کاربرد پرینت سه بعدی در صنعت نفت و گاز

تولیدکنندگان نفت و گاز برای حل مشکلات زنجیره تامین و نوآوری سریعتر به چاپ سه بعدی روی آورده اند. بیایید ببینیم چگونه قطعات پرینت سه بعدی بهره وری را افزایش می دهند و هزینه ها را از میدان نفتی تا پالایشگاه کاهش می دهند.

بازیگران اصلی صنعت نفت و گاز از شورون و شل گرفته تا بریتیش پترولیوم و جنرال الکتریک به دلایل متعددی از قطعات یدکی سریعتر و ارزانتر گرفته تا طراحی اجزا با عملکرد بهتر، به آرامی اما پیوسته از چاپ سه بعدی صنعتی برای قطعات حیاتی خود استفاده می کنند.

فناوری چاپ سه بعدی (معروف به تولید افزایشی)

فقط یک روز از کار افتادن کارخانه می‌تواند صدها هزار دلار ضرر برای تولیدکنندگان O&G از دست بدهد، در حالی که زمان تحویل قطعات یدکی(در صورت در دسترس بودن) معمولاً بسیار طولانی است. برای کاهش این امر، شرکت‌ها، موجودی عظیمی از قطعات بالقوه ضعیف را نگهداری می‌کنند که اغلب با هزینه‌های زیادی همراه است.

چاپ سه بعدی در موقعیت ایده آلی قرار دارد تا موجودی های دیجیتال و تولید قطعات یدکی بر حسب تقاضا را به صنعت عرضه کند، به ویژه در مکان های دورافتاده و خارج از کشور، جایی که توانایی تولید قطعات بر حسب تقاضا اساساً مشکلات زنجیره تامین را حذف می کند.

نیاز صنعت نفت و گاز به حفظ بهره وری فرصت کمی برای ارتقای طراحی قطعات و نوآوری باقی می گذارد. ساخت افزایشی نه تنها قطعات طراحی شده بهتر و کارآمدتر را امکان پذیر می کند، بلکه به عنوان یک فناوری نمونه سازی سریع، می تواند توسعه محصول را به شدت تسریع کند.

قطعات حیاتی در این صنعت باید در برابر فشارهای شدید و خشن ترین محیط ها مقاومت کنند. اعتماد به مواد، روش ها و فرآیندهای چاپ سه بعدی اخیراً با استانداردها و گواهینامه های جدید افزایش یافته است که اطمینان می دهد قطعات چاپ شده سه بعدی با مشخصات مورد نیاز در این صنعت تحت نظارت، مطابقت دارند.

بیایید بررسی کنیم که چگونه تولید مواد افزودنی تولید نفت و گاز را مختل می کند و نگاهی به استانداردهای تازه تأسیس شده ای بیندازیم که قطعات تجهیزات چاپ سه بعدی را پوشش می دهد. ما همچنین چندین نمونه از نحوه استفاده تولیدکنندگان فعلی از این فناوری، از تأسیسات خارج از کشور گرفته تا ساخت خطوط لوله را شرح خواهیم داد.

مجموعه چاپ سه بعدی برای تغییر صنعت نفت و گاز

گواهینامه های جدید برای تقویت چاپ سه بعدی در O&G تنظیم شده است.در سال 2021، DNV گواهینامه Protolabs را به عنوان اولین ارائه دهنده خدمات تولید مواد افزودنی در فناوری همجوشی بستر پودری برای کاربردهای انرژی دریافت کرد.

قبل از اینکه به نمونه‌های کاربردی خاص بپردازیم، ارزش دارد که برخی از پیشرفت‌های مهم اخیر در تأیید قطعات چاپ‌شده سه بعدی برای صنعت نفت و گاز را برجسته کنیم. دو استاندارد جدید قابل توجهی که در سال 2021 معرفی شدند، راه را برای پذیرش گسترده تر تولید افزایشی در صنعت هموار می کنند.

