Trans. Korean Soc. Mech. Eng. C, Vol. 1, No. 1, pp. 39~47, 2013

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<응용기술논문> ISSN 2288-3991(Online)

해양 시추용 Top Drive Machine Concept Design 연구§

배재일* · 정재욱*†· 이준석*

* 은광산업(주)

Study of Concept Design for Offshore Top Drive Machine

Jae Il Bae*, Jae Wook Jung*†, and Jun Seok Lee* * Eunkwang Industrial Co., Ltd.

(Received May 13, 2013 ; Revised June 3, 2013 ; Accepted June 3, 2013)

1. 서 론

1.1 가상생산기술

가상생산기술은 신제품의 개발, 새로운 장비 개발 및 새로운 제조시스템 개발에 유용한 도구이며,

특히 3D CAD 및 시뮬레이션 기술은 가상생산의 핵심기술이다.(1) 가상생산기술(Virtual Manufacturing,

VM)은 제품과 제조 시스템의 물리적 요소, 논리적인 요소 등을 엄밀하게 모델링하고 소재의 특성,

제조방법 등의 데이터를 기초로 실제 제조환경과 흡사한 컴퓨터 모델을 구축하는 것을 말한다. 이러한

가상생산 기술은 실제 생산에서 빈번하게 발생하고 있는 제조 활동의 변동을 컴퓨터 모델을 통해

수정하고 제어함으로써, 설계 변경 시 추가되는 비용과 시간의 낭비를 최소화 할 수 있다.(2) 이러한

가상생산 기술은 그 사용 범위에 따라 일반적으로 크게 설계중심(Design-centered), 통제중심(Control-

centered), 생산중심(Production-centered)의 세가지로 나눌 수 있다.(3) 본 논문에서는 3D CAD 관련 기술이

대표적인 설계중심의 가상생산 기술을 활용하였다. 이를 위해 Pro Engineer Wildfire를 이용하여 탑

드라이브 장비(Top Drive Machine, TDM)의 핵심요소 부품들을 3D 모델링 하였으며, ANSYS, CATIA를

Key Words: Top Drive Machine(탑 드라이브 장비), Offshore(해양플랜트), Drill System(시추시스템), Virtual

Manufacturing(가상 생산)

초록초록초록초록: 탑 드라이브 장비는 드릴 비트에 회전력을 전달하여 굴착을 하게하는 장치이며, 1983년 Derrick Drilling

Machine의 Kelly Rotary Table로 시작하여, 1984년에 DDM 650 DC가 등장함으로써 본격적으로 개발 되기

시작했다. 이러한 탑 드라이브 장비는 미국의 N사와 노르웨이 A사가 전 세계 시장의 90% 이상을 점유하고

있으며, 이로 인하여 탑 드라이브 장비의 세계시장 진입과 장비에 대한 정보가 제한적일 수 밖에 없다.

따라서 본 논문에서는 제한된 정보를 통하여 신뢰성을 가지는 제품을 개발하기 위한 절차 및 방법에 대하여

소개하고자 한다. 설계 오류 및 신뢰성이 검증된 제품 디자인을 위하여 3D Tool을 사용하였으며, 이를

활용하여 설계오류, 간섭체크, 기능체크, 구조강도 해석 등을 수행하여 제품의 신뢰성을 사전 검증 하였다.

Abstract: Top Drive Machine is drilling equipment which transfers motor torque to the drill bit. Kelly Rotary Table of the Derrick Drilling Machine (DDM) is firstly developed at 1983, and the first commercial model DDM 650DC was released at 1984. Offshore drilling business is high value-added industries. “N” Company of U.S.A and “A” company of Norway hold more than 90 percent of the global offshore drill system market, so it is hard to take away market share and develop offshore drilling equipment. Consequently, this paper introduce method for concept design of new reliability machine by limited information. To achieve this, design & analysis tools as CATIA, DELMIA, Pro Engineering, ANSYS were used to evaluate design error and strength/flow analysis at new concept design in Top Drive Machine.

