KR101637467B1 - 라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전자기력을 이용한 텔레스코픽 부력재의 신축을 통해 라이저의 굴곡 부분에 변형이 발생하면 부력재의 분포를 조절함으로써 라이저의 굴곡 부분을 완만하게 유지하기 위한 라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 해양구조물의 라이저 부력장치는 라이저 몸체; 상기 라이저 몸체 외측면의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 텔레스코픽 부력 수단을 포함하며, 상기 텔레스코픽 부력 수단은 전자기력에 의해 신축한다.

Description

라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물 {Buoyancy Device of Riser and Marine Struncture having the same}
본 발명은 라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 전자기력을 이용한 텔레스코픽 부력재의 신축을 통해 부력재의 분포를 조절함으로써 라이저의 굴곡 부분을 완만하게 유지하기 위한 라이저 부력 장치 및 이를 이용한 해양구조물에 관한 것이다.
라이저(Riser)는 해저면과 해양 시추 플랫폼 또는 부유식 원유 생산저장 하역 설비(이하 FPSO: Floating Production Storage and Offloading) 사이에서 유체(원유, 가스, 작동 유체)를 이동시키는 모든 파이프를 말한다. 라이저는 주어진 환경 조건과 부유체의 종류에 따라 단순 현수(Simple Catenary) 형상, 레이지 웨이브(Lazy Wave) 형상 등이 고려된다. 비용적인 측면에서는 단순 현수 형상을 가진 강관 라이저(Steel Catenary Riser)가 가장 경제적이고 설치 면에서도 다른 형상에 비해서 용이하기 때문에 현장에서 많이 적용된다.
그런데, 단순 현수 형상은 라이저와 해저면이 만나는 부분인 터치 다운 존 (Touch Down Zone)에서 부유체의 움직임에 의한 하중을 직접적으로 받기 때문에 강도 측면과 피로 측면에서 붕괴나 파괴 문제가 초래될 수 있다.
이를 해결하기 위해, 강관 라이저 중간 부분에 부력재를 설치하여 인위적으로 굴곡을 만들어서 이 부분에서 부유체의 운동에 의한 하중을 흡수함으로써, 하중이 직접적으로 터치 다운 존(Touch Down Zone)에 전달되지 않도록 하는 레이지 웨이브 형상이 적용된다. 이 형상은 상부 하중의 전달을 차단하기 때문에, 강도와 피로 측면에서 유용하다고 할 수 있다.
그러나, FPSO와 같은 부유체에 적용될 경우, FPSO가 해류나 파도에 의해서 위치가 바뀌게 되고, 계류 시스템의 범위 내에서 FPSO가 움직이게 된다. FPSO가 움직이는 방향에 따라서 강관 라이저도 움직이게 되고, 이때 발생하는 하중에 의해서 굴곡 부분의 형상이 변하게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 라이저 부력재를 도시한 도면이다. 도1의 (a)는 FPSO(10)가 초기 위치에 있을 경우로서 라이저(30)의 굴곡 부분이 완만하게 형성되어 있으나 도1의 (b)의 경우 FPSO(10)가 유정(20)의 위치와 가까와 지면서 라이저(30)의 굴곡이 심해지게 되고, 굴곡 부분(도1의 sag-band)에는 원유에 포함된 찌꺼기들이 쌓여서 강관 라이저 내부를 막아버리는 현상이 발생하여 생산에 차질을 가져오는 문제점이 있었다.
또한, 종래 부력재(40)는 여러개의 모듈을 설치해야 하기 때문에 설치 시간이 오래 걸리고 유지보수에 어려움이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자기력을 이용한 텔레스코픽 부력재의 신축을 통해 부력재의 분포를 조절함으로써 라이저의 굴곡 부분을 제어하는데 목적이 있다.
또한, 부력재를 하나의 모듈로 제작할 수 있어 제작 및 설치를 용이하게 하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 해양구조물의 라이저에 있어서, 라이저 몸체, 상기 라이저 몸체 외측면의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 텔레스코픽 부력 수단을 포함하며, 상기 텔레스코픽 부력 수단은 전자기력에 의해 신축되는 라이저 부력 장치를 제공한다.
상기 텔레스코픽 부력 수단은 원통형으로 마련되는 메인 부력재, 상기 메인 부력재와 상기 라이저 몸체 사이에서 길이방향으로 슬라이드 가능하게 결합되는 텔레스코픽 부력재를 포함할 수 있다.
