KR101588845B1 - 해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법 - Google Patents

해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법 Download PDF

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삼성중공업 주식회사
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Abstract

해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치는, 해저 장비 설치 시 상기 해저 장비에 발생되는 공진을 방지하기 위한 공진 방지 장치로서, 적어도 하나의 메인 케이블과 함께 상기 해저 장비에 연결되되, 상기 설치 작업 도중 상기 해저 장비로부터 분리되는 적어도 하나의 보조 케이블; 상기 보조 케이블을 상기 해저 장비에 분리 가능하게 연결하는 보조 케이블 연결 부재; 및 상기 보조 케이블이 상기 해저 장비로부터 분리되기 이전까지 상기 보조 케이블과 상기 보조 케이블 연결 부재 간의 연결을 유지시키는 연결 유지 부재;를 포함한다.

Description

해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법{APPARATUS FOR PREVENTING RESONANCE OF DEEP-SEA EQUIPMENT AND METHOD FOR INSTALLING DEEP-SEA EQUIPMENT USING THE APPARATUS}
본 발명은 해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 파도에 의한 부유식 설치선의 상하 진동에 의해 설치 작업 중의 해저 장비에 나타날 수 있는 상하 공진을 방지할 수 있는 해저 장비 공진 방지 장치 및 이를 이용한 해저 장비 설치 방법에 관한 것이다.
해저 장비는 심해에 설치되어 사용되는 장비로서, 500 미터를 넘는 수심에서의 유전 개발이 활발해짐에 따라 그 수요가 증대되는 추세에 있다. 따라서 해저 장비를 심해에 안전하고 효율적으로 설치하기 위한 심해 장비 설치 기술의 중요성도 높아지고 있다.
해저 장비의 설치를 위해 하나 이상의 크레인을 장착한 해상 설치선이 사용될 수 있다. 예로써 하나 이상의 크레인 케이블을 해저 장비에 연결한 후 크레인 케이블에 매단 채로 해저 장비를 해저면까지 하강시키는 공법이 적용될 수 있다.
이러한 해저 장비 설치 공법과 관련하여 수심에 따른 해저 장비의 고유 진동 주기(natural oscillation period)의 변화에 주목할 필요가 있는데, 여기서 해저 장비의 고유 진동 주기는 하기의 관계식 1로부터 산출될 수 있다.
Figure 112014084402962-pat00001
(관계식 1)
상기 관계식 1에서 T는 해저 장비의 고유 진동 주기이고, m은 설치 대상물의 물 속에서의 질량이며, k는 해저 장비를 매달고 있는 크레인 케이블 전체에 대한 스프링 상수이다.
예로써, 수심에 따른 해저 장비의 고유 진동 주기의 변화를 나타낸 도 1을 참조하면, 케이블의 종류와 중량이 일정하더라도 해저 장비가 위치한 수심이 깊어짐에 따라 해저 장비의 고유 진동 주기가 점차 증가함을 볼 수 있다. 이러한 고유 진동 주기의 변화는, 해저 장비가 위한 수심이 깊어짐에 따라 크레인 케이블의 인출 길이가 함께 증가하고 그에 따라 크레인 케이블의 스프링 상수(k)가 감소하기 때문에 나타나는 것이다.
한편, 해수는 파도로 인해 상하 방향의 주기적인 움직임을 갖는다. 즉 해수는 상하 방향의 진동 주기를 갖는 움직임을 나타내며, 이에 따라 해상에 위치하는 부유식 설치선도 해수의 상하 방향 진동 주기와 동일한 진동 주기의 움직임을 갖게 된다.
그런데, 전술한 바와 같이 크레인을 이용한 해저 장비의 설치 도중 해저 장비가 하강한 깊이가 증가함에 따라 해저 장비의 고유 진동 주기도 함께 증가하기 때문에, 해저 장비가 위치한 특정 수심에서 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 상하 진동 주기와 같아질 수 있으며, 이때 해저 장비의 공진(resonance)이 발생될 수 있다. 이러한 공진 현상은 해저 장비의 설치 작업 시 크레인에 작용하는 동하중을 현격히 증가시킴으로써 크레인 설비에 손상 내지 고장을 유발하는 요인으로 작용할 수 있다.
