KR102601843B1 - 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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디이엠이 오프쇼어 비이 엔.브이.
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Abstract

선박의 데크로부터 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치가 설명된다. 상기 장치는 상기 물체를 리프팅 지점에서 잡아서 상기 수중 바닥에 위치 시키게 되는 리프팅 수단; 상기 리프팅 수단에 매달릴 경우, 상기 길이 방향으로 상기 물체를 지지하고, 제 1 원주 부분에 결합하도록 되고, 상기 선박의 에지에 연결되어, 상기 물체가 세워질 수 있는 피벗을 제공하는 세우기 툴; 및 상기 리프팅 수단에 매달리는 상기 물체의 제 2 원주 부분에 결합하게 되고, 상기 선박의 에지에 연결되어, 상기 제 1 원주 부분 및 제 2 원주 부분이 상기 물체의 길이 방향으로 선택적으로 이격되게 하는 그리핑 툴을 포함한다. 상기 그리핑 툴은 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 움직임의 제어를 수행하고, 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나에 작용하게 되는 액추에이터 시스템을 포함한다. 상기 장치를 사용하는 방법이 설명된다.

Description

길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 선박의 데크로부터 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 선박, 특히 부유식 선박(floating vessel)의 데크로부터 수중 바닥으로 풍력 터빈의 모노파일을 제공하기위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 해상 풍력 터빈을 참조하여 설명 될 것이다. 그러나, 이러한 풍력 터빈에 대한 언급은 본 발명이 이에 제한되는 것을 의미하지 않으며, 장치 및 방법은 예를 들어 다른 해양 토대 구조물, 부두(jetty), 레이더, 및 기타 타워 등, 임의의 다른 크기의 크고 가느다란 물체를 수중 바닥에 제공하기 위해 적용될 수 있다.
해상의 풍력 터빈(wind turbine)의 토대(foundation)는, 일반적으로 수중 바닥(underwater bottom)과의 높이 차이를 연결하기 위해서, 일반적으로 가느다란 디자인을 갖는다. 풍력 터빈의 빈번하게 적용되는 토대는 상부에 트랜지션 피스(transition piece)가 제공되는 모노파일(monopile)을 포함하고, 이는 모노파일에 배열된 터빈 마스트(turbine mast)에 대한 연결을 형성한다. 모노파일은 수중에서 운반되며 하측 단부는 수중 바닥으로 몰아진다. 따라서 모노파일 토대의 대부분은 물 밑에 있게 된다.
모노파일은 전형적으로 길이가 100m 이상이고, 직경이 11m 이상이며, 중량이 2000 톤 이상으로 증가 할 수 있는 강철 또는 콘크리트의 중공 원통형 구조를 포함한다. 또한, 풍력 터빈은 더 많은 전기 에너지를 생산하기 위해 지속적으로 확장되기 때문에 풍력 터빈의 토대가 점점 더 무거워지고 있다. 점점 더 큰 규모를 갖는 모노파일 토대를 처리하는 것은 점점 더 어려워지고 있다.
수중 바닥에 모노파일을 제공하는 공지 된 방법은 크레인과 같은 리프팅 수단을 사용하여 선박으로부터 모노파일을 잡는 단계와, 모노파일을 수중 바닥으로 또는 수중 바닥 위로 하강시키는 단계를 포함하며, 모노파일은 선박에 연결된 파일 그리퍼(pile gripper)에 의해 대략 수직으로 배향된 위치로 제어된다. 선박은 전형적으로 잭업 선박(jack-up vessel)인데, 이는 전형적으로 잭업 선박의 레그(legs)가 요구되는 안정성을 제공하기 때문이다. 전형적인 작동 순서에서, 모노파일은 파일 그리퍼를 사용하는 리프팅 수단에 의해 해저로 하강된다. 하중이 리프팅 수단에서 해저로 전달 될 때, 모노파일은 리프팅 수단에서 분리되고 구동 해머링 툴(driving hammering tool)은 모노파일에 설치된다. 파일 그리퍼에 의해 제공되는 일부 유도(guidance)하에서, 모노파일은 원하는 깊이에 도달 할 때까지 해저로 더 밀어진다. 모노파일이 해저에 고정 된 후에 만, 모노파일은 파일 그리퍼로부터 분리된다.
