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增材制造技术在油气三通制造领域的应用

?????? 来源: 中国钢铁新闻网 中国冶金报社 ???????发布时间:2019-12-05


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增材制造技术(additive manufacturing,AM)是利用零件的三维数据模型,通过分层制造、逐层叠加的方法制造实体零件(美国试验材料学会定义)。增材制造技术是在数控CAD(计算机辅助设计)/CAE(计算机辅助工程)/CAM(计算机辅助制造)、焊接和新材料等成熟技术的基础上发展而来,其成形方法将产品数字化设计、制造、分析高度一体化,具有加工柔性高、无需模具、工序少、加工周期短、可加工成任意形状、尺寸适应性好、加工成本低且成形件物理化学性能优异等优点。

增材制造技术可以分为快速原型制造技术和金属构件直接制造技术两大类。快速原型制造技术主要方法有3D打印(3DP)、立体印刷(SLA)、叠层实体造型(LOM)、熔融沉积造型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)等五大类。这类技术主要制造尺寸较小的,由树脂、石蜡、纸张等材料组成的原型样件及由陶瓷、金属粉末组成的非致密原型样件或模型。金属构件直接制造技术则采用高功率激光束、电子束、等离子束和电弧等对粉末或丝材进行逐层熔化或凝固堆积,直接制造出致密金属零件。

金属材料的增材制造技术作为整个增材制造体系中最具前沿性和难度较大的技术,是先进制造技术的重要发展方向。金属材料的增材制造技术按照热源类型的不同主要可分为激光增材制造、电子束增材制造、电弧增材制造等。其中,激光增材制造成形控制性能好,但能量利用率低,成形效率不高。电子束增材制造的成形效率高、能量利用率高,但其成形尺寸规格受价格昂贵的真空室体积限制。激光增材制造和电子束增材制造的设备投资和运行成本高,材料大多为钛合金。电弧增材制造在成形精度、微观组织、均匀度等方面不及前两者,但其材料适用范围更广,成形效率高,成本低,因而应用前景十分广阔。

与传统的大规模生产方式相比,增材制造在小批量定制产品的生产上更具优势。因此其目前主要应用于航空、航天、军工和医疗等领域。但是随着增材制造技术的不断发展,其应用于油气行业的独特商业价值逐渐显示出来。2013年,GE(美国通用电气)石油天然气公司在意大利佛罗伦萨工厂开设了增材制造实验室,主要制造叶轮机零部件和先进合金零部件。2015年,GE石油天然气公司利用增材制造复合加工铣床,制造特殊配置的控制阀部件,并应用于整个能源行业。20165月份,GE石油天然气公司在其位于意大利的石油天然气工厂开设了一条增材制造零部件生产线,用于以激光为基础的燃气轮机的制造,目前其打印的最大燃气涡轮机运作效率高达64%

大口径、高强度厚壁三通管件制造一直都是我国高压长输管线建设的瓶颈之一,传统的热挤压三通管件制造方法存在一些问题。在生产工艺方面,高压、大口径三通管件标准要求的设计壁厚超出了制造设备的热加工能力;在产品质量方面,热拔过程中的多次高温热处理,造成三通管件的支管和肩部表面到中心部位的组织和性能差异明显,中心部位的屈服强度和夏比冲击吸收能量显著下降,存在潜在的脆性失稳开裂风险;在焊接方面,三通毛坯管的焊接方法为手工焊接,焊接生产效率和产品质量稳定性低,导致焊缝成为三通管件上的薄弱环节。为此,中国石油集团石油管工程技术研究院联合南方增材科技有限公司,在国内首次将电熔增材制造技术应用于高钢级、大口径厚壁三通管件的制造,无需模具,克服了传统制造方法的壁厚壁垒。经检验,产品不同方向、厚度的组织均匀一致,力学性能达到甚至超过同等锻件水平,优良的综合性能完全满足了中俄东线低温环境用X80热挤压三通管件的标准要求。

增材制造技术为高钢级、厚壁大口径油气三通管件的制造提供了一条快速、高性能和短周期的技术新途径。

 

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