A Study on the Structural Safety Evaluation of Light Weight Damper for Offshore Rigs

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(1)한국동력기계공학회지 제20권 제6호 pp. 80-86 2016년 12월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2016.20.6.080 Vol. 20, No. 6, pp. 80-86, December 2016. 해양시추선용 경량수밀댐퍼의 구조안전성 평가에 관한 연구 A Study on the Structural Safety Evaluation of Light Weight Damper for Offshore Rigs 장지성*․지상원**․한승훈***† Ji-Seong Jang*, Sang-Won Ji* and Seung-Hun Han**† (Received 04 October 2016, Revision received 16 November 2016, Accepted 16 November 2016) Abstract: In this study, The watertight damper was designed to improve conventional DN 350A butterfly valve. The FSI(Fluid-Structure Interaction) analysis has performed to investigate the safety factor for the watertight damper. When watertight damper of disk was closed, the disk of pressure value is constant. However depending on the opening angle of disk, the flow velocity and pressure are changed. The maximum velocity was appeared at the end of disk on the small outlet area of duct. When the opening angel of disk is 90°, the maximum velocity was appeared at the center of ending disk. So we were found the opening angle of disk is bigger, the flow rate is increased and velocity is also increased from the result of FSI analysis. We can find the least deformation and stress when the opening angel of damper is 90°. When the 45° opening angle of disk, the largest deformation and stress was found and the minimum safety factor 1.3 was calculated. As a result, we found that the structure of watertight damper is safe enough irrespective of opening angel. Key Words：Watertight Damper, Computational Fluid Dynamics, Fluid Structure Interaction, Safe Factor. 1. 서 론 반잠수식 시추선은 해양플랜트로서 바다 위에 설치된 산업기계 등 여러 가지 장비를 운용하는 복잡한 시설이다. 반잠수식 시추선은 원유 및 가 스 획득을 위한 해양탐사, 시추 및 생산, 저장, 하 역 설비 등을 총괄하고 있으므로 가연성 물질인 원유 및 가스를 생산·적재함으로써 화재 및 폭발 사고의 위험성이 늘 상존하고 있다.1-5) Fig. 1은 반. Fig. 1 Schematic of Semi-submersible(Tyson, 2004). 잠수식 시추선의 개략도이다. ***†한승훈(교신저자) : 목포해양대학교 실습선 E-mail : [email protected], Tel : 061-240-7200 *장지성 : 부경대학교 기계시스템공학과 **지상원 : 건설기계부품연구원. 80 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월. ***†Seung-Hun Han(corresponding author) : Training ship, Mokpo National Maritime University. E-mail : [email protected], Tel : 061-240-7200 *Ji-Seong Jang : Department of Mechanical System Engineering, Pukyong National University. **Sang-Won Ji : KOCETI Corp..