Manfred Beyer et al.의 논문 "New BAUER Fly Drill System Drilling Monopiles at Barrow Offshore Wind Farm, UK"은 수중 층(underwater bed)에 풍력 터빈의 모노파일을 배치하기 위한 장치를 개시하고있다. 세우기 툴(upending tool) 또는 프레임, 및 그 아래에 배치 된 그리핑 툴(gripping tool)을 포함하는 세우기 및 유도 시스템(upending and guidance system)이 사용된다. 이 시스템은 선박의 선미에 연결되어 있으며, 상승 중에 모노파일이 회전 할 수 있는 힌지를 형성한다.
WO 2017/142418 A1은 해저에 완전한 단일 컬럼 플랫폼(mono-column platform )을 배치하기위한 장치를 개시하고있다. 플랫폼은 제 1 선박과, 케이블에 의해 선박에 연결되고 선박 뒤에 배열되는 폰툰(pontoon)에 의해 물을 통해 공급된다. 폰툰은 플랫폼 아래에서 제거되어 플랫폼은 자체 무게의 영향을 받아 트랙션 케이블을 사용하여 물 안으로 회전한다. 제 1 선박에는, 플랫폼이 물에 떠있을 때 플랫폼과 함께 이동함으로써 다수의 자유도를 제공하는 플랫폼용 유도 장치(guiding device )가 장착되어 있다.
잭업 선박을 사용하면 선박의 움직임이 제한되지만 예를 들어 높이와 크기와 관련된 몇 가지 단점과 제한을 갖게 된다. 더 크고 무거운 모노파일을 설치하기 위해서는 부유식 선박(floating vessels)에서 모노파일을 설치해야 한다.
잭업 플랫폼에 사용되는 알려진 파일 그리퍼는 부유식 선박에는 사용할 수 없다. 부유식 선박에는 안정적이고 정적인 작업 플랫폼이 없기 때문이다. 부유식 선박은 그 위치가 동적 위치 결정(dynamic positioning , DP) 및/또는 계류 시스템(mooring system)에 의해 다소 제한되는 경우에도 비교적 큰 풋프린트(footprint)를 갖는다. 공지된 방법 및 장치의 다른 단점은 비교적 잔잔한 바다 및 비교적 작은 물체 크기에서만 수행 될 수 있다는 것이다. 크기가 큰 물체는 실제로 바다(물류, 파도)와 바람이 물 속으로 내려 가면서 많은 양의 에너지에 영향을 받는다. 해상 상태가 거칠수록 규모가 점점 증가하는 모노파일과 같은 대형 물체를 제어하기가 더 어려워지고 있다. 그러한 기후적 제한에 의해, 소중한 시간이 낭비될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것으로, 상기 종래 기술의 단점을 적어도 부분적으로 해소한다. 본 발명은 특히 부유식 선박으로부터 수중 바닥으로 풍력 터빈의 모노파일을 안전하게 제공하기 위한 개선된 장치 및 방법을 제공하려 한다.
본 발명에 따른 이러한 목적을 위해, 선박의 데크로부터 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 :
-상기 물체를 리프팅 지점에서 잡아서 상기 수중 바닥에 위치 시키게 되는 리프팅 수단;
-상기 리프팅 수단에 매달릴 경우, 상기 길이 방향으로 상기 물체를 지지하고, 제 1 원주 부분에 결합하도록 되고, 상기 선박의 에지에 연결되어, 상기 물체가 세워질 수 있는 피벗을 제공하는 세우기 툴; 및
-상기 리프팅 수단에 매달리는 상기 물체의 제 2 원주 부분에 결합하게 되고, 상기 선박의 에지에 연결되어, 상기 제 1 원주 부분 및 제 2 원주 부분이 상기 물체의 길이 방향으로 선택적으로 이격되게 하는 그리핑 툴; 및
- 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 움직임의 제어를 수행하고, 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나에 작용하게 되는 액추에이터 시스템을 포함한다.