이러한 공진 현상을 방지하기 위하여, 복수의 해상 설치선을 이용하여 해저 장비에 연결된 크레인 케이블을 설치 수심에 대응하는 길이 만큼 길게 늘어뜨린 후 해저 장비가 진자의 스윙 궤적과 같은 경로를 따라 이동하여 해저면까지 도달하게 하는 이른바 펜듈러스(pendulous) 설치 공법이 시도될 수 있다.
하지만 이러한 종래의 설치 공법은, 적어도 2척 이상의 해상 설치선이 필요하므로 비교적 많은 비용이 지출되는 단점이 있을 뿐 아니라, 해저 장비가 스윙 궤적을 따라 이동하므로 해저 장비가 수직 하강하는 경우에 비하여 설치 과정이 안정적이지 못하다는 단점도 나타나게 된다.
본 발명의 실시예들은 크레인을 이용한 해저 장비의 심해 설치 작업 도중 해수의 상하 진동으로 인해 해저 장비에 공진이 발생되는 것을 방지할 수 있는 방안을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 종래의 공진 방지 방안에 비하여 적은 비용을 들이면서도 보다 안정적인 방식으로 해저 장비의 공진을 방지할 수 있는 방안을 제공하자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해저 장비 설치 시 상기 해저 장비에 발생되는 공진을 방지하기 위한 공진 방지 장치로서, 적어도 하나의 메인 케이블과 함께 상기 해저 장비에 연결되되, 상기 설치 작업 도중 상기 해저 장비로부터 분리되는 적어도 하나의 보조 케이블; 상기 보조 케이블을 상기 해저 장비에 분리 가능하게 연결하는 보조 케이블 연결 부재; 및 상기 보조 케이블이 상기 해저 장비로부터 분리되기 이전까지 상기 보조 케이블과 상기 보조 케이블 연결 부재 간의 연결을 유지시키는 연결 유지 부재;를 포함하는 해저 장비 공진 방지 장치가 제공될 수 있다.
상기 보조 케이블 연결 부재는, 상기 해저 장비의 상단에 장착되며, 상측 개방된 오목홈을 가진 바디부; 및 상기 오목홈을 개폐 가능하도록 상기 바디부에 힌지 결합되며, 상기 연결 유지 부재에 의해 상기 바디부에 고정되는 자유단부를 가진 개폐부;를 포함할 수 있으며, 이때 상기 보조 케이블은 상기 개폐부의 개방 동작시 상기 해저 장비로부터 분리되도록 상기 개폐부에 샤클을 통해 연결될 수 있다.
상기 연결 유지 부재는, 상기 개폐부의 자유단부를 상기 바디부에 고정시키며 상기 해저 장비가 기 설정된 수심에 도달할 때 제거되는 것일 수 있다.
상기 기 설정된 수심은 상기 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 진동 주기와 일치할 것으로 예측되는 수심일 수 있다.
상기 보조 케이블은 상기 메인 케이블에 커플링될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 해수와의 공진을 방지하면서 크레인에 의해 해저 장비를 설치하는 해저 장비 설치 방법으로서, (a) 적어도 하나의 메인 케이블과 적어도 하나의 보조 케이블을 상기 해저 장비에 연결하는 단계; (b) 상기 크레인을 이용하여 상기 해저 장비의 수직 하강을 개시하는 단계; (c) 상기 해저 장비가 기 설정된 수심에 도달하면 상기 해저 장비로부터 상기 보조 케이블을 분리시키는 단계; 및 (d) 상기 해저 장비가 해저면에 도달할 때까지 상기 해저 장비를 하강시키는 단계;를 포함하는 해저 장비 설치 방법이 제공될 수 있다.
상기 (c) 단계가 수행되는 수심은 상기 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 진동 주기와 일치할 것으로 예측되는 수심일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 적어도 하나의 보조 케이블을 해저 장비에 부착하여 크레인을 통해 하강시키다가 기 설정된 중간 수심에서 해저 장비로부터 보조 케이블을 분리시키는 방법을 통해, 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 상하 진동 주기와 일치할 때 발생될 수 있는 해저 장비의 공진을 방지할 수 있으며, 이에 따라 공진 발생 시 우려되는 크레인 설비의 손상 내지 고장을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 설치선을 구비할 필요 없이 단지 보조 케이블의 탈부착을 통해 해저 장비의 공진을 방지할 수 있으므로 종래의 공진 방지 방안에 의해 비용적인 측면에서 유리함이 있다.
