KR102258259B1

KR102258259B1 - 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템

Info

Publication number: KR102258259B1
Application number: KR1020200010747A
Authority: KR
Inventors: 백동일; 조효제; 이민준; 김영규; 김재희
Original assignee: 한국해양대학교 산학협력단
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-05-28

Abstract

본 발명은 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 외력해석단계에서 바람, 조류 및 예인선을 포함한 외력을 계산한 후 계산된 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석을 수행하여 불규칙한 작업 수행에 대해 해석가능한 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 주파수에 따른 부가질량, 조파감쇠계수, 외력전달함수를 입력받아 무한대 주파수에서의 부가질량, 메모리영향함수, 파랑강제력의 시계열을 계산하는 주파수영역해석단계; 바람, 조류 및 예인선를 포함한 외력을 계산하는 외력해석단계; 외력해석단계에서 계산된 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석하는 외력고려해석단계를 포함하는 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템을 제공한다.

Description

후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템 {Hook-up installation procedure interpretation system}

본 발명은 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 외력해석단계에서 바람, 조류 및 예인선을 포함한 외력을 계산한 후 계산된 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석을 수행하여 불규칙한 작업 수행에 대해 해석가능한 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 심해에 운용되는 부유식 해양구조물은 위치유지를 위해 계류삭(Mooring line), 동적위치제어(Dynamic positioning) 등 다양한 방법의 계류시스템이 사용된다. 특정 해역에 오래 머무는 해양구조물의 경우 계류삭을 이용한 위치유지가 일반적이며 계류 설치를 위해 계류삭설치, 사전설치작업, 이송작업, 연결설치와 같은 과정이 요구된다. 먼저 앵커파일 설치(Anchor installation) 후 계류삭을 해저면 미리 설치하는 사전설치 작업(Pre-laying installation)이 수행되고. 이후 건조된 해양구조물을 설치해역으로 이송(Transportation)하여 해저면에 사전 설치된 계류삭을 인양하여 해양구조물에 연결하면(Hook-up installation) 설치작업이 완료된다.

현장설치는 해양구조물의 운용을 위해 필수적으로 거치는 단계지만 부유식 해양구조물의 계류 설치에 관한 규정이 없어 설치회사의 노하우로 작업이 이행된다. 사전 설치된 계류삭을 구조물에 연결하는 Hook-up 설치의 경우 작업 중 저주파수 운동(Low frequency motion)이 발생할 가능성이 높아 작업안전성에 대한 검토가 필요하다 사료된다.

해양에서 이루어지는 현장 설치 작업에 대하여 Lee (2011)는 바지선을 이용한 Truss SPAR 운송 중 동적 거동에 관해 연구를 진행한 바 있다. Song and Kim(2018)은 깊은 수심을 대상으로 흡착식 앵커파일(Suction anchor pile)이 대상 해역에 설치가능한지 파악하기 위해 바지선에서 앵커파일을 들어 올리는 작업부터(Pick-up) 수면을 통과시켜(Lowering through splash zone) 해저면까지 내리는 작업(Landing)까지 총 3단계로 구분하여 연구를 진행하였다. 또한 Yoon and Kim(2018)은 작업 안전성 및 한계 환경조건 등의 검토를 위해 심해 계류설치에 적용되는 섬유로프 계류시스템의 사전설치에 대한 연구를 진행하였다.

한편, 계류 설치 작업 중 구조물의 위치를 유지시키기 위해 사용되어지는 예인선은 시시각각 출력량이 변하며, 예인방향 또한 상황에 따라 달라진다. 종래의 상용프로그램은 모듈화 되어 있는 작업에 대해 정도 높은 해석 결과를 도출하지만 불규칙한 작업 수행에 대해 비교적 낮은 정도의 해석결과를 나타낸다.

따라서, 불규칙한 작업수행에 대해서도 정도 높은 해석 결과를 도출할 수 있는 시스템이 필요한 실정이다.

