KR102247760B1 - 해양구조물 - Google Patents

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Abstract

해양구조물이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 해양구조물은 플랫폼; 및 상기 플랫폼을 지지하고, 상기 플랫폼에 부력을 제공하는 부유체를 포함하고, 상기 부유체에는 수면에 걸쳐 상하방향으로 연장되는 중공부가 형성되고, 상기 중공부는 아래에서 위로 갈수록 수평단면의 면적은 좁아진다.

Description

해양구조물{Offshore structure}
본 발명은 해양구조물에 관한 것이다.
심해 등의 해저자원 원유 및 가스 개발을 위한 해양구조물은 크게 4가지, 즉, 스파(SPAR), 반잠수식 해양구조물해양구조물(Semi-submersible offshore structure), 티엘피(TLP), 에프피에스오(FPSO)로 나눈다. 각각의 해양구조물은 저마다의 장단점이 있다.
스파는 운동성능 특히 상하운동(Heave) 성능이 뛰어나지만 생산한 자원(Oil 또는 Gas)을 저장할 수 없는 단점이 있다.
티엘피는 상당히 운동성능이 뛰어나지만, 대수심으로 갈수록 텐던(Tendon)이라는 텐션 레그(Tension leg)의 가격이 상당히 비싸져서 경제성의 문제점이 있으며, 손상 조건(Damaged condition)에서의 안전성(stability) 관점에서도 항상 문제점이 거론되고 있다.
에프피에스오는 생산한 자원을 저장하는 성능(playload)은 최대로 크지만, 극한파랑에서 운동성능이 다른 형태의 해양구조물에 비해 상대적으로 좋지 않다는 단점이 있다.
반잠수식 해양구조물은 운동성능이 뛰어난 스파와 생산한 자원을 저장하는 성능이 좋은 에프피에스오의 장점을 합쳐 놓은 형상으로, 스파와 에프피에스오의 중간형태를 가진다.
반잠수식 시추선(Drilling rig)에서는 해저개발을 위해 시추 라이저(Drilling riser)의 운용을 위해 플랫폼의 상하운동(Heave) 성능이 가장 중요하다. 물론, 시추 휴지기(Drilling downtime)를 줄이기 위해 고가의 상하동요 저감장치(Heave compensator)를 장착하지만, 상하동요 저감장치(Heave compensator)의 스트로크 한계(Stroke limit)가 커질수록 장비가격이 급격히 상승하는 문제점이 있다.
더욱이 현존의 기술로는 스트로크 한계(Stroke limit)를 무한정 키울 수　없는 단점이 있다. 따라서, 해양플랫폼의 상하운동을 형상 및 하중 조건(Loading condition)의 관점에서 향상시킬 필요가 있다.
해양구조물인 세미 리그(Semi-Rig)의 상하운동(Heave) 운동특성(RAO: Response amplitude operator)은 일반적으로 도 1과 같다. 도 1의 제1피크는 세미 리그의 컬럼(Column)에 의한 것이고, 제2피크는 수면하의 바지(Barge) 형상의 폰툰(Pontoon)에 의한 운동응답을 나타내는 것이다.
해양구조물의 상하운동 성능을 향상시키기 위해 도 1의 제1피크 및 제2피크를 낮추는 것이 필요하다.
본 발명의 실시예는, 상하운동 성능이 향상된 해양구조물을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 플랫폼; 및 상기 플랫폼을 지지하고, 상기 플랫폼에 부력을 제공하는 부유체를 포함하고, 상기 부유체에는 수면에 걸쳐 상하방향으로 연장되는 중공부가 형성되고, 상기 중공부는 위에서 아래로 갈수록 수평단면의 면적은 커지는, 해양구조물이 제공될 수 있다.
상기 중공부의 수평단면은 원형 또는 다각형을 가질 수 있다.
상기 부유체의 외형은 원뿔 또는 원기둥 형상을 가질 수 있다.
시추 라이저는 상기 중공부를 통해 해저로 연장될 수 있다.
상기 부유체의 수면 아래에 위치하는 영역은 링 형상을 가질 수 있다.