상기 라이저 몸체는 외주면에 제 1 전자석을 포함하며, 상기 텔레스코픽 부력재는 내주면에 제 2 전자석을 포함할 수 있다.
상기 라이저의 굴곡 부분의 변형을 감지하는 감지센서를 더 포함할 수 있다.
상기 감지센서에 의해 감지된 신호에 따라 상기 제 1 전자석에 전압을 인가하는 전압 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 전자석은 상기 라이저 몸체의 길이방향을 따라 다수로 배열되며, 상기 전압 공급부를 통해 전류의 방향을 연속적으로 반전시켜 상기 제 1 전자석의 극성이 순차적으로 바뀌도록 함으로써, 상기 제 1 전자석과 상기 제 2 전자석 사이에 인력과 척력이 발생하여 상기 제 2 전자석을 포함한 상기 텔레스코픽 부력재가 신축되도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기된 라이저 부력 장치 중 어느 하나를 이용하는 해양 구조물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 라이저의 굴곡 부분에 변형이 발생하면 전자기력을 이용한 텔레스코픽 부력재의 신축을 통해 부력재의 분포를 조절함으로써 라이저의 굴곡 부분을 완만하게 유지하여 구조적으로 안정될 수 있으며 라이저 내부에 부유물이 축적되지 않는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 부력재가 하나의 모듈로 구성되어 제작 및 설치를 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전자석에 전류만 흘려주면 자석의 기능이 유지되므로 추가적으로 클램프나 플랜지 조인트 등을 설치하지 않아도 되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 라이저의 부력재를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이저 부력 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 텔레스코픽 부력 수단을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이저에서 텔레스코픽 부력재가 신축하는 작용을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 텔레스코픽 부력재가 라이저에 고정되는 작용을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이저 부력 장치를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 텔레스코픽 부력 수단을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 라이저 부력 장치(100)는 유정(120)과 해양 구조물(110) 사이에서 유체를 이동시키는 라이저 몸체(130); 라이저 몸체(130) 외측면의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 텔레스코픽 부력 수단(140)을 포함하며, 텔레스코픽 부력 수단(140)은 전자기력에 의해 신축되는 라이저 부력 장치를 제공한다.
해양 구조물(110)은 자체적으로 대형 원유 생산 저장 설비를 갖추고 있으며 유조선에 하역까지 할 수 있는 해양 플랜트인 FPSO와 생산된 천연가스를 해상에서 직접 액화시켜서 저장탱크 내에 저장하고 저장탱크내에 저장된 LNG를 LNG 수송선으로 옮겨싣기 위해 사용되는 LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas - Floating Production Storage and Off-loading) 등일 수 있으며, 이 밖에도 유정에서 라이저를 통해 유체를 공급받는, 부유하는 다양한 해양 구조물일 수 있다.
라이저 몸체(130)와 해저면이 만나는 부분인 터치 다운 존 (Touch Down Zone)에서 해양 구조물(110)의 움직임에 의한 하중을 직접적으로 받기 때문에 라이저 몸체(130)의 일부에 텔레스코픽 부력 수단(140)을 설치하여 인위적으로 굴곡을 만들어서 이 부분에서 해양 구조물(110)의 운동에 의한 하중을 흡수할 수 있도록 하며, 상부 하중의 전달을 차단하기 때문에 강도와 피로 측면에서 유용할 수 있다.
한편, FPSO와 같이 부유하는 해양 구조물(110)은 해류나 파도에 의해서 위치가 바뀌게 되고, 계류 시스템의 범위 내에서 해양 구조물(110)이 움직이게 된다. 이때 발생하는 하중에 의해서 굴곡 부분의 형상이 변하게 된다.
본 발명의 일 실시례에 따른 텔레스코픽 부력 수단(140)은 이러한 굴곡 부분의 변형에 대해 개선하기 위한 것으로서, 원통형으로 마련되는 메인 부력재(141), 메인 부력재(141)와 상기 라이저 몸체(130) 사이에서 길이방향으로 슬라이드 가능하게 결합되는 텔레스코픽 부력재(142)를 포함할 수 있다.