선행기술문헌 : KR등록특허공보 제10-1321710호(2013.10.28. 공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 바람, 조류, 예인선의 정보를 입력받아 각각의 회력에 대해 계산을 수행하고, 이들을 운동방정식 외력항에 포함시켜 수치해석을 하여 불규칙한 작업수행에 대해서도 정도 높은 해석 결과를 도출할 수 있는 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템은 주파수에 따른 부가질량, 조파감쇠계수, 외력전달함수를 입력받아 무한대 주파수에서의 부가질량, 메모리영향함수, 파랑강제력의 시계열을 계산하는 주파수영역해석단계; 바람, 조류 및 예인선를 포함한 외력을 계산하는 외력해석단계; 외력해석단계에서 계산된 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석하는 외력고려해석단계를 포함한다.

또한, 주파수영역해석단계 후 주파수영역해석단계에서 계산된 주파수에 따른 부가질량 및 조파감쇠함수와 외력의 전달함수를 퓨리에변환하여 시간영역에서 계산을 수행하는 시간영역해석단계를 포함하는 것을 포함한다.

또한, 부유체의 운동방정식을 계산하여 얻은 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭의 장력을 계산하는 계류해석단계를 포함하는 것을 포함한다.

또한, 계류해석단계에서 계류삭의 노드 개수에 따라 세그먼트를 나누어 각각의 노드에 질량을 부과하고 노드사이는 스프링이 직선으로 연결되어 있는 다자유도 스프링질량계를 해석하는 집중질량법을 이용하여 계산하는 것을 포함한다.

또한, 외력고려해석단계에서 수치해석한 결과인 부유체의 변위, 속도, 가속도 정보와 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭에 의한 복원력을 계산하여 운동방정식의 외력항에 포함하여 계산을 수행하는 것을 포함한다.

본 발명에 의하면 불규칙한 작업 수행에 대해 높은 정도의 해석결과를 도출해 낼 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템의 해석절차를 도시한 도면,
도 2는 예인선의 운동을 계산하는 절차를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에서 사용한 구조물을 가정한 박스 모델을 도시한 도면,
도 4는 계류선의 배치와 제원을 도시한 도면,
도 5는 본 발명을 이용한 해석과 종래의 시스템 해석의 Sway 운동응답을 비교 도시한 그래프,
도 6은 본 발명을 이용한 해석과 종래의 시스템 해석의 Heave 운동응답을 비교 도시한 그래프,
도 7은 본 발명을 이용한 해석과 종래의 시스템 해석의 Roll 운동응답을 비교 도시한 그래프,
도 8은 해석과정에서 구조물의 위치를 도시한 도면,
도 9는 본 발명을 이용한 구조물 위치해석과 종래의 시스템 해석의 구조물 위치해석을 비교 도시한 그래프,
도 10은 구조물의 위치제어를 위해 사용되는 예이선의 배치를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 의한 해석결과의 x 방향 거동을 도시한 그래프,
도 12은 본 발명에 의한 해석결과의 y 방향 거동을 도시한 그래프,
도 13은 본 발명에 의한 해석결과의

방향 거동을 도시한 그래프.

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.

방향 거동을 도시한 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템은 주파수영역해석단계, 시간영역해석단계, 계류해석단계를 포함하여 이루어진다.

주파수영역해석단계는 주파수에 따른 부가질량, 조파감쇠계수, 외력전달함수를 입력받아 무한대 주파수에서의 부가질량, 메모리영향함수, 파랑강제력의 시계열을 계산한다.

주파수영역 해석이란 주파수 영역에서 선형화된 구조물의 운동을 해석하는 방법을 의미한다. 주파수 영역 해석은 계산시간이 빠르다는 장점이 있지만 비선형 성분을 고려하기 위해서는 비선형 항은 선형화가 요구되며 계산의 정확도가 떨어진다.

주파수 영역의 해석결과로 부파수에 따른 부가질량 및 조파감쇠계수, 외력의 전달함수, 운동응답특성을 도출 할 수 있다.

시간영역해석은 주파수 영역 해석에 비해 계산시간이 길지만 비선형 요소를 포함한 정확도가 높은 계산이 가능하다는 장점이있다.

또한, 계류된 구조물과 계류 설치 작업 중인 구조물은 비선형적인 요소가 많아 주파수영역에서 해석하지 못하므로 충격함수를 이용하여 주파수 영역에서 구한 운동방정식을 푸리에변환하여 시간영역으로 변환하여 계산한다.

시간영역에서의 운동방정식은 Newmark-

method법을 이용하여 각 시간간격 (Time step) 마다의 변위, 속도, 가속도를 구한다.

