摘 要：增材制造(3D打印)技术是一种集数字制造、智能制造和绿色制造于一体的革命性技术,十分契合石油化工领域的战略方针,在提升生产效率、提高制造精度、降低制造成本、提升装备质量等方面呈现出了巨大的潜力。文章阐述了国内外与增材制造相关的产业政策,指出增材制造技术已经成为各个国家提升制造业国际竞争力的重要战略手段;分析了增材制造技术特点,并重点针对石油化工领域进行了增材制造技术应用场景探讨,阐明了其在设计研发、装备修复、装备质量提升和装备减量化设计等方向的潜在优势以及在石油化工领域的发展前景。
关键词：增材制造 石油化工 数字化 智能化 绿色低碳 故障修复 质量提升
增材制造技术(又称3D打印)是一种集数字化、智能化、绿色生态化于一体的先进制造技术,通过对三维数字模型进行分层处理,并借助数字化制造设备,将材料逐层叠加形成实体产品,目前已逐步应用于日常用品、汽车、医疗、航天等各个领域。该技术十分契合石化行业高质量发展征程“创新驱动”、“绿色低碳”、“智能制造”的发展理念,但其目前在石油化工领域的应用还比较少,发展潜力和应用前景十分值得探索和挖掘。
1 增材制造技术国内外产业政策
新一轮数字化制作浪潮正在全球兴起,为抢抓此次转型升级机遇,国内外纷纷将增材制造技术列为未来制造业发展的重要方向。以增材制造技术为代表的创新技术开发与应用已经成为各国“再工业化”和提升制造业国际竞争力的重要战略举措。
1.1 国外相关政策
自2009年以来,美国先后制定了“重振美国制造业框架”、“先进制造国家战略计划”等,将增材制造技术列入“全美制造业创新网络”计划。2022年,美国白宫启动了“增材制造技术推进(AM Forward)计划”,旨在进一步抢占增材制造技术的战略先机,加速其产业化应用进程。
欧盟于2015年斥资2.25亿欧元开展增材制造技术专项研究并发布了“增材制造技术标准化路线图”,明确了2015～2022年的增材制造标准研究计划;德国也先后出台了“高技术战略2020”和“德国工业4.0战略计划实施建议”等政府级战略文件;英国自2011年起大力扶持增材制造技术研发,并且在“未来高附加值制造技术展望”中将增材制造技术定位为提高国家竞争力的主要技术之一。
日本、韩国、瑞士、新加坡等国也纷纷制定了相应的政策积极开展增材制造技术的研究,致力于推动增材制造技术的研发和创新进程,争夺全球新技术的制高点。
1.2 国内相关政策
2015年,习近平总书记在G20峰会上指出,“新一轮科技和产业革命正在创造历史性机遇,催生互联网+、分享经济、3D打印、智能制造等新理念、新业态”。
2015年以来,国务院及工信部等先后出台了“中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要”、“中国制造2025”、“国家增材制造技术产业发展推进计划(2015-2016年)”、“增材制造技术产业发展行动计划(2017-2020年)”等纲领性文件,将增材制造技术作为提升制造业核心竞争力与发展智能制造技术的重要着力点,旨在将新一代信息技术与制造业深度融合,形成新的发展方式、产业形态和商业模式。
2 增材制造技术特点
2.1 数字化和智能化的先进制造技术
增材制造技术是基于数字化的设计文件将材料连接制作产品的过程,设计方通过互联网将数字化设计文件传输给用户或者放到数字化平台上,用户通过物联网技术,就可以利用数字化增材制造设备在用户现场完成产品制造,切实做到了制造上的分散性、实时性和按需生产。增材制造技术与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术。
智能化设计平台的搭建与研发是目前增材制造技术的重要研究方向。通过该平台可以自动实现三维模型分层和打印路径规划,智能实现打印预处理和生产自动化,智能预测和避免零件在打印过程中发生变形、裂纹、表面质量差等问题,从产品设计、绿色优化、制造优化到绿色评估实现全流程智能化制造。
2.2 柔性化和一体化的降维制造技术
增材制造技术将三维结构分层转化成二维结构,然后逐层叠加最终完成三维产品的制作,这一降维打印的特性使得增材制造技术突破了传统制造技术的瓶颈,一方面使得结构特别复杂的零部件有了加工制造的可能性,让产品设计摆脱了可制造性的约束;另一方面可以将多个零件组装的产品一体化成形,简化了制造工序,节约了制造和装配成本。
增材制造技术由传统制造技术的“制造引导设计”转变为“设计引导制造”,极大提高了设计的自由度和制造的柔性化,为设计创新提供了更加灵活的设计思路和更加广阔的创新空间。
2.3 定制化和个性化的快速制造技术