인용된 종래 기술 문헌 중, 특히 WO 2017/142418 A1을 비롯한 어떠한 문헌들도, 선박과 관련된 제 1 및/또는 제 2 원주의 움직임을 감쇠 또는 제어하기 위한 세우기 프레임(upending frame) 및/또는 그리핑 툴(gripping tool)과 결합되도록 구성되는 액추에이터 시스템(actuator system)을 도시하지 않는다. 기껏해야, WO 2017/142418 A1은 시스템과 결합되고 물에 떠있는 플랫폼과 함께 이동하도록 배열되는 시스템을 개시하고있다. 공지된 시스템은, 예를 들어, 시스템과 결합된 플랫폼의 움직임을 감쇠 시키거나(수동 보상), 플랫폼에 움직임을 능동적으로 부가(능동 보상)함으로써, 떠있는 플랫폼상에 작용할 수 없다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제 1 및 제 2 원주 부분은 실질적으로 일치 할 수 있다. 이러한 실시 예에서, 세우기 툴 및 그리핑 툴은 물체의 실질적으로 동일한 원주 부분에 작용하도록 위치적으로 정렬된다. 다른 실시 예에서, 그리핑 툴은 세우기 툴로서 기능하도록 구성 될 수 있다. 이를 위해, 그리핑 툴은 선박의 에지에 연결되고 리프팅 수단으로부터 매달릴 때 길이 방향으로 물체를 지지하도록 구성되어, 물체가 세워질 수 있는 피벗을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 세우기 툴과 그리핑 툴은 물체의 길이 방향으로 이격된 제 1 및 제 2 원주 부분에 결합되도록 서로에 대해 위치적으로 정렬된다. 이러한 부분은 하기에 설명되는 몇가지 이점들을 갖는다.
액추에이터 시스템은 작동되는 단계(phase)에 따라 다른 모드로 작동 될 수 있다. 전형적인 방법에서, 물체는 그 리프팅 지점에서 리프팅 수단(lifting means)을 통해 취해지고, 물체의 제 1 원주 부분과 결합되는 세우기 툴로 가져와진다. 이어서, 물체는 실질적으로 수직한 위치로 세워질 수 있는 한편, 세우기 툴은 피벗 주위에서 회전된다. 이 단계의 작동 동안, 액추에이터 시스템은 전형적으로 세우기 툴에 작용하고, 선박에 대한 제 1 원주 부분의 움직임을 감쇠함으로써 제어하도록 구성된다. 이 단계의 작동에서, 액추에이터 시스템은 "수동 모드"로 작동된다. 선박에 대한 제 1 원주 부분의 움직임의 감쇠는 보다 제어되고 안전한 작동을 가능하게 한다.
물체가 실질적으로 수직한 위치로 세워질 때, 일반적인 추가 단계는 그리핑 툴과 함께 리프팅 수단으로부터 매달린 물체의 제 2 원주 부분을 그리핑 툴에 연결하는 단계와, 물체를 수중 바닥으로 및 수중 바닥 위로 하강시키는 단계를 포함한다. 이 단계의 작동에서, 액추에이터 시스템은 전형적으로 그리핑 툴에 작용하고, 이러한 움직임을 수동적으로 감쇠시킴으로써, 선박에 대한 제 2 원주 부분의 움직임을 제한하게 되며, 또는 필요한 경우 선박에 대해 제 2 원주 부분 상에 움직임을 능동적으로 부과하여 이루어질 수 있다. 다른 실시 예에서, 액추에이터 시스템은 또한 세우기 툴에 작용하고 선박에 대한 제 1 원주 부분 상에 움직임을 능동적으로 부과함으로써 선박에 대한 제 1 원주 부분의 움직임을 제어하도록 구성된다. 또 다른 실시 예에서, 액추에이터 시스템은, 세우기 툴 및 그리핑 툴 모두에 동시에 작용하고, 선박에 대해 제 1 및 제 2 원주 부분에 능동적으로 움직임을 부과함으로써, 선박에 대한 제 1 및 제 2 원주 부분의 움직임을 제어하도록 구성된다.
본 발명의 특히 바람직한 실시 예는 그리핑 툴이 실질적으로 수평 평면에서 선박에 대해 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 병진 이동 시키도록 구성되는 액추에이터 시스템을 포함하여 상기 평면에서의 선박 및 물체 움직임을 보상하는 장치에 관한 것이다.
장치 및 보다 구체적으로, 세우기 툴과 그리핑 툴의 조합은 바람직하게는 부유식 선박으로부터 수중 바닥으로 그리고 바람직하게는 부유식 선박으로부터 물체를 제어 가능하고 정확하게 제공하기위한 신뢰성 있는 시스템을 제공한다. 상호 정렬된 세우기 툴 및 그리핑 툴의 조합은 특히 크레인과 같은 리프팅 수단에 의존 할 때 물체의 스윙 운동을 감소시킬 수 있다. 크레인에는 실제로 허용 가능한 특정 제한이 적용된다. 예를 들어, 매달린 와이어(hanging wire)의 일반적인 최대 허용 경사각 값은 5°의 오프 리드(off lead)와 3°의 사이드 리드(side lead)이다. 이러한 제한을 초과하면 매달린 와이어가 크레인 시브(crane sheaves)에서 빠져 나가거나 크레인의 최대 허용 수평 하중 용량을 초과 할 수 있다. 세워짐 과정에서 물체가 부분적으로 (예를 들어 수평 방향에 대해 약 80°의 경사각으로) 세워질 때, 물체의 과도한 스윙(overswinging)을 방지하는 것이 특히 유용하다.
