혁신적인 부품 가공 기술, 석유 및 가스 산업을 변혁하다

프래킹은 유전 지대에 큰 변화를 가져왔고, 부품 가공에도 큰 변화를 초래했습니다.

절삭 공구 제조업체 Iscar Metals의 Rod Zimmerman은 포트워스 교외의 쾌적한 녹지대에 살고 있습니다. 그런데 그의 집에서 반 마일도 안 되는 곳에 한 석유 회사가 깊이 7,500피트(2,286m)의 수직공을 뚫고, 거기서 약 반 마일 길이의 수평공 9개를 뻗어 나갔습니다. 이 수평공들에 9,000psi의 압력으로 프래킹 유체를 주입해 천연가스를 채취하고 있습니다. 이는 프래킹 혁명의 보편성과 관련된 놀라운 기술을 보여주는 좋은 예시입니다.

또 다른 절삭 공구 제조업체 Allied Machine & Engineering의 제품 관리자 Salvatore Deluca는 이 혁명이 문자 그대로 '모든 곳'에 있는 것은 아니라고 말하지만, 자신의 카운티에 있는 거대한 프래킹 시설들을 '도시'라고 부릅니다. 달라스-포트워스와 달리 이 '도시들'은 이전에는 석유로 알려지지 않았던 오하이오 주에 멀리 떨어져 있습니다. 따라서 유전 지대의 큰 변화가 유전용 부품 가공의 큰 변화로 이어진 것은 당연한 일입니다.

프래킹 블록 공략

위에서 언급했듯이 수압 파쇄(일명 프래킹)는 땅속으로 시추하여 물, 모래, 화학물질 혼합물을 극도로 높은 압력으로 암석에 주입함으로써 셰일층에서 가스와 석유를 회수하는 공정입니다. 이 압력을 생성하려면 거대한 펌프가 필요하며, 그 핵심 구성품이 '유체 엔드(fluid end)' 또는 '프래킹 블록(fracking block)'과 그 밸브, 피스톤, 라이너입니다.

이 블록들을 통과하는 슬러리의 높은 압력과 마모성으로 인해 급속한 마모와 균열이 발생합니다. 유전 운영자들은 높은 압력을 유지해야 하므로 며칠마다 유체 엔드를 교체해야 한다고 Allied Machine의 제품 전문가 Paul Best는 말합니다. Best에 따르면 유체 엔드는 강철 블록에서 통째로 가공되며, 일반적으로 높이 약 3인치, 너비 4인치, 두께 2~3인치(0.61~0.91m)입니다. 복잡한 윤곽, 수많은 채널, 3~5개의 관통공(각 최대 8인치[203.2mm] 직경), 3~5개의 교차공이 있어 방대한 양의 밀링, 드릴링, 나사 가공이 필요합니다.

Iscar의 서부 지역 영업 부사장인 Zimmerman은 유체 엔드가 전통적으로 4000계열 합금강으로 제작되었으나, 마모를 방지하기 위해 사용자들이 '17-4 PH 스테인리스강, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스, 15-5 스테인리스 같은 더 특수한 합금'을 시도하고 있다고 말합니다. Deluca는 현재 보는 유체 엔드의 약 절반이 프리하드닝 스테인리스강 변형이며, 그 비중이 계속 증가하고 있다고 추정합니다.

휴스턴의 Hartwig(Okuma의 지역 딜러)에서 엔지니어링 서비스를 담당하는 Gayle Vollmer는 프래킹 블록에서 마모에 가장 취약한 부품에 더 단단한 소재를 사용하려는 움직임과, 더 많은 구성품을 쉽게 교체할 수 있도록 프래킹 블록을 재설계하려는 시도가 있다고 말합니다. 하지만 그는 높은 생산 수요 때문에 그런 연구가 '후순위로 밀렸다'고 추측합니다.

4340강이든 더 단단한 스테인리스강이든, 유체 엔드를 가공하려면 대형 보링 밀이나 수평 머시닝 센터가 사실상 필수적입니다. JTEKT Toyoda Americas의 지역 영업 관리자 Jason Schooley는 가능한 한 많은 공정을 단일 기계에서 수행하는 것이 목표라고 말합니다. 이는 크고 이동하기 어려운 부품에서 두 배로 중요합니다.

