API為天然氣和石油行業(yè)制定3D打印應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)

增材制造，也被稱為3D打印，將通過提高運營效率和創(chuàng)新，同時幫助減少排放，徹底改變天然氣和石油行業(yè)。南極熊獲悉，為了充分挖掘這項快速發(fā)展的技術(shù)的潛力，美國石油學(xué)會（API）已經(jīng)為該行業(yè)使用的聚合物基和金屬部件制定了兩個互補的3D打印標(biāo)準(zhǔn)：即API標(biāo)準(zhǔn)20S《石油和天然氣工業(yè)中使用的增材制造金屬部件》和API標(biāo)準(zhǔn)20T《石油和天然氣工業(yè)中使用的增材制造聚合物部件》，這兩份標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)了該行業(yè)將如何采用新技術(shù)和創(chuàng)新來改善運營。

南極熊找到了與這兩份標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的審議版，感興趣的熊友可以進行下載閱讀：

20S_e1-20210210.pdf (445.07 KB, 下載次數(shù): 492)

2022-9-16 21:49 上傳

點擊文件名下載附件

20T_e1-20220316.pdf (433.28 KB, 下載次數(shù): 486)

2022-9-16 21:49 上傳

點擊文件名下載附件

API 20S和20T分別專注于金屬和聚合物部件，代表了為天然氣和石油行業(yè)提供部件的增材制造商的基準(zhǔn)要求和工藝控制。特別是，API 20S和20T規(guī)定了對3D打印部件的制造工藝、生產(chǎn)、標(biāo)識和文件的鑒定要求。這些標(biāo)準(zhǔn)還為測試和記錄聚合物和金屬部件的3D打印材料特性提供了指導(dǎo)，并且它們引入了三個增材制造規(guī)范級別，定義了越來越多的技術(shù)、質(zhì)量和資格要求。

API全球行業(yè)服務(wù)部高級副總裁AnchalLiddar表示："這些新標(biāo)準(zhǔn)反映了該行業(yè)專注于前沿技術(shù)和創(chuàng)新來滿足全球能源需求，同時不斷努力變得更清潔、更安全和更高效。3D打印有望為我們行業(yè)的所有領(lǐng)域帶來巨大的利益。"

第三次工業(yè)革命

增材制造是一種根據(jù)數(shù)字設(shè)計，使用連續(xù)的材料層制造三維物體的過程，見圖1。它與減材制造形成對比，減材制造是一種傳統(tǒng)的制造工藝，通過原材料的加工來雕刻或去除材料形成一個形狀，然后將幾個對象組裝成最終產(chǎn)品。自從該技術(shù)在20世紀(jì)80年代首次被開發(fā)出來，作為快速制作原型的一種手段，它已經(jīng)發(fā)展并在制造業(yè)中獲得了進一步的應(yīng)用，促使一些學(xué)者將其稱為新生的 "第三次工業(yè)革命"。

圖 1.與減材制造相比，增材制造是一種使用連續(xù)材料層從數(shù)字設(shè)計中構(gòu)建 3D 對象的過程。

多年來，增材制造已被應(yīng)用到一系列行業(yè)中，包括航空、醫(yī)療保健、海事和消費產(chǎn)品。今天，3D打印在12.7萬億美元的全球制造業(yè)市場中占比不到0.1%。然而，根據(jù)最近的一份報告《石油和天然氣的3D打印-專題研究》，估計到2025年，3D打印市場價值將達到320億美元，到2030年將超過600億美元。

天然氣和石油行業(yè)近年來逐漸采用增材制造，將其用于鉆井、非關(guān)鍵或小型部件、原型開發(fā)以及不再生產(chǎn)的過時部件的逆向工程。

例如，康菲石油公司一直在測試3D打印，用于更換阿拉斯加北坡原有的40年歷史的燃?xì)廨啓C的燃燒器塞子。由于這些部件不再生產(chǎn)，磨損的燃燒器塞子很難更換，而且成本很高，往往需要30到60周的時間才能運到這個與世隔絕的地區(qū)。然而，通過使用3D打印技術(shù)，可以在大約一周內(nèi)生產(chǎn)出這些部件，并將它們運到油田所在地。

荷蘭皇家殼牌公司使用3D打印技術(shù)制作設(shè)計原型和工具已經(jīng)有十多年了，而且它正越來越多地在難以到達的地區(qū)部署該技術(shù)來打印備件，例如尼日利亞的海上平臺，見圖2。該公司指出，3D打印技術(shù)可以節(jié)省成本，并加快最終使用的備件的交貨時間，包括熱交換器、泵中的葉輪和聚合物密封蓋，這有助于提高運營安全。

圖 2.運營商發(fā)現(xiàn) 3D 打印是一種經(jīng)濟高效的方法，可以為難以到達的區(qū)域（例如海上平臺和鉆井平臺）的設(shè)施和資產(chǎn)打印備件。

