KR102515160B1 - 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 - Google Patents

파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 지면으로부터 일정 거리 이격된 상태에서 평행하도록 설치되는 제1 프레임, 중공 원기둥 형상으로 구비되고, 일측이 상기 제1 프레임에 수직하게 설치되는 제2 프레임, 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석으로 형성되고, 상기 전자석에 연결된 전선이 상기 제2 프레임 중공을 관통하는 자기장 발생부, 실제 앵커(Anchor) 형상으로 모사되고, 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 생성되면 일측이 부착되고 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 소멸되면 중력에 의하여 지면방향으로 탈착되는 앵커 모델, 파이프-토양-암반의 상호작용을 확인할 수 있도록 토양, 파이프라인 모델, 암반 순으로 적층되고 상기 암반의 높이까지 물이 채워지는 수조, 상기 앵커 모델이 지면방향으로 탈착될 시 실제 변형률(SEXP)을 확인할 수 있도록 하나 이상의 스트레인 게이지가 부착되는 파이프라인 모델 및 상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델의 안정성을 평가하는 평가부를 포함하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법에 관한 것이다.

Description

파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 {Subsea Pipeline Simulation Test Apparatus for Anchor Influence Considering Pipe-Soil-Rock Interaction, and Subsea Pipeline Stability Evaluation Method Using The Same}
본 발명은 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 실제 앵커(Anchor), 파이프라인 및 파이프-토양-암반을 포함하는 해저 상태가 축소 모사된 모사 실험 장치가 구비되고, 앵커 모델에 의하여 파이프라인 모델이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정된 후 파이프라인 모델의 안정성이 평가되는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법에 관한 것이다.
해저 파이프라인은 대륙과 대륙, 육지와 섬, 육지와 바다 등과 같이 바다를 사이에 두고 격리된 두 지점 사이에 설치된다. 해저 파이프라인은 통상 지름이 1M 이상이고 그 길이가 수백 미터에서 수십 킬로미터에 달하는 대규모의 구조물이다. 해저파이프라인은 운송하는 대상물에 따라 오일이 통과하는 송유관, 가스가 통과하는 가스관, 식수가 통과하는 상수도관, 발전소 취수관 등이 있으며, 전력, 통신 등을 위해 부설되는 케이블을 포함하는 복합 파이프라인도 포함된다.
세계 각국에서는 에너지 확보 및 정보통신 인프라 구축을 위해 이러한 해저 파이프라인을 다량으로 건설 중에 있다. 다만, 그물을 포함하는 저인망 어선(Trawls)의 어로행위, 닻만으로 정박한 후 작업하는 묘박(Anchoring) 작업 등으로 해저 파이프라인 및 통신케이블이 손상되거나 단락되는 경우, 상어 등 부피가 큰 어류의 공격에 따른 관로가 손상되는 경우가 빈번히 발생하고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구개발이 진행되고 있고, 해저 파이프라인이 손상되는 방재를 고려한 관련 설비의 건설 및 유지가 시급한 과제로 대두되고 있다.
비특허문헌 1은 앵커와의 충돌로 인한 파이프라인의 변형 실험을 수행하고, 충돌 방향에 따른 영향을 수치적으로 분석하고, 비특허문헌 2는 낙하물과의 충돌로 인한 파이프라인 부식의 위험을 분석하고, 비특허문헌 3은 ASME코드를 사용하여 움푹 들어간 해저파이프의 손상 범위에 대해 분석한다.
다만, 해저 파이프라인에 처해지는 환경과 변수를 복합적으로 고려하지 못하여 실제와 유사한 상황을 반영하기 어려운 단점이 있고, 파이프라인을 보호할 수 있는 대응방안에 대해서는 언급하지 못한 한계가 있다.
