[논문]극지 운항 선박 Ice Belt Zone의 도장 사양 설계 연구

백윤호; 박충서; 소용신

문제 정의

본 논문에서는 쇄빙선/내빙선용 도료에 대해 극지 운항 환경에서 빈번히 발생할 수 있는 충격, 마모에 대해 성능 평가를 수행하였으며, 특히 마찰 성능 시험에서는 통계적 기법을 통해 정규성을 검정하였다. 또한 이를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 당사 특수 도장 사양 선정 기준을 정립해 도막 품질 향상에 기여하고자 한다.
본 논문에서는 쇄빙선의 내빙대에 적용되는 고 내마모성 도료에 대한 도장 사양 설계 기준 확보를 목적으로 도막 성능 시험을 수행하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

8 MPa을 이용하였다. 또한 결과 항목 중 제시된 빙 접촉 면적은 투영된 면적(Projected Area)으로서 실제 빙 충격에서 발생하는 3차원 형태를 2차원 형태로 단순화해서 충격에너지 계산에 이용하였으며 선체가 얼음에 가한 에너지는 모두 선체가 흡수한다고 가정하였다.

제안 방법

1) 쇄빙선용 도료에 대한 도막 성능 기준 즉, 천공 흡수에너지(1.7 J 이상), 마모율(145 mg 이하), 마찰계수(0.045 이하), 충격흡수에너지(0.7 MJ/m2 이상)에 대한 기준을 제시하였다.
충격에너지 계산은 ISO6603-1의 규격을 이용하는데, 식 3~5의 위치에너지 공식을 보정해 계산한다. 3.2.5절의 대빙 충격 시나리오별 선체가 받는 충격에너지 결과를 이용해 충격 흡수에너지의 허용 기준(0.7MJ/m2)을 선정하였다. 그 결과, Fig.
Case 1에서 Case 4까지의 충격에너지는 각각 0.69, 0.63, 0.54, 0.64 MJ/m²으로서 0.5~0.7 MJ/m²범위이며 이 수치는 빙 충격 시 선체가 받는 에너지이므로 추 낙하 시험에 의해 계산된 충격 흡수에너지와 비교하여 0.7 MJ/m²을 허용 기준으로 선정하였다. 하지만 선체 형상 및 내빙대의 늑골(frame) 간격 등 변수에 의해 흡수에너지는 다양하게 소멸되어 도막이 실제 받는 에너지는 0.
극지 운항용 도막 선정에 있어서 중요한 영향 인자이며 선주의 주된 관심 사항인 마찰계수의 정규 분포를 확인하기 위해 통계적 개념인 데이터의 정규성을 검정하였다. 여기서 유의 수준(Significance Level)을 0.
다음으로 내빙선용 도료 마찰계수에 대한 정규성 검정을 실시 하였다. Fig.
본 논문에서는 쇄빙선/내빙선용 도료에 대해 극지 운항 환경에서 빈번히 발생할 수 있는 충격, 마모에 대해 성능 평가를 수행하였으며, 특히 마찰 성능 시험에서는 통계적 기법을 통해 정규성을 검정하였다. 또한 이를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 당사 특수 도장 사양 선정 기준을 정립해 도막 품질 향상에 기여하고자 한다.
본 시험을 통해 입수된 마찰계수 값이 정규 분포를 따른다고 가정한 후 유의 수준 0.05로 고정시킨 다음 미니탭(MINITAB)을 이용해 분석하였다. Fig.
빙 파괴 압력은 1.3, 3 MPa로 선정하였으며, 빙 굽힘 강도(Ice flexural Strength)는 겨울철 초년생 빙이 0.7~0.8 MPa의 강도를 지니므로 0.8 MPa을 이용하였다. 또한 결과 항목 중 제시된 빙 접촉 면적은 투영된 면적(Projected Area)으로서 실제 빙 충격에서 발생하는 3차원 형태를 2차원 형태로 단순화해서 충격에너지 계산에 이용하였으며 선체가 얼음에 가한 에너지는 모두 선체가 흡수한다고 가정하였다.
이러한 크고 작은 유빙에 의해 운항시 연속 쇄빙의 한 종류인 빗면(Glancing) 충격이 발생되기도 한다. 충격 쇄빙 조건은 빈번하게 일어나는 현상은 아니며, 평탄빙에서의 연속 쇄빙 또는 빙맥에 의한 빗면 충격이 일반적으로 발생하는 현상이므로 이를 고려해 선형 설계 및 구조 강도를 계산한다.
극지 운항선용 도료의 도막 성능 시험은 Lloyd’s Register인증 조건에 규정된 충격에너지, 마모량을 기본 시험 항목으로 선정하였으며, 추가적으로 극지 운항 시 중요한 쇄빙 성능 지표인 마찰계수를 측정하였다. 충격에너지는 필름 형태의 천공 흡수에너지(Puncture-absorbed Energy), 그리고 철판 도장 후 낙하 추에 의한 충격 흡수에너지(Impact-absorbed Energy)로 구분하여 시험을 수행하였다. 각각의 도막 시험에 대한 규격 및 시편 조건은 Table 2와 같다.

