[논문]유조선의 선체손상 시 기름의 해상유출에 대한 실험적 연구

김을년; 하우일; 최익흥

doi:10.3744/snak.2009.46.4.398

[국내논문] 유조선의 선체손상 시 기름의 해상유출에 대한 실험적 연구
An Experimental Study on the Oil Spillage of Damaged Oil Tanker 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.46 no.4, 2009년, pp.398 - 408

김을년 (현대중공업 선박해양연구소 구조연구실) , 하우일 (현대중공업 선박해양연구소 구조연구실) , 최익흥 (현대중공업 선박해양연구소 구조연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Crude oil carriers or product oil carriers are confronted with sea pollution due to hull damage from various accidents. To reduce the oil spillage of tankers, IMO(International Maritime Organization) and OPA 90(Oil Pollution Act 1990) adopted the hull structures of double skin type. In this study, oil spillage test of the double skin tanker with 1/100 scaled model was carried out under damaged condition due to collision and grounding accidents. A new structural type of oil tanker was also tested with pipe and valve system arranged in double side and single bottom hulls. Their results were compared with that of conventional type double hull on the view point of ship safety and oil spillage.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사고 시에 화물창에서 해상으로 기름유출을 최소화 시킬 수 있는 방법을 찾기 위하여 이중선체 구조와 파이프와 밸브장치를 갖춘 새로운 형태의 선체구조에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 각종 선박사고로 선체가 손상되었을 때 기름의 해상유출에 안전한 선체구조로 알려진 이중선체 구조에 대하여 선체손상 시나리오를 선정하고 초대형 유조선(VLCC)의 1/100크기의 모델을 만들어 기름 유출실험을 수행하였다.
유조선이 해상사고로 선체가 손상되어 화물창에 적재된 기름이 해상으로 유출되는 현상을 구현하는 실험을 수행하고자 실험모델을 제작하였다. 30만톤급 초대형 유조선(VLCC)의 치수는 대략 폭 60m, 높이 30m 정도이다.
11 은 실험모델을 측면에서 본 모습으로 한쪽 화물창에는 휘발유를 가득 채우고 다른 화물창은 빈 상태로 준비하였다. 본 실험에서는 단일선저에 구멍마개를 열었을 때 비중 차에 의한 휘발유의 이송 여부 및 유출 여부를 확인하고자 수행하였다.
본 연구는 유조선이 운항 중 충돌 또는 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 내부에 적재되어 있는 기름이 해양으로 유출되는 현상을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실험모델은 초대형 유조선(VLCC)의 1/100 크기로 제작하였으며 화물창 내에 적재되는 기름은 휘발유, 경유, 벙커 A 유를 사용하였다.