Yu JX, Zhao YY, Li TY, Yu Y. A three-dimensional numerical method to study pipeline deformations due to transverse impacts from dropped anchors. Thin Walled Struct 2016;103:22-32. Kawsar MRU, Youssef SA, Faisal M, Kumar A, Seo JK, Paik JK. Assessment of dropped object risk on corroded subsea pipeline. Ocean Eng 2019;106:329-40. Ryu DM, Wang L, Kim SK, Lee JM. Comparative study of deformation and mechanical behavior of corroded pipe: Part I-Numerical simulation and experimental investigation under impact load. Int J Nav Archit Ocean Eng 2017;9:509-24.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 해저 파이프라인에 처해지는 환경과 변수를 복합적으로 고려하고 실제와 유사한 상황을 반영하고자 Froude 상사법칙이 이용되어 실제 앵커(Anchor), 파이프라인 및 파이프-토양-암반을 포함하는 해저 상태가 축소 모사되는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은 실험설계에 따른 파이프라인의 안정성이 평가되고 파이프라인을 보호할 수 있는 대응방안이 제공되기 위해서 상기 앵커 모델의 하중에 따라 파이프라인 모델이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정되고, 실제 변형률(SEXP)이 이용되어 상기 파이프라인 모델의 안정성이 평가되는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 및 이를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치는 지면으로부터 일정 거리 이격된 상태에서 평행하도록 설치되는 제1 프레임; 중공 원기둥 형상으로 구비되고, 일측이 상기 제1 프레임에 수직하게 설치되는 제2 프레임; 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석으로 형성되고, 상기 전자석에 연결된 전선이 상기 제2 프레임 중공을 관통하는 자기장 발생부; 실제 앵커(Anchor) 형상으로 모사되고, 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 생성되면 일측이 부착되고 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 소멸되면 중력에 의하여 지면방향으로 탈착되는 앵커 모델; 파이프-토양-암반의 상호작용을 확인할 수 있도록 토양, 파이프라인 모델, 암반 순으로 적층되고 상기 암반의 높이까지 물이 채워지는 수조; 상기 앵커 모델이 지면방향으로 탈착될 시 실제 변형률(SEXP)을 확인할 수 있도록 하나 이상의 스트레인 게이지가 부착되는 파이프라인 모델; 및 상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델의 안정성을 평가하는 평가부;를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법은 자기장 발생부에 의하여, 전류가 차단된 후 자기장이 소멸되고 부착된 앵커 모델이 지면방향으로 탈착되는 앵커 모델 탈착단계; 파이프라인 모델에 의하여, 상기 앵커 모델의 하중에 따라 파이프라인 모델이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정되는 변형률 측정단계; 및 평가부에 의하여, 상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델의 안정성이 평가되는 평가단계;를 제공한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 Froude 상사법칙이 이용되어 실제 앵커(Anchor), 파이프라인 및 파이프-토양-암반을 포함하는 해저 상태가 축소 모사되도록 구비함으로써, 해저 파이프라인에 처해지는 환경과 변수를 복합적으로 고려하고 실제와 유사한 상황을 반영할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 앵커 모델의 하중에 따라 파이프라인 모델이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정되고, 실제 변형률(SEXP)이 이용되어 상기 파이프라인 모델의 안정성이 평가되도록 구비함으로써, 실험설계에 따른 파이프라인의 안정성이 평가되고 파이프라인을 보호할 수 있는 대응방안이 제공되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파이프라인 모델의 세부 구성도이다.
도 3은 본 발명의 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 파이프-토양-암반 상호작용을 고려하여 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)으로 구성된 수조를 각각 표시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)에서 시간에 따른 등가 응력을 표시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)에서 암반의 변형을 표시한 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치(100) 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 파이프라인 모델(160)의 세부 구성도이다.
우선 도 1을 보면, 본 발명의 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치(100)는 제1 프레임(110), 제2 프레임(120), 자기장 발생부(130), 앵커 모델(140), 수조(150), 파이프라인 모델(160) 및 평가부(170)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 프레임(110)은 지면으로부터 일정 거리 이격된 상태에서 평행하도록 설치된다. 그리고 상기 제2 프레임(120)은 중공 원기둥 형상으로 구비되고, 일측이 상기 제1 프레임(110)에 수직하게 설치된다. 자기장 발생부(130)는 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석으로 형성되고, 상기 전자석에 연결된 전선이 상기 제2 프레임(120) 중공을 관통한다.