Schooley는 보링 밀이 일반적으로 더 큰 테이블을 갖춰 더 큰 부품에 적합하지만, Toyoda의 FH1250SX 같은 수평 머시닝 센터가 거의 4배 더 빠르다고 말합니다. 이는 기어 구동 6,000rpm 스핀들(옵션으로 8,000rpm 또는 15,000rpm 고토크 스핀들)과 분당 1,654ipm(42m/min)의 빠른 이송 속도 덕분입니다. 이 기계는 최대 강성을 위해 Meehanite 주철 베이스에 제작되었으며, 속도 향상을 위해 원통형 롤러 가이드를, Y축과 Z축의 듀얼 볼스크류 드라이브로 중절삭 시 가공 안정성을 높였습니다.

FH1250SW에는 깊은 드릴링과 보링 작업을 위한 W축 퀼도 있습니다. 그는 최근 몇 년간 '많은 공작 기계 제조업체가 내장형 U축 헤드나 W축을 채택했다'고 덧붙였습니다. 이들은 각각 X축 또는 Z축과 평행하게 이동하며, 고정 선삭 공구의 회전 중심을 변경할 수 있게 해줍니다. 이는 대형 보어나 큰 윤곽을 가공할 때 유용한 기능입니다. 유체 엔드에는 대형 보어가 있을 뿐만 아니라, 보어 내부가 종종 '병 모양'이라 단순 드릴링이 불가능하기 때문입니다. 내장형 U축이 없는 기계의 경우 '피드아웃(feed-out)' 헤드를 추가해 같은 기능을 수행할 수 있으며, D'Andrea가 그런 공급업체 중 하나입니다.

회전 스핀들에 대형 헤드를 장착하면 공작물 간섭 가능성과 스핀들 스루 쿨런트 공급과의 비호환성 같은 단점이 있습니다. 애프터마켓 옵션은 자체 외부 구동장치가 필요하고, 다른 공구 교환처럼 자동으로 리그를 교체하기 어려울 수 있습니다.

하지만 Schooley는 기계의 Z축 이동 거리가 충분히 길어 애드온 헤드가 게이지 라인을 넘어 확장되지 않으면 프래킹 블록 작업에서 간섭은 문제가 되지 않는다고 말합니다. Z축 이동 1,850mm, 스핀들 노즈에서 테이블 센터 데드밴드까지 200mm인 1250 기계는 간섭 없이 프래킹 블록을 가공합니다. 그는 Toyoda가 윤곽 가공 헤드의 자동 교환 기능을 추가로 개발해 '변동성이 큰 석유 산업에서 고객들이 앞서 나갈 수 있도록 돕고 있다'고 덧붙였습니다.

Schooley의 경험에 따르면 Innovative Tooling Solutions 등에서 공급하는 모듈러 보링 공구는 스핀들 스루 쿨런트를 기본 기능으로 제공하며, 프래킹 블록을 만드는 많은 공장이 전용 수평 보링 밀에 윤곽 가공 헤드를 장착해 보어를 마무리합니다. Toyoda는 중절삭용으로 1,560ft-lb 토크의 퀼 스핀들 수평 머시닝 센터도 제공합니다. Schooley는 4,000rpm 퀼 스핀들이 보링과 깊은 드릴링에 필요한 도달 범위와 강도를 겸비해, 이전에는 두 번의 작업이 필요했던 공작물을 단일 기계에서 완료할 수 있게 한다고 말했습니다. 이 기계의 회전 360,000포지션 팔레트는 다양한 공작물의 중절삭에 최대 유연성을 제공합니다.

Okuma America Inc.(노스캐롤라이나주 샬럿)는 수평 머시닝 센터가 선반처럼 작동해 대형 언밸런스 부품의 원형 및 각도 형상을 U헤드 없이 가공할 수 있게 하는 Turn-Cut이라는 프로그래밍 옵션을 개발했습니다. Okuma의 휴스턴 기술 센터 코디네이터 Ted Winkle은 '공작물을 회전시키는 대신(거대 부품에서는 어렵거나 불가능), 공구를 공작물 주위로 회전시킵니다. 그리고 U헤드가 공구를 회전축 중심에서 바깥으로 이동시키는 대신, Turn-Cut은 X축과 Y축을 보간하면서 Z축으로 단일 포인트 선삭 공구를 이송시킵니다'라고 설명했습니다.

