Risk Based Accidental Limit State Evaluation on Explosion Accident at Shale Shaker Room of Semi-Submersible Drilling Rig

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(1)대한조선학회 특별논문집 Special Issue of the Society of Naval Architects of Korea. 2015년 9월 pp. 69-73, September 2015. 반잠수식 시추선의 Shale Shaker Room 폭발 사고에 대한 위험도 기반 사고한계상태 평가 유승재†･김한별･박진후･원선일･최병기 현대중공업㈜. Risk Based Accidental Limit State Evaluation on Explosion Accident at Shale Shaker Room of Semi-Submersible Drilling Rig Seung-Jae Yoo†･Han-Byul Kim･Jin-Hoo Park･Sun-Il Won･Byung-Ki Choi Hyundai Heavy Industries CO.,LTD. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.. An evaluation of the accidental limit state (ALS) for design of a semi-submersible drilling rig is one of the essential design requirements as well as ultimate limit state (ULS) and fatigue limit state (FLS). This paper describes the ALS evaluation on the explosion accident at shale shaker room of semi-submersible drilling rig. There are three steps for the ALS evaluation such as structural analysis at concept design, risk based safety design and structural analysis at detailed design. For the ALS evaluation at concept design, conceptual explosion overpressure from the Rule guided by the classification society was used in the structural analysis that was carried out using LS-DYNA. To set up the design accidental load (DAL), explosion analysis was carried out using FLACS taking safety barriers into consideration. Then, the structural analysis was carried out applying DAL for the ALS evaluation at detailed design. Through the ALS evaluation on the explosion at shale shaker room, the importance of the risk based safety design was described. Keywords : Accidental limit state, Semi-submersible Drilling Rig, shale shaker room, explosion, design accidental load. 1. 서 론 반잠수식(Semi-submersible) 시추선은 드릴십(Drillship)과 함께 심해 약 3000m까지의 수심에서 시추가 가능하도록 설계 된 이동 가능식 해양 구조물(Mobile Offshore Drilling Unit)이 다. 반잠수식 시추선은 Fig. 1과 같이 부력을 유지하기 위한 ① 폰툰(Pontoon), 상부 데크를 지지함과 동시에 수직 안정성 유지를 위한 ② 칼럼(Column), 폰툰 및 칼럼의 구조 지지대 역 할을 하는 ③ 트러스(Truss), 드릴 파이프 및 라이저(Riser) 등 을 보관하며, 각종 기계 장치 및 엔진, 그리고 해양 크레인등이 설치되는 ④ 데크(Deck), 시추 작업이 이루어지는 곳으로 ⑤ 데릭(Derrick) 및 시추장비 등이 설치되는 ⑥ 드릴 플로어(Drill floor), 작업자의 생활 공간인 ⑦ Living Quarter 그리고 비상시 탈출을 위한 ⑧ 구명 보트(Life boat) 등으로 구성된다. 특히, 폰툰의 경우 물속에 잠겨 시추선 전체의 안정성을 높 이며 칼럼(Column)은 파도와 접하는 시추선의 수선면적을 줄 여 시추선의 파도 및 해류의 영향을 덜 받게한다(Tyson, 2004). 따라서 극심한 환경에서는 드릴십 보다는 더 높은 안정성을. †. 교신저자 : [email protected], 010-3052-0118. Fig. 1 Semi-Submersible Drilling Rig 갖는 반잠수식 시추선을 통한 시추 작업이 이루어 진다. 하지 만, 반잠수식 시추선의 경우 드릴십에 비해 중량 증가에 민감하 며, 밀폐공간 및 협소한 작업 공간이 많다는 단점이 있다. 또한, 사고 발생 시 폰툰에서부터의 임시 대피소(Temporary Refuge).

