심해저 광물자원 양광시스템의 유연관 설계
윤치호1)* · 김영주1)· 우남섭1)· 최재웅2)
Design of a Flexible Hoses of Lifting System in Deep Sea Mineral Resources
Chi Ho Yoon*, Young Ju Kim, Nam Sub Woo and Jae Woong Choi (Received 4 July 2014; Final version Received 8 October 2014; Accepted 16 October 2014)
Abstract : The flexible hose, connected from the buffer system to the collector, is a kind of transfer pipe and plays a role of transferring mineral resources with seawater from the collector in deep sea lifting system. The flexible hose should be designed to consider various complex factors such as environmental condition, risk assessment, function, and operation. This study discussed the constituting facilities, dangerousness evaluation factors, function, materials, operation, deployment and retrievement related to flexible hose essentially.
Key words : Deep sea mineral resources, Lifting system, Flexible hoses, Buffer system
요 약 : 심해저 광물자원 양광시스템에 있어 유연관은 집광기에 의해 채취된 광물을 해수와 함께 버퍼시스템으 로 이송하는 역할을 한다. 유연관을 설계하기 위해서는 외부 환경조건, 위험성 평가, 기능설계, 구조설계 등 여러 요소들에 대한 고려와 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 본 연구에서는 유연관의 구성장치와 시스템 설계 시 위험성 평가요소, 기능, 구조, 재료, 운전설계 및 시스템 설치·회수 시의 필수적인 고려사항 등을 기술하고자 한다.
주요어 : 심해저 광물자원, 양광시스템, 유연관, 버퍼시스템
1) 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 2) 삼성중공업 중앙연구소
*Corresponding Author(윤치호) E-mail; [email protected]
Address; Mineral Resources Research Division, KIGAM (Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources)
ISSN 2288-2790(online) Vol. 51, No. 5 (2014) pp. 722-728, http://dx.doi.org/10.12972/ksmer.2014.51.5.722
Fig. 1. Conceptual design of lifting system for deep-sea mineral resources (Chung, 2009).
서 론
우리나라는 2002년 8월에 하와이에서 남동쪽으로 2천 여 km 떨어져 있는 수심 4,800∼5,200 m의 태평양 클 라리온-클리퍼턴 해역의 7만 5천 km2의 망간단괴 광구 를 세계에서 7번째로 독점 확보하였다. 이러한 광구를 개발하기 위해서는 심해저 양광시스템 개발이 필수적이 며 이 중 유연관은 집광기에 의해 채취된 광물을 해수와 함께 버퍼시스템으로 이송하는 관으로써 양광시스템에 서 매우 중요한 역할을 담당한다.
이러한 유연관은 설치와 운송, 운용 그리고 유사 시 차 단과 회수에 있어 파손이나 손상 등 사고가 일어나지 않 도록 충분한 안전성을 고려하여 설계되어야 한다. 즉, 설 치 및 회수의 용이성, 이송 물질의 유출에 의한 환경오염 을 최소화해야 하며 이를 위해서 허용응력과 설계수명을
만족하도록 포괄적인 안정성까지 고려하여야 한다. Fig. 1 은 심해저 광물자원 양광시스템의 개념도를 보여주고 있다. 유연관을 설계함에 있어 기술 발전에 가장 큰 공헌을 하고 있는 분야가 심해 원유 시추·생산 산업이다. 심해 원유 시추·생산 관련 기술은 설계와 해석 방법론, 평가방 법, 각 구성품의 제작, 검사방법, 조작 관련 규정, 유지보 기술보고
Fig. 2. Conventional structure of flexible hose (Bai and Bai, 2014).
수 방법 등에서 계속 발전하고 있다. 즉, 기존의 기술들 은 수심이 깊어짐에 따라 안전성과 경제성 및 적용성 관 점에서 지속적으로 발전되어왔다.
