1서 론

해양사고 예방을 위해 국제해사기구(IMO)를 중심으로 각 국가에서는 많은 노력을 하고 있음에도 불구하고 선박에 의 한 대형 오염사고와 인명사고 등 해양사고는 끊이지 않고 발생되고 있다(Choi and Kim, 2012).

대부분 해양사고의 경우에는 현장 기상이 불량하거나, 주 변 상황이 좋지 않은 경우가 많으며, 정상적인 부양상태가 아 닐 경우에는 다양한 예인방식이 요구된다(Jung et al., 2012).

이러한 사고선박은 2차적인 피해를 줄이기 위해 예인선에 의해 안전한 장소로 이동되지만, 사고선박의 예인이 지연되거 나 잘못된 예인은 사고선박의 침몰이나 예인삭의 절단 또는 예인선의 전복 등으로 이어질 수 있다(Nam and Jung, 2013).

예인기술에 대한 연구는 미해군에서 작성한 Towing Manual(US Navy, 2002)과 미국, 영국 등에서 출판된 예인선 운용에 대한 자료(Reid, 2004; Livingstone and Livingstone, 2006)로 극히 제한적이며, 여기서는 군함에 대한 내용으로 한정되거나, 구난예인(salvage towing)에 대한 내용이 거의 없 는 실정이다.

따라서 신속하고 체계적인 구난을 위해서는 예인기술의 개발이 시급히 요구되는 상황이며, 해상상태와 사고선박의 손상상태 등의 조건이 반영된 예인계획 수립과 기술의 개발 이 필요하다.

본 연구의 최종 목표는 Fig. 1에서와 같이 당시의 해상상 태를 고려하여 부양상태인 사고선박을 안전하게 예인하기 위해 요구되는 예인선의 소요마력과 사고지점에 가장 가까 운 예인선을 선정하여 신속히 투입하기 위한 예인지원시스 템의 개발에 있으며, 이러한 과정에서 예인선의 소요마력을 산출할 수 있는 이론적인 계산식의 정립이 요구되므로 실선 실험을 통하여 그 유효성을 검증하고자 한다.

2이론계산

선체에 작용하는 저항은 일반적으로 수면상부의 공기저항 과 수면하부의 해수에 의한 저항으로 구분되며, 수면하부의 저항은 Fig. 2에서와 같이 다양한 성분으로 저항을 구분하고 있다(SNAK, 2012).

본 연구에서는 Froude의 가정에 따른 저항성분 분류법에 따라 저항을 계산하였으며, 여기에 미해군 예인 매뉴얼에서 언급하고 있는 프로펠러 고착저항(resistance of the locked propeller)을 추가하였다.

일반적으로 프로펠러가 작동하여 추진력을 얻는 상황에서 는 프로펠러에 의한 추력과 효율만을 고려하지만, 프로펠러 를 작동하지 않고 예인되는 상황에서는 선체저항뿐만 아니 라 프로펠러 부착물에 의한 저항도 함께 고려해야 한다. 미 해군 예인 매뉴얼에서 제시하고 있는 프로펠러 고착에 의한 저항은 수면하부에 작용하는 타 저항에 비하여 상당히 큰 비중을 차지하는 것으로 알려져 있다.

또한, 프로펠러 고착저항과 더불어 공기저항, 마찰저항 그리고 잉여저항 등 정적저항(static resistance; R_Static)은 비교 적 정확한 예측이 가능하지만, 예인중에는 피예인선의 요우 잉(yawing)이 발생하고 파도(wave)로 인하여 예인선과의 상 대적 운동으로 인한 예인삭에 걸리는 동적저항(dynamic resistance;R_Dynamic)은 상당히 예측하기 힘든 것으로 알려져 있다(US Navy, 2002).

여기에서는 프로펠러 고착저항을 포함한 정적저항과 요우 잉으로 인한 저항증가를 함께 고려하였다.

2.1정적저항

1)공기저항

공기저항은 식(4)를 사용하였고, 풍압계수는 풍동실험을 통하여 정확한 값을 얻을 수 있으나, 여기에서는 Fujiwara가 제안한 풍압계수를 사용하였다(Fujiwara et al., 1998).

R_a : wind pressure(kgf)

ρ_a : density of air(0.125 kg•sec²/m⁴

C_a : wind pressure coefficient

A : front projected area(m²)

B : lateral projected area(m²)

θ : relative wind angle

V_a : relative wind velocity(m/s)

2)마찰저항

마찰저항은 식(5)와 같고, 마찰저항계수는 Reynolds 수 (R_n=VL/v, v:coefficient of kinematic viscosity)에 따른 schoenherr 곡선을 이용하였다(SNAK, 2012).

R_f : frictional resistance(kgf)

ρ_w : density of water(104.6 kg•sec²/m⁴

C_f : frictional resistance coefficient

S : wetted surface area(m²)

V_w : relative tow speed(m/s)

3잉여저항

잉여저항은 식(6)과 같고, 잉여저항계수는 주형계수(prismatic coefficient), 선폭과 흘수 비(B/d), Froude number를 고려한 Taylor tank chart를 이용하였다(Taylor, 1954).