據(jù)報道，埃克森美孚公司正在使用 3D 打印技術(shù)對其 cMist 技術(shù)進行快速成型，該技術(shù)可去除天然氣中的水、二氧化碳和硫化氫，以達到安全和氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對增材制造的興趣與日俱增。數(shù)字化制造商Protolabs對歐洲油田服務(wù)行業(yè)高管進行的一項調(diào)查顯示，82%的受訪者計劃從事3D打印和按需制造。

增材制造的標(biāo)準(zhǔn)制定

伴隨著3D打印應(yīng)用的擴大，一些標(biāo)準(zhǔn)制定組織和分類機構(gòu)，包括ASTM國際組織、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）、美國機械工程師協(xié)會（ASME）和挪威的DNV，它們分別發(fā)布了增材制造的標(biāo)準(zhǔn)。然而，從標(biāo)準(zhǔn)的角度來看，API 20S和20T是第一個專門針對為天然氣和石油行業(yè)提供部件的制造商的3D打印標(biāo)準(zhǔn)。

3D打印的指南或標(biāo)準(zhǔn)將有助于確保部件滿足最低材料要求，以及降低部件的鑒定成本。鑒定是證明部件能夠滿足或超過某些制造標(biāo)準(zhǔn)的一個關(guān)鍵過程，例如API為天然氣和石油行業(yè)制定的標(biāo)準(zhǔn)。此前，由于缺乏鑒定指導(dǎo)，也延緩了增材制造在該行業(yè)的應(yīng)用。

作為天然氣和石油行業(yè)首屈一指的全球標(biāo)準(zhǔn)制定組織，API與成員公司合作，并經(jīng)常與美國聯(lián)邦監(jiān)管機構(gòu)合作，已經(jīng)制定了800多個標(biāo)準(zhǔn)，以提高運營安全、效率和可持續(xù)性。標(biāo)準(zhǔn)增強了操作的安全性，確保了質(zhì)量，有助于降低成本，減少浪費和盡量減少混亂。它們有助于加快接受速度，更快地將產(chǎn)品推向市場，并避免每次制造產(chǎn)品時都要從頭開始。

"隨著天然氣和石油行業(yè)將3D打印用于更廣泛的用途，伴隨著標(biāo)準(zhǔn)滿足這個經(jīng)常在挑戰(zhàn)性環(huán)境下運作的行業(yè)的特定需求至關(guān)重要，"API標(biāo)準(zhǔn)和分部服務(wù)副總裁Alexa Burr說。"API標(biāo)準(zhǔn)20S和20T將有助于建立對該技術(shù)的信心，并加快其在整個行業(yè)的應(yīng)用。"

利用3D打印的行業(yè)優(yōu)勢

增材制造可以為天然氣和石油行業(yè)提供顯著的效率和成本效益，因為它縮短了交貨時間和供應(yīng)鏈壓力。許多增材制造裝置幾乎可以部署在任何地方，有助于使部件的制造接近使用點。這種靈活性可以提高偏遠地區(qū)和離岸業(yè)務(wù)的運營效率。它還可以促進所有行業(yè)部門的制造和供應(yīng)鏈彈性的離岸化，這是Covid-19大流行病和烏克蘭戰(zhàn)爭所暴露的脆弱性。

運營商目前儲存了大量的備件和組件，或者等待新的庫存，導(dǎo)致昂貴的倉儲和停機時間。增材制造的按需、現(xiàn)場性質(zhì)和 "數(shù)字倉庫"的使用可以幫助解決這些問題，為天然氣和石油行業(yè)帶來巨大利益。世界經(jīng)濟論壇的一份報告估計，該行業(yè)的零部件3D打印可以將庫存水平降低2%，將維修、保養(yǎng)和運輸成本削減3%。

與減材制造相比，增材制造優(yōu)化了設(shè)計和制造過程，最大限度地減少了加工和材料去除的需要，轉(zhuǎn)化為更少的浪費和材料使用。非物質(zhì)化--或者用更少的材料生產(chǎn)最終產(chǎn)品--不僅可以節(jié)省材料成本，還有助于減少行業(yè)的間接環(huán)境足跡。

增材制造使創(chuàng)新者能夠快速、有效地將創(chuàng)意推向市場。通過數(shù)字模型，3D打印為原型設(shè)計提供了靈活性，并簡化了定制部件的生產(chǎn)，而這些部件在傳統(tǒng)制造中是很難、很昂貴或不可能做到的。這有效地消除了在生產(chǎn)某些部件時對規(guī)模經(jīng)濟的需求。

