다양한 기계부품과 센서류가 포함된 수중로봇, 무인 잠수정 등과 같은 심해장비 시스템은 수심에 따른 높은 수압과 온도, 조류 등 심해의 복합적인 극한 환경조건의 영향을 받기 때문에 실제 현장에서 사용되기 전에 제품의 신뢰성을 검증하는 것이 매우 중요하다. 이러한 복합적인 해양환경을 재현하여 제품에 대한 실증적인 시험을 할 수 있는 시험장비의 구축이 요구되는 실정이다. 본 연구를 통하여 최대수압 2.0MPa, 수온 $5{\sim}60^{\circ}C$, 최대유속 2 m/s의 복합 환경조건의 구현이 가능한 워크인 타입의 수중복합 환경시험장비를 구성하는 주요 구성품의 개발 요구사양 및 설계방안을 제시하고 이를 통해 심해장비 시스템 및 모듈 부품에 대한 제품 신뢰도를 검증할 수 있는 시험장비의 개발 내용을 제시하고자 한다.
다양한 기계부품과 센서류가 포함된 수중로봇, 무인 잠수정 등과 같은 심해장비 시스템은 수심에 따른 높은 수압과 온도, 조류 등 심해의 복합적인 극한 환경조건의 영향을 받기 때문에 실제 현장에서 사용되기 전에 제품의 신뢰성을 검증하는 것이 매우 중요하다. 이러한 복합적인 해양환경을 재현하여 제품에 대한 실증적인 시험을 할 수 있는 시험장비의 구축이 요구되는 실정이다. 본 연구를 통하여 최대수압 2.0MPa, 수온 $5{\sim}60^{\circ}C$, 최대유속 2 m/s의 복합 환경조건의 구현이 가능한 워크인 타입의 수중복합 환경시험장비를 구성하는 주요 구성품의 개발 요구사양 및 설계방안을 제시하고 이를 통해 심해장비 시스템 및 모듈 부품에 대한 제품 신뢰도를 검증할 수 있는 시험장비의 개발 내용을 제시하고자 한다.
Deep-sea equipment such as underwater robots and unmanned submersible vehicles, include various machine components and sensors, and it is important that their reliabilities be tested before use in the fields. This is necessary because they are affected by complex extreme-environment conditions, such...
Deep-sea equipment such as underwater robots and unmanned submersible vehicles, include various machine components and sensors, and it is important that their reliabilities be tested before use in the fields. This is necessary because they are affected by complex extreme-environment conditions, such as high pressures, extreme temperatures, and tidal forces that are present in the deep sea. We require test equipment that can conduct empirical tests in conditions that mimic these complex oceanic environments. In this study, we propose specifications that should be met, and a design plan for the primary components, which should limit their use to a maximum water pressure of 2.0 MPa, water temperature of $5{\sim}60^{\circ}C$, and a maximum flow velocity of 2 m/s. in work-in type underwater combined environment test equipment and. We present test system development procedures to verify the reliability of products and systems used in deep-sea environments.
Deep-sea equipment such as underwater robots and unmanned submersible vehicles, include various machine components and sensors, and it is important that their reliabilities be tested before use in the fields. This is necessary because they are affected by complex extreme-environment conditions, such as high pressures, extreme temperatures, and tidal forces that are present in the deep sea. We require test equipment that can conduct empirical tests in conditions that mimic these complex oceanic environments. In this study, we propose specifications that should be met, and a design plan for the primary components, which should limit their use to a maximum water pressure of 2.0 MPa, water temperature of $5{\sim}60^{\circ}C$, and a maximum flow velocity of 2 m/s. in work-in type underwater combined environment test equipment and. We present test system development procedures to verify the reliability of products and systems used in deep-sea environments.
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문제 정의
본 연구에서는 심해 해양 환경에서 발생되는수압 및 수온, 유속의 환경조건을 복합적으로 수중환경을 모사하여 시험할 수 있는 시험장비의 주요 구성품에 대한 개발 요구사양과 이를 만족하는 시험장비를 개발하였다.
본 연구에서는 심해환경 조건을 인위적으로 모사하여 수중장비 관련제품 및 부품을 시험할 수 있는 수중복합 환경시험장비의 주요 사양에 기반하여 주요 구성품에 대한 설계와 FEM 해석 결과를 바탕으로 시스템의 유효성 검증을 통한 시스템의 구성 방안을 제시하였다.