集中化和批量化的设计生产模式是传统制造行业的特点和优势,这种特点可以做到满足多数人的共性需求,也注定了其产品难以实现独特性和个性化。增材制造技术采用数字化结合物联网的智能设计及制造方式,使用户能够根据自己的需求量身定制产品,可以快速、低成本实现单件制造,而且越是结构复杂的产品,其制造的成本和速度效益越显著。
因此,增材制造技术特别适合定制化和个性化的应用领域,这也是增材制造技术在医疗和髙端医疗器械领域得以成功大规模应用的关键。
2.4 绿色化和经济化的低碳制造技术
国际上通常用生命周期评价(LCA)方法对产品系统进行环境影响定量分析。目前关于增材制造技术对比传统制造技术对于环境的影响尚未有定论。大量研究表明:在上游粉末以及单位能耗上,增材制造技术并没有明显优势,但是其可以实现原材料的充分利用,尤其是当设备轻量化和一体化程度较高时,增材制造技术在材料利用率和装配环节呈现了更多优势【1】。
从材料的利用角度,增材制造是“净成形”技术,理论上可以实现材料的零损耗,减免了传统制造因切削、成形而需要的成本;从运输和装配的角度,某些产品可以在用户现场完成增材制造过程,增材制造技术还可以实现复杂零部件的一体化成形,降低运输和装配环节成本。
3 增材制造技术在石油化工应用场景展望
3.1 设计研发及试验装置
目前增材制造技术已经广泛应用于产品的设计研发和模型制造环节。在燃气轮机领域,增材制造技术可以将某些部件研发周期减少75%【2】;在汽车行业,增材制造技术广泛应用于零部件的造型评审和设计验证【3】;在核工业领域,正在利用增材制造技术快速制备缩小比例的金属零件模型来辅助研发【4】;在国防领域,增材制造技术更是已经广泛应用于导弹、潜艇、卫星等的模型制造和研制【5】。
在“油转化”发展背景和“双碳”发展目标的驱动下,近年来石化行业加快“新能源、新经济、新领域”产业布局,一大批“新工艺、新技术、新产品”的试验装置正在进行建设,试验装置的设备和产品研发阶段的模型机具有规格小、批量少、标准化程度低的特点,利用增材制造技术可以降低其制造成本,并快速完成设备研发“设计-制造-验证-优化”的迭代过程,缩短研发周期。
3.2 装备修复及再制造
对于炼化企业在生产运行过程中故障率高、备件储备困难、检修难度高、检修速度慢的设备,如叶轮、叶片、转子、齿轮等, 其故障检修是企业的难点和痛点, 以常见叶轮损伤为例, 叶轮损伤占离心空压机故障率的50%以上,当炼化企业出现此类故障时,由于通常没有备件,就会面临着故障修复成本高、质量低、时间长等影响装置运行的问题。
对于此类设备,可以形成基于增材制造技术的检修预案,建立真正意义上的“数字库存”,降低备件成本,提升检修效率和质量,增强炼化企业检维修保障能力。
国外已经广泛将增材制造技术用于航空航天领域的零部件修复。德国哈弗曼公司研制了“多轴激光粉末熔化焊接系统”,并利用该系统实现了对航空发动机钛合金叶片等易损件的修复;欧洲和德国资助了FANTASIA和TurPro项目,该项目针对压气机和涡轮叶片修复开展研究,以确立欧洲涡轮发动机制造商的全球领导地位。
哈工大、北航等多家高校也利用增材制造技术进行了辊轴、C919大飞机核心部件、发动机涡轮叶片等零部件的修复研究【6-7】。
3.3 装备质量提升
增材制造技术可以做到任何部位均可实现数字可控,消除壁厚和位置效应。王华明院士指出,“3D打印突破传统冶金对材料制备及性能的原理性瓶颈,实现新一代高性能设备与复杂结构制造”【8】。
目前,石油化工领域存在一些具有高性能、高精度、高成本、结构复杂等特点的设备,传统制造技术难以满足设计要求,或者其质量提升限于瓶颈。例如,压缩机或泵叶轮,由于其结构复杂且性能要求较高,传统铣削工艺已限制了其性能提升;一些带内部流道的结构复杂的仪表阀门、液压元件、超高压聚乙烯装置异形件等,其内部通常具有复杂的腔道供介质流通,传统制造工艺加工难度大,生产周期长,性能和可靠性均难以得到保证。
对于此类设备,增材制造技术正在展现出其天然的优势。西门子公司利用增材制造技术制造出带全新内部冷却结构的燃气轮机叶片,改善了内部散热性能【9】;中科院采用该技术3D打印出传统加工无法实现的微纳米空洞结构的油水分离器【10】;中广核集团通过3D打印得到满足国际核电标准RCC-M要求的精密仪表阀,极大缩短了制造时间【11】。
3.4 装备减量化设计
增材制造技术可以把每个零部件都控制在最优化的设计尺寸,并且可以获得小尺度范围内具有精细结构且性能更优的整体式材料。对于采用传统制造工艺导致设计裕量过高、质量过大、材料损耗过大、零件数量较多、装配结构复杂的设备,通过增材制造技术可以实现设备质量、材料损耗量、零部件数量以及安装工作量的减量化设计。
