Features of Offshore Plants Conceptional Design Points

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2010. 3. 10

한국해양대학교 조선해양시스템공학부 교수 글로벌선도 해양플랜트 인재양성센터장

조 효 제

각종해양플랜트의 개념설계적 관점에 서의 형상

Features of Offshore Plants

Conceptional Design Points

(2)

목 차

3

^{고정식 구조물}

파랑중 부유구조물의 동적 해석

2

4

_{부유식 구조물}

5

유연식 구조물

1

해양플랜트의 정의

(3)

해양플랜트의 정의

1

(4)

4

Offshore Plant

Resources and Offshore Plant

(5)

5

Energy and Offshore Plant

Wave Energy Generator

(6)

6

Current Energy Generator

(7)

7

Wind Energy Generator

(8)

8

Tidal Energy Generator

(9)

9

Space and Offshore Structure

담수화장치

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10

사회기반시설

(11)

11

비축시설

(12)

12

해상도시

(13)

13

Relaxation and Structure

Resort

(14)

14

Relaxation and Structure

Resort

(15)

Food and Structure

15

Structure

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조선 및 해양플랜트

파랑중 해양구조물의 동적 해석

2

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2. 파랑중 해양구조물의 동적 해석

2.1 자유응답

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2.3 불규칙파중 응답특성

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(22)

3. 해양구조물의 분류 및 개념설계

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원유 시추 설비 웨스트 애미넌스호

고정식 구조물

3

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3.1 고정식 구조물

▶ 고정식 구조물의 연혁

1900년대 초기 : 호수에 설치된 목재 파일의 플랫폼 1938 : 콘크리트 케이슨을 이용한 중력식 구조물 1947 : 초기 자켓식 구조물로 많은 철 파일로 고정

(수심 15m, Pile길이 60m)

1950 : 연약한 구조물로 수심이 깊어짐에 따라 Derrick은 자켓에 설 치하고 무거운 장비 등은 Barge에 설치함

1960년대 초기 : 수심 60m 1960년대 말기 : 수심 120m

1970 : 수심 300m 자켓식 및 중력식 플랫폼 설치(북해) 1984 : 극지방에 설치 (수심 15-20m ) 중력식 플랫폼

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3.1.1 Jacket Type Platform

▶ 자켓식 구조물의 構成

Foundation <- Jacket -> Deck

(Pile Fixing) (Load Frame) (Superstructure) (1) Foundation

․수평하중(바람, 파, 조류)을 축력과 전단력으로 전달

․Base의 넓이 및 pile의 경사각 : Pile의 개수, 구조적 배치 제작형식에 의존

․Base폭의 10% 감소 -> 진동 주기의 10% 증가

․경사 Pile : 축력과 전단력 전달에 효과적이고 주기를 짧게 함

(2) Jacket

․수면과 수저의 연결 및 수직하중 지지

․치수 : Yard Capacity에 의존

․Jacket의 구성 부재 : 원형 단면 ( 임의 방향의 외력을 최 소화 )

(3) Deck

․굴삭설비, 생산설비, 거주구설비

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․자체부유식 : 2개의 큰직경의 Leg가 부력재 역할, 부양한 상태로 설치장소에 예인, Leg 속에 물을 주입하여 착저. Leg가 큰 만큼 파랑하중이 크게 작용, 물 을 주입하기 위한 밸라스트 장치로 인해 부가적인 비용이 필요.

․바지진수식 : 자켓을 진수바지(launching barge)에 탑재하고 예인선에 의해 설치장소까지 이동시킨후 바지로부터 진수. 이 방법은 진수시 부가적인 외력 지탱을 위한 강도 증가와 진수용 프레임 등이 요구.

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안벽을 가진 야드에서 자켓을 건조

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야드에서 완성된 자켓을 이동시키기 위하여 진수용 바지에 적재 후 이동

데크에 설치될 생산시설 등의 모듈 건설 및 바지에 적재

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각종 진수 방법

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파일 타공 및 모듈 설치

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3.1.2 Jack-Up Platform

▶ 구성 : 부유식 갑판 + 승강식 다리

이동시: 다리를 올리고 부유식 선체로서 작동

작업시: 다리를 내리고 갑판을 수면 위로 올려 고정식 자켓

* 다리승강장치 : 전기 Jack(Rack and Pinion) or 유압 Jack(Pin- lifting)

▶ 특징

1) 이동시 무게중심 상승 -> 복원력 범위 감소 기상조건이 좋을 때 이동

2) 적정수심 : 90m (180m 까지 개발중)

