1. 서 론
Table 1에서와 같이 2023.1.1. ~ 2023.12.31.(1년)의 목포항 도선 실적을 살펴보면, 50,000 G/T 이상의 선박이 전년도 대비 큰 증가율을 보이고 있다. 또한, 자동차가 목포항 전체 취급 화물의 55%를 차지하고 있으며, 자동차 운반선(PCC)의 도선 비율이 43.1%를 차지하고 있다(Mokpo Pilot Association, 2024).
최근 선박의 대형화 추세는 자동차운반선에서도 나타나고 있으며, 목포신항 자동차부두는 7,500 unit PCC가 주류를 이루고 있으나, 향후 10,800 unit PCC도 투입을 고려하고 있다 (Mokpo Pilot Association, 2024). 목포신항 자동차부두 전면에서는 부두 여건상 입출항하는 선박이 조류의 영향을 크게 받을 수 있고, 특히 자동차 운반선은 바람의 영향을 크게 받기 때문에 예선의 사용마력에 대한 검토가 요구되어 왔다(Jung, 2024).
선박이 대형화됨에 따라 선박의 안전한 접․이안 작업을 위해서는 예선의 소요마력 증가와 예선의 크기(마력)도 함께 검토가 이루어져야 한다. Table 2에서와 같이「목포항 예선 운영세칙」의 선박 톤수별(G/T) 예선 사용마력에서는 최대선박 규모를 ‘8만톤 이상’으로 규정하고 있으며, 예선의 크기(마력)는 6,000마력급까지 규정하고 있다. 하지만, Table 3에서와 같이 목포항은 현재 최대 크기의 예선으로 4,000 마력급 1척을 보유하고 있는 실정이다.
목포항 예선은 총 6척으로 추진기 형태는 모두 360도 전방향형(ZP, Z-Drive Propeller)이다. Z-Drive Propeller(Azimuth 추진기) 예선은 선미부에 장착된 2개의 추진기 자체가 각각 360도 급속선회가 가능하여 강력한 운동성능을 발휘할 수 있는 방식으로 Z형 추진기 구동방식을 적용하고 있어 Z형 예선(Z-peller tug) 또는 덕펠러 터그(duck-peller tug), ASD 터그(azimuth stern drive tug)라고도 한다. Z-Drive Propeller는 프로펠러 효율을 높이기 위해 노즐이 설치되어 있으며, 360도 회전이 가능하므로 조종성능이 우수하여 제자리에서 선회가 가능하고, 측면이동도 가능하다. 또한 후진추력도 전진추력과 거의 동일하다(The Nautical Institute, 2003).
예선의 추진성능은 추진기의 예항력으로 표시할 수 있으며, 예선의 종류에 따른 추진성능(tug performance)을 알 수 있는 추진마력과 볼라드 풀(bollard pull)의 관계는 Table 4와 같 다. 목포항에 배치되어 있는 예선은 ASD 터그로서 예항력은 100마력당 1.15 ~ 1.35톤이고(전진), 전진과 후진의 추진력 차이는 거의 없다. 일반적으로 각 항만의 예선 운영세칙에서는 예선의 마력별 예항력 기준을 100마력당 1.1톤으로 정하고 있다.
본 연구에서는 목포신항 자동차부두를 대상으로 7,500 unit PCC의 안전한 접․이안을 위한 예선의 소요마력을 산출하기 위해 선체에 작용하는 풍압력과 유압력을 계산하였고, 이를 바탕으로 예선의 소요마력과 「목포항 예선 운영 세칙」제7조(예선사용기준)을 비교하여 개선방안을 도출하였다.
2. 접안 중 선체에 작용하는 힘
선박이 부두에 접안하는 과정에서는 수면 상부에 작용하는 풍압력과 수면 하부에 작용하는 조류 및 선박의 횡이동으로 인한 유압력을 합하여 예선의 소요마력이 결정된다.