대상 데이터

핀란드-스웨덴 빙 등급 규정(Finnish-Swedish Ice Class Rules) 에 따라 극지 운항용 도료는 크게 두 가지로 분류되는데, 1A Super 등급인 쇄빙선용, 그리고 그 보다 낮은 단계인 1A(또는 1B, 1C) 등급의 내빙선용으로 구분한다. 본 연구에서는 쇄빙선용 도료(A~E)와 내빙선용 도료(F, G, H)를 구분하여 선정하였는데, 이 중 도료 B의 경우, 30년 전에 개발되어 1,000척 이상의 적용 실적을 가지고 있으며, 타 도료 인증 시 평가 기준이 되는 도료이다. 쇄빙선용 도료의 주요 특징은 Table 1과 같다.
먼저시나리오별 충격에너지를 구하기 위해 기본 변수를 Table 5에서 보는 바와 같이 설정하였다. 선종은 LNG 운반선이며 선체 길이는 271m, 중량은 약 10만 톤, 선속은 캐나다 선급 규정에서 정한 평탄빙에서의 연속 쇄빙 가능한 속도인 3 knots를 기준으로 정하였다.
4에 나타내었다. 현재 내마모성에 대한 절대적 기준이 정립되지 않아 극지 운항용 도료로 가장 많이 사용하고 있는 B를 허용 기준으로 선정하였다. 도료 D를 제외한 모든 도료들이 기준을 만족하였지만, D는 허용 기준의 50%를 초과하며 높은 손실율을 보였다.

데이터처리

이 마찰계수는 얼음-도막의 마찰이 아닌 얼음-철판과의 마찰력으로 피마찰재는 다르지만 내빙대용 도료 적용으로 인한 마찰력 감소를 고려했을 때 최소 얼음-철판과의 마찰계수 보다는 낮은 값이 되어야한다. 따라서 본 연구에서는 3가지 측정결과에 대한 중간 값인 Finke의 운동 마찰계수 0.045를 기준으로 본 연구결과를 분석하였다.

이론/모형

극지 운항선용 도료의 도막 성능 시험은 Lloyd’s Register인증 조건에 규정된 충격에너지, 마모량을 기본 시험 항목으로 선정하였으며, 추가적으로 극지 운항 시 중요한 쇄빙 성능 지표인 마찰계수를 측정하였다.
시나리오별 충격 거동 분석은 캐나다 Memorial 대학의 Claude Daley 교수에 의해 제작된 ‘Direct Design for Polar Ships-Loads v1.4’ 엑셀 스프레드 시트를 이용하였다.
충격 흡수에너지는 ISO20340에 따라 가속 노화 시험 후 -20℃ 조건에서 낙하 추를 이용해 시험하였다. 충격에너지 계산은 ISO6603-1의 규격을 이용하는데, 식 3~5의 위치에너지 공식을 보정해 계산한다.

성능/효과

2) 도료 A, C는 모두 에폭시 타입으로서 B도료와 대등한 도막 성능을 보여 쇄빙선용 내빙대에 적용 가능하며, 특히 E는 페놀릭에폭시 타입으로 분자 가교 밀도가 높아 쇄빙선용 도료 중 도막 성능이 가장 우수하였다. 또한 내빙선용 도료인 G는 천공 흡수에 너지 2.
3) 도료 D는 유일하게 에어리스(Airless) 도장이 가능한 쇄빙선용 도료이지만, 2액형 도료에 비해 천공 흡수에너지, 마모량, 마찰계수 등의 항목에서 열세한 성능을 보였다. 이는 폴리에스테르(Polyester) 타입으로서 건조시간이 빠르며, 소지와의 부착성이 우수한 특징이 있지만, 저온에서 충격이 약하며, 수 십 마이크론의 유리 박편 함유 입자로 인해 Table면 조도(Rz: 19.
7MJ/m2)을 선정하였다. 그 결과, Fig. 8처럼 쇄빙선용 도료 중 B 의 충격에너지가 가장 높아 대빙 충격 저항성이 가장 우수하였으며, 앞서 기술한 천공 흡수에너지 시험에서 저조한 특성을 보인 D, F, H는 소지에 구속되어있을 때, 쇄빙선용 도막과 유사한 충격저항성을 보여주었다. 또한 도료 H의 충격저항성이 뚜렷하게 증가되었는데, 이는 프라이머 적용으로 인해 소지와의 부착력이 높고, 상도를 지지하기 때문으로 사료된다.
현재 내마모성에 대한 절대적 기준이 정립되지 않아 극지 운항용 도료로 가장 많이 사용하고 있는 B를 허용 기준으로 선정하였다. 도료 D를 제외한 모든 도료들이 기준을 만족하였지만, D는 허용 기준의 50%를 초과하며 높은 손실율을 보였다. 이는 표면(Rz: 19.
따라서 도료 A의 최대 흡수에너지는 변위 6.8 mm에서 최대 하중 0.69 kN일때이며, 적분 결과 3.35 J로 나타났다. 또한 최대힘 F_M이 #로 떨어진 변위에서 천공 흡수에너지는 3.
따라서 마찰력은 표면 상태에 영향을 많이 받으므로 낮은 마찰력이 요구되는 도료 배합설계시 이에 대한 고려가 필요하다. 또한 극지 운항용 도료별 마찰계수를 비교하면, 쇄빙선용 도료가 내빙선용 도료보다 마찰계수가 낮은 경향성을 보였으며, 동일한 제조사 제품 중 쇄빙선용 도료가 내빙선용 도료에 비해 더 낮았다.
3에 정리하여 나타내었다. 쇄빙선용 기준 도료 B 대비 A, C, E가 우수한 것으로 나타났다. 반면 도료 D는 상대적으로 낮은 에너지에서 시편이 파괴되었는데, 이는 불포화 폴리에스테르의 고유 특성인 유연성 부족의 원인으로 판단된다.
극지 운항용 도막 선정에 있어서 중요한 영향 인자이며 선주의 주된 관심 사항인 마찰계수의 정규 분포를 확인하기 위해 통계적 개념인 데이터의 정규성을 검정하였다. 여기서 유의 수준(Significance Level)을 0.05로 정하면 데이터의 신뢰 수준은 95%이라는 의미이며 유의 수준과 p-value를 이용해 p-value 값이 유의 수준보다 작으면 데이터가 정규 분포(Normal Distribution)를 따르지 않는다고 결론 내리게 된다.

