和动态性能，常用于承受高负荷的部件。如果需要，AlSi10Mg的零件可以机加工，火花腐蚀，焊接，微喷丸，抛光和涂层。

我们收到了亚历克斯的设计，Protolabs在几天内制造并运送了这个产品。

“我对这个角色非常满意，太完美了。这超出了我的预期。什么让我印象深刻的是，这个模型并不是为3D打印而设计的。我想我必须做一些设计上的改变，使它可以打印，但是Protolabs印刷得很完美。”

推动油气行业向前发展

几家主要的运营商和供应链公司都表现出越来越浓厚的兴趣3 d打印技术技术。到目前为止，这主要是为了支持新产品开发过程并减少产品开发时间。

快速成型和定制工程支持被认为是3D打印的关键优势，这对那些能够处理复杂新颖设计和一系列材料的3D打印公司来说是一种优势。为油气行业(包括OEM制造商)在供应链的各个环节提供工程解决方案的能力也被视为一个关键优势。

金属基打印技术的发展——比如Protolabs的直接金属激光烧结(DMLS)技术及其与高温合金Inconel 718(一种高强度腐蚀镍铬合金)或不锈钢316L(适用于不太极端的环境)的结合，显著提高了3D打印与石油和天然气行业的相关性。特别是即使是3D打印的Inconel 718也可以在-252°C到704°C的温度下使用，因为它能够在高温下形成厚而稳定的钝化氧化层。铬镍铁合金具有良好的抗拉、疲劳、蠕变和断裂强度，作为3D打印金属，其机械性能可以超过其铸造和锻造的同类材料。

3D打印增长的一个机会是制造备件，原来的模具铸件不再存在。

另一种是使用3D打印来审查和探索设计可能性，以提高效率，创造更强大的设计，并为泵、阀门、涡轮机组件或传感设备等部件解锁脱碳效益。

坚固耐用的金属基打印技术的发展为井下工具技术提供商等公司带来了潜在的利益。这些工具通常在极端压力和温度的条件下运行，因此需要证明3d打印组件的耐用性和可靠性，以通过与现有产品最严格的等效测试。3D打印公司达到最高质量和可靠性标准的能力对于具有安全意识的石油和天然气行业至关重要。质量认证、认证和标准的实现将支持行业信心。

尽管在我们的研究结果中，备件的远程打印已经被认为是一个潜在的好处，但分散的“钻机上的3D打印机”的部署似乎是一个长期的目标。采用将取决于3D打印公司克服几个因素的能力，尤其是行业文化障碍。

结论

3D打印为石油和天然气行业带来了巨大的机遇，并且有望继续增长。

3D打印行业面临的一个主要障碍是普遍存在的保守主义文化。材料可靠性、安全性、质量保证方面的问题，以及对投资“新”产品的恐惧，尤其是在当前充满挑战的金融环境下，都支持了这一观点。

为了克服这些问题并获得更广泛的接受，3D打印行业需要通过更多成功的行业应用案例以及由公认的独立行业机构对流程和程序的验证来证明其可信度。

3D打印可以通过提高财务效率，提供无与伦比的精密工程，达到最高的质量和可靠性标准，支持更高的安全性和减少碳足迹，在维持全球油气行业的寿命方面发挥关键作用。

也许现在是时候让行业以一种新的、更好的方式来信任了。

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