오일 패치용 부품 제작에 대한 새로운 접근 방식

Fracking은 오일 패치의 큰 변화와 부품 가공의 큰 변화를 가져왔습니다.

절삭 공구 제조업체 Iscar Metals의 Rod Zimmerman은 Fort Worth 교외의 쾌적한 녹지 지역에 살고 있습니다. 그러나 그의 집에서 0.5마일 이내에 석유 회사는 7,500피트(2,286m) 깊이의 수직 구멍을 팠습니다. 그 구멍에서 각각 약 0.5마일씩 가는 9개의 측선이 펼쳤습니다. 천연 가스를 추출하기 위해 9,000psi에서 프래킹 유체를 이 라인으로 펌핑하고 있습니다. 이는 프래킹 혁명과 관련된 놀라운 기술의 편재성만큼이나 좋은 예입니다.

또 다른 절삭공구 제조업체인 Allied Machine &Engineering의 제품 관리자인 Salvatore Deluca는 혁명이 말 그대로 "모든 곳에서" 일어나지는 않을 수도 있지만 그의 카운티에 있는 거대한 파쇄 시설을 "도시"라고 부릅니다. Dallas-Fort Worth와 달리 이 “도시”는 이전에 석유로 알려지지 않은 멀리 떨어진 오하이오에 있습니다. 따라서 오일 패치의 큰 변화가 오일 패치의 가공 부품에도 큰 변화를 가져온 것은 놀라운 일이 아닙니다.

프랙킹 블록 해결

위에서 언급한 바와 같이 수압 파쇄(더 일반적으로 프래킹이라고 함)는 땅에 드릴로 구멍을 뚫고 물, 모래 및 화학 물질의 혼합물을 매우 높은 압력으로 암석에 주입하여 셰일 지층에서 가스와 오일을 회수합니다. 이러한 압력을 생성하려면 거대한 펌프가 필요하며, 그 핵심 구성요소는 "유체 말단" 또는 "프랙킹 블록"과 그 밸브, 피스톤 및 라이너입니다.

이러한 블록을 통해 펌핑되는 슬러리의 높은 압력과 마모성은 빠른 마모와 균열을 유발합니다. 그리고 유전 운영자는 고압을 유지해야 하기 때문에 오하이오주 도버에 있는 Allied Machine의 제품 전문가인 Paul Best에 따르면 며칠마다 유체 끝단을 교체해야 합니다. 가장 좋은 유체 끝단은 강철의 단단한 블록으로 가공되며 일반적으로 높이가 약 3', 너비가 4', 두께가 2-3'(0.61-0.91m)입니다. 복잡한 윤곽, 수많은 채널, 3~5개의 관통 구멍(각각 최대 직경 203.2mm), 3~5개의 교차 교차 구멍이 있는 유체 끝단에는 엄청난 양의 밀링, 드릴링 및 나사 가공이 필요합니다.

Iscar의 West Zone 영업 부사장 Zimmerman은 유체 끝단이 전통적으로 4000 시리즈 합금강으로 만들어졌지만 마모를 방지하기 위해 사용자는 “17-4 PH 스테인리스강 소재, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 그리고 15-5 스테인리스.” Deluca는 현재 보고 있는 유체 끝단의 약 절반이 미리 경화된 스테인리스 스틸의 변형이며 그 비율이 계속 증가하고 있다고 추정했습니다.

휴스턴에 있는 Hartwig의 엔지니어링 서비스인 Gayle Vollmer(Okuma의 해당 지역 딜러)는 마모에 가장 취약한 프래킹 블록의 부품에 더 단단한 재료를 사용하는 움직임도 있고 더 많은 구성 요소가 사용되도록 프래킹 블록을 재설계하려는 시도도 있다고 말했습니다. 쉽게 교체할 수 있습니다. 그러나 그는 현재 높은 생산량에 대한 수요로 인해 그러한 연구가 "후퇴"할 것이라고 추측했습니다.

4340으로 만들든 더 단단한 스테인리스 스틸로 만들든 유체 끝단을 처리하려면 사실상 대형 보링 밀이나 수평 머시닝 센터가 필요합니다. 일리노이주 알링턴 하이츠에 있는 JTEKT Toyoda Americas의 지역 영업 관리자인 Jason Schooley는 목표가 단일 기계에서 가능한 한 많은 작업을 수행하는 것이라고 말했습니다. 이는 너무 크고 이동하기 어려운 부품에서 두 배로 중요합니다.