2.1 풍압력
접안 중 선체에 작용하는 풍압력(FW)은 식(1)과 같이 풍압면적을 기초로 선형과 풍향각에 따라 산출되는 Hughes의 실험식이 보편적으로 사용된다(Hughes, 1930).
여기서,
풍압계수는 풍동실험에 의해 결정되지만, 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 Inoue(2013)가 제시한 선종별 풍압계수를 사용 하였다.
2.2 유압력
접안 중 선체에 작용하는 유압력은 식(2)와 같이 수면하 선체 측면적과 접안속도에 따른 유압력(FC)으로 계산된다.
여기서,
유압계수는 수심/흘수비(h/d)에 따라 크게 달라지는데, UKC가 작아질수록 선체를 횡으로 이동시키는데 큰 힘이 요구된다. OCIMF에서는 Tanker에 대한 모형시험을 실시하고 그에 따른 유압계수를 Fig. 2와 같이 제시하고 있다(OCIMF, 2008). 또한, Inoue(2013)는 VLCC에 대한 유압계수 계산식을 식(3)과 같이 제시하고 다른 선종에 대해서는 결과값의 90%(LNG선), 85%(컨테이너선), 75%(PCC)를 적용하고 있다.
여기서,
3. 풍속에 따른 예선운용 기준 검토
3.1 대상선박의 제원
대상선박은 7,500 unit PCC로 Table 5와 같이 LOA 230.0m, 만재흘수 10.3m, 총톤수 72,269톤이며, 만재 시 측면 풍압면적은 6,684m2이고, 수면하측면적은 2,291m2이다. Fig. 3은 7,500 unit PCC의 일반배치도를 보여준다.
3.2 접안속도
선박의 접안속도는 대상선박의 선형, 적화상태, 계류시설, 바람 등 기상조건, 예선의 유무 등을 고려하여 정해진다. 일반적으로 부두로부터 2 ~ 4B(B:선폭)지점에서는 접안속도를 10 ~ 15cm/s 정도를 유지하고, 1B에서는 5cm/s 이하를 유지하면서 접안된다(MOF, 2020). 항만 및 어항설계기준(2020)에 따르면, Fig. 4에서와 같이 재화중량톤수(DWT) 25,000톤 정도의 선박은 접안속도가 5 ~ 10cm/s 정도이다.
3.3 풍압력과 유압력의 계산
7,500 unit PCC의 풍속에 따른 풍압력 계산 결과는 Fig. 5와 같다. 선박이 정횡으로 풍압을 받는 것으로 계산하였고, Fig. 1에서와 같이 PCC(만재)의 풍압계수 1.2를 적용하였다.
풍압력은 풍압면적에 대해 풍속의 제곱에 비례하기 때문에 Fig. 5에서와 같이 풍속이 증가함에 따라 풍압력은 급격히 증가됨을 알 수 있다.
Fig. 6은 목포신항의 자동차부두를 보여주고 있으며, 선박의 접안 부두로부터 1.0km 떨어진 지점의 최대 창조류(flood current)와 최대 낙조류(ebb current)는 각각 1.6 kts와 0.7 kts임 을 알 수 있다.
자동차부두(PCC Wharf)에 접안하는 선박은 좌측의 화원반도와 달리도 사이의 목포구 수도(Mokpogu Sudo)를 통과해서 진입한 이후 부두 전면에서 선회하여 예선의 지원을 받아 횡이동하여 접안하게 된다. 이 때 선박이 부두와 평행한 상태에 놓이게 되면 선박은 조류를 횡으로 받게 되므로 유압력이 크게 증가된다. 따라서 본 연구에서는 선박의 접안속도와 조류를 감안하여 유압력 계산 시 유속으로 0.5 kts, 1.0 kts, 그리고 1.5 kts를 적용하였다. 또한, 목포신항 자동차부두 수심 (12m)을 고려하여 유압계수는 2.5를 적용하였다.