본 발명에서 부유체의 운동응답은 시간영역 운동방정식을 사용하여 계산을 수행하며 운동방정식은 아래와 같다

여기서

는 구조물의 질량,

는 무한대 주파수에서의 부가질량,

는 메모리영향함수,

는 복원계수,

는 외력의 시간이력을 나타낸다.

외력해석단계에서는 바람, 조류 및 예인선을 포함한 외력을 계산한다.

부유체에 작용하는 풍력과 조류력은 각각의 속도와 부유체로 입사되는 각각의 힘이 작용하는 방향에 따라 결정된다. 풍력과 조류력은 각각 아래와 같이 정의한다.

여기서

와

는 각각 풍력과 조류력을 나타내고,

는 밀도, V는 속도,

는 입사각에 따른 풍력 및 조류력계수,

는 투영면적을 나타낸다.

또한, 입사각에 따른 투영면적은 아래와 같이 정의하였다.

본 발명에서 사용한 예인선은 도 14에서와 같이 매 타임스텝마다 변화하는 페어리드 좌표

를 계산하여 초기 좌표

로 되찾아 가는 알고리즘을 갖는다. 이때 각각의 예인선은 도 2와 같이 계산된 좌표

와 초기좌표

의 관계에 따라 추력이 계산되고, 이때의 추력은 예인선의 최대 용량을 넘지 않는다. 마지막으로 예인선과 구조물이 이루는 위치와 각도를 계산하여 다음 스텝의 초기조건으로 사용한다. 단, 예인선은 평면상에서의 운동

만을 고려하고, 외력환경에 의한 예인선의 거동은 무시하였다.

외력고려해석단계에서는 외력해석단계에서 계산된 바람, 조류를 포함한 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석한다.

이후, 수치해석 결과인 부유체의 변위, 속도, 가속도 정보와 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭에 의한 복원력을 계산하여 다음 스텝의 운동방정식 외력항에 포함하여 반복계산을 수행한다.

계류해석단계에서는 부유체의 운동방정식을 계산아여 얻은 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭의 장력을 계산한다.

보다 구체적으로는, 계류삭의 장력은 유체의 운동방정식을 계산하여 얻은 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 입력받아 계산이 수행된다. 매 타임스텝마다 변화하는 페어리드 좌표는 부유체 변위정보를 이용하여 계산한다. 계산된 페어리드 좌표와 계류삭의 길이, 강성, 앵커좌표 등의 정보를 이용하여 계류삭의 장력을 계산하고, 계산된 장력은 다음단계의 운동방정식 외력 항에 추가하여 계산을 수행한다. 본 발명에서는 집중질량법(Lumped Mass Method, LMM)을 이용하여 계류삭의 동적해석을 수행하였고, Patel의 식을 이용해 집중질량법의 결과를 검증하였다.

계류해석단계에서는 계류삭의 노드 개수에 따라 세그먼트를 나누어 각각의 노드에 질량을 부과하고 노드사이는 스프링이 직선으로 연결되어 있는 다자유도 스프링질량계를 해석하는 집중질량법을 이용하여 계산한다.

집중질량법은 복잡한 계류시스템의 문제를 간소화하여 문제를 쉽게접근할 수 있게 한다.

Patel의 식은 인장강식 계류시스템을 가지는 부유체를 대상으로 계류로 인한 복원력을 추정하기 위해

복원계수 행렬을 사용하는 것이다. 즉, Patel의 식을 이용하여 얻은

복원 계수행렬과 부유체의 변위를 곱함으로 계류삭 장력 계산이 가능하다. Patel의 식은 쉽고 간단하며 인장강식 계류시스템에 대해 정도 높은 해석결과를 도출하지만 계류삭의 관성과 감쇠에 의한 영향을 고려하지 않는다.

본 발명에 따른 후크-업(Hook-up) 설치 절차 해석 시스템을 이용하여 나타난 결과의 검증을 위하여 계류선이 연결되어 있을때 운동응답을 상용프로그램인 MOSES와 Patel의 식과 비교하였다. 검증에 사용한 구조물은 도 3을 참고하면, FPSO(Floating Production Storage and Offlaoading)를 가정한 박스 모델을 사용하였고 주요재원은 표 1과 같다.

