해저 배관 설계 및 시공 기술 동향
김 영 표 한국가스공사 연구개발원 책임연구원 ㅣ e-mail : [email protected]
배관 설계 및 시공은 경제적이고 안전해야 하며 이를 위해서는 신뢰성 있는 자료에 근거하여 기술적 검토와 연구가 수행되어야 한다. 이 글에서는 가스배관을 해저에 건설할 때 설계 시 고려해야 할 사항 및 시공기술에 대한 현황을 소 개하고자 한다.
육상 및 천해 자원의 고갈과 에너지 수요의 증가에 따라 심해 해저배관 건설시장이 급속히 성장하고 있다.
해양에서 채취된 석유나 천연가스를 수송하기 위한 수 단으로 해저배관에 의한 수송이 효율적이다. 국내에서 도 한국가스공사가 율도~영종도(1999년), 평택-당진 (1999년) 및 인천-영종도(2001년) 해저배관과 한국석유 공사가 울산~동해-1 가스전(2004년) 해저배관을 건설 하여 운영하고 있다. 국내 해저배관 설계는 정적하중을 기초로 하는 분야에 일부 참여했을 뿐이며, 핵심설계는 전적으로 외국 엔지니어링사에 의해 수행되었다. 해저 배관은 육상배관과 다른 해양 환경의 영향을 감안해야 하므로, 해저배관 설계 및 운용 규격에 대한 완벽한 이 해와 관련 자료 확보 및 평가시스템 구축이 필요하다.
영향평가 대상으로는 진원도, 수심, 퇴적량, 버클링, 해 저면 안정성, 자유경간, 충격, 피로 등이 있다.
해저 배관 설계 시 고려사항
배관시스템의 기능이 손상되거나 신뢰성을 잃지 않 도록 제반 환경요소를 잘 고려하여야 한다. 해저배관의 경우 고려해야 할 환경요소에는 바람, 파도, 해류, 지반 안정, 지진, 수심, 수온, 부식, 해빙 및 생물 부착 등이 있는데 특히 파도, 조류 등은 배관에 직접적인 영향을 미치므로 그 하중 특성에 대해서 신중히 검토해야 한 다. 설계 시 고려되는 환경하중은 보통 100년 주기에서 발생할 확률이 가장 높은 최대하중이다.
환경인자에 의한 이차적인 영향으로 지반세굴에 의 한 안전성 상실이나, 어선의 어구나 닻과 같은 기계적 외 력에 의해서도 손상될 수 있으며, 배관 자체의 기능상 유 발되는 기능하중도 받고 있다. 기능하중은 환경하중이 작용하지 않는 이상적인 조건하에서 시스템의 운용 및
그림 1해저배관의 설계, 시공 및 운영
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취급상 필수적으로 수반되는 하중으로 자 중, 열팽창, 내부압력 등에 의한 하중이다.
배관설계 방식에는 원주방향응력을 항복 응력의 일정분율만큼 제한하는 허용하중설 계 방식과 한계상태에 대한 저항성을 평가 하는 한계상태설계 방식이 있다. 가스배관 설계에 기본적으로 사용되는 ASME B31.8 은 1950년대 초기에 발간되었으며 대표적 인 허용하중설계 방식에 의한 규격이다. 많
은 가스배관들이 이 규격들에 의해 설계되어 성공적으 로 운영되고 있다. 한편 배관재료의 품질이 균일해지 고, 설비 운영의 신뢰성이 향상됨에 따라 설계하중을 인장강도까지 확대하여 사용하려는 시도가 이루어졌는 데, 1996년 SUPURB 프로젝트 이후 한계상태를 근간으 로 하는 규격들이 발간되었다.
