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J. Ocean Eng. Technol. > Volume 30(2); 2016 > Article
해상크레인을 이용한 다양한 해저 장비의 설치 작업 시 상하운동응답특성에 관한 모형 시험 연구

Abstract

An experimental study on a subsea installation using an offshore crane was conducted. Concrete blocks, suction piles, and manifolds were considered in this study. Free decay tests were conducted to investigate the fluid characteristics of the subsea structures. The added masses of the structures were estimated. The motion response amplitudes of the subsea structures were compared for different structures and water depths. In addition, the dynamic tension transfer function of the crane wire was investigated. The root mean square values of the heave motion and the dynamic amplification factor of the wire tension were investigated in irregular waves.

1. 서 론

최근 들어 심해로의 유전의 개발이 확대됨에 따라 심해 해양 플랜트 설치기술에 대한 중요성이 대두되고 있다. 심해 해양 플랜트 설치기술은 해저 생산 장비, URF(Umbilical, Riser, Flowline) 시스템 등을 원하는 위치에 안전하고 경제적으로 설치하기 위한 일련의 작업흐름을 설계 및 해석하는 기술을 일컫는다. 심해 설치 시 설치 공법의 선정 및 평가 기술, 설치 선단과 설치 장비를 선정 및 운용 기술, 해저 장비 또는 구조물을 설치선으로부터 해저에 안정적으로 하강시키는 기술, 해저 장비를 해저 연약 지반에 지지하기 위한 기술 등이 요구된다. 심해저 설치 시 주로 해상 크레인을 이용하여 심해저 장비를 설치하게 된다. 이러한 설치 공법은 대상 수심이 깊어짐에 따라 해저 구조물의 상승 및 하강 문제(Lifting and lowering), 하중 제어 및 위치 유지(Load control and positioning) 그리고 해상 조건에 따른 작업 조건 요건(Metocean effects and weather window requirement)과 같은 공학적인 문제들이 고려되어야 한다(Rowe et al., 2001). 특히, 심해 설치 작업 시에는 크레인 와이어의 길이가 길어지게 됨에 따라 특정 깊이 조건에서 설치구조물과 크레인 와이어의 상하 공진응답이 발생할 수 있다. 이러한 과도한 상하 공진응답은 구조물간 또는 해저면과의 충돌을 유발할 수 있으며 또한 크레인 와이어에 큰 장력을 가하게 되어구조물의 소실과 같은 사고로 이어질 수 있다.
해상 설치와 관련한 최근 연구로는 Clauss et al.(2000)이 부유식 해상 크레인의 작업과 관련하여 크레인선과 매달려 있는 구조물간의 비선형 연성 문제에 관한 연구를 수행하였으며, Cha et al.(2009)는 다물체 동역학을 기반으로 하여 해상크레인을 이용한 블록 Lifting 작업에 관한 시간영역 해석을 수행한 바 있다. Kimiaei et al.(2009)는 해저설치구조물에 작용하는 유체력과 관련하여 단순화된 수치 모델링을 제시한 바 있다. Nam et al.(2013)는 해저 장비의 하강 작업 시 Heave compensator의 유효성에 관한 수치해석 연구를 진행한 바 있으며 Nam et al.(2015)는 해저 장비설치 모형 시험을 수행하였으며 Passive heave compensator의 효율에 대해 검토한 바 있다.
본 연구에서는 해상 크레인을 이용한 심해저 설치 모형 시험을 수행하였으며 해저 설치 구조물 종류에 따른 부가 질량 및 설치 수심에서의 공진 주기, 수직 운동 응답 및 크레인 와이어 동적 장력 전달함수를 살펴보았다. 또한 설치 수심에 따른 결과를 비교 고찰하였다. 심해저 설치를 위해 3가지 종류의 해저 설치 구조물이 고려되었으며 심해저 설치 모형 상사를 위한 모형시험 기법을 고안하였다. 또한 수면 하 구조물의 운동을 계측하고자 수중 카메라를 이용하여 모형 시험을 수행하였다.

