KR102015212B1

KR102015212B1 - 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치

Info

Publication number: KR102015212B1
Application number: KR1020180011139A
Authority: KR
Inventors: 백동일; 조효제; 오태원; 배성우; 김재희; 임재환; 이태경; 이민준
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-08-27
Also published as: KR20190091955A

Abstract

본 발명은 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 해양구조물을 구성하는 실린더형 구조물에 해류의 흐름에 대해 진동하며 난류를 발생시킬 수 있는 스트링을 설치하여 해양 구조물의 와류기 진동을 줄일 수 있는 장치로서, 실린더형 구조물에 설치되는 스트링은 양측 스트링이 소정의 사잇각을 이루며 대칭적으로 설치되거나, 해류의 흐름에 대해 수직한 방향으로 설치되어 실린더형 구조물에 작용하는 항력과 수평력을 감소시켜 해양구조물에 발생하는 와류기 저항을 감소시킬 수 있어 그 구성이 간단하고, 유지 및 보수가 용이하며, 설치비용을 줄여 경제성을 도모할 수 있는 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 실린더형 구조물; 및 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실리더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링을 포함하고, 실린더형 구조물에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링은 실린더형 구조물의 중앙부에 해당하는 위치에 유체의 흐름 방향에 대해 수직하게 위치하는 것을 포함하는 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치를 제공한다.

Description

해양구조물의 와류기 진동 저감 장치 {Vortex induced vibration reduction device of offshore structure}

본 발명은 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 해양구조물을 구성하는 실린더형 구조물에 해류의 흐름에 대해 진동하며 난류를 발생시킬 수 있는 스트링을 설치하여 해양 구조물의 와류기 진동을 줄일 수 있는 장치로서, 실린더형 구조물에 설치되는 스트링은 양측 스트링이 소정의 사잇각을 이루며 대칭적으로 설치되거나, 해류의 흐름에 대해 수직한 방향으로 설치되어 실린더형 구조물에 작용하는 항력과 수평력을 감소시켜 해양구조물에 발생하는 와류기 저항을 감소시킬 수 있어 그 구성이 간단하고, 유지 및 보수가 용이하며, 설치비용을 줄여 경제성을 도모할 수 있는 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치에 관한 것이다.

해저에 매장된 석유 또는 천연가스를 포함한 해양 유전개발을 개발하기 위한 해양플랜트 산업에는 첨단의 시추 장비가 사용된다.

해양플랜트 산업에 사용되는 해양 구조물에는 스파(Spar), 라이저(Riser) 등의 실린더형 구조물이 사용된다.

이러한 실린더형 구조물은 해양 속에 잠겨 있을 경우, 해류에 의해 와류(vortex)를 발생시킨다. 이로 인해 실린더형 구조물에 압력이 가해지고, 특히 상하로 가장 큰 압력을 받아 실린더형 구조물이 상하로 진동하게 되는 와류기 진동(VIV, Vortex Induced Vibration)이 발생하게 된다.

또한, 실린더형 구조물의 고유진동수에 맞는 외력이 가해지게 되면 공진하게 되어, 더 큰 압력, 더 큰 폭의 진동이 실린더형 구조물에 가해지게 되고 실린더형 구조물의 변형, 피로 손상 등이 발생할 위험성이 있다. 이는 실린더형 구조물의 수명을 단축시키는 동시에 선박 또는 해양 구조물의 시추 시스템에 부정적인 영향을 끼치게 된다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 나선형 구조의 스트레이크(strake)를 실린더형 구조물 표면에 부가하거나 외관에 톱니와 같은 기하학적 변화를 주어 구조물의 외면 형태를 변형하여 와류기 진동을 저감시키고자 노력하였다.

그러나, 이와 같은 방법은 실린더형 구조물에 스트레이크를 용접해야 하는 등 그 구성과 공정이 복잡하고, 해양 구조물에 적재시 스트레이크 때문에 적재 공간이 부족하며, 비용 증가, 유지 및 보수 등에 문제점이 있다.