상기 부유체는 복수의 텐던에 의해 해저에 지지될 수 있다.
상기 복수의 텐던은, 상기 부유체의 원주 방향으로 상호 이격되어 배치될 수 있다.
상기 복수의 텐던은, 상호 등간격으로 배치될 수 있다.
상기 부유체에는 상기 텐던들을 지지하도록 측방향으로 연장된 연장부가 형성될 수 있다.
상기 연장부는 상기 텐던의 개수에 대응하여 복수로 제공되고, 상기 복수의 연장부는 상기 부유체의 원주 방향으로 상호 이격되어 배치될 수 있다.
상기 연장부는 상기 부유체를 전체적으로 둘러싸는 링 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 부력을 제공하는 부유체에 수면에 걸쳐 상하방항으로 연장되고 아래에서 위로 갈수록 수평단면의 면적이 좁아지는 중공부가 형성됨으로써 해양구조물의 상하운동 성능이 향상된다.
도 1은 해양구조물인 세미 리그(Semi-Rig)의 상하운동(Heave) 운동특성(RAO: Response amplitude operator)을 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물을 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 부유체를 나타내는 사시도이고,
도 4는 도 3에 도시된 부유체의 변형례를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 상하운동(heave) 성능이 향상되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해양구조물을 나타내는 도면이고,
도 7은 도 6의 A-A 선에 따른 단면을 나타내는 도면이고,
도 8은 도 6에 도시된 해양구조물의 일 변형례를 나타내는 도면이고,
도 9는 도 8의 B-B 선에 따른 단면을 나타내는 도면이고,
도 10은 도 6에 도시된 해양구조물의 다른 변형례를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 부유체를 나타내는 사시도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 해양구조물(100)은 플랫폼(110), 부유체(130)를 포함하고, 해상에서 원유 또는 가스 등의 시추 작업 또는 생산 작업 등을 수행한다. 본 실시예에 따른 해양구조물(100)은 일종의 세미 리그(Semi-Rig) 또는 세미 에프피유(Semi-FPU) 형태를 가진다.
플랫폼(110)은 수면 위에 위치한다. 플랫폼(110)에는 시추 설비 등 각종 장비(112)가 탑재된다.
플랫폼(110)의 아래에는 부유체(130)가 배치된다. 플랫폼(110)은 부유체(130)에 의해 지지되고, 부유체(130)는 플랫폼(130)에 부력을 제공한다. 플랫폼(110)은 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 지지부재(120)를 매개로 부유체(130)의 상부에 지지될 수 있다. 대안적으로 도시되지 않았으나 플랫폼(110)은 부유체(130)의 상부에 직접 지지될 수 있다.
부유체(130)는 해상에 부유한다. 이때, 부유체(130)의 일부는 수면 아래에 잠겨 부력을 생성하고, 부유체(130)의 나머지는 수면 위에 놓여 플랫폼(110)을 지지한다. 이러한 부유체(130)는 종래 해양구조물의 폰툰과 컬럼의 역할을 동시에 수행한다.
부유체(130)는 발라스트 탱크(미도시)를 가지고 있어 부력 조절이 가능하다.
부유체(130)에는 수면에 걸쳐 상하 방향으로 연장된 중공부(133)가 형성된다. 중공부(133)의 하면은 개방되어 부유체(130)가 해상에 부유하는 동안 수면이 중공부(133)를 따라 오르락 내리락 한다. 중공부(133)의 상면은 개방될 수 있다.
중공부(133)가 형성된 부유체(130)는 수면 아래에 잠겨 부력을 생성하는 영역과 수면 위에 놓여 플랫폼(110)을 지지하는 영역 모두 링 형상을 가진다.
중공부(133)는 위에서 아래로 갈수록 수평단면의 면적이 커지도록 형성된다. 이때, 중공부(133)의 내측면은 경사면을 이룬다. 이와 같은 형상의 중공부(133)는 부유체(130) 또는 해양구조물(100)의 상하운동(heave) 성능을 향상시킨다. 이에 대한 설명은 후술한다.
