Сигналы спроса в аддитивном производстве: что шаровой кран от Shell и Bonney Forge говорит о 3D-печати в нефтегазовой отрасли
Затраты времени и ресурсов, необходимые для квалификации деталей в индустрии аддитивного производства (АП), безусловно, высоки. Но эти требования также обнадёживают.
Самый очевидный аспект — безопасность: никто не хочет летать на самолёте, содержащем компоненты, не прошедшие самые строгие процессы квалификации и сертификации. Менее очевиден, но не менее важен бизнес-аспект: рыночные сигналы от отраслей с самыми жёсткими путями квалификации часто гораздо ценнее, чем от тех, где таких требований нет.
Например, если компания в нефтегазовой отрасли инвестирует ресурсы в 3D-печать детали, то наблюдателям за индустрией АП стоит пристально изучить этот проект. Длительные сроки квалификации деталей АП в нефтегазе означают, что поставщики, стремящиеся их сертифицировать, должны быть предельно стратегичны в выборе направлений для приложения усилий.
Высокая планка квалификации
Действительно, по строгости протоколов квалификации нефтегазовая отрасль, вероятно, сравнима только с аэрокосмической, оборонной и медицинской промышленностью. Работа Анжелин Гох, руководителя направления аддитивного производства в Shell, подтверждает это: квалификация составляет значительную часть её обязанностей по обеспечению соответствия деталей, произведённых с помощью АП, требованиям для полевого применения. Кроме того, она стремится внедрять инновации с помощью этой технологии, чтобы расширить сферу её применения в энергетическом секторе.
Эта работа уже приносит плоды. В 2021 году Shell стала первой европейской компанией, получившей сертификат CE от стороннего органа по детали, напечатанной на 3D-принтере внутри компании в соответствии с Европейской директивой по оборудованию, работающему под давлением (PED). В 2023 году Shell совместно с Bonney Forge Europe стала первыми европейскими производителями оборудования, получившими сертификацию для 3D-печатного задвижного клапана, успешно установленного в полевых условиях.
Задвижной клапан, созданный с помощью АП, над которым ранее сотрудничали Shell и B.F.E. Bonney Forge. Изображение предоставлено DNV через LinkedIn
B.F.E. Bonney Forge — ведущий мировой поставщик клапанов с опытом работы в нефтегазовой отрасли. Гох и её коллега из B.F.E. Bonney Forge, менеджер по обслуживанию и обеспечению качества Оскар Барчелла, построили на этом успехе, перейдя к другому типу клапана — шаровому. Оба типа широко используются в нефтегазовой промышленности, но для разных целей. Шаровые краны лучше подходят для частых, быстрых операций, тогда как задвижки больше подходят для критических применений и операций с чрезвычайно высокими температурами.
Инновационный проект шарового крана
Пожалуй, наиболее примечательный аспект проекта шарового крана, который возглавили Гох и Барчелла, заключается в том, что он включал пять различных напечатанных компонентов с использованием двух разных методов печати — как металлических, так и полимерных. Для корпуса, крышки, шпинделя и шара Shell и B.F.E. Bonney Forge использовали порошковое сплавление (PBF) для печати из инконеля 718, в то время как партнёры сотрудничали с другой компанией, Fluorten, для изготовления седел (уплотнений вокруг шара), которые были напечатаны из PEKK методом послойного наплавления (FDM). Клапаны с полимерными седлами известны как «мягкосидящие клапаны», обычно используемые в менее жёстких рабочих условиях.
Гох и Барчелла объяснили, что одним из основных соображений при выборе шарового крана была демонстрация преимуществ использования АП для производства каждой детали конечного компонента для нефтегазовой отрасли:
«Результаты работы задвижного клапана после года эксплуатации очень обнадёживают и заставили нас задаться вопросом: достаточно ли гибко АП для производства различных типов клапанов? Кроме того, можем ли мы печатать из разных материалов, позволяя варьировать рабочие условия и контактную среду? Важно помнить, что задвижка была напечатана из нержавеющей стали — довольно распространённого материала», — отметила Гох. «Реальная экономическая ценность заключается в возможности изготавливать клапаны из более высококачественных никелевых сплавов.»
«Так мы начали наш текущий путь. Но прежде чем мы действительно смогли стартовать, нам пришлось учесть, что для производства мягкосидящего клапана нам пришлось бы использовать метод печати, который мы раньше не применяли для конечной детали. Другой проблемой была форма: как знает любой, кто работает с АП, достичь сферы, близкой к чистовой форме, с первого раза непросто.»
Плавающий шаровой кран, созданный в рамках сотрудничества Shell и B.F.E. Bonney Forge. Изображение предоставлено Shell и B.F.E. Bonney Forge
Помимо доказательства самой возможности, команда Shell и B.F.E. Bonney Forge, конечно, хотела показать, почему производство всего компонента с помощью АП следует внедрять, поэтому Барчелла сосредоточился на усилении преимуществ АП в дизайне. Основным направлением стало снижение веса корпуса и крышки клапана АП по сравнению с традиционным дизайном для обычного производства:
«Типичный кованый корпус цельный, но, сделав 3D-печатный корпус полым, мы снизили вес с 11,2 кг до 6,3», — сказал Барчелла. «Мы сделали то же самое с крышкой и уменьшили вес с 7,5 кг до 4,7. В сумме это 7,7 кг между двумя деталями, что составляет примерно 40-процентное снижение веса.»
