해저케이블 하역용 코일링 암 구조설계 및 해석
Structural Design and Analysis of Coiling Arm Unloading Machine
for Submarine Cable
김 명 환*∙김 동 현**∙류 경 중***∙심 재 박***∙추 헌 호***∙이 승 민***
Kim, Myung-Hwan∙Kim, Dong-Hyun∙Ryu, Gyeong-Joong∙Sim, Jae-Park∙Choo, Heon-Ho∙Lee, Seung-Min
1)
요 약
본 논문에서는 해저케이블 부두 하역용 장비인 코일링 암(coiling arm)에 대한 구조설계 및 해석을 수행 하였다. 본 연구에서는 구조설계를 위해 3차원 CAD프로그램을 이용하여 모델링하였고 구조해석 프로그램 을 이용하여 유한요소법에 기초한 전산해석 기법으로 해석을 수행하였다. 코일링 암의 목적에 맞추어 케이 블을 케이블 탱크에 가이드 할 수 있도록 베어링 및 롤러를 설계하여 메인 암이 회전하고 케이블 가이드 가 이동할 수 있도록 하였고, 기존의 외국 모델에서 사용하던 와이어 및 모터 시스템을 이용한 케이블 가 이드 작동방식을 유압 시스템을 이용한 작동방식으로 변경하여 설계 및 제작이 쉽고 사용자가 직관적으로 작동할 수 있도록 설계하였다. 자중 및 케이블 하중에 대한 응력 해석을 수행하였고, 유압시스템에 의한 파손 가능성을 고려하였다. 케이블 가이드에 이동 및 지면 경사도에 따른 전복해석을 수행하였으며, 설치 장소를 고려한 풍하중 효과도 추가로 고려하였다. 본 연구를 통해 코일링 암의 작동방식을 개선하였으며 설계 및 해석 방법을 확립과 더불어 국내 최초로 실제 코일링 암을 제작 및 설치하였다. keywords : 코일링암, 구조설계, 유한요소법, 해저케이블 1. 서 론 세계적으로 전력 사용량이 증가함에 따라 직접적인 전력 공급이 어려운 도서 및 산간 지방의 전력 공급 문제가 크게 대두 되고 있다. 특히 도서 지역은 육상 송전선을 이용한 전력 연결이 불가능하기 때문에 육지 와 연결하는 해저케이블이 중요한 해결책으로 각광 받고 있다. 국내에서는 발전 원가가 전국의 2.5배를 상회 하고 전력 수요 증가율이 높은 제주도와 해남과 연결하는 HVDC(High-Votage, Direct Current) 해저케이블 과 주변 도서지역의 전력 공급을 위한 배전케이블이 완공되어 있으며, 진도 제주간 HVDC 해저케이블 공사 가 현재 진행 중에 있다(안승환 등, 2009). 해저케이블은 보통 케이블의 포설이 가능한 포설선에 운반 및 보관 되는데 해저케이블 공사가 지연되면 그 기간만큼 포설선에 투입되는 비용이 늘어나게 된다. 외국에서는 공사의 지연기간 동안 해저케이블을 부두 에 하역하였다가 공사가 다시 시작되면 포설선에 실어 공사를 진행하는데 국내에서는 해저케이블을 부두에 * * 경상대학교 항공우주공학과 석사과정 [email protected] * ** 경상대학교 항공우주공학과 교수 및 공학연구원 [email protected] *** 경상대학교 항공우주공학과 석사과정 [email protected]하역할 수 있는 장비가 전무하기 때문에 공사 지연에 대한 대처가 어려운 실정이다. 