즉, 임의의 선박이 임시적으로 정박하기 위해서 해상에서 해저로 떨어뜨리는 앵커(Anchor)를 모사하기 위해서 본원발명은 지면으로부터 일정 거리 이격된 상태에서 상기 제1 프레임(110)이 설치될 수 있다. 그리고 상기 앵커 모델(140)이 떨어지는 위치가 일정하도록 상기 제1 프레임(110)이 지면과 평행하게 설치되고, 상기 제2 프레임(120)이 상기 제1 프레임(110)에 수직하게 설치되고, 상기 자기장 발생부(130)는 상기 제2 프레임(120) 일측에서 상기 제1 프레임(110)과 수평하게, 상기 제2 프레임(120)과 수직하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 제2 프레임(120)은 중공 원기둥 형상으로 구비되고 상기 중공에 상기 전자석에 연결된 전선이 관통할 수 있도록 구비될 수 있다. 그리고 상기 자기장 발생부(130)는 전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석으로 형성되고, 가장 바람직하게 상기 전자석을 하우징에 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 앵커 모델(140)이 상기 수조(150)내 물 표면으로 떨어질 때 사방으로 물 튀김 현상이 발생할 수 있는데 이때 상기 전자석과 전선을 보호할 수 있는 효과가 있다.
한편, 상기 제2 프레임(120)은 상기 앵커 모델(140)과 상기 수조(150)내 물 표면과의 거리가 조절될 수 있도록 길이 조절부(121)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 앵커 모델(140)이 물 표면에 떨어지는 높이에 따라서 상기 파이프라인 모델(160)에 가해지는 힘이 달라질 수 있음으로 상기 앵커 모델(140)의 낙하높이를 조절하여 다양한 실험설계가 가능하도록 하는 효과가 있다.
다음으로, 상기 앵커 모델(140)은 실제 앵커(Anchor) 형상으로 모사되고, 상기 자기장 발생부(130)로부터 자기장이 생성되면 일측이 부착되고 상기 자기장 발생부(130)로부터 자기장이 소멸되면 중력에 의하여 지면방향으로 탈착된다.
상기 자기장 발생부(130)는 전자석으로 형성되는데, 일반적으로 전자석은 도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 동심원 모양의 자기장이 형성되어 자기화되고, 전류가 끊어지면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 자석을 일컫는다. 즉, 상기 앵커 모델(140)은 가장 바람직하게 강철로 형성되어 톤(ton) 단위의 일정 무게를 가질 수 있다. 그리고 상기 자기장 발생부(130)는 전류를 조절하여 상기 앵커 모델(140)의 일정 무게를 지탱할 수 있을 정도의 자기장을 형성할 수 있다. 한편, 상기 자기 발생부(130)는 사용자에 의해서 전류의 on/off가 가능하도록 일측에 스위치를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 수조(150)는 파이프-토양-암반의 상호작용을 확인할 수 있도록 토양, 파이프라인 모델(160), 암반 순으로 적층되고 상기 암반의 높이까지 물이 채워진다. 가장 바람직하게 상기 수조(150)는 사용자에 의하여 내부가 시각적으로 확인될 수 있도록 투명한 재질로 형성될 수 있다.
이때, 본원발명은 파이프-토양-암반의 상호작용을 확인하기 위한 것으로, 상기 수조(150) 내 토양, 파이프라인 모델(160), 암반에 대한 실험설계가 상이해질 수 있다. 예컨대, 상기 수조(150) 내 토양은 실험설계에 따라서 수분이 많은 질척한 토양(L) 또는 수분이 적은 느슨한 토양(S)이 구비될 수 있다. 상기 파이프라인 모델(160)은 실험설계에 따라서 상기 토양에 매설되는 정도인 매설깊이가 다르게 설계될 수 있다. 그리고 상기 암반은 상기 파이프라인 모델(160)을 추가적으로 보호하기 위해 인위적으로 설치된 것으로, 실험설계에 따라서 상기 파이프라인 모델(160) 상단에 적층되는 적층높이가 다르게 설계될 수 있다.
다음으로, 상기 파이프라인 모델(160)은 상기 앵커 모델(140)이 지면방향으로 탈착될 시 실제 변형률(SEXP)을 확인할 수 있도록 하나 이상의 스트레인 게이지(161)가 부착된다.
