Teknik Pembuatan Komponen Inovatif Mengtransformasi Industri Minyak dan Gas

Fracking telah mengakibatkan perubahan besar di bidang minyak dan perubahan besar dalam pemesinan komponen.

Rod Zimmerman dari produsen alat potong Iscar Metals tinggal di zona hijau yang nyaman di suburb Fort Worth. Namun dalam setengah mil dari rumahnya, sebuah perusahaan minyak telah mengebor lubang vertikal 7.500 inci (2.286 m) dalam, yang darinya telah menyebar sembilan garis lateral, masing-masing sekitar setengah mil. Mereka memompa cairan fracking ke dalam garis-garis ini pada 9.000 psi untuk mengekstrak gas alam. Ini adalah contoh yang sebaik-baiknya tentang kemanuranaan revolusi fracking dan teknologi luar biasa yang terlibat.

Dan meski revolusi mungkin tidak secara harfiah "di mana-mana," Salvatore Deluca, manajer produk untuk produsen alat potong lain, Allied Machine & Engineering, mengatakan fasilitas fracking raksasa di kountinya disebut "kota." Kecuali bahwa tidak seperti Dallas-Fort Worth, "kota-kota" ini berada di Ohio yang jauh, sebuah negara bagian yang sebelumnya tidak dikenal untuk minyak. Tidak heran, perubahan besar di bidang minyak telah mengakibatkan perubahan besar dalam pemesinan komponen untuk bidang minyak.

Menangani Blok Fracking

Seperti yang disorot di atas, fracturing hidraulik (lebih umum disebut fracking) memulihkan gas dan minyak dari formasi shale dengan mengebor ke dalam bumi dan menyuntikkan campuran air, pasir dan kimia ke dalam batuan pada tekanan yang sangat tinggi. Menghasilkan tekanan itu membutuhkan pompa raksasa, komponen kunci dari yang merupakan "fluid end" atau "fracking block" dan katup, piston, dan liner-nya.

Tekanan tinggi dan kekasaran sari yang dipompa melalui blok-blok ini menyebabkan aus dan retak yang cepat. Dan karena operator lapangan minyak perlu mempertahankan tekanan tinggi, mereka terpaksa mengganti fluid end setiap beberapa hari, menurut Paul Best, spesialis produk di Allied Machine, Dover, Ohio. Best mengatakan fluid end dipesan dari balok padat baja dan umumnya sekitar 3 inci tinggi, 4 inci lebar dan 2-3 inci (0,61-0,91 m) tebal. Dengan kontur kompleks, banyak saluran, tiga hingga lima lubang melalui (masing-masing hingga 8 inci [203,2 mm] diameter), dan tiga hingga lima lubang silang yang berpotongan, fluid end membutuhkan jumlah besar milling, drilling, dan threading.

Zimmerman, wakil presiden penjualan, Zona Barat untuk Iscar, mengatakan fluid end tradisional terbuat dari baja alloy seri 4000, tetapi untuk mengatasi aus, pengguna mencoba "alliance lebih ekskotif seperti bahan baja stainless 17-4 PH, super duplex stainless dan 15-5 stainless." Deluca memperkirakan kira-kira setengah fluid end yang dilihatnya sekarang adalah varian baja stainless yang telah diprer-harden dan proporsi terus tumbuh.

Gayle Vollmer, layanan teknik untuk Hartwig di Houston (dealer Okuma di daerah tersebut) mengatakan ada juga gerakan untuk menggunakan bahan yang lebih keras untuk bagian dari blok fracking yang paling rentan terhadap aus, dan upaya untuk meredesain blok fracking sehingga lebih banyak komponen mudah diganti. Namun dia mengira bahwa permintaan saat ini untuk produksi tinggi telah menempatkan penelitian itu "di belakang pembakaran."

Baik itu terbuat dari 4340 atau baja stainless yang lebih keras, menangani fluid end hampir menuntut boring mill besar atau pusat pengolahan horizontal. Jason Schooley, manajer penjualan regional untuk JTEKT Toyoda Americas, Arlington Heights, Illinois, mengatakan tujuannya adalah untuk melakukan sebanyak mungkin operasi dalam satu mesin, yang dua kali lebih penting pada bagian yang begitu besar dan sulit dipindahkan.

