열가소성 복합재 파이프, 심해 작업 혁신 예고

에어본 오일 앤 가스(AOG, 네이뮈덴, 네덜란드)와 마그마 글로벌(Magma Global Ltd., 영국 포츠머스) 웹사이트 뉴스 페이지를 방문하면 2018년이 심해 용도 열가소성 복합재 파이프(TCP) 두 선도 제조사에게 분수령 해였음을 알 수 있습니다. 하지만 2019년 이 급성장하는 복합재 시장 소식이 전년을 능가할지 놀라지 마십시오.

TCP의 매력

심해 오일 및 가스 적용 분야에서 TCP 배치 역사가 비교적 짧다는 점이 이 급속한 성장의 기반입니다. TCP는 강화 열가소성 파이프(RTP)와 구별됩니다. RTP는 1990년대부터 존재해 왔습니다. RTP는 비접착 아라미드 또는 유리섬유 복합재로 오버랩된 열가소성 라이너로 구성된 후 열가소성으로 코팅됩니다. TCP와 유사한 소재 세트로 구성되지만, 두 가지 이유로 더 높은 압력과 더 넓은 온도 범위에 적합합니다. 첫째, 일부 TCP는 PEEK 같은 고성능 열가소성 수지나 탄소섬유 같은 고강도 보강재를 사용합니다. 둘째, TCP 층은 멜트 퓨즈 제조 공정을 통해 서로 접착되어 동일한 소재로 만든 RTP보다 높은 성능 특성을 제공합니다.

단 11년 전만 해도 반 온나는 회상합니다, 어떠한 TCP도 심해 적용 분야에 배치되지 않았습니다. 그러다 2009년 AOG가 최초 해양 TCP 다운라인(해저로 유체를 펌핑하여 해저 파이프라인이나 해저 유정에 주입하는 용도)을 개발·배치했습니다. 회사는 2012년 풀스케일 TCP 생산 사이트를 구축했습니다. 2018년까지 AOG는 세 생산 라인과 제조 역량을 갖추어 유리섬유/HDPE(65°C/150°F, 5 ksi까지), 탄소섬유/폴리아마이드 12(80°C/180°F, 10 ksi까지), 탄소섬유/PVDF(121°C/250°F, 15 ksi까지) 적용 분야를 포함하게 되었습니다.

한편 마그마는 2009년 설립되어 2012년 m-파이프 배치를 시작했고, 2016년 영국 포츠머스에 생산 사이트를 열었습니다. 회사 5주년 기념행사에서 CEO 마틴 존스는 "항공 산업은 탄소섬유 사용이 이제 표준이 된 좋은 선례입니다. 이제 오일 및 가스에서도 일어나고 있습니다. 우리는 현재 모든 주요 오퍼레이터와 협력 중입니다."라고 논평했습니다.

TCP 채택 증가는 기존 파이프 대비 수많은 비용 절감 이점에서 기인합니다. 예를 들어, 소재 비용이 더 높음에도 AOG의 최고 성능 탄소섬유/PVDF 플로우라인 적용은 금속 플로우라인 대비 설치 비용 기준 30% 절감을 보고했습니다. 마찬가지로, 칼라시(Calash, 영국 런던)의 m-파이프 대 강철 단일 라인 오프셋 라이저(SLOR) 적용 상업적 검토에서는 설치 비용 11% 절감을 추정했습니다. 이러한 절감은 TCP를 운송, 준비(예: 엔드 피팅으로 파이프 종단), 설치하는 것을 다른 소재 파이프로 수행하는 것보다 훨씬 저렴하게 만드는 여러 TCP 특성에서 비롯됩니다.

복합재에서 흔히 그렇듯 첫 번째 특성은 경량입니다. TCP는 강철 파이프 무게의 1/10에 불과합니다. 하지만 경량과 파이프 유연성의 조합이 중요한 이점을 만듭니다: 파이프를 비교적 작은 드럼과 해저 팔레트에 감을 수 있습니다. 이로 인해 더 작은 선박이 긴 TCP 스팬을 운송하고 설치할 수 있습니다. 원격 해양 위치(예: 서아프리카 연안)에서는 기존 중량물 선박 배치가 비용이 많이 드는 제안이므로 물류적, 경제적 이점입니다. TCP의 멜트 퓨즈 능력으로 인한 또 다른 비용 절감 이점은 파이프를 현장에서 종단하고 엔드 피팅을 설치할 수 있다는 것입니다.

