1. 서 론

해양플랜트는 발주처가 요구하는 Specifications, Offshore Field의 특성 등에 따라 맞춤 설계를 진행해야 할 뿐만 아니라 선급에서 요구하는 기술 수준도 만족시켜야 한다(El-Reedy, 2012). 또한, 해양구조물 상부에 설치되는 Topside Module의 경우 육상플랜트와는 다르게 공간적인 제약과 해양 환경조 건에 대한 사항 및 안전에 대한 설계 기준 등을 고려해야 한다.

특히, 협소하고 특정한 공간에 다양한 장비 및 기기들이 설치되어 있는 선박 및 해양플랜트 기자재는 선박과 해양플 랜트의 성능과 안전성을 결정하는 중요한 요소로서 관련 산 업 경쟁력 확보를 위해서 성능뿐만 아니라 다양한 위험요소 에 대한 연구가 필요한 분야이다. 이에 따라 국내에서도 선 박 및 해양플랜트의 기기 및 장비에 관련된 연구자들에 의 해서 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

Kim et al.(2016)은 중요한 방재설비 중 하나인 선박에 탑 재되는 고정식 소화 장치를 해상 상태에 따른 선박의 움직 임을 미 해군규정에 따라 가속도와 하중조합을 계산하였고, 이산화탄소용기를 고정하는 랙 부분을 시뮬래이션기법을 활용하여 상용프로그램인 ANSYS로 그 구조안전성을 평가 하였다. 또한, Song et al.(2013)은 원유나 천연가스 등과 같은 액체화물 이송에 사용되는 해양 로딩암의 국산화 개발을 위 해 OCIMF(Oil Company and international marine forum)에서 규 정된 설계규정을 바탕으로 100,000 DWT급 원유운반선에 적 용되는 설계하중 조건을 분석하고 MSC Software를 활용하여 구조해석을 수행하여 구조설계 안전성을 평가하였다. 한편, Oh et al.(2016)은 해양플랜트 기자재 설계를 지원하기 위해, 다양한 설계 및 해석 소프트웨어를 통합 관리할 수 있는 Interface를 구축하여 해양플랜트 기자재 설계 시 발생하는 여러 변수를 효율적으로 관리하고 최적 설계가 가능함을 보 여주었다.

하지만, 기존에 수행되었던 해양플랜트에 대한 안전성평 가나 해석 연구들은 사례 분석이나 이론적인 접근들이 대부 분으로, 실제로 탑재될 구성품과 실해역을 대상으로 구조안 전성 평가를 한 사례는 거의 없었다.

이에, 본 연구는 500톤급 해양플랜트 Topside Module에 설 치되는 주요 구성품 중의 하나인 HPU의 실제 구조물을 대 상으로, 해양플랜트의 움직임에 따라 HPU 구조에 작용하는 하중을 선급 규칙을 적용하여 예측하였다. 이를 바탕으로, 각 하중 조건에 따른 구조안정성 평가를 수행하여, 개발하 고 있는 500톤급 Topside Module에 설치되는 HPU의 구조 신 뢰성을 검토하였다.

2. HPU(Hydraulic Power Unit)의 개요

해양플랜트에는 그 특성상 많은 밸브가 사용되고 그 밸브 들은 원격조종으로 개폐하는데, 이들 개폐 장치를 액추에이 터(Actuator)라고 한다. 액추에이터는 조선·해양 산업뿐만 아 니라 자동차 산업 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

Yoon et al.(2018)은 해양플랜트에 사용되는 초고압 유압 엑추에이터의 방폭 성능을 향상하기 위해 상용소프트웨어 인 ANSYS를 이용하여 내부 가연성 가스의 용적 및 농도에 따른 폭발압력을 계산하였고 PCG(preconditioned conjugate gradient)반복해법으로 구조해석을 수행하였다. 해석을 통해 프로토 타입의 형상 최적 설계를 수행하였다.

이러한 액추에이터는 유압식, 공압식 등으로 여러 가지 방식으로 구분할 수 있고, 유압식으로 구동할 시에는 유압 을 생성하고 안정적으로 공급하기 위해서는 HPU가 꼭 필요 하다.

본 연구에 사용된 HPU의 주요 제원은 Table 1과 같고, 전 체 구조형상과 각 구성부품의 개략적인 형태는 Fig. 1에 나 타나 있다.