Schooley mengatakan bahwa meskipun boring mill biasanya memiliki meja yang lebih besar untuk bagian yang lebih besar, horizontal seperti Toyoda FH1250SX hampir empat kali lebih cepat. Itu sebagian karena spindel 6.000 rpm yang didorong gigi (opsional 8.000 rpm atau spindel torsi tinggi 15.000 rpm) dan laju makan cepat 1.654 ipm (42 m/min). Mesin dibangun pada dasar besi cor Meehanite untuk kekakuan maksimum dengan roller guide silindris untuk kecepatan yang meningkat, sementara dual ballscrew drive pada sumbu Y dan Z meningkatkan stabilitas pemesinan saat pemotongan berat.

FH1250SW juga memiliki quill W-axis untuk operasi drilling dan boring dalam. Dia menambahkan bahwa dalam beberapa tahun terakhir "sejumlah pembangun alat mesin telah memilih untuk head U-axis built-in" atau W axis, yang berjalan sejajar dengan sumbu X atau Z masing-masing. Ini memungkinkan untuk mengubah pusat rotasi untuk alat putar yang tetap, fitur yang berguna saat memotong boring besar atau kontur besar lainnya. Itu karena tidak hanya fluid end memiliki boring besar, boring seringkali berbentuk "botol" di dalam, jadi tidak dapat dengan mudah di-drill. Untuk mesin yang tidak memiliki U axis built-in, pengguna dapat menambahkan head "feed-out" yang melakukan fungsi yang sama, D'Andrea menjadi salah satu pemasok tersebut.

Ada kelemahan dalam memasang head besar pada spindel yang berputar, termasuk interferensi bagian yang mungkin dan ketidakcocokan dengan pengiriman pendingin melalui spindel. Opsi pasca jual juga memerlukan drive eksternal sendiri dan mungkin tidak mungkin untuk secara otomatis mengganti rig seperti yang Anda lakukan dengan penggantian alat lainnya.

Tetapi Schooley mengatakan interferensi bukan masalah pada aplikasi frack block jika perjalanan sumbu Z mesin cukup panjang untuk mencegah head tambahan melewati garis ukuran. Dengan perjalanan sumbu Z 1.850 mm dan 200 mm dari hidung spindel hingga pusat meja dead-band, mesin 1250 menangani frack block tanpa interferensi. Dia menambahkan bahwa Toyoda telah mengembangkan lebih lanjut kemampuan penggantian otomatis untuk head konturnya untuk "membantu pelanggan kami tetap di depan kurva dalam industri yang fluktuatif seperti minyak."

Dalam pengalaman Schooley, alat boring modular yang tersedia dari Innovative Tooling Solutions dan lainnya datang dengan pendingin melalui spindel sebagai fitur standar dan banyak bengkel yang membuat frack block menggunakan boring mill horizontal khusus dengan head kontur untuk menyelesaikan boring. Toyoda juga menawarkan pusat pengolahan horizontal quill-spindle dengan 1.560 ft-lb torsi untuk operasi beban berat. Schooley mengatakan spindel quill 4.000 rpm menggabungkan jangkauan dan kekuatan yang diperlukan dalam boring dan drilling dalam, memungkinkan workpiece yang sebelumnya membutuhkan dua operasi untuk diselesaikan pada satu mesin. Palet rotary 360.000 posisi mesin memberikan fleksibilitas maksimum untuk pemesinan beban berat pada berbagai workpiece.

Okuma America Inc., Charlotte, N.C., telah mengembangkan opsi pemrograman yang disebut Turn-Cut yang memungkinkan pusat pengolahan horizontal untuk meniru mesin putar dalam memotong fitur lingkaran dan sudut pada bagian besar yang tidak seimbang tanpa menggunakan U-head. Seperti yang dijelaskan oleh Ted Winkle, koordinator pusat teknis Okuma Houston, "Alih-alih memutar bagian, yang akan sulit atau mustahil untuk beberapa bagian yang sangat besar, Anda memutar alat di sekitar bagian. Dan alih-alih U-head memindahkan alat keluar dari pusat sumbu rotasi, Turn-Cut menginterpolasi sumbu ini di X dan Y saat juga memakan satu titik alat putar di Z."

Winkle berpikir Turn-Cut akan memainkan peran yang lebih besar dalam industri minyak dan gas untuk bagian seperti blok fracking karena "seperti boring semakin besar diameternya, dibutuhkan banyak torsi untuk menjalankan alat padat untuk membuat lubang dengan ukuran itu. Memiliki kemampuan turn-cut, sebaliknya dengan U-head dan semua alat mahal yang terkait dengannya, adalah manfaat."

