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문제 정의
- 본 논문은 북해용 시추선을 설계하기 위해 초기 설계 단계에서 수행한 운동해석, 비선형 파랑하중 해석, Green water 해석 및 Moonpool 공진 평가등 성능 해석 결과와 간이 계산 절차를 기술하는 데에 그 목적이 있다.
제안 방법
- 선체 중앙부 Moonpool의 존재로 인해 Moonpool 내부 유동과 선박 운동과의 공진 여부를 Faltinsen 및 Fukuda가 제안한 계산식을 통해 확인하였으며, 정수중 운항상태에서 Moonpool 내부 유동의 수면 상승 여부를 검토하였다. 연성된 Moonpool의 내부 유동 방정식과 선박 운동 방정식을 해석하여 해상 상태와 입사각에 따른 내부 유동의 Pumping-up 현상 가능성을 시뮬레이션 하였다.
- 선체 중앙부 Moonpool의 존재로 인해 Moonpool 내부 유동과 선박 운동과의 공진 여부를 Faltinsen 및 Fukuda가 제안한 계산식을 통해 확인하였으며, 정수중 운항상태에서 Moonpool 내부 유동의 수면 상승 여부를 검토하였다. 연성된 Moonpool의 내부 유동 방정식과 선박 운동 방정식을 해석하여 해상 상태와 입사각에 따른 내부 유동의 Pumping-up 현상 가능성을 시뮬레이션 하였다. 이러한 Pumping-up 현상을 줄이기 위해서는 Moonpool 내부의 유동을 억제하는 추가적인 장치 혹은 구조물이 요구된다(Park et al.
- 제안된 break water 높이와 길이 방향 분포가 적정한지 검증하기 위해 수조 시험을 수행하였다. 모델 테스트는 네덜란드 MARIN에서 수행하였다.
대상 데이터
- 시추선이 투입될 해역은 노르웨이 서쪽 해역을 포함한 북해지역으로서 전 세계 해역 중에서 가장 거친 해역중 하나이다. 북해의 해상조건을 Table 2에 정리하였다.
- 평가 대상선은 북해용 시추선으로서 3차원 형상은 Fig. 1에, 주요제원은 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- Drilling 작업 중 Green water 억제를 위한 측면 Break water 설계를 위해 해석과 모델 테스트를 수행하였고 Green water 해석을 위해서 GreenLab 프로그램을 이용하였으며 해석 결과의 검증을 위해 MARIN에서 모델 테스트를 수행하였다. 선체 중앙부에 위치한 Moonpool을 중심으로 DPS를 이용하여 위치 유지와 선수 각 유지를 하는 시추선이 선수 사파(Oblique sea)를 경험하게 될 때 측면 Green water로 인한 해수 유입이 Drilling, Stand-by connected, Survival wave 조건에서 발생함을 확인 하였다.
- 시추선의 운동응답 평가를 위해 3가지 종류의 3차원 패널코드를 이용하여 프로그램간 운동 결과를 상호 비교하였다. KR-3DPANEL과 DNV-WADAM은 Wave Green 함수를 이용한 주파수 영역 포텐셜 코드이며, DNV-WASIM은 Rankine 소스를 이용한 시간 영역 포텐셜 코드이다.
- 3가지 운동해석 프로그램 모두 상호 유사한 결과를 주고 있음을 볼 수 있다. 파랑하중 해석으로부터 설계파(=VBMlong term/VBM RAOmax)를 산정하였고 비선형 파랑하중 해석에 이용하였다.
이론/모형
- (1) Moonpool 내부 유동을 위한 부가 질량과 감쇠 계수들 그리고 선박과의 상호작용이 고려된 부가 질량과 감쇠 계수는 Aalbers의 논문에서 밝혀 놓은 실험치를 바탕으로 한 그래프들에서 유추하였다.
- (4) 운동방정식은 Euler 방법을 사용하여 계산하였으며, 시간 간격은 0.001초로 1000초까지 수행하였고, 주기적으로 수렴하는 경향이 있어 수렴하는 구간부터 200초까지 만을 결과로 제시하였다.
- 이러한 현상이 발생하는 이유는 다른 문헌(Fonseca and Guedes Soares, 1998)에서도 보고가 되고 있듯이 DNV-WASIM에서 선수 상갑판에 발생하는 Green water 효과를 고려하기 때문이다. WASIM은 Green water를 고려하기 위해 Breaking dam에 대한 Bernoulli's 공식을 사용하고 있다.
- 제안된 break water 높이와 길이 방향 분포가 적정한지 검증하기 위해 수조 시험을 수행하였다. 모델 테스트는 네덜란드 MARIN에서 수행하였다. 모델의 축적비(λ)는 1/55이고 선체 중앙부 Moonpool과 Azimuth thruster 6기와 양쪽 Bilge angle에 Bilge keel을 장착하였다.
