1. 서 론

대형액화천연가스(Liquefied Nature Gas, LNG)는 청정에너 지로 각 국가들의 전략적인 핵심 에너지가 되었다. 따라서 LNG 해상운송은 LNG 산업사슬의 중요한 부분으로 이와 관 련된 안전성은 조선소, 선주, 선박관리회사의 높은 관심을 받고 있다. 계류는 LNG선과 터미널을 연결하는 방식으로 선 박과 연안역 사이에서 LNG의 안전 송수신에 매우 중요한 역할을 한다. 또한 LNG선은 건조 과정에서 터미널 의장 주 기가 길고 터미널이 차폐되지 않은 해안선에 있어 태풍 등 자연환경의 여러 가지 영향을 받는다(Li, 2016). 선박은 흘수 가 얕고 바람을 받는 면적이 크며, 터미널의 수심이 얕고 배 밑과 바닥의 공간이 상대적으로 적어 물의 작용이 크다(Li, 2011). 또한 터미널 케이블 위치가 LNG선에 비해 낮아 케이 블 고도차(Vertical Separation)가 크고 케이블 앙각이 크다. 뿐 만 아니라 수평적 속박력이 적어 작업 효율성이 낮아 LNG선 의 터미널 계류는 통제할 수 없는 안전상의 리스크가 크다.

조선소는 노동자의 경험에 의존해 케이블을 운용하고 있 어 선박이 강풍에 떠내려갈 위험이 크다. 그러나 학술적으 로 하중 분석 방법에 대한 기초적인 연구는 많이 이루어졌 지만 실제 응용에 대한 연구는 미비한 실정이다. 현재 산업 에는 계류력을 결정하는데 쓰이는 경험공식이 있지만 이들 경험공식은 각각의 특성과 그에 따른 한계가 있어 소득의 차이가 커 실제 터미널에서 케이블을 확보하는 방안 제정에 어려움이 있다(Yuan et al., 2010). 따라서 본 논문에서는 주요 계류력 계산방법의 장단점과 적용조건을 분석하여 각 계산 방법의 특성을 이해하고, 여기에 대형 LNG선에 적용되는 계 류력 분석 계산법을 제안하고자 한다. 이어 제안한 계산방 법에 대해 실례를 통해 검증하고, 계류 안전에 영향을 미치 는 기타 요인을 분석하여 선박의 실제 정박 안전 수요를 만 족시키는 계류 방안을 제시하고자 한다.

2. 계류력의 주요 계산 방법 및 특징

선박 계류력의 크기는 환경 외력에 달려 있으며 선박의 계류 력을 결정하는 방법은 다음과 같다.

2.1 IACS 규정에 따른 선박의 의장수 계산 방법

IACS에 규정된 선박의 의장수(Equipment Number)의 계산 식은 다음과 같다.

식(1)에서 Δ는 하기만재흘수선에서의 형 배수량(단위ton), B는 선폭(m), h는 만재흘수선에서의 건현과 최상층 전통갑 판로부터 폭이 B/4를 넘는 선루나 갑판실 중 가장 높게 위치 한 것까지의 높이의 합(m), A는 선박 길이 L의 범위 내 하기 만재흘수선 이상의 선체 부분, 상층 건물과 각층 너비가 B/4 보다 큰 측면 투영 면적의 총합(m²)이다. 이 같은 선박의 의 장수 계산식은 조류 2.5 m/s와 풍속 25 m/s의 외력에 의한 것 으로 닻의 규격을 정하는 데 사용된다. 또한 IACS 규정에서 는 추천계류에 대비한 최소파단력(Minimum Breaking Load, MBL)의 크기와 계선줄(Mooring Line)을 제시하고 있다. 하지 만 LNG선을 선박접안호환성(Ship Shore Compatibility) 검토 시에는 자세한 계류력 분석이 필요하기 때문에 이 계산법은 LNG선에는 큰 도움이 되지 않아 일반 계류사양에만 참고할 수 있다.

2.2 대형선계선장치계획 규정에 따른 계류력 계산 방법

대형선계선장치계획 규정에 따라 계류력을 계산하는 방 법은 배를 옮길 때의 예인저항력을 계산하고 터미널에 정박 할 때 필요한 계류력을 계산하는 것이다. 이 방법에서 선박 이 받는 외력은 바람저항(R_a), 조류저항(R_W), 추진기저항(R_p) 으로 구성된다. 계류력을 계산할 때는 선장이 서로 다른 방 향에서 바람이 불어올 수 있다는 점을 고려해 가로와 세로 방향의 바람 저항을 각각 계산해야 하는데 터미널은 대부분 해안이나 해안을 따라 배치되어 바람이 부는 방향은 선장이 정하며 여기서 파도의 영향은 고려하지 않는다. 바람저항 (R_a), 조류저항(R_W), 추진기저항(R_p)의 계산식을 각각 표시해 보면 다음과 같다.

