1.서 론

국내 최대 액체화물 취급 거점항만인 울산항은 최근 동북 아오일허브 사업을 통해 아시아 유류화물 핵심항만으로 성 장하고자 지속적인 항만시설 확충 및 배후시설 개발을 추진 하고 있다. 그러나 항만개발에 따른 선박의 항행환경(항로, 수심, 선회장 및 정박지 등) 개선 및 안전관리에 대한 연구 검토는 부족한 실정이다. 특히 울산항은 109개 선석, 2013년 총 입항 척수 22,816척(Port-MIS 2.0, 2013)으로 항만시설 및 입출항 선박이 증가하고 있으나 정박지에 동시 정박이 가능 한 선박척수는 총 40척, 정박지 가동률은 93 % 수준으로 정 박지가 부족한 실정이다. 또한 향후 동북아오일허브 사업 등과 같은 울산항 개발 계획이 진행될 경우 정박지 부족 현 상은 더욱 심화될 것으로 사료된다.

울산항 E 집단정박지는 지형적으로 남동풍 계열의 바람 과 파랑에 노출되어 있고 수심이 깊으며 강한 조류가 작용 하는 해역으로 인하여 선박 주묘가 빈번하게 발생하고 있 다. 지난 2013년 11월 25일 기상악화로 인해 부선을 포함한 선박 4척이 주묘·좌초되는 해양사고가 발생하여 E 집단정박 지 수역시설에 대한 정박 선박의 체계적인 안전관리 방안 모색이 요구되고 있는 상황이다.

묘박안전성 연구는 태풍 매미로 인해 발생한 해양사고 중 선박의 주묘를 분석하기 위해 묘박안전성 평가 모델을 제시 한 연구(Lee et al., 2000)를 시작으로 최근에는 선체 피칭운동 에 따른 파주력 감소 연구(Jung and Kong, 2009) 등이 이루어 지고 있다. 그러나 본 연구와 같이 특정 정박지를 대상으로 수심, 해저지질, 정박지 이용 톤수, 선박별 경하 및 만재상태 에서의 풍압 및 침하면적, 의장수 등을 직접 조사·분석하여 선박 규모별로 계통적인 묘박안전성을 평가한 사례는 없다. 본 연구에서는 울산항 E 집단정박지를 이용하는 대표선종 8 척을 대상으로 선박 상태별로 선체에 작용하는 풍압력, 표 류력 및 유압력을 각각 산출하여 파주력과 상호 비교·분석 한 후 최초 주묘가 발생 가능한 주묘 한계(닻이 해저에서 끌 릴 수 있는 최초 기상 조건) 조건을 제시하였다. 이러한 E 집단정박지 이용 선박의 묘박안전성 평가 연구는 주묘 여부 를 사전에 판별할 수 있는 객관적인 기준 마련에 활용될 수 있다. 또한 정박 중인 선박의 선장으로 하여금 주묘 예방을 위해 제진묘와 2묘박을 실시해야 하는 시점을 제시해 줄 수 있을 뿐만 아니라, 울산항 VTS 관제실 및 안전관리 부서에 서 기상악화에 따른 적절한 선제적 대응에 참고할 수 있어 선박 주묘에 따른 해양사고 예방에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

2.울산항 E 집단정박지 현황 및 주묘 해양사고

2.1.울산항 E 집단정박지 현황

울산항 E 집단정박지는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 E1, E2, E3로 구성되어 있으며, 해역별 정박 가능 선박 규모는 총톤 수를 기준으로 10,000톤, 30,000톤, 150,000톤이고 수심 및 해 역의 면적 등은 Table 1과 같다.

단, 표의 내용 중 NCAS(Number of Concurrent Anchoring Ship)는 동시 정박 척수를 의미하며, 이는 항만 및 어항설계 지침(Ministry of Oceans and Fisheries, 2005)에 의거하여, 단묘 박 상태에서 저질이 양호한 경우 선체길이에 수심의 6배를 합산한 값을 기준으로 산출한 결과이다. 단, 여기에서 저질 이 양호한 경우를 기준으로 한 이유는 Fig. 2와 같이 2013년 7월 26일 실습선 한바다호를 활용하여 실선 투묘 후 해저저 질을 확인한 결과 진흙 성분의 Mud로 분석되었기 때문이다.

Table 2는 2003년부터 2012년까지 10년간 울산항 E 집단정 박지를 사용한 선박 척수를 조사한 결과이며, E1 정박지는 연간 평균 5,738척의 선박이 꾸준하게 이용하고 있었다.