TCP는 높은 강도, 유연성, 쉬운 종단의 조합을 제공하여 기존 금속 파이프(강하지만 딱딱함)와 나선형으로 적용된 금속 와이어와 압출 열가소성의 비접착 층으로 만든 플렉시블 파이프(유연하지만 무겁고, 현장 종단 비용 매우 비쌈)의 장점을 모두 가집니다. TCP는 외부 조건과 내부 유체 이동으로 인한 조건 모두에서 까다로운 심해 압력과 온도를 효율적으로 처리할 수 있습니다. TCP의 열가소성 라이너는 낮은 마찰 계수로 높은 유속을 제공합니다. 마지막으로 부식 저항과 피로 저항이라는 두 가지 핵심 TCP 특성이 TCPs를 매우 내구성 있게 만듭니다. 에너지 기업들이 더 깊은 지하에서 발견되는 사워(산성) 원유를 더 자주 펌핑함에 따라 더욱 그렇습니다.

파이프 생산 가속화

가속화되는 수요에 대비하여 AOG는 회사 생산능력을 5배 늘리기 위한 3년 프로그램 1년 차에 있습니다. "우리는 모두 생산능력 증가로 이어지는 10개 이상의 개별 조치를 실행 중입니다."라고 반 온나는 말합니다.

TCP는 AOG에서 세 가지 연속 단계로 생산됩니다. 첫째, 열가소성 라이너가 압출됩니다. 다음, 인시투 통합 기능이 있는 자동 테이프 레이업(ATL)으로 몇 개에서 100개 층의 섬유 강화 열가소성 테이프를 감는데, 각 층이 이전 층에 멜트 퓨즈됩니다. 마지막으로 파이프를 코팅 압출 다이를 통해 통과시킵니다. 이는 일반 공압출이 아닙니다. 반 온나는 설명합니다. "우리는 외부 복합재 층을 녹여 라미네이트 위에 코팅을 압력 성형합니다. 결과는 코팅과 라미네이트 간 높은 전단 강도를 가진 파이프로, 고객이 우리 TCP를 어디서든 종단하면서 높고 내구성 있는 보호 코팅을 유지할 수 있게 합니다."

AOG는 와인딩 스테이션 추가(명백한 생산능력 증대 방법) 외에도 압출 및 와인딩 속도를 높이고 있습니다. 회사는 생산 라인에 독자적 자동 검사 시스템을 통합하여 생산 속도 증가에도 일관된 특성과 물성을 보장합니다.

마그마의 생산 공정은 AOG와 유사합니다. 마그마 m-파이프는 약 25% 탄소섬유, 25% S2 유리섬유, 50% PEEK로 구성됩니다. 마그마는 제조 공정을 '완전 자동화 로봇 3D 레이저 프린트 공정'이라고 부릅니다. PEEK로 만든 매끄러운 보어 이너 파이프 전구체 압출로 시작하여 ATL 공정이 레이저를 사용하여 유리섬유/PEEK와 탄소섬유/PEEK 테이프를 번갈아 가며 융합합니다. 마그마는 매우 높은 피로 용량 때문에 PEEK를 선택했으며, 빅트렉스(영국 랭커셔)에서 조달합니다. 도레이 인더스트리(일본 도쿄)가 m-파이프에 사용되는 보강재를 공급합니다. 마그마는 내부 포츠머스 생산 라인뿐만 아니라 이동식 인컨트리 제조 모듈(ICMM)로 생산 수요를 맞추고 있으며, 첫 번째도 포츠머스에서 가동 중입니다. 마그마는 더 많은 ICMM 배치를 예상하는데, 특히 라이저 적용 분야에서 물류적, 재정적으로 현지 생산을 선호하기 때문입니다.

상업적 성공 임박

중요하게, TCP 개발은 심해 적용 분야에서 TCP 설계 및 자격을 위한 공식 표준 수립과 동반되었습니다. 이 표준으로 가는 길은 힘들었지만, 반 온나는 말합니다. 결과는 에너지 전문가들 사이에서 제품의 장기 성능과 예상 사용 비용에 대한 큰 신뢰를 주는 문서와 가이드라인입니다. 파이프 실패가 단순히 용납될 수 없는 고도로 규제되고 면밀히 감시되는 해양 오일 및 가스 생산 산업에서 이러한 신뢰는 필수적이라 상상할 수 있습니다. 반 온나에 따르면 표준은 기초 소재 자격, 설계 방법, 그리고 당연히 생산 기술을 다룹니다. AOG는 자사 TCP 기초 소재와 생산 품질이 항공우주에서 사용되는 벤치마크 오토클레이브 경화 복합구조물과 동등함을 입증할 수 있었습니다.

AOG의 자격 접근법은 "모든 기초 소재에 대해 별도 자격을 실행한 다음, 그 자격 소재를 사용하여 어떤 크기의 파이프든 설계하고 제조한다."는 것이었습니다. 자격 달성과 TRL 레벨 상승을 통해 TCP는 이제 2019년부터 대량 제품 볼륨을 맞이할 준비가 되었다고 반 온나는 믿습니다.