DNV، انجمن طبقه بندی بین المللی که در سال 1864 تأسیس شد، یک استاندارد فنی را در ماه مارس معرفی کرد ( DNVGL-SE-0568) که مشخصات ایمنی و کارایی را برای محصولات، دارایی ها و سیستم های چاپ سه بعدی در O&G و تولید انرژی عمومی تعیین می کند. DNV می‌گوید تولید افزایشی «می‌تواند به جلوگیری از تعطیلی طولانی و گرانی قیمت تولید و کاهش ردپای کربن در زنجیره تأمین کمک کند» بنابراین استانداردهایی را برای حمایت از صنعت ایجاد کرد زیرا فناوری AM را برای به دست آوردن مزایای هزینه و کارایی اتخاذ می‌کند.

DNV از سال 2014 فرصت‌ها و چالش‌های ناشی از تولید افزایشی ا را بررسی می‌کند. در سال 2017، DNV اولین دستورالعمل استفاده از ساخت افزایشی در صنایع دریایی و نفت و گاز را منتشر کرد. یک سال بعد، DNV مرکز تعالی جهانی AM را افتتاح کرد تا به عنوان یک انکوباتور و بستر آزمایشی برای تحقیق و توسعه در فناوری چاپ سه بعدی برای بخش‌های نفت و گاز، فراساحل و دریایی خدمت کند.

مؤسسه نفت آمریکا (API) استاندارد جدید خود را در ماه اکتبر معرفی می کند تا پذیرش چاپ سه بعدی را برای بهینه سازی طراحی اجزای گاز طبیعی و نفت برای کاهش شدید زمان تحویل و راندمان، ایمنی و پیشرفت های فناوری در تمام بخش های صنعت ایجاد کند. این سازمان در بیانیه ای اعلام کرد.

این استاندارد جدید با نام «قطعات فلزی ساخته شده برای استفاده در صنایع نفت و گاز طبیعی»، سه سطح مشخصات ساخت را برای تعیین الزامات فنی، کیفی و صلاحیت قطعات فلزی پرینت سه بعدی معرفی می‌کند. علاوه بر این، الزاماتی را برای آموزش، بازرسی، نظارت، و تجهیزات اندازه گیری، و همچنین آزمایش مواد و کنترل کیفیت ایجاد می کند.

اگرچه این استاندارد خاص فقط به اجزای فلزی مربوط می شود، سازمان می گوید در حال حاضر روی یک استاندارد مکمل برای قطعات پلاستیکی کار می کند.

الکسا بور، معاون بخش API گفت: «این استاندارد جدید بهترین الزامات ایمنی و کارایی API را گسترش می‌دهد و از عملیات‌های پیشرفته پشتیبانی می‌کند، و به تولیدکنندگان کمک می‌کند تا فناوری‌های چاپ سه‌بعدی جدید را برای پاسخگویی به تقاضای روزافزون جهانی برای گاز طبیعی و محصولات نفتی به کار گیرند.»

استانداردها و خدمات برای خدمات صنعت جهانی

استانداردهایی از این دست تأییدی بر نقش رو به رشد پرینت سه بعدی در تولید O&G هستند، در حالی که داده های بازار مدرک بیشتری را ارائه می دهد که اهمیت این فناوری فقط افزایش خواهد یافت.

فرآیند صدور گواهینامه تولید افزودنی

بر اساس تحقیقات صنعت، پیش‌بینی می‌شود که پرینت سه بعدی در O&G در سال 2025 به ارزش 32 میلیارد دلار برسد و تا سال 2030 به 60 میلیارد دلار افزایش یابد. پشت رشد بازار، نیاز روزافزون صنعت O&G به طراحی تجهیزات پیچیده برای افزایش کارایی عملیاتی است زیرا با رقابت رو به رشد در سایر بخش‌های انرژی رقابت می‌کند. در واقع، 82 درصد از شرکت‌های O&G می‌گویند که قصد دارند چاپ سه‌بعدی را در 12 ماه آینده پیاده‌سازی کنند.

چاپ سه بعدی به سرعت از یک فناوری حاشیه ای به یک نیاز در بخش O&G تبدیل می شود. حال بیایید نگاهی به نمونه های خاصی از نحوه استفاده صنعت از چاپ سه بعدی بیندازیم.

سیستم های هیدرولیک پرینت سه بعدی

بلوک هیدرولیک بازطراحی شده و پرینت سه بعدی GNK 80 درصد کمتر از بلوک های تولید شده سنتی وزن دارد.