§ 이 논문은 대한기계학회 플랜트부문 2013년도 춘계학술강연회(2013. 6. 4.-5., 한국수자원공사 교육원) 발표논문임. † Corresponding Author, jwjung@eunkwang.net Ⓒ 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers

배재일 · 정재욱 · 이준석

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Fig. 1 Process of concept design development

이용하여 구조 강도 해석 및 정적인 설계 오류 검증 작업을 수행하였다. 그리고 DELMIA를 이용하여 탑

드라이브 장비의 Sequence Chart, 동적인 설계 오류 등을 검증을 수행하여 최종적으로 새로운 형태의 탑

드라이브 장비의 개념설계를 도출하였다. 이와 함께 개발장비의 신뢰성을 높이기 위하여 탑 드라이브

장비 요소 부품 분석 단계에서 FMEA(Failure Mode and Effects Analysis)를 수행하였다. 1.2 연구대상

해양 시추는 1940년대에 시작되었으며, 1983년 Rotary Table, 1984년에는 탑드라이브 장비를 이용한 시추가

본격적으로 시작되었다.(4) 1990년대 이후 메이저 회사들의 심해유전 개발 열정과 기술개발로 시추 및 생산

기술이 급격히 발전하였고 시추선의 규모도 대형화 되었다. 2000년대를 지나면서 더 깊은 심해유전을

경제적으로 개발하기 위해 많은 기술적인 발전이 있었다. 현재는 시추선의 경우 인도해양에서 달성한

10,194ft(2011년), 반잠수식의 경우 미국 멕시코만의 8,951ft(2004년)를 최고 수심 기록으로 가지고 있다. 시추의

깊이가 깊어지면서 시추를 시도하는 개념의 선박 또는 부유체의 개발이 필요하게 되었고 해양플랜트

Rig산업은 새로운 국면을 맞이하게 되었다. 이로써 드릴쉽, 반잠수식 해양플랜트 Rig는 심해에서도 안정적인

시추가 가능한 만큼 수요가 늘어나고 있는 추세이다.(5,6) 한국의 시추선 건조기술은 세계 1위 수준이나

시추시스템의 경우 Turn-key 발주 형태로 미국의 N 사와 노르웨이의 A 사가 세계시장의 90% 이상을

석권하고 있으며, 국내업체의 수준은 시추시스템 페키지 중의 일부 부품단위의 하도급 형태 및 Structure 일부

생산에 참여하고 있는 실정이다. 이러한 시추 시스템의 핵심 장비 중의 하나인 탑 드라이브 장비는

중량물로서 수입 시 운반비용 과다로 국내 제작 이점이 있어 국산화 개발이 되면 세계시장진입에 유리할

것으로 보여지며 국산화에 성공할 경우 이와 연관된 기자재의 국산화가 활발히 진행 될 것으로 기대된다. 본

논문에서는 일부 글로벌 기업이 독점하고 있는 탑 드라이브 장비의 국산화 개발을 위해 수행한 절차 및

방법론에 대하여 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1 개발절차

탑 드라이브 장비의 개념설계를 위한 절차는 Fig. 1에 나타난 바와 같다. 우선 개발에 앞서 기술자료 수집을

통해 탑 드라이브 장비에 대한 주요기능을 분석하였고, 장비의 주요 고장요인 및 설계 주요인자를 도출하기

위하여 FMEA를 수행하였다. 그런 다음 개발 제품의 벤치마킹 대상을 선정하고 사전에 수행한 내용을 기반으로

개념설계(Concept Design) 작업을 수행 하였다. 마지막으로 도출된 개념설계에 대한 정적, 동적인 디자인 검증과

구조 검토 등을 통하여 최종적인 탑 드라이브 장비의 개념설계를 완성하였다.

탑 드라이브 장비는 해외 선진 기업 일부가 세계 시장을 거의 독점하고 있다. 따라서 탑 드라이브 장비에

대한 자료 수집은 힘들고, 중고품 또한 매우 고가이므로 일반적인 Reverse Engineering으로 제품 개발이 힘들다.

따라서 본 연구에서는 일반적인 외관 형상 도면과 국내 대형 조선 3사의 자문, 전문가 회의 및 개발

컨소시엄과의 회의를 통하여 탑 드라이브 장비를 핵심 요소 부품별로 분류를 하였으며, 이를 토대로 그

기능을 유추하여 개념설계를 하였다.