Description	Magnitude
Length between perpendicular	120
Breadth	40
Draft [ ]	8
Weight	38400
Center of gravity	8
Water depth	1000
Radius of gyration around X-axis	12.32
Radius of gyration around Y-axis	35.29
Radius of gyration around Z-axis	36.94

도 4를 참조하면, 계류시스템은 인장강식 계류(Taut Mooring)로, 16개의 계류선이 4개씩 4개의 번들(Bundle)을 가진다. 계류선은 방사형 구조(Spread Mooring System)를 가지며 섬유로프(Synthetic fiber rope)로 구성되어있다.

MOSES에서 16개의 계류선이 연결되어 있을 때의 주파수 응답(Frequency response)를 계산하고, 개발된 프로그램에서 파고 1m, 파 주파수 범위는 0.025 ~ 1.45 rad/sec로 0.025 rad/sec의 간격으로 계산하여 도 5 내지 도 7과 같이 비교하였다.

도 5 내지 도 7은 각각 Sway, Heave, Roll의 운동응답을 나타낸 그래프이며, 본 발명과 상용프로그램의 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 예인선 알고리즘이 후크-업(Hook-up) 설치절차를 해석하는데 있어 적절한지 검증하기 위해 상용프로그램과 해석결과를 비교하였다.

도 8을 참조하면, 도 8의 ①과 같이 구조물을 위치시키고 양 수평방향으로 예인선을 배치시켜 추력을 낼 때 구조물이 ③과 같이 목표한 위치로 돌아오는지 확인하였다.

본 발명과 상용프로그램(MOSES)의 해석결과는 도 9와 같으며, 본 발명의 경우, 구조물이 ③과 같은 목표위치 0

로 수렴했지만, 상용프로그램(MOSES)의 경우 -18.39

에 수렴하였다. 상용프로그램(MOSES)의 예인선 알고리즘은 예인선 최대 용량과 절대좌표계에서의 일정 방향을 입력받아 해석이 진행된다. 즉, 상용프로그램(MOSES)에서 한번 입력된 예인방향은 계산종료시점까지 변하지 않고 같은 각도로 예인된다. 따라서 상용프로그램(MOSES)의 경우 ③번 그림과 같은 0

로 수렴하지 않고 두 예인선이 평형을 이루는 -18.39

로 수렴한 결과를 나타낸다.

Hook-up 설치작업은 구조물이 현장에 도착했을 때 해저면에 미리 설치된 계류삭을 구조물에 연결하는 것을 말한다. 구조물이 현장에 도착하면 예인선을 이용하여 동적 거동을 제어하고, 해양설치작업선(AHTS)을 이용하여 Hook-up 설치작업을 진행한다. 이러한 해양설치작업의 경우 외력환경조건, 구조물의 형상, 계류삭의 개수, 계류 형태 등에 따라 다양한 설치 절차가 존재하며, 설치 절차에 따라 해석 결과 또한 달라져 다양한 결론을 얻을 수 있다. 본 발명에서는 해양 설치작업 시 일반적으로 진행되는 Hook-up 설치작업 절차에 대해 검토하고 예인선의 철수시점을 결정하였다.

일반적으로 Hook-up 설치는 예인선을 이용하여 구조물의 거동을 제어하는 상황에서 표 2와 같이 진행된다. 먼저 4번 계류선을 연결한 후 초기장력의 50%를 유지한다. 다음으로 #5 → #12 → #13 의 순서대로 계류선을 연결하여 초기장력의 50%를 유지한 후 연결된 4개의 계류선이 평형을 이루면 초기장력의 100%로 맞춰준다. 이후 각 번들의 두 번째 계류선부터는 첫 번째 계류선과 동일한 방법으로 연결되어 Hook-up 설치과정을 진행한다.

None

T50%

4T 100%

T50%

8T 100%

T50%

12T 100%

T50%

16T 100%

#4

#5

#12

#13

#3

#6

#11

#14

#2

#7

#10

#15

#1

#8

#9

#16

Hook-up 설치작업 중 구조물의 위치제어를 위해 사용되는 예인선의 대한 배치는 도 4와 같고 예인선의 재원은 표 3과 같다. 예인선이 4대 배치된 경우 Hook-up 설치의 모든 절차에 대해 해석을 진행하였고, 예인선이 2대 배치된 경우와 예인선이 없는 경우에 대해서는 계류삭 4개가 연결되어 초기장력의 100%로 맞춰진 시점부터 해석을 수행하였다.