شرکت مهندسی بریتانیایی GKN از پرینت سه بعدی برای توسعه یک بلوک هیدرولیک جدید و بهینه سازی شده – یکی از اجزای ضروری سیستم های هیدرولیک – استفاده کرد. به طور سنتی، بلوک های هیدرولیک اجزای مستطیلی با کانال های داخلی متعدد برای کنترل توزیع روغن هستند.

با این حال، بلوک های هیدرولیک تولید شده به طور سنتی دارای معایب قابل توجهی هستند، مانند هزینه های بالای ماشینکاری، جریان روغن ناکارآمد، تجمع کثیفی، و احتمال نشت و پارگی.

بلوک هیدرولیک پرینت سه بعدی طراحی را بهینه می کند و شکل مستطیلی را از بین می برد و در عین حال همان عملکرد را حفظ می کند. به گفته GKN، طراحی جدید هیچ گوشه مرده ای ندارد که در آن کثیفی جمع شود، که این امر راندمان جریان روغن را نیز بهبود می بخشد.

پرینت سه بعدی اجزای ایمپلر

فناوری چاپ سه بعدی فلز برای چاپ اجزای روتورهای پایین چاه استفاده شد

کاربردهای Downhole

بخش‌هایی از فرآیند حفاری نفت که در داخل گمانه یا چاه اتفاق می‌افتد – از جمله موارد مورد نیاز در بخش نفت و گاز هستند. قطعات مورد استفاده در سوراخ با سایش شدید ناشی از سنگ زنی از طریق سنگ و تماس با مایعات خشن، اعم از روغن خام یا دوغاب آب-خاک-شیمیایی مواجه می شوند.

Duncan Machine Products (DMP)،

یک شرکت مستقر در ایالات متحده که قطعات ماشینکاری دقیق را برای صنعت O&G تامین می کند، با شرکت چاپ سه بعدی Velo3D برای ارائه 1500 قطعه برای کاربردهای پایین چاه، هم برای اکتشاف در خشکی و هم برای اکتشاف دریایی، شریک شد.

برای این پروژه، DMP ریخته گری سنتی سرمایه گذاری را با چاپگر سه بعدی فلزی Sapphire Velo3D جایگزین کرد. بیلینگز گفت که پس از آزمایش این فناوری، به دلیل زمان کوتاه‌تر و عملکرد بهتر قطعه، آن را برای تولید قطعات پایین چاه بسیار مناسب یافتند.

کریس بیلینگز، یکی از مالکان DMP می‌گوید: «ما Velo3D را انتخاب کردیم زیرا چاپگر Sapphire آن‌ها می‌تواند بیشترین پیچیدگی هندسی را تحمل کند، و فرآیند بدون پشتیبانی آن‌ها نیازی به طراحی مجدد قطعات خود از سوی مشتریان ندارد.

در موردی دیگر، Ulterra تولیدکننده ابزارهای حفاری O&G به دنبال افزایش عمر مفید روتورها و استاتورهای مته خود بود. برای دستیابی به این نتایج، Ulterra با سازنده پرینترهای سه بعدی ExOne که اکنون بخشی از Desktop Metal است، شریک شد.
Ulterra با استفاده از فناوری AM فلزی ExOne، 10 روتور در ابعاد 3-5 اینچ را با استفاده از فولاد ضد زنگ S4 و ماتریس برنز چاپ کرد. این شرکت می‌گوید قطعات پرینت‌شده سه‌بعدی مقاومت بالایی در برابر سایش دارند و حتی پس از ۶۰۰ ساعت استفاده، سایش قابل اندازه‌گیری را نشان نمی‌دهند. آنها همچنین در مقایسه با ماشینکاری معمولی ارزان تر هستند و قیمت هر روتور را از حدود 400 دلار به 75 دلار کاهش می دهند.
اولین چاپ سه بعدی O&G

برای پرینت سه بعدی یک آبشکن برای صنعت O&G استفاده شد

واتربوشینگ ها اجزای حیاتی ایمنی هستند که در حفاری O&G مورد استفاده قرار می گیرند و برای اتصال به سیستم گل به بالای شمع مته یا لوله متصل می شوند. آنها به گل حفاری اجازه گردش می دهند و با ضربه های هیدروکربنی مقابله می کنند که می تواند تجهیزات حفاری را از بین ببرد.

