KR101945523B1 - 부유식 해양구조물 - Google Patents

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Abstract

잭업리그 또는 해상풍력발전기 설치 선박이 전복되는 현상을 방지하는 부유식 해상구조물이 제공된다. 부유식 해양구조물은, 해상에 부유하며 수직방향으로 관통된 복수 개의 레그 웰(leg well)이 형성된 선체와, 상기 레그 웰 내부에 승강 가능하게 설치되어 상기 선체를 지지하는 레그와, 상기 선체 하부에 위치하고 상기 레그에 승강 가능하게 설치되며, 부력을 갖는 보조 부력 유닛을 포함한다.

Description

부유식 해양구조물{Floating structure}
본 발명은 부유식 해양구조물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 잭업리그 또는 해상풍력발전기 설치 선박 등의 해상구조물이 레그 설치 중 전복되는 현상을 방지할 수 있는 부유식 해상구조물에 관한 것이다.
최근에는 다양한 부유식 해양구조물들이 개발되고 있으며, 특정 위치로 이동하여 선체를 해상으로부터 들어올려 소정의 작업을 수행하도록 하는 부유식 해양구조물도 개발되고 있다.
예를 들면, 잭업 드릴링 리그(jack-up drilling rig), 풍력 발전기 설치 선박(Wind turbine installation vessel, WTIV), 이동식 시추선(Mobile offshore drilling unit, MODU) 등이 있으며, 이와 같은 부유식 해양구조물은 해상의 특정 위치로 이동하여 레그(leg)를 내려 선체를 고정한 후, 레그를 따라 선체를 들어올림으로써 작업 상태로 전환할 수 있다.
한편, 부유식 해양구조물의 대표적인 풍력 발전기 설치 선박(WTIV)은 작업 특성상 항해 모드(Transit Mode)와 잭업 모드(Jackup Mode)로 운용될 수 있다. 풍력 발전기 설치 선박은 해상 풍력 발전기를 설치하고자 하는 위치까지 항해 모드로 이동한다. 항해 모드에서 레그는 해수에 의한 저항을 줄이고자 본체의 상방으로 이동된 상태를 유지할 수 있다. 그 후, 풍력발전기 설치 선박은 잭업 모드로 전환하여 레그를 내려 해저에 박은 후, 본체가 해수면으로부터 일정 거리 이격될 수 있도록 본체를 레그를 따라 들어올린다. 본체가 일정 위치에 다다르게 되면, 풍력 발전기 설치 선박은 본체의 이동을 중지하고 해상 풍력 발전기를 설치하는 작업을 수행하며, 설치가 완료되면 위의 순서의 역순으로 진행하여 다음 설치 위치까지 이동하게 된다.
이러한 부유식 해양구조물은 항해모드에서 잭업 모드로 변경될 때, 레그의 자중을 이용하여 레그를 하강시킨 뒤 본체의 무게를 이용하여 레그를 해저 지반에 박는 프리로딩(preloading) 단계를 거치게 된다. 이와 같은 작업 시 레그를 해저면에 고정시키는 도중 해저 경사가 불일치 하거나 레그의 편심 하중이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이로 인해, 레그의 구조적인 손상이 발생하여 부유식 해양구조물이 전복되는 자주 발생하는 문제가 발생하였다.
대한민국 공개특허 제10-2016-0035816호, (2016.04.01)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서, 잭업리그 또는 해상풍력발전기 설치 선박 등의 해상구조물이 레그 설치 중 전복되는 현상을 방지할 수 있는 부유식 해상구조물을 제공하려는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 과제에 의한 부유식 해양구조물은, 해상에 부유하며 수직방향으로 관통된 복수 개의 레그 웰(leg well)이 형성된 선체와, 상기 레그 웰 내부에 승강 가능하게 설치되어 상기 선체를 지지하는 레그와, 상기 선체 하부에 위치하고 상기 레그에 승강 가능하게 설치되며, 부력을 갖는 보조 부력 유닛을 포함한다.
상기 보조 부력 유닛은 팽창하여 부력을 형성하는 팽창부력체를 포함할 수 있다.
상기 보조 부력 유닛은, 상기 레그에 형성된 랙기어를 따라 이동하는 피니언기어를 포함하는 승강부와, 상기 승강부로부터 연장되어 부력부재가 설치되는 가이드프레임을 포함할 수 있다.
