1.서 론

항만은 자국의 부가가치 창출을 위한 국가의 기간시설로 서 육상운송과 해상운송의 연결기능을 수행하는 중계지로의 중요한 역할을 하고 있다. 특히 국내의 무역의존도가 70 % 내외이며 취급하는 전체 화물 중 90 % 이상이 해운·항만을 통해 이루어지고 있다는 것을 고려하여 국가 주도의 항만개 발 정책에 따른 지속적인 부두 시설 등의 확충으로 전국 항 만의 확보율이 점진적으로 증가하고 있다. 하지만 항만에서 의 부두형태, 하역형태, 취급화물, 선박의 접안 능력별 안전 관리에 대해서는 정량적 분석 및 평가가 미흡하여 항만에서 의 안전관리가 체계적으로 이루어지지 못하고 있다.

울산항은 현재 우리나라 액체화물 취급량 중 전체 34 %를 차지하며 국내 최대 액체화물 취급항만임에도 불구하고 체 계화된 하역중단기준이 마련되지 않고 각 위험물 취급 회사 에서 자체적인 안전 기준을 설정하여 운영하고 있는 실정이 다. 자체안전관리계획서는 각 위험물 취급업체간 유사성 및 계획서 이행의 효용성 문제가 대두되고 있으며, 이는 위험 화물을 취급하는 선박의 특성상, 사고 발생시 대상 항만에 막대한 피해의 위험성이 있다. 또한 자체안전관리계획서에 의거하여 부두를 운영함에 따라 동일한 크기의 선박이라도 하역 중지 기준이 달라 형평성에 어긋나므로 이를 정량화할 필요가 있다.

이에 따라 본 연구는 울산항 위험물 취급 회사의 자체안 전관리계획서, 국내외 기준, 기 수행된 계류안전성평가, 본 계류안전성평가 결과 등을 종합적으로 분석하고, 울산항 위 험물 취급 부두에 접안한 선박의 특성, 동요량 및 부두시스 템의 안전성을 고려하여, 선박 크기별 부두 운용 기준 개선 안을 제시하였다.

2.선행 연구

계류안전성평가에 관한 연구성과들을 살펴보면, Ueda and Shiraisi(1988)는 계류된 선박의 동요량을 계산하고 하역 여부를 정량화된 동요량 기준으로 표시한 하역허용동요량을 제시하였 으며, Kubo et al.(1993)은 계류시스템의 특성과 선박 동요량을 반영하여 하역가동률을 산정할 수 있는 개략식을 제안하였다. 또한 계류된 선박의 동요량과 하역허용동요량을 이용하여 하 역가동률을 평가하였다(Ueda et al., 1994).

한편, Cho et al.(2006)은 쓰나미의 내습으로 인한 선박의 동요량을 수치계산하고 지진해일이 선박운동에 미치는 영 향과 계류시스템에 작용하는 하중을 계산하였다. 또한 Kwak et al. (2013·2014)은 단주기 파랑 및 장주기 파랑이 선박에 작용 하였을 때 선박 동요량을 해석할 수 있는 방법을 제시하고 이 때 선석의 특성을 반영하여 하역한계파고를 산정하는 방법을 제시 하였다.

부두의 적정 접안능력을 검토하기 위하여 Jeon et al.(2008) 은 울산항의 3개 부두를 선정하여 통항 및 접안 안전성과 선체동요 및 구조안전성을 종합적으로 평가하여 부두 접안 가능 최대 선박 크기를 제안하였다. 또한 Kang and Park(2016) 은 울산항의 1개 부두를 선정하여 선박 규모의 변화에 따른 계류안전성 평가를 수행하여 대상부두에 대한 안전 계류 가 이드라인을 제안하였다.

본 연구는 국내 최대 액체화물 취급항만인 울산항을 선정 하여 부두 운용 현황을 분석하고, 환경외력에 취약한 4개 부 두의 계류안전성평가를 수행하여, 울산항 위험물 취급부두 의 선박 크기별 하역중단 및 긴급이안기준을 제시하였다.

