[논문]해상풍력 발전설비의 고능률 용접기술

김영식; 길상철

doi:10.5781/jwj.2015.33.3.4

해상풍력 발전설비의 고능률 용접기술
High efficient welding technology of the offshore wind power plants 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.3, 2015년, pp.4 - 11

김영식 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램) , 길상철 (한국과학기술정보연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The offshore wind power plants are watched as a new market to accomplish the needed energy, bringing technical and economical challenges. Advanced countries in the field of wind industry are now appling the 600 MPa, 150~200 mm thick high strength steel to offshore wind power plants. Moreover, the high efficient welding methods which is weldable ultra tick high strength steel with 1 pass welding are developed and applied in manufacturing the offshore wind tower. This article deals with the present world wide status of offshore power plants and the tendency of the development of high efficient welding technology for constructing the offshore wind tower. This article intends to offer the materials for development and raising of the domestic offshore wind power technology.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 해설 논문에서는 해상풍력 발전설비의 개발 현황과 해상풍력 발전 타워 구축을 위한 고능률 용접기술의 연구개발 동향을 분석하여 국내의 해상풍력 발전 산업의 국제 경쟁력 제고와 연구개발에 필요한 자료를 제공하고자 한다.
. 이 연구는 국내에서 최초로 풍력타워의 용접에 관하여 발표된 연구로 타워 도어(Door) 근방의 필릿 용접부의 피로강도를 FEM 방법에 의해 해석한 연구이다.
5 GW 해상픙력 종합추진계획을 발표하였다. 이에 의하면 2019년까지 5 MW급 해상풍력 500기(2.5 GW) 를 설치할 수 있도록 약 9조원에 달하는 재원을 정부가 투자한다는 계획이다.

제안 방법

일본의 Nippon Steel & Sumikin Welding Co.에서는 풍력타워 구조물 용접 전용의 Seamless type Flux Cored Wire를 개발하여 이 와이어를 이용한 SAW(SF-SAW)법을 개발하였다. 또한 내로우갭 SAW (SUBNAP)법을 개발하여 기존의 SAW법과 비교하여 70% 까지의 작업능률 향상을 가져올 수 있음을 발표 하였다 ⁵⁾.

성능/효과

1) 풍력 발전은 현재 세계 전력의 약 3%를 담당하고 있으며, EU에서는 2020년까지 전력수요의 20%를 풍력발전으로 공급할 정책을 추진하고 있다. 2022년에는 세계 각국의 풍력발전 도입량이 900 GW에 도달할 것으로 예상되고 있다.
12) 해상풍력시장은 세계적으로 현재 초기시장 단계에 있어 경쟁이 상대적으로 약한 편이다. 따라서 우리 나라는 상대적으로 글로벌 경쟁력을 갖고 있는 조선, 해양플랜트, 건설, 전기, IT 등 연관산업을 바탕으로 국내 풍력 설비업체들이 개발에 주력한다면 시장 진입의 기회가 확대될 것이며, 그와 더불어 고부가가치가 창출될 것으로 판단된다.
2) 해상 풍력 풍차의 설치량은 현재로서는 육상풍력의 10%에도 미치지 못하지만 2000년대 중반 이후 신규설치량에서 차지하는 비중이 계속 상승하고 있다.
3) 해상 풍력 시장은 풍력산업의 신성장 동력으로 풍부한 자원 및 안정적인 발전이 가능한 해상 풍력의 장점으로 2015년까지 매년 30% 이상의 고성장을 지속할 것으로 전망되고 있다.
4) 우리나라는 2010년 「서남해 2.5 GW 해상풍력 종합추진계획」을 수립하고 실증단계, 시범단지, 확산 단계의 3단계로 나누어 2019년까지 5MW급 해상풍력 500기(2.5 GW)를 설치할 수 있도록 약 9조원에 달하는 재원을 정부가 투자한다는 계획을 추진 중에 있다.
5) 해상 풍력 발전 설비 중 타워 본체는 가장 중요한 부분이며, 항복강도 355 MPa급 이상의 고강도를 갖는 TMCP강으로 -50℃에서 최저 인성값 27J을 갖는 고강도, 고인성의 강재가 요구되고 있다. 타워의 최대직 경은 7000 mm이며, 타워본체의 벽두께는 최근 150～200 mm까지 개발되고 있다.
6) 판두께 100～200 mm의 극후 강판의 고능률 용접을 위해서는 입열량이 100 kJ/cm 이상의 대입열 용접 적용이 요구된다. 생산성 향상을 위해서는 가능하면 작은 용접패스로 극후 강판의 접합공정이 완료되는 용접방법이 요구된다.
8) SCI-E의 데이터 베이스를 이용한 풍력 발전설비의 용접 기술관련 논문을 검색한 결과, 관련 논문은 2006년 이후부터 발표되고 있으며, 풍력 타워의 용접 시공 및 용접 후처리와 관련한 논문은 8건으로 2013년 1건, 2012년 1건, 2010년 3건, 2009년 3건으로 검색되었다. 일본의 경우에는 용접기술지에 해설 논문으로 2008년 1건, 용접학회지의 2010년 7월호에 “풍력 에너지와 그 용접기술의 특집” 기사로 3건의 해설논문이 발표되어 있다.
이 용접 기술에서 용접금속의 기계적 성질을 충분히 확보하기 위해 후강판 용 대입열 용접에 적합한 전용의 용접재료가 개발되어 있다. 인장강도 500～600 MPa 급의 고강도 강재로 판두께 100～200 mm의 극후강판에 대해 개발된 용접재료를 적용한 결과, 용접금속은 모재강도에 필적하는 강도가 얻어졌고, 특히 100 mm 판 두께 이음부에서는 해상풍력 철탑에서 요구하는 -40℃에서의 30 J 이상으로 요구 인성값을 충분히 만족하는 결과를 얻었다.