그리고, 본 발명의 실시예들에 의하면, 해저 장비 공진 방지 장치가 해저 장비를 수직 하강시키는 설치 방법에 적용되므로 해저 장비 설치의 안정성을 유지하면서 해저 장비의 공진을 방지할 수 있는 유리함이 있다.
도 1은 수심에 따른 해저 장비의 고유 진동 주기의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 설치 방법에서 해저 장비 공진 방지 장치가 분리되는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 해저 장비 공진 방지 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 보조 케이블의 적용 예를 나타낸 개략도이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2를 참조하면, 해저 장비(M)는 해상 설치선(10)에 구비된 크레인(20)을 가지고 수직 하방 이송하는 설치 공법을 적용하여 심해의 해저면에 설치될 수 있다. 이러한 해저 장비 설치 공법 적용시, 해저 장비(M)에는 하나 이상의 크레인 케이블(21)이 연결되며 그 크레인 케이블(21)은 해저 장비(M)가 해저면에 도달할 때까지 해저 장비(M)에 연결된다.
이처럼 해상 설치선(10)의 크레인(20)을 이용하여 해저 장비(M)를 해저면을 향해 이송하는 도중, 해저 장비(M)의 고유 진동 주기와 해수의 상하 진동 주기가 같아지는 수심을 만날 경우 해저 장비(M)에 상하 공진이 발생될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 해저 장비(M)가 공진할 경우 해저 장비(M)의 동하중 증가로 인해 크레인 케이블(21) 또는 크레인(20)에 기계적인 손상 내지 고장이 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치(100)는 이러한 해저 장비(M)의 상하 공진을 방지하기 위한 것으로서, 상술한 일반적인 크레인 케이블(21)과 더불어 해저 장비(M)에 추가 연결되는 적어도 하나의 크레인 케이블(110)을 포함한다.
설명의 편의상, 이하에서는 일반적인 크레인 케이블(21)은 '메인 케이블'로 지칭하고 추가 연결되는 크레인 케이블(110)은 '보조 케이블'로 지칭하기로 한다. 한편 도 2의 실시예에는 단지 하나의 보조 케이블(110)이 도시되었지만, 보조 케이블(110)의 개수는 2개 이상으로 변경될 수 있다.
이러한 보조 케이블(110)은 해저 장비(M)의 상하 공진이 발생될 것으로 예측되는 수심에서 해저 장비(M)로부터 분리될 수 있다. 이러한 보조 케이블(110)의 분리가 가능하도록, 본 실시예에 따른 해저 장비 공진 방지 장치(100)는 보조 케이블 연결 부재(120), 및 연결 유지 부재(130)를 더 포함한다.
보조 케이블 연결 부재(120)는 보조 케이블(110)을 해저 장비(M)에 분리 가능하게 연결하는 것으로서, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 바디부(121) 및 개폐부(122)를 포함한다.
바디부(121)는 해저 장비(M)의 상단에 장착되며, 상측으로 개방된 오목홈(R)을 갖고 있다. 본 실시예에서 바디부(121)는 알파벳 U자에 가까운 형상을 갖고 있는데, 바디부(121)의 형상은 이에 제한되지 않고 상측 개방된 오목홈(R)을 갖는 다른 형상으로 변경될 수 있다. 바디부(121)의 일단부에는 힌지 샤프트(121a)가 장착되며, 바디부(121)의 타단부에는 연결 유지 부재(130)이 관통하는 관통공(121b)이 형성되어 있다.
개폐부(122)는 바디부(121)의 오목홈(R)을 개폐할 수 있도록 힌지 핀(121a)을 통해 바디부(121)에 힌지 결합된다. 이러한 개폐부(122)는 연결 유지 부재(130)에 의해 바디부(121)에 고정되는 자유단부(122a)를 가지며, 그 자유단부(122a)에는 연결 유지 부재(130)의 끝단이 삽입되는 삽입공(122b)이 형성된다. 이러한 개폐부(122)에 전술한 보조 케이블(110)이 샤클(140)을 통해 연결된다.
이처럼 보조 케이블 연결 부재(120)가 바디부(121)와 개폐부(122)로 구성되는 것과 달리, 메인 케이블(21)을 해저 장비(M)에 연결하는 메인 케이블 연결 부재(30)는 'ㅁ'자 형상의 단일 몸체로 구성됨으로써 해저 장비(M)가 해저면에 도달할 때까지 메인 케이블(21)과의 연결을 유지한다.