此外，增材制造還可以通過將復(fù)雜零件打印成一體，以傳統(tǒng)制造無法實現(xiàn)的幾何形狀來提高制造效率。例如，通用電氣的子公司通用航空一直在使用3D打印技術(shù)為其LEAP發(fā)動機制造數(shù)千個噴氣發(fā)動機燃料噴嘴。增材制造的噴氣發(fā)動機燃料噴嘴不是由20個不同的部件焊接在一起，而是由一個部件組成，其重量減少25%，耐用性提高5倍，成本效率提高30%。鑒于天然氣和石油行業(yè)所使用的部件的復(fù)雜性，3D打印可以產(chǎn)生類似的效率，同時還可以通過減少構(gòu)成復(fù)雜部件的單個部件的故障幾率來加強安全和環(huán)境保護。

康菲石油公司領(lǐng)導(dǎo)API關(guān)于3D打印的20S標(biāo)準(zhǔn)小組的工程師Carlo De Bernardi說：" 3D 打印為零件和組件的創(chuàng)意設(shè)計開辟了無數(shù)可能性，而傳統(tǒng)制造方式需要焊接、鑄造和研磨材料才能制造出來。通過允許工程師進行數(shù)字化設(shè)計，而不需要昂貴的研究和開發(fā)周期，該行業(yè)可以變得更加高效和創(chuàng)新。"

隨著天然氣和石油行業(yè)繼續(xù)變得更加清潔和高效，增材制造提供了減少該行業(yè)間接碳足跡的潛力。

增材制造不僅可以減少在擴展的供應(yīng)鏈中運輸部件的需要，而且還可以以另一種方式影響運輸部門，因為更輕的部件可以減少燃料消耗。同時，由于3D打印在制造過程中需要更少的原材料，或者說非物質(zhì)化，該行業(yè)可以間接地在材料投入的生產(chǎn)過程中減少排放。

因此，增材制造的固有效率，包括與傳統(tǒng)制造相比需要更少的材料，再加上物流的減少，可以推動碳排放的大幅減少。這樣一來，3D打印有助于展示行業(yè)對API氣候行動倡議的采納，該倡議詳細(xì)說明了行業(yè)對通過減少溫室氣體排放來保護環(huán)境的承諾。

盡管3D打印在天然氣和石油行業(yè)的前景很好，但在其獲得更廣泛的使用之前，仍有一些障礙必須解決，以增強對該技術(shù)的信心。天然氣和石油生產(chǎn)是在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中進行的，腐蝕、高溫和高壓都是必須考慮到的因素，以確保安全操作。

API 20S 和 20T 為更廣泛的應(yīng)用鋪平道路

考慮到獨特和具有挑戰(zhàn)性的生產(chǎn)環(huán)境，目前對3D打印部件可以和應(yīng)該使用的地方有限制。因此，需要對增材制造工藝和材料投入進行進一步的測試，以確保部件能夠承受與硫化氫、二氧化碳和氯化物等烴混合物的持續(xù)接觸，以及在不同的pH值、溫度和壓力下都有好的表現(xiàn)。此外，還需要證明增材組件對酸和非酸等級的適用性。

這將需要識別和測試對該行業(yè)至關(guān)重要的聚合物以及金屬和合金，它們可以根據(jù)API 20S和20T通過最新的增材制造技術(shù)生產(chǎn)，重點是適用于大規(guī)模和承壓部件的方法，見圖3。API 20S和20T是基礎(chǔ)文件，允許行業(yè)利用這些標(biāo)準(zhǔn)來生產(chǎn)各種部件，并確定它們的最佳適用范圍。它們旨在鼓勵整個行業(yè)更安全、更廣泛、更快速地采用增材制造，為其在主流行業(yè)應(yīng)用中的使用建立更大的信心。

圖 3.確保組件能夠承受與作為烴混合物一部分的 H2S、CO2 和氯化物的持續(xù)接觸——以及在不同的 pH 值、溫度和壓力下運行——將需要識別和測試聚合物以及金屬和合金對行業(yè)至關(guān)重要，可以通過符合 API 20S 和 20T 的增材制造技術(shù)生產(chǎn)。

最終，認(rèn)證過程是由最終用戶來定義應(yīng)用要求，并制定功能規(guī)格以滿足這些要求。這些規(guī)格被提供給原始設(shè)備制造商，然后他們將根據(jù)適當(dāng)?shù)闹圃旃に�、材料特性和質(zhì)量控制規(guī)定，制定技術(shù)設(shè)計規(guī)格以滿足這些要求。

預(yù)計增材制造部件的認(rèn)證將遵循行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的其他傳統(tǒng)制造部件的類似原則，即考慮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、屈服強度、極限拉伸強度、斷裂韌性、強度-溫度關(guān)系、抗爆和抗塌陷性以及增材制造部件的抗疲勞性。

API 20S和20T代表了允許使用增材制造生產(chǎn)API產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋傳統(tǒng)部件的第一步。然而，后續(xù)我們還必須確定可以將增材制造部件添加到哪些產(chǎn)品規(guī)格當(dāng)中。