(2) 반잠수식 시추선의 Shale Shaker Room 폭발 사고에 대한 위험도 기반 사고한계상태 평가. 까지의 대피가 어려우며, 통형 구조의 특성상 화재 발생 시 환 기가 어려워 질식의 위험성이 높을 뿐만 아니라 가스 누출 시 환기 문제로 인하여 큰 폭발 사고로 이어질 가능성이 높다. 이 러한 이유로 인하여 선급 및 국적 승인 기관(Flag state)에서는 일반적으로 드릴십에 비해 더 높은 수준의 위험도 평가 및 안전 성 확보를 요구하고 있다. 시추선의 주요 장비 중 Shale shaker는 드릴비트(Drill bit)의 냉각 및 윤활 작업으로 사용되는 이수(Mud)에서부터 암편을 걸러내기 위한 장치이다. 시추공을 통하여 순환된 이수에는 암 편과 함께 탄화수소(Hydrocarbon)가 포함되어 있을 수 있으 며, 순환과정에서 탄화수소가 누출될 위험성이 있다. 따라서, Shale shaker가 설치되는 작업공간(Shale Shaker Room)은 항. Fig. 2 Explosion overpressure of Case 1(200kPa, 0.3s). 상 폭발 위험 구역으로 지정되어 화재 및 폭발에 대한 위험도 평가를 필요로 한다. 특히 선급에서는 별도의 설계 폭발 하중을 규정하여 Shale shaker room에 대한 사고한계상태(ALS, Accidental Limit State)에서의 위험도 평가를 수행하도록 요구 하고 있다(DNV-GL, 2011). 본 연구에서는 Shale shaker room에서의 폭발 사고 발생 시 사고한계상태에 대한 구조해석과 더불어 보다 안전한 설계 및 운용을 위한 위험도 평가를 수행하고자 한다.. 2. 개념설계 단계에서의 사고한계상태 평가 Fig. 3Explosion overpressure of Case 2 (400kPa, 1s) 초기 개념설계(Concept design) 단계에서의 폭발 하중은 안 전장치(Safety barrier) 및 설계 관련 상세 정보가 부족하기 때 문에 통상 개념 하중을 직접 적용하여 사고한계상태에 대한 평 가가 이루어진다. DNV-GL 선급의 경우 1000m3보다 작은 공 간의 통풍된 Shale shaker room에 대하여 0.3초의 200kPa을 설계폭발하중으로 규정하고 있다. 이와 함께 사방이 막힌 공간 에서 폭발 이후 온전한 상태의 격벽이 요구되는 구역의 경우 1초 동안의 400kPa을 설계 폭발 하중으로 적용하도록 규정하 고 있다. 한편, 이보다 작은 하중을 적용할 경우 상세한 평가를 통하여 정당화 할 것을 별도로 규정하고 있다. 본 연구에서는 개념설계 단계에서의 사고한계상태에 대한 평 가를 수행하기 위하여 Shale shaker room 전체에 가스 구름이 형성되는 조건을 가정한 상태에서 Fig. 2 및 Fig. 3과 같이 DNV-GL 선급에서 제시하는 0.3초의 200kPa (Case 1) 및 1초의 400kPa (Case 2)를 이용하여 폭발 하중에 대한 구조 해석을 수행하였다. Shale shaker room의 해석 모델은 Fig. 4와 같이 총 3개의 층으로 구성된다. Shale shaker의 주요장비는 2층에 설치되며, 이를 고려하여 가스 구름은 1층을 제외한 2~3층에 형성되는 것으로 가정하였다. 구조 해석은 LS-DYNA를 사용하여 수행하였다. 구조 모델링 에 사용된 재료 물성치는 Table 1과 같으며, 파열(Rupture) 응 력 및 변형율 기준은 NORSOK standard에서 제시하는 값을 적용하였다(NORSOK N-004, 2004).. 70. Fig. 4 F.E model of Shale shaker room Table 1 Material properties Young’s modulus. 206000MPa. Poisson’s ratio. 0.3. Density. 7.85ton/mm. Yield stress. 355MPa. Rupture stress. 461MPa. Rupture strain. 15%. 3. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

