1. 서 론

현재 국내의 해상 부유물로 인한 선박 추진기 감김 사고 는 주 1회 이상 지속적으로 발생하고 있다(Park, 2008; Suh, 2007). 사고의 대부분은 단시간 운항 지연에 그치지만 기상 악화, 복원력 감소 등의 추가적인 사고 요소가 더해졌을 때 에는 서해훼리호 침몰사고(1993년 10월, 사망자 292명), 돌고 래호 전복사고(2015년 9월, 사망자 18명)와 같은 대형 인명사 고의 직접적인 원인이 될 수 있다(Han, 2017; Yang and Kwon, 2017). 뿐만 아니라 추진기에 감긴 로프를 제거하기 위해 충 분한 안전 조치가 이루어지지 않은 상황에서 잠수부(diver) 혹은 선원들이 잠수작업을 함으로써 2차 인명사고의 우려가 있다.

관련 부처에서는 유사사고를 예방하기 위한 조치로써 폐 어망, 폐로프 등의 원인물질 발생을 억제하고 수거를 강화 하고 있으나 많은 현실적 어려움이 있으며 보다 효과적인 사고 방지를 위해서는 다양한 예방책이 필요하다(Lee and Lee, 2017a; Lee and Lee, 2017b). 현재 선박 추진기 감김 사고 를 예방하기 위한 일환으로 국외의 민간분야에서 개발된 로 프절단장치(Rope cutter)를 수입하여 국내 일부 소형 선박 및 관공선에 장착하여 사용하고 있으나, 그 안전성과 효용성에 대한 검증은 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구에 서는 국내에 도입된 로프절단장치 중에 가장 많이 사용되고 있는 type을 대상으로 이론식과 유한요소법을 사용하여 장 치의 안전성을 평가하였다. 또한 장치의 효용성 검증을 위 해 각기 다른 크기의 세 대의 로프절단장치가 장착된 실제 선박 3척을 활용하여 운항 중 로프 및 어망이 추진기에 감 겼을 때 절단이 가능한지 여부를 수중 카메라로 확인하는 실선 실험을 진행하였다.

2. 로프절단장치 선정 및 실험 방법

2.1 로프절단장치 선정

로프절단장치는 선박이 운항 중 프로펠러에 로프, 어망, 부유성 폐기물 등이 감겼을 때 프로펠러축과 함께 회전하는 날카로운 날을 이용하여 감긴 이물질을 잘라내어 심각한 감 김으로 인한 기관 및 축계 손상을 방지하는 역할을 한다. 현 재 상용화 된 로프절단장치의 종류로는 Scissor type, Disc Type, Shaver type이 있으며, 국내의 로프절단장치를 장착한 선박 대부분이 Scissor type을 사용하고 있다. Scissor type의 장 치는 고정블레이드(Stationary blade)와 회전블레이드(Rotating blade)로 구성되어 있으며, 회전블레이드가 프로펠러축과 함 께 회전하면서 고정블레이드에 전단력을 가하여 가위처럼 로프를 자르는 원리로 작동된다. 절삭 날, 날 강성, 블레이드 간의 간경에 따라서 성능이 좌우되며 주요한 설계 인자로 볼 수 있다. 본 연구에서는 가장 널리 사용되고 있는 상기의 Scissor type 로프절단장치를 실험 대상으로 선정하였으며, 선 박 크기에 따른 로프절단장치의 안전성과 효용성을 확인하 기 위하여 각기 사이즈가 다른 세 종류의 절단장치(F2, F3, F4)가 장착된 선박을 활용하여 로프절단 실선 실험을 진행 하였다. 실험에 사용된 로프절단장치의 종류별 제원은 Table 1과 같다.

2.2 안전성 평가 방법

일반적으로 체결용 볼트는 사용 중 파손되는 것을 방지하 기 위하여 설계단계에서 충분한 안전율이 고려된 설계하중 을 채택하지만, 로프절단장치용 체결 볼트는 일정 이상의 하중에서는 쉽게 풀리거나 파손되도록 함으로써 주변의 다 른 주요 부품의 파손을 예방하는 역할을 할 수 있도록 설계 한다. Scissor type 장치의 경우 고정블레이드가 거치되는 Holding block 고정용 볼트는 상기 후자의 설계 개념이 반영 된 전형적인 체결 요소이다.