정박지 이용 톤수대를 분석한 결과 E1 정박지는 1,000 G/T~3,000 G/T규모의 선박이 빈번하게 이용했고, 다음으로는 3,000 G/T~5,000 G/T로 나타났다. 그리고 E2 정박지는 25,000 G/T~30,000 G/T, E3~정박지는 30,000 G/T 50,000 G/T 규모의 선박이 주로 사용하고 있는 것으로 확인되었다.

2.2.최근 E 집단정박지 주묘 해양사고

2013년 11월 25일 월요일 새벽 02시~04시경 기상이변으로 4 척의 선박이 주묘 좌초되었으며, 이중 부선 1척은 좌초 후 곧 바로 이초가 완료되었다. Table 3과 Fig. 3은 주묘로 좌초된 선 박 3척의 상세제원과 위치이며, 당시 해상 기상은 S~SW 풍향 이 30 m/s, 파고 5 m~7 m 수준으로 확인되었다.

이와 같이 E 집단정박지는 수심이 깊고 외해에 인접하여 East에서 South 계열의 바람과 파랑에 취약하며, 특히 강한 창·낙조류가 작용할 경우 주묘 가능성이 높은 해역이므로 정량적인 묘박안전성 평가를 기초로 주묘 예방 및 정박지 안전관리 방안 등을 수립해야 할 것으로 판단된다.

3.대상선박 및 평가 모델

3.1.대상선박 선정 및 주요제원

E 집단정박지 이용 선박에 대한 분석을 기초로 단묘박 상 태에서의 묘박안전성 평가를 위해 Table 4와 같이 규모별로 8척의 대표선박을 선정하였다. 또한 만재(Full) 및 경하 (Ballast)상태에서의 흘수를 기초로 정면(AT, Projected area of transverse) 및 측면(AL, Projected area of lateral) 풍압면적을 계 산하였다. 표의 선박 중에서 3,000 DWT, 5,000 DWT, 30,000 DWT 및 50,000 DWT급은 산적화물선(Bulk) 또는 일반화물선 (General cargo)이고, 나머지 4척은 유류운반선(Tanker)이다.

3.2.평가 모델

묘박 중인 선박의 앵커와 앵커체인의 파주부에 의한 파주력 (F_HP)과 선체에 작용하는 바람, 파랑, 조류로 인한 외력(F_EF)과 의 관계에서 식(1)과 같이 묘박안전성을 판별할 수 있는 평행 방정식을 유도할 수 있다.

본 연구에서 대상으로 선정한 외력 요소는 선종별로 정량 적인 해석이 가능한 바람에 의한 풍압력(Fwind), 파랑에 의 한 표류력(Fwave), 조류에 의한 유압력(Fcurrent)을 대상으로 했고, 단묘박 상태에서 주묘 가능한 한계 외력 도출을 일반 화하기 위해서 엔진 사용에 따른 추진력과 선체 상하운동 등의 요소는 배제하였다. 다음으로 단묘박 상태에서 파주력 을 분석하기 위해 대상 선박별로 앵커중량, 앵커체인의 중 량 및 등급과 같은 갑판 의장수를 조사하였으며, 그 결과를 정리하면 Table 5와 같다. 표에 명시된 의장수 자료는 묘박 안전성 대상선박과 가장 유사한 규모의 실제 운항 중인 선 박을 대상으로 한국선급에 등록된 선박을 조사한 결과이다.

3.3.파주력 평가

파주력은 앵커 자체 중량과 파주부(앵커체인이 해저바닥 에 놓여 있는 부분)에 의해 형성되며, 해저저질에 따른 파주 계수를 활용하여 식(2)에 따라 산출된다. 여기에서 앵커의 파주계수는 재래식 선박에 많이 장착된 ASS형 앵커 타입을 대상으로 하여, 3.0을 대입하였다.

여기서, λa : 앵커 파주계수, λc : 앵커체인 파주계수,

Wa : 앵커 중량, Wc : 앵커체인 수중중량,

ℓ: 해저에 깔린 닻줄(파주부)

3.4.풍압력 평가

묘박 중인 선체에 작용하는 풍압력은 풍압면적을 기초로 선형과 풍향각에 따라 산출하는 식(3)을 이용하였다(Fujiwara, 1998).