도 3 의 (a)는 메인 부력재(141)에 텔레스코픽 부력재(142)가 수용되어 있는 상태를 도시한 도면이고, 도 3의 (b)는 메인 부력재(141)에 텔레스코픽 부력재(142)가 길이방향으로 방출된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 라이저에서 텔레스코픽 부력재가 신축하는 작용을 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 텔레스코픽 부력재가 라이저에 고정되는 작용을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 라이저 몸체(130)에는 외주면에 다수의 제 1 전자석(135)이 길이방향으로 배열될 수 있다. 제 1 전자석(134)들은 하나의 그룹을 형성하여 하나의 극(N극 또는 S극)을 가지는 전자석 그룹(135)을 형성할 수 있으며, 각 그룹이 서로 다른 극성을 가지도록 연속적으로 배열될 수 있다.
라이저 몸체(130)의 외주에는 제 1 전자석(134)들이 고정되기 위한 결합홈(131)이 오목하게 형성될 수 있으며, 제 1 전자석이 배치되지 않은 부분의 라이저 몸체(130)의 외경과 제 1 전자석(134)이 배치된 부분의 외경이 동일하도록 형성될 수 있다.
텔레스코픽 부력재(142)는 내주면을 따라 제 2 전자석(145)이 길이방향으로 배열될 수 있으며, 서로 다른 극성을 가지도록 연속적으로 배열될 수 있다. 제 2 전자석(145)은 하나의 몸체로 하나의 극을 형성하나 제 1 전자석(134)은 다수가 조립체를 이루어 하나의 전자석 그룹(135)으로 형성될 수 있다. 따라서 제 2 전자석(145)은 다수가 하나의 극을 이루는 전자석 그룹(135)과 일대일로 대응될 수 있다.
전자석 그룹(135)의 다수의 제 1 전자석들, 예컨대, 6개의 제 1 전자석(134)들이 그룹으로 같은 극성을 가지며, 다른 극성의 그룹과 연속적으로 배열된다. 여기서 제시된 제 1 전자석이 그룹을 형성하는 갯수는 한 가지 예시일뿐 본 발명을 실시하기 위한 다양한 방법이 적용될 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 전자석 그룹(135)은 하나의 제 2 전자석(145)과 길이방향으로 대응되는 길이는 동일하나 전자석 그룹(135)의 6개의 제 1 전자석들 중에서 4번째 제 1 전자석(134)에 대응되는 부분에 제 2 전자석이 시작되도록 배치됨으로써 전자석 그룹(135)과 제 2 전자석이 반씩 겹쳐지도록 대응되게 배치된다.
즉, 텔레스코픽 부력재(142)의 신축되는 방향이 A라고 할 때 제 2 전자석(145)이 S극이면 이에 대응되는 제 1 전자석(134)은 신축방향으로 S극이 세 개 배치되고 N극이 세 개가 배치된다. 제 1 전자석(134)에 전류에 의한 자력이 형성되면 S극의 제 1 전자석(134)과 S극의 제 2 전자석(145) 사이에는 척력이 발생하고 N극의 제 1 전자석(134)과 S극의 제 2 전자석(145) 사이에는 인력이 발생하여 제 2 전자석(145)을 포함하는 텔레스코픽 부력재(142)가 A 방향으로 신축하게 된다.
텔레스코픽 부력재(142)가 신축하는 방향으로 위와 같은 작용이 지속적으로 발생하기 위해 제 1 전자석(134)의 전류의 방향을 바꾸어 자석의 극을 지속적으로 바꿈으로써 제 1 전자석(134)과 제 2 전자석(145) 사이에 인력과 척력이 발생하도록 하여 텔레스코픽 부력재(145)가 A 방향으로 신축할 수 있도록 한다.
텔레스코픽 부력재(142)의 신축을 정지하기 위해서는 도 5에 도시된 바와 같이, 전류의 방향을 조절하여 제 1 전자석(134)과 제 2 전자석(145)이 서로 다른 극으로 대응되도록 하여 인력만 발생하도록 한다.
한편, 라이저 몸체(130)의 굴곡 부분의 변형이 감지센서(미도시)에 의해 감지되면 신호를 제어부(150))에 보낼 수 있다. 제어부(150)에는 하나 또는 다수의 감지 센서가 더 연결될 수 있다.
제어부(150)는 감지센서에서 받은 신호에 따라 전원 공급부(160)의 구동을 제어한다. 즉, 라이저 몸체(130)의 굴곡 부분의 변형이 감지센서에 의해 감지되면 제어부(150)에서는 전원 공급부(160)에 신호를 전달하게 되고, 전원 공급부(160)는 제 1 전자석(134)에 전원을 공급할 수 있다.