以压缩机转轴为例,空心轴具有质量小、刚度/质量比高、离心力小、临界转速高等优势,但是传统制造技术难以加工。目前已经有单位在发动机叶轮【12】和压缩机转轴【13】内部设计点阵结构然后进行增材制造,采用该方法可减轻质量并改善其工作性能,还可以显著降低零件内部残余应力。
多孔材料,尤其微孔分子筛,是石油化工行业常用的催化、吸附、分离材料。通过增材制造技术可以准确调控目标结构,获得性能更优的整体式多孔材料,缓解传统细颗粒磨损造成的压降、传质与热问题。例如,Li Xin等【14】打印制备了3D-PFMZSM-5和3D-PFMY催化剂,并将其应用于正己烷催化裂解反应中,呈现出更高的稳定性和低碳烯烃选择性;Regufe等【15】制备了3D-PFM吸附剂,在压力15 kPa、温度30 ℃(303 K)条件下对CO2的吸附量高达1.45 mmol/g。
4 结语
增材制造技术是一种集数字制造、智能制造和绿色制造于一体的革命性技术,十分契合石油化工领域的战略方针,在提升生产效率、提高制造精度、降低制造成本、提升装备质量等方面呈现出了巨大的潜力。在石化行业高质量发展的要求下,应坚持创新驱动,进一步在石油化工领域针对设备全生命周期深入挖掘增材制造技术的应用场景和发展前景,形成增材制造及相关技术储备,并逐步提升其技术成果适用性,助力推动石化行业高质量、绿色化、低耗比、多元化发展。
关于召开2024年第十届石化设备运维管理与检修技术大会
参会咨询：超级石化
随着我国石化工业迅猛发展，部分早期建设的石化装置已运行较长年限，设备疲劳、管道老化、系统故障率上升等问题逐步显现，生产稳定性、设备可靠性逐年降低，安全风险增大，近几年已引发多起事故。开展老旧装置安全风险防控专项整治，提升设备运行管理、智能化运维、检维修技术提升、设备管理人员安全培训，是全面保障石化行业设备长周期运行的重要举措，是统筹好发展和安全、坚决遏制重特大事故的必然要求。
以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻党的二十大精神和习近平总书记关于安全生产的重要论述，认真落实全国安全生产电视电话会议部署和安全生产治本攻坚三年行动方案安排，突出重大安全风险防控，坚决淘汰一批、退出一批、更新改造一批安全风险高的老旧装置设备，有效提升石化企业本质安全度，真正从根本上消除事故隐患、从根本上解决问题，有效遏制重特大事故发生。为实现设备“安稳长满优”运行，推动石化企业设备管理与“智慧+预知性维修”深度融合、协同发展，搭建石化企业与设备预知性维护、智慧运维、老旧装置设备改造升级、设备国产化、大修管理、检修服务供应商交流合作平台，促进石化行业设备管理与检维修技术进步，中国石油和石化工程研究会联合各方拟定2024年11月6-8号江苏南京继续召开“2024第十届石化设备运维管理与检修技术大会”。
大会将邀请炼油化工、石化、煤化工、化工企业设备管理部门、科研机构、智慧运维、设备预知性维护、故障诊断、建安检维修、设备制造等企业，紧紧围绕“拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革”为主题，组织石化行业设备专家就目前设备管理体系建设、设备完整性管理、先进技术应用、热点难点问题、检维修管理、在建项目设备选型和监造验收、设备风险识别与控制、设备运行KPI指标对标等进行深入交流、研讨，力求达到行业信息共享、技术共享、经验共享、资源共享，结合我国石化行业发展新质生产力，促进数字经济和实体经济深度融合，提高石化企业设备管理完整可靠性、提升专业技术水平、筑牢本质安全基础，打造数字化、网络化、智能化工厂。
参会咨询：超级石化
拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革
主办单位：
中国石油和石化工程研究会
协办单位：
中国职业安全健康协会
中国特种设备安全与节能促进会
中国设备监理协会
中国石化生产经营管理部
中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会
中机维协石油石化建安检维修分会
中国石油化工集团石油化工设备防腐蚀研究中心
中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心
石油化工设备维护与检修网
青岛石化检修安装工程有限责任公司
恩纳湃克（江苏）工业设备有限公司
支持单位：
中国石化炼油事业部
中国石化化工事业部
中国石油炼油化工和新材料分公司
中海石油炼化有限责任公司
中国中化能源股份有限公司
国家能源投资集团有限责任公司化工事业部