(2) 장지성 ․ 지상원 ․ 한승훈. Fig. 2는 미국 BP(社) Deepwater Horizon6) 반잠 수식 시추선의 사고를 나타낸다. 반잠수식 시추선 은 하부 선체가 물속에 잠겨 풍랑이 심한 해역에 서도 안정적으로 시추작업이 가능하지만 불가항 력적인 사고로 인하여 선체 외벽이 손상을 받아 침몰하는 사고가 발생하였으며, 화재 및 원유 유 출에 따른 환경오염이 대규모로 발생하였다.7,8) Fig. 3 Geometry of watertight damper Table 1 Major dimension of watertight damper. Fig. 2 Accident of Deep water Horizon in April. No A B C D E F. Item Length of stem Diameter of flange body Diameter of stem Flange to flange Diameter of disk Thickness of disk. Size 550 400 75 130 350 35. Unit mm mm mm mm mm mm. 2010, BP company(USA). 3. 수치해석. Han et al.(2016) 등은 반잠수식 시추선의 다리 에 해당되는 컬럼과 푼톤에 설치한 통풍을 위한 공조덕트에 시추선을 더 이상 침몰하지 않게 하 기 위한 비상수밀댐퍼(Emergency Safety Shut-off Damper)를 설계하였고 구조 해석을 수행하였다.9) 본. 연구에서는. CFD(Computational. Fluid. Dynamics)를 통하여 설계한 수밀댐퍼의 유동특성 을 분석하고, 그 유동해석 결과 값을 구조해석에 적용한 연성해석 FSI(Fluid-Structure Interation)기법 을 이용하여 경량형 수밀댐퍼의 구조 안전성을 평가하였다.. 3.1 수치해석기법 본 연구에서 ANSYS Workbench를 이용하여 유동해석 및 연성해석을 수행하였다. 유동해석은 수밀댐퍼의 디스크 각도에 따라 15°, 30°, 45°, 90° 로 진행되었고, 연성해석은 디스크 각도에 따른 유동해석 결과 값을 구조해석의 경계조건으로 지 정함으로써 유동현상에 따른 디스크의 변형을 계 산하였다. 본 연구에서는 변형의 정도가 작아서 변형이 유동현상에 미치는 영향이 적다고 간주하 여 단반향 연성해석을 수행하였다. 본 연구에서는 정상상태, 비압축성으로 가정하. 2. 형상모델링. 였기 때문에 지배 방정식은 식 (1), (2)와 같이 표 현된다.. 본 연구에서는 기존 버터플라이 밸브 형상을 기본 모델로 하여 DN350(Nominal valve size) 규격. ∇  . (1). 의 버터플라이 밸브 대비 1/10 정도 중량으로 경.  ∙ ∇  ∇  ∇ ∙ ∇. (2). 량화하여 모델링하였다. Fig. 3에 나타낸 경량형 수밀댐퍼는 바디(body), 디스크(disk), 스템(stem)으. 식 (1), (2)에서 ∇(del)은 벡터연산자를 의미하. 로 구성되어 있으며, 주요치수는 Table 1에 나타. 며, 는 속도벡터, 는 밀도, 는 압력, 는 점성. 내었다.. 계수를 나타낸다.. 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 81.

(3) 해양시추선용 경량수밀댐퍼의 구조안전성 평가에 관한 연구. Table. 2는 경량형 수밀댐퍼의 구조해석을 위한. 4. 결과 및 고찰. 물성치를 나타낸다. Table 2 Material properties of watertight damper. 4.1 디스크 각도에 따른 유동해석 결과 경량형 수밀댐퍼의 수치해석을 수행하기 위해. Damper Type. Watertight damper. 서는 부하조건을 알아야 한다. 하지만 수밀댐퍼는. Disk, Stem, Body. Unit. Material name. Steel. -. Young’s modulus. 200. GPa. Poisson’s ratio. 0.3. -. Yielding stress. 250. MPa. 따라서 경량형 수밀댐퍼의 구조 안전성을 검토. Tensile stress. 460. MPa. 하기 위하여 디스크 열림 각도에 따른 유동해석. Density. 7850. kg/m3. 정적인 압력뿐만 아니라 흐르는 유체와 접촉하면 서 동적 압력을 받게 된다. 즉 댐퍼의 디스크가 닫혔을 때는 정압이 작용 하지만, 디스크가 열리면 유체의 흐름이 달라지게 되어 댐퍼에 작용하는 압력이 달라지게 된다.. 결과를 각 표면에 작용하는 압력으로 인가하였다. Fig. 4는 댐퍼의 디스크가 15°, 30°, 45°, 90° 열 렸을 경우의 유동해석 결과를 나타낸다.. 3.2 계산격자 및 경계조건 유동해석을 위한 격자는 tetra/mixed 격자계로 구성되었으며, 격자수는 약 100만개로 이루어져 있고, 구조해석을 위한 격자는 tetra/mixed 격자계 로 구성되었으며, 약 14만개로 이루어져 있다. Table 3은 본 연구에 적용된 경계조건을 나타낸 다. 본 연구에서는 등방성 난류모델(Turbulence model)인    모델을 적용하였다. 경량형 수밀댐. (a) Press distribution(disk open angel : 15°). 퍼에 흐르는 유체는 15℃의 해수(Sea-water)로 설 정하였고, 압력은 입구 쪽 게이지 압력 4 bar, 출 구 쪽 0 bar로 하였다. 유동의 변화에 따라 열전달 의 영향은 없는 것으로 간주하였다. Table 3 Boundary conditions Parameter. Valve. Analysis type. Steady-state. Working fluid. Sea-water. Turbulence model. . Inlet temperature. 15℃(non-heat transfer). Inlet pressure. 4bar. Outlet pressure. 0bar. 82 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월. (b) Velocity distribution(disk open angel : 15°). (c) Press distribution(disk open angel : 30°).