상기 스트레인 게이지(161)는 가장 바람직하게 도 2와 같이 상기 파이프라인 모델(160)의 상단에는 상기 파이프라인 모델(160)의 길이방향의 중심점으로부터 양방향으로 50mm 이격된 두 지점에 각각 부착될 수 있고, 상기 파이프라인 모델(160)의 하단에는 상기 중심점과 일직선인 지점에 부착될 수 있다.
그리고 스트레인 게이지(161)는 상기 파이프라인 모델(160)이 상기 앵커 모델(140)에 의한 외력으로 변형될 때 실제 변형률(SEXP)을 측정할 수 있다. 여기서, 실제 변형률(SEXP)은 상기 파이프라인 모델(160)이 인장방향의 변형을 받으면 부호가 +로 나타날 수 있다. 또는 실제 변형률(SEXP)은 상기 파이프라인 모델(160)이 수축방향의 변형을 받으면 부호가 -로 나타날 수 있다.
또한, 상기 앵커 모델(140), 파이프라인 모델(160) 및 수조(150)는, Froude 상사법칙이 이용되어 실제 앵커(Anchor), 파이프라인 및 파이프-토양-암반을 포함하는 해저 상태가 축소 모사될 수 있다. 여기서, Froude 상사법칙은 Froude 수를 기반으로 자연에서 실제로 일어나는 현상과 실험에 의해 재현되는 현상의 규모(Scale)가 서로 다를 때 실제현상과 실험현상의 물리량을 서로 연관해서 해석할 수 있도록 하는 법칙을 말한다.
예컨대, 상기 앵커 모델(140) 및 파이프라인 모델(160)은 실제 앵커(Anchor) 및 실제 파이프라인의 1/20 크기로 축소 모사될 수 있다. 그리고 상기 평가부(170)는 실제 현상으로 확장하여 상기 파이프라인 모델(160)의 안정성을 평가할 시 반영할 수 있다.
다음으로, 상기 평가부(170)는 상기 스트레인 게이지(161)로부터 측정된 실제 변형률(SEXP)이 입력되면 상기 파이프라인 모델(160)의 안정성을 평가한다. 가장 바람직하게, 상기 평가부(170) 내 데이터 로거(171)는 상기 스트레인 게이지(161)와 무선통신 가능하도록 연결될 수 있고, 상기 스트레인 게이지(161)의 실제 변형률(SEXP)을 아날로그 형식에서 디지털 형식으로 변환할 수 있다.
평가방법에 있어서, 상기 평가부(170)는 토양의 종류, 상기 앵커 모델(140)의 무게, 상기 앵커 모델(140)의 낙하높이, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이, 암반높이 중 적어도 하나를 포함하는 유한요소를 이용하여 유한요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)을 수행한 후 상기 실제 변형률(SEXP)과 분석 변형률(SFEA)이 비교되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 평가부(170)는 훅의 법칙(Hook’s Law)을 이용하여 응력을 산출할 수 있다. 여기서, 훅의 법칙은 탄성범위 내에서 상기 실제 변형률(SEXP)과 탄성계수의 곱으로 응력을 산출할 수 있다. 여기서, 상기 탄성계수는 상기 파이프라인 모델(160)의 재질에 따라 기 설정된 값일 수 있다.
또한, 상기 평가부(170)는 요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)을 수행함에 있어서, 유한요소별 본 미세스 응력 또는 등가 응력을 산출할 수 있다. 여기서, 미세스 응력 또는 등가 응력은 항복조건의 대표적인 기준으로써, 하중을 받고 있는 물체의 각 지점에서의 비틀림 에너지를 나타내는 값이다.
이에 따라, 상기 평가부(170)는 상기 실제 변형률(SEXP)로부터 산출된 상기 응력이 요소분석(FEA)으로부터 산출된 등가 응력과 기 설정된 오차범위 이내에서 유사하다면 상기 파이프라인 모델(160)이 안정한 것으로 평가할 수 있고, 기 설정된 오차범위를 초과하거나 상이할 경우 상기 파이프라인 모델(160)이 안정하지 않은 것으로 평가할 수 있다.