다만, 새로 개발된 기술들은 아직 성공적인 적용사례 들과 다년간의 실용화 단계를 거쳐 완벽하게 증명된 기 술들이 아닌 경우가 많으므로 복잡한 설계 과정의 각 단 계에서 판명되지 않은 확신과 의문시 되지 않았던 실수 를 피하기 위해 실용화된 기술들을 검증하는 양질의 절 차적 제어가 요구될 것이다. 이러한 검증 방법으로 현재 에는 컴퓨터의 발전과 더불어 빠른 계산 속도를 이용한 전산해석기법을 활용한 전산수치 결과들이 큰 도움을 주 고 있다(Namba et al., 2009).
본 논문은 심해저 광물자원 양광시스템 개발 연구의 일환으로 근해역 통합채광 시험(Yoon et al., 2010)과 양 광시스템의 모니터링 방안(Yoon et al., 2011)에 이은 유 연관 설계에 관한 내용으로 양광시스템용 유연관의 구성 장치와 시스템 설계 시의 위험성 평가요소, 기능, 구조, 재료, 운전 설계 및 시스템 설치·회수 시의 필수적인 고 려사항을 기술하고자 한다.
유연관의 기능 및 구성장치
유연관은 집광기와 버퍼시스템 사이를 연결하여 집광 기의 운동과 버퍼시스템의 운동을 상쇄하여 일정 움직임 에 유연하게 대응할 수 있게 설계되어야 한다. 또한 부력 재를 설치하여 이러한 운동에 대응하는 유연관의 운동이 최대한 변형이 작고 안정적인 형태를 유지할 수 있도록 조절하여야 한다. 따라서 설계과정에서 유연관의 작업 및 설치 시의 운동을 평가하는 것이 중요하다.
유연관
양광시스템용 유연관은 결합 부위가 없도록 구성하는 것이 통상적이다. 유연관 재질은 단수 또는 그 이상의 금
속 또는 중합성 재질의 합성섬유로 축 방향 또는 반경 방향으로 힘을 지탱하도록 설계한다. 가장 바깥층은 외 부환경으로부터의 인장, 압축하중과 굽힘응력에 대응할 수 있어야 하며, 유연관의 층들을 보호하는 역할을 해준 다. Fig. 2는 전형적인 유연관의 구조를 보여주고 있다.
인터페이스
유연관의 인터페이스는 해저면에서 채광선까지 양광 시스템의 각 부분들 사이의 모든 일련의 기계적 접속 장 치를 통칭한다. 각 유연관 사이의 접속에 관련된 장치를 커플링(coupling)이라 하고 해저면 또는 상부와 하부의 기계장치와 유연관의 연결을 엔드 커넥션(end connection) 이라고 하며 금속 등의 사용 재질에 따라 그 구성과 기능 에 차이가 있다.
유연관의 엔드 커넥션은 다음과 같이 구성된다. 유연 관의 끝단에 연결되는 커넥터 또는 유연관의 각 부분들 을 연결하는 커넥터와 유연관과 금속 엔드 커넥터의 연 결성을 확보하는 마감 처리장치(end termination). 마감 처리장치는 관에서 하중을 받는 구성요소를 엔드 커넥터 에 연결해야 하므로 작업 중에 발생하는 축 방향 하중, 토크 및 굽힘 모멘트를 전달할 수 있어야 한다.
차단과 결합
유연관은 종단부에서 신속한 차단작업이 필요한데 이 것은 열악한 해상과 기후조건에서 작업을 한시적으로 중 단할 때를 대비하기 위해서이다. 이때, 유연관에서는 유 체를 비우고 해수로 대체하는 작업을 수행한다. 또한, 여 러 가지 문제로 플랫폼이 표류될 때에 유연관과 플랫폼 의 신속한 차단작업이 요구되며 이 경우 다시 적정 조건 에 이르면 작업을 지속하기 위해 유연관과 플랫폼을 재 결합하는 작업도 신속하게 진행될 수 있어야 한다.
심해저 배관을 플랫폼에 연결하는 송출관은 상부 장치 류 또는 하부 장치류에서 차단용 밸브가 필요하다. 차단 장치로는 유연관의 상부에서는 볼 밸브나 게이트 밸브가 일반적이며 하부로는 볼 밸브, 게이트 밸브 및 체크 밸브 등이 사용된다. 시추용 유연관의 경우는 상황에 따라 충 만 밸브(fill-up valve)도 사용된다. 이 밸브는 유연관이 파괴되는 등의 사고로 외압이 내압보다 높아질 때, 자동 적으로 해수를 유입시킴으로써 외압에 의한 장치의 파괴 를 방지하는 역할을 한다.