가설 설정

본 연구에서는 선박이 충돌, 좌초 그리고 좌주 사고로 인하여 선체가 파손되는 경우를 가정하여 실험모델을 제작하였다. 충돌사고를 구현하기 위하여 선측 내/외판에 각각 2~3 개의 구멍을, 좌주 사고를 위하여는 각 화물창의 선저 내외판에 1 개의 구멍을 만들었다.
10 에 나타낸 바와 같이 상갑판상에 파이프와 밸브를 설치한 신모델 Ⅰ과 파이프를 상갑판상에 설치하지 않고 선측 상부(상갑판상에서 40mm 하부)에 설치한 신모델 Ⅱ를 각각 제작하였다. 충돌과 좌주사고를 가정하여 모델의 측면과 하부에 구멍을 만들고 필요할 때 구멍을 여닫을 수 있는 마개를 준비하였다.
물의 점성을 무시하고 파이프 단면적은 구멍의 단면적에 비하여 무시할 정도로 작다고 가정하면 파손구멍을 통하여 유입되는 물의 이동속도( v1 )는 파이프를 통한 휘발유의 이동속도( v2 )에 비해 매우 작은 값이 되며 v1 ≈ 0 이라 할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 사고 시에 화물창에서 해상으로 기름유출을 최소화 시킬 수 있는 방법을 찾기 위하여 이중선체 구조와 파이프와 밸브장치를 갖춘 새로운 형태의 선체구조에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위하여 각종 선박사고로 선체가 손상되었을 때 기름의 해상유출에 안전한 선체구조로 알려진 이중선체 구조에 대하여 선체손상 시나리오를 선정하고 초대형 유조선(VLCC)의 1/100크기의 모델을 만들어 기름 유출실험을 수행하였다. 또한 해상 기름유출을 최소화 할 수 있는 아이디어를 찾기 위하여 이중선측/단일선저 구조로 되어 있으며 파이프와 밸브 시스템이 구비된 새로운 선체를 설계하고 이에 대한 실험도 수행하였다.
이를 위하여 각종 선박사고로 선체가 손상되었을 때 기름의 해상유출에 안전한 선체구조로 알려진 이중선체 구조에 대하여 선체손상 시나리오를 선정하고 초대형 유조선(VLCC)의 1/100크기의 모델을 만들어 기름 유출실험을 수행하였다. 또한 해상 기름유출을 최소화 할 수 있는 아이디어를 찾기 위하여 이중선측/단일선저 구조로 되어 있으며 파이프와 밸브 시스템이 구비된 새로운 선체를 설계하고 이에 대한 실험도 수행하였다. Fig.
2 에 실험모델과 수조의 주요치수를 나타내었다. 실험에서 기름의 유출과 이동 과정을 외부에서 관찰하기 위하여 투명한 아크릴 재질로 모델과 수조를 제작하였다.
본 연구에서는 선박이 충돌, 좌초 그리고 좌주 사고로 인하여 선체가 파손되는 경우를 가정하여 실험모델을 제작하였다. 충돌사고를 구현하기 위하여 선측 내/외판에 각각 2~3 개의 구멍을, 좌주 사고를 위하여는 각 화물창의 선저 내외판에 1 개의 구멍을 만들었다.