3) 굴착장치를 켄틸레바형으로 설치 : 작업위치 선정에 유리 4) Foundation : Leg가 15-20m관통,Large Mat설치

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▶ 장점

1) 가동시 운동이 없음

2) 부유식에 비하여 경제적 3) 작업수행후 이동 가능

▶ 단점

1) 갑판승강 또는 이동시 기후 선정의 어려 움

2) Leg Foundation의 어려움

3) Blow-out에 의한 leg전체의 파손 우려

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드라이 도크에서 건조중 플랫폼

이동방법(데크바지형, 예인식)

데크바지를 침하시켜 갑판승강식 플랫 폼을 자체 부유

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▶ 구조적 특징

• Concrete자체 중량으로 위치 유지

• Skirt로 미끄럼 방지

• 비대한 구조로 인하여 수평력 및 모멘트가 큼

• Foundation이 되는 해저면이 견고한 곳에 유리 (주로 북해에 설치)

▶ 중력식 구조물의 이점

• 작업원 및 시설의 안전성이 높음

• Deck상의 설비를 완비한 후 해상의 현장까지 예항하므로 설치시간 및 경비 를 최소화 할 수 있다.

• 석유 저장 용량의 조절이 쉽다.

• 강제 Riser관 등을 원통 Shaft가 보호해 줌

• 대형 Deck를 지지 할 수 있다.

▶ 단점

• 파랑 또는 조류로 인하여 해저면의 침식으로 구조물 전체를 유실할 우려 가 있음

• 현장까지 이동에 어려움이 있음

3.1.3 Gravity Fixed Platforms

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해양플랜트 분야

부유식 구조물

4

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3.2 부유식구조물

3.2.1 Drillship

▶ 특징

船形으 로 Drilling Shaft or Moonpool, Derrick 을 가 지 고 있고 , C_B(Block Coefficient)가 크다.

船首 : 넓게 함( 배수량 증대, 선수부 추진 장치 적재) 中央 : 평행부 (Deadrise 없음)

船尾 : 넓게 함( 배수량 증대, Twin screw)

•Roll감쇠 장치로 Bilge Keel, Anti-Rolling Tank등의 설치

•위치고정 : Mooring System, Dynamic Positioning System

•Heading은 향파로 유지( 최소 외력과 운동 응답)

▶ 장점

•빠른 이동 속도( 8-16Kn)

•적재용량이 큼(빈번한 보급이 필요 없음)

•Suez or Panama 운하 통과 가능

•낮은 이동 경비 및 톤당 건조 경비

•복원 범위가 넓음( 전복 위험이 적음)

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▶ 단점

•파랑중 응답이 큼

•Drillpipe, Casing, Riser, BOP등의 적재 를 위한 공간 부족

•중소형의 경우 빈번한 Deck wetness로 항상 젖어 있음

•황천중 계류 시스템이나 BOP, Riser등 의 조작이 어려움

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3.2.2 반잠수식 구조물

▶ 구조적 특징

• Column 과 Pontoon(Lower Hull)으로 구성

• 작은 수선면으로 복원력 감소

▶ Draft

• Transit : 최소의 용적, 최소의 저항, 양호한 복원력

• Operating : 최소의 외력으로 응답의 최소화

• Survival : Deck 의 최대파고에 대한 안전한 간격 유지

▶ 이점

• 양호한 이동 속도(8-10Kn)

• 파랑중 응답이 적음

• 넓은 Deck면적

▶ 단점

• 건조가격 및 가동 유지비가 높다.

• 적재 변동량이 적음

• 복원력이 적음

• 구조역학적 문제점

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제작중인 반잠수식 구조물

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이동중인 반잠수식 구조물

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여러형상의 반잠수식 구조물

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3.2.3 FPSO

▶ FPSO : 부유식 생산 적출 시스템(floating production, storage and off-loading, FPSO)으로서 이 시스템은 대수심 유전의 조기개발, 중소규모 유전의 개발에 이용.

▶ 이점

․대수심의 해역에서 사용할 수 있다.

․초기 투자 비용이 적게 든다.

․조기 생산에 의해 투자회수까지의 기간이 짧다.

․개발 단계에 따라 생산 시스템 방식의 변경이 가능하다.

․생산 시스템을 새로운 유전개발에 재이용할 수 있다.

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▶ 대표적인 방식

․ 저유탱크/ 바지방식

해상에 계류된 부체에 원유생산설비, 저유탱크, 선적 설비 등을 갖춘 방식이다. 주된 부체는 일반적으로 중고 유조선을 개조하여 사용하거 나 FPSO의 목적에 적합하도록 신조하여 사용하고 있다. 이들 생산시 설의 계류방식으로는 주로 1점 계류방식이나 터렛계류가 이용되고 있 고, 박스형 바지 형상에는 다점 계류를 적용하는 경우도 있다.

