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근해역 양광시험을 위한 HDPE Pipe의 구조특성 연구
Analysis of Structural Characteristics of HDPE Pipe for Manganese Lifting Test 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.25 no.6 = no.103, 2011년, pp.86 - 90  

이재환 (충남대학교 선박해양공학과) ,  윤치호 (한국지질자원연구원)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The mining of imitated manganese noodles in 1000 m of seawater is planned for 2012. Thus, it is necessary to prepare the lifting pipes to be used for the test. Because of storage and expense constraints, flexible and economic HDPE pipe is being considered, making it necessary to test the structural ...

주제어

#망간단괴채집   #양광관   #고밀도 폴리에틸렌 관   #인장과 굽힘 시험   #압력시험  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 망간의 양광 리프팅 관으로 사용가능성을 탐색하기 위하여 나선형으로 된 국산 HDPE 관에 대해 재질 특성 파악을 위한 재료실험을 수행하였고 도출된 재료 물성치를 사용하여 1000m 해저 수압에 대해 구조해석을 수행하였다. 또한 구조해석의 정확성을 검증하고자 내압실험을 통하여 수행하였다.
  • 2012년 개발 목료로 진행중인 양광 펌프와 시스템에 대해 1000m 모조 망간 단괴 양광(채집) 실험을 구상하고 있는 한국은 일시적인 실험이라 저렴하고 현장에서 설치/분해 등 관리가 쉽게 모조 단괴를 버퍼로 공급하는 공급관이나 선상으로 양광하는 양광관 후보로 고밀도 폴리에틸렌 HDPE(High density polyethylene) 양광관 사용에 관심을 두고 있다. 본 연구에서는 수심 1,000 m용으로 국산 양광용 관의 강도상 적합성을 알아보기 위하여 재료특성에 대한 실험과 3D CAD 모델링, FEM 모델링 및 구조해석, 수압실험을 통하여 구조의 안정성을 검토하였다. 현재의 연구는 해양 채집 중 발생하는 지점의 해양상태 즉 파도, 조류, 채집선의 운동과 버퍼/펌프의 작동하중 등은 아직 고려되어 있지 않다.