DNV(2007)의 설계 규정은 이중선저의 최소높이와 선측 발라스트 탱크의 최소폭을 제시하고 있으며 초대형유조선의 경우, 최소 높이와 폭은 2m 이다. Fig. 3 에 나타낸 바와 같이 선저와선측이 각각 이중선체로 된 실험모델을 제작하였으며 충돌, 좌주, 좌초사고를 실험할 할 수 있도록 손상부위를 고려하였다.
Fig. 5 와 같이 선측 상단부의 내외판에 구멍이 생겼을 때 경유를 사용하여 기름유출 실험을 수행하였다. 모델의 흘수는 275mm 로 맞추었으며 실험에서는 모델의 운동이 없는 정적상태에서 수행 하였다.
두번째 실험으로 Fig. 5 에 나타낸 바와 같이 밸브를 열어 파이프를 통하여 선체외부에 있는 별도의 외부탱크(실험에서는 비닐팩을 사용)으로 기름이송 실험을 수행하였다. Fig.
이중선체 구조에 대하여 선측 하단부에 손상이 난 경우에 대하여 실험을 수행하였다. Fig.
9 에 나타낸 바와 같이 이중선체의 선저 내외판이 좌주사고로 구멍이 생겼을 때에 대하여 실험을 수행하였다. 첫번째로, 모델의 흘수를 270mm 로 하고 화물창에 경유를 가득 채워 실험을 수행하였다. 선저 내외판의 손상 구멍을 연 순간 선저 이중저로 경유가 내려오고 동시에 물이 선저 이중저로 유입되었으며 미량의 경유가 선체 외부로 유출되었다.
두번째로 흘수를 220mm 로 맞추고 벙커 A 유를 사용하여 첫번째와 동일 실험을 수행하였다. 선측 발라스트 탱크의 195mm 까지 물이 유입되었으며 벙커 A 유의 유출은 전혀 없었다.
이중선체 모델과 동일한 치수이고 선저와 선측 하단부는 단일선체로, 선측 상단부는 이중선체로 모델을 제작하였다. 선측 하단부를 단일 선측구조로 만들어 선체 파손 시 단일 선측일 때와 이중선측일 때를 비교하였다.
이중선체 모델과 동일한 치수이고 선저와 선측 하단부는 단일선체로, 선측 상단부는 이중선체로 모델을 제작하였다. 선측 하단부를 단일 선측구조로 만들어 선체 파손 시 단일 선측일 때와 이중선측일 때를 비교하였다. 기름유출 사고 시 해상 유출을 최소화하기 위하여 선체내부 또는 외부탱크로 기름을 이송하는 파이프를 배치하고 각 파이프 끝단부 또는 중앙부에 밸브(Valve)를 설치하여 선체 손상 시 화물창 내외부의 압력차이로 인하여 기름이 이송 또는 차단할 수 있도록 하였다.
선측 하단부를 단일 선측구조로 만들어 선체 파손 시 단일 선측일 때와 이중선측일 때를 비교하였다. 기름유출 사고 시 해상 유출을 최소화하기 위하여 선체내부 또는 외부탱크로 기름을 이송하는 파이프를 배치하고 각 파이프 끝단부 또는 중앙부에 밸브(Valve)를 설치하여 선체 손상 시 화물창 내외부의 압력차이로 인하여 기름이 이송 또는 차단할 수 있도록 하였다. 파이프의 내경은 5mm 이며 기름의 이동을 관찰하기 위하여 투명한 파이프를 사용하였다.
휘발유 이송이 중단되는데 까지 걸린 총 시간은 890 초였으며 이때 인접한 화물창에 고인 휘발유의 깊이는 175mm 이었다. 화물창의 휘발유와 물의 압력차로 인하여 이송되는 휘발유의 양과 시간을 이론적으로 계산하고 실험결과와 비교하였다. 이론 계산에 필요한 휘발유의 비중과 파이프 치수 등을 Table 2 에 정리하였다.
