[논문]낙하체 충돌을 고려한 심해저 매니폴드 보호 구조물 설계

우선홍; 이강수; 정준모

doi:10.5574/ksoe.2017.31.3.233

낙하체 충돌을 고려한 심해저 매니폴드 보호 구조물 설계
Design of Subsea Manifold Protective Structure against Dropped Object Impacts 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.31 no.3, 2017년, pp.233 - 240

우선홍 (인하대학교 조선해양공학과) , 이강수 (한국해양과학기술원 부설 선박해양플랜트연구소) , 정준모 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Subsea structures are always vulnerable to accidental risks induced by fishing gear, dropped objects, etc. This paper presents the design of a subsea manifold protective structure that protects against dropped object impacts. Probable dropped object scenarios were established considering the shapes and masses of the dropped objects. A design layout for the manifold protective structure was proposed, with detailed scantlings and material specifications. A method applicable to the pipelines specified in DNV-RP-F107(DNV, 2010) was applied to calculate the annual probabilities of dropped objects hitting the subsea manifold. Nonlinear finite element analyses provided the structural consequences due to the dropped object impacts such as the maximum deflections of the protective structure and the local fracture occurrences. A user-subroutine to implement the three-dimensional fracture strain surface was used to determine whether local fractures occur. The proposed protective structure was shown to withstand the dropped object impact loads in terms of the maximum deflections, even though local fractures could induce accelerated corrosion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 논문은 수심 3,000m의 심해에서 하루 200,000배럴의 원유를 생산하고 SIL 3(Safety integrity level 3)의 안전 신뢰도를 가지는 매니폴드 보호 구조물 설계 검증을 목표로 한다. DNV-RP-F107이 제시하는 해저 송유관 낙하 충격 확률론적 위험 평가 방법을 응용하여 심해저 매니폴드 보호 구조물에 작용하는 각종 낙하체의 낙하 충격 확률을 결정하였다.

가설 설정

본 연구의 대상 심해저 매니폴드의 예상 설치 해역은 멕시코만(Gulf of Mexico)를 기반으로 한 가상의 해역으로 일반적인 해양플랫폼의 크레인 인양을 가정하였다. 이때 매니폴드와 해상의 해양 플랫폼의 위치, 인양 실패에 따른 낙하지점 등과 같은 해상 정보에 대한 가정을 통하여 심해저 매니폴드 운용 중 낙하체 별 연간 매니폴드 충돌 확률 계산하였다.
본 연구의 대상 심해저 매니폴드의 예상 설치 해역은 멕시코만(Gulf of Mexico)를 기반으로 한 가상의 해역으로 일반적인 해양플랫폼의 크레인 인양을 가정하였다. 이때 매니폴드와 해상의 해양 플랫폼의 위치, 인양 실패에 따른 낙하지점 등과 같은 해상 정보에 대한 가정을 통하여 심해저 매니폴드 운용 중 낙하체 별 연간 매니폴드 충돌 확률 계산하였다. Fig.

제안 방법

본 논문은 수심 3,000m의 심해에서 하루 200,000배럴의 원유를 생산하고 SIL 3(Safety integrity level 3)의 안전 신뢰도를 가지는 매니폴드 보호 구조물 설계 검증을 목표로 한다. DNV-RP-F107이 제시하는 해저 송유관 낙하 충격 확률론적 위험 평가 방법을 응용하여 심해저 매니폴드 보호 구조물에 작용하는 각종 낙하체의 낙하 충격 확률을 결정하였다. 연간 심해저 매니폴드 충돌 확률이 10^-4을 초과하는 낙하 시나리오를 대상으로 3차원 비선형 구조해석을 실시하였다.
연간 심해저 매니폴드 충돌 확률이 10^-4을 초과하는 낙하 시나리오를 대상으로 3차원 비선형 구조해석을 실시하였다. 또한 보호 구조물의 파단을 정량적으로 판단하기 위하여 선행연구(Choung et al., 2015a; Choung et al., 2015b)이 제시한 3차원 파단 변형률 평면을 적용하여 보호 구조물의 소성 변형 및 파단 여부를 관찰하였다.
DNV-RP-F107이 제시하는 해저 송유관 낙하 충격 확률론적 위험 평가 방법을 응용하여 심해저 매니폴드 보호 구조물에 작용하는 각종 낙하체의 낙하 충격 확률을 결정하였다. 연간 심해저 매니폴드 충돌 확률이 10^-4을 초과하는 낙하 시나리오를 대상으로 3차원 비선형 구조해석을 실시하였다. 또한 보호 구조물의 파단을 정량적으로 판단하기 위하여 선행연구(Choung et al.