Holding block은 3개의 M10 볼트에 의해 선미관에 체결되 어 있으며, 안전수명설계(Safe life design)의 관점에서 M10 볼 트는 견고하게 부착되어 지지될 수 있는 정도의 체결력을 유지해야 한다. 한편 손상허용설계(Fail safe design)의 관점에 서는 어떠한 원인에 의해서 로프가 절단되지 않은 경우 (Locking up)에는 이때 발생하는 하중에 의해서 3개의 M10 볼트가 풀리거나 파손될 수 있도록 볼트의 체결력을 일정값 이하로 설정하거나 적절한 재료를 선정해야 한다. 만약 Locking up 시 볼트가 안전장치 역할을 못하게 될 경우, 이 하중은 프로펠러 축, 중간축, 크랭크 축 등에 손상을 줄 우 려가 있다. 즉, 로프 절단 시 예상치 못한 과도한 하중으로 인하여 축계 및 기관 손상이 발생하기 전에 선미관에 체결 된 Holding block 고정용 볼트가 먼저 파손되도록 일종의 안 전장치 역할을 하는 것이다.

따라서 실제 선박을 활용한 절단 실험을 시행하기에 앞서 실험의 안전성을 평가하기 위하여, 상기 M10 볼트의 설계와 관련하여 이론식과 유한요소법에 의한 볼트의 강도 계산, 프 로펠러축의 허용 비틀림응력과 Locking up에 의해서 프로펠 러축에 발생할 수 있는 비틀림응력의 계산 등을 수행하였다.

2.3 실선 실험 방법

2.3.1 대상 선박

본 연구에서는 Scissor type 로프절단장치의 효용성을 평가 하기 위하여 각기 다른 사이즈의 절단장치를 실험할 수 있 는 세 척의 선박을 대상으로 하였으며, 실선 실험의 선박의 제원은 Table 2와 같다.

세 척의 선박 중 2, 3차 실험 선박은 로프절단장치가 기 설치된 선박이나, 1차 선박인 창명3호는 절단장치가 미 설치 된 선박이어서 실험 전 조선소에 입거하여 로프절단장치 F4 모델을 장착하였으며, 장착 전·후의 사진은 Fig. 1과 같다.

2.3.2 실험 방법

실험 해역은 대상 선박의 기항지와 선박 통항 안전을 고 려하여 Table 3과 같이 선정하였다. 각 해역에서 Fig. 2와 같 이 로프 및 어망이 연결된 부이(bouy)를 설치하고 실험 대상 선박이 그 위를 통과하여 장치의 절단 성능을 평가하는 방 법으로 실험을 기획하였으며, 절단 영상을 촬영하기 위해 프로펠러 인근에 수중 카메라(Fig. 3)를 용접 설치하였다. 실 험에 사용한 로프는 Fig. 4에서 보는 바와 같이 선박에서 주 로 사용되는 20 mm, 40 mm, 50 mm 굵기의 PP(Poly Propylene), PE(Poly Ethylene) 로프이며, 어망은 5 mm의 나일론 어망을 사 용하였다. 선박 추진 시스템에 미치는 영향을 고려하여 실험 은 20 mm의 얇은 로프부터 40 mm, 50 mm 순으로 진행하였다.

3. 로프절단장치 안전성 평가

3.1 Holding block 체결용 볼트의 강도 계산

고정블레이드를 지지하는 Holding block 체결용 M10 볼트 는 BS_EN_ISO_3506-1에 규정된 미터 보통 나사로서 A2 70등 급(grade)의 오스테나이트계열의 스테인리스강으로 제작되었 다. 항복강도 450MPa, 인장강도 700MPa 급의 고강도 나사 이며 피치 1.5 mm, 유효지름 8.6 mm, 공치 바깥지름 10 mm로 서, 상응하는 KS 표준은 KS B0201이다. 이 볼트에 대한 강도 를 이론식과 유한요소 해석을 통해 고찰한 결과는 다음과 같다.

