油田地面工程設計中3D打印技術的應用
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快速成型技術（即3D打印技術）作為快速興起的一種新技術，在化學合成、組織工程、微流體、電子電路和設備等多個領域得到了廣泛應用。但在我國尤其是在石油化工領域的應用才剛剛起步[1]。對3D打印技術的開發(fā)應用，將是我國石油領域地面工程設計、機械制造、產(chǎn)品模型展示等方面的一個革命性進步。此類技術的日益成熟，將會對提升油田企業(yè)內(nèi)部技術管理水平、增強油田企業(yè)對外市場競爭力作出重要貢獻。
13D打印技術的應用現(xiàn)狀
3D打印技術在制造行業(yè)勢頭正勁，市場需求的不斷擴大使其價格走勢逐漸下滑，這也意味著3D打印機的成本越來越低。2013年3D打印在全球市場創(chuàng)造了30億美元的利潤，而在該產(chǎn)業(yè)剛剛起步的中國市場，竟占了全球總值近一成的比例。2014年，一家公司推出的新型3D打印機可用鋼作為打印材料，能夠打印出外形十分復雜的鋼制結(jié)構產(chǎn)品，這是傳統(tǒng)的制造方式無法實現(xiàn)的。
輸油管道是油氣集輸工藝的重要組成部分，其施工質(zhì)量、管道材質(zhì)、防腐措施等方面直接決定了油田的原油運輸成本。以大慶油田為例，中俄原油管道漠-大線就是將俄羅斯的原油通過輸油管道直接輸送到東北地區(qū)，對比傳統(tǒng)的汽車、列車、海上運輸原油的方式，管道運輸具有相當大的經(jīng)濟優(yōu)勢。隨著3D打印機大型化、多樣化的發(fā)展，利用3D打印機直接打印輸油管道將成為現(xiàn)實。首先可以把3D打印機組裝在滑輪或軌道上，使3D打印機能夠直接在目標位置打印輸油管道，然后利用金屬粉末先打印出管道截面，再利用保溫材料粉末打印中間的保溫層截面，接著用耐腐蝕的絕熱材料打印管道外層保護層，最后在管道截面內(nèi)側(cè)噴涂、粘合防腐材料粉末，通過這種方式將輸油管道一次性的層層打印出來，原油管道的鋪設就不再受鋼管長度、彎頭、焊接、施工隊伍專業(yè)水平等因素的制約。管道在使用期間會受到腐蝕、人為破壞等因素影響，縮短管道壽命，但如今的管道監(jiān)控方式卻不能及時發(fā)現(xiàn)這些安全隱患，往往只有在漏出的原油已經(jīng)污染了環(huán)境或造成人員傷亡時，才能發(fā)現(xiàn)管道的泄露狀況。若想第一時間發(fā)現(xiàn)管道金屬層已遭到破壞，則需讓管道擁有如同人類“神經(jīng)系統(tǒng)”一樣的感應系統(tǒng)。利用3D打印機打印金屬管道截面的時候，可以在鋼管打印到一定厚度時，在其中增加一層薄薄的“智能金屬”材料，用于監(jiān)控管道的破損程度。這種金屬需要選用一種不耐原油腐蝕的金屬，將其包裹在管道的金屬層中，當這層金屬遭到破壞時，會釋放出一種信號源作為破損預警，使衛(wèi)星能夠快速定位破損位置，并將數(shù)據(jù)直接傳到調(diào)度中心，調(diào)度中心即可根據(jù)破損點的位置迅速對安全隱患做出響應，及時修補破損點，預防事故的發(fā)生。在找到管道破損點后，如何修補破損管道也是一個難題，因為管道的修補、焊接問題同樣存在很多不穩(wěn)定因素。將管道換新是當今比較安全的修補方式，但存在能源浪費、運輸成本高、新舊材料之間差異大等技術難題。而利用3D打印技術鋪設的管道，一旦發(fā)生破損預警，工程師可以先掃描破損位置管道的三維圖形，了解管道的破損面積，再根據(jù)三維軟件模擬生成修補破損點的三維模型，在固定好打印機后直接在破損位置重新打印管道破損截面，最終實現(xiàn)無縫修補，使輸油管道煥然一新。目前油田三元注入管道多使用PVC材質(zhì)，同樣可通過3D打印技術鋪設，消除管道連接點，增加管道的使用壽命。這種方式不僅節(jié)約環(huán)保，還大大的節(jié)省了人工成本和運輸費用，在自動化、信息化、機械化技術逐漸成熟的未來，3D打印技術將使原油管道從材料的選用到制造的工藝都發(fā)生巨大變化。
2.23D打印技術在工業(yè)建筑中的應用
2014年一家公司使用3D打印機打印了多棟民用建筑。用于打印結(jié)構件的材料混合了高標號水泥、回收利用建渣和工業(yè)廢料，所有材料會用玻璃纖維加固。3D打印技術在工業(yè)建筑上的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在房屋的結(jié)構和建筑形狀上，房屋的防水結(jié)構也同樣可用3D打印技術來完成。打印機可以直接打印涂膜防水層，根據(jù)設計圖打印出的防水層避免了人工涂抹或偷工減料導致的涂層厚度不一致等問題。通過3D打印技術打印房屋還能有效的避免墻體裂縫問題。采用傳統(tǒng)的油田建筑建造方式，造出的建筑中門窗、管道等洞口會因約束應力集中產(chǎn)生很多裂縫，嚴重影響建筑的安全性和持久性。而通過3D打印技術將建筑材料層層均勻的疊加，能夠大大減少約束應力不斷增加所導致的裂痕，利用這種技術建造的工業(yè)建筑在效率、節(jié)能、環(huán)保、成本等方面的優(yōu)勢乃是傳統(tǒng)方式無法企及的。
3結(jié)語
3D打印技術作為一種新興的技術類型，所表現(xiàn)出來的廣闊應用前景被普遍看好，許多國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產(chǎn)業(yè)。我國對于3D打印技術在油田地面工程設計領域的應用研究才剛剛開始，還存在許多亟待解決的問題，比如適合3D打印的金屬管道材料、工程建筑材料的研究，3D打印技術在油田地面工程設計領域的應用還有很長的路要走。但是毫無疑問的是，3D打印技術水平在未來將成為衡量世界頂級企業(yè)的新標準之一。
作者：于鴻胤 單位：大慶油田工程有限公司