(3) 유승재･김한별･박진후･원선일･최병기. 3. 위험도 기반 안전 설계. Fig. 5는 Case 1의 폭발 후 약 0.15초 지점에서 최대 폭발 압력 상태에서의 등가응력(vonMises stress) 결과이며, Fig. 6 은 폭발 후 소성 변형에 대한 결과이다. 폭발 과정에서 전체적 으로 허용응력 이상의 결과를 확인할 수 있으며, 폭발 후 일부 구역에서 파열됨을 확인할 수 있다. Fig. 7은 Case 2의 폭발 후 약 0.35초 지점에서의 결과이다. Shale shaker room이 최대 폭발압력 시점인 0.5초 이전에 전체 적으로 붕괴됨을 확인할 수 있다.. Shale shaker room의 경우 시추 작업 중 순환된 이수로부터 암편을 걸러내는 과정에서 이수에 포함된 탄화수소가 대기중으 로 누출될 위험성이 있다. 이로 인하여 room 내부에는 가스 구름이 형성되고, 점화가 될 경우 폭발 사고로 이어질 수 있다. 따라서, Shale shaker room의 경우 상시 폭발 위험 구역으로 지정하여 폭발 사고를 사전에 차단하는데 만전을 기해야 한다. 일반적으로. 설계과정은. 개념설계,. FEED(Front. End. Engineering Design), 상세설계(Detailed design) 그리고 건조 단계(Construction) 등으로 구분할 수 있다. Shale shaker room 과 같은 상시 폭발 가능성이 존재하는 구역의 경우 개념 설계 단계에서부터 충분한 안전장치를 두어 사고를 미연에 방 지할 수 있도록 내재적 안전 설계(Inherent Safe Design)가 이 루어진다. 통상, 개념설계 단계에서는 사고 위험요소(Hazard) 를 가급적 최소화하기 위한 설계가 이루어지며 이를 위험요소 제거(Elimination) 단계로 정의할 수 있다. FEED 단계에서는 사고 발생 가능성을 줄이기 위한 설계가 이루어지며, 이를 위하 여 사고예방시스템(Prevention system)에 대한 설계 및 평가가. Fig. 5 vonMises stress of Case 1 (after 0.15s). 이루어진다. 상세설계 및 건조단계에서는 사고 상황을 제어하 고 물리적인 피해를 최소화할 수 있도록 사고 조절 및 피해 완 화 시스템(Control & Mitigation system) 설계가 이루어진다. Fig. 8 및 Fig. 9는 각 설계 단계마다의 위험도 저감 방안(Risk Reduction Measures)에 대한 개념도 및 위험도 기반 설계 관점 에서의 선호도를 보여주고 있다(Steel Construction Institute, 2005). 사고 발생 이후 피해를 최소화하기 위한 충분한 안전장 치가 필요하지만 이에 앞서 사고 발생 가능성을 최소화할 수 있는 안전장치가 더 중요함을 확인할 수 있다. Shale shaker room은 상시 폭발 위험성이 존재하는 구역이 기 때문에 상세설계 단계에서의 Mitigation 시스템 이전에 Prevention과 Control 시스템과 같은 위험도 저감 장치를 우선 고려할 필요가 있다. 이를 위하여 다음과 같은 안전장치들이. Fig. 6 Plastic strain including local rupture of Case 1(after 0.5s). 적용된다. - Hydrocarbon gas & smoke detector - H2S detector - Ventilation with dampers - Differential pressure alarm 특히, 공기순환장치(HVAC)의 경우 DNV-GL 선급의 규정에 따라 여분의 공급 및 배기 장치가 설치되며, Shale shaker room 부피의 12배에 해당하는 공기를 매 시간마다 순환시킬 수 있도록 설계된다. 따라서, 상세 단계에서는 개념설계 단계에서의 사고하중에 대하여 과도한 설계보강을 최소화함과 동시에 보다 현실적이고 이상적인 설계를 하기 위하여 안전장치에 대한 성능을 충분히 검증하고 이를 고려한 설계사고하중(DAL, Design Accidental Load)을 규정하여 사고한계상태에 대한 평가를 수행하는 것이. Fig. 7 Entire rupture of Case 2 (after 0.35s). Special Issue of SNAK, September 2015. 필요하다.. 71.