Di sisi lain, Turn-Cut tidak murah karena memerlukan perangkat lunak tambahan untuk percepatan, perlambatan, dan sinkronisasi khusus, ditambah kaca skala dan pendingin ballscrew. Namun Anda akan mendapatkan presisi yang lebih baik untuk berbagai bagian dengan fitur ini dan meningkatkan kemampuan untuk menyelesaikan bagian dalam satu setup.

Schooley menanggapi bahwa teknik ini memerlukan banyak gerakan berulang di daerah yang sama dari ballscrew dan guideway (semakin kecil diameter, semakin sering ini akan terjadi) dan ini mungkin mengurangi umur mesin.

Lalu lagi, Winkle mengatakan, kecuali Anda menggunakan kemampuan ini sering pada bagian dengan ukuran yang sama, Anda tidak akan memiliki gerakan berlebihan di daerah yang sama. Dan jika Anda tidak memerlukan kemampuan ini sering, Anda tidak akan dapat mempertahankan biaya besar dari U-axis, jadi Turn-Cut akan menjadi opsi yang lebih logis. Seperti fitur alat mesin apa pun, ada trade-off.

Surga Tenaga Kuda

Untuk Makino Inc., Mason, Ohio, platform "go-to" untuk bagian seperti blok fracking adalah pusat pengolahan horizontal lima-sumbu T1 dan T2-nya. David Ward, manajer pemasaran produk, mengatakan kedua mesin memiliki spindel direct-drive yang "ideal untuk baja stainless dan baja alloy yang sulit yang digunakan di industri ini."

T1 memiliki spindel HSK100 12.000 rpm dengan 143 hp dan 740 ft-lb torsi rated. Spindle T2 yang lebih besar menggunakan antarmuka HSK125 untuk kekakuan radial. Spindle T2 4.000 rpm memberikan 200 HP dan 1.107 ft-lb daya dan torsi rated.

Ward menambahkan bahwa kedua spindel mempertahankan nilai torsi maksimum mereka hingga 1.000 rpm. "Dengan membawa nilai torsi maksimum hingga titik ini, memastikan bahwa spindel akan dapat memanfaatkan kemajuan baru dalam teknologi alat potong, seperti coating insert suhu tinggi."

Winkle mengamati bahwa lapangan minyak didominasi oleh mesin CAT 50 tetapi setuju bahwa kontak muka yang disediakan oleh antarmuka HSK dan BIG Plus akan menjadi keuntungan "jika Anda memiliki overhang panjang. Namun karena sebagian besar gaya pemesinan adalah axial, tidak terlalu penting memilih tipe spindel mana. Asalkan itu kuat. "Mendekati blok frack dengan mesin spindel ISO 40 akan menjadi latihan kesia-sia," katanya.

Sumber setuju bahwa pendingin tekanan tinggi esensial untuk pemanasan dan pengendapan chip dalam banyak aplikasi minyak dan gas, atau seperti yang diungkapkan Zimmerman dari Iscar, "hampir terlepas dari aplikasi. Saat bekerja dalam boring pada fluid end, kritis untuk membuang chip dan sulit dilakukan. Alat milling yang diberi pendingin adalah jauh lebih baik untuk aplikasi seperti itu."

Jadi, jika mesin tidak datang dengan kemampuan ini, pengguna menambahkannya dengan unit dari pemasok seperti ChipBLASTER. "Saya tidak akan mempertimbangkan untuk membeli mesin milling hari ini tanpa pendingin tekanan tinggi melalui spindel," kata Zimmerman. "Ini adalah game changer untuk milling dan drilling." Pengecualiannya adalah situasi di mana Anda tidak dapat mengarahkan pendingin ke tepi pemotongan. Dalam hal itu pendingin "kadang-kadang bekerja melawan Anda dan lebih baik memesin kering untuk menghindari retak termal pada insert," katanya.

Deluca mengatakan pembangun alat mesin telah merespon permintaan ini sehingga sekarang dia sering menemukan mesin dengan pompa OEM yang memberikan 1.000 psi pada 20 gpm. Ward mengatakan T1 Makino memberikan 26 gpm pada 1.000 psi sementara T2 menyediakan tekanan yang sama pada 53 gpm.