Description	Magnitude
Tug maximum power	100
Tug line length	100
Line elasticity	200

해석결과, 후크-업 설치작업의 절차는 도 11 내지 도 13과 같이 나타났다.

최종적인 Hook-up 설치 절차는 원형 표식의 검은색 실선으로 표시하였다. 초기 구조물이 이송되어 현장에 도착하면 4대의 예인선을 이용하여 구조물의 위치를 유지하여 설치 작업을 수행한다. 6번째 계류선이 연결되는 #6의 단계가 끝나면 2대의 예인선은 철수하고 남은 2대의 예인선을 이용하여 구조물의 위치를 유지한다. 이때 2대의 예인선만으로 구조물의 큰 거동을 갖는 8T 100%의 단계에서 안정적인 설치 작업이 가능해진다. 남은 2대의 예인선은 12개의 계류선이 연결될 때까지 구조물의 위치를 유지하고, 이후 남은 예인선은 철수하여 예인선이 없는 상태에서 설치 작업을 진행한다. 이러한 절차는 구조물의 거동이 6m가 넘지 않게 구성하였고, y방향과

방향의 거동은 각각 도 12와 도 13과 같이 나타내었다.

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.

삭제

Claims

주파수에 따른 부가질량, 조파감쇠계수를 포함하는 구조물의 유체동역학 성분 및 외력 전달함수를 계산하는 주파수영역사전해석단계;
주파수에 따른 부가질량, 조파감쇠계수, 외력전달함수를 입력받아 무한대 주파수에서의 부가질량, 메모리영향함수, 파랑강제력의 시계열을 계산하는 주파수영역해석단계;
바람, 조류 및 예인선를 포함한 외력을 계산하는 외력해석단계; 및
외력해석단계에서 계산된 외력을 운동방정식의 외력항에 포함하여 수치해석 하고, 수치해석 결과인 부유체의 변위, 속도, 가속도 정보와 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭에 의한 복원력을 계산하여 다음 스텝의 운동방정식 외력항에 포함하여 반복계산을 수행하는 외력고려해석단계
를 포함하고,
시간영역해석단계에 필요한 무한대 주파수에서의 부가질량, 메모리영향함수, 파랑강제력의 시계열을 계산하는 시간영역사전해석단계; 및
주파수영역해석단계 후 주파수영역해석단계에서 계산된 주파수에 따른 부가질량 및 조파감쇠함수와 외력의 전달함수를 퓨리에변환하여 시간영역에서 계산을 수행한 후 수치해석(Newmark- method)하여 구조물의 각 시간간격 (Time step) 마다의 변위, 속도, 가속도 성분을 계산하는 시간영역해석단계를 포함하는 것
을 포함하며,
부유체의 운동방정식을 계산하여 얻은 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭의 장력을 계산하는 계류해석단계를 포함하는 것
을 포함하고,
계류해석단계에서 계류삭의 노드 개수에 따라 세그먼트를 나누어 각각의 노드에 질량을 부과하고 노드사이는 스프링이 직선으로 연결되어 있는 다자유도 스프링질량계를 해석하는 집중질량법을 이용하여 계산하는 것
을 포함하며,
외력고려해석단계에서 수치해석한 결과인 부유체의 변위, 속도, 가속도 정보와 계류삭의 정보를 입력받아 계류삭에 의한 복원력을 계산하여 운동방정식의 외력항에 포함하여 계산을 수행하는 것; 및
계류해석단계에서 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 이용하여 설치 절차와 배치된 예인선의 개수에 따라 해석을 진행하는 것
을 포함하고,
계류해석단계에서
계류삭의 장력은 유체의 운동방정식을 계산하여 얻은 변위, 속도, 가속도의 성분과 계류삭의 정보를 입력받아 계산을 수행하며,
타임스텝마다 변화하는 페어리드 좌표는 부유체의 변위정보를 이용하여 계산을 수행하고,
계산된 페어리드 좌표와 계류삭의 길이, 강성, 앵커좌표를 포함한 정보를 이용하여 계류삭의 장력을 계산하며,
계산된 장력은 운동방정식 외력 항에 추가하여 계산을 수행하는 것
을 포함하는 후크-업(Hook up) 설치 절차 해석 시스템.
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