여기서, Va : 풍속, ρa : 공기밀도(0.124kg . sec²/m⁴)

Ca : 정면 풍압계수, AT : 정면 풍압면적(m²)

묘박 중 풍속 증가에 따른 선체운동은 무게중심 G를 기준 으로 “ ” 형태의 Swing을 하게 되며 Fig. 4의 시점에서 선체 측면 투영면적의 영향이 커지면서 선체 Swing 가속도 가 최대가 되어 앵커와 앵커체인에 최대 장력이 작용함에 따라 주묘가 발생하는 것으로 조사되었다(Honda, 2005). 풍압 력 산출에 있어서 선체 측면적의 영향은 식(3)을 만재와 경 하상태로 분리해서 각각 계산 후, 주묘 시점에서의 선체 상 태를 고려하여 정면 풍압면적의 2배를 적용하였다. 이는 주 묘 발생 가능성이 큰 ③ 시점에서 상대 풍향각 30°를 적용한 결과 정면 대비 측면의 풍압면적 비율이 대상선박 8척 평균 2.04배로 분석되었기 때문이다.

3.5.표류력 평가

규칙적인 파랑에 의한 영향은 주기적으로 변동하는 정상 성분의 표류력을 파진폭과 파장·선장비를 이용한 식(4)를 활 용하여 산출한 후 불규칙파에 대한 보정을 수행하였다 (Hirano, 1995; Remery, 1973). 식(4)의 표류력 계수는 풍속별로 발생 가능한 파장·선장비를 산출한 후 상대 파향 30°에 해당 되는 수치를 입력하였다.

여기서, Cw : 표류력 계수, g : 중력가속도(m/s²)

ρw : 해수밀도(104.5kg . sec²/m⁴),

hc : 파 진폭(m), L : 선체 길이(m)

3.6.조류(유압)력 평가

조류에 의한 유압력은 대상 선박별 저항계수를 현실적으 로 추정하기가 곤란하여, 식(5)와 같이 상대적으로 작은 유 속 상태에서 선체 정면이 받는 마찰저항을 산출하여 선체에 작용하는 유압력을 산출하였다(Froude, 1927). 유향 및 측면 침하면적의 영향은 풍압력 방식과 유사하게 주묘 발생이 가 능한 상태에서의 선체와 상대 유향각 30°를 적용한 결과 정 면 대비 측면 침하면적 비율이 대상선박 8척 평균 3.06배로 분석되어 정면 침하면적의 3배를 적용하였다.

여기서, δ : 마찰계수[0.1392+0.258/(2.68+L)]

Vw : 유속(m/s), L : 선체 길이(m)

ρw : 해수밀도, S : 선체 침하면적(m²)

4.묘박안전성 판별

4.1.파주력 산출 결과

묘박 중인 선박은 앵커 및 앵커 체인을 통해 파주력을 형 성한다. 그러나 앵커 체인은 외력에 따라 수시로 변화하는 현수부의 영향으로 파주부 길이가 변동하게 된다. Table 6 은 파주부 길이 변화에 따른 파주력 변화를 감안하여 풍속 30 knots, 조류 2 knots, 파고 3 m 조건 하에서 파주력의 최대 및 최소값을 정리한 것이다. 또한 Fig. 5는 대상선박의 선종 별 만재와 경하상태에서의 앵커 및 앵커체인에 의한 파주력 산출 결과를 제시한 것이다.

4.2.외력평가 결과

1)풍압력

대상선박에 대한 만재와 경하상태에서의 풍속별 선체에 작용하는 풍압력 해석 결과는 Fig. 6과 같다. 풍압력 계산 결 과 상대적으로 풍압면적이 큰 경하상태가 만재상태보다 큰 풍압력을 받으며, 선박 규모가 클수록 풍압면적이 증가하여 풍압력이 크게 작용하였다. 단, 특이점으로 30,000톤급이 10,000톤급 보다 풍압력이 다소 작게 산출된 것은 선형별 풍 압계수의 차이에 의한 것이다. 300,000톤급 탱커선을 기준으 로 풍속 30 knots일 경우 만재상태에서의 풍압력은 35.4 tonf, 경하상태에서는 57.3 tonf 정도 작용하는 것으로 분석되었다.

2)유압력

대상선박별 만재와 경하상태에서의 조속별 유압력 결과 는 Fig. 7과 같다. 수면하부에 작용하는 유압력은 침하면적에 비례하므로 경하보다 만재상태가 크며 300,000톤급의 경우 만재상태가 57.2 tonf, 경하상태에서 24.2 tonf로 해석되었다.

