[논문]해저지반 굴삭용 워터젯 장비의 시공성능 추정에 관한 기초적 연구

나경원; 백동일; 황재혁; 한성훈; 장민석; 김재희; 조효제

doi:10.5394/kinpr.2015.39.6.539

초록
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해양구조물의 가동해역이 대수심으로 이동함에 따라 해저파이프라인 및 해저케이블은 육지보다 열악한 시공 환경에 놓이게 된다. 이때 해저지반상태와 해상조건 등은 작업효율에 영향을 미치게 되며 단시간에 효율적인 시공이 필요하다. 본 논문은 해저지반 굴삭을 위해 ROV(Remotely Operated Vehicle) 트렌쳐에 장착되는 워터젯 굴삭기의 시공성능 추정에 관한 연구이다. 먼저 전산유체해석을 통해 노즐간의 거리와 노즐 분사각도를 고려하여 굴삭효율을 극대화할 수 있는 최적 노즐수량을 선정하였고, 모형실험을 수행하여 굴삭기의 시공성능을 유추할 수 있는 최대 굴삭심도와 최대 굴삭속도를 파악하였다. 이를 토대로 실제 운용중인 워터젯 굴삭장비와 비교분석하여 워터젯 장비의 효율성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

There is drift toward moving offshore structures operating sites to deep water that brings subsea systems and types of apparatus to meet more severe environment than onshore. At this moment, climatic condition and seabed state affect trenching efficiency so trenching process is need to make steady p...

There is drift toward moving offshore structures operating sites to deep water that brings subsea systems and types of apparatus to meet more severe environment than onshore. At this moment, climatic condition and seabed state affect trenching efficiency so trenching process is need to make steady progress in a short time. This paper is research on estimation about construction performance of waterjet trenching machine mounted on ROV trencher. Optimal number of nozzles that can maximize trenching efficiency is selected by considering clearance and angle of nozzles through CFD. Then verified effectiveness of waterjet apparatus on the result of trenching depth and velocity by model test analogized performance for construction work of waterjet trenching machine.

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문제 정의

본 연구의 목적은 해양에서 파이프라인 및 케이블의 매설작업을 위하여 ROV 트렌쳐에 장착되는 워터젯 장비의 최적작업효율 및 시공성능을 추정하는 것이다. 전산유체해석 기법을 적용한 시뮬레이션을 통해 최적 작업성능을 발휘할 수 있는 노즐의 수량을 선정하였다.
본 연구는 해저지반에 놓인 케이블 및 파이프라인을 매설하기 위해 사용되는 장비 중 ROV 트렌쳐에 장착되는 워터젯 굴삭기의 시공성능을 추정하기 위해 수행되었다. 최적의 시공성능과 작업효율을 발휘할 수 있는 노즐 수량을 선정하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 토대로 워터젯 굴삭장비를 실제 크기의 1/6으로 축소 제작하여 모형실험을 수행하였다.

가설 설정

ROV 트렌쳐에 장착된 워터젯 굴삭기의 노즐 분포와 구성은 굴삭심도와 굴삭속도에 직접적인 영향을 주는 요소이며 작업효율 및 시공성능과 밀접한 관계가 있다. 매설작업이 수행되는 해역의 해저지반 상태와 더불어 해상조건은 시공성능에 영향을 주는 요인이다. 파이프라인 및 케이블의 매설은 지반 상태에 따라 작업효율이 달라지기 때문에 표준관입시험이나 콘관입시험 등을 통해 설치예정 구간의 해저지반 특성을 최적 시공성능 관점에서 면밀히 분석해야한다.
2개의 젯팅헤드(Jetting head)를 입구영역으로 지정하여 유량이 유입되도록 하였고, 노즐이 장착되어 물이 분사되는 영역을 출구영역으로 지정하였다. 시뮬레이션 조건으로 수중에서 작용하는 정수압은 각 케이스마다 동일하며 외부에서 작용하는 압력이 없다는 가정하에 노즐의 출력조건은 대기압으로 설정하였다. 시뮬레이션에 적용된 유량은 모형실험에 사용하는 펌프의 성능을 고려하여 선정하였다.

제안 방법

전산유체해석 기법을 적용한 시뮬레이션을 통해 최적 작업성능을 발휘할 수 있는 노즐의 수량을 선정하였다. 이를 바탕으로 모형실험을 수행하여 계측된 결과들을 실제 운용중인 장비들의 특성치와 비교․분석함으로써 매설공사의 경제성에 직결되는 작업효율과 시공성능을 추정하였다.
3과 같다. 젯팅암에 설치되어 최적의 시공성능을 갖는 노즐 수량을 선정하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며 이를 통해 얻은 최적 노즐 수량을 적용한 모형을 제작하여 실제 작업해역의 환경을 구현한 수조에서 실험을 수행하였다. 제한된 환경에서 얻은 모형실험의 결과가 실제 해상에서 얻어진 결과와 다르게 되는 크기효과는 제외하였고, 굴삭과정의 정성적 현상을 파악에 초점을 두었다.
본 연구는 해저지반에 놓인 케이블 및 파이프라인을 매설하기 위해 사용되는 장비 중 ROV 트렌쳐에 장착되는 워터젯 굴삭기의 시공성능을 추정하기 위해 수행되었다. 최적의 시공성능과 작업효율을 발휘할 수 있는 노즐 수량을 선정하기 위해 시뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 토대로 워터젯 굴삭장비를 실제 크기의 1/6으로 축소 제작하여 모형실험을 수행하였다. 실험을 통해 최대 굴삭심도와 최대 굴삭속도를 계측하여 실제 운용중인 장비들과 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