- 본 논문은 파도가 상당히 거친 노르웨이 및 바렌츠 해역을 포함하는 북해용 시추선의 설계와 건조에 있어서 유체동력학적인 관점에서 검토해야 할 사항들을 다루고 있다(Kim et al., 1998; Kim et al.,1999). 파도가 상당히 거친 북해에서의 작업 성능을 보장하기 위해 정확한 운동 성능을 평가하여야 하며, 충분한 강도를 유지하기 위한 선형 및 비선형 파랑하중 해석을 통해 구조설계와 해석을 수행하여야 한다(DNV, 2004).
- 운동 응답과 Green water 해석을 위한 파 스펙트럼은 JONSWAP(gamma=3.3, σA=0.07, σB=0.09)을 이용하였으며 Fig. 2에 보여주고 있다.
- 작업 중 극심한 운동에 따른 시추 장비의 운용 한계 평가를 위해 시추선의 Heave, Pitch 운동응답과 Operability를 JONSWAP 스펙트럼을 이용하여 계산하였고 Fig. 4, 5에 각각 나타내었다.
- 측면에서 유입되는 Green water 해석을 위해 MARIN GreenLab (Buchner, 2002) 프로그램을 이용하였다. GreenLab은 MARIN에 의한 Green water JIP(Joint industry project)의 일부로서 Ship-type offshore 선박을 운영하는 Oil major와 선급, 조선소들을 중심으로 Green water를 예측하는 프로그램이다.
성능/효과
- 측면 Green water가 발생하는 이유는 입사되는 파도와 선체로부터 반사되는 파도의 합성으로 인해 파도의 기울기가 심해진 결과에 기인 한다. 또한 Green water 현상은 최대 파고와 주기를 갖는 해상뿐만 아니라 파고와 주기의 관계에 따라 작업 중인 해상에서도 일어날 수 있음을 알 수 있었다.
- Drilling 작업 중 Green water 억제를 위한 측면 Break water 설계를 위해 해석과 모델 테스트를 수행하였고 Green water 해석을 위해서 GreenLab 프로그램을 이용하였으며 해석 결과의 검증을 위해 MARIN에서 모델 테스트를 수행하였다. 선체 중앙부에 위치한 Moonpool을 중심으로 DPS를 이용하여 위치 유지와 선수 각 유지를 하는 시추선이 선수 사파(Oblique sea)를 경험하게 될 때 측면 Green water로 인한 해수 유입이 Drilling, Stand-by connected, Survival wave 조건에서 발생함을 확인 하였다. 측면 Green water가 발생하는 이유는 입사되는 파도와 선체로부터 반사되는 파도의 합성으로 인해 파도의 기울기가 심해진 결과에 기인 한다.
- 이상과 같이 본 Green water 해석에 의해 제안된 측면부 Break water는 주어진 시추 직업, Riser 유지, 최대 극한 해상 조건에서 측면부 Green water를 억제하는 데에 유용함을 모형 시험을 통해 확인할 수 있었다.
- 하지만 각 상황에 따른 위험성 여부에 대해서는 정성적으로 충분히 보일 수 있는 계산 결과 값들 이므로, 선박의 환경 조건이 Moonpool 내부유동이 상대적으로 강해지는 횡파 상황을 가진다면 갑판 위로 해수가 솟아오르게 되는 Pumping-up 현상은 일어날 것으로 예측할 수 있지만 선박의 선수각을 DPS를 이용하여 제어하면 충분히 줄일 수 있는 것도 확인할 수 있다
- 해석에 의해 Break water의 적정한 높이와 길이방향 분포를 결정하였고 모형 시험을 통해 측면부 Green water가 설계된 Break water에 의해 상당 부분 효과적으로 억제되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 북해용 시추선의 초기 설계 단계 중 유체동력학적 관점에서 검토해야 하는 내용을 기술하였다. 개발된 시추선이 파도가 거친 북해에서 우수한 작업 성능을 확보하기 위해서는 정확한 운동 해석을 통해 Operability limit를 만족하도록 설계해야 한다. 또한 북해에서 충분히 견딜 수 있는 선체 강도를 가지도록 선형 및 비선형 파랑하중 해석을 통해 선체 구조 설계를 진행해야 한다.
- 그러므로, 황천 시 작업을 하게 되는 시추선에 있어서 앞서 기술한 여러 가지 기술 항목에 대한 충분한 평가를 초기 설계 단계에서 검토하고, 그에 대한 방지 대책을 조기에 마련하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
- 개발된 시추선이 파도가 거친 북해에서 우수한 작업 성능을 확보하기 위해서는 정확한 운동 해석을 통해 Operability limit를 만족하도록 설계해야 한다. 또한 북해에서 충분히 견딜 수 있는 선체 강도를 가지도록 선형 및 비선형 파랑하중 해석을 통해 선체 구조 설계를 진행해야 한다.
- 82초로서, Roll의 공진점과는 상대적으로 먼 위치에 있다고 볼 수 있으나 Heave와는 상대적으로 가까이 위치하고 있는 것으로 보이므로 이에 대한 세부적인 계산이나 검토가 필요하다. 실 프로젝트에서는 Moonpool의 3차원 형상을 고려하는 Fukuda 방법이 더 유용할 것으로 판단된다.
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