R_r : residual resistance(kgf)

C_r : residual resistance coefficient

4)프로펠러 고착저항

선박추진과 관련하여 프로펠러의 효율에 대한 연구는 많 이 진행되고 있지만, 예인되고 있는 선박의 프로펠러 저항 에 대한 연구는 많지 않다. 식(7)은 미해군 예인 매뉴얼에서 사용하고 있는 식으로 일반적인 상황에서 피예인선의 전체 저항 중 가장 큰 저항으로 고려되고 있다(US Navy, 2002).

R_p : propeller resistance(pounds)

A_p : projected area of propeller(ft²)

V_tow : relative tow speed(knots)

따라서 본 연구에서도 프로펠러 고착저항을 주요한 저항 성분으로 고려하였다. 상기의 식(7)에서는 길이 단위로 ft, 속 력은 knot 그리고 그 결과값을 pounds로 나타내고 있으므로, 이를 SI단위를 사용한 형태로 수정하여 식(8)을 제안하여 적 용하였다. 여기에서는 실제적으로 저항을 유발하는 매개체 인 해수에 관한 밀도가 적용되었고, 그 결과값이 위에서 언 급된 다른 저항값들과 마찬가지로 kgf 단위로 표현된다.

R_p : propeller resistance(kgf)

D : propeller diameter(m)

2.2동적저항

1)Yawing

해상에서는 동일한 속력으로 예인을 하더라도 피예인선은 예인선과 일직선인 형태로 똑바로 끌려오지 않고, Fig. 3과 같 이 피예인선은 좌우로 스윙하면서 요우잉 현상이 발생되었다.

따라서 정상적인 저항 이외에도 선체가 예인방향에 대하 여 일정한 입사각을 갖는 비스듬한 상태로 놓이게 되어 측 면의 유압저항을 추가적으로 받게 된다. 유압력은 식(9)와 같고, 유압계수(Yoon, 2002)는 피예인선이 측면으로 최대로 치우친 상태로 입사각 30도에서의 값을 적용하였다.

R_y : lateral current resistance(kgf)

C_y : lateral current force coefficient

L : length between perpendiculars(m)

d : draft(m)

2)파도

Fig. 4는 요우잉과 파도에 기인한 동적저항(장력)을 보여주 고 있다. 파도에 의한 저항은 예인선과 피예인선의 복잡한 동적 반응에 의해 형성되고, 요우잉과 파도에 기인한 장력 이 최대가 되는 순간 최대장력이 된다(US Navy, 2002). 본 연 구에서는 실선실험 당시의 파도에 기인한 장력은 근소하다 고 판단되어 계산에서 제외하였다.

3예항실험

3.1실험장치

실험장치의 구성은 장력을 계측하는 로드셀 1개, 장력값 을 표시 및 저장하는 노트북 1개, 로드셀과 예인삭 및 비트 에 연결하는 샤클 2개 그리고 와이어 1개로 구성된다. 로드 셀의 사양은 Table 1과 같이 최대 20톤까지 장력 측정이 가 능하고, 샤클과 와이어의 파단강도는 40톤이다.

Fig. 5는 예인 실선실험을 수행하기 이전에 대상선박인 목 포해양대학교 실습선 새유달호에서 정박중 로드셀 예비실 험을 실시한 모습이며, Fig. 6은 1초에 10개의 샘플링으로 설 정하여 계측된 장력값을 나타내고 있으며, 실험을 수행하기 위해 본 연구를 통해 개발한 GUI이다. 로드셀, 풍향·풍속계 및 시간 등의 데이터를 디스플레이하고 저장할 수 있도록 프로그래밍하였다.

3.2실선실험

대상선박은 Table 2와 같이 목포해양대학교 실습선 새유달 호이며, 실선실험은 새유달호의 연안항해 일정에 맞추어 2014년 3월 17일 출항시 실시되었다. 예인선은 Table 3과 같 이 국제1호(124톤, 2,800마력, Z-Propeller)가 사용되었으며, 예 인삭은 예인선에 설치된 직경 100 mm의 폴리프로필렌 로프 (파단강도 90톤)를 사용하였다. 실험장소는 Fig. 7와 같이 목 포항 불무기도 인근 묘박지 부근이며, Table 4에서와 같이 풍향/풍속은 남풍 7 m/s이고, 창조류 0.7 m/s, 파고는 0.5 m, 수 심 13 m인 조건에서 예인실험이 실시되었다.

로드셀은 Fig. 8 및 Fig. 9에서와 같이 실습선 선수갑판에 설치하였으며, 예인삭은 선수부 정중앙에 위치한 파나마 초 크를 통하여 설치되었다.

풍속은 실습선 풍속계를 통하여 계측되었고, 파고는 시각 적으로 계측되었으며, 조류는 표류(drifting) 상태에서 실습선 선속계를 통하여 확인하였다. 실험을 실시하기 전에 정박지 에 도착하여 투묘 상태로 약 1시간 대기하는 과정에서 유향 을 파악할 수 있었으며, 양묘 후에는 약 30분간 표류하여 유 속을 확인하였다.