상기 승강부는, 상기 피니언기어를 회전 구동하고, 상기 피니언기어를 상기 랙기어로부터 이탈시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 구동부는 상기 선체 또는 상기 레그의 수직 기울기가 기준치 이상 기울어지면 상기 피니언기어를 상기 랙기어로부터 이탈시켜 상기 보조 부력 유닛을 자유낙하시킬 수 있다.
상기 가이드프레임 외측에 충격을 흡수하는 완충부재를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 부력 유닛의 상부 또는 하부에 결합되며 상기 레그에 지지되어 굴러가는 가이드롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 보조 부력 유닛은 상기 선체 하부에 삽입될 수 있다.
본 발명에 의한 부유식 해양구조물은, 프리로딩(pre-loading) 시에 레그(leg)에 편심 하중이 발생하거나, 스퍼드캔의 하부가 접하고 있는 스퍼드캔과 해저면의 각도가 기울어지면서 발생할 수 있는 구조물의 전복현상을 방지할 수 있다.
아울러, 레그의 과도하게 긴 구조를 보강해주는 역할을 수행할 수 있으며, 완충부재가 설치되어 다른 선박과의 충돌을 완화하여 안정적으로 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 해양구조물의 측면도이다.
도 2는 도 1의 부유식 해양구조물의 보조 부력 유닛을 확대 도시한 측면도이다.
도 3 내지 도 5는 도 2의 보조 부력 유닛의 작동과정을 도시한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 해양구조물에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 해양구조물(1)은 선체(10) 내부에 부력을 갖는 보조 부력 유닛(30)을 포함하고 있어 레그(20)의 구조적 손상 발생 시 선체(10)의 침식 현상을 방지하는 구조물이다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 부유식 해양구조물의 구성을구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 해양구조물의 전체적인 측면도이고, 도 2는 도 1의 부유식 해양구조물의 보조 부력 유닛을 확대 도시한 측면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 부유식 해양구조물(1)은 선체(10)와, 선체(10)의 레그(20)웰에 배치된 레그(20)와, 선체(10)의 하부에 위치하여 부력을 갖는 보조 부력 유닛(30)을 포함한다.
구체적으로 설명하면, 해상에 부유하며 수직방향으로 관통된 복수 개의 레그 웰(leg well)(11)이 형성된 선체(10)와, 레그(20)웰의 내부에 승강 가능하게 설치되어 선체(10)를 지지하는 레그(20)와, 선체(10) 하부에 위치하고 레그(20)에 승강 가능하게 설치되며, 부력을 갖는 보조 부력 유닛(30)을 포함한다.
선체(10)는 부유식 해양구조물(1)의 본체로, 적어도 하나의 추진장치를 구비하여 해상에 부유하며 이동할 수 있다. 선체(10)는 상부와 하부를 관통하여 복수 개의 레그 웰(11)이 형성되고, 레그 웰(11)의 내부에는 레그(20) 및 스퍼드캔(22)이 배치된다. 선체(10)의 상부에는 부유식 구조물의 기능에 따른 피적재물이 적재될 수 있으며, 예를 들어, 작업지원선 등으로부터 장비를 선체(10)로 옮기거나, 선체(10)로부터 피적재물 등을 운반할 수 있는 크레인 등이 설치될 수 있다. 레그(20)와 스퍼드캔(22)이 설치된 선체(10)는 풍력 터빈 설치선(WTIV, Wind turbine installation vessel) 등을 예로 들 수 있다. 선체(10)의 형상은 한정될 것은 아니나, 부유식 해양구조물(1)이 풍력발전기 설치선인 경우 유선형으로 형성될 수 있으며, 잭업리그인 경우 다각형의 단면을 갖되 너비가 넓고 높이가 낮은 함체로 형성될 수 있다.