3.부두 운용 현황 분석

울산항은 국내 항만 중 부산항 다음으로 입출항 선박이 많은 무역항으로 울산 본항, 온산항, 미포항 및 울산 신항으 로 구성되어 있다. 또한 울산항은 전국 항만 중 유류 및 위 험물 화물을 가장 많이 취급하고 있으며, 2014년 7월과 2015 년 1월에 케미컬운반선 폭발사고 등이 지속적으로 발생하여 안전에 대한 불안감이 커지고 있는 상황이다. 이러한 사고 는 취급 화물이 위험화물이므로 사고 발생시 2015년 8월 발 생한 중국 텐진항 폭발 사고와 같이 국가적 재난으로 확산 될 수 있다는 점에서 매우 중요하다.

이에 따라 울산항의 위험물 취급 부두의 하역중단기준 및 긴급이안기준을 설정하기 위하여 울산항의 부두 운용 기준 으로 14개의 울산항 위험물 취급 회사의 자체안전관리계획 서를 분석하고, 유사항만의 부두 운용 기준과 항만 및 어항 설계기준, PIANC 기준을 검토하였다.

하역중단기준은 각 부두의 위치, 선종, 선박 크기 등에 따 라 달라지며 안전한 하역을 위하여 선종에 따라 국내외 규 정에 명시된 하역허용동요량을 만족하는 기준에 의해 결정 되며, 긴급이안기준은 부두와 선체의 안전성 확보를 위하여 부두에 설치된 계선주, 방충재 등의 계류시스템의 허용하중 을 만족하는 범위 내에서 접안이 가능함을 의미하며 해당 범위를 초과한 조건에서는 긴급하게 출항해야 한다.

3.1.울산항 위험물 취급부두의 운용 현황

현재 울산항을 비롯한 국내항 위험물 부두의 하역중단기 준 및 긴급이안기준은 선박입출항법 제34조에 따라 자체안 전관리계획서의 승인제도에 의해 운용되고 있으며, 이 제도 는 1차적 책임을 부담하고 있는 소유자에게 안전관리계획을 수립할 의무를 부과하고 이에 대한 적정성을 해양수산부가 승인하는 방식이다. 이는 각 위험물 취급업체가 사용하는 부두가 상이함에도 불구하고 각 업체가 제출한 자체안전관 리계획서의 내용이 유사하다는 문제점이 있다.

Table 1은 울산항의 위험물 취급 부두를 운영하는 14개 회 사의 자체안전관리계획서상의 하역중단기준 및 긴급이안기 준이다. A, D, H, K 선사의 하역중단 및 긴급이안 기준을 보 면 선박 크기가 다양함에도 불구하고 동일한 기준을 적용하 고 있다. 또한 H~N까지 7개의 선사는 선사별로 다양한 크기 의 선박을 보유하고 있음에도 불구하고 동일한 기준을 적용 하고 있다. 이는 실질적인 계획서의 이행여부보다는 작성하 여 승인받는데 그 목적을 두고 있는 이유로 분석되며, 이에 따라 제도의 운영 및 효용성에 문제점이 도출되고 있는 실 정이다.

V_w,10min는 10분 평균풍속을 의미하며 이는 해상에서 고도 10m의 높이에서 측정한 풍속으로 10분 동안 측정한 값의 평 균값을 의미한다. H_s는 유의파고를 의미하는데, 유의파고란 불규칙한 파군을 편의적으로 단일한 주기와 파고로 대표한 파로서, 하나의 주어진 파군 중 파고가 높은 것부터 세어서 전체 개수의 1/3까지 골라 평균한 값이다.

3.2.유사 항만 운용 기준 분석

항만 및 어항설계기준(Port Design Criteria, PDC)은 국내 항 만 및 부두 건설시 설계조건의 한계를 규정하는 기준으로써 대상시설물의 설계업무를 수행하는데 최우선이 되는 기준 이고 PIANC는 국제수상교통시설협회에서 1885년에 설립한 포럼으로 항만 및 부두 건설에 국제적 기준을 제시하며, 미 국, 유럽 등의 선진 항만 건설시 적용된다.