中国石化扬子石油化工有限公司
中国石化金陵石化公司
中国石化南京化学工业有限公司
中石化南京工程有限公司
中国石化南京阀门供应储备中心
重点关注内容
1.国内外石化装置长周期运行发展现状与展望；
2.转动设备全过程运维管理及“智慧+预知性维修”应用成果；
3.大型石化企业设备健康管理探索与实践；
4.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；
5.特种机泵：螺杆机、真空压缩机、屏蔽泵等检修运维技术；
6.石油化工装置、管廊、罐区腐蚀防护与隔热保温；
7.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；
8.石化企业设备润滑油选用及智能润滑技术；
9.石化企业装置零泄漏密封技术（机械密封、干气密封、垫片等）；
10.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；
11.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、过程分析仪表、DCS、
FCS等检修运维技术；
12.石化企业控制系统、关键设备国产化进展；
13.石化企业罐区在役老旧改造优化（原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封、水力、抛丸等除锈等）；
14.石化典型转动设备改造升级应用案例及相关技术；
15.石化大型机组备品配件国产化、核心部件修复、修造；
16.可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在石化企业安全改造中的应用；
17.石油化工高端阀门国产化及特阀运检服务；
18.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案及压缩机、烟气轮机、反应器、换热器、控制系统、工业泵、阀门、密封件与材料、仪器仪表、电气设备、分析仪器、新材料、核心部件、5G工业设备、智能巡检终端设备、机器人、技术改造、检维修工具、监测检测技术及装备、风险评价与完整性管理、应急抢修技术及装备、智能化等国产化技术应用。
拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革
拟邀请代表：中石化、中石油、中海油、延长石油、中化、国家能源、地方炼化下属企业设备管理、物资采购、电气仪表、机动处、设备处相关负责人、技术专家。国内外技术、设备、电工电气、仪器仪表、控制系统、信息技术供应厂商。
大会时间安排
11月7号：（全天）开幕式及全体大会，特邀领导、专家主旨演讲。
11月8号：（上午）分论坛
分论坛一：石化企业转动设备升级改造与智能运维论坛；
分论坛二：石化企业设备运行管理与检维修新技术应用论坛；
分论坛三：石油化工高端阀门国产化及特阀运检服务论坛。
11月8号：（下午）参观交流（扬子石化或者金陵石化）。
联合主办、协办、专题演讲、参展、参会等事宜请垂询：超级石化
关于召开2024年（第二届）炼油与石化仪表控制技术大会
根据新时代新征程高质量发展的新要求，炼油与石化行业和广大企业正在通过实施创新驱动战略，推动炼油与石化产业加快绿色低碳和数字化转型、高质量和可持续发展，智能炼化、智能工程、智能储运及销售的智慧化转型已成为行业的必然趋势，自动控制系统、自动化仪器仪表作为智能炼化的基础和前提，在炼化行业中的作用更为突出。为搭建行业解读国家相关部门政策、法律法规、标准规范，解答疑点、难点、热点等技术问题平台，中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会联合中国化工学会智能制造专业委员会共同主办，中国石化集团公司自动控制设计技术中心站、全国化工自动化及仪表信息站、中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心、中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会协办，拟于2024年11月19-21日在山东淄博召开“2024年(第二届)炼油与石化仪表控制技术大会”。
参会咨询：超级石化
参会咨询：超级石化
大会将紧紧围绕“安全·可靠·智能·创新”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，引领行业和企业管理与科技进步，推动全过程一体化管控，提升数字化车间、智能工厂、设备智能化运维、仪控设备老旧升级改造等示范标杆引领，强化工业互联网赋能促进炼油与石化产业及相关仪表控制技术创新健康、有序、高质量发展。诚邀各炼油、石化、煤化工、化工企业生产企业设备管理部门、仪控中心及建安检维修、技术服务、仪表控制供应厂商积极参与。