در آوریل 2021، تامین‌کننده لوله و لوله‌کشی فرانسوی Vallourec با ارائه اولین واتربوشینگ چاپ شده سه بعدی به صنعت O&G، تاریخ ساز شد. این قطعه که با استفاده از تولید افزودنی قوس سیمی (WAAM) چاپ شده است، با ارتفاع 1.2 متر و وزن 220 کیلوگرم، عملیات موفقیت آمیز خود را در دکل دریایی TotalEnergies در میدان های گازی Elgin-Franklin در دریای شمال آغاز کرد.

اندرو هدل، سرپرست QA/QC حفاری و چاه در توتال اکتشاف و تولید بریتانیا، می‌گوید: «تولید افزودنی این پتانسیل را دارد که زنجیره تأمین O&G را متحول کند و شرکت‌هایی مانند توتال را قادر می‌سازد تا قطعات ساخته‌شده را در صورت نیاز سفارش دهند. .

ساخت واتربوشینگ با استفاده از WAAM نه تنها زمان سرب را کاهش داد بلکه به سبک‌تر شدن قطعه نیز کمک کرد. وزن قطعه پرینت سه بعدی تقریباً نیمی از وزن قبلی است که به طور سنتی تولید می شود. برای تکمیل همه چیز، Vallourec خاطرنشان می کند که چاپ سه بعدی این قطعه، انتشار کربن را تا 45 درصد در مقایسه با آهنگری و ماشینکاری سنتی کاهش می دهد.

«تولید افزودنی ما را قادر می‌سازد تا یک قدم به هدف صنعتی یک انبار دیجیتال نزدیک‌تر شویم، در دسترس بودن قطعات حیاتی را افزایش دهیم و ضایعات را کاهش دهیم. برتراند مایلون، مدیر توسعه کسب و کار AM در Vallourec می گوید: هدف این پروژه فراتر از اثبات مفهوم برای توسعه موفقیت آمیز چارچوب تضمین کیفیت و کنترل کیفیت تامین قطعات با استفاده از فناوری WAAM بود.

زمان کوتاه تر در گیره خط لوله

زمان کوتاه در صنعت نفت و گاز کلیدی است، زیرا هم کاهش زمان توقف تولید و هم کاهش خطرات زیست محیطی، انسانی و ایمنی بسیار مهم است. زمان فعلی تعمیر خط لوله می تواند 2 تا 3 هفته با ارزش از دست رفته بالقوه 100 هزار تا 1 میلیون یورو در روز باشد. فرآیندهای تعمیر فعلی توسط گیره ها معمولاً بر فرز CNC، کار دستی تخصصی یا ترکیبی از هر دو متکی است. هر یک از این فرآیندها دارای معایب خود هستند. آسیاب CNC ضایعات مواد بالایی دارد (به طور متوسط حدود 80 درصد مواد اولیه) و کارگران متخصص در حال کمیاب شدن هستند.

شرکت هلندی تولید مواد افزودنی فلزی MX3D، با همکاری Team Industries و TiaT، یک گیره خط لوله صنعتی تولید کرد تا کاربرد فناوری خود را در O&G نشان دهد.

گیره های خط لوله با طراحی سفارشی برای افزایش طول عمر تاسیسات O&G و جلوگیری از حوادث خط لوله استفاده می شود. به این ترتیب، آنها باید با استانداردهای ایمنی و عملکرد دقیق مطابقت داشته باشند و اغلب به زمان بسیار کوتاهی نیاز دارند.

با استفاده از روش تولید ترکیبی WAAM، گیره خط لوله چاپ سه بعدی سریعتر تولید می شود و می تواند به صورت محلی تولید شود و زمان تحویل را از معادله حذف می کند. این قطعه همچنین دقیق تر است و مواد زائد کمتری را در طول ساخت تولید می کند.
گیره تولید شده با مواد افزودنی بر اساس استانداردهای ASTM A370 توسط آژانس های شخص ثالث آزمایش شد. گیره دارای خواص یک قطعه سنتی ساخته شده بود یا از آن فراتر رفت.
«تولید افزودنی ترکیبی هر دو مزیت ساخت متعارف مانند دقت و سرعت بالای تولید قطعات «ساده» را با مزایای تولید افزودنی مانند آزادی هندسی، سرعت تولید و حداقل ضایعات مواد ترکیب می‌کند. توماس ون گلابکه، سرپرست پروژه و مدیر تحقیق و توسعه MX3D گفت: کیفیت و پیچیدگی گیره WAAM پتانسیل این فناوری را به نمایش می گذارد.
لوله های مبدل حرارتی رکورد شکن