Winkle은 보어 직경이 커질수록 그만큼 큰 구멍을 뚫기 위해 솔리드 공구를 돌리는 데 많은 토크가 필요한데, Turn-Cut 기능이 있으면 비싼 U헤드와 관련 공구 없이도 가능하므로 석유 및 가스 산업의 프래킹 블록 같은 부품에서 Turn-Cut의 역할이 더 커질 것이라고 생각합니다.

반면 Turn-Cut은 저렴하지 않습니다. 특수 가감속 및 동기화를 위한 추가 소프트웨어, 글라스 스케일, 볼스크류 냉각이 필요합니다. 하지만 이러한 기능으로 다양한 부품에서 더 나은 정밀도를 얻고, 원 세트업으로 부품을 완료할 가능성이 높아집니다.

Schooley는 이 기술이 볼스크류와 가이드웨이의 같은 영역에서 반복 운동을 많이 요구한다(직경이 작을수록 더 심함)며, 이는 기계 수명을 단축할 수 있다고 반박했습니다.

하지만 Winkle은 같은 크기 부품에 이 기능을 자주 쓰지 않는 한 같은 영역에서 과도한 운동이 발생하지 않으며, 자주 필요하지 않다면 비싼 U축을 정당화할 수 없으므로 Turn-Cut이 더 논리적인 옵션이라고 말했습니다. 어떤 공작 기계 기능이든 트레이드오프가 있기 마련입니다.

마력의 천국

Makino Inc.(오하이오주 메이슨)의 프래킹 블록 같은 부품을 위한 '최적' 플랫폼은 T1과 T2 5축 수평 머시닝 센터입니다. 제품 마케팅 관리자 David Ward는 두 기계 모두 이 업계에서 쓰이는 까다로운 스테인리스강과 고합금강에 '이상적인' 다이렉트 드라이브 스핀들을 갖췄다고 말합니다.

T1은 12,000rpm HSK100 스핀들에 143마력, 740ft-lb 정격 토크를 가집니다. 더 큰 T2 스핀들은 방사 강성을 위해 HSK125 인터페이스를 사용합니다. 4,000rpm T2 스핀들은 200마력과 1,107ft-lb의 정격 출력과 토크를 제공합니다.

Ward는 두 스핀들 모두 최대 토크 값을 1,000rpm까지 유지한다고 덧붙였습니다. '최대 토크 값을 이 지점까지 유지함으로써, 고온 인서트 코팅 같은 절삭 공구 기술의 새로운 발전을 스핀들이 활용할 수 있게 보장합니다.'

Winkle은 유전 지대가 CAT 50 기계 위주지만, HSK와 BIG Plus 인터페이스의 면 접촉이 '긴 오버행이 있다면 이점이 될 것'이라고 동의했습니다. '하지만 대부분의 절삭 힘이 축 방향이므로 어떤 스핀들 유형을 선택하든 큰 차이는 없습니다. 그저 튼튼하기만 하면 됩니다. ISO 40 스핀들 기계로 프래킹 블록에 접근하는 건 헛수고'라고 그는 말했습니다.

소식통들은 많은 석유 및 가스 작업에서 고압 쿨런트가 열과 칩 제거에 필수적이라고 동의했습니다. Iscar의 Zimmerman 말대로 '거의 모든 작업에 관계없이' 필수적입니다. '유체 엔드 보어 깊숙이 작업할 때 칩을 배출하는 게 중요한데 어렵습니다. 쿨런트 공급 밀링 공구가 그런 작업에 단연 최선입니다.'

기계에 이 기능이 없으면 ChipBLASTER 같은 공급업체 장치로 추가합니다. '요즘 스핀들 스루 고압 쿨런트 없는 밀링 머신을 살 생각은 전혀 안 합니다'라고 Zimmerman은 말했습니다. '밀링과 드릴링 모두에서 게임 체인저입니다.' 유일한 예외는 쿨런트를 절삭날에 향하게 할 수 없는 상황입니다. 그때는 쿨런트가 '때로 역효과를 내며 인서트 열균열을 피하려면 건식 가공이 낫습니다'라고 그는 덧붙였습니다.

Deluca는 공작 기계 제조업체들이 이 수요에 대응해 이제 1,000psi, 20gpm을 공급하는 OEM 펌프를 장착한 기계를 흔히 볼 수 있다고 말했습니다. Ward는 Makino T1이 1,000psi에서 26gpm, T2는 같은 압력에서 53gpm을 공급한다고 말했습니다.