부력재
유연관은 작업, 유지보수 또는 검사 등의 모든 작업 조 건에 따라 유연관에서 발생할 수 있는 국소 인장력과 수 직운동에 대응할 수 있는 보상장치를 구비해야 한다. 유
연관은 자중에 따른 인장력과 이송에 필요한 적절한 형 태를 유지하기 위해 외부적인 방법으로 부력재를 사용한 다. 부력재는 전체 유연관에 대해 연속적인 부양력을 제 공해 준다. 분산 부력재(distributed buoyance)는 부력재가 산개하여 분포되는 형태이며, 집중 부력재(concentrated buoyance)는 유연관의 한 부분에서 전체 또는 부분 유연 관의 필요 부력을 제공하는 방식이다. 통상적으로 사용 되는 부력재는 중합폼으로써 공기가 갇힌 작은 구형들을 보호하면서 복합재료로 둘러싸고 있는 형태이다.
모니터링 및 제어장치
유연관 모니터링 및 제어장치는 유연관 시스템의 작동 상태를 파악하고 이를 통해 적절한 조절과 판단을 내리 기 위해 사용된다. 주요 모니터링 변수로는 전체 유연관 의 여러 우치에서의 각도, 인장력, 변위(strain), 진동, 위 치 그리고 액추에이터의 위치 등이다. 제어장치는 유연 관 상부에 작용하는 인장력과 유연관 상부의 위치를 조 정함으로써 다양한 모니터링 변수들을 제어할 수 있다.
또한 버퍼시스템 상부의 연결 장치와 집광기 연결밸브 장치를 조작할 수 있다.
유체 제거와 밀봉
정기적 차단(계획적 차단, planed disconnect)은 탑재 된 장치들을 활용하여 차단 전에 유체를 유연관에서 제 거한다. 정기적 차단은 유체를 순환시켜 제거하고 해수 로 대체할 때 활용된다.
비상차단(unplanned disconnect)은 정기적 차단에서와 같이 탑재된 장치들을 활용하여 유체를 제거하지만 차단 작업 시에 이송유체의 손실을 최소화하는 방안을 이용한 다. 즉, 유연관에서 이송유체를 격리하고 유연관으로 더 이상의 이송유체 흐름을 차단한다.
유연관의 급속차단 시스템은 규정이나 기술적인 요구 사항에 따라 플랫폼에 있는 유연관의 상부시스템에 요구 되기도 한다. 이 시스템의 기능은 유연관을 차단하고 비 상시에 유동경로 상의 이송유체를 격리하여 해양오염을 억제하면서 위험성을 최소화하기 위함이다. 시스템이 차 단 될 때, 프로젝트의 요구사항 또는 비상상태의 모드에 따라 유연관은 제어되는 또는 제어되지 않는 방식으로 수중으로 전개된다.
유연관 설계
유연관 시스템의 설계는 여러 전문분야들이 복합되는 작업이다. 유연관은 심해저 광물자원 채광시스템이라는 큰 장치의 일부이기 때문에, 그에 대한 설계에서는 채광
선과 하부 해저면 장치에 대한 상호작용과 성능 그리고 환경에 대한 요소들이 종합적으로 고려되어야 한다.
위험성 평가
유연관의 설계에서 작업자의 안전과 환경오염 대책 그 리고 비용절감과 장치의 효과적인 운전은 매우 중요한 설계 항목이다. 따라서 설계 단계에서 유연관의 운전모 드에 관련된 위험성을 평가하고 내부적인 또는 외부적인 사고로 인한 유체의 유출에 의한 환경오염의 영향과 가 능성을 최소화하는 대책을 강구해야 한다.