한계상태설계는 허용하중설계의 보수성을 개선했다 기보다는 정확한 파괴모드의 이해를 설계에 반영하여 합리적인 판단을 근간으로 설계를 시도한 것이다. 한계 상태설계는 파괴의 중요성과 가능성을 평가하는 것으 로, 하중도 단일 값이 아닌 분포와 함수로 주어지며, 이 로부터 파괴가 일어날 가능성이 낮은 한계두께를 설계 하게 된다. 결국 파괴확률이 높은 경우에는 신뢰도가 높게 설계하고, 파괴확률이 낮은 경우에는 신뢰도가 낮 게 설계하는 방식이다. 하중과 저항의 분포는 몬테카를 로 분포를 사용하게 되며 적절한 파괴가능성을 갖도록
설계한다.
한계상태설계를 근간으로 하는 규격에는 ISO 13623, API RP 1111, DNV-OS-F101 규격 등이 있다. ISO 13623 의 경우 국제표준기구에서 발간한 해저 및 육상배관 설 계 규격으로 한계상태설계를 이용한 신뢰성기술기반 설계를 제시 하고 있다. API RP 1111은 탄화수소를 함 유한 매체를 운송하는 해저배관에 대하여 균일한 안전 수준을 확보하기 위해 한계상태 설계개념을 도입하였 다. 배관의 직경, 두께, 재료등급에 상관없이 균열에 의 한 파괴와 파열 개념이 일차적인 설계조건이다. DNV는 1996년부터 SUPERB 프로젝트를 근간으로 한계상태 설 계를 기초로 하는 규격을 제시하고 있다. 배관위치, 유 체종류, 파괴 시 위험성을 기초로 하여 배관에 안전등급 을 부여하며 등급에 따라 다른 설계계수가 부여된다. 또 한 한계상태 설계방식을 채택하여 모든 파괴모드의 한 계상태를 설계에 반영할 것을 요건으로 하고 있다.
그림 2파도 및 조류
그림 3DNV 규격의 해저배관 두께 설계 흐름도
해저 배관 설계 및 시공 기술 동향
DNV-OS-F101은 확률에 기초한 부분안전계수를 사 용하여 한계상태설계 이론을 따르고 있으며 사용성한 계상태와 강도한계상태로 구분된다. 사용성한계상태란 열화, 손상 등으로 인하여 구조물 용도상 구조적 기능 이 저하되는 구조물의 한계상태로서 인명손실 위험이 적기 때문에 강도한계상태보다는 더 큰 발생확률을 허 용한다. 강도한계상태는 구조물의 일부분 또는 전체 붕 괴와 관련되는 한계상태로서 인명 손실이나 심각한 재 정적 손실, 정치, 사회, 경제적 문제를 발생시킬 수 있으 므로 매우 낮은 발생확률을 갖도록 해야 한다. 강도한 계상태는 파열, 피로, 불안정 파괴, 소성붕괴, 버클링 전 파 등을 고려해야 하고 사용성한계상태는 덴트, 진원 도, 래처팅, 대변위 등을 고려해야 한다.
해저배관을 설계할 때 배관두께는 우선적으로 파열 한계, 붕괴한계, 복합하중에 의한 버클링한계를 고려하 여 계산한다. 배관이 설치되는 수심이 증가함에 따라 외압의 영향이 중요하게 되고 배관두께 설계는 더 이상 내압에 의해 지배되지 않는다. 대부분 경우에 굽힘과 붕괴에 의해 지배되는 국부버클링이 설계 시 중요하게 고려되어야 한다.
해저배관은 파열, 붕괴 및 버클링 한계를 고려한 두 께 계산 외에도 다음과 같은 사항을 고려해야 한다.
○ 대변위 : 측면하중, 팽창, 거시버클링으로 인한 대 변위 발생과 대변위가 발생하면 주변 토양이 붕괴 될 수 있다. 토양 붕괴 등에 의한 비선형적인 불확 실성이 설계 시 고려되어야 한다.
○ 콘크리트 코팅의 파손한계 : 콘크리트 코팅의 목 적은 부력에 의한 파이프의 부상을 방지하고, 시 공 시나 시공 후에 코팅을 보호하기 위해 설치된 다. 콘크리트 코팅의 파손한계에 대한 합리적인 설명이 제시되어야 한다.
