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문제 정의
- 강도 해석은 피로 해석 전에 수행되는 해석으로써, Steel Catenary Riser가 운용되는 기간 동안 발생할 수 있는 다양한 하중 조건에 대해서 Steel Catenary Riser의 강도를 평가하기 위해 수행된다. 하중 조건 조합은 API-RP-2RD의 기준을 따라서 정해지게 되는데, 본 연구의 목적은 Steel Catenary Riser의 피로 해석이기 때문에, Extreme 조건과 Survival 조건에 대해서만 강도 평가를 진행하도록 한다.
- 본 과제의 최종 목표는 심해 석유 생산망 FEED 설계를 위한 핵심 기술 개발로 해저 생산망 기본 배치, Flowline Engineering 및 Riser Engineering 기술 개발 등의 세부 기술로 나누어진다. 다른 세부들과의 일관성을 위하여 가상의 광구인 "미래 광구"를 설정하고, 해당 광구를 대상으로 세부 과제 목표에 대하여 대우조선해양, 삼성중공업, 서울대학교가 공동으로 연구를 진행하였다.
- 본 연구에서는 Steel Catenary Riser를 설계하고, 환경조건과 적용될 FPSO의 운동 응답을 고려하여, Wave induced fatigue analysis를 수행하였다. 과제의 연속성 및 통일성을 위해 Steel Catenary Riser는 미래 광구에 적용 가능하도록 설계되었고, Gulf of Mexico의 환경하중과 미래 FPSO의 운동 성능을 고려하여 Riser 전체에 대한 Wave induced fatigue 해석을 수행하였으며, Riser의 피로 수명이 설계 수명(30년)을 만족하는지에 대한 평가가 이루어졌다.
- 본 절에서는 가상 광구인 미래 광구를 개발하기 위한 여러 시스템 중 Flowline에 대한 FEED 엔지니어링 결과를 정리하였다. 미래 광구의 Flowline은 8개의 유정(Oil Well)이 연결된 Manifold(Pipeline End Manifold, PLEM)와 FPSO의 Riser Base 사이를 연결하며, 병렬로 나란히 배치되어 있는 10인치 내경의 배관이다.
- 기술 관점에서도 해외의 소수 기업들에 의해 과점 상태로 유지되고 있는 해저 광구 개발 시장에 진입하기 위해서는 기업인수합병 등 사업적인 관점 외에도 최소한 광구 설계에 필요한 핵심 기술을 이해하고 설계를 검증할 수 있는 역량 개발이 필요하다. 이를 위해 본 과제에서는 해저 광구 개발 시 가장 중요한 엔지니어링 기술의 하나인 심해 석유 생산망 FEED 설계를 위한 핵심 기술 개발을 목표로 연구를 진행하였다.
- 강도 해석은 피로 해석 전에 수행되는 해석으로써, Steel Catenary Riser가 운용되는 기간 동안 발생할 수 있는 다양한 하중 조건에 대해서 Steel Catenary Riser의 강도를 평가하기 위해 수행된다. 하중 조건 조합은 API-RP-2RD의 기준을 따라서 정해지게 되는데, 본 연구의 목적은 Steel Catenary Riser의 피로 해석이기 때문에, Extreme 조건과 Survival 조건에 대해서만 강도 평가를 진행하도록 한다. 강도 해석에서 FPSO의 Offset은 Riser 축에 대해서 Near, Far, Transverse를 고려하게 된다.
가설 설정
- 또한 보수적인 해석을 위해서 100년 반복주기 환경 데이터를 사용하였고, 파이프와 유속의 각도도 90°로 가정하여 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다.
- 본 과제에서는 미래 광구가 멕시코만(Gulf of Mexico, GoM) 해역 수심 3,000m에 위치한다고 가정하였으며, 모델링에 대한 상세한 정보는 아래 에 정리하였으며, 모델링 된 지형의 등수심도 및 PLEM과 FPSO, Riser Base의 위치는 와 같다.
- OBR(On-bottom Roughness) 해석을 통해 계산된 최대 Free Span에 대한 피로 평가도 수행하였다. 파이프가 해저면에 설치될 때 발생되는 힘인 유효 Lay Tension은 적절한 값으로 가정하였고, 압력과 온도는 설계 최대치를 사용하였다. 또한 보수적인 해석을 위해서 100년 반복주기 환경 데이터를 사용하였고, 파이프와 유속의 각도도 90°로 가정하여 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다.
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