레그(20)는 선체(10)를 지지하는 지지다리로, 수직바에 경사바가 연결된 트러스 구조로 이루어진다. 레그(20)는 세 개의 수직바와 복수 개의 경사바가 결합된 삼각 트러스 구조로 형성되어 레그 웰(11)의 내측에 선체(10)의 상하부를 관통하도록 설치된다. 레그(20)는 레그 웰(11)의 내측에서 승하강 가능하도록 설치치되며, 레그 웰(11)의 내측에서 선체(10)의 하부로 슬라이딩 이동하여 해저면에 안착하거나, 선체(10)의 상부로 슬라이딩 이동하여 레그 웰(11) 내측에 배치시킬 수 있다. 이와 같이 형성된 레그(20)는 선체(10)에 복수 개가 설치될 수 있으며, 잭업 상태에서 본체의 하중을 지지할 수 있을 정도의 강성을 가질 수 있다. 레그(20)는 원기둥, 사각 트러스 구조, 삼각 트러스 구조 등 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 구조적 안정성을 위하여 보강재가 설치될 수도 있다. 본 명세서 상에서의 레그(20)는 삼각 트러스 구조를 예로 들어 설명하도록 한다.
스퍼드캔(22)은 레그(20)가 해저면에 안착 시 해저지반으로의 침투를 용이하게 하고 파지력을 높이기 위한 구조물로, 레그(20)의 하단부에 배치된다. 스퍼드캔(22)은 하부로부터 돌출 형성된 돌출부가 형성될 수 있으며, 레그(20)의 평면적보다 더 넓은 평면적을 갖도록 형성되어 레그(20)와 선체(10)를 더욱 안정적으로 지지하고 고정시킬 수 있다. 스퍼드캔(22)은 레그(20)와 함께 승강하여 해저면에 배치되거나 선체(10)의 하부에 배치될 수 있다.
한편, 선체(10)의 하부에는 보조 부력 유닛(30)이 배치될 수 있다.
보조 부력 유닛(30)은 해상에 부유할 수 있는 부유체로, 레그(20)의 외측면에 배치된다. 보조 부력 유닛(30)은 레그(20) 외측면을 따라 승강 가능하게 설치되며, 부력체(32)로 형성되어 해상에 부유할 수 있다. 보조 부력 유닛(30)은 잭업모드에 레그(20)를 따라 하부로 이동하여 선저면의 하부에 위치할 수 있으며, 항해모드에는 레그(20)를 따라 상부로 이동하여 선체(10)의 내부에 배치될 수 있다. 보조 부력 유닛(30)은 레그(20)에 형성된 랙기어(21)를 따라 이동하는 피니언기어(31)를 포함하는 승강부(30a)와, 승강부(30a)로부터 연장되어 부력부재가 설치되는 가이드프레임(30b)을 포함할 수 있다.
승강부(30a)는 보조 부력 유닛(30)의 일부분으로 레그(20)의 외측면을 둘러 싸도록 배치될 수 있다. 승강부(30a)는 레그(20)의 외측면을 둘러 싸는 프레임의 형태로 이루어지며 내부에 수용공간이 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 승강부(30a)는 내주면에 피니언기어(31)가 배치되어 레그(20)의 외주면에 배치된 랙기어(21)를 따라 승강할 수 있다. 승강부(30a)는 내주면에 복수 개의 피니언기어(31)가 배치되며, 피니언기어(31)는 구동부(33)에 의해 랙기어(21)를 따라 상하로 슬라이딩 이동할 수 있다. 또한, 피니언기어(31)는 레그(20)의 길이 방향으로 복수 개가 배치될 수 있으며, 피니언기어(31)의 상부 또는 하부나, 승강부(30a) 외측면의 상부 또는 하부에 가이드롤러(35)가 배치될 수도 있다.
