Các tàu áp lực hoặc cấu trúc phụ của chúng có thể được sản xuất thông qua in 3D kim loại không?

1. Tính khả thi kỹ thuật: Điểm khi các tàu sản xuất và áp suất phụ gia kết hợp với nhau
In 3D kim loại làm cho các bộ phận vật lý từ các mô hình kỹ thuật số bằng cách xếp bột kim loại hoặc dây điện lên nhau. Lợi ích chính của phương pháp này là nó có các giới hạn hình học của các phương pháp tiêu chuẩn và cho phép đúc tích hợp các cấu trúc phức tạp. Tính năng này có thể cải thiện đáng kể thiết kế của các tàu áp lực:
Các cấu trúc nhẹ và các chức năng tích hợp: Để tạo ra các tàu áp lực truyền thống, bạn cần hàn các cấu trúc khoang bên trong phức tạp. Với in 3D, bạn có thể thêm các tính năng như các kênh nước làm mát phù hợp và sườn cốt thép bên trong cùng một lúc. Ví dụ, Viện Công nghệ Công nghiệp Hàn Quốc (KitECH) đã sử dụng công nghệ lắng đọng năng lượng (DED) theo hướng để tạo ra các tàu áp lực hợp kim titan. Phương pháp này cho phép sản xuất quy mô lớn với đường kính 640 mm và thể tích 130 lít. Các tàu được thực hiện bằng cách hàn và lắp ráp hai thành phần bán cầu, và đường lắng đọng đã được tối ưu hóa để kiểm soát biến dạng nhiệt. Cuối cùng, thử nghiệm nhiệt độ thấp ở -196 độ và thử nghiệm áp suất cao ở 330 bar cho thấy rằng in phụ gia hoạt động tốt trong điều kiện rất khắc nghiệt.
Việc sử dụng vật liệu và tối ưu hóa chi phí: Trong các phương pháp truyền thống, việc tạo ra các tàu áp suất yêu cầu trợ cấp xử lý dành riêng, có thể lãng phí tới 30% đến 50% vật liệu. Với chức năng "gần hình dạng mạng" của in 3D, bạn có thể sử dụng hơn 90% vật liệu. Shell đã hợp tác với 3D Metalforge để sử dụng công nghệ tan chảy laser chọn lọc (SLM) để in các bộ phận cho các ống trao đổi nhiệt. Điều này cắt giảm thời gian giao hàng từ vài tuần xuống còn hai tuần và cắt giảm chi phí hơn 20%.
Lặp lại nhanh chóng và sản xuất theo đơn đặt hàng: Các tàu áp lực đôi khi phải thay đổi các đặc điểm thiết kế như độ dày tường và vị trí giao diện dựa trên cách chúng được sử dụng. Các chu kỳ phát triển khuôn truyền thống dài và đắt tiền . 3 d in giúp dễ dàng thay đổi thiết kế nhanh chóng. Ví dụ, AML3D đã tạo ra một bình áp suất nhôm dài 8 mét, dài 90 km cho exxonmobil có thể được thực hiện trong 12 tuần bằng công nghệ sản xuất phụ gia (WAM), nhanh hơn 60% so với phương pháp truyền thống.
2. Trường hợp ứng dụng: chuyển từ phòng thí nghiệm sang ngành công nghiệp
Trong ngành kinh doanh hàng không vũ trụ, các tàu áp lực là những phần rất quan trọng của xe phóng và vệ tinh phải đối phó với nhiệt độ và áp lực rất cao. Các thử nghiệm của Kitchech về các bình áp suất hợp kim Titan chỉ ra rằng các bộ phận được thực hiện bằng quá trình DED không dễ dàng phá vỡ ở -196 độ và ứng suất dư được cắt giảm 40% so với các bộ phận được thực hiện bởi các phương pháp rèn truyền thống bằng cách tối ưu hóa đường dẫn lắng đọng. General Electric (GE) cũng đã sử dụng in 3D để làm cho lưỡi tuabin khí, làm cho các kênh làm mát phức tạp hơn gấp ba lần và hiệu quả hơn 64%. Đây là một ví dụ tốt về cách xây dựng các kênh dòng chảy bên trong trong các bình áp lực.