국내 무역항의 하역중단기준은 항만 및 어항설계기준의 선종별 하역허용동요량에 의해 결정되며, 이는 Table 2와 같 이 PIANC 기준과 동일하다. 하역허용동요량은 외력에 의한 선체동요로 인해 대상 선박의 통상적인 하역작업이 가능한 범위 내에 있는지를 평가하기 위한 것으로 선체의 6자유도 운동(Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw) 통계량을 기초로 하 여 검토한다.

또한 PIANC(2014)에서는 선종별, 선박크기별로 하역허용기 준을 Table 3과 같이 제안하였으며 30,000~200,000 DWT의 유조 선의 경우 부두와 종방향으로 외력이 작용할 때 풍속 22 m/s, 조류 1.5 m/s, 파고 2.0 m을 제안하였다.

그 외에 국내 위험물 취급 부두인 여수항 및 대산항에서 는 부두 건설시 해상교통안전진단제도에 따라 계류안전성 평가를 수행하여 Table 4와 같이 하역중단기준 및 긴급이안 기준을 제안하고 있다.

4.계류안전성 평가

국내에서 취급되는 유류 및 가스화물 전체 중 30 % 이상 을 차지하는 울산항 위험물 취급부두의 자체안전관리계획 서를 검증하고 부두 운용 기준을 개선하기 위하여, 선박크 기별로 환경외력에 취약한 4개 부두를 선정하여 계류안전성 평가 시뮬레이션을 실시하였다.

4.1.계류안전성 평가의 개요

선박의 계류안전성 평가는 특정 부두에 계류된 선박이 바 람, 조류 및 조위 변동, 파랑과 같은 외력을 받을 경우, 계류 된 선박의 특성, 풍압면적, 흘수 등을 종합적으로 고려하여, 계류삭, 계선주, 방충재 등의 계류시스템의 하중을 평가하여 대상 선박의 계류 한계 및 하역 한계를 포함한 선박의 안전 성을 정량적으로 평가하는데 그 목적이 있다.

기본적으로 계류안전성평가에서 선박의 계류시스템과 환 경외력의 힘과 모멘트가 평형을 이루는 조건을 분석하면, 각 계류삭 및 펜더 등에 작용하는 장력 및 반력 등을 추정할 수 있다. 즉, 식(1)~(3)을 만족하는 조건을 찾으면 된다.(2)

여기서 ΣFx, ΣFy, ΣMxy는 바람, 조류, 파랑 등 환경 외 력의 선체 길이방향(Fx), 횡방향(Fy), 모멘트(Mxy)성분이고, ΣPx는 계류삭의 선체길이방향 성분, ΣPy와 ΣNxy는 계류 삭 및 방충재의 횡방향(Py), 모멘트(Nxy) 성분이다.

위 식은 구하려는 미지수에 비해 방정식의 숫자가 적은, 전형적인 부정정계(Statically Indeterminate System)이며, 이는 반복(Iteration)기법에 의해 평형 상태를 구한다.

계류안전성 해석은 TTI(Tension Technology International)사 의 OPTIMOOR SW(Ver. 6.2.6, 2013.01.15 Update) 최신 Version 을 이용하여 수행하였다. OPTI-MOOR는 선형 해석으로 타 계류안전성 해석프로그램에 비하여 단순하나 정확한 모델 링으로 적용시 연구논문에 활용도가 높아 국내 해상교통안 전진단의 계류안전성평가에 대표적으로 사용되고 있는 해 석프로그램이다.

이에 따라 본 연구에서는 울산항 위험물 취급 부두 중 비 교적 환경 외력 조건에 취약한 것으로 확인되는 4개 부두를 선정하여 선체와 안벽 그리고 계류 로프로 이루어진 하나의 계류시스템에 파랑, 바람, 조류, 선형 및 초기장력 등 외력 조건을 가하여 해석하였다.