본 발명의 장치는 리프팅 수단으로부터 매달린 물체의 에너지의 적어도 일부를 흡수 할 수 있고, 물체가 수중 바닥으로 하강되는 동안, 수중 바닥에 대해 원하는 위치에 세워진 물체를 유지하도록 구성된다.
플로팅 모노파일(floating monopile) 설치의 주요 과제 중 하나는 필요한 설치 공차 내에 파일을 설치하는 것이다. 부유식의(따라서 움직이는) 선박은 실제로 작업 범위가 매우 제한적이거나 일반적으로 요구되는 엄격한 공차에 대처할 수 없다. 예를 들어, 수직한 방향에 대한 모노파일 각도의 최대 편차는 일부 프로젝트에서 0.25°이내로 제한 될 수 있다. 본 발명의 장치는 이러한 목표를 달성하는 것을 돕는다.
리프팅 지점은 바람직하게는 물체의 상단부를 포함하고, 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나는 리프팅 지점으로부터 떨어진 거리에서 리프팅 수단에 매달린 물체와 결합되도록 구성된다.
본 발명의 다른 양태는 길이 방향의 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하는 방법에 관한 것으로서, 이상의 방법은,
a) 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 장치 및 물체를 제공하는 단계;
b) 상기 리프팅 수단으로 상기 물체의 리프팅 지점에서 상기 물체를 잡는 단계;
c) 상기 물체를 상기 세우기 툴 내부로 가져오고, 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 상기 물체의 제 1 원주 부분을 상기 세우기 툴에 결합시키는 단계;
d) 상기 세우기 툴이 피벗을 중심으로 회전되는 동안, 상기 물체를 실직적으로 수직한 위치로 세우는 단계;
e) 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 물체의 상기 제 2 원주 부분을 상기 그리핑 툴에 결합하여, 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분을 선택적으로 상기 물체의 길이 방향으로 이격시키는 단계
f) 상기 물체를 상기 수중 바닥위로 및 수중 바닥으로 하강시키는 단계; 및
g) 상기 장치로부터 상기 물체를 분리시키는 단계를 포함하고,
상기 액추에이터 시스템은, 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나에 작용하고, 단계 d) 및 단계 f) 중 적어도 하나의 단계 동안, 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 움직임을 제어한다.
상기 방법 단계는 특정한 순서를 요구하지 않는다는 점을 밝혀둔다. 리프팅 수단으로부터 매달린 물체의 제 2 원주 부분을 그리핑 툴과 결합시키는 단계 e)가 단계 d)의 일부 이전에 또는 그와 함께 수행되는 것이 가능하며, 즉 세우기 툴을 피벗을 중심으로 회전시키면서 물체를 실질적으로 수직한 위치로 세울 수 있다. 지시된 양의 최대 20 %, 보다 바람직하게는 최대 10 %, 더욱 더 바람직하게는 최대 5 %, 가장 바람직하게는 최대 0.5 %의 편차가 존재할 수 있다는 점이 실질적으로 이해될 수 있다.
본 발명의 실시 예는, 액추에이터 시스템이 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나에 작용하고, 단계 d) 및 단계 f) 중 적어도 하나의 단계 동안, 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 액추에이터 시스템이 적어도 단계 d) 및 단계 f) 중 적어도 하나의 단계 동안, 상기 선박에 대한 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 움직임을 감쇠시키는 장치 및 방법이 특히 바람직하다. 이러한 실시 예는, 예를 들어 물체의 하측 단부가 선박 서지 방향(surge direction)으로 이동하는 경우에, 세우기 툴의 수직 축 중심으로 세워지는 동안 물체의 회전을 추가로 방지하거나 적어도 제한한다. 또한, 물체가 거의 수직한 위치에 있을 때, 예를 들어 물체의 하측 단부가 선박 흔들림 방향으로 움직일 때, 물체의 상측 단부의 갑작스러운 뒤집힘(tip over)을 방지하거나 적어도 제한할 수 있다.