2. 모형 시험

2.1 시험 모델

본 연구에서는 KT서브마린사가 보유한 “세계로호”를 대상선으로 활용하였다. 본 선박은 해상크레인(Offshore crane)과 에이프레임(A-frame)을 선미부에 장착하고 있으며, 다양한 해저 케이블 설치용 장비 등을 보유하고 있다. Fig. 1은 1/30의 축척비로 제작된 모형선박의 모습을 보여주고 있다. 대상 선박의 제원을 Table 1에 나타내었다.
Fig. 1

Model Vessel

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Table 1

Specification of model ship

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심해 설치를 위해 사용된 해상 크레인은 모형 선박의 좌현 선미부에 위치하고 있으며, Fig. 2는 모형시험을 위해 축소 제작된 크레인의 모습을 보여주고 있다. 모형 크레인은 크레인 자체의 진동을 최소화하기 위해 알루미늄 재질로 견고하게 제작하였으며, 소형 모터가 장착된 윈치 시스템을 적용하여 설치 구조물의 상승 및 하강 작업이 가능하도록 구성하였다. 또한 크레인 와이어가 통과하는 도르래를 2축 로드셀에 연결하여 크레인 와이어에 작용하는 장력을 계측할 수 있는 시스템을 고안하였다.
Fig. 2

Offshore crane model

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본 모형시험에서는 3가지 해저 설치 구조물, 즉 콘크리트 블록(Concrete block), 석션 파일(Suction pile), 매니폴드(Manifold)을 고려하였다. Fig. 3은 축소 제작된 해저 설치 구조물의 모습을 보여주고 있으며, Table 2는 수중 및 공기 중에서 계측된 대상 구조물의 무게를 실선 기준으로 나타내었다.
Fig. 3

Subsea Equipment

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Table 2

Underwater weight of subsea installation objects

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2.2 절단 심해 설치 모형 시험 기법

선박해양플랜트연구소의 해양공학수조(L×B×d : 68.8×37.0×3.2m)의 중심에 깊이 15m, 직경 5m의 피트(Pit)가 존재하지만 실제 심해저 설치 수심인 1,000~3,000m에 대응하는 수심조건을 확보하기 어려우며, 또한 실제 크레인 와이어의 축 강성 및 단위 길이 당 질량 등을 모형 축소비로 상사하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 절단 심해 설치 모형시험 기법(Truncated deep water installation experiment technique)을 도입하였다(Nam et al. 2015). 이 기법에서는 실제 설치 수심조건에 대한 크레인 와이어의 축강성을 상사하고자, 모형수조 깊이를 초과하는 부분의 크레인 와이어 에 대해 부가적인 스프링으로 대체하여 권송시스템의 전체 수직 강성을 상사하게 된다. 이 기법에 대한 도식적인 설명은 Fig. 4에 나타내었다.
Fig. 4

Schematic view of an truncated deep water installation experiment technique

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심해 해저 설치 시 고려된 크레인 와이어의 축 강성 및 모형시험에서 사용된 와이어의 축 강성 및 절단된 와이어의 강성에 해당하는 스프링을 강성을 실선 기준으로 Table 3에 나타내었다.
Table 3

Crane wire and truncated spring stiffness

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2.3 해저 설치 구조물 운동 계측 시스템

수중에서 해저 설치 구조물의 운동을 계측하기 위해 영상 기반 운동 추출 기법을 도입하였으며 모형 시험에서 사용된 수중 카메라 및 수중 카메라 취부 장치를 Fig. 5에 나타내었다. 수중 카메라로부터 취득된 영상의 예를 Fig. 6에 나타내었다. 취득된 영상으로부터 수중에서 거동하는 물체의 운동 시계열을 추출하기 위해 영상 기반 운동 추적 프로그램을 사용하였다. 이 때 해저 구조물에 추적이 가능한 구 형태의 추적 점을 부착하였으며 모형 시험 중 수중 카메라 촬영을 통해 얻어진 영상을 후처리 프로그램을 사용하여 운동 시계열을 추출하였다.
Fig. 5

Underwater camera system

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Fig. 6

Acquired underwater camera video

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2.4 환경 조건

모형 시험에서는 규칙파, 백색잡음파 그리고 불규칙파가 고려되었으며 각각의 환경 조건을 Table 4에 정리하였다. 이 때 입사파는 파향 180°, 즉 선수파만을 고려하였다.
Table 4