Perkembangan Alat Potong

Sementara Anda mungkin ingin memiliki monster tenaga kuda tinggi untuk blok fracking Anda, Deluca dari Allied Machine mengatakan mereka semakin menghadapi tantangan yang berlawanan: kebutuhan untuk membuat lubang besar dengan mesin yang difokuskan pada milling di mana kecepatan spindel lebih tinggi tetapi tenaga kuda maksimumnya 40 hingga 50.

"Perusahaan yang membuat bagian ini biasanya kecil hingga menengah dan biasanya tidak difokuskan pada pembuatan blok frack," katanya. "Dan banyak orang ragu untuk fokus pada pasar ini dan menghabiskan setengah juta dolar pada mesin untuk industri yang berjalan seperti roller coaster. Jadi kami harus mengembangkan alat yang dapat memotong lubang diameter 4 inci pada kecepatan spindel yang jauh lebih tinggi dan laju makan yang jauh lebih rendah daripada produk drilling tradisional kami."

Tantangan dalam drilling blok fracking melampaui ukuran lubang yang diperlukan. "Interrupted cuts adalah inherent dalam manufaktur fluid end block karena lubang silang di-drilled tegak lurus terhadap lubang yang ada," kata Best dari Allied Machine. "Karena bentuk yang dihasilkan dari lubang yang berpotongan, tepi luar drill akan terus terlibat dalam pemotongan, sementara tepi dalam tidak. Ini dapat mendestabilkan drill, yang dapat merusak alat dan merusak integritas blok fracking."

Selain itu, jika pelanggan menghemat dengan menggunakan material yang belum diheat-treat, drill mungkin mengalami variasi yang signifikan. Deluca dari Allied mengatakan biasanya itu berarti operator harus terus memantau proses atau risiko kegagalan drill yang katastrofik dalam hitungan detik setelah mengenai kantong dalam cetakan, yang mungkin merusak bagian yang telah Anda habiskan jam-jam. Bengkel juga mengalami variasi material dari blok ke blok, yang membuat sulit untuk memilih drill dan parameter operasi yang sempurna.

Allied telah mengatasi tantangan ini dengan alat "generasi berikut" yang disebut APX. Alat ini memiliki substrat carbide yang lebih kuat dan coating proprietary untuk menahan kejut saat mengenai kantong. "Anda mungkin mengoyak alat dan Anda akan mendengar kikis," kata Deluca, "tapi Anda masih akan dapat menyelesaikan lubang."

Dia menambahkan bahwa Allied mengatasi kesulitan drilling lubang silang dengan menambahkan wiper pada insert untuk meningkatkan stabilitas, ditambah wear pads untuk memberikan stabilitas tambahan saat pilot keluar ke ruang kosong atau lubang silang. "Kami juga merekomendasikan untuk meringankan makan dan mempertahankan kecepatan yang sama saat drilling lubang keluar sudut sehingga alat tidak ingin dorong atau berjalan. Biasanya tidak diperlukan saat drilling garis utama atau lubang silang tetapi hanya ada begitu banyak rekayasa yang dapat Anda masukkan ke dalam alat untuk mengompensasi interrupted cut yang ekstrim dari lubang sudut."

Untuk milling, Zimmerman mengatakan insert double-sided, six-corner HeliDo H600 Iscar bekerja sangat baik untuk jenis material ini. "Kami juga menawarkan Mill 4 Feed, insert persegi, single-sided dengan geometri yang lebih positif untuk pemotongan yang lebih lembut yang membutuhkan lebih sedikit tenaga kuda."

Pesan utamanya adalah bahwa karena Iscar lama berkomitmen pada industri minyak dan gas dan hanya merekrut tukang mesin yang berpengalaman, mereka dapat mengembangkan proses optimal untuk pelanggan dan memilih dari berbagai macam alat. "Kami memiliki banyak gaya feed mill dan dapat mengoptimalkan feed mill berdasarkan aplikasi, material, dan mesin, dengan mempertimbangkan kekakuan, tenaga kuda, dan torsi."

Multi-Tasking dan Otomatisasi

Mungkin 9.500 lb blok fracking tidak membuat seseorang berpikir "otomatisasi," tetapi Makino dan pembangun lain menawarkan solusi yang memungkinkan satu operator menjalankan beberapa mesin. Untuk blok frack, biasanya berarti palet changer berputar yang beralih antara cetakan mentah dan bagian jadi dalam kurang dari satu menit. Setelah itu, operator memiliki banyak waktu untuk mengambil bagian jadi.