대상 데이터

DNV-RP-F107(DNV, 2010)는 해저 파이프라인에 적용 가능한 다양한 낙하체 낙하 충격 확률에 대한 가이드라인을 제공하고 있는바, 본 논문에서는 이를 심해용 매니폴드에 적용하므로서 다양한 낙하체 별 매니폴드 충돌 확률을 계산하였다. 이로부터 매니폴드 충돌 확률이 가장 큰 30" 케이싱과 10' 7ton 컨테이너를 낙하체를 선정하였다.
매니폴드 보호 구조물의 기본 치수는 낙하체의 중량 등을 고려하여 4개의 기둥을 가지는 형상으로 설계되었다. 낙하체의 충돌 위치는 전체 변형과 국부 변형이 최대로 유발될 것으로 추정되는 IP-1 및 IP-2를 선정하였다.

이론/모형

본 논문에서는 보호 구조물의 파단 여부를 관찰하기 위하여 선행 연구(Choung et al., 2015a; Choung et al., 2015b)에서 제시된 3차원 파단 변형률 평면을 사용하였다. 등가 소성 변형률에 기반한 파단 변형률 평면은 편차 변형률 텐서에 기인하기 때문에 전단 파단 모델이라 불린다(Choung et al.
본 연구에서는 대상 매니폴드의 설치 예상 해역은 플랫폼의 구체적인 정보가 없는 관계로 DNV-RP-F107이 제시하는 일반적인 해양 플랫폼 크레인의 인양 물체 형상과 질량을 기준으로 N_l과 f_s를 결정하였다. 즉, DNV-RP-F107은 낙하체를 Flat/Long 형상과 Box/Round 형상 두 가지로 분류하며, 각 형상에 대하여 공기 중 질량을 세 수준으로 분류한다.

성능/효과

3차원 구조 해석 모델은 대부분 셸 요소로 모델링되었으며, 충돌 위치에 국부적으로 고체 요소를 이식하여 정확도 높은 수치 해석 모델을 구성하였다. 또한 3차원 파단 변형률 평면을 적용하여 비선형 충돌 시뮬레이션 결과 10' 7ton 컨테이너가 IP-2에 충돌하는 경우 최대 변형이 발생하으며, 또한 보호 구조물에 국부적인 파단이 발생하였다. 최대 변형은 보호 구조물과 매니폴드 프레임간 초기 간격을 초과하지 않았기 때문에 보호 구조물로서 역할을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단하였다.
또한 3차원 파단 변형률 평면을 적용하여 비선형 충돌 시뮬레이션 결과 10' 7ton 컨테이너가 IP-2에 충돌하는 경우 최대 변형이 발생하으며, 또한 보호 구조물에 국부적인 파단이 발생하였다. 최대 변형은 보호 구조물과 매니폴드 프레임간 초기 간격을 초과하지 않았기 때문에 보호 구조물로서 역할을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단하였다.