HPU 주요 구조물은 장비 설치를 편리하게 하고 강성을 더욱 증가시키기 위하여 2개의 Flange를 가지는 “ㄷ”자 형강 의 Channel을 사용하였다. Channel의 주요치수, 2차 관성모멘 트와 단면계수는 Table 2와 같다. 또한, 각각의 부재들은 ASTM A283 Grade A강재가 사용되었고, 재료 특성치는 Table 3와 같다.

3. 구조안정성 평가

3.1 구조해석모델

HPU 구조해석을 위해 상용프로그램을 사용하였고, Pre/Post Processor로 MSC Patran을 Solver로 Nastran을 사용하였다. 유 한요소 모델은 2-D 요소인 4절점 사각요소(Quad4요소)를 사 용하여 Fig. 2와 같이 생성하였다. 모델에 사용된 노드(Node) 의 수는 2,907개이고, 4절점 사각요소는 2,414개이고, 하중 조 건 구현을 위한 강체 요소인 MPC 요소는 1개가 사용되었으 며 해석은 Linear Static 해석방법인 Sol 101을 사용하였다 (MSC Software, 2013;2019).

3.2 하중 조건

운동하중을 계산하기 위한 해양구조물의 주요 제원은 Table 4과 같은 FPSO를 선정하였다.

해양구조물의 특성상 건현(Freeboard)이 크고, Topside Module 구조가 Beam 형태로 되어 있어, Green Sea와 같은 해 수에 의한 영향은 거의 없고, 장비의 자중에 의한 영향이 대 부분이다. 구조해석 시 하중은 장비 중량에 안전율(Safety Factor) 1.5를 곱하고 해양구조물의 움직임에 의한 가속도를 고려하여 계산하였다.

본 해석에 사용된 하중은 선급 규칙에 따라 계산되는데, 식(1)은 수직 하중만 작용할 때의 수직 하중하고 식(2)는 수 직 하중과 폭 방향 하중이 함께 작용할 때의 수직 하중이고 식(3)은 수직 하중과 폭 방향 하중이 함께 작용할 때의 폭 방향 하중이고 식(4)는 수직 하중과 길이 방향 하중이 함께 작용할 때의 수직 하중이고 식(5)는 수직 하중과 길이 방향 하중이 함께 작용할 때의 길이 방향하중이다(DNV, 2016).

a_υ 는 수직 방향 가속도로써, 선박의 상하 방향 움직임 고 려하여 세 가지 계산식 (6), (7) 그리고 (8) 중에서 가장 큰 가 속도 값을 채택하여 사용한다. 식(6)은 일반적인 가속도 식 으로, k_υ 는 선체 길이 방향의 위치에 따라 Fig. 3과 같이 그 값이 변화하는 변수이다. Topside Module은 선체중앙부 부근 에 위치할 것으로 예상하므로 k_υ 는 0.7이 된다. 식(7)은 선박 의 횡동요(roll)와 상하동요(heave)에 의해 발생하는 가속도를 구하는 식이고, 식(8)은 선박의 종동요(pitch)와 상하동요에 의해 발생하는 가속도를 구하는 식이다.

a_t 는 폭 방향 가속도로써, 식(9)와 같이 좌우동요(sway), 선수동요(yaw) 그리고 횡동요에 의해 발상하는 가속도를 구 하는 식이다. a_l 은 길이 방향 가속도로써, 식(10)과 같이 전 후동요(surge)와 종동요에 의해 발상하는 가속도를 구하는 식이다.

여 기 서 ,

하중을 계산하기 위해서는 가속도를 정확하게 구하는 것 이 중요한데, 일반적으로 해양구조물을 설계할 때에는 해양 구조물이 설치되는 지역의 해역정보를 바탕으로 운동해석 을 수행하여 가속도와 설계하중을 얻는다(Ma et al., 2019).

하지만, 본 과제에서는 해양구조물이 아닌 해양구조물 상 부에 설치되는 Topside Module 개발과제로써 해역정보가 없 을 뿐만 아니라 해양구조물에 대한 정확한 선형정보도 없어 서 실제 운동해석을 수행하기가 어렵다. 또한, 이번 해석은 초기 단계의 구조안정성 검토이므로 선급 규칙에서 규정하 고 있는 북대서양(North Atlantic) 해역을 기준으로 가속도를 계산하였고, 그 값은 Table 5과 같다.