후속연구

13) 금후 해상 풍력발전 구조물 건조를 위해서는 용접 시공법의 더욱 고능률화와 용접부에 대한 고강도화, 고인성화, 피로특성의 개선 등 요구사항이 더욱 확대될 것으로 예상된다. 풍력발전 구조물용 강판의 극후물화 및 수요 확대에 대응하기 위해 고능률 용접재료 및 용접 시공법의 국내 개발이 요구되고 있다.
12) 해상풍력시장은 세계적으로 현재 초기시장 단계에 있어 경쟁이 상대적으로 약한 편이다. 따라서 우리 나라는 상대적으로 글로벌 경쟁력을 갖고 있는 조선, 해양플랜트, 건설, 전기, IT 등 연관산업을 바탕으로 국내 풍력 설비업체들이 개발에 주력한다면 시장 진입의 기회가 확대될 것이며, 그와 더불어 고부가가치가 창출될 것으로 판단된다.
아직까지는 두산중공업의 3 MW급이 최대이기는 하나, 향후 5∼7 MW급 개발을 위해 박차를 가할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세계 각국의 풍력발전 도입량 증가에 배경이 되는 4항목은 무엇인가?	세계 각국의 풍력발전 도입량은 환경보호(탈석유, 탈석탄), 석유대체 전원, 에너지 안전보장(국내 자급율 향상), 신에너지 산업진흥(고용 확보와 외화획득)의 4 항목을 배경으로 증가해 왔다. Fig.
	2012 년도 각 국가별 풍력발전 신규도입량 현황은 어떠한가?	2는 2012 년도 각 국가별 신규도입량 현황을 보인 것이다 1). 미국과 중국 2개국이 누계 135.9 GW (전체의 약 47.9%), 신규 26.1 GW (전체의 약 58.2%)로 전 세계의 약 절반을 차지하고 있다. 양국 이외에는 독일, 스페인, 인도, 기타의 유럽 각국의 순으로 도입비율이 높다.
	해상풍력 발전 설비에서 용접구조물인 타워 본체에 요구되어 지는 것은 무엇인가?	특히 3면이 바다인 우리나라는 그동안 축적해온 조선, 해양 산업 기술을 바탕으로 앞으로 해상 풍력 발전 산업은 세계적인 경쟁력을 갖는 신 산업으로 그 잠재력이 매우 크다고 볼 수 있다. 해상풍력 발전 설비에서 타워 본체는 용접구조물로써 가혹한 환경과 높은 부하에 견딜 수 있도록 그 구성재료인 강재와 용접부는 보다 엄격한 특성이 요구되고 있다. 따라서 해상풍력 발전설비의 제조단계에서는 이러한 요구특성을 만족하면서도 저비용 고효율의 공정을 구사함으로써 국제경쟁력을 갖도록 하는 용접기술이 매우 중요하다.