식(2) ~ 식(4)에서 K_a는 0.0735(가로) 또는 0.0429(세로)이다. A_a는 흘수선 이상의 풍압 방향의 투영면적(m²), v_a는 상대풍 속(m/s), v_W는 조류속도(m/s), A_W는 배의 침수면적(m²), D는 추진기 지름(m)이다. 이 계산식에서 K_a는 일반적인 경험치를 의미하여 선형별 바람저항(R_a)의 차이를 반영하지 못한다. 또한 풍속이 비교적 강할 때 선박이 받는 환경 외력은 주로 바람의 저항에서 나오는데 계산 결과에 큰 편차가 있을 수 있고 그에 상응하는 필요한 계류력에도 큰 편차가 있을 수 있다.

2.3 전문 계류력 분석 소프트웨어의 계산 계류력 분석 방법

현재 널리 사용되고 있는 계류력 분석 소프트웨어는 그 종류가 많은데 ALKYON의 Ship-mooring(2001), MARINE의 TermSim(2008)과 TTI(Tension Technology International)의 OPTIMOOR(2019) 등을 들 수 있다.

2.4 OCIMF 계류설비지침에 따른 계류력 계산

OCIMF 계류설비지침에 따르면, 무한항행구역의 선박 계 류력에 대한 계산은 다음의 표준 환경 조건에서 적용할 수 있다. Fig. 1과 같은 기준 좌표계를 사용할 때 바람의 속도는 어느 방향에서나 60 kn(30.9 m/s)이며, 조류는 다음과 같다.

선박에 작용하는 외력은 대부분 바람과 조류에서 나오는 데, 좌표계로는 Fig. 1을 참고할 수 있으며 풍작용력과 바람 속도 및 풍작용력과 바람방향각의 관계는 각각 Fig. 2와 Fig. 3에서 볼 수 있다.

선박은 x방향과 y방향에서 받는 바람 힘의 계산식은 다음 과 같다.

식(5)와 (6)에서 C_xw와 C_yw는 x방향과 y방향의 바람저항 계 수이며 ρ_W는 공기의 밀도이다(1.28 kg/m³). v_w는 바람속도 (m/s), A_L과 A_T는 각각 옆방향과 뱃머리 방향의 바람받이의 면적(m²)이다.

선박이 받는 조류하중의 계산식은 다음과 같다.

식(7)과 식(8)에서 C_xc와 C_yc는 각각 x방향과 y방향 조류의 저항계수이다. ρ_c는 물의 밀도로 바닷물 1025 kg/m³이며 v_c는 조류 속도이다(m/s). LBP는 선박의 수선 간 길이이며(m) d는 평균 흘수(m)이다.

이 계산식 외에 바람과 수평면에서 선박에 작용하는 디플 렉팅토크(Deflecting Torque)도 계산할 수 있는데 OCIMF 계류 설비지침에서 이와 상응하는 계산 공식을 제공하고 있으며 디플렉팅토크(Deflecting Torque)는 선박이 받는 총 외력은 고 정하지만 선미에서 케이블을 가로지르는 힘에는 영향을 받 게 된다. 또한 OCIMF 계류설비지침에서는 액체화물선과 가 스운반선이 통용하는 표준 바람저항 계수, 조류저항계수와 상응하는 디플렉팅토크(Deflecting Torque) 계수 스펙트럼을 제공하고 있다. 따라서 선박의 계류력을 계산할 때 상응하 는 바람 저항, 조류저항, 수평면의 디플렉팅토크(Deflecting Torque) 계수를 찾아볼 수 있다.

IACS 규약에 따라 선박의 의장수를 계산하는 방법은 통 상적으로 계류 배치하는 참고용으로만 사용된다. 대형선계 선장치계획 규정에 따르면 계류력을 계산하는 방법은 대형 LNG선처럼 바람저항을 외력으로 하는 선박에 적용할 때 큰 편차가 있을 수 있다. 전문적인 계류력 분석 소프트웨어를 사용하면 공신력은 높아지지만 고비용의 라이선스를 구매 해야 하는 제약이 있다. 대형 LNG선은 경우에는 OCIMF 규 정을 만족시켜야 하기 때문에 OCIMF의 계류설비지침에서 제공하는 계류력 계산방법이 업계에서의 인지도가 높고 널 리 적용할 수 있다. 또한 본 논문에서는 대형 LNG선박에 적 용된 가스운반선 바람저항 스펙트럼계수를 풍동시험에서 얻은 바람저항계수로 분석하였다.

