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1. 서 론

 2007년 발생한 허베이스피리트호 기름 유출 사고와 같은 대규모 해양유류오염사고는 국가 및 사회에 미치는 피해가 막대하고 그 영향이 장기간 계속될 수 있다. 해양유류오염 사고가 발생하는 경우 오염물질을 제거하기 위한 방제작업에 주로 선박이 이용되고 있지만, 국가적 재난 규모의 유류오염사고가 발생한 경우에는 선박을 이용한 방제자원이 절대적으로 부족한 것이 현실이다. 따라서 평상시에는 다른 고유의 목적으로 운용되는 자원 중 국가 재난적 해양오염사고와 같은 비상시의 경우 해양오염방제에 활용할 수 있는 임시 방제자원을 확보하는 정책이 필요하다. 대규모 해양유류오염사고가 발생하면 유류오염 피해가 장기화 되고 피해 지역 어민들의 생업에 막대한 지장을 초래하게 된다. 그러므로 유류오염으로 피해를 입게 되는 오염지역의 어선을 임시방제자원으로 활용할 수 있다면 오염현장에 익숙한 어민들에 의한 효율적인 방제 작업을 기대할 수 있을뿐만 아니라, 어민들의 피해 보상 자료로도 활용할 수 있을 것이다(Kim, 2012).

미국 등 일부 선진국에서는 VOO(Vessel of opportunity)제도와 같이 피해지역의 어민들에게 현실적으로 도움이 되는 제도를 함께 운용하고 있다(BP, 2010; The Glosten Associates,  2005). Fig. 1은 2010년 미국 멕시코만 기름유출 사고시 운용했던 VOO 프로그램을 나타내고 있다. Fig. 2는 실제 VOO 프로그램에 동원된 어선의 후미에 유흡착식 붐을 장착하고있는 상황을 보여주고 있다(The Glosten Associates, 2005).

Fig. 1. VOO for Deepwater Horizon incident.

Fig. 2. Temporary oil recovery equipments by fishing vessels.

 일반적으로 해상에 유출된 기름의 수거는 오일펜스로 포집한 후에 두껍게 모아진 기름을 유회수기로 회수하는 방법이 사용된다(IMO, 2005). 오일펜스의 전장 및 성능에 대해서는 여러 가지 선행연구가 이루어져 왔지만(Na, 2009; Zhu and Strunin, 2002), 해안에 가까운 연안역에서 소형선박을 이용한 유흡착 시스템에 대한 연구는 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다.

 본 연구는 국내에 다수 상존하고 있는 소형 어선을 기름방제 작업에 활용하기 위해서 오일붐과 연계하여 유흡착재 등을 용이하게 탈부착 할 수 있고, 선박에서 인력으로 자가 운반, 조립 및 설치가 가능한 소형 기름방제장비를 개발한 것으로, 소형선박에 간편하게 장착할 수 있고 이동이 가능한 스위핑 암 시스템으로 설계되었다.

2. 모델 선박의 선정 및 설계 고려사항

2.1 모델 선박의 선정

 국내에는 약 7만여 척의 연안어선이 등록되어 있으며, 이 선박을 대상으로 유흡착재 스위핑 암 시스템을 설치할 선박을 선정하였다. 선정된 선박의 모델은 2011년 기준 등록 어선의 현황을 고려하여 가장 많은 척수를 점유하고 있는 2~4톤 규모의 연안유자망 및 연안복합어선이다(Lim and Han, 2012). Table 1은 국내의 2톤 및 4톤급 연안어선인유자망어선과 복합어선의 주요 선형요소를 나타내고 있다. 유자망어선과 복합어선 선형의 주요치수는 등록길이 7.9~10.8 m, 형폭 2.1~3.3 m, 형깊이 0.6~1.1 m, 흘수 0.4~0.9 m 이다. Fig. 3은 연안어선의 일반배치도를 보여주고 있다. 일반적으로 구획은 조타실, 선원실, 기관실, 활어창, 어창, 얼음창 겸용 어창, 선수창 등으로 이루어져있다(RIMS, 2003).

Table 1. Hull form elements of coastal fishing vessel

Fig. 3. General arrangements for compound fishing vessel.

 Table 2는 이 연구에서 대상선박으로 선정된 모델선박의 선종 및 주요치수를 나타내고 있다(Lim and Han, 2012). 선정된 모델은 연안유자망 복합어선으로 약 3톤 규모이고, 선체길이 8~10 m, 선폭 3 m 내외, 동력성능 200~250 HP이며, 선체 재질은 FRP로 되어있고 갑판은 개방하는 조건으로 하였다.