위험성 평가에서 고려되어야 하는 사례들의 종류에는 유체 누출, 유연관 구조손상, 장치 기능 손상 등이 있으 며, 주요 위험 사례에 대한 대응을 포함하고 있어야 한 다. 이송시스템의 누출은 조인트나 커플링 같은 유연관 연결장치의 손상이나 케이싱, 튜빙, 패킹, 실링, 안전밸 브 등 관련 장비손상 등으로 발생할 수 있다. 유체 누출 은 유연관의 작동성과 구조 통합성 그리고 유연관 제어 에 큰 악영향을 초래한다. 구조적 손상은 통상적으로 외 부의 하중(조류, 파도)이나 불의의 사고 또는 피로파괴 등으로 발생된다.
위험성 평가와 관련하여 유연관의 운동해석을 수행하 는 데는 두 가지 목적이가 있다. 첫째는 시스템의 안정성 을 평가하는 것이고 둘째는 유연관과 양광관의 거동을 예측하고 이를 바탕으로 전체 시스템의 위치제어와 운용 방법을 제안하기 위함이다. 유연관의 운동해석에 있어서 집광기의 이동 경로를 고려하는 것은 필수적이다. 특히, 심해저 유연관에 작용하는 외력을 계산하기 위해서는 심 해저 환경특성과 이러한 환경으로 인한 외부하중을 고려 해야 한다. 환경적인 요인은 조류, 밀도, 점성, 온도 등이 며 수심에 따라 비례하여 변화하는 양상을 보인다. 이러 한 환경적인 요인에 의해 유연관의 하중, 부력, 수력압 력, 관 내·외부 유체압력과 마찰력, 펌프 작동에 따른 비 틀림과 축 방향 하중 그리고 유연관의 부력재에 의한 집 중하중 등이 발생한다(Chung, 2009).
유연관의 운동 해석을 위한 프로그램은 MCS의 범용 라이저 운동해석용 프로그램인 “FlexCom”과 HARP (HARP, 2014)의 유연관과 계류라인 적용 비선형 해석프 로그램인 “Flexpro”와 “WAMIT”, SINTEF(SINTEF, 2014) 의 정적 유연관 응력피로 해석코드인 “BFLEX”, 동적 유연 관 응력피로 해석코드인 “RIFLEX” 등이 있다(API, 2006).
기능설계
버퍼시스템과 연결된 유연관의 기능상 요구사항은 적 용 목적과 위치에 따라 매우 다양할 수 있다. 기능 요구 사항은 유연관의 기능과 주요 역할에 의해 결정된다. 예
를 들어, 채광선과 집광기가 자유롭게 심해를 누비도록 요구된다면 유체를 이송하고 생산하는 기능설계 요구사 항은 시스템의 복잡성과 밀접히 관련된다.
구조설계
기능과 운전조건이 수립된 후, 유연관 시스템의 주요 구성요소는 허용응력을 만족하고 설계수명 기간 동안 안 전하게 작동할 수 있도록 설계되어야 한다. 통상적으로 구조설계는 허용응력을 기준으로 모든 적용 하중 조건들 을 적용하여 유연관에 발생되는 응력들을 직접 계산하여 설계한다. 이러한 단계에서 설계자는 유연관에 작용할 수 있는 외부와 내부 하중의 범위를 알고 있어야 한다.
유연관이 설계 요구기준을 만족하기 위해서 일반적으로 극한의 외부 조건들이 고려된다.
설계 시나리오에 대한 하중 조합
설계 시나리오는 특정 운전단계, 시스템과 환경조건 등에서 고려된 하중들의 조합으로 만들어진다. 각 설계 시나리오에서는 작용하는 내외부의 하중을 고려하여 적 절한 조합을 형성해야 한다.
설계 기준
① 허용응력(좌굴, 인장, 압축 및 조합)
② 허용변형
③ 파손
④ 피로/수명
⑤ 조사/검사 주기
⑥ 온도기준
⑦ 허용 곡률반경
⑧ 유연관의 공극률
⑨ 마모/마멸
⑩ 인터페이스
재료설계
유연관 시스템에서 적절한 재료를 선정하기 위해 고려 되어야 할 항목들은 요약하면 다음과 같다. ① 항복강도와 극한강도, ② 재료 거칠기와 파손 특성, ③ 영률(Young's modulus), ④ 전단 탄성률(shear modulus), ⑤ 프와송 비(Poisson's ratio)와 S-N 곡선, ⑥ 이송유체와 이송속 도에 따른 유연관 내부 침식률과 마멸 정도, ⑦ 이송유 체의 황화수소와 이산화탄소 비율과 산성도, ⑧ 내부 부 식률, ⑨ 외부 부식률, ⑩ 생물 부착(bio-fouling), ⑪ 운 용 온도, ⑫ 기계가공, ⑬ 제조과정, ⑭ 이종금속 접촉 부식.