또한, 상기 평가부(170)는 유한요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)을 수행함에 있어서, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이와 암반높이의 합이 동일한 경우 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이가 가장 큰 값과 이에 상응하는 암반높이가 최적매설깊이와 최적암반높이로 각각 선정하고 안정성 평가결과로 출력할 수 있다.
한편, 상기 평가부(170)는 디스플레이(172)와 입력장치(173)를 더 구비할 수 있다. 상기 디스플레이(172)는 안정성 평가결과를 시각적으로 출력할 수 있고, 상기 입력장치(173)는 사용자에 의하여 상기 수조(150) 내 토양, 앵커 모델(140), 파이프라인 모델(160), 암반에 대한 실험설계 변수를 입력받을 수 있다.
파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법
도 3은 본 발명의 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치(100)를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법 흐름도이다.
도 3을 보면, 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치(100)를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법은 앵커 모델 탈착단계(S100), 변형률 측정단계(S200) 및 안정성 평가단계(S300)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 앵커 모델 탈착단계(S100)는 자기장 발생부(130)에 의하여, 전류가 차단된 후 자기장이 소멸되고 부착된 앵커 모델(140)이 지면방향으로 탈착된다.
즉, 상기 앵커 모델(140)의 최초상태는 상기 자기장 발생부(130)에 전류가 흐르고 자기장이 생성되어 상기 앵커 모델(140)이 상기 자기장 발생부(130) 일측에 부착되어 있는 상태이다. 그리고 상기 앵커 모델 탈착단계(S100)는 최초상태에서 상기 자기장 발생부(130)의 전류가 차단된 후 자기장이 소멸됨으로써, 상기 자기장 발생부(130) 일측에 부착되어 있는 상기 앵커 모델(140)이 지면방향 가장 바람직하게는 파이프라인 모델(160)이 묻힌 암반으로 탈착될 수 있다.
다음으로, 상기 변형률 측정단계(S200)는 파이프라인 모델(160)에 의하여, 상기 앵커 모델(140)의 하중에 따라 파이프라인 모델(160)이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정된다.
즉, 상기 변형률 측정단계(S200)는 가장 바람직하게 파이프라인 모델(160) 상단 및 하단 표면에 부착된 스트레인 게이지(161)에 의하여 상기 앵커 모델(140)에 의한 하중 또는 외력으로 상기 파이프라인 모델(160)이 변형될 때 상기 실제 변형률(SEXP)이 측정될 수 있다.
여기서, 실제 변형률(SEXP)은 상기 파이프라인 모델(160)이 인장방향의 변형을 받으면 부호가 +로 나타나거나, 상기 파이프라인 모델(160)이 수축방향의 변형을 받으면 부호가 -로 나타날 수 있다.
다음으로, 상기 안정성 평가단계(S300)는 평가부(170)에 의하여, 상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델(160)의 안정성이 평가된다.
상기 안정성 평가단계(S300)는 토양의 종류, 상기 앵커 모델(140)의 무게, 상기 앵커 모델(140)의 낙하높이, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이, 암반높이 중 적어도 하나를 포함하는 유한요소가 이용되어 유한요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)이 수행된 후 분석 변형률(SFEA)이 출력되고, 상기 실제 변형률(SEXP)과 분석 변형률(SFEA)이 비교될 수 있다.
예컨대, 상기 안정성 평가단계(S300)는 토양의 종류 2가지, 상기 앵커 모델(140)의 무게 3가지, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이 3가지, 암반의 암반높이는 3가지에 대해서 총 54개의 유한요소분석(FEA)이 수행될 수 있고, 54개의 유한요소분석(FEA)에 대한 54개의 분석 변형률(SFEA)이 산출될 수 있다.
한편, 상기 안정성 평가단계(S300)는 훅의 법칙(Hook’s Law)이 이용되어 응력이 산출될 수 있다. 여기서, 훅의 법칙은 탄성범위 내에서 상기 실제 변형률(SEXP)과 탄성계수의 곱으로 응력을 산출할 수 있다. 여기서, 상기 탄성계수는 상기 파이프라인 모델(160)의 재질에 따라 기 설정된 값일 수 있다.