4.2.계류상황 모델링

계류안전성 평가 대상 부두로는 선박 접이안 현황조사 결 과에 따라 울산 본항 초입에 위치하여 조류 및 파고의 영향 이 큰 SK 3부두, 가스부두와 온산항 항내에서 비교적 환경 외력의 영향을 많이 받는 S-Oil 2부두를 선정하였으며, 각 부 두의 위치와 상세조건은 Table 5, Fig. 1과 같다.

또한 평가 대상 선박은 각 부두별로 접안 가능한 최대 선 박 크기인 8,500톤, 15,000톤, 50,000톤 및 120,000톤급 가스선 및 탱커선을 선정하였다.

Table 6은 계류안전성 평가를 위한 선박별 주요 제원과 풍 압면적을 나타낸 것이며 선박의 풍하중은 만재상태와 경하 상태를 비교하여 일반적으로 선박의 계류안전성 확보가 더 어려운 경하상태의 조건을 적용하였다.

경하시의 선박은 만재 상태이거나 화물이 적재된 선박보 다 흘수가 적고 선박의 무게가 가벼워 바람 및 파랑의 영향 을 많이 받으므로 부두에 계류시 계류삭 및 계류시스템에 하중을 최대로 주게 된다. 그러므로 경하시의 조건을 만족 하면 선박의 화물적재 비율에 상관없이 안전성 확보가 가능 하다고 해석할 수 있다.

계류안전성 평가에 이용된 바람, 파랑, 조류 등의 환경조 건은 대상 부두의 위치에서 최대 외력이 미치는 조건으로 설정하였다. 바람은 전방위에 대하여 5도 간격으로 하역한 계풍속을 고려하여 26 m/s(50 knots)까지 평가를 실시하였다. 파랑은 하역한계파고 등을 고려하여 2.0 m까지 검토하였으 며, 조류는 항내 조류도를 반영하여 1.0 knots까지 고려하였 다.

4.3.하역중단기준 분석

울산항 위험물 취급부두에 접안한 8,500톤급, 15,000톤급, 50,000톤급, 120,000톤급 선박의 계류안전성 검토를 위하여 부두 특성, 선박 제원을 입력하고 실제 선박의 배치와 유사 하게 계류 모델링을 실시하여 계류안전성평가를 수행하였 다. 그 중 하역중단기준 분석을 위한 15,000톤급 선박의 6자 유운동에 따른 동요량은 Fig 2와 같다.

15,000톤급 선박의 선체동요량값은 파고에 상관없이 26 m/s의 풍속에서 Surge값은 허용동요량을 초과하는 것으로 나타났 으며, 동일 풍속에서 파고가 높아질수록 Sway값이 증가하나 허용동요량을 초과하지 않는 것으로 분석되었다. 또한 Table 7은 파고 2.0 m의 조건에서 풍속별, 선박 크기별 동요량값으 로 50,000톤급 선박의 경우 부두의 계선주 배치에 의해 Breast Line이 없으므로 동요량이 증가하였으나 일반적으로 선박의 크기가 클수록 동일 환경조건에서 동요량이 작아지 는 것으로 분석되었다.

4.4.긴급이안기준 분석

긴급이안기준 분석을 위하여 선박 크기별로 각 계류시스 템에 미치는 장력과 하중을 분석하였다. 각 선박의 계류삭 허용 장력은 OCIMF의 권고사항을 고려하여 최소파단하중의 55 %를 기준으로 설정하였다.

Fig 3은 50,000톤급의 탱커선의 계류안전성 평가 결과로 26 m/s의 풍속에서는 0 m의 파고에도 방충재의 허용반력이 초과하고 0.5 m의 파고에도 계선주의 허용견인력이 초과하 는 것으로 분석되었다. 또한 21 m/s의 풍속에서는 파고 1.5 m 이상의 조건에서 방충재의 허용반력이 초과하는 것으로 나 타났다. Table 8은 선박 크기별로 풍속에 따른 계류시스템의 최대하중을 나타낸 표이다. 풍속 26 m/s에서는 15,000톤급을 제외한 모든 크기의 선박에서 계류시스템의 허용하중을 초 과하는 것으로 나타났다. 또한 선박 크기가 클수록 풍압면 적이 크므로 풍속이 증가함에 따라 각 계류시스템의 허용하 중을 초과하는 범위가 큰 것으로 분석되었다.