3. 선박의 계류력 분석 방법 비교

다양한 LNG선에 대한 실제 선박의 축소 모델로 수행한 풍동 시험 결과에 따르면 바람 저항계수가 비슷한 것으로 나타난다. 본 논문에서는 174,000 m³의 적재용량을 가지는 LNG선을 대상으로 OCIMF 계류설비지침에 제시된 바람저항 스펙트럼계수로 계류력을 계산한 후 이를 풍동시험 바람저 항계수로 계산한 계류력과 비교하였다. Table 1은 대상 LNG 선의 주요치수이며 Fig. 4는 터미널에서 연결한 대상 선박의 전형적 계류 케이블 배치를 나타낸다.

3.1 OCIMF 계류설비지침 바람저항계수 및 조류저항계수에 의한 계류력 계산

대상 LNG선의 만재흘수 상태에서 선박이 바람을 받는 옆 방향 면적 A_L = 6599.4 m², 뱃머리 방향에서 바람에 맞서는 면 적 A_T = 1464.1 m², 밸러스트흘수 상태에서 바람을 받는 옆 방 향 면적 A_L = 7266.6 m², 뱃머리 방향에서 바람에 맞서는 면적 A_T = 1573.5 m²이다.

식(5)와 식(6)에 따라 스펙트럼 A17과 A18을 OCIMF 계류 설비지침에서 참조하여 속도가 60 kn인 바람이 각각 방향에 서 선박에 작용하는 힘을 계산한 결과는 Table 2와 같다.

풍력 외에도 선박은 조류의 작용력을 받는다. OCIMF의 계류설비지침을 참조하여 액체화물선의 조류저항계수 스펙 트럼 A5, A10, A12와 A13은 OCIMF 규약 환경 조류 조건에서 식(7)과 식(8)에 따라 조류의 작용력을 계산한 결과는 Table 3과 같다.

Table 2와 Table 3을 보면 각 경우에 대해 LNG선이 x방향 과 y방향으로 받는 가장 큰 바람의 작용력과 조류 저항을 비교하면 바람의 작용력이 조류 저항보다 훨씬 큰 것으로 나타나며, 바람의 작용력이 주도적으로 작용하는 것을 알 수 있다. 계류력은 선박이 환경적인 외력에 저항하는 데 필 요한 구속력이므로 선박이 받는 환경적인 외력을 계산하면 계류력을 얻을 수 있으며 풍동 시험의 데이터가 주요하게 적용될 수 있다. 바람 작용력 및 조류 작용력은 Table 3의 계 산 결과를 그대로 적용하였다.

3.2 풍동 시험 바람저항계수를 활용한 검증

Force Technology(2014)의 실제 선박을 대상으로 풍동 시험 을 수행한 결과를 활용하여 Table 4에 나타내었다. 해당 풍 동 시험 바람저항계수를 적용하여 식(5)과 식(6)에 따라 풍속 이 60kn(즉, w_v = 30.9 m)일 때 바람이 각각 방향으로 선박을 받은 힘의 결과를 Table 5에 나타내었다.

3.3 작용력 특성 비교 분석

OCIMF 계류설비지침에서의 바람저항을 계산하고 풍동 시험 바람저항계수에 따라 나오는 바람방향각에 따른 선박 에 대한 작용력과 비교하였다. Fig. 5는 선박이 만재흘수 상 태에서 각 방향의 바람을 받는 작용력의 상태이며 Fig. 6은 선박이 발라스트흘수 상태에서 각 방향의 바람을 받는 작용 력의 상태를 나타내고 있다. Fig. 5와 Fig. 6에서 바람에 대한 선박의 작용력은 F_yw가 바람방향각이 90°일 때 가장 크다. 또 한 바람방향각이 0°와 180°일 때 각각의 방향의 최대치이다. Table 6은 스펙트럼 바람저항 계수와 풍동 시험 바람저항계 수를 사용하여 바람작용력의 최대값을 계산한 결과를 나타 내고 있다.

Table 6에서 보듯이 만재흘수 상태나 발라스트흘수 상태 에서 실제 선박의 바람저항계수와 풍동시험의 바람저항계 수를 적용하여 계산한 바람작용력의 최대값은 서로 비슷하 게 나타난다.

바람과 조류는 서로 독립적이기 때문에 Table 6에서 바람 작용력 F_yw와 F_xw의 최대값과 Table 3의 같은 방향의 조류 작 용력 F_yc와 F_xc의 최대치를 더해 선박이 받는 총외력 하중 F_x 와 F_y를 얻을 수 있다. 또한 F_x의 대해 0°과 180° 방향에서 최 대값을 계산해야 한다.