삭제

선행기술문헌 : KR공개특허공보 제10-2017-0021530호(2017년02월28일 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 해양구조물을 구성하는 실린더형 구조물에 해류의 흐름에 대해 진동하며 난류를 발생시킬 수 있는 스트링을 설치하여 해양 구조물의 와류기 진동을 줄일 수 있는 장치로서, 실린더형 구조물에 설치되는 스트링은 양측 스트링이 소정의 사잇각을 이루며 대칭적으로 설치되거나, 해류의 흐름에 대해 수직한 방향으로 설치되어 실린더형 구조물에 작용하는 항력과 수평력을 감소시켜 해양구조물에 발생하는 와류기 저항을 감소시킬 수 있어 그 구성이 간단하고, 유지 및 보수가 용이하며, 설치비용을 줄여 경제성을 도모할 수 있는 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치는 실린더형 구조물; 및 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실리더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링을 포함한다.

또한, 실린더형 구조물에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링은 유체의 흐름 방향에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물의 전방에 양 스트링이 사잇각을 형성하며 대칭적으로 위치하는 것를 포함한다.

또한, 실린더형 구조물에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링은 실린더형 구조물의 중앙부에 해당하는 위치에 유체의 흐름 방향에 대해 수직하게 위치하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실린더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링은 다수 개가 병렬적으로 구비되는 것을 포함할 수 있다.

또한, 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실리더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링은 유체의 흐름 방향에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물의 실린더형 구조물의 전방에서 중앙부까지 다수 개가 대칭적인 위치에 직렬적으로 구비되는 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 간단한 구조에 의해 해양구조물에 발생하는 와류기 저항을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

또하, 제작에 따른 비용 부담을 줄일 수 있어 경제성을 도모할 수 있으며, 설치와 유지 및 보수가 용이한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치를 도시한 사시도,
도 2는 실린더형 구조물에 설치되는 스트링의 위치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치의 성능 실험을 위한 실시예를 도시한 도면,
도 4는 도 3의 실험에 따른 와류기 진동 저감장치가 구비된 실린더형 구조물에서 해류의 유속에 따른 항력변화를 도시한 도면,
도 5는 와류기 진동 저감장치가 구비된 실린더형 구조물에서 해류의 유속에 대해 시간의 경과에 따른 수평력을 도시한 도면,
도 6은 수평력 감소 효과를 수치화하여 그래프로 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 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. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치를 도시한 사시도, 도 2는 실린더형 구조물에 설치되는 스트링의 위치를 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치의 성능 실험을 위한 실시예를 도시한 도면, 도 4는 도 3의 실험에 따른 와류기 진동 저감장치가 구비된 실린더형 구조물에서 해류의 유속에 따른 항력변화를 도시한 도면, 도 5는 와류기 진동 저감장치가 구비된 실린더형 구조물에서 해류의 유속에 대해 시간의 경과에 따른 수평력을 도시한 도면, 도 6은 수평력 감소 효과를 수치화하여 그래프로 도시한 도면이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치는, 도 1을 참조하면, 실린더형 구조물(10), 및 스트링(20)을 포함하여 이루어진다.

먼저, 본 발명에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치는 해양구조물에 부착되는 실린더형 구조물(10)의 대칭적인 위치에 장력의 조절이 가능한 스트링(20)을 설치하여 해양 구조물의 와류기 진동을 저감할 수 있는 장치로서, 실린더형 구조물(10)에 설치되는 스트링(20)은 해류의 흐름에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물(10)의 전방에 양측 스트링(20)이 소정의 사잇각을 이루며 대칭적으로 설치되거나, 해류의 흐름에 대해 수직한 방향에 설치되어 실린더형 구조물(10)에 작용하는 항력과 수평력을 감소시켜 해양구조물에 발생하는 와류기 저항을 감소시키는데 그 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치를 구성하는 구성 요소에 대해 상세하게 설명한다.

실린더형 구조물(10)은 도 1을 참조하면, 해양구조물에 사용되는 라이저(Riser), 스파(Spar), 텐돈(Tendon), 엄빌리컬(Umbilical)케이블, 점퍼(Jumper)를 포함하여 단면의 형상이 원형으로 석유 또는 천연가스 시추장비가 구비된 해양구조물에서 해저로 연결되어 해류의 흐름에 직접적으로 영향을 받을 수 있는 구조물에 해당한다.

스트링(20)은 도 1을 참조하면, 실린더형 구조물(10)의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물(10)과 소정의 간격을 두고 실리더형 구조물의 길이 방향으로 구비된다.