(4) 장지성 ․ 지상원 ․ 한승훈. 포와 속도 분포를 나타낸다. 최대압력은 4 bar, 최 대 속도는 17.48 m/s이었다. Fig. 4의 (c)는 열림 각도 30°일 때 압력분포이 고, (d)는 속도 분포를 나타낸다. 최대압력은 3.994 bar로 약간 감소하였고, 최대속도는 유량이 증가 하여 29.41 m/s로 나타났다. (d) Velocity distribution(disk open angel : 30°). Fig. 4의 (e)는 열림 각도 45°일 때 압력분포이 고, (f)는 속도 분포를 나타낸다. 최대압력은 4.008 bar로 나타났고, 열림 각도 30°보다 출구면 적이 더 넓어져서 유량이 증가하여 최대 속도는 35.86m/s로 나타났다. Fig. 4의 (g)는 열림 각도 90°일 때 압력분포이 고, (h)는 속도 분포를 나타낸다. 최대압력은 4.172. (e) Press distribution(disk open angel : 45°). bar이고, 최대속도는 41.18 m/s로 가장 높게 나타 났다. 앞의 속도분포 결과를 보면 알 수 있는 바와 같이 디스크가 열리면 출구면적이 가장 작은 디 스크 끝단의 위와 아랫부분에서 최대속도가 나타 남을 알 수 있었다. 열림 각도 90°에서는 디스크 중심을 지나서 최대속도가 발생함을 알 수 있었 고, 최대 유량이 흘러 비교적 일정한 속도가 발생. (f) Velocity distribution(disk open angel : 45°). 함을 알 수 있었다. 또한 디스크 열림 각도가 작 을수록 유체가 통과하는 면적이 작아지면서 디스 크 전·후 부에 급격한 압력 강하가 발생하는 교축 현상이 보임을 알 수 있었다. Fig. 5는 디스크 열림 각도에 따른 속도 분포를 정리한 결과를 나타낸다. 디스크 열림 각도가 커 짐에 따라 유량이 증가되어 속도가 높게 나타남. (g) Press distribution(disk open angel : 90°). 을 알 수 있다.. (h) Velocity distribution(disk open angel : 90°) Fig. 4 Distribution of pressure & velocity with disk open angel Fig. 4의 (a), (b)는 열림 각도 15°일 때 압력분. Fig. 5 Change of velocity with disk angel. 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 83.

(5) 해양시추선용 경량수밀댐퍼의 구조안전성 평가에 관한 연구. 4.2 유동-구조 연성해석 결과 본 연구에서는 고강도·저중량의 수밀댐퍼에 대 하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석을 수행함 에 있어 먼저 수밀댐퍼의 디스크가 닫혀 있는 경 우에 대하여 해석을 수행하였고, 디스크의 열림 각도에 따라 수밀댐퍼가 받는 압력이 달라지므로 유동해석결과를 구조해석 모델에 적용시켜 해석. (d) Equivalent Stress(disk open angel : 15°). 을 수행하였다. 디스크 열림 각도 0°일때는 4 bar 의 정압상태에서 해석을 수행하였고, 디스크 열림 각도 15°, 30°, 45°, 90°에서는 4.1의 유동 해석의 결과인 압력 데이터를 추출하여 구조해석의 경계 조건으로 부여하였다. Fig. 6은 댐퍼의 디스크 열림 각도에 따른. 구. 조해석 결과를 나타낸다. (e) Deformation(disk open angel : 30°). (a) Deformation(disk open angel : 0°) (f) Equivalent Stress(disk open angel : 30°). (b) Equivalent Stress(disk open angel : 0°) (g) Deformation(disk open angel : 45°). (c) Deformation(disk open angel : 15°) (h) Equivalent Stress(disk open angel : 45°). 84 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월.