제 1 전자석(134)은 라이저 몸체(130)의 길이방향을 따라 다수로 배열되며, 전압 공급부(160)를 통해 전류의 방향을 연속적으로 반전시켜 제 1 전자석(134)의 극성이 순차적으로 바뀌도록 함으로써, 제 1 전자석(134)과 제 2 전자석(145) 사이에 인력과 척력이 발생하여 제 2 전자석(145)을 포함한 텔레스코픽 부력재(142)가 신축되도록 할 수 있다.
따라서 제 1 전자석(134)에 전류만 흐르면 자석의 기능이 유지되므로 텔레스코픽 부력재(142)에는 추가로 클램프나 플랜지 조인트 등을 설치할 필요가 없다.
이와 같은 본 발명에 따른 라이저 부력 장치의 작용을 설명하기로 한다.
라이저 몸체(130)의 굴곡 부분의 변형이 감지센서에 의해 감지되면 신호를 제어부(150)에 보내며, 제어부(150)는 전원 공급부(160)에 신호를 보내어 전원 공급부(160)가 제 1 전자석(134)에 전원을 공급할 수 있도록 한다. 전압 공급부(160)는 전류의 방향을 연속적으로 반전시켜 제 1 전자석(134)의 극성이 순차적으로 바뀌도록 함으로써, 제 1 전자석(134)과 제 2 전자석(145) 사이에 인력과 척력이 발생하여 제 2 전자석(145)을 포함한 텔레스코픽 부력재(142)가 신축되도록 하며, 이로써 라이저 몸체(130)의 굴곡 부분이 완만하게 형성된다.
이와 같은 본 발명에 따른 라이저 부력 장치에 따르면, 라이저의 굴곡 부분에 변형이 발생하면 전자기력을 이용한 텔레스코픽 부력재의 신축을 통해 부력재의 분포를 조절함으로써 라이저의 굴곡 부분을 완만하게 유지함으로써, 구조적으로 안정할 수 있으며 라이저 내부에 부유물이 축적되지 않으며, 부력재가 하나의 모듈로 구성되어 제작 및 설치를 용이하게 할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 라이저 부력장치 110 : 해양 구조물
120 : 유정 130 : 라이저 몸체
131 : 결합홈 134 : 제 1 전자석
135 : 전자석 그룹 140 : 텔레스코픽 부력 수단
141 : 메인 부력재 142 : 텔레스코픽 부력재
145 : 제 2 전자석 150 : 제어부
160 : 전원 공급부

Claims (7)

  1. 해양구조물의 라이저에 있어서,
    라이저 몸체;
    상기 라이저 몸체 외측면의 적어도 일부를 둘러싸고 있는 텔레스코픽 부력 수단을 포함하며,
    상기 텔레스코픽 부력 수단은 전자기력에 의해 신축되며,
    상기 라이저의 굴곡 부분의 변형을 감지하는 감지센서를 더 포함하는, 라이저 부력 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 텔레스코픽 부력 수단은
    원통형으로 마련되는 메인 부력재;
    상기 메인 부력재와 상기 라이저 몸체 사이에서 길이방향으로 슬라이드 가능하게 결합되는 텔레스코픽 부력재를 포함하는, 라이저 부력 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 라이저 몸체는 외주면에 제 1 전자석을 포함하며, 상기 텔레스코픽 부력재는 내주면에 제 2 전자석을 포함하는, 라이저 부력 장치.
  4. 삭제
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 감지센서에 의해 감지된 신호에 따라 상기 제 1 전자석에 전압을 인가하는 전압 공급부를 더 포함하는, 라이저 부력 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1 전자석은 상기 라이저 몸체의 길이방향을 따라 다수로 배열되며, 상기 전압 공급부를 통해 전류의 방향을 연속적으로 반전시켜 상기 제 1 전자석의 극성이 순차적으로 바뀌도록 함으로써, 상기 제 1 전자석과 상기 제 2 전자석 사이에 인력과 척력이 발생하여 상기 제 2 전자석을 포함한 상기 텔레스코픽 부력재가 신축되도록 하는, 라이저 부력 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 라이저 부력 장치를 이용한 해양 구조물.




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