이를 바탕으로 유압력 계산 결과는 Fig. 7과 같다. 유압력은 수면하 측면적에 대해 유속의 제곱에 비례하기 때문에 유속이 조금만 커져도 선체에는 큰 힘으로 작용함을 알 수 있다.
Fig. 8과 Fig. 9는 풍압력과 유압력의 합을 풍속에 따라 나타낸 것이며, 풍향과 유향에 따라 4가지로 구분하였다. ‘창 조류+동풍(flood+E)’과 ‘낙조류+서풍(ebb+W)’은 두 외력이 서로 상쇄되는 방향으로 작용하고, ‘창조류+서풍(flood+W)’과 ‘낙조류+동풍(ebb+E)’은 두 외력이 서로 더해지는 방향으로 작용하고 있음을 보여주고 있다. 여기에서, Fig. 8은 최대 창조류(1.6 kts) 및 최대 낙조류(0.7 kts)와 접안속도(10cm/s)를 적용하였고, Fig. 9는 창조류(0.5 kts) 및 낙조류(0.5 kts)와 접안속도(10cm/s)를 적용한 것이다.
3.4 예선의 소요마력 산출
Fig. 10 ~ Fig. 12는 7,500 unit PCC의 풍속에 따른 예선의 소요마력을 보여주고 있다. 앞서 계산된 외력의 결과(Fig. 8과 Fig. 9)에 예선의 출력(1.1ton/100hp)을 적용하였다. Fig. 10과 Fig. 11에서 점선으로 표시된 부분은 Table 2에서 언급한 「목포항 예선운영세칙」의 현행 예선사용기준을 적용한 것이다.
Fig. 10과 같이 조류가 최대인 조건을 살펴보면, 낙조류와 서풍(ebb+W)인 일부 구간에서만 예선사용기준을 만족하고 있으며, 나머지 다른 상황에서는 만족하지 못하고 있다. 창조류와 서풍(flood+W)인 경우에는 외력의 방향이 부두방향으로 일치하여 최대의 외력이 발생되고 있으며, 창조류와 동풍(flood+E)인 경우에는 처음에는 조류의 영향을 크게 받다가 반대방향의 풍속이 강해짐에 따라 외력의 합은 점차 작아지고 있다. 또한, 낙조류와 동풍(ebb+E)의 경우에는 낙조류의 영향을 크게 받으면서 풍속이 점점 강해짐에 따라 외력의 합은 점차 커지고 있다.
Fig. 11은 조류 0.5 kts 조건으로, 낙조류와 동풍(ebb+E)인 경우 외력의 방향이 부두 반대방향으로 일치하여 외력이 최대로 작용함에 따라 일부 구간(풍속 10 kts 미만)에서만 예선 사용기준을 만족하고 있으며, 창조류와 서풍(flood+W)인 경우에는 외력의 방향이 부두방향으로 일치하여 큰 외력이 발생되는 상황에서 풍속이 18 kts 이상으로 강해지면 현행 예 선사용기준으로는 접안이 불가능한 것으로 평가된다. 창조류와 동풍(flood+E)인 경우 및 낙조류와 서풍(ebb+W)인 경우는 유향과 풍향이 서로 반대로 작용하여 외력이 상쇄됨으로써 현행 예선사용기준을 만족하고 있다.
Fig. 12는 조류가 없는 상황(slack water)에서 풍속(동풍으로 선박의 접안 방향과 방대)만을 고려한 조건이며, 접안속도는 10cm/s와 15cm/s로 평가하였다. 풍속이 점점 강해져서 21 kts 이상이 되면 현행 예선사용기준을 만족하지 못하는 것으로 평가된다.