한편 같은 실험조건으로, 휘발유 대신에 벙커 A 유를 사용하였다 단일 선저에 파손이 생겼을 때 모델의 흘수를 270mm 로 하여 동일한 유출실험을 수행하였다. 마개가 열리는 순간 미소량의 벙커 A 유가 압력차로 인하여 유출되었으나 이후 더 이상의 유출은 없었다.
또한 파이프를 통한 이송 실험을 수행하였으나 이론적으로 비중차이에 의한 이송은 이루어질 것으로 계산되었으나 벙커 A 유의 높은 점도로 인하여 상갑판상에 있는 파이프를 통한 이동은 없었다. 그러나 파이프의 직경이 커지면 압력차로 인한 이동이 이루어지는 것을 파이프 직경에 따른 압력차 실험으로부터 확인하였다.
흘수 275mm 를 맞추기 위하여 나머지 화물창에는 파란색의 수성잉크로 착색된 물로 채우고 상갑판상에 웨이트(Wieight)로 종 및 횡경사를 조절하였다.
좌초사고 시 선저부분의 손상으로 인하여 많은 양의 해수가 선체 내부로 유입되면 선박이 침몰할 수 있으며 심각한 횡경사 또는 종경사로 선박의 복원력을 상실할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 Fig. 15(a)에 나타낸 바와 같이 화물창내의 유입된 해수를 압축공기로 선체 외부로 밀어내는 개념을 도입하였다. 횡경사를 바로잡기 위하여 해수가 유입된 화물창과 발라스트 탱크에 밸브 2 를 열고 밸브 1, 5, 6 을 통하여 압축공기를 적절히 주입함으로써 유입된 해수가 밸브 2 또는 좌초된 부위를 통하여 선체 외부로 빠져 나가면서 선박의 자세를 복원한다.
15(a)에 나타낸 바와 같이 화물창내의 유입된 해수를 압축공기로 선체 외부로 밀어내는 개념을 도입하였다. 횡경사를 바로잡기 위하여 해수가 유입된 화물창과 발라스트 탱크에 밸브 2 를 열고 밸브 1, 5, 6 을 통하여 압축공기를 적절히 주입함으로써 유입된 해수가 밸브 2 또는 좌초된 부위를 통하여 선체 외부로 빠져 나가면서 선박의 자세를 복원한다.
해상 기름유출을 최소화 할 수 있는 아이디어로서 이중선측/단일선저 구조로 되어 있으며 파이프와 밸브 시스템이 구비된 새로운 형태의 선체를 제안하였다. 그 개념은 충돌과 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 화물창내의 기름과 유입된 해수의 비중차이 또는 선체 내외부의 압력차이를 이용하여 구비된 파이프를 이용하여 파손된 화물창의 기름을 발라스트 탱크 또는 다른 화물창으로 이동하는 것이다.
해상사고로 선체가 손상하여 화물창 또는 발라스트 탱크에 과도하게 해수가 유입됨으로써 선박의 침몰 또는 복원력(Stability)에 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 압축공기를 이용하여 발라스트 탱크 또는 화물창에 유입된 해수를 해상으로 불어내는 실험을 수행하였으며 그 효과를 확인하였다.