3D Metalforge، یک شرکت تولید مواد افزودنی مستقر در سنگاپور، در اوایل نوامبر 2021 اعلام کرد که قطعات مبدل حرارتی چاپ شده سه بعدی را با موفقیت به رویال داچ شل تحویل داده است. این قطعات در سایت تولید پتروشیمی شل جورونگ (SJI) مورد استفاده قرار گرفته اند.

فرآیندهای تولید در SJI به مبدل های حرارتی در مقیاس بزرگ متکی است که دارای مجموعه ای از لوله های فلزی برای تنظیم حرارت هستند. از آنجایی که تاسیسات در یک جزیره خصوصی دورافتاده قرار دارد، زمان تحویل لوله‌های یدکی می‌تواند بسیار طولانی باشد و SJI را مجبور به نگهداری موجودی گسترده کند. شل با 3D Metalforge در تلاش برای اصلاح این وضعیت شریک شد.

قبل از شروع تولید، 3D Metalforge با مهندسان شل همکاری نزدیکی داشت تا الزامات عملکرد مبدل حرارتی را مشخص کند. این شرکت مدل های دیجیتالی قطعات را بر اساس مشخصات شل طراحی کرد. قطعات در طول پس از تولید تحت آزمایش یکپارچگی قرار گرفتند تا اطمینان حاصل شود که مطابق با استانداردهای کیفیت مرتبط هستند.

3D Metalforge می‌گوید: “قطعات با موفقیت در زمان رکورد دو هفته نصب و تکمیل شدند و قطعات چاپ شده منجر به کاهش زمان تولید شد.” لوله های پرینت سه بعدی نیز برای ساخت مقرون به صرفه تر هستند و به افزایش طول عمر ماشین آلات موجود کمک می کنند.

پینا جوشی، مهندس قابلیت اطمینان ارشد Asset Rejuvenation در جزیره شل جورونگ، گفت: «ما از 3D Metalforge برای خدمات فنی استثنایی و تحویل به موقع و موفقیت آمیز قطعات با کیفیت به جزیره شل جورونگ قدردانی می کنیم.

قطعات پرینت سه بعدی برای ماشین های سفارشی

Shawcor، یک شرکت کانادایی خدمات میدان نفتی، از نوارهای سنگین برای تقویت بخش های لوله استفاده می کند. این پدها که بین 115 تا 230 پوند وزن دارند، برای افراد بسیار بزرگ هستند و به همین دلیل شرکت می خواست یک ماشین جدید برای کار با آنها بسازد. با این حال، آنها با روش‌های تولید سنتی با مشکلاتی مواجه بودند.

دستگاه حمل نوار نوار نیاز به قطعات سفارشی داشت. نه تنها آنها بسیار گران بودند، بلکه زمان تحویل سه تا شش هفته ای به این معنی بود که کارخانه تنها با راندمان 85 درصدی کار می کرد.

برای حل این مشکل، شرکت کانادایی به Markforged، سازنده چاپگرهای سه بعدی ترموپلاستیک روی آورد که قطعات را با تغذیه مداوم فیبر کربن، فایبرگلاس یا کولار به داخل آن‌ها تقویت می‌کند تا مانند فلز استحکام داشته باشند اما بسیار سبک‌تر باشند. با Markforged Mark Two، یک چاپگر سه بعدی FDM در اندازه رومیزی، این شرکت انرژی اکنون 53 قطعه منحصر به فرد را برای دستگاه جابجایی پد چاپ کرده است، از جمله درپوش فیوزها، پایه های حسگر و ضربه گیر.

