金属增材制造（AM）的“颠覆性”影响力已逐渐为业界熟知。早在2008年，IMI Critical Engineering就已经开始探索3D打印阀门零部件的技术。随着公司于2017年自行完成了一个名为“增材制造设计”（DFAM）的综合开发项目，该技术的发展走上了快车道。而且这个综合开发项目还推动了增材制造在许多行业和领域的应用。
作者：Steve Freitas，IMI Critical Engineering
如果增材制造继续按照人们期望的速度发展，各行各业就有机会在更短时间内获得高性能零部件，而且所有权总成本也能显著降低。运营商不再需要面对冗长的交货周期，也无需储备许多备品备件，因为当地的3D打印企业可以“抹掉”原始设备制造商和终端用户之间的物理距离。除此以外，停车检修和日常维护作业也能因此而变得更加顺畅，因为无需担心零配件的交期被延误。
除了采购和物流层面的优势之外，AM还能令制造商比较方便地实现并缩放新设计中的特征元素，从而进一步提升性能。AM可以用于制造各种多阶流体控制装置，包括阀笼、阀瓣组、流体分配器、扩散器，以及多阶高调节比球阀产品。
设备优势要靠操作技术才能发挥
增材制造（AM）的实际应用需要谨慎对待，尤其是在产品用于电力、油气和石油化工行业关键场合的情况下。理论上，任何人只要拥有3D扫描仪和打印设备，就能利用AM技术生产零部件。但在现实中，要想产品质量令客户满意，同时能提升系统可靠性和效率，基本上只有水平高且经验丰富的供应商才能做到。和这样的供应商合作，可以确保具体采用的工艺技术能够和产品应用场合相匹配。
换句话说， 为了实现A M 的妥善应用，需要制定明确的规范。对于尚不太熟悉这一领域，但是希望生产严酷工况产品的增材制造企业而言，这点尤其重要。事实上，IMI Critical Engineering已经在这方面做了多年的工作。相应地，现在有越来越多的客户来询问关于阀门设计、材质、资质和证书等重要事项。
作为AM发挥优势的前提，对应用场景的透彻了解非常关键。看上去这似乎是老生常谈，但确实有助于制定出既符合性能要求，又符合行业标准的解决方案。这点对油气和石油化工行业尤其重要。这些行业不仅运行工况和技术要求与众不同，而且产品和流体特性还可能随着时间推移而变化。可以说唯一可以确定的，就是一切都没有定数！
作为用AM技术生产零部件之前的准备工作，必须先对应用场景进行全面评估。其中的典型环节包括察看原有阀门的技术规格、运行数据、调节范围、操作循环和工作流体的情况。维修记录也是很有参考价值的资料，因为如果有频繁的维修历史，显然表明工况比较严酷，需要调整解决方案。
在腐蚀性工况中的局限性
目前为止， 增材制造技术（AM）生产的零部件不能获得NACE MR0175/ISO15156标准的认证。业界针对AM原材料在腐蚀性工况中的表现进行了广泛研究，发现激光粉末床熔融（LPBF）技术制造的产品具有复杂的金相特性，后期加工工艺可以有众多选项，更不用说AM工艺本身就创新和独特性。在此背景下，供应商如果打算提供AM技术生产的零部件，必须提前告知运营商。
IMI发现的确有一些厂家将AM零部件用于腐蚀性工况，但都是针对每个场景进行风险评估之后再实施的。为了准确制定AM零部件的技术规格，评估范围必须包括判断零部件损坏后，相关阀门上、下游可能发生的后果。AM零部件是否会用于压力安全壳或其它安全保护场合，亦或用于内部流体控制设备中？是否有任何管道元件或工艺环节会因为运行中止而受损？系统配置了怎样的应急反应机制？是否有并联或待命的阀门？相关装置是否要求现场配备关键备品备件？这仅仅是一部分需要考虑的因素，但足以体现出AM零部件用于风险规避系统时，需要考虑的因素繁多。
关于后期处理和检验的选项
上述风险评估的结果，对于AM零部件的后期处理和具体检验要求很有参考价值。某些材质有好几种热处理工艺可选，例如UNS N07718。热等静压工艺能将孔隙度降到最低限度。外形结构复杂的部件也可以扫描建模，然后可以和原始CAD（电脑辅助设计）图纸作对比，判断部件的弯曲表面是否在制造过程中发生了变形。流体控制部件可以进行流体动力学试验，以判断加工准确性是否合格。
有许多方法可以检查AM模型以及零部件属性是否合格，包括机械试验、金相检查、冲击和腐蚀试验。无论采用哪些方法，都要经过复核，并记录于模型技术规格、检验和试验方案中。
找到正确解决方案的关键：牢固的合作
和传统制造技术不同，例如铸造和锻造，金属增材制造技术正在快速发展。市场上可以买到的激光粉末床熔融（LPBF）设备的加工尺寸，近几年从300毫米跃升到了600毫米。双（激光）头和四头LPBF设备的加工速度更快，加工成本也更低。打印材料也增加了许多新品种，例如钴铬合金和硬质合金。此外，行业规范和标准方面也有了显著改进。以熔化极电弧增材制造（GMAAM）为例，已经被验证可以用于制造压力边界部件，并被纳入了ASME第九卷，规范案例3020。
AM技术的持续发展深度依赖与业主或运营商、阀门供应商和AM制造商之间的紧密合作。工厂业主和阀门供应商需要从评估应用环境的环节就开始合作，并且向AM制造商咨询关于设计理念、构建约束、后期处理、检验和试验的方案。IMI发现，各方共同进行评审时，经常能激发新的思路，从而提升AM零部件的质量和阀门的性能。
在用AM技术生产零部件的整个过程中，有可能出现形形色色的问题，业界仍在努力摸索各个相关环节的最佳实践。这就是为什么在AM零部件的开发过程中，非常需要在严酷工况控制阀领域具有丰富学识，以及深谙AM零部件在严酷工况中的应用的各路专家提供支持。
参考资料
bit.ly/3Kyp7GA
欢迎浏览网站获取更多信息：bit.ly/403xSOH
作者简介
Steve Freitas是IMI CCI的研发总监。对于化石能发电站和油气行业高温、高压阀门的设计、选型和应用，他拥有超过25年的工作经验。在增材制造流体控制系统的开发和应用领域，他也曾有超过10年的工作经验。