세워짐 도중 또는 물체가 하강되는 동안, 물체의 제 2 원주 부분은 그리핑 툴에 의해 결합된다. 그리핑 툴은 물체가 감쇠 진자(damped pendulum) 방식으로 길이 방향에 대해 횡 방향으로 이동할 수 있는 "감쇠 모드"로 작동 될 수 있다. 그리핑 툴과 세우기 툴을 함께 사용하여 회전 감쇠(rotational damping)를 생성 할 수 있다. 그 이후, 세우기 툴은 제 1 원주 부분에 대한 감쇠 힌지 지점(hinge point)으로서 사용되며, 그리핑 툴은 제 2 원주 부분의 횡 방향 이동을 감쇠시킨다.
감쇠 모드(damping mode)에서, 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘다는 이러한 움직임이 장치 및/또는 물체 및/또는 리프팅 수단이 손상 될 수 있는 높은 진폭에 도달하는 것을 회피하도록 한다. 또한, 피크 진폭(peak amplitudes)을 제거함으로써 보다 제어된 동작이 얻어 질 수 있다. 따라서, 종래 기술의 방법은 최대 파도 높이가 1.5m 까지만 적용될 수 있는 것에 반해, 최대 파도 높이가 2-2.5m에 이르는 거친 해상에서 작업하는 것이 가능해진다. 그리핑 툴은 또한 선박 움직임 보상 모드(compensating mode)로 작동 될 수 있으며, 이 모드에서, 세워진 물체의 제 2 원주 부분은 수중 바닥에 대한 선박의 움직임에도 불구하고, 수중 바닥에 평행하게 연장되는 평면에서 수중 바닥에 대해 실질적으로 고정된 위치에서 유지되도록 한다. 이 모드는 바람직하게는 수중 바닥이 닿거나 부분적으로 침투 할 정도로 세워진 물체가 내려지기 직전에 사용된다.
작동 시, 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나가 외부로 넘어감으로써, 결합된 제 1 및/또는 제 2 원주 부분은 선박의 에지를 넘어 연장된다.
그 다음 리프팅 수단에 매달린 세워진 물체는 선박의 에지를 따라 물 속으로 또는 아래쪽으로 매달리게 된다.
본 발명의 또 다른 실시 예는 단계 f)가 실질적으로 수평 평면에서 선박에 대해 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 병진시키면서 선박의 수중 바닥으로 및 수중 바닥 위로 물체를 하강시키는 단계를 더 포함하는 장치를 제공하여, 선박 움직임을 보상할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예는 액추에이터 시스템이 수평 평면에서 수중 바닥(즉, 실질적으로 수중 바닥에 평행하게 연장되는 평면)에 대해 실질적으로 고정된 위치에 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 유지하도록 구성되는 장치에 관한 것이다. 수평 평면은 수중 바닥 또는 대안적으로 수면과 실질적으로 평행하게 연장되는 것으로 정의될 수 있다.
물에 떠있는 선박은 3 개의 병진 운동과 3 개의 회전 운동을 포함하여 6 자유도의 움직임을 수행한다. 선박에 연결된 직교 좌표계에서 z 축을 수직으로 연장하는 것으로 정의하고, x 축은 선박의 길이 방향으로 연장되는 것으로 정의하며, y 축은 선박의 횡 방향으로 연장되는 것으로 정의 될 수 있으며, 당 업계에서는 x 축의 병진 운동은 서지(surge), y 축 병진 운동은 스웨이(sway), z 축 병진 운동은 히브(heave)로 지칭한다. x 축 중심의 선박의 회전 운동은 롤(roll), y 축 중심의 회전은 피치(pitch), z 축 중심의 선박의 회전은 요(yaw)라고 한다. 특히, 선박의 갑판에 의해 형성되는 (x, y) 평면은, 물에서의 선박의 움직임으로 인해 수중 바닥 움직임에 평행하게 연장되는 평면과 평행하지 않을 수 있다. 본 발명의 장치의 액추에이터 시스템은 실질적으로 수평 평면에서 선박에 대해 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 병진 이동 시켜서 선박 움직임을 보상하고, 일 실시 예에서 수평 평면, 즉 수중 바닥과 대략 평행하게 연장되는 평면에서 수중 바닥에 대해 실질적으로 고정된 위치에 물체, 특히 세워진 물체의 원주 부분을 유지한다. 이는 그리핑 툴에 연결된 직교 좌표계에서 선박 좌표계의(x, y, z) 좌표축에 평행하게 연장되는 (x, y, z) 축이 있고, 그리핑 툴 좌표계의 x 및 y 방향으로 수중 바닥에 대한 움직임이 없다는 것을 의미한다.