(6) 장지성 ․ 지상원 ․ 한승훈. 위 분포에서 디스크의 끝단에서 최대변위가 발생 하였고, (h)에서 최대응력은 디스크 열림 각도 30° 경우와 마찬가지로 디스크와 바디가 맞닿는 끝단 에서 최대응력이 발생하였다. 최대변위는 0.149 mm이며 최대응력은 187.78 MPa이다. Fig. 6의 (i), (j)는 수밀댐퍼의 디스크가 90° 열 (i) Deformation(disk open angel : 90°). 렸을 경우의 해석결과를 나타낸다. 전체 해석 결 과 중 가장 작은 변위와 응력이 발생하였으며 유 체와 맞닿는 디스크 끝단에서 최대응력이 발생하 였다. 최대변위는 0.008 mm이며 최대응력은 17.33 MPa이다. Table. 4는 디스크 열림 각도에 따른 최대변위 와 최대응력, 안전계수를 나타낸다. 디스크 열림 각도 45°일 때 최대변위와 최대응력이 발생함을. (j) Equivalent Stress(disk open angel : 90°) Fig. 6 Distribution of deformation & equivalent stress of watertight damper Fig. 6의 (a), (b)는 수밀댐퍼의 디스크가 닫혔을 때의 전체 변위와 응력을 나타낸다. (a)는 최대변 위가 디스크 중앙부분에서 발생함을 확인하였고, 최대변위는 0.024 mm이었다. (b)는 응력분포를 나 타내며 스템과 바디가 접촉하는 부분에서 응력이 집중되는 것을 알 수 있고, 최대응력은 23.25 MPa 이었다. Fig. 6의 (c), (d)는 수밀댐퍼의 디스크가 15° 열. 알 수 있었고, 이때 안전계수가 1.3으로 나타남으 로써 수밀댐퍼의 구조적 안정성을 확인하였다. Table 4 Result of structure analysis Max. Opening Max. Yield stress equivalent Safety disc deformation (MPa) factor stress valve (mm) (MPa) 0° 250 0.024 23.25 10.7 15°. 250. 0.028. 67.91. 3.6. 30°. 250. 0.109. 113.68. 2.1. 45°. 250. 0.149. 187.78. 1.3. 90°. 250. 0.008. 17.33. 14.4. 렸을 경우의 해석결과를 나타낸다. (c)에 나타낸 바와 같이 디스크 가운데 부분에서 양끝단으로. 5. 결 론. 최대변위가 발생하였고, (d)에서 알 수 있듯이 최 대 응력은 디스크와 바디가 맞닿아 있는 부분에. 본 논문에서는 해양시추선용 경량형 수밀댐퍼. 서 발생하였다. 최대 변위는 0.028 mm, 최대응력. 의 구조 안전성을 평가하기 위하여 디스크 열림. 은 67.91 MPa이었다.. 각도의 변화에 따른 그 결과를 경계조건으로 하. Fig. 6의 (e), (f)는 수밀댐퍼의 디스크가 30° 열 렸을 경우의 해석결과를 나타낸다. (e), (f)에서 알. 는 연성해석(FSI)을 수행하였다. 본 논문에서 얻은 결론은 다음과 같다.. 수 있듯이 유체와 가장 먼저 접촉하는 디스크 끝. 1) 수밀댐퍼의 디스크 열림 각도 15°, 30°, 45°. 부분에서 최대 변위가 발생하였고, 디스크와 바디. 일 경우의 유동해석 결과, 출구면적이 가장 작은. 가 맞닿는 끝단에서 최대응력이 발생하였다. 최대. 디스크 끝단의 위와 아랫부분에서 최대속도가 나. 변위는 0.109 mm이며 최대응력은 113.68 MPa이다.. 타남을 알 수 있었다. 열림 각도 90°에서는 디스. Fig. 6의 (g), (h)는 수밀댐퍼의 디스크가 45° 열. 크 중심을 지나서 최대속도가 발생함을 알 수 있. 렸을 경우의 해석결과를 나타낸다. (g)의 전체 변. 었다. 이것은 디스크 중심을 지나서 최대 유량이. 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월 85.