3.1.1 이론식에 의한 볼트의 강도

M10 볼트의 체결력(F_i)은 다음 식(1)과 같이 계산된다.

K_i는 보통 0.75~1.0 범위로 정해지는 상수로서 동하중을 고려하는 경우 통상 0.9를 사용하며, A_t 는 나사의 인장응력 면적(Tensile stress area)으로서 M10나사의 경우에는 58 가 된다. S_p는 보증강도(Proof stress)로서 통상 사용 재료의 항 복강도를 사용하고, 상기 F_i는 볼트에 가해지는 초기 인장 력으로서 그 값이 볼트가 영구변형을 일으키지 않는 정도까 지 가능하면 높게 설정하는 것이 바람직하며 통상 항복강도 에 가까운 값을 사용한다.

상기 체결력(F_i)에 의한 Torque (T)는 다음 식(2)와 같이 계산된다.

여기에서 K 는 평균마찰계수, d는 공칭 바깥지름이다.

상기 Torque (T)에 의한 볼트의 비틀림응력(전단응력, τ)은 다음 식(3)과 같이 계산된다.

3.1.2 유한요소 해석에 의한 볼트의 강도

Fig. 5와 Fig. 6은 상기 볼트에 대한 범용 유한요소해석 (Finite Element Method) 프로그램 ANSYS를 이용한 해석 결과 이다.

유한요소해석 결과, 체결력(F_i)을 부가한 경우의 비틀림 응력(전단응력, τ)은 102 MPa, Torque (T)를 부가한 경우의 비틀림응력(전단응력, τ)은 300 MPa임을 알 수 있다. 또한 Torque (T)를 부가한 경우의 비틀림응력(전단응력, τ)은 300 MPa은 이론식으로 구한 239MPa에 대략 1.25 정도의 응력집 중계수가 반영된 값을 나타내고 있다. 따라서 전술한 이론 식에 의한 M10 볼트의 강도 계산은 유한요소 해석 결과와 일치됨을 알 수 있다.

Holding block 체결용 M10 볼트의 강도를 이론식과 유한요 소해석을 통하여 고찰한 결과, 이 볼트는 A2 70등급의 오스 테나이트계열의 스테인리스강으로 제작되는 항복강도 450 MPa의 고강도 나사로서 안전수명설계의 관점에서 사용목적 에 적합한 것으로 볼 수 있다.

3.2 실험 선박의 축계에 작용하는 비틀림응력 계산

3.2.1 프로펠러축에 발생하는 비틀림응력

선박에서 주기관의 출력(kW), 회전수(N), 토크(Torque, T), 이 토크에 의한 프로펠러축의 비틀림응력(전단응력, τ) 의 관계를 아래 식(4)와 같이 정의할 수 있다.

따라서 실험 선박 주기관의 출력에 의해서 프로펠러축에 발생하는 비틀림응력(전단응력, τ)을 식(3)을 사용하여 구해 보면 선박 별로 9.79MPa, 7.95MPa, 11.83MPa이 된다.

3.2.2 실험 선박의 허용 비틀림응력

선박기관기준 제74조(중간축 및 프로펠러축등)에 의하면 디젤기관을 주기관으로 하는 선박의 중간축, 추력축, 프로펠 러축 및 선미관축에 대한 비틀림응력(전단응력, τ)의 허용한 도는 축의 등급(제1종, 제2종)과 사용 재료에 따라 아래 식 (5)~(8)과 같이 규정하고 있으며, 이 식에 따라 시험선박의 허용 비틀림응력(전단응력, f_c)을 구할 수 있다.

이때, 선박기관기준 제74조에 의하여 비틀림응력의 허용 한도가 가장 낮은 프로펠러축은 사용회전수와 연속최대회 전수의 비(r)가 0.9 < r ≤ 1.05인 fc4의 경우이고 그 때의 비틀 림응력 값은 12.5MPa이다. 한편 실선실험 선박의 프로펠러 축에 발생하는 비틀림응력은 앞서 계산한 바와 같이 각각 9.79, 7.95, 11.83MPa이므로 축의 등급(제1종, 제2종), 사용 재 료 등에 관계없이 비틀림응력의 허용한도를 만족시키는 것 으로 확인되었다.