연결 유지 부재(130)는 보조 케이블(110)이 해저 장비(M)로부터 분리되기 이전까지 보조 케이블(110)과 보조 케이블 연결 부재(120) 간의 연결을 유지시키기 위한 것으로서, 본 실시예에서 연결 유지 부재(130)는 바디부(121)의 관통공(121b)을 통해 개폐부(122)의 삽입공(122b)에 삽입됨으로써 개폐부(122)의 자유단부(122a)를 바디부(121)에 고정시키는 고정핀으로 구비된다.
이하에서는 앞서 살펴본 도 2와 함께 도 3 및 4를 추가로 참조하면서, 전술한 해저 장비 공진 방지 장치(100)를 이용한 해저 장비 설치 방법 및 그에 따른 해저 장비 공진 방지 장치(100)의 작용에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해저 장비 설치 방법에서 해저 장비 공진 방지 장치가 분리되는 단계를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 해저 장비 공진 방지 장치의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
해저 장비 공진 방지 장치(100)를 이용한 해저 장비 설치 공법은, 해저 장비(M)에 메인 케이블(21)과 함께 하나 이상의 보조 케이블(110)을 연결한 후 크레인(20)을 통해 해저 장비(M)을 수직 하강시킴으로써 개시된다. 이때, 앞서 살펴본 도 2에 도시된 바와 같이 연결 유지 부재(130)에 의해 보조 케이블 연결 부재(120)의 개폐부(122)가 바디부(121)의 오목홈(R)을 폐쇄하는 상태로 유지됨으로써, 보조 케이블(110)은 보조 케이블 연결 부재(120)에 연결된 상태로 유지된다.
하강 개시 이후 해저 장비(M)가 공진 발생이 예측되는 수심(d1)에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이 보조 케이블 연결 부재(120)로부터 연결 유지 부재(130)를 분리한다. 이러한 연결 유지 부재(130)의 분리는 예로써 ROV(remotely operated vehicle)라고 불리는 원격 조정 차량에 의해 수행될 수 있으며, 대안적으로 해저 작업에 적합하게 설계된 로봇에 의해 수행될 수도 있다.
이처럼 보조 케이블 연결 부재(120)로부터 연결 유지 부재(130)를 분리되면, 보조 케이블 연결 부재(120)의 개폐부(122)는 보조 케이블(110)이 가하는 상방향 힘에 의해 바디부(121)의 오목홈(R)을 개방하는 방향(도면에서 반시계 방향)으로 회동한다. 이때 개폐부(122)에 연결되어 있던 샤클(140)이 개폐부(122)와 분리되면서 보조 케이블 연결 부재(120)로부터 보조 케이블(110)이 분리된다.
도 4를 참조하면, 이러한 보조 케이블(110)의 분리 작업은 기 설정된 특정 수심(d1)에서 진행된다. 설치 작업이 진행되는 해당 해역에서의 해수의 상하 진동 주기(T)의 범위가 T1 < T < T2 일 때, 상기 수심(d1)은 해저 장비(M)의 고유 진동 주기가 해수의 최소 진동 주기(T1)와 같아지는 깊이로 설정될 수 있다.
해저 장비(M)의 고유 진동 주기의 관점에서 메인 케이블(21)과 보조 케이블(110)은 스프링 요소로 작용한다. 이를 고려하면 보조 케이블(110)의 분리는 고유 진동 주기 관점에서 스프링 상수가 감소되는 결과를 낳게 되며, 이에 따라 해저 장비(M)의 고유 진동 주기가 증가하게 된다(전술한 관계식 1 참조).
그 결과, 도 4에 도시된 바와 같이, 심해 설치 작업 도중 해저 장비(M)의 고유 진동 주기(T)가 해당 해역에서의 해수의 상하 진동 주기(T1 ~ T2)와 같아지는 것이 방지될 수 있으며, 이에 따라 해수의 상하 진동에 의한 해저 장비(M)의 상하 공진이 방지될 수 있다.