운전설계
유연관을 운전하는 방법은 안전하고 효율적인 유연관 운전을 확보하는 내용으로 시스템 설계의 초기에 수행한 다. 세부절차는 모든 유연관의 운전사항을 고려하여 작 성된다. 세부절차에는 다음 t사항들을 고려해야 한다. 채 광선 운동과 환경조건, 작업숙련도(manning), 제어실, 유연관 설치와 회수, 현장의 운전조건, 검사와 유지보수 방법.
유연관의 설치, 회수 및 재설치 예비 점검과 필요 보조장치
유연관 설치 시에 발생하는 인장력 하에서 파손, 휘어 짐, 꼬임 같은 유연관의 손상을 방지하기 위해 윈치, 인 장장치, 수중 투하장치를 포함하여 설치장비와 유연관의 호환성을 고려해야 한다. 유연관 내부에 유체 유입 없이 설치할 경우, 설치작업 완료 후 갑작스러운 유체 유입에 대해서 유연관을 지탱할 수 있어야 한다. 설치 절차와 장 비는 중간 커플링의 시동장치, 휘어짐 완화장치, 휘어짐 억제장치, 부력재 모듈, 마개 같은 유연관 보조장치의 설 치도 고려해야 한다. 설치 작업선에서 장치와 장비들은 무게, 기능, 보조장치의 유무를 고려하여 작업성이 가장 좋은 배치를 파악해야 한다. 또한 설치 작업선에 장비를 실을 때에는 거치공간 확보와 선박의 안정성을 충분히 고려해야 한다.
운송과 운용
유연관은 대형 얼레 또는 회전형 컨베이어에 감겨져 저장될 수 있다. 수평축의 얼레는 통상적으로 윈치와 연 결되어 인장력을 유지하면서 장대한 유연관을 저장할 때 사용된다. 대형 얼레를 이용해 유연관을 운용할 시에 다 음의 사항들이 고려된다.
① 드럼의 반경은 유연관의 저장을 고려하여 최소곡률 반경 이상이도록 설계한다.
② 얼레의 치수, 구조, 제작 등이 설치와 이동하중을 충분히 반영하여 설계되어야 하며, 윈치 시스템과 호환 성을 사전에 고려해야 한다.
③ 유연관과 연결되는 모든 장치들은 유연관의 연결 장치와 접속 가능하도록 설계한다.
④ 유연관은 쇠사슬이나 와이어 로프가 체결되어 운용 할 수 있도록 걸쇠가 있어야 한다. 유연관은 고유의 유연 성 때문에 고정 틀을 사용하지 않고 회전 틀과 회전식 원형 컨베이어를 활용하여 설치하는데 이것들은 설치 시 에 발생하는 큰 인장력을 지탱할 수 있는 능력이 없다.
따라서 컨베이어나 회전 틀에 연결된 별도의 인장장치를 활용한다.
(a) Winch/chute lay
(b) Horizontal tensioner/sheave lay
(c) Vertical tensioner lay
Fig. 3. Lay method of flexible hose (Bai and Bai, 2014; Andrew and Roger, 2008).
유연관 운송 선박은 유연관 저장 시에 다음 사항들을 고려하여야 한다.
① 저장고는 유연관의 허용 운용온도를 고려하여 최 대, 최소 저장온도를 설정한다.
② 유연관의 연결부위는 밀봉, 나사산처럼 손상되기 쉬운 부분에 대해 보호대책을 수립한다.
③ 자외선 등에 유연관이 손상되지 않도록 덮개를 씌 운다.
④ 시험유체와 같이 유연관 내부에 잔존할 수 있는 유 체는 유연관의 재료에 손상을 주지 않는 것이어야 한다.