(7) 해양시추선용 경량수밀댐퍼의 구조안전성 평가에 관한 연구. 흐르며, 각도가 감소할수록 유량은 감소하게 됨을. 3. Tyson, B, 2004, Buoyancy, Stability and Trim, Lesson3, Second Edition, 6-9.. 의미한다. 2) 유동-구조 연성해석 결과, 디스크 열림 각도. 4. K. H. Kim, H. S. Choi and S. Hong, 2012,. 가 90°일 때, 가장 작은 변위와 응력이 발생하였. "Dynamic Position Control Method for Buffer. 으며 유체와 맞닿는 디스크 끝단에서 최대응력이. Unit of a Deepsea Mining System", Journal of. 발생하였다. 디스크 열림 각도 45°일 때, 최대응력. the Society of Naval Architects of Korea, Vol.. 과 최대변위가 발생하고, 안전계수가 1.3으로 가. 39, No. 3, pp. 57-63.. 장 낮게 나타났다. 그러나 가장 낮은 안전계수가 1.3이므로 디스크의 열림 각도에 관계없이. 수밀. 5. D. J. Kim, 2013, "Offshore Plant Industry", Journal of the Korean Society of Power System Engineering, Vol. 17, No. 3, pp. 12-16.. 댐퍼가 구조적으로 안정함을 확인하였다. 본 연구를 통해 얻은 수치해석 결과는 추후 해 양시추선용 경량형 수밀댐퍼의 상세 설계를 위한. 6. The New York Times, 2016, "U.S Issues New Rules on Offshore Oil and Gas Drilling", A19. 7. S. W. Kim, C. S. Lim, W. S. Lee and C. W.. 기초자료로 활용될 것으로 사료된다.. Ha, 2011, "A Study on the Improvement of National Marine Pollution Response Policy based. 후 기. on the Analysis of Gulf of Mexico Oil Spill 본 연구는 지역주력산업육성(R&D) 기술개발사. Incident", Journal of the Korean Society of. 업(과제번호 : R0004946)의 연구지원에 의해 연구. Marine Environment & Safety, Vol. 17, No. 3,. 되었음.. pp. 257-264. 8. H. J. Choi and E. C. Kim, 2011, "Developement of the Ship Resistance Calculation Program for. References. Prediction of Towing Forces for damaged Ships", 1. B. K. An and H. J. Oh, 2012, "Semi-submersible Drilling Rig and Drilling Equipment", Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol. 26, No. 6, pp. 86-87. Journal. Mechanical. of. the. Korean. Society. for. Marine. Environmental, Vol. 15, No. 2, pp. 150-155. 9. S. H. Han, J. S. Jang and S. W. Ji, 2016, "Design of a Light Weight Damper for Offshore. 2. Y. J. Kim, 2003, "Technology Trend of Offshore Plants",. Journal. of. the. Korean. Society. of. Engineering, Vol. 53, No. 10, pp.. 33-37.. 86 한국동력기계공학회지 제20권 제6호, 2016년 12월. Rigs", The Korean Society Fisheries And Science Education, Vol. 28, No. 5, pp. 1470-1477..

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