수평면에서 수중 바닥에 대해 실질적으로 고정된 위치에 물체를 유지하는 것은 발명의 장치의 실시 예에서 달성 될 수 있으며, 액추에이터 시스템은 수중 바닥에 평행하게 연장되는 평면에서 선박에 대해 그리핑 툴을 이동 시키도록 구성된다. 액추에이터 시스템은 예를 들어 적어도 어느 정도의 정확도까지 상기 목표를 달성하기 위해 선박의 데크 제어실 또는 선박 브리지로부터 조작자에 의해 제어 될 수 있다.
본 발명의 추가 개선은 그리퍼 툴과 동적 위치 결정(dynamic positioning)/계류 시스템 컨트롤러(mooring system controllers) 사이의 인터페이스를 제공하는 것이다. 이러한 인터페이스의 실시 예는, 그리퍼 툴로부터 DP 컨트롤러(DP controller)로의 포스 피드 포워드 루프(force feedforward loop)를 포함한다. 본 발명의 개선 된 실시 예는 수직축에 대한 세워진 물체의 경사를 측정하도록 구성된 센서 시스템을 더 포함하는 장치를 제공한다. 이러한 실시 예는 조작자가 센서 시스템 출력에 응답하여 적절한 조치를 취할 수 있게 한다. 예를 들어, 조작자는 물체의 수직으로부터의 편차를 수용하기 위해 그리핑 툴을 선박에 대해 병진시킬 수 있다. 본 발명의 한 양태에서, 물체의 각도 위치(angular position)는 액추에이터 시스템에 의해 그리핑 툴 또는 그 부품을 능동적으로 이동 시키거나, DP 시스템 또는 계류 시스템을 작동시킴으로써 선박의 위치를 능동적으로 이동시킴으로써 조정될 수 있다. 후자의 시스템은 비교적 큰 오프셋을 보정하는데 특히 유용하다. 따라서 수중 바닥에 배열된 물체는, 그 물체가 수중 바닥에 고정되기 전에 정확하고, 일반적인 수직한 위치에 놓일 수 있다. 각도 위치는 물체의 길이 방향이 수직 방향과 이루는 각도에 의해 결정된다.
본 발명의 실시 예에 따른 추가적으로 개선된 장치는 또한 센서 시스템 출력에 응답하여 액추에이터 시스템에 대한 제어 신호를 생성하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 이러한 실시 예는 조작자의 개입이 필요하지 않으며 원하는 경우 자체적으로 동작 할 수 있다.
수중 바닥에 설치된 모노파일과 같은 세장형 물체의 위치는 그 자체로 알려진 글로벌 포지셔닝 시스템(global positioning system)과 같은 당 업계에 알려진 임의의 수단에 의해 결정될 수 있다. 선박이 동적 위치 결정(DP) 또는 계류 시스템을 포함하는 본 발명의 장치의 실시 예에 의해 물체의 정확한 위치 결정이 향상 될 수 있다. 이러한 시스템은 예를 들어 잭업 플랫폼(jack-up platform)에서와 같이 스퍼드 폴(spud poles)을 사용하지 않고 적어도 일부 공차 내에서 수중 바닥에 대해 상대적으로 일정한 위치에 선박을 유지할 수 있다. 계류 시스템은 일단에 수중 바닥에 연결하기위한 적절한 수단이 제공되는 다른 계류 라인, 및 윈치 주위에 제공되는 다른 단부 또는 다른 적절한 수취/전개 수단을 포함하는 다수의 계류 라인을 포함 할 수 있다. 계류 라인의 수는 하나와 임의의 수, 예를 들어 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상 중에서 편리하게 선택 될 수 있다.
본 발명에 따른 그리핑 툴의 실제 실시 예는 제 2 원주 부분과 결합하기 위한 그리핑 유닛 및 그리핑 유닛을 위한 지지 프레임을 포함하고, 지지 프레임은 선박의 에지에 연결된다. 지지 프레임은 그리핑 유닛을 선박에 연결하고, 일부 실시 예에서 액추에이터 시스템이 수중 바닥에 평행하게 연장되는 평면에서 그리핑 유닛을 선박에 대해 이동시키는 것을 허용한다.
