重新定义弹性：石油和天然气行业的添加剂阀门创新

1 周

准备时间

交货时间从 52 周缩短到 1 周。

30 %

降低总成本

总拥有成本至少降低 30%。

15 %

减轻重量

部件设计经过优化，重量减轻了 15

石油和天然气行业依赖于耐用可靠的关键基础设施。该行业的部件必须能够承受高腐蚀性环境和极端压力，但传统制造方法往往无法满足要求。一家全球领先的阀门服务供应商认识到了这一挑战，并看到了转变其运营方式的机会。通过与EOS 的 Additive Minds 咨询公司合作，他们开展了一个项目，重新思考关键阀门部件的设计和生产，利用聚合物增材制造（AM）的力量来创造一个更具弹性、成本效益和灵活性的解决方案。

合作的目标不仅仅是更换一个零件，而是要为备件物流、性能和供应链效率创造一个新的模式。通过从传统、缓慢、昂贵的流程转向模拟驱动、按需数字工作流程，合作伙伴旨在为技术要求严格的行业制定新标准。

挑战

有关部件是用于生产水管道的止回阀，在这种环境中，部件经常暴露在高腐蚀性盐水和其他化学品中。在这种应用中，传统制造的部件由超级双相钢等昂贵的专用材料制成，需要每六个月更换一次。

这种节奏造成了巨大的维护负担。这些零件的大量使用意味着团队必须随时保持大量库存，以避免出现运行停机。此外，传统金属零件的交货期也长得惊人，往往超过 52 周。

高更换频率、大量库存需求和不稳定的供应链共同导致了高昂的成本。

此外，模仿原始金属设计的第一代 AM 生产聚合物部件在高压气体测试中出现灾难性故障，在压力达到 325 psi 时发生爆炸。这一失败突出表明，需要一种根本不同的、更复杂的设计方法，而这种方法只能通过先进的模拟和增材制造专业设计来实现。

解决方案

联合团队开始了模拟驱动的重新设计过程，以解决初始部件的基本缺陷。合作的重点是整体方法，包括材料科学、先进设计和严格测试。

该团队选择了EOS PA 2200（尼龙 12），因为它具有均衡的特性，即强度、刚度和出色的耐化学性，是高腐蚀性环境的理想选择。团队在高生产率的 EOS P 396机器生产零件，该机器以可靠性和精确性著称。

EOS 的 Additive Minds 顾问通过拓扑优化和有限元分析指导设计工作。为了分析应力集中情况并不断改进设计，他们与阀门服务供应商的工程团队通力合作。我们的目标是找到一个 "最佳点"，以满足负载、约束和边界等所有要求，同时减少零件体积，从而提高可制造性、降低成本并增强强度。重新设计成功地将最大应力从大约 58 兆帕减少到 27.5 兆帕以下。

一旦打印，部件就会经过DyeMansion 的蒸汽熔融平滑处理。这一后处理步骤对于确保部件完全防水并达到预期用途所需的气泡密封至关重要。从设计和模拟到打印和后处理的无缝工作流程证明，AM 可以生产出性能不仅达到甚至超过传统金属部件的部件。

成果

这次合作为整个价值链带来了变革性的影响。最直接、最显著的成果是大大缩短了交货时间--原来的超级双相零件需要 52 周以上的时间，而 AM 生产的聚合物部件只需要一周。这一重大转变在简化供应链的同时，还实现了真正的数字化备件计划，无需大量昂贵的实物库存。

重新设计的组件在压力下表现出卓越的性能。它们分别通过了 450 磅/平方英寸和 325 磅/平方英寸的所有静水压力外壳和阀座测试，结果完美无瑕。最令人印象深刻的是，新部件在长时间的空气和高压氮气测试中实现了 "气泡密封性能"，而最初的设计却无法做到这一点。在最大负荷下进行的 60 分钟长时间静水压测试中，零件的完整性得到了进一步验证，测试结果显示没有蠕变或塑性变形的迹象。

这家全球阀门服务供应商的首席工程师高兴地表示，这些部件 "完美地通过了所有压力测试"。结果比预期的要好"。他继续强调了 AM 部件的耐用性和密封能力，"特别是最后两次测试的结果，一次是在空气中，另一次是在高压氮气中，都显示了出色的气泡密封性能"。

除性能提升外，该项目还使部件重量减轻了 15%，总拥有成本降低了至少 30%。这些组件还符合严格的行业标准，包括 API 598 和 API 6D。这些成就表明，AM 可以为石油和天然气行业的关键基础设施以及一般制造商提供更优越、更具弹性和更经济的解决方案。