한편, 해저 장비(M)의 공진 방지를 위해 사용되는 보조 케이블(110)의 종류, 길이, 및 개수는 메인 케이블(110)의 종류, 길이, 및 개수에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 다만 전술한 수심(d1)에서 해저 장비(M)와 분리될 때 해저 장비(M)의 고유 진동 주기(T)가 해수의 최대 진동 주기(T2)보다 커지게 하는 범위에서 선택되어야 한다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따른 보조 케이블의 적용 예를 나타낸 도 5를 참조하면, 예를 들어, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 하나의 메인 케이블(21)에 커플링된 2개의 보조 케이블(110)이 사용될 수도 있고, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 2개의 메인 케이블(21) 각각에 하나의 보조 케이블(110)이 커플링되어 사용될 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의하면, 크레인(20)을 이용한 해저 장비(M)의 심해 설치 도중 해수의 상하 공진에 따른 해저 장비(M)의 공진 발생이 예측되는 수심(d1)에서 해저 장비(M)에 연결된 보조 케이블(110)을 해저 장비(M)로부터 분리시킴으로써, 해저 장비(M)의 고유 진동 주기(T)와 해수의 상하 진동 주기(T1~T2)가 일치하여 나타날 수 있는 해저 장비(M)의 상하 공진을 방지할 수 있다. 따라서 해저 장비(M)의 상하 공진으로 인해 크레인 설비(20, 21)가 손상되거나 고장나는 것을 방지할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 설치선을 구비할 필요 없이 단지 보조 케이블(100)의 적용 만으로 해저 장비(M)의 공진을 방지할 수 있으므로 복수의 설치선이 사용되는 종래의 펜듈러스(pendulous) 설치 공법에 비하여 비용적인 측면에서도 훨씬 유리함이 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10 : 해상 설치선
20 : 크레인
21 : 메인 케이블
100 : 해저 장비 공진 방지 장치
110 : 보조 케이블
120 : 보조 케이블 연결 부재
121 : 바디부
122 : 개폐부
130 : 연결 유지 부재

Claims (7)

  1. 해저 장비 설치 시 상기 해저 장비에 발생되는 공진을 방지하기 위한 공진 방지 장치로서,
    적어도 하나의 메인 케이블과 함께 상기 해저 장비에 연결되되, 상기 설치 작업 도중 상기 해저 장비로부터 분리되는 적어도 하나의 보조 케이블;
    상기 보조 케이블을 상기 해저 장비에 분리 가능하게 연결하는 보조 케이블 연결 부재; 및
    상기 보조 케이블이 상기 해저 장비로부터 분리되기 이전까지 상기 보조 케이블과 상기 보조 케이블 연결 부재 간의 연결을 유지시키는 연결 유지 부재;를 포함하는 해저 장비 공진 방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 케이블 연결 부재는,
    상기 해저 장비의 상단에 장착되며, 상측 개방된 오목홈을 가진 바디부; 및
    상기 오목홈을 개폐 가능하도록 상기 바디부에 힌지 결합되며, 상기 연결 유지 부재에 의해 상기 바디부에 고정되는 자유단부를 가진 개폐부;를 포함하며,
    상기 보조 케이블은 상기 개폐부의 개방 동작시 상기 해저 장비로부터 분리되도록 상기 개폐부에 샤클을 통해 연결되는 해저 장비 공진 방지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결 유지 부재는, 상기 개폐부의 자유단부를 상기 바디부에 고정시키며 상기 해저 장비가 기 설정된 수심에 도달할 때 제거되는 해저 장비 공진 방지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기 설정된 수심은 상기 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 진동 주기와 일치할 것으로 예측되는 수심인 해저 장비 공진 방지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조 케이블은 상기 메인 케이블에 커플링된 해저 장비 공진 방지 장치.
  6. 해수와의 공진을 방지하면서 크레인에 의해 해저 장비를 설치하는 해저 장비 설치 방법으로서,
    (a) 적어도 하나의 메인 케이블과 적어도 하나의 보조 케이블을 상기 해저 장비에 연결하는 단계;
    (b) 상기 크레인을 이용하여 상기 해저 장비의 수직 하강을 개시하는 단계;
    (c) 상기 해저 장비가 기 설정된 수심에 도달하면 상기 해저 장비로부터 상기 보조 케이블을 분리시키는 단계; 및
    (d) 상기 해저 장비가 해저면에 도달할 때까지 상기 해저 장비를 하강시키는 단계;를 포함하는 해저 장비 설치 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계가 수행되는 수심은 상기 해저 장비의 고유 진동 주기가 해수의 진동 주기와 일치할 것으로 예측되는 수심인 해저 장비 설치 방법.
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