후속연구

국부적인 파단은 파단부에 부식을 가속화할 가능성이 있기 때문에 이에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다. 매니폴드의 설치 및 운용이 구체화된다면, 그에 따른 낙하체와 충돌 확률을 현실적으로 고려할 수 있을 것으로 사료된다.
향후 비선형 수치 해석에서 보호 구조물의 접수(Immersed in water)로 인한 부가 질량 효과 등이 고려되어야 할 것으로 사료된다. 향후 낙하체별 충돌 확률과 낙하체의 운동 에너지 관계를 정립하는 정량적 위험도 평가(Quantitative risk assessment) 기법이 요구되며, 이로부터 구조 피해 중대성을 평가하는 방법론의 적용이 요구된다.
매니폴드의 설치 및 운용이 구체화된다면, 그에 따른 낙하체와 충돌 확률을 현실적으로 고려할 수 있을 것으로 사료된다. 향후 비선형 수치 해석에서 보호 구조물의 접수(Immersed in water)로 인한 부가 질량 효과 등이 고려되어야 할 것으로 사료된다. 향후 낙하체별 충돌 확률과 낙하체의 운동 에너지 관계를 정립하는 정량적 위험도 평가(Quantitative risk assessment) 기법이 요구되며, 이로부터 구조 피해 중대성을 평가하는 방법론의 적용이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보호 구조물-매니폴드 프레임의 이격 거리를 평가하는 것이 중요한 이유는?	낙하체 충돌 후 보호 구조물과 심해저 매니폴드와의 접촉이 일어난다면 심해저 매니폴드 운용에 큰 영향을 줄 수 있으므로 보호 구조물-매니폴드 프레임의 이격 거리를 평가하는 것은 매우 중요하다. 그러므로에 각각의 해석 케이스에 대한 최대 탄소성 처짐과 최소 이격 거리를 Table 4에 나타내었다.
	해저 파이프라인에 적용 가능한 다양한 낙하체 낙하 충격 확률에 대한 가이드라인을 제공하는 기준은?	DNV-RP-F107(DNV, 2010)는 해저 파이프라인에 적용 가능한 다양한 낙하체 낙하 충격 확률에 대한 가이드라인을 제공하고 있는바, 본 논문에서는 이를 심해용 매니폴드에 적용하므로서 다양한 낙하체 별 매니폴드 충돌 확률을 계산하였다. 이로부터 매니폴드 충돌 확률이 가장 큰 30" 케이싱과 10' 7ton 컨테이너를 낙하체를 선정하였다.
	심해저 해양 구조물의 사고 하중에 대한 적합한 보호 구조물의 설계와 이에 대한 위험도 평가는 필수적으로 요구되는 이유는?	심해저 해양 구조물은 운용 중 해상에서의 어업, 인양 작업 등에 의하여 발생하는 사고 하중에 대한 위험에 항상 노출되어 있으며, 사고 발생 시 운용의 중단뿐만 아니라 석유의 누출, 환경 오염, 인명 피해 등과 같은 심각한 문제를 초래할 수 있다. 때문에 심해저 해양 구조물의 사고 하중에 대한 적합한 보호 구조물의 설계와 이에 대한 위험도 평가는 필수적으로 요구된다.

참고문헌 (26)

Aanesland, V., 1987. Numerical and Experimental Investigation of Accidental Falling Drilling Pipes. Proceeding of the 19th Offshore Technology Conference, USA Huston, No 5497.
American Petroleum Institute(API), 2013. ANSI/API Recommended Practice 17P Design and Operation of Subsea Production Systems-Subsea Structures and Manifolds. USA : API.
American Petroleum Institute(API), 2006. API Recommended Practice 2FB Recommended Practice for the Design of Offshore Facilities Against Fire and Blast Loading. USA : API.
Arasaratnam, P., Sivakumaran, K.S., Tait, M.J., 2011. True Stress-True Strain Models for Structural Steel Elements. International Scholarly Research Network, 2011, No 656401.
Bai, Y., Wierzbicki, T., 2008. A New Model of Metal Plasticity and Fracture with Pressure and Lode Dependence. International Journal of Plasticity, 24(6), 1071-1096.

상세보기
Bai, Y., Wierzbicki, T., 2010 Application of Extended Mohr-Coulomb Criterion to Ductile Fracture. International Journal of Fracture, 161(1), 1-20.

상세보기
Basu, S., Benzerga, A.A., 2015. On the Path-dependence of the Fracture Locus in Ductile Materials: Experiments. International Journal of Solids and Structures, 71, 79-90.

상세보기
Benzerga, A.A., Surovik, D., Keralavarma, S.M., 2012. On the Path-dependence of the Fracture Locus in Ductile Materials-analysis. International Journal of Plasticity, 37, 157-170.