또한, 상기 안정성 평가단계(S300)는 요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)가 수행됨에 있어서, 유한요소별 본 미세스 응력 또는 등가 응력이 산출될 수 있다. 여기서, 미세스 응력 또는 등가 응력은 항복조건의 대표적인 기준으로써, 하중을 받고 있는 물체의 각 지점에서의 비틀림 에너지를 나타내는 값이다.
이에 따라, 상기 안정성 평가단계(S300)는 상기 실제 변형률(SEXP)로부터 산출된 상기 응력이 요소분석(FEA)으로부터 산출된 등가 응력과 기 설정된 오차범위 이내에서 유사하다면 상기 파이프라인 모델(160)이 안정한 것으로 평가될 수 있고, 기 설정된 오차범위를 초과하거나 상이할 경우 상기 파이프라인 모델(160)이 안정하지 않은 것으로 평가될 수 있다.
또한, 상기 안정성 평가단계(S300)는 유한요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)이 수행됨에 있어서, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이와 암반높이의 합이 동일한 경우 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이가 가장 큰 값과 이에 상응하는 암반높이가 최적매설깊이와 최적암반높이로 각각 선정되고 안정성 평가결과로 출력될 수 있다.
예컨대, 상기 안정성 평가단계(S300)는 매설깊이 0m와 암반높이 1.5m, 매설깊이 0.5m와 암반높이 1.0m, 매설깊이 1m와 암반높이 0.5m 등 암반깊이와 매설깊이의 합이 1.5m로 동일한 경우에 있어서, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이가 가장 큰 값인 1m과 이에 상응하는 암반높이인 0.5m가 최적매설깊이와 최적암반높이로 각각 선정되고 안정성 평가결과로 출력될 수 있다.
실시예
실험방법 및 파라미터
본 실시예는 본원발명에 의하여 파이프라인 모델(160)의 안정성 평가가 유효함을 입증하기 위해 수행되었다.
파이프-토양-암반의 상호작용을 설계하기 위하여, 우선적으로 상기 토양은 수분이 많은 점토로 형성된 질척한 토양(S) 또는 수분이 적은 모래로 형성된 느슨한 토양(L) 중 하나이다. 상기 토양을 질척한 토양(S)과 느슨한 토양(L)으로 구분하는 기준은 상대밀도일 수 있고, 상기 토양의 상대밀도는 하기 [수학식 1]로 산출될 수 있다.
Figure 112021021473374-pat00001
여기서, Dr은 상대밀도이고,
Figure 112021021473374-pat00002
는 건조단위중량,
Figure 112021021473374-pat00003
는 최대건조단위중량,
Figure 112021021473374-pat00004
은 최소건조단위중량일 수 있다.
다음으로, 상기 앵커 모델(140)의 무게는 한국표준협회에 따른 5.25ton, 10.5ton, 15.4ton의 중량을 갖는 앵커 모델로 선정되었다. 그리고 각각의 상기 앵커 모델(140)의 낙하높이가 산출되기 위하여 하기 [수학식 2]가 이용되었다.
Figure 112021021473374-pat00005
여기서, h는 낙하높이(m), m은 상기 앵커 모델(140)의 무게(kg), g는 중력 가속도(9.81m/s2), m은 부력(kg)을 고려한 상기 앵커 모델(140)의 무게(kg), vtv는 앵커 모델(140)의 종점 속도(m/s)이다.
다음으로, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이는 0m, 0.5m, 1m 중 하나일 수 있다. 상기 파이프라인 모델(160)은 길이 500mm, 지름 25.4mm, 두께 1.27mm로 형성된 중공 원기둥일 수 있다. 그리고 상기 파이프라인 모델(160)의 상단 표면에는 상기 앵커 모델(140)이 충돌하는 중앙점으로부터 양방향으로 50mm 이격된 두 지점에 각각 스트레인 게이지(161a, 161b)가 부착될 수 있고, 상기 파이프라인 모델(160)의 하단 표면에는 상기 중앙점과 일직선인 지점에 상기 스트레인 게이지(161c)가 부착될 수 있다. 3개의 스트레인 게이지(161a, 161b, 161c)는 상기 평가부(170) 내 데이터 로거(171)와 무선통신 가능하도록 연결될 수 있고, 상기 데이터 로거(171)의 샘플링 주파수는 1kHz이며 각 채널을 초당 1000회 분석하도록 설정되어 있으며 측정간격은 0.001s이다.