가이드롤러(35)는 롤러 또는 톱니바퀴로 형성되어 레그(20)의 외주면을 따라 이동하면서 승강부(30a)의 이동을 가이드하는 역할을 한다. 가이드롤러(35)는 승강부(30a)의 내부에 배치되거나 승강부(30a)의 외부에 배치될 수 있으며, 구동부(33)와 연결되어 구동부(33)에 의해 구동될 수 있다. 본 명세서 상에서의 가이드롤러(35)는 승강부(30a)의 하부에 복수 개가 배치되어 승강부(30a)의 승강을 가이드하는 롤러 형상으로 형성되는 것을 예로 들어 설명하도록 한다.구동부(33)는 승강부(30a)를 구동시키는 일종의 모터로, 승강부(30a)의 내부 수용공간에 배치될 수 있다. 구동부(33)는 복수 개의 피니언기어(31)에 각각 배치되어 피니언기어(31)를 개별적으로 구동시키거나, 복수 개의 피니언기어(31)를 동시에 구동시킬 수 있으며, 가이드롤러(35)에도 연결되어 구동시킬 수 있다. 구동부(33)는 피니언기어(31)를 구동시켜 보조 부력 유닛(30)을 레그(20)의 외측면을 따라 상하부로 이동시키거나, 레그(20)와 접하고 있는 피니언기어(31)를 레그(20)로부터 이탈시켜 보조 부력 유닛(30)을 자유낙하시킬 수도 있다. 또한, 구동부(33)는 가이드롤러(35)를 레그(20)로부터 이탈시킬 수도 있다. 피니언기어(31)가 구동부(33)에 의해 레그(20)에 접하거나 레그(20)로부터 이탈하는 구조는 도 3 내지 도 5의 작동 과정에서 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2를 살펴보면, 승강부(30a)의 외측면에는 가이드프레임(30b)이 배치된다.
가이드프레임(30b)은 승강부(30a)를 가이드하는 가이드부재로, 승강부(30a)의 외주면을 둘러 싸도록 배치될 수 있다. 가이드프레임(30b)은 복수 개의 프레임이 결합되어 형성될 수 있으며, 복수 개의 프레임 사이에 해상에 부유할 수 있는 부력체(32)가 배치될 수 있다. 가이드프레임(30b)은 승강부(30a)로부터 연장되어 형성될 수 있으며, 승강부(30a)와 일체로 형성되거나, 복수 개의 프레임이 연결되어 승강부(30a)에 결합되어 형성될 수 있다. 가이드프레임(30b)의 복수 개의 프레임 사이에 부력체(32)가 배치되며, 부력체(32)는 폼플라스틱으로 이루어지거나, 공기 또는 가스에 의해 팽창하여 해상에 부유할 수 있는 팽창부력체 등과 같이 다양한 부력부재로 이루어질 수 있다. 본 명세서 상에서의 부력체(32)는 공기 또는 가스로 인해 팽창하는 팽창부력체로 형성되고, 가이드프레임(30b)은 승강부(30a)로부터 분리 형성되어 가이드프레임(30b)의 내주면이 승강부(30a)의 외주면에 결합되는 것을 예로 들어 설명하도록 한다. 가이드프레임(30b)의 외주면에는 완충부재(34)가 배치될 수 있다.
완충부재(34)는 가이드프레임(30b)의 외측에 가해지는 충격과 진동을 완화하는 보호부재로 가이드프레임(30b)의 외측면에 배치될 수 있다. 완충부재(34)는 잭업모드 상태에서 레그(20)의 주변으로 이동하는 선박 등의 부유체가 다른 선박과의 충돌에 대비할 수 있으며, 충돌 시에 가이드프레임(30b)에 가해지는 충격과 진동을 완화하여 레그(20)와 선체(10)에 대한 응력의 집중을 막아 레그(20)에 가해지는 구조적 손상을 막을 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 부유식 해양구조물의 보조 부력 유닛의 작동과정에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 선저면에 배치된 보조 부력 유닛(30)이 하강하고 있는 도면이고, 도 4는 레그(20)의 기울임에 따라 보조 부력 유닛(30)의 부력체(32)가 팽창하고 있는 도면이고, 도 5는 보조 부력 유닛(30)이 해상으로 자유낙하하는 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 도 3의 (a)는 보조 부력 유닛(30)이 선체(10)의 하부에 위치하고 있다가 잭업모드로 변동 시 레그(20)를 따라 하강하고 있는 도면을 도시하고 있으며, 도 3의 (b)는 도 3의 보조 부력 유닛(30)이 확대된 도면을 도시하고 있다. 도 3의 (a)를 참조하면, 항해모드에 있는 선체(10)가 특정위치로 이동한 후에, 잭업모드로 변경하기 위해 레그(20)를 하강시켜 스퍼드캔(22)이 해저면에 안착한다. 잭업모드로 변경된 선체(10)의 하부에는 보조 부력 유닛(30)이 배치되어 있으며, 레그(20)가 해저면에 안착한 후에 보조 부력 유닛(30)이 레그(20)의 외주면을 따라 하부로 이동하게 된다. 보조 부력 유닛(30)이 프리로딩(pre-loading)이 완료된 후에는 선저면과 해수면 사이에 배치되어 있어 레그(20)의 구조적인 취약부분을 보강해줄 수 있다.