Fig. 2는 탑 드라이브 장비 국산화 개발을 위한 컨소시엄별 역할을 나타낸 것이다. 컨소시엄은 총7개의

기관으로 구성되어 있으며, 각 기관별로 탑 드라이브 장비 국산화를 위하여 하드웨어 개발, 소프트웨어 개발,

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Fig. 2 Consortium for development of TDM

Fig. 3 Structure analysis of TDM

Fig. 4 Analysis of components in TDM

개발품에 대한 분석 및 검증, 기술 및 사업화 자문, Drill Bit 및 Collar의 개발로 각각 역할 분담을 하였다. 본

논문에서는 이 중 탑 드라이브 장비의 개념설계를 위한 절차 및 방법에 국한하여 소개하고자 한다. 2.2 탑 드라이브 장비 개발방법

Fig. 3은 기술정보 수집을 통한 탑 드라이브 장비의 핵심부품(Component)별 기능분석의 예를 나타낸 것이다.

기능분석은 N사와 A사의 제품들의 자료를 바탕으로 하였으며, 이를 통하여 탑 드라이브 장비의 개발

부품에 대한 우선 순위 선정 및 탑 드라이브 구동을 위해 초기 계획과 대비하여 추가적으로 제작해야 하는

부품들을 선별하였다. 이 후 Fig. 4와 같이 각 핵심 부품의 하위 부품인 각 Part별 기능 및 연관성 등을

분석하였다. 이를 통하여 각 Part별 세부 기능 및 역할 그리고 상세 스펙 등에 대한 정리를 수행하였다.

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2.3 FMEA 핵심 요소 부품 분석과 함께 신뢰성 있는 제품 설계를 위하여 분류된 부품별 FMEA를 수행 하였다.

FMEA는 기본 설계 단계에서부터 생산단계에 이르기까지 제품이 의도한 대로 기능을 발휘할 것인가를

평가하고 만족하지 못할 때는 개선활동을 통해 고장을 사전에 예방하고자 하는 신뢰성 활동의

하나이다.(7) 이는 해양플랜트 장비의 특성상 신뢰성이 매우 중요한 요소 중의 하나이며, 탑 드라이브

장비에 대한 정확한 기능이나 신뢰성 데이터를 확보하는데 많은 어려움이 있어, 사전 조사의 신빙성 및

탑 드라이브 설계 시 주의 사항에 대한 사전 정의를 위해 수행하였다. FMEA는 크게 Table 1의 부품의

기능정의, Table 2의 고장유형 분석, Table 3의 고장 유형별 증상과 원인 분석 등을 거쳐 최종적으로 Table

4와 Table 5와 같이 고장형태 및 영향 분석을 수행하였다. Table 4는 탑 드라이브 장비 전체의 핵심

부품들에 대한 FMEA분석 결과이며, Table 5는 탑 드라이브 장비 중 핵심 장비인 기어박스에 대한 FMEA

분석 결과 표이다.

Table 1 Example of analysis of functions of TDM components

Sub System Comp.1 Comp.2 Function

Retractable Dolly

Intermediate Frame

Motor Trunnion

모터 거치대, 모터 고정

Main Frame TDM 전체 시스템을

고정시키는 사각 틀

Retractable Dolly

Guide Dolly Assembly

TDM 상하이동 시 Guide

역할

Roller 상하 이동에 필요한 롤러

Hydraulic Cylinder

수직상하 이동 및 완충

역할을 위한 실린더

Arms TDM링크역할 및Frame과

일정거리를 이격 시킴

Main Frame TDM 전체 시스템을

고정시키는 사각 틀

Table 2 Examples for type of problems

No Type of Problems No Type of Problems

1 Fault and Alarm 9 Counterbalance System

2 Incorrect Rotation/Torque 10 Motor Alignment Cylinder

3 No Rotation 11 Motor Air Brake

4 Speed Control 12 Guide Dolly

5 Mode 13 Transmission

6 Set to Spin/Torque/Spin Out 14 Oil Pump

7 Torque Wrench 15 Cooling Blower

8 Link Tilt 16 Rotating Head

Table 3 Examples for symptom & cause analysis of fault and alarm problems

Symptom Probable Cause Remedy

Lamp test failed One or more of the VDC lamps failed

Check Lamp(s) Check PLC Output Check power supply

VDC pressure loss alarm

Pressure disrupted at VDC Pressure switch failure Incorrect PLC inputs VDC gasket seal failure

Check pressure at VDC and adjust as necessary Check pressure switch, Repair or replace as necessary. Check PLC inputs.