모형실험은 매설작업이 수행되는 실해역과 유사한 해양환경을 구현하기 위해 길이 2.5m, 높이 1m, 폭 0.5m의 알루미늄 프레임으로 구성된 수조를 제작하였다. Fig.
2m의 높이로 채웠다. 실험에 적용된 젯팅암과 노즐은 스테인레스 재질로 실제 해저지반 굴삭에 사용되는 워터젯 굴삭장비를 1/6으로 축소 제작하였고, 예인대차에 장착하여 A 지점에서 B 지점으로 이동 시켰다. 예인대차는 최소 0.
시뮬레이션은 모든 노즐의 직경을 3mm로 동일하게 설정하고 노즐수량이 6개, 12개, 18개인 3가지 조건에 대하여 3m³/h 와 4.2m³/h의 두가지 유량 조건을 적용하여 수행하였다. 총 6가지 조건으로 수행된 시뮬레이션 결과를 분석해보면, 노즐을 통해 분출되는 물의 분사유량과 유속은 대체적으로 지면에 가까워질수록 급격히 감소하는 경향을 보였다.
본 연구에서 성능발휘가 저조한 최상부의 첫 번째 노즐을 없애지 않은 이유는 첫 번째 노즐이 없다면 두 번째 노즐도 비슷한 양상을 보일 것이며, 두 번째 노즐부터 실질적으로 지반을 굴삭하는 역할을 하므로 유량이 적더라도 첫 번째 노즐은 필요하다고 사료된다. 위와 같은 시뮬레이션 결과를 토대로 최적 노즐 수량은 12개로 선정하였다. 각 노즐에서 분사유량의 형태와 유속이 균일하지 않은 이유는 관로내의 난류유동과 유체의 점성으로 인한 영향 때문인 것으로 판단된다.

데이터처리

제한된 환경에서 얻은 모형실험의 결과가 실제 해상에서 얻어진 결과와 다르게 되는 크기효과는 제외하였고, 굴삭과정의 정성적 현상을 파악에 초점을 두었다. 계측된 모형실험의 결과를 실제 운용중인 워터젯 굴삭장비들의 주요 시공성능과 비교·분석 하였다.

이론/모형

시뮬레이션은 ANSYS CFX ver. 14.0를 이용하여 Table 2와 같이 총 6가지 조건에 대해 난류모델의 타당성을 검증하기 위하여 기본적으로 k-epsilon 모델(ANSYS, Inc., 2011)을 적용하여 유동장 해석을 수행하였다. 2개의 젯팅헤드(Jetting head)를 입구영역으로 지정하여 유량이 유입되도록 하였고, 노즐이 장착되어 물이 분사되는 영역을 출구영역으로 지정하였다.
모형실험을 바탕으로 실험에 사용된 굴삭속도와 유량, 계측된 굴삭심도는 프루드 상사법칙을 적용하여 실제 크기에서 적용되는 값들을 추정하였다. 프루드 상사법칙은 모형(Model)과 원형(Prototype) 사이의 프루드 수가 같을 경우, 다음과 같이 정의한다.

성능/효과

78m로 계측되었으며 현재 운용중인 굴삭장비들의 최대 굴삭심도 3m와 거의 유사하다. 워터젯 굴삭장비의 주요 시공성능 분석을 위한 모형실험 결과를 실제 운용중인 장비들의 성능과 비교하였을 때 실험에 적용된 모형이 유량 대비 우수한 굴삭심도를 가진 것으로 판단되며 실해역에서 운용할 경우 탁월한 시공성능을 가질 것으로 추정된다. 또한 실험에 사용된 젯팅암 첫 번째 노즐의 성능발휘는 시뮬레이션과 유사하게 관측되었으며, 추후 첫 번째 노즐의 위치 변화에 따른 재검토가 필요할 것로 사료된다.
(1) 워터젯 굴삭기의 최적 노즐 수량을 선정하기 위한 시뮬레이션 결과 노즐 수량이 12개인 경우 주변 노즐간의 상호 간섭이 적었고, 노즐에서 분사된 물의 유량과 유속이 균일한 양상을 보임으로써 가장 효율적인 시공성능을 나타냄을 확인하였다.
(2) 모형실험에서 계측된 최대 굴삭심도는 2.78m로 현재 운용중인 굴삭장비들의 최대 굴삭심도 3m와 유사하였다. 또한 실제 운용중인 장비들의 유량과 비교하였을 때 실험에 사용된 유량은 약 30% 수준으로 실해역에서 100% 유량으로 운용할 경우 유량 대비 탁월한 굴삭심도 및 속도를 확보하면서 작업효율이 증가됨을 알 수 있다.
78m로 현재 운용중인 굴삭장비들의 최대 굴삭심도 3m와 유사하였다. 또한 실제 운용중인 장비들의 유량과 비교하였을 때 실험에 사용된 유량은 약 30% 수준으로 실해역에서 100% 유량으로 운용할 경우 유량 대비 탁월한 굴삭심도 및 속도를 확보하면서 작업효율이 증가됨을 알 수 있다.
(3) 모형실험에 사용된 유량은 약 370m³/h로 현재 운용되고 있는 UT-1의 유량 1200m³/h와 비교하였을 때 약 30%수준의 유량이지만 속도측면에서는 UT-1의 최대 굴삭속도 1000m/h에 근접한 속도를 가짐으로써, 유량 대비 작업 및 시공에 있어 유리함을 보여준다.