Schooley는 보링 공장에는 일반적으로 더 큰 부품을 위한 더 큰 테이블이 있지만 Toyoda의 FH1250SX와 같은 수평 공장은 거의 4배 더 빠릅니다. 이는 부분적으로 기어 구동 6,000rpm 스핀들(8,000rpm 또는 15,000rpm 고토크 스핀들 옵션)과 1,654ipm(42m/min)의 빠른 이송 속도 때문입니다. 기계는 속도 향상을 위한 원통형 롤러 가이드와 함께 최대 강성을 위해 Meehanite 주철 베이스에 제작되었으며 Y 및 Z축의 이중 볼스크류 드라이브는 중절삭 시 가공 안정성을 높입니다.

FH1250SW에는 깊은 드릴링 및 보링 작업을 위한 W축 퀼도 있습니다. 그는 최근 몇 년 동안 "많은 공작 기계 제조업체가 내장형 U축 헤드를 선택했다"고 덧붙였습니다. 이를 통해 고정 선삭 공구의 회전 중심을 변경할 수 있으며, 이는 큰 보어 또는 기타 큰 윤곽을 절단할 때 유용한 기능입니다. 이는 유체 끝단에 큰 구멍이 있을 뿐만 아니라 구멍이 종종 내부에 "병 모양"이기 때문에 단순히 드릴로 뚫을 수 없기 때문입니다. 내장 U 축이 없는 기계의 경우 사용자는 동일한 기능을 수행하는 "피드아웃" 헤드를 추가할 수 있으며 D'Andrea가 그러한 공급업체 중 하나입니다.

회전하는 스핀들에 대형 헤드를 장착할 경우 가능한 부품 간섭 및 스핀들 관통 냉각수 공급과의 비호환성을 포함하여 단점이 있습니다. 애프터마켓 옵션도 자체 외부 드라이브가 필요하며 다른 도구 변경에서와 같이 리그를 자동으로 전환하지 못할 수도 있습니다.

그러나 Schooley는 장비의 Z축 이동이 추가 헤드가 게이지 라인을 지나 확장되는 것을 방지할 만큼 충분히 길다면 프랙 블록 응용 분야에서 간섭이 문제가 되지 않는다고 말했습니다. Z축 이동 거리가 1,850mm이고 스핀들 노즈에서 테이블 센터 불감대까지 200mm인 1250 기계는 간섭 없이 프랙 블록을 처리합니다. 그는 Toyoda가 "고객이 석유처럼 변동성이 큰 업계에서 앞서 나갈 수 있도록 돕기 위해" 윤곽 헤드용 자동 변경 기능을 더욱 개발했다고 덧붙였습니다.

Schooley의 경험에 따르면 Innovative Tooling Solutions 및 기타 제품에서 사용할 수 있는 모듈식 보링 공구는 스핀들 관통 절삭유를 표준 기능으로 제공하며 프랙 블록을 만드는 많은 공장에서는 보어를 마무리하기 위해 윤곽 헤드가 있는 전용 수평 보링 밀을 사용합니다. Toyoda는 또한 중부하 작업을 위해 1,560ft-lb 토크의 퀼 스핀들 수평 머시닝 센터를 제공합니다. Schooley는 4,000rpm 퀼 스핀들이 보링 및 깊은 드릴링에 필요한 도달 범위와 강도를 결합하여 이전에는 두 가지 작업이 필요했던 공작물을 단일 기계에서 완료할 수 있다고 말했습니다. 기계의 회전식 360,000-포지션 팔레트는 다양한 공작물에 대한 고하중 가공을 위해 최대한의 유연성을 제공합니다.

노스캐롤라이나 주 샬럿에 있는 Okuma America Inc.는 수평 머시닝 센터가 U-헤드를 사용하지 않고도 크고 불균형한 부품에서 원형 및 각진 형상을 절단할 때 선반을 모방할 수 있도록 하는 Turn-Cut이라는 프로그래밍 옵션을 개발했습니다. Okuma의 휴스턴 기술 센터 코디네이터인 Ted Winkle는 다음과 같이 설명합니다. 그리고 회전축의 중심에서 도구를 이동시키는 U-헤드 대신에 Turn-Cut은 X와 Y의 해당 축을 보간하는 동시에 Z의 단일 포인트 터닝 도구에도 공급합니다."

Winkle은 Turn-Cut이 프래킹 블록과 같은 부품에 대한 석유 및 가스 산업에서 더 큰 역할을 할 것이라고 생각합니다. U-헤드 및 이와 관련된 모든 값비싼 도구와 달리 턴-컷 기능이 있다는 것은 이점입니다.”