Shell đã bắt đầu sử dụng in 3D để tạo ra các bộ phận ống trao đổi nhiệt trong ngành hóa dầu. Điều này là do các phương pháp khoan tiêu chuẩn không thể tạo ra các cấu trúc thành mỏng (với độ dày thành tối thiểu 0,5mm). Việc xây dựng các kênh nước phù hợp cũng đã làm cho hệ thống làm mát hiệu quả hơn 15%. Sự hợp tác giữa AML3D và ExxonMobil đã chỉ ra rằng việc in 3D có thể được sử dụng để tạo ra các tàu áp lực khổng lồ với đường kính 1,5 mét. Kỹ thuật WAM của nó hoạt động với một loạt các vật liệu, bao gồm nhôm, titan và thép. Điều này giúp dễ dàng hơn để làm thiết bị hóa học phù hợp với nhu cầu của bạn.
Valourek và Total đã làm việc cùng nhau để tạo ra một thành phần áo nước cao dài 1,2 mét, dài 220 km để lưu trữ năng lượng bằng công nghệ WAAM. Công nghệ này cắt giảm trọng lượng của thành phần một nửa so với các thiết kế tiêu chuẩn và kiểm tra chất lượng của các kết nối hàn với thử nghiệm X quang 100%. Trường hợp này cho thấy việc in 3D có thể làm cho các cấu trúc hỗ trợ của các tàu áp lực tốt hơn, sử dụng ít vật liệu hơn và hoạt động tốt hơn trong các trận động đất.
3
Để tạo ra các tàu áp lực, các vật liệu phải đáp ứng các tiêu chuẩn chính xác cho những thứ như sức mạnh, độ cứng, khả năng chống ăn mòn và sự ổn định ở nhiệt độ thấp. Ngay bây giờ, hầu hết các điều kiện làm việc có thể được đáp ứng bởi các vật liệu thường xuyên được sử dụng để in 3D:
TI6AL4V là một hợp kim titan phổ biến được sử dụng trong không gian vũ trụ. Nó có độ bền kéo 890 MPa, kéo dài 10%và độ bền cao ngay cả ở -196 độ. Thử nghiệm của Kitech cho thấy các bình áp suất hợp kim Titan được thực hiện bằng kỹ thuật DED không thay đổi hình dạng trong điều kiện khắc nghiệt và đáp ứng tiêu chuẩn ASME BPVC.
Các hợp kim dựa trên niken như Inconel 718 rất mạnh ngay cả ở nhiệt độ cao 650 độ, làm cho chúng tốt cho các tàu áp suất tuabin khí. Sau khi xử lý nhiệt, các lưỡi hợp kim dựa trên niken được thực hiện bởi GE bằng kỹ thuật SLM có kích thước hạt mịn hơn và cường độ cao hơn 20% ở nhiệt độ cao.
ALSI10MG là một hợp kim nhôm nhẹ (mật độ 2,7 g/cm³) thường được sử dụng trong các tàu áp suất trong các lĩnh vực ô tô và điện tử. Nó có độ bền kéo 310 MPa và xử lý nhiệt T6 có thể làm cho nó mạnh hơn nữa, đáp ứng tiêu chuẩn EN 13445.
Nhưng tính dị hướng của các vật liệu được sử dụng trong in 3D vẫn là một vấn đề. Các nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ mệt mỏi của các thành phần được tạo ra thông qua phương pháp SLM theo hướng thẳng đứng là thấp hơn 15% đến 20% so với hướng ngang. Để loại bỏ lỗ chân lông và nâng mật độ vật liệu lên trên 99,9%, việc ép đẳng nhiệt (hông) phải được thực hiện sau khi điều trị.