현행 「목포항 예선 운영세칙」에 따르면, 60,000 ~ 80,000 G/T 선박에 대한 예선의 소요마력은 6,000마력이므로, 접이 안 보조장치를 설치하지 않은 선박의 경우, 부두 전면에서 유속이 0.5 kts 미만이고 풍속이 10m/s(20 kts) 이하에서만 현행 예선사용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
이와 함께 국내 타 항만의 예선 사용기준을 살펴보면, Table 6에서와 같이 모든 항만의 예선 총 소요마력이 목포항 보다 높게 설정되어 있음을 알 수 있다. 또한, Fig. 13에서와 같이 각 항만별 대상선박의 총톤수 대비 예선의 총 소요마력 비는 목포항이 8.7%(7,000마력/80,000톤)로 가장 낮은 것으로 나타났다.
3.5 목포항 예선운영 개선 방안
Table 2 및 Fig. 12에서와 같이 ⌈목포항 예선 운영세칙⌋ 은 풍속 10m/s(20kts)를 기준으로 예선의 소요마력이 산정되어 있다. 하지만, 목포신항과 같이 선박의 접․이안 시 조류가 선체의 횡방향으로 작용할 경우에는 선박은 조류에 의한 유압력의 영향을 크게 받을 것으로 예상된다. 따라서 선박의 접․이안 시점을 유속 0.5 kts 미만의 게류 시(slack water)에 가까운 시점으로 계획하거나(단, ‘낙조류와 동풍(ebb+E)’ 인 경우에는 풍속 10 kts 미만에서 접․이안 가능), 조류가 0.5 kts 이상인 경우와 풍속이 20 kts를 초과할 경우에는 Fig. 10 ~ Fig. 12에서 제시한 바와 같이 예선의 사용마력을 적절히 상향해야 할 것으로 판단된다.
4. 결 론
선박의 대형화 추세에 따라 2023년 도선 기준 목포신항에 5만톤 이상 선박의 입항이 전년도 대비 30% 이상 증가하였다. 특히, 풍압력의 영향을 많이 받는 자동차운반선(PCC)의 비율이 목포항 전체의 55%를 차지하고 있고, 이들 선박이 대형화되어 목포신항에 입출항하는 자동차운반선에 대한 예선사용기준에 대해 검토하였다.
목포신항 자동차부두는 부두로부터 1.0km 떨어진 지점에서 최대 창조류(flood current)와 최대 낙조류(ebb current)가 각각 1.6 kts와 0.7 kts이며, 이와 같이 조류가 최대인 조건에서는 낙조류와 서풍(ebb+W)인 일부 구간에서만 예선사용기준을 만족하고 나머지 상황에서는 만족하지 못하는 것으로 평가되었다.
조류가 0.5 kts인 조건에서는 낙조류와 동풍(ebb+E)인 경우 외력의 방향이 부두 반대방향으로 일치하여 외력이 최대로 작용함에 따라 일부 구간에서만 예선사용기준을 만족하고, 창조류와 서풍(flood+W)인 경우에는 풍속이 18 kts 이상으로 강해지면 현행 예선사용기준으로는 접안이 불가능한 것으로 평가되었다. 또한, 조류가 없는 상황에서는 풍속이 21 kts 이상이 되면 현행 예선사용기준을 만족하지 못하는 것으로 평가되었다.
현행 「목포항 예선 운영세칙」에 따르면, 60,000~80,000 G/T 선박에 대한 예선의 소요마력은 6,000마력이므로, 부두 전면에서 유속이 0.5 kts 미만이고 풍속이 10m/s(20 kts) 이하에서만 현행 예선사용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
따라서 목포신항에 입항하는 70,000 G/T 전후의 대형 자동 차운반선은 선박의 접이안 시점을 유속 0.5 kts 미만인 시점으로 계획하거나, 조류가 0.5 kts 이상인 경우와 풍속이 20 kts를 초과할 경우에는 예선의 사용마력을 적절히 상향해야 할 것으로 판단된다.
향후, 선박의 대형화 추세에 따른 예선사용기준(총 사용 마력) 상향과 각 예선의 크기(사용 마력급)도 함께 검토되어야 할 것이다.