반면에 Turn-Cut은 특수 가속, 감속 및 동기화와 유리 스케일 및 볼스크류 냉각을 위한 추가 소프트웨어가 필요하기 때문에 저렴하지 않습니다. 하지만 이러한 기능을 통해 다양한 부품에 대해 더 나은 정밀도를 얻을 수 있고 한 번의 설정으로 부품을 완성할 가능성이 높아집니다.

Schooley는 이 기술이 볼스크류와 가이드웨이의 동일한 영역에서 많은 반복적인 동작을 필요로 하며(직경이 작을수록 더 많이 발생함) 기계 수명을 단축시킬 수 있다고 반박했습니다.

그런 다음 Winkle은 동일한 크기의 부품에 이 기능을 자주 사용하지 않는 한 동일한 영역에서 과도한 움직임이 발생하지 않을 것이라고 말했습니다. 그리고 기능이 자주 필요하지 않은 경우 U축의 큰 비용을 정당화할 수 없으므로 Turn-Cut이 더 논리적인 옵션이 될 것입니다. 모든 공작 기계 기능과 마찬가지로 장단점이 있습니다.

마력의 천국

오하이오주 메이슨에 있는 Makino Inc.의 경우 프래킹 블록과 같은 부품을 위한 "고투" 플랫폼은 T1 및 T2 5축 수평 머시닝 센터입니다. 제품 마케팅 관리자인 David Ward는 두 기계 모두 "이 산업에서 사용되는 까다로운 스테인리스강 및 고합금강에 이상적"인 다이렉트 드라이브 스핀들을 가지고 있다고 말했습니다.

T1에는 143hp 및 740ft-lb의 정격 토크가 있는 HSK100 12,000rpm 스핀들이 있습니다. 더 큰 T2 스핀들은 반경 방향 강성을 위해 HSK125 인터페이스를 사용합니다. 4,000rpm T2 스핀들은 200HP와 1,107ft-lb의 정격 출력 및 토크를 제공합니다.

Ward는 두 스핀들이 최대 토크 값을 1,000rpm까지 유지한다고 덧붙였습니다. "최대 토크 값을 이 지점까지 전달함으로써 스핀들이 고온 인서트 코팅과 같은 절삭 공구 기술의 새로운 발전을 활용할 수 있도록 보장합니다."

Winkle은 오일 패치가 CAT 50 기계에 의해 지배되는 것을 관찰했지만 HSK 및 BIG Plus 인터페이스가 제공하는 면 접촉이 "긴 오버행이 있는 경우 이점이 될 것이라는 데 동의했습니다. 그러나 대부분의 가공력은 축 방향이므로 어떤 스핀들 유형을 선택하든 큰 차이가 없습니다. 육중한 한. "ISO 40 스핀들 머신으로 프랙 블록에 접근하는 것은 무익한 연습이 될 것입니다."라고 그는 말했습니다.

소식통은 고압 냉각수가 많은 오일 및 가스 응용 분야 또는 Iscar의 Zimmerman이 말했듯이 "거의 응용 분야에 관계없이 열 및 칩 제거에 필수적이라는 데 동의했습니다. 플루이드 엔드의 보어 깊은 곳에서 작업할 때 칩을 플러싱하는 것이 중요하며 그렇게 하기가 어렵습니다. 절삭유 공급 밀링 공구는 이러한 응용 분야를 계속 진행할 수 있는 방법입니다."

따라서 기계에 이 기능이 제공되지 않은 경우 사용자는 ChipBLASTER와 같은 공급업체의 장치와 함께 추가하게 됩니다. Zimmerman이 말했습니다. "밀링과 드릴링 모두를 위한 게임 체인저입니다." 유일한 예외는 절삭유를 절삭날로 보낼 수 없는 상황입니다. 이 경우 냉각수가 "때로는 불리할 수 있으며 인서트의 열 균열을 방지하기 위해 기계 건조가 더 좋습니다."라고 그는 말했습니다.

Deluca는 공작 기계 제조업체가 이러한 요구에 부응하여 이제 20gpm에서 1,000psi를 제공하는 OEM 공급 펌프가 있는 기계를 흔히 찾을 수 있다고 말했습니다. Ward는 Makino의 T1이 1,000psi에서 26gpm을 제공하는 반면 T2는 53gpm에서 이와 동일한 압력을 제공한다고 말했습니다.

절단 도구 발전

프래킹 블록에 높은 마력의 괴물을 사용하는 것을 좋아할 수도 있지만 Allied Machine의 Deluca는 스핀들 속도는 더 높지만 최대 마력이 40인 밀링에 중점을 둔 기계로 큰 구멍을 뚫어야 하는 반대 문제에 점점 더 직면하고 있다고 말했습니다. 50.