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Table 4 Examples for FMEA of TDM

품목품목품목품목 기능기능기능기능 고장모드고장모드고장모드고장모드 고장원인고장원인고장원인고장원인 고장탐지고장탐지고장탐지고장탐지 고장영향고장영향고장영향고장영향

ⅠⅠⅠⅠ ⅡⅡⅡⅡ

Retractable Dolly

Intermeditate Frame

Motor Trunnion

모터고정 균열 재료변형

소재불량 육안검출 기능상실

Pipe Handler

IBOP

IBOP Valve

유동개폐 균열 소재, 가공불량

조립, 설계불량 육안/비파괴 파손에 의한 기능상실

Kelly 동력전달,

머드공급 진동, 균열 조립 내압 진동

Power Supply

전력공급 불능 서지, 단선 성능시험 출력저하

Torque Wrench

Cylinder 조절

파손,

탄성력상실

열화, 부식

소재, 제작불량 육안/측정

(탄성계수) 파손에 의한 기능상실

Clamp 고정 진동 균열 노화시험 기능상실

Elevator Elevator

Clamp 고정 균열, 누설 소재, 가공불량

조립, 설계불량

부식/염수분무

육안/내압 없음 없음

Link Part 고정 고착, 부식 소재, 가공불량

조립, 설계불량

부식/염수분무

육안/내압

부식에

의한 파손 파손

Table 5 Examples for FMEA of gearbox

부품명부품명부품명부품명 부품의부품의부품의부품의 역할역할역할역할 고장형태고장형태고장형태고장형태 고장영향고장영향고장영향고장영향 고장발생원인고장발생원인고장발생원인고장발생원인 고장판정기준고장판정기준고장판정기준고장판정기준 검증시험검증시험검증시험검증시험 방법방법방법방법

기어 (Gear)

동력 전달

속도와 토크의 가감

동력 전달 방향 전환

절손 기어 파손

전동 불가

과부하

열처리 크랙

전동

소음

진동

수명 평가시험

마모

(치면 피로, 소성,

유동, 마모 등)

효율 저하

온도 상승

소음/진동 증가

오일 변색

과부하

정밀도 부족

윤활 불량

OHL 과다

예압 과다

효율

온도

소음

수명 평가 시험

치간섭

효율 저하

온도 상승

소음/진동 증가

설계불량

정밀도 불량

백래쉬 부족

효율

온도

소음

진동

종합성능 평가 시험

베어링 (Bearing)

축과 케이스의 연결

및 지지

OHL 지지

손상 마모

기어 고장 온도 상승

소음/진동 증가

과부하

오염 및 이물질

침임

윤활 불량

OHL 과다

온도

소음

진동

종합성능 평가시험

수명 평가시험 유격감소 소음증가

축(Shaft)

키(Key) 동력 전달 파손 전동 불가

과부하

OHL 과다 전동 수명 평가시험

오일씰 (Oil Seal)

기어박스 밀폐 손상 누유 발생 열화 누유 종합성능 평가시험

수명 평가시험

케이스 (Case)

기어박스 밀폐 및

보호, 하중감당 축부위 크랙 다리파손

전동 불가 누유 발생 이상 진동

OHL 과다

반복 충격

전동

누유

진동

종합성능 평가시업

2.4 Functional Concept Design FMEA분석과 더불어 탑 드라이브의 핵심 부품에 대한 기능 분석이 완료된 부품은 Pro Engineer Wildfire를

사용하여 3D Functional Concept Design을 수행하였다. Fig. 5는 탑 드라이브 장비의 핵심 부품 중의 하나인 Pipe

Handler의 유압 및 공압 공급라인과 회전 및 비회전 부품에 대한 기능을 분석한 것으로써, 이러한 기능을

고려하여 3D 모델링 작업을 수행 하였다. Fig. 6은 Fig. 5와 유사한 방법으로 탑 드라이브 장비의 각 핵심 요소

부품들을 기능적인 측면을 고려하여 모델링한 부품도 이다.

배재일 · 정재욱 · 이준석

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Fig. 5 Example of functional concept design

Fig. 6 Functional design for TDM components

Fig. 7 Final assembly for functional concept design

이러한 부품도를 모두 조립하면 Fig. 7과 같이 최종적으로 완성된 Functional TDM이 된다. 다음은

완성된 Functional TDM을 Operating 측면을 고려하여 추가적으로 모델링하고 이를 실제로 제작 할 수

있게 승인용 도면을 작성하는 단계로 넘어가면 된다. 하지만 사전에 Functional TDM의 설계적인 측면을

검증해 볼 필요성이 있다.