․반잠수식 구조물의 형식

반잠수식 구조의 부체에 원유처리설비를 갖춘 방식이다. 반잠수식 구 조물을 사용하기 때문에 저유탱크 및 운반설비가 별도로 겸비되어야 한다. 만약 저유탱크가 없을 경우에는 셔틀탱크에 직접원유를 싣게 된 다.

․수송탱크 겸용방식

원유처리, 저유탱크, 수송을 한 척의 배로 겸용하는 방식으로서 생산 중의 선박의 위치는 주로 터렛계류에 의해 확보한다.

▶ 시스템 선정 : 현장특성, 유전의 크기, 최대 생산 능력, 육지까지의 거리, 수심, 해양 환경 조건

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▶ FPSO

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유연식 구조물

5

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3.3 유연식구조물

3.3.1 타워형 플랫폼

자켓과 유연 파일 타워의 응답을 최소화하기 위한 개념설계상의 원리

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ⓐ 가이드 타워형 (guyed tower type)

가이드 타워형은 자켓형에 비교해서 날씬한 구조적 형상 수직하중은 타워로 지지

파랑 등의 횡하중은 타워의 주위에 계류되어 있는 가이(guy)라는 계류선에 의해 지지 자켓형에 비해서 구조물의 부재로 사용되는 강제중량을 경감

최초의 가이드타워플렛폼은 1983년 Exxon사에 의해 멕시코만의 수심 311m 해역에 설 치

ⓑ 아티큘레이트 타워형 (articulated tower type)

가이드 타워와 형상은 비슷하지만 구조물의 상부에 부력 탱크를 설치

하부는 유니버샬조인트로 하여, 해저면의 기초용 구조물의 끝단을 중심으로 역진자와 같은 운동을 하는 구조

가이와 같은 계류선이 필요없고, 역시 횡방향 운동의 고유주기가 길어져 파랑에 대한 동요응답은 적어짐

가이드 타워와 형상은 비슷하지만 타워의 각 모서리에 연결되어 있는 파일을 거의 수면 가까이 되도록 길게 하면서 유연구조로 하여, 구조물에 작용하는 수평외력이 파일에 전 달될 때 파일은 긴 고유주기를 가지는 탄성응답을 하도록 설계

이도 상부에 부력 탱크를 겸비하고 있는 것이 일반적임

ⓓ 유연 레그 타워형 (flexible leg tower type)

유연 파일 타워형과 비슷한 역학적 원리를 가지고 있지만, 이는 타워 본체의 각 leg가 유연 구조로 되어 있어, 수평외력에 대하여 구조물 전체가 탄성응답하도록 설계되어 있 음

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진수용 바지를 이용하여 타워형 플랫폼을 설치하는 과정

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3.3.2 Tension Leg Platform

▶ 구성

․Semisubmersible Structure

․Tether (Tendon)

․Piled Foundation

▶ 특징

․수평운동자유 : Surge, Sway, Yaw

․수직운동구속 : Heave, Roll, Pitch Pretension

Buoyancy > Gravity Force

Excess Buoyancy : 느슨하지도 과도한 응력이 걸리지 않도록 산정

▶ 관심사

․Dynamic Tether Tension : Tether의 피로수명

=> 수직 방향 관성력을 작게 되도록 설계 (Hutton의 경우 수평에 비해 수직이 50%)

․Motion ( Steady, Oscillation )

Wind, Current, Drift Force => 위치이동

=> 수평이동 => 수직침하 (Set down)

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북해의 대표적인 TLP(Heidrun)의 전체 모습 및 실제 설치되어 있는 수면상부 의 모습, 건조중인 광경

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여러형상의 TLP

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3.3.3 SPAR

▶ 형상 : 최근들어 심해용으로 개발되고 있는 구조 물로서 장대한 실린더를 수직으로 부유시켜 실린더 의 하부에 밸라스트를 하고 상부에 부력공간을 두어 운동성능을 향상시키고자 한 것

▶ 굴착과 생산을 겸한 구조물로 개발되고 있으며 일 부 인장된 카테나리 계류선이 방사형으로 펼쳐 있다.

▶ 원통형으로 제작에 용이하고 목적지까지 이동시 키기에도 여러 가지 방법을 적용할 수 있는 장점이 있다.

▶ 종류

실린더형 본체로서는 전체를 강재로 제작하는 방법 하부에는 트러스로 하고 상부에 실린더를 두는 방 법

본체 전체를 콘크리트로 제작하는 형상

▶ 형상이 장대형 실린더이므로 주위의 유체흐름으 로부터 와동이 발생되어 이로 인하여 큰 응답을 발생 시킬 우려가 있으므로 이를 저지할 수 있는 방법들이 고안되고 있다. 예를 들어 본체의 외부에 나선형 프 레이트 즉, 스트레이크(Strakes)를 붙혀 와동을 피할 수 있다.

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