대상 데이터

30만톤급 초대형 유조선(VLCC)의 치수는 대략 폭 60m, 높이 30m 정도이다. 실험을 위한 모델의 크기는 운반과 설치, 기름유출과 기름이동의 관찰 등을 고려하여 초대형 유조선의 1/100 정도인 560mmx300mm (폭 x 높이)로 하였다. 또한 수조의 크기는 실험모델의 횡요(Rolling)과 종요(Pitching) 실험을 수행할 수 있는 공간을 고려하여 길이 x 폭 x 높이=1200mmx860mmx700mm 로 제작하였다.
실험을 위한 모델의 크기는 운반과 설치, 기름유출과 기름이동의 관찰 등을 고려하여 초대형 유조선의 1/100 정도인 560mmx300mm (폭 x 높이)로 하였다. 또한 수조의 크기는 실험모델의 횡요(Rolling)과 종요(Pitching) 실험을 수행할 수 있는 공간을 고려하여 길이 x 폭 x 높이=1200mmx860mmx700mm 로 제작하였다. Fig.
유조선은 정유소로부터 휘발유와 경유 등 정제된 기름을 소비지로 운반하는 정유운반선과 산유국에서 원유를 정유소로 운반하는 원유운반선으로 나눌 수 있다. 실험모델의 화물창에 적재하는 기름으로 3 가지 종류의 기름 즉, 휘발유, 경유, 벙커 A 유를 준비하였다. 여기서, 벙커 A 유는 원유와 가장 비슷한 특성치를 갖고 있어 원유를 대신하여 실험에 사용하였다.
실험모델의 화물창에 적재하는 기름으로 3 가지 종류의 기름 즉, 휘발유, 경유, 벙커 A 유를 준비하였다. 여기서, 벙커 A 유는 원유와 가장 비슷한 특성치를 갖고 있어 원유를 대신하여 실험에 사용하였다.
Table 1 은 실험에 사용한 기름의 비중과 점도를 나타낸 것으로 원유는 1996 년도 중동의 산유국으로부터 국내로 수입한 것이다.
기름유출 사고 시 해상 유출을 최소화하기 위하여 선체내부 또는 외부탱크로 기름을 이송하는 파이프를 배치하고 각 파이프 끝단부 또는 중앙부에 밸브(Valve)를 설치하여 선체 손상 시 화물창 내외부의 압력차이로 인하여 기름이 이송 또는 차단할 수 있도록 하였다. 파이프의 내경은 5mm 이며 기름의 이동을 관찰하기 위하여 투명한 파이프를 사용하였다.
Fig. 10 에 나타낸 바와 같이 상갑판상에 파이프와 밸브를 설치한 신모델 Ⅰ과 파이프를 상갑판상에 설치하지 않고 선측 상부(상갑판상에서 40mm 하부)에 설치한 신모델 Ⅱ를 각각 제작하였다. 충돌과 좌주사고를 가정하여 모델의 측면과 하부에 구멍을 만들고 필요할 때 구멍을 여닫을 수 있는 마개를 준비하였다.
12 는 실험에 걸린 시간과 이송한 휘발유의 양을 나타낸 것이다. 실험에 사용한 밸브의 내경은 3.2mm 였다. 이론적 계산결과와 실험결과는 유사한 경향을 나타내었으나 약간의 차이가 발생하였다.
본 연구는 유조선이 운항 중 충돌 또는 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 내부에 적재되어 있는 기름이 해양으로 유출되는 현상을 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 실험모델은 초대형 유조선(VLCC)의 1/100 크기로 제작하였으며 화물창 내에 적재되는 기름은 휘발유, 경유, 벙커 A 유를 사용하였다. 실험모델의 선체형상은 이중선체와 밸브와 파이프시스템을 갖춘 새로운 형태의 선체구조이며 본 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험모델은 초대형 유조선(VLCC)의 1/100 크기로 제작하였으며 화물창 내에 적재되는 기름은 휘발유, 경유, 벙커 A 유를 사용하였다. 실험모델의 선체형상은 이중선체와 밸브와 파이프시스템을 갖춘 새로운 형태의 선체구조이며 본 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