코일링 암은 해저케이블을 부두에 하역하거나 육지에서 배로 하역하는 장비의 명칭으로 외국에서는 이미 해저케이블 하역 작업에 많이 사용되고 있지만 국내에서의 설계 및 제작 사례가 전무한 실정이다. 그림 1에 서처럼 해저케이블 하역 작업은 기본적으로 코일링 암과 케이블탱크가 준비 되어야 하고, 크레인으로 해저케 이블을 공중에서 내려주면 코일링 암이 케이블을 가이드하여 케이블탱크에 내리면서 작업이 진행 된다. 코일 링 암이 케이블탱크에 케이블을 내리는 작업에는 2가지 동작이 필요하다. 첫 번째는 케이블을 가이드하는 코 일링 암의 케이블 가이드가 코일링 암의 중심에서 바깥쪽으로 움직이는 것이고, 두 번째는 케이블 가이드가 움직이는 메인 암이 코일링 암의 중심을 기준으로 360도 회전하는 것이다. 기존의 외국 모델을 보면 케이블 가이드는 와이어 또는 모터에 기어를 연결하여 움직이고, 메인 암의 회전은 모터를 연결하거나 로프를 매달 아 인력으로 회전시킨다. 외국 모델의 작동 방법은 이미 검증이 된 방법이지만 구조가 복잡하여 설계 및 제작이 어렵고 고장이 발 생할 확률이 높다. 따라서, 본 논문에서는 유압시스템을 이용하여 기존의 구조보다 복잡하지 않고 직관적인 구조로 설계하여 사용자가 간편하고 쉽게 사용할 수 있도록 하였고, 구조해석 프로그램인 SAMCEF Field V6.3을 이용하여 자중 및 케이블 하중 해석, 전복해석을 수행하였으며 유압시스템에 의한 파손과 설치 장소 를 고려한 풍하중 효과도 고려하였다. (a) 케이블탱크 (b) 코일링 암이 설치된 케이블탱크 그림 1 케이블탱크 형상 2. 구조물 모델링 및 해석 기법 본 논문에서 설계한 코일링 암은 높이 8m, 암 둘레 9m의 모델로 CATIA V5 R18을 이용하여 설계 하였 다. 본 모델은 그림 2 (a)에서 보이는 것처럼 크게 타워, 메인 암, 케이블 가이드, 하부지지대 등으로 구성되 어 있으며, 6m 지점에 메인 암이 위치해 있다. 하부지지대의 하단부에는 타워를 지지하는 쓰러스트 베어링 과 깊은 홈 베어링을 장착하여 타워와 메인 암이 사람의 힘만으로도 회전할 수 있게 설계 하였고, 하부지지 대의 상단부에는 롤러를 장착하여 수평 하중을 지지하게 하였다(그림 2). 또한, 작동 압력 70kgf/cm2, 직경 100mm, 스트로크 410mm의 유압실린더를 하부지지대의 상단부와 케이블 가이드 지지대와 연결하여 케이블 가이드를 움직일 수 있게 하였다(그림 2). 유압실린더가 작동하면 케이블 가이드의 앞부분에 달린 롤러가 메 인 암의 위를 굴러가면서 이동하게 된다. 전체 무게는 카운터 웨이트를 포함하여 4.5ton정도이고, 재질은 일 반 구조용 강재(steel)로 고려하였으며 E=210GPa, 𝜌=7.850kg/m3, 𝜈=0.3으로 가정하였다.