설치
유연관은 설계단계에서 설치작업의 편의성을 도모하 도록 형태와 사양이 정해져야 한다. 유연관의 설치방법
과 장비는 매우 다양하지만 그중 대표적인 세 가지가 있 으며, 위의 설치방법들이 Fig. 3에 묘사되어 있다.
① Winch/chute lay: 유연관은 윈치에 의해 작동하는 저장용 얼레로 이송되고 유연관의 최소곡률반경 이상인 금속 활송장치(steel chute system)에 의해 설치선박의 전후 면에서 진수한다.
② Horizontal tensioner/sheave lay: 유연관은 얼레와 회전식 원형 운송장치에 있고 별도의 인장장치가 부설 인장력을 제공하는 방법이다. 접촉압력과 저항력을 최소 화하기 위해 설치선박으로부터 유연관을 진수하기 위해 활차가 활용된다.
③ Vertical tensioner lay: 인장장치가 수직으로 설치 되어 있고 유연관이 문풀 또는 설치선박의 측 면에서 바 로 진수하는 방식이다.
유연관은 수직 축에서 초기에 작은 변형을 갖도록 현 수선 모양으로 부설된다. 유연관을 풀어주는 속도는 진 수된 유연관에 과도한 인장력이 작용하지 않도록 설치선 박의 움직임을 고려해서 정한다. 특히, 복수의 유연관을 같이 부설할 경우 더욱 중요한 사항이다. 또한, 설치 시 에 유연관에 작용하는 하중은 유연관의 구조설계, 설치 장비와 보조장치의 선택에 중요한 결정인자가 된다. 인 장장치와 활송장치로부터 유연관에 작용하는 인장력과 압축력은 주요한 설치하중이다. 그리고 설치작업 중에는 ROV(remote operated vehicle)를 활용하여 수중에서 유 연관의 형태가 모니터링 되어야 한다.
차단과 회수
유연관 시스템과 보조장치는 수중에서 회수가 가능하 도록 설계된다. 일반적으로 활송장치의 마찰력으로 인해 서 설치작업보다 회수작업 시에 더 큰 인장력이 유연관 에 작용한다. 유연관의 형태와 작용하는 인장력에 따라 회수작업 전에 유연관의 내부에서 유체를 제거해야 할 경우도 있다.
재설치
재설치 작업에 앞서, 외부적인 손상을 시각적으로 검 사하고 필요할 경우 보수작업을 수행한다. 유연관은 정 격압력에서 수압시험을 하고 진수되어야 한다.
수압시험
작업 전 또는 작업 중 유연관의 압력시험은 비활성 또 는 친환경적인 유체를 활용하여 수행되어야 한다. 수압 시험을 수행하고 이를 제거 및 대체할 수 있는 수단과 인력 및 장비를 고려해야 한다.
결 론
심해저 광물자원 양광시스템에 있어 유연관은 집광기 에 의해 채취된 광물을 해수와 함께 버퍼시스템으로 이 송하는 역할을 하는 중요한 장치이다.
본 논문은 심해저 광물자원 양광시스템 개발 연구의
일환으로 근해역 통합채광 시험과 양광시스템의 모니터 링 방안에 이은 유연관 설계에 관한 내용으로 양광시스 템용 유연관의 구성장치와 시스템 설계 시의 위험성 평 가요소, 기능, 구조, 재료, 운전 설계 및 시스템 설치·회 수 시의 필수적인 고려사항을 기술하였다.
References
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and Lee, K.B., 2011, “A Monitoring Plan of the Lifting System for Deep Sea Mineral Resources,” J. of the Korean Society of Geosystem Engineering, Vol. 48, No.
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윤 치 호
현재 한국지질자원연구원 책임연구원 (本 學會誌 第50券 第3号 參照)
우 남 섭
2007년 성균관대학교 기계공학과 박사
현재 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 (E-mail; [email protected])
김 영 주
2003년 성균관대학교 기계공학과 박사
현재 한국지질자원연구원 광물자원연구본부 책임연구원 (E-mail; [email protected])
최 재 웅
1994년 한국과학기술원 기계공학과 박사
현재 삼성중공업 중앙연구소 의장기술연구센터장 (E-mail; [email protected])