중공부(133)는 도 3과 같이 원형의 수평단면을 가질 수 있다. 대안적으로 중공부는 도시되지 않았으나 다각형의 수평단면을 가질 수 있음은 물론이다.
부유체(130)의 외형은 도 3과 같이 원뿔 형상을 가질 수 있다. 대안적으로 부유체(130')의 외형은 도 4와 같이 원기둥 형상을 가질 수 있다. 참고로 도 4는 도 3에 도시된 부유체의 변형례를 나타내는 도면이다.
위와 같은 외형을 가지는 부유체(130, 130')는 사방으로 동일한 형태를 가지는 원형의 수평단면을 갖기 때문에 바람, 파도, 해류와 같은 외란의 방향에 특별히 영향을 받지 않고 거동한다.
다만, 부유체의 수평단면은 다각형 형상을 가질 수 있음은 물론이다. 이러한 다각형 형상의 수평단면을 가지는 부유체는 외란의 방향에 따라 수평 방향의 거동이 다르게 나타날 수 있다.
예컨대, 일 방향에서 수평단면이 다각형인 부유체로 외란이 작용하는 경우 외란의 영향을 덜 받아 이에 대한 수평 방향 거동의 크기가 작아질 수 있다. 그리고 다른 방향에서 수평단면이 다각형인 부유체에 외란이 작용하는 경우 외란의 영향을 많이 받아 이에 대한 수평 방향 거동의 크기가 커질 수 있다.
이와 같이 부유체가 다각형의 수평단면을 가지는 경우, 해양구조물은 외란의 방향에 따라 수평 방향 거동이 좋아지거나 나빠질 수 있는 양면성을 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해양구조물의 상하운동(heave) 성능이 향상되는 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다. 참고로 도 5는 도 2에서 플랫폼(110)을 삭제하고 부유체(130)의 내부가 나타나도록 도시되었다.
도 5를 참조하면, 해상에 부유체(130)가 부유한다. 이때, 부유체(130)는 상하운동(heave) 한다. 부유체(130)의 상하운동의 크기는 해상 상태에 따라 결정된다. 부유체(130)가 상하운동할 때 중공부(133) 내의 수면도 중공부(133)를 따라 상하운동한다.
본 실시예에 따르면, 부유체(130)에 형성된 중공부(133)는 부유체(130)가 상하운동을 하는 과정에서 댐퍼 역할을 한다. 중공부(133)는 아래에서 위로 갈수록 수평단면의 면적이 좁아지도록 형성된다. 이 경우, 부유체(130)가 하강하는 과정에서 중공부(133) 내의 물이 중공부(133)의 내측 경사면과 부딪혀 부유체(130)가 하강하는 힘을 반감시킴으로써 부유체(130)의 상항운동을 댐핑한다.
이러한 댐핑 작용에 의해 해양구조물(100)은 도 1에 도시된 제1피크가 낮아져 상하운동 성능이 향상된다. 통상적으로 제1피크가 있는 영역은 생존조건(Survival operating condition) 또는 최대운용조건(Maximum operating condition)이 있는 파주기 영역이 되므로, 해양구조물(100)은 위와 같은 조건에서 향상된 운동성능을 가질 수 있다.
본 실시예에 따르면, 부유체(130)는 수직방향 파랑하중(Vertical wave load)을 작게 받는다. 해양구조물(100)에 부력을 제공하는 부유체(130)는 수면아래의 영역이 링 형상을 가지고 넓은 범위를 커버하는 형태를 가지며 수선면적이 상대적으로 작기 때문에 통상적인 해양구조물의 폰툰에 비해 수직방향 파랑하중(Vertical wave load)을 작게 받는다. 이 경우, 도 1에 도시된 제2피크가 낮아지게 되어 해양구조물(100)의 상하운동 성능이 향상된다.
통상적으로 제2피크가 있는 영역은 일반운용조건(Normal operating condition)이 있는 일상 해상파의 파주기 영역이 되므로, 본 실시예에 따른 해양구조물(100)은 일상 해상파에서도 향상된 운동성능을 가질 수 있다.