Environmental conditions

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3. 모형 시험 결과 및 해석

3.1 자유 감쇠 시험

수중에서 거동하는 설치 구조물의 특성을 파악하기 위해 자유 감쇠 시험을 수행하였다. 자유 감쇠시험은 설치 구조물을 일정한 속도로 하강시키다가 갑자기 정지하도록 윈치 시스템을 제어함으로써 수행하였다. 각각의 구조물에 따라 3번의 반복시험이 수행되었으며 Fig. 7은 자유 감쇠 시험에서의 구조물의 상하운동 및 크레인 와이어 장력 시계열을 보여주고 있다. 이 때 크레인 와이어의 길이는 설치 수심 1,000m 조건에 맞추어진 상태이며 구조물 무게와는 상관없이 동일한 강성의 크레인 와이어가 사용되었다고 가정하였다. 상대적으로 무게가 가벼운 콘크리트 블록의 경우 짧은 주기로 상하운동하며 오랜 시간 동안 운동이 지속되는 것을 볼 수 있다. 반면 석션 파일의 경우 콘크리트 블록보다 약 2배가량의 긴 주기로 상하운동을 하며 감쇠비도 크게 증가하였다. 매니폴드의 경우 임계감쇠의 경향을 보이며 빠르게 정적 평형위치로 수렴해 가는 모습을 볼 수 있다. 이는 매니폴드의 복잡한 구조물 형상이 상대적으로 큰 감쇠효과를 야기했기 때문이다.
Fig. 7

Heave and wire tension time series (Free decay test on subsea equipment; Depth 1000 m spring)

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Table 5는 자유 감쇠 시험으로부터 구한 상하 운동 고유 주기 및 그로부터 추정된 각 구조물의 부가질량 값을 요약하였다. 콘크리트 블록의 경우 추정된 부가질량이 자중의 약 70%에 해당하며 반면 석션 파일의 경우 부가질량이 자중의 2.7배에 해당하였다. 이는 석션 파일의 윗면이 막힌 원통형 구조로 인한 것으로 윗면이 막힌 원통이 수중 거동 시 많은 유체를 동반하면서 큰 부가질량 효과를 나타내었다(Rowe et al. 2001)
Table 5

Natural periods and added mass of subsea equipment

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3.2 규칙파 및 백색잡음파 실험

설치 수심 1,000m 조건에서 콘크리트 블록의 전후 및 수직 운동의 전달 함수를 백색잡음파와 규칙파 실험으로부터 구한 결과를 비교하여 Fig. 8에 도시하였다. 시스템의 선형성이 유지된다면 두 실험결과는 동일한 전달함수를 보여주어야 하며 Fig. 8에서 두 시험의 결과는 대체로 잘 일치하는 경향을 보여주었다. 콘크리트 블록의 전후 운동은 저주파수로 갈수록 증가하는 경향을 보이며, 파 주파수 0.5rad/s 이상에서는 입사파고의 30% 이하의 작은 응답특성을 보여주었다. 반면 콘크리트 블록의 수직운동은 설치선의 종동요 공진주파수, 즉 파주파수 0.7 근방에서 가장 크게 발생하였다. 이 때 입사파고 대비 2배 이상의 크기로 콘크리트 블록이 수직방향 거동을 하였다. 크레인 와이어의 축강성으로 인한 콘크리트 블록의 상하 공진주기 조건인 파주파수 1.3 rad/s 근방에서도 블록의 수직운동이 다소 증가하는 경향을 보였다.
Fig. 8

Surge and heave motion of concrete block (depth = 1,000 m)

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Fig. 9는 3가지 설치구조물의 주파수에 따른 운동응답 특성을 비교하여 보여주고 있다. 구조물의 전후방향 운동은 구조물의 종류에 상관없이 거의 동일한 경향을 가지나 구조물의 수직방향 운동은 구조물에 따라 매우 다른 양상을 보여주고 있다. 석션 파일의 경우 가장 큰 수직방향 운동 응답을 보여주었으며, 파주파수 0.65rad/s 근방에서 입사파고 대비 약 4배에 해당하는 수직운동 응답을 보여주었다. 이는 콘크리트 블록과는 다르게 권송시스템의 질량-스프링 공진주파수(약 0.8rad/s)가 설치선의 종동요 공진주파수 근방에 위치함에 따라 석션 파일 수직 운동 응답을 더 증폭시킨 것으로 이해할 수 있다. 반면 매니폴드의 경우 상대적으로 자중이 크고, 임계감쇠에 가까운 큰 감쇠력이 운동 시 발생하기 때문에 구조물의 수직운동응답이 다른 두 구조물에 비하여 매우 작은 것을 볼 수 있다. 특히 설치선의 종동요 공진주파수 근방에서도 크레인 끝단의 수직 운동보다도 오히려 매니폴드의 수직 운동이 더 작은 경향을 보여주었다.
Fig. 9