장치의 또 다른 유용한 실시 예에서, 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나는 툴을 선박의 선내 및 선외로 가져오기 위해 에지를 따라 연장되는 축을 중심으로 선박의 에지에 피벗 가능하게 연결된다. 유리하게는, 세우기 툴 및 그리핑 툴은 모두 에지를 따라 연장되는 축을 중심으로 선박의 에지에 피벗 가능하게 연결된다.
수평면에서 그리핑 유닛의 이동을 용이하게 하기 위해, 장치의 일 실시 예는 선박의 데크에 수직으로 연장되는 축 주위에서 선박의 에지에 피벗 가능하게 연결되는 그리핑 툴을 포함한다. 이러한 축은 실질적으로 수직 방향으로 연장된다.
본 발명의 다른 실시 예는 액추에이터 시스템이 선박과 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나, 바람직하게는 유압 피스톤 실린더 유닛 사이에서 작용하는 피스톤 실린더 유닛을 포함하는 장치에 관한 것이다. 수평 평면에서 세우기 툴 및/또는 그리핑 툴의 이동을 제어 할 수 있도록 하기위해, 피스톤 실린더 유닛은 바람직하게 수평면에서 연장되거나 단축되어 선박에 대한 (x, y) 평면에서의 물체의 제 2 원주 부분의 수평 위치를 조정한다. 액추에이터 시스템은 주로 사용 중 모든 수평 선박 움직임을 보정한다. 여기에는 수평 운동을 유도하는 서지, 스웨이, 롤, 피치 및 요우와 같은 선박 자체의 동작과 관련된 1 차 동작이 포함된다. 실제로, 롤과 같은 선박의 회전 운동은 그리핑 툴의 수평 또는 수직의 병진 구성 요소를 야기할 수 있다.
2 차 동작은 또한 그리핑 툴의 액추에이터 시스템에 의해, 또는 대안적으로 이러한 2 차 동작이 그리핑 툴 액추에이터 시스템의 보상 경계를 초과하는 경우에, 동적 포지셔닝(DP) 또는 계류 공간(mooring footprint)에 의해 보상 될 수 있다. 이상의 둘의 조합도 사용될 수 있다.
선박의 모든 수직 운동은 해제(허용)된다. 여기에는 수직 운동을 유도하는 선박의 수직, 롤 및 피치가 포함된다. 따라서 이들은 그리핑 툴로 전달되지 않는다.
물체(회전 위치) 주위의 선박 요우가 보상 될 수 있거나, 대안적인 실시 예에서 해제 될 수 있다. 이것은 물체에 선박에 의한 토크가 가해지지 않도록 하기위한 것이다.
특히 물체가 아직 수중 바닥에 도달하지 않은 경우에, 액추에이터 시스템이, 선박에 대해 그리핑 툴에 의해 유지되는 물체 및 그리핑 툴의 움직임을 감쇠 시키도록 구성된 움직임 감쇠 수단을 포함하는 장치의 실시 예를 제공하는 것이, 물체가 수중 바닥에 아직 도달하지 않은 경우에 유리할 수 있다. 바람직한 실시 예는 피스톤 실린더 유닛 형태의 움직임 감쇠 수단(movement-damping means) 및 피스톤 실린더 유닛에 존재하는 유압 액체용 스로틀 수단(throttle means)을 제공한다. 실제적인 실시 예는 액추에이터 시스템을 제공하며, 피스톤 실린더 유닛은 또한 움직임 감쇠 수단으로서 구성된다. 이러한 실시 예에서, 액추에이터 시스템은 정확한 포지셔닝 시스템 및 이동 감쇠 수단으로서 작용한다.
움직임 감쇠 수단은 지지 구조물에 대해 이동하는 그리핑 부재(및 그 내부에 수용된 물체)의 운동 에너지를 열 에너지로 변환하도록 구성될 수 있다. 발생된 열로 인한 온도 증가는, 예를 들어 주위 공기에서 도관 등의 냉각에 의해 제어 상태로 유지될 수 있다. 가능한 일 실시 예에서, 장치는 이동 감쇠 수단 또는 그 구성 요소를 위한 냉각 수단을 포함한다.