스트링(20)은 실린더형 구조물(10)의 양측 단부에 스트링(20) 고정구에 의해 고정될 수 있으며, 스트링(20) 고정구에는 스트링(20)의 장력을 조절할 수 있는 윈치 등의 장력조절장치가 구비될 수 있다.

스트링(20)은 유체의 흐름에 대해 저항하며 진동을 하게 되고, 이때 스트링(20) 주변 유체의 흐름은 난류를 형성하며, 실린더형 구조물(10)의 전방과 후방의 압력차를 줄여 실린더형 구조물(10)에 작용하는 항력과 수평력을 감소시키는 기능을 수행한다.

구체적으로, 어떤 물체가 유체의 흐름에 저항할 때 항력(drag force)이 발생하게 되는데, 실린더형 구조물(10)의 경우, 뒤쪽에 와류(vortex)가 발생하고, 실린더형 구조물(10)의 전방과 후방의 압력차로 인해 뒤로 당기는 힘, 즉 항력이 발생하게 된다.

또한, 유체가 실린더형 구조물(10)을 지나갈 때 마찰에 의해 운동에너지가 손실되어 실린더형 구조물(10)의 주위 유체 흐름을 따라가지 못하고 박리가 일어나는데 이러한 박리 현상에 의해서도 항력이 발생하게 된다

박리는 유체의 흐름 속에 놓인 물체에 부딪히면서 상하로 분리되는 것을 말하며, 이 지점을 박리점이라고 하며 박리점에서는 유체 흐름의 일부가 난류로 떨어져 나가며 운동에너지의 차이를 발생시키고, 이 차이에 의해 물체에 진동을 일으키게 되는 것이다.

본원발명에서 실린더형 구조물(10)에 설치된 스트링(20)은 유체의 흐름에 대해 진동이 발생하며 주변 유체의 흐름에 난류를 발생시는 동시에 유체의 박리점을 실린더형 구조물(10)의 후방에서 멀리 떨어진 지점으로 놓이게 하여 실린더형 구조물(10)의 전방과 후방의 압력차를 줄여 실린더형 구조물(10)에 가해지는 항력의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있는 것이다.

한편, 본원발명에서 실린더형 구조물(10)에 설치되는 스트링(20)은 설치되는 위치에 따라 그 성능을 달리할 수 있다.

아래의 표 1은 실린더형 구조물(10)의 양측 대칭적인 위치에 구비되는 스트링(20)의 굵기, 스트링(20)이 설치되는 위치 따른 실험 조건을 나타내는 것이며, 도 2는 해류의 흐름에 대해 실린더형 구조물(10)에 스트링(20)이 설치되지 않은 것(case 1)과 스트링(20)이 중앙부에 설치되는 경우(case 2 내지 case 5) 스트링(20)이 실린더형 구조물(10)의 전방에 소정의 사잇각을 형성하는 설치되는 경우(case 6)를 도시한 것이다.

	Size	String (Thickness)	Position change
Case 1	Diameter 0.075m Length 0.75m	-	-
Case 2		Nickel(0.1cm²)	90°
Case 3		Nickel(0.2cm²)	90°
Case 4		Nickel(0.3cm²)	90°
Case 5		Nickel(0.5cm²)	90°
Case 6		Nickel(0.5cm²)	60°

먼저, 도 2를 참조하면, 본원발명에서 실린더형 구조물(10)에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링(20)은 유체의 흐름 방향에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물(10)의 전방에 양 스트링(20)이 0 도 보다는 크고 180 도 보다는 작은 사잇각을 형성하며 실린더형 구조물(10)에 대칭적으로 위치한다.

또한, 도 2를 참조하면, 실린더형 구조물(10)에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링(20)은 실린더형 구조물(10)의 중앙부 즉, 양 스트링(20)의 사잇각이 180도 해당하는 위치에 유체의 흐름 방향에 대해 수직하게 위치할 수 있다.

상술한 실린더형 구조물(10)에 설치되는 스트링(20)의 위치에 따른 성능 실험은 도 3에서와 같은 장치에 의해 실험이 이루어졌으며, 그 결과는 도 4 내지 도 6에 나타난 바와 같다.