2.5 Functional Concept Design 검증

다음은 Functional TDM을 Operating TDM으로 수정/보완 하기 전에 Functional TDM이 올바르게 설계되었는지

검증하는 절차를 수행하였다. Fig. 8 그림과 같이 CATIA를 이용하여 Functional TDM의 정적인 상태의 설계

오류가 있는지 검토를 수행 한 후 간섭이 일어나는 부품들에 대한 수정 작업을 수행하였다. 정적인 설계오류

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Fig. 8 Example of assembly design error

Fig. 9 Example of structure strength & stress analysis

Fig. 10 Example of flow chart of top drive machine

Fig. 11 Time chart for TDM

검토를 완료한 후 Fig. 9와 같이 ANSYS를 활용하여 초기 예측 성능에 부합한 설계가 이뤄졌는 확인하기

위한 구조강도해석을 수행하였다. 이 결과 Pipe Hander와 Elevator를 연결하는 Link가 구조적으로 약하게

설계가 되어 있어 초기 목표 보다 낮은 결과가 나왔으며, 이를 개선하기 위하여 Link의 두께와 지름을 키워,

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Fig. 12 Concept design of TDM

목표 값에 도달 할 수 있도록 수정하였다.

구조강도 해석 및 정적 상태의 디자인 오류 검증을 완료한 후 DELMIA를 이용하여 Functional TDM의 Sequence와

동적인 상태의 디자인 오류 검증 작업을 수행하였다. Fig. 10은 Functional TDM을 Derrick구조물내에서 구동되는

Sequence Chart와 동적인 상태에서의 설계 오류 검증을 위해 시뮬레이션을 수행하는 모습을 나타낸다. Fig.

11은 탑 드라이브 장비가 수행하는 작업별 Cycle Time을 측정하기 위하여 시뮬레이션을 수행한 모습이다.

이를 통하여 개발된 탑 드라이브 장비가 Derrick과 간섭이 발생하여 Dolly Arm을 줄였으며, Cylce Time의

측정으로 사용되어져야 할 실린더의 스펙을 선정하였다. 2.6 개념설계 결과

Fig. 12는 Functional TDM의 설계 검증을 거쳐 수정/보완 된 최종적인 탑 드라이브 장비의 모습이다.

이는 초기 Functional TDM인 Fig. 7에 대비하여 가장 크게 변경된 사항은 가장 큰 변화는 구조해석 결과

1단 기어로 제작 시 구조적인 안정성은 만족하는 것으로 나타 났으나, 안전계수를 고려할 경우

안정성에 문제가 있을 수 있을것으로 판단되었다. 따라서 기어의 수명과 구조적인 안전성을 개선하기

위하여 최종적으로 2단 기어를 사용하기로 확정하였다.

3. 결 론

본 논문에서는 해양 시추용 탑 드라이브 장비의 개념설계를 위한 개발 절차 및 방법에 대하여 소개하였다.

이를 위해 선행 기술조사 및 FMEA를 통하여 개발 장비의 주요기능 및 고장요인, 주요 설계인자 등을

도출하였다. 또한 3D CAD 및 Simulation Tools을 이용하여 도출된 개념설계안에 대하여 정적, 동적인

상태에서의 설계오류 검증, 구조해석, Cycle Time 예측 등을 수행하였으며, 이를 통하여 좀 더 신뢰성이

확보된 탑 드라이브 장비의 개념설계를 도출 할 수 있었다. 또한 각 단계별로 Feedback을 거쳐 최종 모형의

제작시 발생할 수 있는 오류를 최소화 하도록 하였다.

이렇게 도출된 탑 드라이브 장비의 개념설계를 바탕으로 실 제품을 제작하여 향후 구동이 가능한 탑

드라이브 장비를 제작할 예정이다. 개발이 완료되면 특허 회피를 통해 자체적으로 기술력 확보가 가능할

것으로 보이며, 성공적으로 독자 모델 개발 시 수요 기업에 적극적인 마케팅을 통해 수요 창출이 기대된다.

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또한 시추시스템의 국산화에 성공하여 시추선의 핵심기자재와 시스템을 독자적으로 운영함으로써 세계

원유/가스전 개발에도 우리나라가 독자기술로 유전 개발이 가능 할 것으로 기대된다.

후 기

본 논문은 은광산업(주)가 수행하고 있는 지식경제부 부품소재기술개발사업의 ‘해양시추용 Drill Rig의

1,000마력 이상급 Top Drive와 Drill Bit 및 Collar의 기술개발(과제번호: 1040883)’ 과제에서 지원되었습니다.

참고문헌

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