제안 방법
급속 개폐 도어의 기밀을 위해 설치되는 오링의 재질은 경도 80의 바이톤 재질을 선정하였으며 도어의 개방시에 인가되는 하중을 지지하기 위하여 도어 서포트 힌지 에는 테이퍼 롤러 베어링을 적용하여 정하중과 동하중을 충분히 견딜 수 있도록 설계하였다.
내부의 유체의 온도를 낮추는데 필요한 냉각시간을 10 시간 기준으로 하여 압력용기, 배관 기타부속품등 구성품의 냉각 여유를 고려하여 1 대당 15,000 kcal/h의 냉각용량을 가진 냉각장치 2대를 적용하였다.
또한, 가변모터가 연결된 가압펌프의 회전속도를 변화시켜 시험압력을 조절이 가능하도록 하였다. 시험장비의 회로는 Fig.
또한, 급속개폐 도어에 설치되는 클램프 링의 원활한 회전을 위하여 좌·우에 각각 1 개씩 총 2개의 유압 실린더를 설치하여 유압 실린더의 작동으로 도어의 클램프 링이 회전하여 도어가전면부로 개방될 수 있도록 설계하였다.
또한, 펌프 토출측에 체크밸브를 설치하여 펌프에서 토출되는 압력이 펌프로 역류하지 않도록 하였다.
뚜껑판, 클램프 링 등의 도어부의 부품 제작의 용이성을 위하여 뚜껑판과 클램프 링 사이에 테이퍼 형태의 쐐기를 적용하여 회전하면서 서로 맞닿아 닫히는 형태로써 도어의 기밀에 필요한 O-Ring의 압착력을 높일 수 있도록 설계하였다.
물의 흐름으로 인하여 심해 환경조건에서 발생되어 제품에 미치는 영향을 시험장비에서 재현하여 시험하기 위해 전기모터를 구동하여 프로펠러를 회전시켜서 유속을 발생시키는 방식을 Fig. 8과 같이 고안하였다.
보일러, 압력용기용 탄소강 SB410 재료의 항복 응력(2)은 2.82e+008 N/㎡ 이상으로써 안전율을 고려하여 설계압력 3.0 MPa으로 해석하였다.
본 연구를 통하여 개발된 시험장비를 활용하여 수중로봇 주행구동용 서보모터 및 수산양식용 EPP 부자에 대한 수압 시험을 수행하였다.
수압발생 장치의 펌프 흡입 및 토출측의 배관사이즈는 1 인치를 적용하였으며 최대 2.5 MPa의 압력을 토출할 수 있으면서 펌프와 연결된 모터의 회전속도로 시험압력을 조절할 수 있는가변속도형 입형펌프를 선정하여 적용하였다.
시험장비의 주요 구성품에 대하여 개발 요구사양 검토 및 선정, 설계 및 FEM 해석을 통한 유효성 검증 및 용량 선정의 과정을 거쳐 최종적으로 압력용기, 급속개폐 도어, 수압 발생장치,가열 장치, 냉각 장치, 제어반 및 기동반, 기타 유틸리티 등으로 구성된 시험장비를 개발하였으며 장비의 외형은 Fig. 10과 같다.
압력용기 내부에 상수를 채워서 시험해야 하는 시험장비의 특성상 전기 히터의 유지, 보수 및 온도의 균일한 상승을 위하여 1 대당 40 kW 의용량을 가진 4 대의 전기히터를 압력용기 좌·우에 각각 2 대씩 배치하여 시험장비에 적용하였다.
압력용기에 설치된 밸브를 닫은 상태에서 압력 용기 내부에 남아있는 공기를 제거하고 순수하게 수압으로 시험하기 위하여 에어벤트를 설치하였으며, 시험중 설정압력 이상으로 압력이 상승하는 것을 방지하여 안전을 확보하기 위해 압력용기 상부에 안전밸브를 설치하였다.
압력용기의 형태로는 압력용기의 내부에 사람이 들어가서 시험품의 확인, 장비의 유지보수가 가능할 수 있도록 수평형으로 전면에서 도어의 개폐가 가능한 워크인(Walk-In) 방식을 적용 하였으며, 수압 시험중 내부 시험품을 육안으로 확인할 수 있도록 내부 투시창을 압력용기 좌·우측에 각각 1개씩 적용하였다.
전기모터에 연결된 샤프트를 통해 압력용기 내부에 장착된 프로펠러 2 대를 회전시켜 압력용기 내부에 유속을 발생시키는 형태로 유속 발생장치를 구성하는 전기모터는 가변속도형 전기모터이며, 전기모터의 회전속도를 변화시켜 시험자가 원하는 유속을 제어하여 압력용기 내부에서 발생되는 유속을 변화시킬 수 있도록 설계하였다.