다음으로, 암반은 다수개의 사석(RIPRAP)으로 형성되었고, 사석(RIPRAP)은 일반적으로 지반보강을 위해 까는 대형의 쇄석을 일컫는다. 다만, 본 실시예에서는 대형이 아닌 15mm 내지 20mm 범위 이내의 길이를 갖는 사석이 사용되었다. 상기 토양과 파이프라인 모델(160) 위에 적층되는 암반의 암반높이는 0.5m, 1m, 1.5m일 수 있다.
이때, 상기 앵커 모델(140)의 낙하와 상기 암반과의 충돌이 매우 짧은 시간 내에 발생했기 때문에 상기 암반의 거동을 관찰하기는 어려웠고, 모든 사례에 대해서 상기 앵커 모델(140) 충돌 시 측정값은 각 스트레인 게이지(161)에 의해 발생하고 이를 비교함으로써 상기 파이프라인 모델(160)의 안정성에 가장 적합한 결과를 출력하였다.
이에 따라, 토양의 종류 2가지, 상기 앵커 모델(140)의 무게 3가지, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이 3가지, 암반의 암반높이는 3가지에 대해서 총 54개의 유한요소분석(FEA)이 수행되었다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 파이프-토양-암반 상호작용을 고려하여 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)으로 구성된 수조를 각각 표시한 도면이다. 도 4와 같이 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)으로 구성된 수조에서 파이프라인 모델(160)의 매설깊이는 0m, 0.5m, 1m, 암반높이는 0.5m, 1m, 1.5m이다.
실험결과
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)에서 시간에 따른 등가 응력을 표시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 부드러운 토양(a)과 질척한 토양(b)에서 암반의 변형을 표시한 도면이다.
본원발명의 일실시예의 최대 등가 응력은 상기 파이프라인 모델(160)의 중앙점에서 생성되었다. 그리고 등가 응력이 이용되어 상기 앵커 모델(140)이 암반에 충돌 시 발생된 변형에 대한 실제 변형률(SEXP)이 이용되어 상기 파이프라인 모델(160)의 안정성이 평가되었고, 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이에 따른 최적의 암반높이가 도출되었다.
도 5를 보면, 본원발명의 일실시예에 따라 상기 앵커 모델(140)의 3가지 중량 중에서 10.5톤을 기준으로 하고, 파이프라인 모델(160)의 변형 정도가 명확히 확인될 수 있도록 상기 파이프라인 모델(160)의 매설깊이가 0m일 때, 시간에 따른 응력 그래프이다.
즉, 모든 암반높이를 대상으로 질척한 토양(b)에서 더 큰 응력이 생성되었고, 암반높이가 증가함에 따라 최대 등가 응력이 감소했다. 여기서, 질척한 토양(b)은 수분 포화상태에 있으므로, 토양 간 응집력이 부족하여 충격을 흡수하지 못하였으므로 더 큰 최대 등가 응력을 보인다.
도 6을 보면, 부드러운 토양(a)에 있어서 암반높이가 증가함에 따라 암반의 변형이 적고, 응력이 감소했다. 질척한 토양(b)에 있어서 모든 암반높이에 대하여 부드러운 토양(a)과 비교했을 때 암반의 변형과 응력이 크고, 상기 앵커 모델(140)이 암반 깊숙이까지 침투하였다. 다만, 자체적으로는 암반높이가 증가함에 따라 암반의 변형이 적고, 응력이 감소했다.
한편, 매설깊이 0m와 암반높이 1.5m, 매설깊이 0.5m와 암반높이 1.0m, 매설깊이 1m와 암반높이 0.5m 등 암반깊이와 매설깊이의 합이 1.5m로 동일한 경우에 있어서, 최대응력을 비교했을 때 암반보강의 효과는 파이프라인 모델(160)의 매설깊이와 관련이 있다.