후속연구

워터젯 굴삭장비의 주요 시공성능 분석을 위한 모형실험 결과를 실제 운용중인 장비들의 성능과 비교하였을 때 실험에 적용된 모형이 유량 대비 우수한 굴삭심도를 가진 것으로 판단되며 실해역에서 운용할 경우 탁월한 시공성능을 가질 것으로 추정된다. 또한 실험에 사용된 젯팅암 첫 번째 노즐의 성능발휘는 시뮬레이션과 유사하게 관측되었으며, 추후 첫 번째 노즐의 위치 변화에 따른 재검토가 필요할 것로 사료된다.
(4) 워터젯 굴삭장비의 시공성능에 영향을 주는 요소는 노즐 수량과 노즐 각도이며, 향후 두 가지 요소와 서로다른 시공지반을 갖는 경우에 대해 추가적인 연구를 통해 워터젯 굴삭장비의 작업효율을 추정하는데 있어 중요한 지표가 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매설공법이 피복형 공법에 비해 어떤점에서 유리한가?	그러나 이러한 공법은 해양외력으로부터 피복된 구조물이 유실될 위험이 있어지속적인 보강공사가 필요하다. 반면 매설공법은 특수한 장비로 해저지반을 굴삭하여 파이프라인 및 케이블을 매설하는 방식으로 해양외력으로부터 안정성 유지가 보장되고 추가 보강공사가 거의 필요하지 않아 피복형 공법에 비해 경제적 측면에서 유리하다.
	피복형 공법은 어떠한 방법인가?	이러한 위험 요소로부터 파이프 및 케이블의 안전성을 유지하기 위해 적절한 보호시공 공법이 필요하다. 보호시공 공법으로는 피복형 공법과 매설공법이 있으며 피복형 공법은 배관의 위치를 유지할 수 있도록 콘크리트 매트리스, 자갈, 사석 등을 해저면에 접지시키는 방식이다. 그러나 이러한 공법은 해양외력으로부터 피복된 구조물이 유실될 위험이 있어지속적인 보강공사가 필요하다.
	피복형 공법에는 어떠한 단점이 있는가?	보호시공 공법으로는 피복형 공법과 매설공법이 있으며 피복형 공법은 배관의 위치를 유지할 수 있도록 콘크리트 매트리스, 자갈, 사석 등을 해저면에 접지시키는 방식이다. 그러나 이러한 공법은 해양외력으로부터 피복된 구조물이 유실될 위험이 있어지속적인 보강공사가 필요하다. 반면 매설공법은 특수한 장비로 해저지반을 굴삭하여 파이프라인 및 케이블을 매설하는 방식으로 해양외력으로부터 안정성 유지가 보장되고 추가 보강공사가 거의 필요하지 않아 피복형 공법에 비해 경제적 측면에서 유리하다.

참고문헌 (8)

ANSYS, Inc.,(2011), ANSYS CFX-Solver Theory Guide, Release 14.0
Canyon Helix Offshore(2013), T-1200 http://helixesg.com/case-studies/t1200-windfarm-trenching-case-study/
Dansette, N. and Robertson, N. C.(1994), "Subsea Flexible Pipeline Burial Using a Lightweight Pipeline Trencher", In Offshore Technology Conference. ISBN 978-1-61399-096-4
Deep Ocean(2015), UT-1, http://www.deepoceangroup.com/
Global Marine Systems(2015), Q-1000, http://www.globalmarinesystems.com/subsea-equipmen t.html
Kim, H. A.(2006), "A Study on the Basic Design of Sub-sea Trenching Machine Using Wter Jetting", MSc thesis, Graduated Institute of Ocean System Engineering, Korea Maritime and Ocean University.
Seo, Y. K., Lee, K. Y., Ha, K. S., Kim, T. H.(2012), "Technical Articles: Geotechnical Aspects of Submarine Cable". Korea Geotechnical Society. Vol. 28, No. 3, pp. 12-22.
Det Norske Veritas(2007), "On-Bottom Stability Design of Submarine Pipelines". Det Norske Veritas (DNV), Oslo, Norway. DNV-RPF109.

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