대상 데이터
본 시험장비에서 적용한 급속개폐 도어의 형태는 수평형 타입으로 도어의 잇수는 총 26 개로 결정하였다.
데이터처리
시험중 계측하게 되는 시험압력 및 시험온도등 각종 데이터를 실시간으로 모니터링하고 저장할 수 있도록 Labview 프로그램을 사용하여 Fig. 9와같이 프로그래밍 하였다.
이론/모형
시험장비에 적용한 도어의 형태로는 Fig. 4 와 같이 수평식 압력용기에 일반적으로 많이 적용되는 급속 개폐도어(Quick closure door)(4)를 적용하였다.
성능/효과
압력용기 및 압력용기 부속품, 내부에 채워지는 유체의 총 중량을 고려하여 시험장비의 구성품들이 안전하게 지지될 수 있도록 하부의 지지구조물이 설계 되어야 한다. Table 3과 같이 시험 장비의 구성품 및 내부 유체를 포함한 총 중량 29.3 ton이 하부 프레임에 가해지며 FEM 해석한 결과 Fig. 3과 같이 하중에 대하여 충분한 강성을 가지고 지지할 수 있음을 검증하였다.
해석결과 최대응력은 1.80e+008 N/㎡ 으로써 압력용기에 적용한 재료의 항복응력보다 낮음을 확인하였으며, 설계된 압력용기의 두께가 충분한 강성이 확보되었음을 FEM 해석을 통해 검증하였다.
후속연구
또한, 시험장비의 실제 운용을 통해 취득한 시험절차 및 결과를 활용하여 향후 복합적인 수중 환경 조건의 시험이 필요한 제품에 대한 신뢰성을 검증할 수 있는 시험법을 개발할 예정이다.
앞으로 시스템의 지속적인 안정화 작업을 통하여 수중로봇, 무인 잠수정 등과 같은 심해장비 시스템 및 수중 모터류, 수중 센서류, 스쿠버장비 등 수중환경에서 사용되는 다양한 제품의 시험 조건에 만족할 수 있도록 보완해 나갈 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심해장비 시스템이 사용 전 신뢰성 검증이 필요한 이유는 무엇인가?
다양한 기계부품과 센서류가 포함된 수중로봇, 무인 잠수정 등과 같은 심해장비 시스템은 수심에 따른 높은 수압과 온도, 조류 등 심해의 복합적인 극한 환경조건의 영향을 받기 때문에 실제 현장에서 사용되기 전에 제품의 신뢰성을 검증하는 것이 매우 중요하다. 이러한 복합적인 해양환경을 재현하여 제품에 대한 실증적인 시험을 할 수 있는 시험장비의 구축이 요구되는 실정이다.
복합적인 심해환경을 모사하여 제품에 대한 실증적인 시험을 할 수 있는 시험장비의 개발이 필요한 이유는 무엇인가?
이와 관련하여 심해자원 및 해양자원개발,해양구조물 연구 등에 사용되는 해저탐사장비 및 수중장비들은 심해와 같은 극한환경에 노출되어사용되고 있어 보다 높은 시스템 안정성이 요구되며 관련 제품 및 부품의 신뢰성이 더욱 중요하게 요구되고 있는 실정에서 복합환경 시험장비를 이용한 시험은 시간과 비용을 절약하고 제품의 개발기간을 단축할 수 있는 장점이 있다. (1)
우리나라의 연근해 수심은 몇 미터 이며 수압은 몇 인가?
일반적으로 알려진 우리나라의 연근해 수심은 약 200 m로 이에 상응하는 수압은 약 2.0 MPa 이며 이에 상응하는 압력을 재현하여 시험할 수 있도록 운전 압력을 결정해야 한다.
참고문헌 (6)
Lee, S. G., Choi, H. J., Oh, S. W. and Lee, S. H., 2012, "A Case Study on the Hydrostatic Test Using Hyperbaric Chamber," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, pp. 1563-1564.
KS B 0076:2004, Glossary of Terms Used in Construction of Pressure Vessels.
KS B 6750:2012, Pressure vessels-General Requirement for Design and Construction.
KS B 6731:1995, Quick Closure for Pressure Vessels.
Harvey, J.F., 1985, Theory and Design of Pressure Vessels.
Moss, D. R., 2004, Pressure Vessel Design Manual, Elsevier.
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