그러나 고 에너지 선측 충돌사고 시 선측 내외판 모두가 손상됨으로써 기름이 해양으로 유출된다. 그 유출량은 구멍의 크기가 같을 때 선측 하부가 파손되는 것보다 선측 상부가 손상되는 것이 많은 것으로 나타났다.
그 개념은 충돌과 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 화물창내의 기름과 유입된 해수의 비중차이 또는 선체 내외부의 압력차이를 이용하여 구비된 파이프를 이용하여 파손된 화물창의 기름을 발라스트 탱크 또는 다른 화물창으로 이동하는 것이다. 실험을 통하여 해상오염방지에 충분히 효과가 있음을 확인하였다.
상갑판상에 외부탱크를 구비하여 선체가 파손되었을 때 이를 해상에 낙하하고 새로운 선체구조에서 채택한 파이프와 밸브를 이용하여 화물창의 기름을 외부탱크로 이동함으로써 해상유출을 크게 줄일 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다.

후속연구

각종 해난사고로 유조선의 선체가 손상하여 기름이 유출되는 사고를 줄이기 위하여는 사고 예방 시스템을 갖춘 선박에 대한 연구 그리고 선체의 화물창 배치와 시스템적 운용에 대한 연구 등도 향후 이루어져야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기름의 유출로부터 발생하는 피해액을 줄일 수 있는 방법은 무엇인가?	이와 같은 기름의 유출로부터 발생하는 피해액을 줄일 수 있는 방법은 해상에 유출된 기름을 제거하기 위한 체계적 방제시스템을 구축하는 것이다. 또 다른 방법으로는 사고 예방시스템을 갖춘 선박의 운항과 각종 해난사고가 발생하여도 기본적으로 선체구조가 안전하도록 설계하는 것이다.
	유조선이 운항 중 충돌 또는 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 내부에 적재되어 있는 기름이 해양으로 유출되는 현상을 알아보기 위해 실험을 수행하였을 때 얻은 결론은?	이중선체 구조는 저 에너지 선측 충돌사고 시선측외판이 파손되더라도 선측 내판은 손상되지 않아 선체 외부로 기름이 유출되지 않는다. 그러나 고 에너지 선측 충돌사고 시 선측 내외판 모두가 손상됨으로써 기름이 해양으로 유출된다. 그 유출량은 구멍의 크기가 같을 때 선측 하부가 파손되는 것보다 선측 상부가 손상되는 것이 많은 것으로 나타났다. 고 에너지 선측 충돌사고에 대비하여 이중선측 폭을 크게 설계하는 것이 선측내판의 손상방지에 효과적이다. 또한 선측 내판이 파손되는 대규모 사고에서도 화물창으로부터 흘러나온 기름이 선측 발라스트 탱크에 보다 많이 보유할 수 있어 해양으로 유출이 적다. 선박의 흘수가 충분히 클 때 선저좌주 사고로 이중저가 손상되면 해수와 기름의 비중차와 압력차로 기름의 해양 유출은 단일 또는 이중선체 모두 거의 없었다. 그러나 흘수가 작을 때 손상탱크에 원유가 가득 채워져 있을 때 단일선체의 유출량이 많을 것으로 예상된다. 해상 기름유출을 최소화 할 수 있는 아이디어로서 이중선측/단일선저 구조로 되어 있으며 파이프와 밸브 시스템이 구비된 새로운 형태의 선체를 제안하였다. 그 개념은 충돌과 좌초사고로 선체가 파손되었을 때 화물창내의 기름과 유입된 해수의 비중차이 또는 선체 내외부의 압력차이를 이용하여 구비된 파이프를 이용하여 파손된 화물창의 기름을 발라스트 탱크 또는 다른 화물창으로 이동하는 것이다. 실험을 통하여 해상오염방지에 충분히 효과가 있음을 확인하였다. 상갑판상에 외부탱크를 구비하여 선체가 파손되었을 때 이를 해상에 낙하하고 새로운 선체구조에서 채택한 파이프와 밸브를 이용하여 화물창의 기름을 외부탱크로 이동함으로써 해상유출을 크게 줄일 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다. 해상사고로 선체가 손상하여 화물창 또는 발라스트 탱크에 과도하게 해수가 유입됨으로써 선박의 침몰 또는 복원력(Stability)에 문제가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 압축공기를 이용하여 발라스트 탱크 또는 화물창에 유입된 해수를 해상으로 불어내는 실험을 수행하였으며 그 효과를 확인하였다. 각종 해난사고로 유조선의 선체가 손상하여 기름이 유출되는 사고를 줄이기 위하여는 사고 예방 시스템을 갖춘 선박에 대한 연구 그리고 선체의 화물창 배치와 시스템적 운용에 대한 연구 등도 향후 이루어져야 할 것으로 사료된다.
	우리나라 연안에서 1990년대에 발생한 선박의 해양오염사고 건수는 연평균 몇 건인가?	1995 년 여수 앞바다에서 씨프린스(Sea Prince) 호의 좌초사고, 2007 년 태안반도에서 허베이 스피리트(Hebei Spirit)호의 충돌사고 등 우리나라 연안에서 수많은 선박사고로 인하여 원유가 해상으로 유출되어 심각한 환경오염을 유발시키고 있다. 강성길과 강창구(해양오염사고 사례분석, 대한조선학회지, 제 40 권, 제 2 호)에 따르면 우리나라 연안에서 1990 년대에 발생한 선박의 해양오염사고 건수는 연평균 374 건이 발생하였으며 유출량은 연간 4,354 킬로리터, 피해보상액은 연간 90 억원정도(방제비용 50 억원 포함)이다. 또한 2002 년 스페인 갈리시아 근해에서 발생한 프레스트지호의사고 한 건으로 1 만톤 가량의 중질유가 해상으로 유출되어 해안방제 비용만 10 억 유로 이상 지불되었다.

참고문헌 (2)

DNV, 2007, DNV Rules for Classification Ship, Part 8: IACS Common Structural Rules, Chapter 1: Common Structural Rules for Double Hull Oil Tanker with Length 150 meters and above, Section 5
Frank M.W., 1986 Fluid Mechanics, McGraw- Hill Book Company

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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