5.선박 톤수별 부두 운용 기준 제시

울산항 위험물 취급선사의 자체안전관리계획서상의 부두 하역중단기준은 풍속 12~21 m/s, 파고 1.0~2.0 m, 긴급이안기 준은 풍속 15~24 m/s, 파고 2.0~3.0 m으로 조사되었으며, 이를 검증하기위해 비교적 환경 외력 조건에 취약한 것으로 분석 되는 4개 부두를 선정하여 계류안전성평가를 시행하고 하역 중단 및 긴급이안기준을 도출한 결과는 Table 9와 같다.

여기서 풍속과 파고의 조건은 각각 적용되는 것으로 동시 에 충족될 때는 물론이거니와 풍속, 파고 중 하나의 조건만 이라도 초과하면 하역을 중지하고 필요시 긴급히 이안해야 할 것이다.

Table 9에서 120,000톤 탱커선과 같이 대상선박의 톤수가 큰 경우, 계류시스템의 안전성을 고려하지 않고 하역동요량 만을 고려하면 하역중단기준을 높게 설정할 수 있으나, 운 용기준을 제시할 때 하역중단기준을 긴급이안기준보다 낮 게 설정하여 먼저 적용하도록 하기위해 하역동요량과 계류 시스템의 허용하중을 모두 만족하도록 하역중단기준을 설 정하였다.

또한, 국내 기상청에서 발표하는 풍랑주의보, 풍랑경보, 강풍주의보, 강풍경보의 환경외력 기준은 Table 10과 같으며, 통상적으로 해상에서 적용되는 풍랑주의보의 풍속인 14 m/s 수준에서는 선박 입출항을 자제하도록 권고하고 있다.

각 선사의 자체안전관리계획서, 국내외 기준 및 계류안전 성평가 결과를 종합하여 울산항 위험물 취급부두의 부두 운 용 기준을 선박 크기별로 Fig. 4~7과 같이 제시한다.

선박의 크기는 ① SK1,2,4,5부두, 가스부두, 용잠부두 등에 접안하는 10,000톤 이하의 탱커선 및 가스선, ② OTK부두, UTT부두, S-Oil부두, 정일부두 등에 접안하는 10,000~50,000 톤 사이의 탱커선, ③ SK3,6부두, 유화1부두, 현대터미널부두 등에 접안하는 50,000~100,000톤 사이의 탱커선, ④ SK7,8부 두, S-Oil2부두에 접안하는 100,000톤 이상의 탱커선으로 분 류하였다.

10,000~50,000톤 탱커선의 접안 부두는 비교적 접안 가능 한 탱커선의 범위를 확보하기 위하여 계류시스템의 허용하 중이 대상선박에 비해 크게 설치된 경우가 많으므로 대상선 박에 비해 긴급이안기준 범위가 크나, 선박 특성상 파고 및 파주기에는 민감한 것으로 분석된다. 100,000톤 이상 중대형 선은 비교적 풍압면적이 크므로 풍속과 파고를 포함한 환경 외력의 크기가 커졌을 때 계류시스템의 허용하중을 초과할 수 있으며, 선박 자체의 무게가 무겁고 선박의 흘수가 크므 로 동요량은 소형선에 비하여 적은 것으로 분석된다.

Fig. 4의 하역중단풍속의 경우 계류안전성평가 결과 선박 크기별로 18~20 m/s까지 안전한 것으로 평가되나, PIANC 기 준 풍속(20 m/s)과 풍랑주의보 기준 풍속(14 m/s)을 고려하여 대다수의 위험물 취급 선사가 14 m/s를 적용하고 있는 실정 임을 고려하여 선박 크기에 따라 14~18 m/s를 제시한다.