3)파랑 표류력

선체에 작용하는 파랑 입사각은 풍향을 고려하여 선수미 방향을 기준으로 상대방위 30°를 적용한 결과는 Fig. 8과 같 다. 표류력은 대상선박의 운항 상황(만재, 공선, 트림 등)과 는 무관하며, 파장 대비 선박길이의 비가 작은 λ/L=0.5가 λ /L=1.0보다 크게 나타났다. 일례로 λ/L=0.5 조건에서 3,000 DWT급에 작용하는 표류력은 파고 2.0 m이면 2.04 tonf이며, 300,000 DWT급 선박에는 6.17 tonf로 분석되었다.

4.3.한계 외력 평가

파주력과 외력의 평행방정식인 식(1)에 따라 최소 파주력 보다 큰 외력이 작용하는 주묘 한계 조건을 대상 선박별로 평가한 결과를 Fig. 9에 제시한다. 여기서 Case 번호는 풍속 10 knots 60 knots까지 10 knots씩 증속하면서, 조류는 1.0 knots, 1.5 knots, 2.0 knots, 2.5 knots로 순차적으로 조합한 번호를 부 여한 것이다.

파랑은 풍속의 영향이 지배적이므로 10 knots~30 knots까 지는 λ/L 0.5를, 40 knots 60 knots에는 λ/L 1.0을 적용하면서 순차적으로 파고를 1.0 m, 2.0 m, 3.0 m로 적용하였다. 따라서 6개의 풍속 요소와 4개의 조류 요소를 기반으로 하여 24개 의 시나리오별 한계 외력 조건을 도출하였고, 일례로 Case 1, 7, 13, 19의 경우는 풍속 10 knots에 조류 1.0 knots, 1.5 knots, 2.0 knots, 2.5 knots 조건에 해당된다. 또한, Fig. 9의 실선은 만 재상태, 점선은 경하상태의 외력을 의미하고 원형 점선이 파주력으로 원형보다 큰 값을 나타내는 부분이 주묘 한계 외력에 해당된다.

각 시나리오별로 분석한 주묘 한계 외력을 대상 선박별로 정리한 결과를 Table 7에 제시한다. Table 7의 한계 외력 판 별은 최소 파주력를 기준으로 풍압력, 유압력 및 파랑 표류 력으로 구성된 총 외력의 합과 동일하거나 총 외력보다 작 은 범위에서 결정하였다. 대상 선박별로 묘박안전성 확보가 가능한 한계 외력 조건 판별 결과, 일반화물선(Bulk) 5,000 DWT급 미만의 선박의 경우 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 20 m/s, 조류 2.0 knots 이상일 때 15 m/s 수준으로 판별되었고, 30,000 DWT급 선박의 경우 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 25 m/s, 조류 2.0 knots 이상일 때 15 m/s 수준으로 평가되었다. 다음으로 유류운반선(Tanker) 8,500 DWT급 선박은 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 15 m/s, 조류 2.0 knots 이상일 때 10 m/s 이며, 10,000 DWT급 선박은 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 13 m/s, 조류 2.0 knots 이상일 때 10 m/s이고, 50,000 DWT급 선박 은 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 20 m/s, 조류 2.0 knots 이상 일 때 15 m/s이며, 150,000 DWT급 이상 탱커선은 조류 2.0 knots 미만일 때 풍속 15 m/s, 조류 2.0 knots 이상일 때 10 m/s 수준에서 주묘가 발생하는 것으로 확인되었다. 또한 중형급 미만 유조선의 경우는 일반 벌크선 보다 의장수가 상대적으 로 작기 때문에 앵커 중량 및 앵커 체인 등급이 작아 외력에 취약하며, 특히 선체 침하면적이 상대적으로 커서 조류의 영향이 클 경우 주묘 개연성이 큰 것으로 확인되었다.

5.결 론

울산항 E 집단정박지를 이용하고 있는 대표적인 선박 8척 을 대상으로 만재상태와 경하상태에서의 앵커에 작용하는 파주력과 바람, 파랑 및 조류로 인한 외력을 산출하여 상호 비교 후 주묘 발생 한계 외력을 일반화하여 제시하였다. 본 연구의 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.

본 연구에서 제시한 주묘 한계 외력 조건은 단묘박 상태에서 분석한 결과로 향후 2묘박 상태에서의 주묘 평가, 앵커 형식에 따른 파주계수의 고찰, 선체운동을 고려한 묘박안전성 모델링 개선 등에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다.