먼저, 도 4를 살펴보면, 도 4는 해류의 유속에 따른 항력변화를 도시한 것으로 해류의 흐름에 대해 스트링(20)이 실린더형 구조물(10)에 소정의 사잇각을 형성하며 설치되거나, 스트링(20)이 실린더형 구조물(10)의 중앙부에 설치될 경우, 이론값에 근접하며 항력이 감소하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 5는 해류의 유속에 대해 시간의 경과에 따른 수평력을 도시한 것으로 진폭의 크가가 수평력의 크기를 의미한다.

도 5에 도시한 바와 같이 표 1의 조건에서 실린더형 구조물(10)에 스트링(20)이 구비된 모든 경우에 있어 수평력이 감소하는 것을 알 수 있다. 여기서 유속이 증가할 수 록 수평력의 감소 효과가 뚜렷함을 알 수 있다.

아래의 표 2는 수평력 감소효과를 수치화하여 정량적으로 나타낸 것이며, 도 6은 표 2에 나타난 수평력 감소 효과를 수치화하여 그래프로 도시한 것으로 실린더형 구조물(10)에 스트링(20)이 설치되어 있지 않은 것(case 1)과 비교해 볼 때, 실린더형 구조물(10)에 스트링(20)이 설치된 경우(case 2 내지 case 6) 수평력 저감 성능이 약 70% 정도가 됨을 확인할 수 있다.

V [m/s]	Case2	Case3	Case4	Case5	Case6
0.3	28%	19%	9%	25%	-29%
0.4	21%	33%	15%	23%	0%
0.5	46%	41%	41%	10%	-8%
0.6	33%	49%	44%	53%	47%
0.7	29%	54%	60%	62%	28%
0.8	35%	54%	52%	51%	50%
0.9	68%	75%	70%	74%	58%
1	66%	74%	72%	77%	61%
1.1	70%	69%	68%	71%	43%

한편, 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실린더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링은 다수 개가 나란하게 날개가 펼쳐진 형태로 병렬적으로 구비될 수 있다.

또한, 실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실린더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링은 유체의 흐름 방향에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물의 외주면을 따라 실린더형 구조물의 전방에서 중앙부까지 다수 개가 대칭적인 위치에 직렬적으로 구비되어 다단적으로 난류를 발생시킬 수도 있다.

한편, 실린더형 구조물(10)에 설치되는 스트링(20)은 실린더형 구조물(10)의 외주면 가장자리를 따라 회전할 수 있는 회전 장치와 연결되어 해류의 방향에 따라 해류의 흐름에 대해 수직한 방향에 위치할 수 있도록 회전이 가능할 수 있다.

즉 해수가 어느 방향으로 흘러가더라도 스트링(20)이 그에 따라 자유롭게 회전함으로써, 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.

한편, 상술한 실험에서 실린더형 구조물(10)에 설치되는 스트링(20)의 굵기는 항력이나 수평력의 변화에 큰 영향을 미치지 못하고, 스트링(20)이 설치되는 위치가 항력 및 수평력에 영향을 미치는 것을 알 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 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 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.

10 - 실린더형 구조물 20 - 스트링

Claims

삭제
실린더형 구조물; 및
실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실리더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링
을 포함하고,
실린더형 구조물에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링은 유체의 흐름 방향에 대해 저항하며 난류를 발생시킬 수 있도록 실린더형 구조물의 전방에 양 스트링이 사잇각을 형성하며 대칭적으로 위치하는 것
을 포함하며,
실린더형 구조물에 대해 대칭적인 위치에 구비되는 스트링은 실린더형 구조물의 중앙부에 해당하는 위치에 유체의 흐름 방향에 대해 수직하게 위치하는 것
을 포함하고,
스트링은 실린더형 구조물의 양측 단부에 스트링 고정구에 의해 고정되며, 스트링 고정구에는 스트링의 장력을 조절할 수 있는 장력조절장치가 구비되는 것
을 포함하는, 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치.
삭제
제2항에 있어서,
실린더형 구조물의 양 측면 대칭적인 위치에 실린더형 구조물과 간격을 두고 실린더형 구조물의 길이 방향으로 구비되는 스트링은 다수 개가 병렬적으로 구비되는 것
을 포함하는, 해양구조물의 와류기 진동 저감 장치.
삭제