식(1)~(5)에 따라 Table 6과 같이 총 5가지 하중조합을 만 들어 하중을 계산하였고 이 값을 HPU의 무게 중심위치에 주어 구조해석을 수행하였다.

3.3 경계조건

HPU와 같은 일반 장비를 해양구조물에 설치할 때에는 용접 또는 볼팅 작업을 하여 매우 견고하게 고정하여 그 움 직임을 구속하고 있다. 이에 본 해석 시에도 HPU 구조 하부 의 경계조건은 6자유도를 모두 구속하였다.

3.4 허용응력

해양구조물의 구조안전성 평가는 하중 및 경계조건에 의 해 발생하는 최대 응력 값이 허용응력 값 이하로 만족하는지 를 판단한다. 선급규정에서 허용응력은 등가 응력(Equivalent stress)으로 판단하고 있다.

등가 응력은 다양한 접근방법이 있으나 일반적으로 조선· 해양 분야에서는 식(11)과 같은 von Mises 방식을 적용한다(Ko and Jang, 2017). von Mises 항복 조건(von Mises yield criterion) 은 물체가 외부로부터 허용응력을 초과하는 힘을 받게 되면 그 힘을 지지하지 못하고 파괴되는데, 이러한 파괴 현상을 예측하는 기준이다. von Mises 이론에 따르면, von Mises 응력 (σ_υm)은 물체가 외력을 받았을 때 물체 임의의 위치에서의 비틀림에너지(maximum distortion energy)를 나타내는 값이다. 이 값은 식(12)와 같이 각 지점에서 3개의 수직응력(normal stress)과 3개의 전단응력(shear stress)으로 표현된다. 이것을 일반 평면을 기준으로 수식을 정리하게 되면, 식(13)과 같이 정리할 수 있다(von Mises, 1913).

따라서, HPU의 구조 부재의 항복강도(Yield strength)가 165 N/mm²이므로 식(14)에 따라 HPU의 Material factor(f1)를 구할 수 있고 그 값은 0.702가 된다. 최종적으로 허용응력은 식(15) 에 의해 계산할 수 있고 HPU의 허용응력은 126.38 N/mm²이 다. 구조해석을 통해서 계산된 실제 응력값(Actual stress)은 식(16)의 판정식으로 구조안전성을 평가한다(DNV, 2016).

3.5 허용변위

구조물이 외력에 의해 변형이 발생하여 구조적 간섭이 발 생하면 작은 장비라도 전체 해양플랜트 운영에 영향을 미치 므로 반드시 검토되어야 하는 항목이다. Fig. 4는 HPU의 지 지구조와 기름받이(plate)의 최소 간격을 나타낸 것이다. 즉, 구조적 간섭을 피하기 위해서는 하중에 의한 변형이 66.0 mm 이하가 되어야 함을 의미한다.

4. 결과 및 고찰

500톤급 해양플랜트 Topside에는 다양한 무거운 장비들이 설치되며, 설치될 해상환경과 하중에 의한 구조변형을 지속 적으로 받는다. Topside에 설치된 HPU의 구조안전성을 평가 하기 위해 3장에서 기술된 설계형상과 설계하중 조건을 기 반으로 유한요소해석을 수행하고 주요 구조부재에서의 허 용응력과 수직 하중에 의한 변형량을 평가한다.

따라서 본 논문에서는 설치되는 HPU 구조를 Table 6의 하 중 조건에 따라 해석을 수행하였으며, 측정하고자 하는 부 분은 Fig. 5에 나타난 바와 같다. 구조해석 결과를 Table 7과 같이 Load Case별 최대 응력과 최대변위를 허용치와 비교하 여 나타내었으며, 이를 바탕으로 Fig. 7 ~ 10은 HPU 지지구조 의 최대 응력과 최대변위를 주요위치별로 정리하여 나타내 었다.

4.1 응력 평가

구조해석은 Nastran 프로그램을 이용하여 수행하였다. 본 연구에서는 해양플랜트 Topside에 설치되는 HPU과 같이 기 존의 구조해석과 관련된 연구사례가 미비하고 시험적으로 구조에 대한 성능과 검증이 용이하지 않은 대형 구조물의 구조해석을 위하여 해양플랜트의 설계규정을 명시적으로 평가할 수 있는 수치해석적 방법의 구현을 검토하였다.