3.2.3 Locking up 시 발생하는 하중과 비틀림응력

로프절단장치가 장착된 선박에서 Locking up이 발생할 경 우, 앞서 계산된 M10 볼트의 체결력이 선박의 프로펠러, 프 로펠러축, 중간축, 크랭크축 등에 전달될 수 있다. Holding block 체결용 3개의 M10 볼트 체결력의 합은 볼트 1개의 체 결력에 곱하기 3을 한 것으로 다음과 같이 구할 수 있고, 이 는 선박의 축계에 전달되는 에너지로 간주할 수 있다.

상기 체결력이 손실 없이 모두 축계에 전달되는 경우 프 로펠러축에 발생하는 비틀림응력을 다음과 같은 조건에서 구할 수 있다.

프로펠러축의 직경은 본 연구에서 실선실험 대상으로 선 정한 로프절단장치(F2, F3, F4)가 적용될 수 있는 최소직경 (120 mm)과 최대직경(230 mm)으로 선정하면, K_i =0.9, 항복강 도 Y_s= 450MPa인 경우에 대하여 아래와 같이 계산할 수 있다.

즉, Locking up이 발생하는 경우에도 3개의 M10 볼트의 체 결력에 의해서 선박의 축계에 발생하는 비틀림응력은 0.06 ~ 0.41MPa 정도로서 아주 미미하여 축계에 영향을 미치기 전 에 먼저 볼트가 풀리거나 파손될 것이므로 해당 볼트는 손 상허용설계(Fail safe design)의 요건에 적합하게 설계된 것으 로 평가할 수 있다.

4. 실선 실험 결과

인천 해역에서 창명3호를 대상으로 1차 실증 실험을 진행 하였으며, 수중 카메라를 활용하여 절단 영상을 확인한 결 과 전·후진 모든 상황에서 50 mm 굵기의 로프 및 나일론 어 망을 문제없이 절단하였다.

2차 실증 실험은 Fig. 7과 같이 부산 해역에서 항만정화1 호를 대상으로 진행하였으며, 실험결과 선박의 선형 및 추 진기 하부 구조물로 인하여 로프 및 어망이 프로펠러 쪽으 로 유입이 잘 되지 않는 상황이 발생하였으나, 원활하게 유 입이 되는 경우에는 절단이 가능하였다. 또한, 간혹 프로펠 러캡 쪽에 로프가 감기는 현상이 발생하였으나, 선박의 자 력 이동에는 무리가 없었으며 절단장치로 인하여 선미관 (stern tube) 쪽으로의 감김 진행은 억제되는 효과가 나타났 다. 이를 통해 Fig. 8와 같은 선미 하부 형상을 가진 선박의 경우 다른 선형에 비해 로프 감김이 덜 발생할 수 있다는 것 도 확인할 수 있었다.

3차 실증 실험은 군산 해역에서 해양1호를 대상으로 진행 하였으며, 그 결과 시험 대상선박이 소형(38톤)으로 추진축의 직경 및 절단장치 날의 크기가 작아서 40 mm 이상의 굵은 로 프의 절단에는 어려움이 있었으나, 20 mm 로프 및 5 mm 나일 론 어망의 절단에는 문제가 없음을 확인하였다. Fig. 9는 실 선실험 기간 동안 수중 촬영한 동영상의 절단 순간 캡쳐 화 면이며, Fig. 10은 실선 실험 후 수거한 절단 로프 및 어망의 사진이다. 그 중 d)는 제대로 절단되지 못하고 축계에 감긴 40 mm 로프를 수거한 사진이나, 감김 상태에서도 선박의 자 력 이동에는 무리가 없었다.

5. 결 론

본 연구에서는 선박 추진기 감김 사고를 예방하기 위한 장비인 로프절단장치를 대상으로 이론식과 유한요소해석을 적용하여 안전성을 검토하였으며, 장치가 설치된 실제 선박 3척을 활용하여 절단장치의 효용성을 실증하였다. 그 결과 를 요약하면 다음과 같다.