○ 거시버클링 : 상당한 길이의 배관에 걸쳐 버클링 이 일어나는 것을 거시버클링이라 한다. 상하, 좌 우로 버클링이 일어날 수 있으며, 외압, 내압에 의 한 축방향 응력도 고려해야 한다. 일반적으로 공 기 중에서 빔이 굽혀지는 현상과 동일하다. 버클 링이 장거리로 전파되는 것을 막기 위해서 버클링 전파 방지장치를 설계 시 고려해야 한다.
○ 피로 : 고주기피로와 저주기피로 모두를 분석해야 한다. DNV에서 자유경간에 의한 피로를 분석할 때 허용파손비율은 안전등급에 따라 3~10배의 안 전율을 주고 있으며 API RP 1111에서는 응력-변형 률 곡선 방식에 의해 최소 10배의 수명을 갖도록 규정하고 있다.
○ 충격 : 저인망 어구, 닻 및 낙하물 등에 의한 충격 들이 평가되어야 한다.
○ 배관과 토양과의 상호작용 : 배관과 토양의 상호 작용에 대한 변수와 불확실성을 충분히 설명해야 한다. 매립된 배관의 경우 상부로 융기 가능성과 축방향 저항성의 증가를 설명해야 한다.
○ 해저 안전성 : 해저배관은 해류의 파장과 유동에 의해 항력, 양력, 관성력을 받게 되는데 이에 대한
그림 4자유경간, 국부버클링, 거시버클링
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평가가 필요하다. 필요하다면 엥커링 등과 같은 방법으로 추가적인 무게를 부과한다. 지진, 허리 케인, 지반이동, 침하 등과 같은 자연현상에 의한 하중도 평가해야 한다. 이러한 하중의 평가는 해 석에 의존하며, 방법에 따라 단순 정적해석, 동적 해석, 일반화된 안전성 해석 방법에 의해 해저 안 전성을 확보한다.
해저 배관 시공 기술 현황
해저배관이 건설되는 수심은 계속 증가하고 있는 추 세로서 현재 해저배관은 수심 2,000m 이상에 설치되고 있다. 해저배관 건설에 사용되는 공법은 예인법과 부설 법으로 크게 나눌 수 있다. 예인법은 해수면, 해수면 아 래, 해저면 위 그리고 해저면 예인법으로, 부설법은 S- 부설법, J-부설법 및 릴 부설법으로 나눌 수 있다.
예인법은 수심이 낮은 해저배관을 건설하는 경우 혹
은 심해로 배관을 연결할 때 해안선 근처에서 낮은 수 심으로 인하여 바지선을 사용할 수 없을 때 해안선에서 부터 수 km의 배관을 건설하기 위해 주로 사용한다. 육 상에서 200~300m 정도의 길이로 미리 용접된 배관은 예인 하중을 줄이기 위해 롤러가 설치된 램프위에 위치 시킨다. 배관 끝 부분은 부력탱크를 달아 하중을 줄여 서 예인선을 사용하여 바다 쪽으로 배관을 끌어당기고 육상에서는 배관을 연속하여 용접으로 연결한다. 해수 면 예인법은 배관이 해수면에 뜰 수 있도록 부력탱크를 배관에 부착시킨다. 해저면 예인법은 부력탱크가 없이 수심이 얕고 해저면이 평탄하고 부드러운 경우에 사용 한다.