구조해석 결과를 분석하면, 전체적인 응력 수준은 허용응 력보다 낮게 나타났고, 응력의 경향은 수직 하중이 가장 큰 작용 요인으로 분석된다.

Table 7에서 보듯이 수직 하중이 크게 작용하는 Load Case 1, 4, 5에서 응력 수준이 높게 나타났다. 이것은 선급 규칙에 서 규정하는 하중 식(1) ~ (5)에서 알 수 있듯이 수직 하중을 결정하는 가속도가 Load Case 1, 4, 5에서 Load Case 2, 3보다 0.5a_υ만큼 크게 작용하기 때문이다.

또한, Load Case 2, 3은 Rolling Condition으로 선체 폭 방향 으로 작용하는 힘이 크게 작용하는데 HPU 구조부재의 방향 도 같은 방향으로 배치되어 있어 하중에 대한 저항력이 더 크기 때문에 응력 수준이 낮게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 6에 나타난 바와 같이 HPU 구조의 응력 결과는 강도 평가에 적합한 von Mises 응력을 기준으로 나타냈고, Pitching Condition(AFT)인 Load Case 5에서 Oli tank 하부 지지 부재에 서 응력집중 현상이 발생하였다. 전체 해석결과는 Table 7에 나타나 있고, 구조안전성 평가는 식(16)에서 부등호 기준으 로 우측 허용응력과 구조해석의 결과로 나온 최대 응력의 비가 1보다 작은 경우를 설계상 안전하다고 판정하였다.

Table 7에서 보듯이 전체 하중 조건들에 대해서 구조적으 로 안전하다고 평가되고, Load Case 4, 5에서 상대적으로 높 은 응력이 발생하였다. HPU의 실제 구조물을 해양플랜트의 환경조건에 따라 구조 신뢰성을 평가하였는데, 가혹한 해상 상태에서도 Oil tank와 Accumulator 주위를 제외하고 응력집 중 현상은 거의 없음에도 동일한 구조 부재를 적용되어 있 어, 본 연구를 통해 중량 절감 및 설계 최적화가 필요한 것 으로 나타났다.

이와 같이 이러한 해양기자재는 구조설계 단계에서 기자 재에 작용하는 하중과 극한의 환경조건들을 고려하여 설계 최적화와 구조안전성 평가가 중요하다는 것을 알 수 있다. HPU의 경우, Oil tank 하부에서 다른 구역보다 과도한 응력 집중이 발생하므로 응력분산을 위한 보강재 추가 또는 고강 도 재질로 변경하는 것을 검토할 필요가 있다. 또한, 응력이 거의 발생하지 않는 주위 부재는 부재 사이즈를 줄여 중량 절감하는 것도 검토할 필요가 있다.

4.2 변형 평가

하중에 의한 구조변형을 분석해 보면, 전체적인 변위는 허용치보다 매우 낮은 수준으로 나타났고 그 경향은 응력과 마찬가지로 수직 하중에 의한 것이 가장 큰 요인으로 분석 된다.

Table 7을 보면 수직 하중이 큰 Load Case 1, 4, 5에서 변형 이 상대적으로 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 Load Case 1, 4, 5의 수직 하중이 Load Case 2, 3보다 크게 작용하고, Load Case 2, 3에서 작용하는 힘의 방향이 HPU 구조부재의 방향과 일치하기 때문이다.

HPU 지지구조의 변형 결과는 하부 기름받이 판과의 간섭 여부를 확인하기 위해, 수직 방향 변형을 검토하였고, 응력 평가와 마찬가지로 Pitching Condition(AFT)인 Load Case 5에서 최대 변형이 발생하였다. 전체 해석결과는 Table 7에 나타나 있고, HPU 구조 간의 간섭은 발생하지 않으므로 설계 오류 는 없다고 판정하였다.

HPU 지지구조의 최대변위는 3.40mm로 허용치인 66.0 mm 의 약 5 % 수준으로 나타났다.

5. 결 론

Topside Module에 설치되는 HPU 구조에 대해 해양구조물 의 움직임에 따라 발생하는 각각의 하중을 계산하였고, 총 5 가지 하중 조건을 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 구조해석 으로 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.