Table 2. Specification of selected fishing vessel

2.2 설계 고려사항

 스위핑 암 시스템을 설계함에 있어서 우선적으로 고려되어야 할 사항은 실용적이면서도 현실적인 방제능력을 갖추는 것이다. 또한 소형선박 및 어선에 장착 및 조립이 간단하고, 부품 및 부속 장구의 교체가 용이한 구조가 되도록 설계하였고, 인력에 의하여 운반이 가능한 경량장비 개발을 고려하였다. 소형 선박의 탑재 장비는 각 선박에 따라 상이하고, 기능도 여러 가지가 있기 때문에 선박의 기존탑재 장비를 사용하지 않고 시스템을 운용 할 수 있도록 설계하였다. 따라서 다른 동력을 사용하지 않고 1~2인이 인력으로 설치하여 수동으로 운용 할 수 있도록 개발하였다. 스위핑 암 시스템은 기본적으로 해상에서 사용되는 장비이기 때문에 파도, 조류, 예인 등으로 발생하는 장력을 고려하여 전장․예인이 가능하도록 충분한 강도를 가질 수 있도록 설계하였다. 재질은 대표적인 오스테나이트계 스테인리스강으로 일반적으로 내식성이 우수하다고 알려져 있고 범용적으로 사용되고 있는 SST 304(SUS 304)를 사용하였다(Lim et al., 2003).

3. 장치의 구성 및 설치

3.1 스위핑 암 시스템의 전체 구성

 장치는 선체에 대한 개조 없이 전장·예인 등의 외부장력을 충분히 견딜 수 있도록 설계하였다. 특히 선수쪽 와이어릴 고정부 및 오일붐과 연결되는 본체 고정부의 경우는 강한 장력이 발생하므로 이를 견디는데 최적의 형태인 일체형으로 설계하였다. Fig. 4는 각 부품별 위치와 개략적인 설치구성도이다.

Fig. 4. Schematic diagram of sweeping arm system.

3.2 설치 모식도

 스위핑 암 시스템은 실용성과 현실성을 고려하여 Fig. 5 와 같은 소형 데릭(Derrick)구조로 설계하였다. 데릭 구조는 상하 및 좌우로 움직임이 가능하기 때문에 선박의 위치에 따라서 유용하게 사용될 수 있다. 상하 및 좌우로 회전이 가능한 장치는 선박이 출항하여 현장에 도착 할 때까지 선박 양현에 고정된 상태로 이동한 후에 현장에서 전장이 가능하기 때문에 선박의 조종 및 운용이 용이하게 된다.

Fig. 5. Sweeping arm structure.

 Fig. 6은 스위핑 암 시스템을 선미측 비트에 설치하고 소형 오일붐을 이용하여 유흡착재를 예인하는 모식도이다.

Fig. 6. Using the after bitts and oil boom towing.

4. 결과 및 고찰

4.1 선박 비트(Bitt)를 이용한 스위핑 암 고정 장치 설계

 Fig. 7은 수평봉과 수직봉을 이용한 스위핑 암 시스템의 설치 모식도이다. 수평봉(Side bar)은 2단 구조로 되어 있으며 1단의 길이가 2 m, 2단의 길이가 1.5 m로서 조립시 최대 전장길이가 3.5 m가 되는 스테인레스 파이프 구조로 설계하였다. 따라서 모델 선박의 폭을 고려한다면 유흡착재 전개면적의 직경은 최대 약 10 m가 된다.

Fig. 7. Structure of vertical & side pipe.

 Fig. 8은 시스템을 선박의 계선주인 비트(Bitt)를 이용하여 설치한 것이다. 선박의 계류 및 고박에 사용하는 비트는소형 선박의 경우에 일반적으로 선수에 1개, 선미에 2개가 설치되어 있다(Ahn et al., 2007). 선미측 양현에 장착된 비트는 강도가 강하고 단단하게 고정되어 있기 때문에 스위핑 암 시스템을 고정하여 설치하기가 용이하고, 소형 오일붐 형태의 유흡착재를 전장 할 경우에 예인력에 의한 인장력을 충분히 견딜 수 있다.

Fig. 8. Fixed device for fitting on the bitt.

 개발된 고정장치는 비트의 형상에 관계없이 원기둥형,장방형 구조를 가진 비트에 모두 설치가 가능하고 수직봉 및 본체 와이어릴 일체형 구조로 되어 있어 설치가 용이하게 설계되었다. 또한 네 개의 볼트 너트(M16)로 간단하게 설치 및 탈착 가능하게 하여 공구 사용을 최소화 하였다.