"이러한 부품을 만드는 회사는 일반적으로 중소 규모이며 일반적으로 프랙 블록을 만드는 데 전념하지 않습니다."라고 그는 말했습니다. “그리고 많은 사람들이 이 시장에 집중하고 롤러코스터처럼 돌아가는 산업을 위한 기계에 50만 달러를 쓰는 것을 꺼립니다. 그래서 우리는
기존 드릴링 제품보다 훨씬 더 빠른 스핀들 속도와 훨씬 더 낮은 이송 속도로 4인치 구멍을 절단할 수 있는 도구를 개발해야 했습니다."

파쇄 블록 드릴링의 과제는 필요한 구멍의 크기를 넘어서는 것입니다. Allied Machine's Best는 "교차 구멍이 기존 구멍에 수직으로 드릴링되기 때문에 단속 절단은 유체 엔드 블록 제조에 내재되어 있습니다."라고 말했습니다. "교차하는 구멍의 모양 때문에 드릴의 바깥쪽 가장자리는 계속해서 절단에 맞물리지만 안쪽 가장자리는 그렇지 않습니다. 이렇게 하면 드릴이 불안정해져서 공구가 파손되고 프래킹 블록의 무결성이 손상될 수 있습니다."

또한 고객이 열처리되지 않은 재료를 사용하여 절약하는 경우 드릴에 상당한 변형이 발생할 수 있습니다. Allied의 Deluca는 일반적으로 작업자가 공정을 지속적으로 모니터링해야 하며, 그렇지 않으면 주조품의 주머니에 부딪힌 후 몇 초 이내에 치명적인 드릴 실패의 위험이 있으며, 이로 인해 몇 시간을 투자한 부품이 망가질 수 있다고 말했습니다. 또한 작업장에서는 블록마다 재료가 다르기 때문에 완벽한 드릴 및 작동 매개변수를 선택하기가 어렵습니다.

Allied는 APX라는 "차세대" 도구로 이러한 문제를 해결했습니다. 더 단단한 카바이드 기질과 주머니에 부딪히는 충격을 견딜 수 있는 독점 코팅이 특징입니다. Deluca는 "공구를 치면 끽끽거리는 소리가 들릴 수 있습니다. 하지만 여전히 구멍을 끝낼 수는 있습니다."라고 말했습니다.

그는 Allied가 인서트에 와이퍼를 추가하여 안정성을 개선하고 파일럿이 빈 공간이나 크로스홀로 나갈 때 추가적인 안정성을 제공하기 위해 마모 패드를 추가하여 크로스 홀 드릴링의 어려움을 해결했다고 덧붙였습니다. “또한 각진 출구 구멍을 드릴링할 때 이송을 가볍게 하고 동일한 속도를 유지하여 공구가 밀려나거나 걷지 않도록 하는 것이 좋습니다. 일반적으로 메인 라인이나 교차 구멍을 드릴링할 때는 필요하지 않지만 각진 구멍의 극단적인 단속 절단을 보완하기 위해 공구에 투입할 수 있는 엔지니어링이 너무 많습니다."

밀링의 경우 Zimmerman은 Iscar의 HeliDo H600 양면 6코너 인서트가 이러한 유형의 재료에 매우 적합하다고 말했습니다. "또한 더 적은 마력을 필요로 하는 부드러운 절단을 위해 더 포지티브한 형상을 가진 정사각형 단면 인서트인 Mill 4 Feed도 제공합니다."

그의 주요 메시지는 Iscar가 오랫동안 석유 및 가스 산업에 전념해 왔으며 숙련된 기계공만 고용했기 때문에 고객을 위한 최적의 프로세스를 개발하고 다양한 도구 중에서 선택할 수 있다는 것입니다. "우리는 다양한 스타일의 피드 밀을 보유하고 있으며 강성, 마력 및 토크를 고려하여 용도, 재료 및 기계를 기반으로 피드 밀을 최적화할 수 있습니다."

멀티태스킹 및 자동화

9,500lb 프래킹 블록은 "자동화"를 생각하지 않을 가능성이 높지만 Makino와 다른 건설업체는 한 작업자가 여러 대의 기계를 실행할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 프랙 블록의 경우 일반적으로 1분 이내에 원주물과 완성품 사이를 전환하는 회전식 팔레트 교환기를 의미합니다. 그 후 작업자는 완성된 조각을 제거할 충분한 시간을 갖습니다.

몇 분의 사이클 시간으로 프래킹 건 튜브는 스펙트럼의 반대편에 있습니다. Vollmer는 "일회성 품목이기 때문에 생산 속도가 천문학적입니다. 매일 수천 개가 만들어집니다.”