상세보기
Choung, J., Nam, W., 2013. Formulation of Failure Strain According to Average Stress Triaxiality of Low Temperature High Strength Steel (EH-36). Journal of Ocean Engineering and Technology, 27(2), 19-26.

원문보기 상세보기
Choung, J., Nam, W., Kim, S., 2014a. Fracture Simulation of Low-temperature High Strength Steel (EH36) using User-subroutione of Commercial Finite Element Code. Journal of Ocean Engineering and Technology 28(1): 33-46.
Choung, J., Nam, W., Lee, D., Song, S.Y., 2014b. Failure Strain Formulation Via Average Stress Triaxiality of an High Strength Steel for Arctic Structures. Ocean Engineering 91: 33-46.
Choung, J., Park, S.J., Kim, Y,H., 2015a. Development of Three Dimensional Fracture Strain Surface in Average Stress Triaxiaility and Average Normalized Lode Parameter Domain for Arctic High Tensile Steel: Part I Theoretical Background and Experimental Studies. Journal of Ocean Engineering and Technology, 29(6), 445-453.

원문보기 상세보기
Choung, J., Park, S.J., Kim, Y.H., 2015b. Development of Three Dimensional Fracture Strain Surface in Average Stress Triaxiaility and Average Normalized Lode Parameter Domain for Arctic High Tensile Steel: Part II Formulation of Fracture Strain Surface. Journal of Ocean Engineering and Technology, 29(6), 454-462.

원문보기 상세보기
Choung, J., Shim, C.S., Kim, K.S., 2011. Plasticity and Fracture Behaviors of Marine Structural Steel, Part III Expertimental Study on Failure Strain. Journal of Ocean Engineering and Technology, 25(3), 53-66.

원문보기 상세보기
Choung, J., Shim, C.S., Song H.C., 2012. Estimation of Failure Strain of EH36 High Strength Marine Structural Steel using Average Stress Triaxiality. Marine Structures, 29(1), 1-21.

상세보기
Det Norske Veritas(DNV), 2010. Recommend and Practice DNV-RP-F107 Risk Assessment of Pipeline Protection. Norway, DNV.
Dunnad, M., Mohr, D., 2011. On the Predictive Capabilities of the Shear Modified Gurson and the Modified Mohr-Coulomb Fracture Models over a Wide Range of Stress Triaxialities and Load Angles. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 59(7), 1374-1394.

상세보기
Katteland, L.H., Oeygarden, B., 1995. Risk Analysis of Dropped Objects for Deep Water Development. International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 18-22.
Liping, S., Siqi L., Shangmao, Ai., 2016. A Simplified Probabilistic Method for Dropped Objects Hitting Subsea Equipment. International Conference on Ships and Offshore Structures, 89-98.
Lou, Y., Huh, H., Lim, S., Pack, K., 2012., New Ductile Fracture Criterion for Prediction of Facture Forming Limit Diagrams of Sheet Metal. International Journal of Solids and Structures, 49(25), 3605-3615.

상세보기
Lou, M., Wierzbicki, T., 2010. Numerical Failure Analysis of a Stretch-bending Test on Dual-phase Steel Sheets Using a Phenomenological Fracture Model. International Journal of Solids and Structures, 47(22), 3084-3102.

상세보기
Norsk Sokkels Konkurranseposisjon(NORSOK), 2002. NORSOK Stnadard U-001, Subsea Production Systems. Norway, NORSOK.
Park S., Choung J., 2015. Basic Design of Deep Subsea Manifold Frame Sturcture for Oil Production. Journal of Ocean Engineering and Technology, 29(3), 207-216.

원문보기 상세보기
Simulia, 2008. Abaqus User Manual. Silumia.
Thomas, N., Basu, S., Benzerga, A.A., 2016. On Fracture Loci of Ductile Materials under Non-proportional Loading. International Journal of Mechanical Sciences, 117, 135-151.

상세보기
Yu, H., Olsen, J.S., He, J., Zhang, Z. 2016. Effects of Loading Path on the Fracture Loci in a 3D Space. Engineering Fracture Mechanics, 151, 22-36.

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