각종 계측값의 정확한 비교를 위하여 출항전에 실습선의 시각과 실험장치의 시각을 동일하게 설정하였으며, 정지상 태인 피예인 선박을 이론계산을 수행하고자 하는 2.5m/s 속 력까지 예인하여 정상속력 단계에서 3분 이상 계측하였다.

4소요마력 추정

선박의 예인중에는 Fig. 3 및 Fig. 9와 같이 피예인선은 지 속적으로 좌우로 스윙 및 요우잉을 하는 것으로 확인되었 다. 따라서 저항의 계산은 Fig. 10의 A위치(Fig. 9 상황)에서 는 풍압저항, 마찰저항, 잉여저항 그리고 프로펠러 고착저항 을 고려해야 하고, B위치(Fig. 3 상황)에서는 요우잉 현상으 로 인하여 추가적으로 측면에서의 외력에 의한 유압저항을 고려해야 할 것으로 판단된다.

Table 5는 A와 B위치에서의 각 저항값을 계산한 결과를 보여주고 있으며, B위치에서는 A에서와 같이 전진속력으로 인하여 마찰저항, 잉여저항 및 프로펠러 고착저항은 유의한 차이가 없을 것으로 판단되어 저항의 변화를 무시하였다. 하지만, 공기저항은 요우잉 자세로 인한 측면의 수풍면적 증가 및 풍압합력계수의 증가로 인하여 2배이상 증가되었 고, 타 저항에 비하여 상대적으로 큰 유압저항이 작용하여 총 저항값은 거의 2배로 증가하는 것으로 계산되었다.

Fig. 11은 실선실험 결과를 보여주고 있다. 예인 초기 오후 1시 37분 무렵에 최대장력인 19톤이 측정되었는데, 이는 정 지상태인 피예인선의 속력을 높이는 과정에서 순간최대장 력이 작용한 것으로 판단되고, 점차 속력이 증가하여 2.5 m/s 의 일정한 예인속력이 유지된 점선으로 표시된 구역에서는 6.5톤에서 10.5톤 사이의 장력이 작용하고 있음을 알 수 있 다. 오후 1시 45분 무렵에는 장력이 급격히 작아진 구간이 발생하였는데, 이는 예인선이 순간 예인을 중단하였기 때문 인 것으로 판단된다.

이러한 실험결과는 Table 5에서 계산된 이론계산 결과와 비교해 볼 때 상당히 일치됨을 알 수 있다. 물론 해상에서의 외력환경 및 선체거동에 대한 값을 정확하게 계측하여 이론 계산에 적용하기에는 다소 어려움이 있겠지만, 앞서 제시한 이론계산 방법은 예선의 소요마력 산정을 위해 사용하기에 충분하다고 판단된다.

또한, 사고선박을 예인하기 위한 소요마력 산정에서 상기 의 이론계산 결과에 추가하여 파도에 의한 예인선과 피예인 선간의 동적운동 및 예기치 못한 상황을 고려하여 식(10)과 같이 일정한 안전율(safety factor)을 고려하여 사용해야 할 것으로 판단된다.

이와 같이 최종적으로 얻어진 총 저항을 바탕으로 예인선 의 소요마력은 식(11)과 같이 계산되며, Table 6에서와 같이 예인선은 형태에 따라 조종성능뿐만 아니라 Bollard Pull(유 효마력)이 달라지므로 상황에 따른 적합한 예인선이 선정되 어야 한다.

5결 론

사고선박의 2차적인 피해를 줄이기 위해서는 사고선박을 안전한 곳으로 이동시키기 위한 예인선의 소요마력 산출이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 실선실험을 통하여 소요마 력 산출에 대한 이론적인 계산식의 유효성을 검증하였다.

첫째, 실선실험 결과는 이론계산 결과와 비교해 볼 때 상 당히 일치되어 예선의 소요마력 산정을 위해 사용하기에 충 분하다고 판단된다.

둘째, 정적저항에서 공기저항, 마찰저항, 잉여저항에 추가 적으로 프로펠러 고착저항이 상대적으로 큰 값으로 평가되 었다.

셋째, 피예인선은 예인과정에서 좌우 측면으로 30°정도까 지 스윙운동 및 요우잉이 발생하였으며, 이로 인하여 동적 저항이 큰 값으로 평가되었다.

넷째, 사고선박을 예인하기 위한 소요마력 산정에서 파도 에 의한 예인선과 피예인선의 동적운동 및 예기치 못한 상 황을 고려하여 일정한 안전율을 고려하여 사용해야 할 것으 로 판단된다.

마지막으로 정지상태인 피예인선의 속력을 높이는 과정에 서 순간최대장력이 작용할 수 있으므로 속력은 점진적으로 천천히 올려야 할 것으로 판단된다.

추후 피예인선의 동적운동을 최소화시키는 방안과 안전율 에 대한 연구가 후속연구로써 필요할 것으로 판단되며, 저 항의 정확한 예측을 통하여 안전율을 최소화함으로써 경제 적인 예인선의 사용이 가능할 것으로 판단된다.