결과적으로 부품은 자동화에 이상적이며 Hartwig와 Okuma는 협력하여 여러 옵션을 제공했습니다. 여기에는 2-4인치의 직경을 처리한다는 점을 제외하고 스위스 스타일 선삭 기계의 작은 부품에 사용되는 것과 같은 로드/언로드 및 바 피드 유형 시스템용 로봇이 포함됩니다. 가장 빠른 접근 방식은 스톡을 트윈 스핀들 기계에 공급하여 한쪽 끝을 가공한 다음 다른 쪽 끝에서 작업하기 위해 부품을 서브 스핀들에 직접 공급합니다.

Vollmer는 부품에 터닝, 스레딩 및 약간의 밀링이 필요하며 후자를 위해 라이브 도구를 사용하는 것이 이상적이며 Winkle이 "최근 몇 년 동안 업계에서 가장 큰 변화 중 하나"라고 언급한 기능이라고 말했습니다. 프래킹 및 방향 드릴링이 다시 한 번 이러한 전환의 큰 이유입니다.

그러나 오늘날의 "다운홀" 작업에 필요한 대부분의 원통형 부품의 경우 이상적인 선반에는 라이브 툴링과 터렛 한두 개 이상이 있습니다. 회전 헤드와 Okuma의 MULTUS 밀턴 시리즈와 같은 다축 밀링 기능이 있습니다.

"시추와 완료 단계 모두에 필요한 부품은 기존의 수직 유정보다 훨씬 더 복잡합니다."라고 Winkle는 설명합니다. “생산 구역을 변경하려면 밸브를 열고 닫을 수 있어야 합니다. 부품에는 전자 모니터링 장비와 함께 유압 배관이 있습니다."

이를 위해서는 OD 및 ID에 교차 구멍과 복잡한 밀링 기능이 필요하므로 기계는 한쪽 끝에서 부품을 절단하고 다른 쪽 끝에서 작동하도록 스핀들을 전환하기 위해 5축 포지셔닝과 9축 정도의 기계 이동 축이 필요합니다.

스레드는 또 다른 과제입니다. Winkle은 말 그대로 수백 가지 유형이 있으며 허용 오차가 엄격하다고 말했습니다. 그것은 석유와 가스에서 나사산이 부품을 함께 고정하는 것뿐만 아니라 "완벽하게 밀봉되어야 하고 구멍 속으로 수 마일 깊숙이 들어가는 부품의 거대한 끈으로 인한 엄청난 인장 응력을 견뎌야 합니다"라고 Winkle이 말했습니다. “그리고 열팽창과 충격 하중을 처리해야 합니다. 이 밀봉 및 하중 지지 부품은 다른 산업에 존재하지 않습니다.”

이러한 나사산을 절단하려면 단단한 기계와 채터링을 방지하는 설정이 필요합니다. 일리노이주 휠링에 있는 SMW Autoblok의 프로젝트 관리 및 마케팅 이사인 Kyle Downs는 "인입 자료가 매우 일관성이 없기 때문에 이 모든 것이 복잡합니다. 후크, 벤트 및/또는 직사각형 파이프의 센터링 자동화는 3+3 자동 센터링 및 보정 척 또는 보정 척 및 심압대 장착 센터링 솔루션(일반적으로 척이기도 함)의 두 가지 시나리오로 달성할 수 있습니다. .”

마지막으로 금속 제거 기계에 레이저 금속 증착 기능을 추가하면 Okuma의 새로운 LASER EX 시리즈에서 볼 수 있듯이 새로운 가능성이 추가됩니다. 예를 들어, 돌출된 피쳐가 몇 개 있는 부품이 있는 경우 더 큰 스톡에서 피쳐를 잘라내는 대신 해당 피쳐를 본체에 추가할 수 있습니다. 이는 잠재적으로 가공 시간을 크게 절약할 수 있습니다.

Winkle은 예를 들어 Inconel과 스테인리스 스틸을 결합하는 이종 재료도 융합할 수 있다고 덧붙였습니다. 이는 "순수한 감산 기술로는 절대 불가능합니다. 접합부는 솔리드로 기계로 가공된 것보다 강하거나 더 강합니다.”라고 그는 말했습니다.

이것은 드릴 어셈블리에 필요한 마모 패드를 추가하거나 파이프가 방향 유정의 굴곡을 통과할 때 유정 케이싱의 ID를 긁지 않도록 하는 데 사용되는 측면 핀을 추가하기 위해 오일 및 가스에 즉각적인 잠재력을 가지고 있습니다. Okuma는 또한 조리개가 다른 동일한 레이저를 사용하여 최대 약 50 Rockwell의 재료 영역을 경화시키는 기능을 제공합니다.