참고문헌 (24)

Hasegawa K, Market Trend of Wind Turbine and Technical Problem of Construction for Increasing Output Power, Jnl. of JWS, 83 (1) (2014), 53-58 (in Japanese)
ISSUE QUEST, Recent Market Tendancy & Development Strategy of the Offshore Wind Power & Offshore Plants, (2013), 345-379 (in Korean)
Sang-Youl Lee, et al., Development of Wind Tower Made of Composite Materials (1), Jnl. of Korea Society for Advanced Composite Structures, (2013), 17-23 (in Korean)
Martin Gehring, High Quality & High Efficient Welding Technology of Wind Tower, Welding Technology, 56 (9) (2008), 88-93 (in Japanese)
NAKAZAWA H, NAGASAKI H, Welding Consumables and Process for the Wind Tower Structures, Jnl. of JWS, 79 (7) (2010), 648-652
Kim Ji Sun, Kim In Ju, A Study on Characteristic of Residual Stresses in a Wind Tower Using the Tandem Circumferential Welding Process, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 21 (6) (2012), 938-945

원문보기 상세보기
NIPPON STEEL & SUMIKIN WELDING CO., LTD, Narrow Gap Sub-merged Arc Welding, SUBNAP method, Technical report, (2009), 1-31
Hannes Raudsepp, High Efficient SAW, ICETM-!, Cold Wire Feeding Technology, Welding Technology, 61 (4), (2013), 55-59
Kumatani T, et al., Development of Multi-pole Electrogas Welding for 100mm thick plate by 1 Pass, Welding Technology, 62 (2), (2014), 73-77 (in Japanese)
Hassel, T, et al., Economical joining of tubular steel towers for wind turbines employing non-vacuum electron beam welding for high-strength steels in comparison with submerged arc welding, Welding in the world, 57 (4), (2013), 551-559

상세보기
Jiang Wenchun, Fan Qinshan, Gong Jianming, Optimization of welding joint between tower and bottom flange based on residual stress considerations in a wind turbine, ENERGY, 35 (1), (2010), 461-467

상세보기
Schaumann, P., Keindorf, C, Experiments & Simulations of Post Weld Treatment with High Frequency Neede Peening for Welded Joints, ADVANCED STEEL CONSTRUCTION, 5 (3), (2009), 237-258
Rahlf, Uwe : An alternative calculation approach for high frequency peening - further validation and practical application in wind energy technology, STAHLBAU, 78 (9), (2009), 637-644

상세보기
Cicero, S., Lacalle, R., Cicero, R, Estimation of the maximum allowable lack of penetration defects in circumferential butt welds of structural tubular towers, ENGINEERING STRUCTURES, 31 (9), (2009), 2123-2131

상세보기
Anonymous, Wind Turbine Welding System Uses Linear Motion Modules, WELDING JOURNAL, 88 (8), (2009), 50-51

상세보기
Brent W, Mike V, Equipping Welding Cells to Fabricate Wind Towers, WELDING JOURNAL, 91 (1), (2012), 49-51
TOBIAS FINNDIN, Optimizing Welding and Cutting for Wind Tower Production, WELDING JOURNAL, 89 (8), (2010), 30-33

상세보기
Korea patent, Manufacturing Method of the High Strength Steel with High Impact Value, POSCO, Patent No. 10-1271792-0000(2013-05-30)
D.Y. Han, K.M. Ahn, W.H. Choi, A Study on the Strength of the Welded Part of the Wind Turbine Tower, Abstracts of 2006 Spring Annual Meeting of the Korean Society for New & Renewable Energy, (2006), 304-307
D. Y. Han, J. U. Kho, W. H. Choi, A Study on the Fatigue Strength of the Welded Part of the Door on the Wind Turbine Tower, Abstracts of 2005 Spring Annual Meeting of the Korean Society for New & Renewable Energy, (2005), 72-75
S. M. Jung, I. S. Kim, J. S. Kim, H. H. Na, J. H. Lee, Characteristic of the 1st Pass Weld in Manufacturing the Offshore Wind Tower using High Strength Steel, Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, 21 (2) (2012), 349-354

원문보기 상세보기
C. W. Ji, C. Y. Choi, D. G. Nam, H. C. Kim, J. H. Jang, K. H. Kim, Y. D. Park, Evaluation on Mechanical Properties with Welding Processes for Off Shore Wind Tower Application, Journal of KWJS, 32 (1), (2014), 15-21 (in Korean)
C. W. Ji, C. Y. Choi, D. G. Nam, H. C. Kim, J. D. Kim, S. K. Kim, Y. D. Park, Evaluation and Comparison of Weldability with Various Welding Processes on TMCP Steels, Journal of KWJS, 32 ( 1), (2014) 6-14
KWJS, Welding & Joining Handbook, part 1 (2008) 233 (in Korean)

저자의 다른 논문 :

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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