安全·可靠·智能·创新
主办单位：
中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会
中国化工学会智能制造专业委员会
协办单位：
中国石化集团公司自动控制设计技术中心站
全国化工自动化及仪表信息站
中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心
中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会
特邀单位：
中石化宁波工程有限公司
中国石化工程建设有限公司
中石化广州工程有限公司
中石化南京工程有限公司
中石化上海工程有限公司
中国寰球工程有限公司
中石油华东设计院有限公司
中国石油集团东北炼化工程有限公司
中石化安全工程研究院过程安全研究所
山东东明石化集团有限公司
滨化集团股份有限公司
山东汇丰石化集团有限公司
山东海科控股有限公司
正和集团股份有限公司
万华化学集团股份有限公司
利华益集团股份有限公司
富海集团新能源控股有限公司
媒体支持：
《石化技术》编辑部
《石油化工自动化》杂志
《化工自动化及仪表》杂志
超级石化公众号
重点关注内容
1. 炼油与石化企业仪表控制技术未来发展趋势；
2. 炼化、煤化工、化工企业仪控设备运维的数智化实施路径；
3. 智能化、数字化、自动化仪器仪表产业的发展现状；
4. 分析、检测、控制仪器仪表的发展现状及未来展望；
5. 新建大型炼化一体化、煤化工设备及仪器仪表选型；
6. 炼化、煤化工、化工企业“智能工厂”、数据采集、设备在线监测、先进控制系统、过程优化、过程安全、可视化、通信、安全、节能、环保、优化控制、数据分析与智能决策等关键技术；
7. 炼化、煤化工生产过程所需关键仪表自控系统及应用，包括重要现场仪表（安全仪表、流量计、压力仪表液位计、物位仪、温度仪表、执行器等）；
8. 安全仪表系统（SIS）、现场仪表、控制阀、执行器、自动控制系统、APC先进过程控制系统、DCS控制系统在炼化、煤化工装置上的应用及国产化介绍；
9. 国内外生产的检测、监测仪表、分析仪表、控制仪表在炼化、煤化工企业的应用比较；
10. 可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在炼化企业安全改造中的应用；
11. 炼化、煤化工工程数字化设计、数字孪生、数字化交付、数字化智能化工厂实践、施工管理、智能化建造、运营管理经验介绍；
12. 储运罐区仪表及控制系统的国产化应用；
13. VOCs治理、烟气合规排放、污水处理、污泥处理等环保设施的控制监测、仪表选型；
14. “绿电”、“绿氢”等新能源生产、储存设施自动控制、仪表选型及应用；
15. 动设备状态监检测、故障诊断与预维护技术；
16. 仪控先进设备、国产化、先进控制系统及软件、智能化、应用案例、检维修等；
17. 控制阀、调节阀、特殊阀门的关键技术及国产化应用；
18. 压缩机组改造升级、控制及保护系统国产化；
19. 炼化厂区管廊泄漏检测系统国产化应用中的难点；
20. 在线分析仪表的发展水平及国产化方向；
21. 炼化、煤化工、化工企业仪控老旧设备更新与安全改造升级；
22. 高效环保一体式阻火呼吸阀和紧急泄压阀；
23. 循环水中泄漏工艺介质在线检测与智能溯源系统；
24. 炼化、煤化工、化工企业ERP、DCS、MES、APC、PCS、SCADA、SIS、FGS、PLC、现场总线控制系统、现场仪表、控制阀、过程分析仪表、无人机、机器人、无线通信数字防爆对讲机、自动化控制仪器仪表、流量仪、测控仪器、分析仪器、新产品、新技术、新应用。
安全·可靠·智能·创新
参会代表：中石化、中石油、中海油、中化、国家能源及延长石油、浙石化、扬巴、中沙、鲁西、伊泰、东明石化、恒力石化等中央、地方、民营及合资炼化、石化、煤化工、化工企业生产管理、仪表自控、安环计量、设备管理、信息技术相关负责人免会议费；国内外技术、设备、仪器仪表、控制系统、信息技术供应厂商。
大会时间安排
11月20号：（全天）开幕式及全体大会，特邀领导、专家主旨演讲。
11月21号：（上午）技术宣讲。
联合主办、协办、专题演讲、参展、参会等事宜请垂询：超级石化返回搜狐，查看更多
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