또한, 매설깊이 증가에 따른 최대 등가 응력의 평균 감소율은 부드러운 토양(a)에서 25.4%, 질척한 토양(b)에서 22.9%였다. 암반높이 증가에 따른 최대 등가 응력의 평균 감소율은 부드러운 토양(a)에서 16.8%, 질척한 토양(b)에서 22.8%였다. 즉, 이러한 효과가 고려되어 파이프라인 모델(160)의 안전한 매설깊이와 효과적인 보호조치인 암반높이가 결정될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100.. 해저 파이프라인 모사 실험 장치
110.. 제1 프레임
120.. 제2 프레임
121.. 길이 조절부
130.. 자기장 발생부
140.. 앵커 모델
150.. 수조
160.. 파이프라인 모델
161.. 스트레인 게이지
170.. 평가부
171.. 데이터 로거
172.. 디스플레이
173.. 입력장치

Claims (5)

  1. 지면으로부터 일정 거리 이격된 상태에서 평행하도록 설치되는 제1 프레임;
    중공 원기둥 형상으로 구비되고, 일측이 상기 제1 프레임에 수직하게 설치되는 제2 프레임;
    전류가 흐르면 자기장이 발생하는 전자석으로 형성되고, 상기 전자석에 연결된 전선이 상기 제2 프레임 중공을 관통하는 자기장 발생부;
    실제 앵커(Anchor) 형상으로 모사되고, 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 생성되면 일측이 부착되고 상기 자기장 발생부로부터 자기장이 소멸되면 중력에 의하여 지면방향으로 탈착되는 앵커 모델;
    파이프-토양-암반의 상호작용을 확인할 수 있도록 토양, 파이프라인 모델, 암반 순으로 적층되고 상기 암반의 높이까지 물이 채워지는 수조;
    상기 앵커 모델이 지면방향으로 탈착될 시 실제 변형률(SEXP)을 확인할 수 있도록 하나 이상의 스트레인 게이지가 부착되는 파이프라인 모델; 및
    상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델의 안정성을 평가하는 평가부;를 포함하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 앵커 모델, 파이프라인 모델 및 수조는,
    Froude 상사법칙이 이용되어 실제 앵커(Anchor), 파이프라인 및 파이프-토양-암반을 포함하는 해저 상태가 축소 모사되는 것을 특징으로 하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치.
  3. 자기장 발생부에 의하여, 전류가 차단된 후 자기장이 소멸되고 부착된 앵커 모델이 지면방향으로 탈착되는 앵커 모델 탈착단계;
    파이프라인 모델에 의하여, 상기 앵커 모델의 하중에 따라 파이프라인 모델이 변형된 실제 변형률(SEXP)이 측정되는 변형률 측정단계; 및
    평가부에 의하여, 상기 실제 변형률(SEXP)을 이용하여 상기 파이프라인 모델의 안정성이 평가되는 평가단계;를 포함하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 안정성 평가단계는,
    토양의 종류, 상기 앵커 모델의 무게, 상기 앵커 모델의 낙하높이, 상기 파이프라인 모델의 매설깊이, 암반높이 중 적어도 하나를 포함하는 유한요소가 이용되어 유한요소분석(Finite-Element Analysis; FEA)이 수행된 후 분석 변형률(SFEA)이 출력되고,
    상기 실제 변형률(SEXP)과 분석 변형률(SFEA)이 비교되는 것을 특징으로 하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 안정성 평가단계는,
    상기 파이프라인 모델의 매설깊이와 암반높이의 합이 동일한 경우 상기 파이프라인 모델의 매설깊이가 가장 큰 값과 이에 상응하는 암반높이가 최적매설깊이와 최적암반높이로 각각 선정되고 안정성 평가결과로 출력되는 것을 특징으로 하는 파이프-토양-암반 상호작용을 고려한 앵커 영향에 대한 해저 파이프라인 모사 실험 장치를 이용한 해저 파이프라인 안정성 평가방법.
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RESPONSE OF SUBSEA PIPELINES TO ANCHOR IMPACTS CONSIDERING PIPE_SOIL_ROCK INTERACTIONS
THREE_DIMENSIONAL NUMERICAL METHOD TO STUDY PIPELINE DEFORMATIONS DUE TO TRANSVERSE IMPACTS FROM DROPPED ANCHORS
해저지반 내 매립된 구조물의 앵커 충돌 시나리오에 따른 위험성 분석 및 추가 보호를 위한 락범 설계기준에 관한 연구

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