바지선위에서 연속적으로 배관을 용접하여 해저면에 부설하는 방법은 S-부설법과 J-부설법이 있다. 상대적 으로 수심이 얕은 곳에서 배관을 설치하는 방법이 S-부 설법이다. 배와 수평인 상태에서 용접된 배관은 스팅거 를 통하여 해저면에 내려놓는데 이때 배관은‘S’자의
그림 5해저면 예인법에 의한 해저배관 시공
후방 윈치와 롤러 예인선 해저면 예인 완료 및 부력탱크
해저면 준설 해상진수로 육상진수로
해저 배관 설계 및 시공 기술 동향
형상을 가진다. 배관에 작용하는 굽힘응력을 감소시키 기 위해 바지선으로부터 해저로 내려놓는 배관은 스팅 거에 의해 지지되고 배관의 버클링을 방지하기 위해 텐 셔너가 배관에 적당한 인장력을 공급한다. 스팅거의 곡 률반경은 배관에 허용되는 최대 굽힘응력을 고려하여 설계하여야 한다. 수심이 증가할수록 스팅거에서 배관 곡률반경이 감소하여 굽힘응력이 증가하기 때문에 스 팅거 길이를 증가시켜야 하고 곡률반경을 크게 하여야 한다. 스팅거의 구조적 강도 등을 고려할 때 스팅거 길 이에 대한 제한이 있기 때문에 심해에서는 S-부설법이 적합하지 않게 된다.
심해에 해저배관을 설치하기 위한 방법이 J-부설법이 다. 배와 수직 혹은 수직에 가깝게 설치된 타워에서 용 접된 배관은 램프를 통과하여 해저 면에 내려놓는 동안 최적의 각도로 유지되고 미리 결정된 높은 인장력으로 당겨진다. 이때 배관은‘J’자의 형상을 가진다. J-부설
법은 매우 깊은 수심에서 스팅거에 작용하 는 응력을 크게 줄일 수 있는 방안이다. J-부 설법에서 스팅거의 목적은 수직방향으로 배 관의 각도를 변화시키는 것이다. 수면에 대 하여 수직방향의 배관은 해수면에 인접한 구역의 굽힘응력이 아주 작다는 장점이 있 다. J-부설법은 배관의 직경에 의존하지만 수심 400~3,500m까지 시공할 수 있다. S-부설법과 비 교하여 J-부설법은 배관시공 속도가 늦기 때문에 시공 비용이 증가하게 된다.
릴 부설법은 육상에서 미리 용접하여 스풀에 감겨진 배관을 해상에서 풀어 설치하는 방법으로 비교적 직경 이 작은 배관을 시공할 때 사용된다. 배관의 직경은 200~600mm 범위며, 콘크리트 코팅된 배관은 사용할 수 없기 때문에 배관이 뜨는 것을 방지하기 위해 배관 두께는 충분히 두꺼워야 한다. 배관을 스풀에 감을 때 배관 진원도의 이상 및 버클링 발생 여부를 감안하여야 한다. 릴에 배관을 감을 때와 다시 풀어 직선으로 만들 때 배관은 항복강도 이상의 굽힘응력을 받기 때문에 배 관재료의 품질을 엄격히 평가하여야 하며 배관코팅의 박리 및 균열발생 여부에 대하여 평가하여야 한다. 릴 부설선은 짧은 램프 혹은 스팅거위에서 스트레이트너 와 텐셔너를 통과하여 배관을 풀어 설치하게 된다. 스 트레이트너는 배관을 직선화하기 위해 S자 형태를 가진 다. 한 개의 릴에 감겨진 배관을 풀어 해저면에 설치할 때 두 번째 릴에 감겨진 배관을 용접으로 연결하기 위 해 배관 끝에 부이를 설치해 둔다. 릴 부설법은 1,000mm 이상의 수심까지 설치가 가능하고 평균 시공 속도는 14km/일로 작은 직경의 배관을 건설할 때 경제 적인 방법이다.
2000년부터 J-부설법을 사용하여 해저배관 시공사례 로는, 수심 2,150m 흑해를 통과하는 Blue Stream 프로 젝트, 수심 2,230m 멕시코만을 통과하는 캐년 익스프레 스(Canyon Express) 프로젝트, 수심 2,155m의 지중해 를 통과하는 Medgaz 프로젝트 등이 있다.
그림 6S, J 및 릴 부설법
그림 7해저배관 부설법, 수심 및 건설연도(출처: Saipem 사)