한편, 시추 라이저(미도시)는 상하방향으로 연장된 중공부(133)를 통해 해저로 연장될 수 있다. 이 경우, 시추 라이저는 부유체(130)에 의해 둘러싸이게 되어 외부 충격으로부터 시추 라이저를 보호할 수 있다. 참고로 통상적인 해양구조물은 시추 라이저를 보호하기 위해 별도의 보호 장비가 사용된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 해양구조물을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 A-A 선에 따른 단면을 나타내는 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 해양구조물(200)은 플랫폼(110), 부유체(130) 및 텐던(Tendon)(150)을 포함한다. 본 실시예에 따른 해양구조물(200)은 앞선 실시예에 따른 해양구조물(100)에 텐던(150)이 추가된 형태로서, 일종의 티엘피(TLP : Tension Leg Platform) 형태를 가진다.
텐던(150)은 부유체(130)를 해저에 지지하여 부유체(130)의 운동 성능을 향상시킨다. 텐던(150)은 복수로 제공될 수 있다. 부유체(130)에는 텐던(150)을 지지하기 위한 포치(Porch)(155)가 형성될 수 있다. 포치(155)는 텐던(150)의 개수에 대응하여 복수로 제공될 수 있다.
복수의 포치(150)는 원형 단면을 가지는 부유체(130)의 외주면 또는 원주 방향으로 상호 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 복수의 포치(150)는 상호 등간격으로 이격 배치될 수 있다.
복수의 포치(155)는 대칭 구조로 배치될 수 있다. 이 경우, 복수의 텐던(150) 중 어느 하나가 페일(fail)되면, 이와 대칭적으로 반대쪽에 위치하는 텐던을 느슨하게 하거나 제거하여 부유체(130)의 안정성을 확보할 수 있다.
도 8은 도 6에 도시된 해양구조물의 일 변형례를 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 B-B 선에 따른 단면을 나타내는 도면이다. 도 8 및 도 9를 참조하면, 부유체(130)에는 연장부(160)가 형성될 수 있다. 연장부(160)는 텐던(150)을 지지한다. 연장부(160)에는 텐던 포치(155)가 형성될 수 있다.
텐던(150)이 부유체(130)에서 측방향으로 연장된 연장부(160)에 지지되는 경우 지지 범위가 넓어져 부유체(130)의 운동 성능이 더욱 향상될 수 있다.
연장부(160)는 복수로 제공될 수 있다.
복수의 연장부(160)는 원형 단면을 가지는 부유체(130)의 외주면 또는 원주 방향으로 상호 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 복수의 연장부(160)는 상호 등간격으로 이격 배치될 수 있고, 대칭 구조로 배치될 수 있다.
대안적으로 연장부(160')는 도 10과 같이 원형 단면을 가지는 부유체(130)를 전체적으로 둘러싸는 링 형상을 가질 수 있다. 참고로 도 10은 도 6에 도시된 해양구조물의 다른 변형례를 나타내는 도면이다.
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.
100 : 해양구조물
110 : 플랫폼
130 : 부유체
133 : 중공부

Claims (7)

  1. 플랫폼; 및
    상기 플랫폼을 지지하고, 상기 플랫폼에 부력을 제공하는 부유체를 포함하고,
    상기 부유체에는 수면에 걸쳐 상하방향으로 연장되는 중공부가 형성되고,
    상기 중공부는 위에서 아래로 갈수록 수평단면의 면적은 커지며,
    상기 중공부의 상면과 하면은 개방되는, 해양구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중공부의 수평단면은 원형 또는 다각형을 가지고,
    상기 부유체의 외형은 원뿔 또는 원기둥 형상을 가지고,
    상기 부유체의 수면 아래에 위치하는 영역은 링 형상을 가지는, 해양구조물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 부유체를 해저에 대해 지지하는 텐던들을 더 포함하고,
    상기 부유체에는 상기 텐던들을 지지하도록 측 방향으로 연장된 연장부들이 형성되고,
    상기 연장부들은 상기 부유체의 외측면을 따라 상호 이격되어 배치되는, 해양구조물.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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