절삭 공구 발전

프래킹 블록용 고마력 괴물 기계를 갖고 싶겠지만, Allied Machine의 Deluca는 정반대 과제에 점점 더 직면해 왔다고 말합니다. 스핀들 속도는 높은데 마력이 40~50으로 제한된 밀링 중심 기계로 대구경 구멍을 뚫어야 하는 상황입니다.

'이런 부품을 만드는 회사는 보통 중소 규모이고 전업으로 프래킹 블록을 만들지 않습니다'라고 그는 말했습니다. '롤러코스터처럼 변덕스러운 산업에 50만 달러짜리 기계를 투자하는 걸 꺼리는 사람이 많습니다. 그래서 기존 드릴링 제품보다 훨씬 높은 스핀들 속도와 낮은 이송률로 4인치 직경 구멍을 뚫을 수 있는 공구를 개발해야 했습니다.'

프래킹 블록 드릴링의 난제는 구멍 크기 이상입니다. '교차공이 기존 구멍에 수직으로 뚫리므로 단속 절삭이 유체 엔드 블록 제조에 필연적입니다'라고 Allied Machine의 Best는 말합니다. '그 결과 교차하는 구멍 형상 때문에 드릴 바깥쪽 날은 계속 절삭에 관여하지만 안쪽 날은 관여하지 않습니다. 이는 드릴을 불안정하게 만들어 공구를 파손시키고 프래킹 블록의 무결성을 해칠 수 있습니다.'

고객이 열처리하지 않은 소재를 써서 비용을 아끼면 드릴이 심한 소재 편차를 만날 수도 있습니다. Allied의 Deluca는 보통 그러면 작업자가 공정을 계속 감시하지 않으면 캐스팅의 포켓에 닿는 순간 치명적인 드릴 파손이 발생해 몇 시간 들여 가공한 부품을 망칠 수 있다고 말합니다. 블록마다 소재 편차도 있어 최적의 드릴과 가공 조건을 선택하기 어렵습니다.

Allied는 '차세대' 공구 APX로 이 난제들을 해결했습니다. 더 강한 초경 기판과 독자 코팅으로 포켓 충격에 견디게 했습니다. '공구가 치핑되고 비명 소리가 나지만 구멍을 끝까지 뚫을 수 있습니다'라고 Deluca는 말했습니다.

그는 교차공 드릴링 어려움을 해결하기 위해 인서트에 와이퍼를 추가해 안정성을 높였고, 파일럿이 빈 공간이나 교차공으로 빠져나갈 때 추가 안정성을 위한 마모 패드도 달았습니다. '경사진 출구 구멍을 뚫을 때 이송을 줄이고 같은 속도를 유지하면 공구가 밀리거나 흔들리는 걸 방지할 수 있습니다. 메인 라인이나 교차공을 뚫을 때는 보통 필요 없지만, 경사 구멍의 극단적인 단속 절삭을 공구 엔지니어링만으로 다 보완하기는 한계가 있습니다.'

밀링에서는 Iscar의 HeliDo H600 양면 6코너 인서트가 이런 소재에 매우 잘 맞는다고 Zimmerman은 말했습니다. 'Mill 4 Feed라는 단면 사각 인서트도 있는데, 더 긍정적인 형상으로 부드럽게 절삭해 마력 소모가 적습니다.'

그의 핵심 메시지는 Iscar가 오래전부터 석유 및 가스 산업에 전념해 왔고 숙련된 기계공만 채용하므로, 고객의 최적 공정을 개발하고 다양한 공구 중에서 선택할 수 있다는 것입니다. '우리는 많은 종류의 피드 밀을 보유하고 있으며, 기계의 강성, 마력, 토크를 고려해 용도, 소재, 기계에 맞춰 피드 밀을 최적화할 수 있습니다.'

멀티태스킹과 자동화

무게 9,500lb의 프래킹 블록이 '자동화'를 연상시키지는 않지만, Makino 등 제조업체들은 한 작업자가 여러 기계를 돌릴 수 있는 솔루션을 제공합니다. 프래킹 블록의 경우 보통 로테이팅 팔레트 체인저가 1분 이내에 미가공 주물과 완제품을 교환합니다. 그러면 작업자는 완제품을 꺼내느라 충분한 시간을 갖습니다.

사이클 타임이 몇 분인 프래킹 건 튜브는 정반대입니다. '일회용품'이라 Vollmer는 '생산량이 천문학적입니다. 하루에 수천 개가 만들어집니다'라고 말했습니다.