با توجه به فناوری تقویت فیبر چاپگر، این شرکت توانسته است قطعات فلزی را با قطعات پلاستیکی جایگزین کند. برای قطعات دارای ضربه، ما پشم شیشه کولار یا HSHT را انتخاب کردیم و برای قطعاتی که می‌خواستیم سفت‌تر باشیم، فیبر کربن را انتخاب کردیم. مردم از کیفیت کلی شگفت زده شدند. فیل ام.، طراح ارشد مکانیک در شرکت انرژی، گفت: آنها هرگز فکر نمی کردند که قطعات چاپ شده را روی ماشین آلات قرار دهند که در واقع در یک محیط تولیدی استفاده می شود.

در مجموع، پرینت سه بعدی قطعات باعث صرفه جویی در حدود 19000 دلار برای شرکت شده است. آنها اکنون می توانند قطعات جدید دستگاه را یک شبه چاپ کرده و صبح روز بعد آنها را نصب کنند.

ساده سازی تولید توربین حفاری

APS سازنده تجهیزات، اجزای مختلفی را برای کاربردهای حفاری میدان نفتی، از جمله موتورهای مته قابل هدایت، حسگرها، لرزشگیرها و سیستم‌های اندازه‌گیری حفاری (MWD) تولید می‌کند. این شرکت قبلاً تولید مواد افزودنی را برای تولید برخی از این قطعات امتحان کرده بود، اما آنها همچنان با همین مشکل مواجه بودند – مواد به اندازه کافی سخت نبودند تا در برابر سایش شدید عملیات حفاری مقاومت کنند.

سپس شرکت چاپ سه بعدی آلمانی EOS راه حل های چاپ سه بعدی DMLS فلزی خود را به APS ارائه کرد. این روش ساخت جدید به APS اجازه می دهد تا هندسه های قبلی غیرممکن و کارآمدتر را در حین تولید قطعات از آلیاژهای فلزی بادوام کشف کند.

پل سیتون، معاون بازاریابی APS می‌گوید: «روش‌های تولید سنتی ما را به اینجا رسانده است، اما کارایی بهبود یافته قطعات ایجاد شده با DMLS باعث تغییر بازی می‌شود. “این یک اثر دومینو ایجاد می کند، جایی که طول عمر بیشتر محصول منجر به اختلال کمتر در تعمیر و نگهداری تجهیزات، زمان حفاری بیشتر و هزینه های کمتر می شود.”

یکی از اجزایی که اکنون از قطعات فلزی پرینت سه بعدی استفاده می کند، یک توربین پنج مرحله ای است که یک سر حفاری قابل هدایت را تامین می کند. هر توربین حاوی چندین محفظه انتهایی، استاتور و روتور است که در شرایط واقعی کار می کنند. پرینت سه بعدی به APS این امکان را داده است که این اجزای سنتی چند قسمتی را در یک واحد ادغام کند، در حالی که زمان چاپ را از هفته ها به چاپ یک شبه کاهش می دهد.

سرمایه گذاری نشان دهنده شناخت صنعت است

Hunting مستقر در بریتانیا، که تجهیزات بالادستی برای چاه، از جمله ابزار و اجزای چاه را تولید می کند، امسال 27 درصد از سهام شرکت چاپ سه بعدی تگزاس Cumberland Additive Holdings را به مبلغ 5 میلیون دلار به دست آورد.

کامبرلند از فناوری چاپ سه بعدی همجوشی بستر پودری برای تولید قطعات معتبر و با کارایی بالا برای بخش‌های سخت‌گیرانه مانند O&G، هوافضا و دفاع استفاده می‌کند. این سرمایه گذاری نشان دهنده شناخت روزافزون شرکت های O&G از تولید مواد افزودنی به عنوان ابزار کلیدی در پیشبرد صنعت است.

سرمایه‌گذاری Hunting در CAH بخش کلیدی استراتژی ما برای دسترسی به فناوری‌های تولیدی جدید است که توسط مشتریان فعلی ما اتخاذ می‌شود، اما همچنین فرصت‌های بازار و مشتریان جدیدی را در بخش‌هایی فراهم می‌کند که مکمل شایستگی‌های اصلی ما در مهندسی دقیق و محصولات با کیفیت قوی هستند. جیم جانسون، مدیر عامل هانتینگ می گوید.

او افزود: “گروه توسط دانش و تخصص مهندسی مواد و فرآیند CAH جذب شد که ما معتقدیم رهبری مهندسی و تولید فعلی ما را در بخش های انتخابی ما تکمیل می کند.”