OCIMF 규약에 따라 선박이 받는 총외력 하중을 계산한 후 안전 작업 하중을 초과하지 않도록 각 케이블의 인장력을 계산해야 한다. 선박 터미널 계류 케이블 배치 중 모든 케이 블의 배치된 각도에 따라 삼각함수를 이용하여 모든 케이블 에 대해서 Fig. 1에 표시된 기준좌표계 0°, 90° 또는 180° 방향 으로의 효율계수를 계산할 수 있다. 총외력 하중을 해당 방 향의 케이블 효율계수의 합으로 나누면 필요한 케이블의 평 균 인장력을 산출할 수 있다. 케이블의 평균 인장력이 모두 초기 가체결력(Pretightening Force) 보다 낮다면 계산 결과는 신뢰도가 있는 것으로 볼 수 있으며 케이블의 초기 가체결력 의 크기는 윈치 드럼 인장력에 달려 있다. 뿐만 아니라 각각 의 케이블은 길이가 다르고 탄성계수도 다르며 평균 인장력 이 윈치 드럼 인장력보다 클 때 인장력은 일치하지 않는다.

OCIMF 계류설비지침에 따른 계산방법에 비해 OOPTIMOOR 등 전문계류력 계산 소프트웨어를 적용하면 각각의 케이블 이 받는 힘을 계산할 때 실제로 정확하고 사용자의 입장에 서 간단하다. Fig. 7은 선박이 발라스트흘수 상태일 때 케이 블 배치 상황으로 각 케이블 인장력은 Table 7과 같다. 케이 블 초기의 가체결력은 모두 196 kN이다.

OPTIMOOR 소프트웨어는 각 케이블 압력의 합계를 통해 해당 환경 외력 하중을 얻을 수 있다. Table 8은 OCIMF 계류 설비지침에 의한 스펙트럼과 OPTIMOOR 소프트웨어를 사용 하여 계산한 환경 외력 하중의 최대값을 나타낸 것으로 Table 8에서 보면 2가지 방법으로 계산한 선박이 받는 외력 하중은 매우 유사한 것을 알 수 있다.

3.4 계류 안전에 영향을 미치는 기타 요인

선박이 받는 환경력(바람과 조류) 외에도 선박 계류 안전 은 파도와 선박 자체의 운동 등의 영향을 받게 된다. 이러한 외력이 지속되는 시간이 짧기 때문에 케이블의 탄력성 성능 은 선박의 과도한 변위가 생기는 것을 피할 수 있다. 이를 고려해 OCIMF에서는 설계된 케이블은 최대 하중이 케이블 끊김 강도인 최소파단력(MBL)의 50 %를 넘지 않아야 함을 규정하고 있다. 계류에 사용하는 케이블의 규격과 길이가 비슷해야 하며, 계류할 때는 터미널에서 페어리드(Fairlead)를 최대한 이용하면 케이블의 앙각을 줄여 케이블의 효율성을 높일 수 있다. 또한 폭풍이 있을 때 Fig. 4의 스톰 케이블을 추가로 설치하면 선박의 계류 안전성을 높일 수 있다.

4. 결 론

본 논문에서는 대형선박 특히 LNG선의 계류력 계산에 사 용할 수 있는 주요 계산방법에 대해 비교하고 분석하였다. 이를 통해 OCIMF 계류설비지침에 따른 스펙트럼으로 계산 한 선박 계류력은 환경 외력과 풍동 시험으로 계산한 바람 저항계수 기반 선박 환경 외력과 최대값에서 매우 유사한 결과값을 주는 것을 확인할 수 있었다. OCIMF 스펙트럼을 이용하여 계산한 방법으로 대형 LNG선의 계류 케이블의 계 류력 계산에 적용한 사례를 보여주었다. 즉 선박에 필요한 총 계류력을 계산한 후에 각각의 케이블의 공간 위치 관계 에 따라 케이블의 평균 인장력을 수동으로 계산할 수 있음 을 보여주었다.

OCIMF 계류설비지침에 따른 스펙트럼으로 계산한 선박 계류력에 대한 검증으로 OPTIMOOR 소프트웨어를 사용하여 결과를 비교하였으며 둘의 결과는 매우 유사한 것을 알 수 있었다. OPTIMOOR 소프트웨어를 사용할 경우에는 각각의 케이블의 인장력을 정밀하게 계산할 수 있으며, 경제적인 제약이 없을 때 적극적 사용이 추천된다.

또한 계류안전에 영향을 미치는 기타 요인을 고려하여 궁극적으로 터미널의 계류를 규범화하고 대형 LNG선 터미 널의 안전성을 높일 수 있는 방안을 보여주었다.