따라서 이 부품은 자동화에 이상적이며, Hartwig와 Okuma가 여러 옵션을 공동 제공합니다. 소형 부품용 스위스형 선반의 바피더 시스템처럼 로봇으로 적재/하역하고 2~4인치 직경을 다루는 바피더형 시스템 등이 있습니다. 가장 빠른 방식은 소재를 트윈 스핀들 기계에 공급해 한 쪽 끝을 가공한 뒤 서브 스핀들에 직접 이송해 다른 쪽 끝을 가공하는 것입니다.

Vollmer는 이 부품들에 선삭, 나사 가공, 약간의 밀링이 필요하며, 밀링에는 라이브 툴이 이상적이라고 말했습니다. Winkle은 이를 '최근 몇 년간 업계에서 가장 큰 변화 중 하나'라고 불렀습니다. 프래킹과 방향 시추가 다시 그 전환의 큰 이유입니다.

하지만 오늘날 '다운홀(down-hole)' 작업에 필요한 대부분 원통형 부품의 이상적인 선반은 라이브 툴과 터렛 한두 개 이상을 갖춥니다. 선회 헤드와 다축 밀링 능력, 즉 Okuma의 MULTUS 밀턴 시리즈 같은 기계가 필요합니다.

'시추와 완공 단계에 필요한 부품이 기존 수직 유정보다 훨씬 복잡합니다'라고 Winkle은 설명했습니다. '생산 구역을 바꾸려면 밸브를 열고 닫을 수 있어야 합니다. 부품 내부에 유압 배관과 전자 모니터링 장비가 들어갑니다.'

이로 인해 외경과 내경에 교차공과 복잡한 밀링 형상이 필요하므로, 기계는 5축 포지셔닝과 9개 정도의 기계 운동 축을 갖춰 한 쪽 끝을 가공하고 스핀들을 바꿔 다른 쪽 끝을 가공해야 합니다.

나사도 또 다른 과제입니다. Winkle은 나사 유형이 말 그대로 수백 가지이고 공차가 엄격하다고 말합니다. '플러스 1.5천분일, 마이너스 0.' 석유 및 가스에서 나사는 단순히 부품을 결합하는 게 아니라 '마일 깊이의 구멍 속으로 들어가는 거대한 부품 열이 겪는 엄청난 인장 응력을 견디며 완벽하게 밀봉해야 합니다'라고 Winkle은 말했습니다. '열팽창과 충격 하중도 감당해야 합니다. 이 밀봉 및 하중 지지 기능은 다른 어떤 산업에도 없습니다.'

이런 나사를 깎으려면 강성 좋은 기계와 채터링을 억제하는 셋업이 필요합니다. SMW Autoblok(일리노이주 휠링)의 프로젝트 관리 및 마케팅 이사 Kyle Downs는 '투입 소재가 매우 일관성이 없다'는 사실로 인해 복잡하다고 말했습니다. '휘거나 구부러지거나 타원진 파이프의 자동 센터링은 두 가지 시나리오로 가능합니다. 3+3 자동 센터링 및 보상 척, 또는 보상 척과 테일스톡 장착 센터링 솔루션(일반적으로 이것도 척)입니다.'

마지막으로 금속 제거 기계에 레이저 금속 증착 기능을 추가하면 새로운 가능성이 열립니다. Okuma의 새로운 LASER EX 시리즈가 그 예입니다. 예를 들어 돌출 형상이 몇 개만 있는 부품이라면, 큰 소재에서 형상을 깎아내는 대신 본체에 그 형상을 증착할 수 있습니다. 이는 가공 시간을 엄청나게 절약할 수 있습니다.

Winkle은 이종 소재 융합도 가능하다고 덧붙였습니다. 예컨대 인코넬과 스테인리스강을 결합할 수 있는데, '순수 절삭 기술로는 절대 불가능합니다. 접합부가 통소재 가공한 것만큼이나 강하거나 더 강합니다'라고 그는 말했습니다.

이는 드릴 어셈블리에 필요한 마모 패드나, 방향 유정의 굴곡 구간에서 파이프가 케이싱 내경을 긁지 않게 하는 사이드 핀을 추가하는 데 즉각적인 잠재력이 있습니다. Okuma는 같은 레이저로 다른 조리개를 써서 소재 특정 구역을 약 50 Rockwell까지 케이스 경화하는 기능도 제공합니다.