본 모델의 유한요소모델은 케이블 하중이 최대로 걸리는 유압실린더를 밀었을 때를 기준으로 하여 모델링 하였는데 하단부의 사각 하부지지대는 1차원 beam 요소를 사용하였으며, 그 외 타워와 메인 암, 케이블 가 이드 등과 같이 일정한 두께를 가지는 부분은 4질점 shell 요소를 사용하였다(그림 3). 또한, 무게가 집중되는 카운터 웨이트의 경우 3차원 solid 요소를 사용하였다. 유한요소모델링에 사용된 총 질점(node) 수는 62,076 개 이며, 총 요소(element) 수는 63,486 개 이다. 그림 3에서는 코일링 암에 대한 유한요소 격자모델을 보여 주고 있다. 본 모델의 경계조건은 타워 하단부와 하부지지대 사이에 glue 조건을 부여하였으며, 타워 상단부와 메인 암 부분은 bolt 체결구조로써 체결부 만을 선택하여 fixed 조건을 부여하였다. 하부지지대 하단부 네 끝단에 는 6자유도를 구속하는 clamp 조건을 부가하였다. 그리고 케이블 가이드에 걸쳐있는 케이블 무게를 1m당 33kg을 적용하고 케이블 가이드 길이 6m, 지면에서의 메인 암까지의 높이 6m를 고려하여 총 4kN의 Resultant Force를 케이블 가이드에 부가하였다. 그리고 자중을 고려하기 위해 구조물 전체에 9.81m/s2의 가 속도를 부가하였다. (a) 유압실린더를 당겼을 때 (b) 유압실린더를 밀었을 때 그림 2 코일링 암 설계 형상 (a) 전체 모델 (b) 주요 부분 모델 그림 3 유한요소모델
3. 해석결과 및 검토 그림 4는 자중 및 케이블 하중에 대한 구조해석 결과를 나타내고 있다. 그림 4 (a)는 전체 모델의 응력분 포를 나타내고 있으며 케이블 가이드 끝단 부분과 하부지지대의 하단부에 주로 응력이 크게 나타나는 것을 확인 할 수 있다. 그림 4 (b)에서 두 부분 모두 1이상의 안전여유를 가지는 것을 확인할 수 있다. (a) 전체 해석결과 (b) 주요 부분 해석결과 그림 4 자중 및 케이블 하중 해석결과 그림 5는 유압장치가 케이블 가이드 지지대에 하중을 가하여 파손되는 조건을 확인하기 위한 해석이다. 그 림 5 (a)와 같이 케이블 가이드 및 지지대를 고정시킨 상태에서 케이블 가이드 지지대에 유압실린더의 스트 로크 방향으로 47kN의 하중을 케이블 가이드에 가하자 그림 5 (b)와 같이 500MPa의 응력이 나타났다. 케이 블 가이드가 고정된 상태에서의 유압시스템 사용에 대한 주의가 필요함을 확인하였다. (a) 하중 조건 (b) 해석결과 그림 5 유압시스템에 의한 파손 해석 전복 해석은 구조물이 전복되는 경우를 대비한 해석이다. 그림 6에서 나타난 것처럼 네 끝단의 반력이 위 쪽으로 향하게 되는 경우(+) 안전하다고 판단하며, 네 끝단의 반력 중 두 부분이 아래쪽으로 향하게 되는 경 우(-) 전복이 되었다고 판단 할 수 있다. 해석한 결과 표 1에서 나타난 것처럼 전복이 되지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 풍하중 효과를 고려한 전복 해석을 추가적으로 수행하여, 네 끝단 모두에서 (+)방향의 반 력을 가지는 것을 확인하였다. 그림 7과 같이 앵커볼트 없이 비상용 와이어만 연결한 실제 설치 및 운용에서 도 이상이 없는 것을 확인하였다.
그림 6 하부지지대 네 끝단의 반력 표 1 지면의 각도 및 유압실린더에 따른 하부지지대 네 끝단의 반력 지면과의 각도/유압실린더 케이블가이드 방향 두 부분 카운터웨이트 방향 두 부분 0도 / 밀었을 때 +9.0kN +9.7kN 0도 / 당겼을 때 +7.6kN +11.0kN 5도 / 밀었을 때 +12.0kN +6.5kN 5도 / 당겼을 때 +10.8kN +7.8kN 그림 7 현장 설치 사진 4. 결론 본 연구에서는 해저케이블 부두 하역용 코일링 암을 첨단 해석 기법을 사용하여 경량화 설계 하였고, 자 중 및 케이블 하중에 의한 파손, 유압시스템에 의한 파손, 전복, 풍하중에 대한 해석을 수행하여 설계 및 해 석 방법을 확립하였다. 또한, 국내 최초로 코일링 암을 제작 및 설치하여 성공적으로 운용하였다. 본 연구로 확립된 설계 및 해석 방법과 제작, 설치 사례는 향후 코일링 암 설계에 도움이 될 것으로 기대된다. 참고문헌 안승환, 김동선, 박경원 (2009) 해양환경특성에 따른 해저케이블 설치 및 보호방안, 해양환경안전학회지, 15(1), pp25～32.