계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4의 (a) 선체(10)의 내부를 관통하여 배치된 레그(20)가 어느 한 방향으로 기우는 도면을 도시하고 있으며, 도 4의 (b)는 도 4의 (a)의 보조 부력 유닛(30)을 확대 도시한 도면을 도시하고 있다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 레그(20)가 어느 한 방향으로 기울다가 일정 각도 이상 기울어질 경우 보조 부력 유닛(30)의 부력체(32)는 팽창하여 부풀게 되고, 피니언기어(31)는 랙기어(21)로부터 이탈하게 된다. 이때, 부력체(32)는 자이로센서 등과 같은 센서부에 의해 레그(20)의 수직 기울기가 기준치 이상 기울어지면 팽창하게 되고, 피니언기어(31)는 구동부(33)에 의해 랙기어(21)로부터 이탈하게 된다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 보조 부력 유닛(30)이 해상에 부유할 수 있을 정도로 팽창하게 되면, 피니언기어(31)는 랙기어(21)로부터 이탈하게 되고 보조 부력 유닛(30)은 하강하게 된다.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)와 도 5의 (b)는 해상에 부유하고 있는 보조 부력 유닛(30)을 도시하고 있다. 랙기어(21)로부터 이탈한 피니언기어(31)는 그대로 수직 하강하여 해상에 부유할 수 있다. 레그(20)의 외측을 둘러싸고 있는 보조 부력 유닛(30)이 해상에 부유함으로써 레그(20)가 과도하게 기울어지는 현상을 방지할 수 있으며, 이로 인해 선체(10)가 전복되는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 레그(20)의 과도하게 긴 길이로 인한 불안정한 무게중심과, 선체(10)의 과도한 적재하중과, 해저 경사의 불일치 등 여러가지 인자로 인하여 어느 하나의 레그(20)의 편심하중이 발생하거나 구조적인 손상이 발생하여 레그(20)가 기울어지는 문제로 인해 발생하는 선체(10)가 전복되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 선체(10)의 침식 현상을 방지함으로써, 의장장비들의 구조적인 손상을 방지하여 장비의 수명을 연장시킬 수 있는 장점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 부유식 해양구조물 10: 선체
11: 레그 웰(leg well) 20: 레그
21: 랙기어 22: 스퍼드캔
30: 보조 부력 유닛 30a: 승강부
30b: 가이드프레임 31: 피니언기어
32: 부력체 33: 구동부
34: 완충부재 35: 가이드롤러

Claims (8)

  1. 해상에 부유하며 수직방향으로 관통된 복수 개의 레그 웰(leg well)이 형성된 선체;
    상기 레그 웰 내부에 승강 가능하게 설치되어 상기 선체를 지지하는 레그; 및
    상기 레그에 형성된 랙기어를 따라 이동하는 피니언기어를 포함하는 승강부와, 상기 승강부로부터 연장되어 부력부재가 설치되는 가이드프레임을 포함하며, 상기 선체 하부에 위치하고 상기 레그의 외측면을 따라 승강 가능하게 설치되며, 부력을 갖는 보조 부력 유닛; 및
    상기 레그의 기울기를 감지하는 센서부를 포함하며,
    상기 승강부는, 상기 피니언기어를 회전구동하고, 상기 피니언기어를 상기 랙기어로부터 이탈시키는 구동부를 더 포함하며,
    상기 보조 부력 유닛은 상기 센서부로부터 상기 레그의 수직기울기가 기준치 이상 기울어짐을 감지하면 팽창한 후에 상기 피니언기어를 상기 랙기어로부터 이탈시켜 자유낙하하는 포함하는 부유식 해양구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 부력 유닛은 팽창하여 부력을 형성하는 팽창부력체를 포함하는 부유식 해양구조물.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가이드프레임 외측에 충격을 흡수하는 완충부재를 더 포함하는 부유식 해양구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보조 부력 유닛의 상부 또는 하부에 결합되며 상기 레그에 지지되어 굴러가는 가이드롤러를 더 포함하는 부유식 해양구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보조 부력 유닛은 상기 선체 하부에 삽입되는 부유식 해양구조물.
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