가설 설정

  • 양광관이 양광시스템에서 가장 무거운 펌프의 영향을 최대한 안 받아야지만 순간적인 (펌프의 운동에 의한) 충격하중을 받는 다고 가정하여야 한다. 또한 이중표피 - H형 홀이 있는 양광관에 대해 1000m 길이의 요소모델링이 요소가 너무 많아 해석시에 애로사항이 발생함으로 이중표피가 아닌 단순두께 (외경 350, 내경 300mm) 관으로 1000m 모델링을 하며, 펌프 무게 15톤이 끝단에 작용하는 경우에 대한 해석 결과로 5.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
심해저 양광시스템은 어떤 시스템인가? 심해저 양광시스템 (Fig. 1)은 집광기를 통해 채집된 망간단괴가 유연관(Flexibile Pipe)을 통해 중간 버퍼로 유송되고, 유송된 단괴는 수직 양광관과 펌프에 의해 해상의 채광 선까지 이송되는 시스템이다. 망관 단괴를 이송하는 운송관(라이저)은 강철파이프와 유연관으로 분류되는데 유연재료에 관한 것으로 국외의 DeepFlex (www.
양광관은 무엇이 요구되는가? 통상 망간 채집 경우 해저의 집 광기가 이동하므로 버퍼까지는 유연관이 사용되고 버퍼부터 선상까지의 양광은 강도가 큰 강철관을 사용한다. 양광관의 경우 채광 수심에 따라 길이가 길어지며 높은 수압과 조류, 파도, 채광선의 동적운동 등의 외력에 견뎌야 하기 때문에 높은 강도와 유연성이 요구된다. 석유 수송에 사용되는 라이저는 강철관으로 이에 관한 연구결과가 많으나 망간 채집과 관련된 파이프 연구는 최근 들어 많이 발표되고 있다.
망간의 양광 리프팅 관으로 사용가능성을 탐색하기 위하여 나선형으로 된 국산 HDPE 관에 대해 재질 특성 파악을 위한 재료실험을 수행하였고 도출된 재료 물성치를 사용하여 1000m 해저 수압에 대해 구조해석을 수행한 결과는 무엇인가? (1) 재료 인장시험을 통해 일반적인 고밀도 폴리에틸렌 응력 범위에 있는 항복응력 14MPa를 얻었다. 또한 굽힘실험으로 재료역학 문헌과 같은 탄성 값 약 1GPa 를 얻었다. (2) 유한요소법으로 이중표피 관의 구조해석을 한 결과 1000m 수압에서 파이프의 최대응력은 2.5MPa 로 항복응력 14MPa 보다 매우 작아 안정성이 충분한 것이 보여 진다. (현재의 해석은 수중에서 파이프의 안과 바깥에 같은 크기의 수압이 작용하므로 응력은 적게 나오게 된다. 즉 수밀 되어 있는 상태의 관이 아니기 때문에 1000m 에서의 수압이 매우 큰 압력임에도 관에는 영향이 작다.) 6000m 심해저에 대한 구조해석에선 응력이 항복응력보다 다소 높게 산출되어 현재 형상의 사용에 대해서는 세밀한 분석이 필요하다. (3) 최종적인 안정성을 확인하기 위해서는 본문 내에 언급된 하중을 모두 고려하여야 하고 관을 이을 플랜지와 추가로 관을 보강할 설계안, 선박의 종류, 펌프/버퍼 무게, 해당 해역의 조류, 파력 등 관련 자료가 모두 있어야 하므로 향후 연구에서 고려되어야 한다. 현재 결과는 운용 선박이 결정되어 있지 않아 선박의 Heaving motion에 따른 운동력과, 조류력이나 고압펌프의 영향이 포함되어 있지 않고 단순히 수압에 대한 응력해석의 결과이다. 조류력에 의해 굽힘 모멘트가 긴 관의 상단에 크게 작용하고 큰 펌프압이 작용할 경우에는 관의 파단으로 인해 양광용으로 폴리 파이프를 사용할 수 없으므로, 인장력을 보완하는 방법이 있을 경우에는 모조 망간 단괴 시험에서 보조용 공급관등으로 사용함을 고려해 볼 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. DeepFlex, Inc. Products & Services Advantages DeepFlex Composite vs. Steel, www.deepflex.com 

  2. Gere, J. M. (2010). Mechanics of Materials, Kyobobook. 

  3. Handschuh, R., Grebe H., Panthel, J. and etc (2001). "Innovative Deep Ocean Mining Concept Based on Flexible Riser and Self-propelled Mining Machines," 4th ISOPE Ocean Mining Symposium. 

  4. Liu, S., Dai, Y., Cao, X. and Li, L. (2008). "Dynaamic Analysis of The Complete Integrated Deep-ocean Mining Pilot System Based on Single-body Tracked Miner and Discrete Element Model of Pipe", Proceedings of the eighth ISOPE Ocean Mining Symposium. 

  5. Park, H., Min, C., Teng. B, Kwon, Y. and Kim, B. (2010). "Effects of Fluid and Structural Damping on Axial Vibration of an ulTra Long Ocean Pipe With a Heavy Buffer", Proceedings of the tenth ISOPE Ocean Mining Symposium. 

  6. Song, C.Y., Lee, J. and Choung J. (2010). "A Pproximate Optimization Using Moving Least Squares Response Surface Methods: Application to FPSO Riser Support Design," 한국해양공학회지, 제24권, 제 1호, pp 20-33. 

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  7. Wang, G. and Liu, S. (2005). "Dynamic Analysis on 3-D Motions of Deep-ocean Mining Pipe System for 1000-m Sea Trial", Proceedings of the eighth ISOPE Ocean Mining Symposium. 

  8. Wang, G., Liu, S. and Li, L. (2007). "FEM Modeling for 3D Dynamic Analysis of Deep-ocean Mining Pipeline and Its Experimental Verification", J. Cent. South Univ. Tech., 06-0808-06, pp 808-813. 

  9. 정동호, 김현주, 박한일 (2004). "수치해석적 방법을 통한 해양 심층수 취수용 유연 라이저의 거동 해석에 관한 연구", 한국해양공학회지, 제18권, 제4호, pp 15-22. 

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