(4) 반잠수식 시추선의 Shale Shaker Room 폭발 사고에 대한 위험도 기반 사고한계상태 평가. Fig. 8 Opportunity to modify hazards as design process time line. Fig. 10 Gas filling ratio vs Max. overpressure. Fig. 9 Reduction measures at various stages in an installations life cycle. 4. 상세설계 단계에서의 사고한계상태 평가 본 연구에서는 위험도를 줄이기 위한 안전장치 등을 고려한 상태에서의 상세 폭발 해석을 수행하여 사고설계하중을 정립하 였으며, 이를 통하여 상세단계에서의 사고한계상태를 평가를 수행하였다.. 4.1 사고설계하중 사고설계하중을 정립하기 위하여 상용 CFD 코드인FLACS. Fig. 11 Time profile of overpressure due to the explosion with 41.5% gas filling 약 60%까지 가스 구름이 형성될 경우 폭발 압력이 서서히 증가 한 후 60% 이상의 가스 구름에 대해서는 폭발 압력이 급격하게 증가함을 확인할 수 있다. 실제 Shale shaker room에는 앞서 언급한 HVAC, gas detector, alarm 등의 안전장치가 설치되기 때문에 room 내부 에 가스 구름이 가득 찰 가능성은 매우 낮다. 또한, 위험도 관점 에서는 일년 기준으로 10-4 보다 작은 수준의 위험요소는 무시 할 만 한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 안전장치 및 여러 상황을 종합적으로 판단하여 약 40% 정도의 가스 구름 형성을 설계에 반영해야 하는 사고 상태로 가정하였다. Fig. 11는 가스 구름 약 40% 정도에서의 폭발 압력에 대한 결과를. 를 사용하여 폭발해석을 수행하였다. Shale shaker room에서. 보여주고 있다.. 의 가스 구름은 Fig.2.3의 개념설계와 동일한 방식으로 1층을 제외한 2~3층에 형성되는 것으로 가정하였으며, 폭발 해석 시. 앞서 가정한 것과 같이 약 0.05barg에서 출입구 소실에 의한 압력 변화를 확인할 수 있으며, Shale shaker room의 벽면에서. 창문 및 출입구 등은 0.05bar에서 소실되는 것으로 가정하였. 는 약 2.5초 동안의 최대 0.68barg의 폭발압력을 확인할 수. 다. Fig. 10은 Shale shaker room 내부에 형성된 가스 구름의 양에 따른 폭발 압력을 보여주고 있다. Shale shaker room 부피의. 있다. 이를 토대로 본 연구에서는 2.5초의 0.68barg를 Shale shaker room의 폭발 사고시의 설계사고하중으로 정의하였다.. 72. 대한조선학회 특별논문집 2015년 9월.

(5) 유승재･김한별･박진후･원선일･최병기. 5. 결 론. 4.2 사고한계상태 평가 상세설계 단계에서의 사고한계상태에 대한 평가는 개념설계 단계와 마찬가지로 LS-DYNA를 사용한 구조해석을 통하여 수 행되었다. Fig. 12은 폭발 시작 후 약 1.25초의 최대 압력 시점 에서의 등가응력이며, Fig. 13은 폭발후의 소성 변형에 대한 결과이다. 최대 압력 시점에서의 등가응력은 전체적으로 허용 응력보다 작음을 확인할 수 있으며, 따라서 Fig. 13의 결과와 같이 폭발 후 전체적으로 탄성복원 되어 소성 변경은 거의 발생 하지 않았다.. 본 연구에서는 시추 과정에서 상시 폭발 위험성이 있는 Shale shaker room에 대하여 위험도 기반 사고한계상태 평가 를 수행하였다. 첫 번째 단계로 개념설계 단계에서의 매우 보수 적인 폭발 하중을 적용하여 구조해석을 수행한 결과 폭발에 의 하여 Shale shaker room이 붕괴될 수 있음을 확인하였다. 따라 서, 두 번째 단계에서는 Shale shaker room의 폭발 사고에 의 한 붕괴 위험성을 줄이기 위하여 위험도 기반 안전 설계에 대하 여 살펴보았다. 마지막 단계로 상세설계 단계에서는 안전장치 등이 충분히 반영된 상태에서의 설계사고하중을 정립하기 위하 여 상세 폭발 해석을 수행하였으며, 이때의 설계사고하중에 대 한 사고한계상태 평가를 수행하였다. 이를 통하여 개념설계 이 후 FEED 설계 및 상세설계 단계에서 폭발 사고를 미연에 방지 하고 제어할 수 있는 안전장치의 중요성을 확인할 수 있었다.. References Tyson, B., 2004, “Buoyancy, Stability and Trim”, Unit V, Lesson 3, Second Edition, 6-9 Det Norske Veritas, 2011, “Safety Principles and Arrangements”, Offshore Standard, DNV-OS-A101. Fig. 12 Distribution of von Mises stress subjected to DAL (after 1.25s). NORSOK Standard, 2004, “Design of steel structures”, NORSOK Standard N-004 The Steel Construction Institute, 2005, “Protection of piping systems subject to fires and explosions”, Research report 285. 유승재. 김한별. 박진후. 원선일. Fig. 13 Plastic strain subjected to DAL (after 2.7s) 최병기. Special Issue of SNAK, September 2015. 73.

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