Comparison of motion transfer functions of three different structures

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Fig. 10은 크레인 와이어에 작용하는 동적인 장력 응답 특성을 구조물에 따라 비교하여 보여주고 있다. Fig. 10 (a)는 계측된 장력을 차원화된 값으로 직접 도시하였으며 Fig. 10 (b)는 크레인 와이어의 전체 장력 중 동적 장력의 비율을 알 수 있도록 동적 증폭 인자(DAF, Dyanmic amplification factor) 값을 식 (1)의 정의를 이용하여 표시하였다. 본 연구에서는 구조물의 수면 하 자중(Weight in water), W를 이용하여 DAF 값을 계산하였다.
Fig. 10

Comparison of dynamic tension on the crane wire (water depth : 1,000 m)

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최대 동적 장력은 가장 큰 수직운동을 보인 석션 파일 조건에서 발생하였으며, 단위 파고 당 약 39kN의 동적 장력이 발생하였다. 콘크리트 블록과 매니폴드는 단위 파고 당 약 18kN의 동적 장력이 유발되었으며, 매니폴드는 저주파수 영역에서 상대적으로 큰 장력이 발생하였다. DAF 값을 기준으로 보았을 때에도 석션 파일이 가장 큰 값을 보여주고 있으며 상대적으로 매니폴드는 자중이 크기 때문에 DAF 값이 매우 작았다. 파 주파수 0.7~0.8rad/s근방에서 석션 파일은 약 2.0의 DAF 값을 가지며 콘크리트 블록은 파 주파수 0.7~0.8rad/s 및 1.2rad/s 근방에서 약 1.5의 DAF 값을 보여주었다.
이러한 구조물의 운동 및 크레인 와이어의 동적 거동 특성은 설치 수심, 즉 크레인 와이어의 길이에 따라 영향을 받게 된다. 설치 수심이 깊어질수록 설치 구조물 설치를 위해 크레인 와이어의 길이가 증가하데 되는데, 크레인 와이어의 강성은 길이에 따라 선형적으로 감소한다. 따라서 수심이 깊어짐에 따라 권송 시스템의 질량-스프링 공진주기는 장주기 쪽으로 이동하게 된다. Fig. 11은 매니폴드가 3가지 설치수심에서 수직거동과 동적 장력 특성이 어떻게 변화하는 지를 보여주고 있다. 수심이 낮아질수록 매니폴드의 수직방향 운동은 점차 증가하는 경향을 보여 주고 있으며, 그로 인하여 크레인 와이어에 작용하는 동적 장력도 크게 증가하는 모습을 볼 수 있다. 이는 수심이 얕아짐에 따라 크레인 와이어에 의한 축강성이 강해지고, 공진주가 점차 고주파수영역으로 이동함에 따라 매니폴드의 거동이 증가한 결과이다.
Fig. 11

Effect of water depth on vertical motion and dynamic tension (Manifold)

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3.3 불규칙파 시험

불규칙파 중 수심 조건 1,000m에서 계측된 콘크리트 블록의 종방향 및 수직 운동 시계열을 불규칙파 주기에 따라 비교하여 Fig. 12에 도시하였다. 시계열을 비교하여 보았을 때 단주기 불규칙파 조건에서 운동 시계열이 상대적으로 장주기에 비해 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 각각의 구조물에 대해 불규칙파 시험을 수행하였으며 계측된 해저 구조물의 상하운동의 RMS(Root mean square)와 크레인 와이어 DAF 값을 비교하여 Fig. 13에 도시하였다. 석션 파일의 상하 운동의 RMS 및 DAF 값이 다른 해저 구조물보다 큰 것을 확인할 수 있으며, 이는 앞선 자유감쇠시험에서 관찰한 것처럼 석션 파일의 공진 주기가 실험이 수행된 파주기 영역에 가깝기 때문인 것으로 이해된다.
Fig. 12

Surge and heave time series of concrete block in irregular waves (Water Depth = 1,000 m)

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Fig. 13

Comparison of the heave RMS and DAF in irregular seas (Water Dapth = 1,000 m)

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불규칙파 중 계측된 콘크리트 블록 및 석션 파일의 상하 운동 RMS 및 DAF 값을 파고에 따라 Figs. 14~15에 도시하였다. 이 때 여러 파고의 응답은 파고 1m를 기준으로 하여 선형을 가정하여 계산한 값이다. 전반적으로 장주기의 불규칙파 조건에서 두 구조물의 상하동요가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 석션 파일의 상하 운동 RMS 값이 콘크리트 블록보다 큰 것을 확인할 수 있었다. 와이어 장력 DAF의 경우 상하 운동에 비해 큰 차이를 가지는 것을 확인할 수 있었으며 특히 석션 파일의 경우 DAF 값이 매우 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한 부가 질량에 의한 것으로 생각된다. 본 실험 결과로부터 각각의 구조물의 질량이 비슷한 값을 가지더라도 수중 설치 시 상하운동 및 와이어 장력 DAF 값이 크게 변화한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 파 주기 및 파고에 따른 상하 운동 및 와이어 장력 DAF 등고선 그래프를 통해 해상 작업 시 설치 가능 유무성을 판단할 수 있다.
Fig. 14