후속연구

본 연구는 극지 운항용 선박 또는 극지 해상 플랜트의 도장 설계 시 도료 선정 기준으로 적용할 수 있을 것으로 기대되며, 향후 당사 특수 도장 시공 기술 향상과 더불어 도장시스템의 내구성및 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쇄빙선의 내빙대에 적용되는 고 내마모성 도료에 대한 도장 사양 설계기준 확보를 목적으로 도막 성능 시험을 수행하고 얻은 결론은?	1) 쇄빙선용 도료에 대한 도막 성능 기준 즉, 천공 흡수에너지(1.7 J 이상), 마모율(145 mg 이하), 마찰계수(0.045 이하), 충격흡수에너지(0.7 MJ/m2 이상)에 대한 기준을 제시하였다. 2) 도료 A, C는 모두 에폭시 타입으로서 B도료와 대등한 도막 성능을 보여 쇄빙선용 내빙대에 적용 가능하며, 특히 E는 페놀릭에폭시 타입으로 분자 가교 밀도가 높아 쇄빙선용 도료 중 도막 성능이 가장 우수하였다. 또한 내빙선용 도료인 G는 천공 흡수에 너지 2.18 J, 마모량 80 mg, 마찰 계수 0.038, 충격 흡수에너지 1.0 MJ/m2으로서 2액형 가열 도장이 어려운 경우 쇄빙선용 후보 도료로 추천이 가능하다. 3) 도료 D는 유일하게 에어리스(Airless) 도장이 가능한 쇄빙선용 도료이지만, 2액형 도료에 비해 천공 흡수에너지, 마모량, 마찰계수 등의 항목에서 열세한 성능을 보였다. 이는 폴리에스테르(Polyester) 타입으로서 건조시간이 빠르며, 소지와의 부착성이 우수한 특징이 있지만, 저온에서 충격이 약하며, 수 십 마이크론의 유리 박편 함유 입자로 인해 Table면 조도(Rz: 19.1㎛)가 높기 때문으로 판단된다.
	쇄빙선이란?	쇄빙선(Icebreaker)이란 빙해역을 독자적으로 항해할 수 있는 쇄빙능력을 보유한 선박을 말한다. 다시 말해 빙해역에 수로를 만들어 다른 선박의 항행을 유도하거나 아니면 단독으로 개별적인 활동을 추진하는 선박을 말한다.
	내빙선이란?	다시 말해 빙해역에 수로를 만들어 다른 선박의 항행을 유도하거나 아니면 단독으로 개별적인 활동을 추진하는 선박을 말한다. 쇄빙선과는 달리 독자적인 쇄빙능력은 보유하지 않았더라도 비교적 얇은 결빙해역이나 이미 만들어진 수로의 유빙저항을 이겨낼 만한 내빙능력을 갖춘 선박도 있는데, 이러한 내빙선(Ice Going Vessel)은 두께 50 cm 이내의 1년생 빙 그리고 결빙률 3/10 이하의 빙해역에서 사용되는 것으로서 쇄빙선의 인도에 따라 운행한다. 북극권의 국가들에서는 단독쇄빙선과 함께 수척의 빙해용 상선이 선단을 이루어 빙해역에서의 해상수송을 담당하고 있다.

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