 Fig. 9는 개발된 장치를 실제 시험선에 장착된 장방형 비트에 설치하여 운용하는 사진이다.

Fig. 9. Photo of fixed device for fitting on the rectangular bitt.

4.2 이동용 스위핑 암 고정 장치의 설계

 선미측 비트는 위치가 고정되어 있기 때문에 스위핑 암 시스템을 선박의 중간 위치 또는 선수측으로 이동하여 고정시키기 위해서는 이동식 고정장치가 필요하다. 또한 이동식 장치는 선박의 후미에서 예인하는 방식의 유흡착재를 전개할 수 있을 뿐만 아니라, 선박 어느 위치에서나 시스템을 설치하여 운용이 가능하다.

 본 연구에서는 이동식으로 시스템을 고정하기 위해서 현연(Gunwale) 상부에 설치된 보강재인 현연정판(Capping gunwale) (Haemoon book publishers, 1976)을 이용하여 고정하는 방법을 고안하였다.

 Fig. 10은 이동용 고정장치의 모식도이다. 개발된 장치는 선수, 중간, 선미 등 어느 위치에서나 설치 가능한 구조로되어 있고, 현연정판의 두께가 40 mm에서 85 mm까지 사용이 가능한 범용 구조로 되어있다. 또한 현연정판의 넓이에 상관없이 설치가 가능한 구조로 설계되었으며, 네 개의 볼트(M16)로 간단하게 설치 및 탈착 가능하도록 개발되었다.

Fig. 10. Portable device for fitting on the capping gunwale.

 Fig. 11은 개발된 이동용 고정장치를 실제 시험선에 장착한 사진이다. Fig. 12는 이동용 장치를 이용하여 네트형 유흡착재를 전장하는 모식도를 나타내고 있다.

Fig. 11. Photo of the portable device fitted on the model ship.

Fig. 12. Portable device for operating of net type adsorbent.

4.3 각 부품의 무게 및 수량

 Table 3은 스위핑 암 시스템 주요 부품의 무게(길이)를 나타내고 있다. 개발된 장치는 운용인력 2명이 손쉽게 운반하여 설치 및 분해가 가능해야하기 때문에 단일부품의 무게를 가능한 가볍게 제작하여야 한다(Mokpo National Maritime University Industry-University Cooperation Foundation, 2012). 따라서 각 단일 부품의 무게는 10 kg 이하가 되도록 설계하였다.

Table. 3 Main part and weight of the prototype

5. 결 론

 본 연구에서는 해양오염사고가 발생할 경우에 긴급 및 임시방제장비로 활용이 가능하고, 오염지역 피해어민들이 직접 참여하여 유회수 작업을 할 수 있는 소형 선박용 스위핑 암 시스템을 설계하여 개발하였다.

 개발된 장치는 운용인력 2인이 운반하여 조립 및 탈부착이 가능한 구조로 되어있으며, 경량화를 위하여 단일 부품의 무게가 10 ㎏ 이하가 되도록 하였고, 모든 부품을 조립식으로 설계하여 이동 및 보관의 용이성을 확보하였다.

 또한, 데릭형 스위핑 암 장치는 상하 좌우 회전식 구조로 되어 있어 선박이 정박 중 장비를 설치한 후에 현장에서 전개가 가능한 형태로 개발하였다.

 선박의 양현에 설치된 수평봉은 조립시 최대 전장길이가 3.5 m가 되는 2단 파이프 구조로 설계하였다. 따라서 기름의 포집효율에 영향을 미치는 전개면적의 직경은 모델 선박의 폭을 고려한다면 최대 약 10 m를 확보하였다.

 또한, 개발된 스위핑 암 시스템은 선미에 소형 오일붐을 이용하여 유흡착재를 부착하고 예인 할 수 있을 뿐만 아니라, 선박 중간에서 네트형 유흡착재 등을 설치해 운용 할 수 있는 멀티 타잎으로 설계되었다.

 우리나라 연안어선의 특징을 반영하여 설계․개발된 본 장비는 향후 해양오염사고 대응시스템 구축시 임시방제자원으로 활용하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

 차후의 연구과제로 개발된 장치의 예인장력을 고려한 유흡착재 부하량 산정 등에 대한 연구와 오일붐의 전개면적을 넓히기 위한 방법으로 제시되고 있는 전개판(Jang and Na, 2006)을 응용한 전장장비의 개발 등에 대한 심도 있는 연구가 필요하다고 사료된다.

후 기

 이 연구는 해양경찰청 소형선박 장착용 기름회수장비 개발사업의 연구비 지원에 의해 수행되었으며, 이에 감사드립니다.