Fig. 5의 긴급이안풍속은 계류안전성평가 결과 선박 크기 에 따라 20~23 m/s까지 안전한 것으로 평가되나, PIANC 기 준 풍속인 20 m/s와 풍랑경보 기준 풍속인 21 m/s를 고려하 여, 대다수의 위험물 취급 선사가 21 m/s를 적용하고 있는 실 정이며, 이에 선행 계류안전성 평가 및 본 연구에서 실시한 계류안전성 평가 결과를 적용하여 선박 크기에 따라 18~21 m/s를 제시한다.

Fig. 6의 하역중단파고의 경우, PIANC 기준 파고(1.0~1.5 m) 와 풍랑주의보 기준 파고(3.0 m)를 고려하여, 대다수의 위험 물 취급 선사가 2.0 m를 적용하고 있는 실정이며, 이에 선행 계류안전성 평가 및 본 연구에서 실시한 계류안전성 평가 결과를 적용하여 선박 크기에 따라 1.0~1.5 m를 제시하였다.

Fig. 7의 긴급이안파고는 PIANC 기준 파고(1.0~1.5 m)와 풍 랑주의보 기준 파고(3.0 m)를 고려하여, 대다수의 위험물 취 급 선사가 2.0 m를 적용하고 있는 실정이며, 이에 선행 계류 안전성 평가 및 본 연구에서 실시한 계류안전성 평가 결과 를 적용하여 선박 크기에 따라 1.5 m를 제시하였다.

이를 종합하여 울산항 위험물 취급부두의 부두 운용 기준 을 선박 크기별로 구분하여 Table 11과 같이 제안한다.

풍속 기준은 풍랑주의보, 풍랑경보, PIANC 기준과 계류안 전성평가결과를 종합하여 선박 크기별로 14~21 m/s로 결정하 였다. 단, 풍랑주의보 기준인 14 m/s 미만의 풍속이라 할지라 도 선박 동요량이 증가할 때에는 본선에서 계류삭을 추가로 배치하여 계류안전성을 충분히 확보한 후 하역을 진행하여 야 할 것이다.

현재 항만 및 어항설계기준 중 선박 크기별 하역한계파고 기준은 소형선 0.3 m, 중대형선 0.5 m, 초대형선 0.7~1.5 m로 설정되어 있고 현재 부두 운용 기준인 자체안전관리계획서상 의 유의파고 한계는 2.0~3.0 m로 설정되어 있다. 이는 PIANC 기준보다 약 1.2~1.5배 정도 높으며, 항내 접안선석 위치에서 2.0 m 이상의 파고는 하역안전성 확보에 상당한 어려움이 있 으므로 파고 기준은 1.0~1.5 m로 하향조정하였다.

6.결 론

본 연구에서는 국내외 위험물 취급부두의 운용 현황 및 국 내외 기준을 분석하여 현재 부두 운용 기준인 각 선사의 자체 안전관리계획서상의 문제점을 발견하였다. 또한 자체안전관리 계획서를 검증하기 위하여 울산항의 위험물 취급부두 중 환경 외력에 취약한 4개 부두를 선정하여 계류안전성 평가를 진행 하였다. 더불어 계류안전성 평가와 국내외 기준 및 자체안전 관리계획서를 취합하여 울산항 위험물 취급 부두의 선박 크기 별 부두 운용 기준 개선안을 제안하였다. 본 연구의 결과를 요 약 정리하면 다음과 같다.

본 연구 결과는 추후에 개발되는 부두시스템에 항만의 특 성을 반영하고 이용 선박의 크기별로 하역중단 및 긴급이안 환경 기준을 충족할 수 있게 설계하도록 부두 운용 기준을 개선하는데 활용될 수 있다. 이러한 규정 설립은 사용자인 선박운항자 중심의 부두 개발을 독려하고 항만 가동률을 향 상시키는데 그 의의가 있다.