Dengan waktu siklus beberapa menit, gun tube fracking berada di ujung lain dari spektrum. Dan karena mereka adalah "item sekali pakai," kata Vollmer, "tingkat produksi sangat luar biasa. Ribuan dibuat setiap hari."

Akibatnya, bagian ini ideal untuk otomatisasi, dan Hartwig dan Okuma telah bekerja sama untuk menawarkan beberapa opsi. Ini mencakup robot untuk load/unload dan sistem bar-feed seperti yang digunakan untuk bagian kecil pada mesin putar gaya Swiss, kecuali bahwa di sini mereka menangani diameter 2-4 inci. Pendekatan tercepat memasok stock ke mesin twin-spindle, memesin satu ujung dan kemudian memasok bagian secara langsung ke sub-spindle untuk pekerjaan pada ujung lainnya.

Vollmer mengatakan bagian memerlukan turning, threading dan beberapa milling, idealnya menggunakan live tools untuk yang terakhir, fitur yang disebut Winkle sebagai "salah satu perubahan terbesar dalam industri dalam beberapa tahun terakhir." Fracking dan directional drilling adalah alasan besar lagi untuk transisi itu.

Namun, untuk banyak bagian yang sebagian besar silindris yang dibutuhkan dalam operasi "down-hole" saat ini, mesin putar ideal memiliki lebih dari live tooling dan satu atau dua turret. Memiliki head yang berputar dan kemampuan milling multi-sumbu seperti seri mill-turn MULTUS Okuma.

"Bagian yang dibutuhkan baik untuk drilling maupun fase completion jauh lebih kompleks dibandingkan dengan sumur vertikal tradisional," jelas Winkle. "Anda harus dapat membuka dan menutup valve untuk mengubah zona produksi. Bagian memiliki plumbing hidrolik melalui mereka, serta peralatan pemantauan elektronik."

Ini memerlukan lubang silang dan fitur milling yang rumit pada OD dan ID, jadi mesin memerlukan positioning lima-sumbu dan sekitar sembilan sumbu gerakan mesin untuk memotong bagian di satu ujung dan beralih spindel untuk bekerja di ujung lainnya.

Threads adalah tantangan lain. Winkle mengatakan ada ratusan jenis dan toleransi ketat: "Plus 1.5 thou, minus nothing." Itu karena di minyak dan gas, threads tidak hanya memegang bagian bersama, "mereka harus seal sempurna dan menahan tekanan tarik yang besar dari rangkaian bagian raksasa yang berjalan mil dalam lubang," kata Winkle. "Dan mereka harus menangani ekspansi termal dan shock loading. Komponen sealing dan load-bearing ini tidak ada di industri lain."

Memotong thread ini memerlukan mesin yang kaku dan setup yang menahan chattering. Kyle Downs, direktur manajemen proyek dan pemasaran untuk SMW Autoblok, Wheeling, Illinois, mengatakan ini semakin rumit karena fakta bahwa "material yang masuk sangat tidak konsisten. Otomatisasi centering pipa yang berkawat, bengkok, dan/atau memanjang dapat dicapai dengan dua skenario, baik chuck auto-centering dan compensating 3+3, atau chuck compensating dan solusi centering yang dipasang di tailstock, yang biasanya juga adalah chuck."

Terakhir, penambahan kemampuan laser metal deposition pada mesin removal material menambahkan kemungkinan baru, seperti yang ditunjukkan oleh seri LASER EX baru Okuma. Jika, misalnya, Anda memiliki bagian dengan beberapa fitur yang muncul, Anda dapat menambahkan fitur-fitur tersebut ke body utama, daripada memotong fitur dari stock yang lebih besar. Itu potensi menghemat waktu pemesinan yang besar.

Winkle menambahkan bahwa Anda juga dapat memfuse material yang berbeda, menggabungkan, katakanlah, Inconel dan baja stainless, yang "tidak pernah mungkin dengan teknologi subtraktif murni. Sekuji itu setara atau lebih kuat daripada jika dipesan dari padat," katanya.

Itu memiliki potensi segera di minyak dan gas untuk menambahkan wear pads yang diperlukan pada assembly bor atau menambahkan side fins yang digunakan untuk mencegah pipa menggores ID casing sumur saat bergerak melalui lengkungan dalam sumur directional. Okuma juga menawarkan kemampuan untuk case harden zona material hingga sekitar 50 Rockwell menggunakan laser yang sama dengan aperture yang berbeda.