Heave RMS and wire tension DAF of the concrete block installation in irregular waves

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Fig. 15

Heave RMS and wire tension DAF of the suction pile installation in irregular waves

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4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 다양한 해저 구조물 설치 작업에 대한 모형 시험을 수행하고 이에 대한 해석을 수행하였다. 설치 모형 시험을 수행하기 위해 절단 심해 설치 모형 기법을 도입하였으며, 수중 카메라를 설치하여 수중에서 거동하는 설치 구조물의 운동을 계측하였다. 다양한 설치 구조물에 대해서 자유 감쇠시험을 수행하여 해당 설치 수심에서 고유 주기를 계측하고, 이로부터 구조물의 부가질량을 추정할 수 있었다. 콘크리트 블록의 경우 자중 대비 약 70%의 부가질량이 발생하였으며, 석션파일의 경우 자중의 약 2.7배에 해당하는 큰 부가질량을 가짐을 확인할 수 있었다. 매니폴드의 경우 복잡한 형상으로 인해 임계 감쇠에 가까운 감쇠력을 가지며 이러한 감쇠력으로 인해 부가 질량 추정이 어려움 또한 확인하였다. 규칙파 및 백색잡음파 시험을 통해 파 주파수에 따른 각 구조물의 수중 운동 및 와이어 장력을 비교하였다. 구조물의 수중 운동 및 장력의 경우 설치 선의 운동뿐만 아니라 구조물-와이어 시스템의 응답 또한 중요한 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 또한 수심에 따른 영향을 검토하여, 수심이 깊어짐에 따라 와이어 강성 변화가 발생하고 이로 인하여 구조물의 상하 운동 및 장력이 변화하는 것을 확인하였다. 또한 불규칙파 시험을 통해 파 주기 및 파고에 따른 구조물의 상하운동 및 와이어 장력 DAF 등고선 그래프를 통해 해상 작업 시 설치 유무성을 판단할 수 있음을 알 수 있다.

NOTES

It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KSOE 2015 in Daejeon.

감사의 글

본 연구는 선박해양플랜트연구소에서 수행중인 산업통상자원부 산업원천기술개발사업 “심해자원 생산용 해양플랜트 시장진출을 위한 해저장비 및 URF 설치용 3,000m급 심해설치 공사기술개발” (PNS2410) 과제의 지원으로 수행된 연구결과 중 일부임을 밝히며, 연구비 지원에 감사드립니다.

References

Cha, J.H, Lee, K.Y, Ham, S.H, Roh, S.H, Park, M.I, Suh, H.W. (Discrete Event/Discrete Time Simulation of Block Erection by a Floating Crane Based on Multibody System Dynamics Proc. of the 19th Int. Offshore and Polar Engineering Conference Osaka, Japan: 2009). 1: 678-685.

Clauss, G.F, Vannahme, M, Ellermann, K, Kreuzer, E. (Subharmonic Oscillations of Moored Floating Cranes Offshore Technology Conference Houston, Texas: 2000). OTC 11953.

Rowe, S.J, Mackenzi, B, Snell, R. (Deepwater Installation of Subsea Hardware Proceedings of the 10th Offshore Symposium Houston USA: 2001). 1-9.

Kimiaei, M, JiaJing, X, Yu, H. (Comparing the Results of a Simplified Numerical Model with DNV Guidelines for Installation of Subsea Platforms Proceedinds of the 28th Int. Conf. on Ocean, Offshore and Arctic Engineering Honolulu, Hawaii: 2009). 319-326 OMAE2009-79356.

Nam, B.W, Hong, S.Y, Kim, Y.S, Kim, J.W. (Effects of Passive and Active Heave Compensators on Deepwater Lifting Operation, International Journal of Offshore and Polar Engineering, 2013). 23(1):33-37.

Nam, B.W, Kim, N.W, Choi, Y.M, Hong, S.Y, Kim, J.W. (An Experimental Study on Deepwater Crane Installation of Subsea Equipment in Waves Proc. of the 25th Int. Ocean and Polar Engineering Conference Kona, Hawaii: 2015). 1279-1283.



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