Преимущества аддитивного производства
Это впечатляющее снижение веса в любом контексте, особенно когда речь идёт об инконеле, который Барчелла, будучи итальянцем, назвал «Феррари среди никелевых сплавов»:
«Материал высшего класса имеет высшую цену, поэтому экономия такого количества материала имеет большое значение», — продолжил Барчелла. «За последний год мы видим, что всё больше и больше клиентов запрашивают инконель 718. Но с этими деталями из специальных материалов клиенты также часто заказывают клапаны очень маленькими партиями.
«Итальянская литейная мастерская не будет делать всего три или четыре штуки чего-либо. Для этого придётся ехать за границу, и это повлечёт за собой существенный период ожидания. В таких случаях АП может сократить сроки поставки на месяцы по сравнению с традиционными методами.
«Изготовление деталей без оснастки, по требованию — ещё одно большое преимущество АП, которое может быть передано нефтегазовым клиентам. И с нашей конструкцией шарового крана, устранив необходимость во многих опорах, мы также сэкономили время, потому что даже с литьём и ковкой обычно требуется термообработка. Деталь всё ещё нуждалась в постобработке, но на самом деле в меньшей степени, чем при традиционных производственных процессах.»
Важно отметить, что шаровой кран пока не имеет сертификации Национальной ассоциации инженеров по коррозии (NACE); для этого потребуются более обширные и повторяемые данные, которые будут представлены комитету по стандартам для оценки и принятия. Необходимы дополнительные усилия всей отрасли для сбора необходимых данных и чёткого понимания процесса производства материалов АП, подходящих для агрессивной сероводородной среды. В этом направлении одной из растущих платформ для сотрудничества является AM Energy, основанная DNV и коалицией ведущих компаний энергетического сектора для объединения конечных пользователей вокруг квалификации АП. AM Energy работает над различными темами, связанными с АП в нефтегазовой отрасли:
«Эти инициативы будут продолжать оставаться важными, потому что они объединяют широкий круг заинтересованных сторон в экосистеме, которым всем необходимо совместно развивать свои знания и навыки, чтобы эффективно работать вместе», — сказала Гох. «Я думаю, есть две вещи, на которых мы все можем сосредоточиться, чтобы помочь создать фундаментальный уровень внедрения АП, необходимый нефтегазовой отрасли для более быстрого масштабирования.
«Во-первых, нам необходимо обеспечить повторяемость и надёжность процессов, используемых для критических компонентов. Если продукт имеет критическое значение для эксплуатации, то должен быть способ, позволяющий всем признать, что предприятие, производящее продукт, квалифицировано. И это напрямую связано со второй необходимостью — более спецификациями продуктов, готовых к АП.
«Над этим я сейчас работаю, возглавляя Совместный отраслевой спринт 2 Международной ассоциации производителей нефти и газа (IOGP): подготовку спецификации клапана, изготовленного аддитивным способом, экспертами по теме из группы энергетических компаний. Как только мы это сделаем, информация по качеству станет доступной другим поставщикам, что является важным шагом для расширения пользовательской базы АП для нефтегазовых деталей.»
Кампус энергетического перехода Shell в Амстердаме, где расположен его исследовательский центр 3D-печати. Изображение предоставлено Shell
Растущий интерес и будущее АП в отрасли
По словам Барчеллы, он видит всё больше признаков того, что это то, чего хотят нефтегазовые клиенты:
«Всё ускоряется из года в год с 2020 года», — заключил он. «Такие компании, как Shell, были отличными послами технологии. Мы заметили, что клиенты всё больше интересуются АП. Иногда это просто общее любопытство, но в последнее время всё больше людей также хотят знать подробности о преимуществах, подобных тем, о которых мы говорили в связи с шаровым краном.
«Если бы вы спросили меня всего несколько лет назад об осведомлённости клиентов об АП, ответ был бы совершенно другим. Я уверен, что в следующем году мы начнём видеть большие изменения на рынке.»
Гох согласилась, что знакомство нефтегазовой отрасли с АП только начинается:
«Барчелла и B.F.E. Bonney Forge уникальны тем, как рано они проявили инициативу и были готовы работать с нами над этими проектами», — отметила Гох. «Многие компании, особенно малые и средние, но и крупные тоже, до сих пор не имели большого шанса поработать с АП.
«Возможность для инноваций не была для них так доступна, как, я думаю, могла бы быть. Возможно, сейчас самое время действительно бросить вызов производителям: что, если вы могли бы использовать другую производственную технику, чтобы по-другому спроектировать свой продукт? Что, если бы вы могли продавать свой продукт цифровым способом, вместо того чтобы полагаться исключительно на традиционный рынок?
«В нынешней обстановке, с растущим осознанием необходимости ответственного использования материалов и геополитическими факторами, подталкивающими страны к решорингу, это возможность для поставщиков по-новому взглянуть на АП и увидеть, как он может помочь их бизнесу внедрять инновации.»
Таким образом, дело не только в строгости сертификации, но и в тех же фундаментальных факторах, которые упомянула Гох, что вызывает параллели с такими отраслями, как аэрокосмическая и оборонная. Спрос, судя по всему, есть, и теперь вопрос в том, насколько быстро нормативная среда сможет догнать. Пионеры внедрения, такие как Shell и B.F.E. Bonney Forge, показывают, что хотя это может быть непросто, но и не невозможно.