유압식 스로틀 수단이 피스톤 실린더에 존재할 수 있다. 유동하는 유압 액체는 스로틀 수단에 의해 유압 저항에 노출되어 마찰이 증가하고 온도가 상승한다. 생성된 운동 에너지는 효과적으로 소산될 수 있다. 이러한 실시 예는 원하는 경우 선택적으로 원하는 프리-스트레싱 포스(pre-stressing forces)을 생성 할 수 있고/있거나 유압 실린더 챔버에서 가능한 부피 차이를 보상 할 수 있는 유압 축압기(hydraulic accumulator)와 함께 적용될 수 있다. 액추에이터 시스템의 피스톤 실린더 유닛의 프리-스트레싱은 축압기에 적용함으로써 간단한 방식으로 제어 될 수 있다. 적합한 어큐뮬레이터는 멤브레인 어큐뮬레이터 및/또는 피스톤 어큐뮬레이터를 포함한다. 모노파일 및 그리핑 툴 또는 그 부품의 횡 방향 움직임의 경우, 이러한 움직임 감쇠 연결에서의 반작용 응력은 어큐뮬레이터 내의 가스 부피에 의존하는 값으로 증가하여, 움직임이 보상된다.
스로틀 수단은 피스톤 실린더의 피스톤의 개구 및/또는 유압 도관의 수축부로 구현 될 수 있다. 적합한 스로틀 수단은 예를 들어 선택적으로 제어 가능한 스로틀 밸브를 포함한다.
본 발명에 따르면, 선택적인 움직임 감쇠 수단과 같은 액추에이터 시스템 및 그 구성 요소는 물체의 길이 방향과 횡 방향으로 작용한다. 이는 세우기 툴 및/또는 그리핑 툴에 수용된 물체의 길이 방향의 횡 방향으로의 요동 운동이 물체의 길이 방향의 횡 방향으로 작용하는 힘의 성분과 대응한다는 것을 의미한다.
다른 실시 예는, 상기 세우기 툴 및 그리핑 툴 중 적어도 하나가 물체의 제 1 및/또는 제 2 원주 부분 주위에 각각 제공되는 개폐 가능한 링 구조물을 포함하는 장치를 제공한다.
링 구조물에는 바람직하게는 물체의 길이 방향에 대해 대략 수직 한 횡방향 평면으로 연장되고, 원주 부분으로부터의 거리에서 후퇴된 위치와, 상기 원주 부분이 결합되는 연장된 위치 사이에서 상기 횡방향 평면에서 이동 가능한 복수개의 가이딩 암들이 구비된다.
보다 바람직한 실시 예는, 복수개의 가이딩 암들이, 상기 물체의 상기 길이 방향으로의 병진 및 상기 물체의 길이 방향에 평행한 축을 중심으로의 회전 중 적어도 하나가 허용하도록 구성되는 장치를 제공한다. 세워진 물체의 길이 방향의 병진은 실질적으로 수직 방향으로의 병진에 해당하므로 선박의 히브(heave)를 수용 할 수 있다. 세워진 물체의 길이 방향 주위의 회전은 실질적으로 수직 축 주위의 회전에 대응하고 따라서 선박의 요우(yaw)를 수용 할 수 있게한다. 후자의 회전은 수중 바닥에 고정되기 직전에 수직 축을 중심으로 모노파일과 같은 세워진 물체를 회전시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 세우기 툴은 케이지-형 구조를 형성하기 위해, 상기 물체의 상기 길이 방향으로 이격된 2 개의 상호 연결된 링 구조물을 포함할 수 있다. 링 구조물은 예를 들어 길이 방향으로 연장되는 리브(ribs)에 의해 상호 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 세우기 툴은 리프팅 수단으로부터 매달릴 때 물체를 길이 방향으로 지지하도록 구성된다. 이것은 일 실시 예에서 물체의 하측 단부에 결합하는 후크를 구비하는 텔레스코프식으로 연장 가능한(telescopically extendable) 하나 이상의 암들을 갖는 세우기 툴을 제공함으로써 달성될 수 있다. 텔레스코프식으로 연장가능한 암들(telescopically extendable arms)은 세장형 물체의 하측 단부와 제 1 원주 부분 사이의 길이 방향의 거리를 조절할 수 있게 하여, 상이한 물체의 크기를 수용 할 수 있는 가능성을 제공한다. 단일 암은 일반적으로 물체의 하측 단부와 선박의 측부 쉘(side shell) 사이에 위치합니다.
후크를 구비한 상기 언급된 암에 대한 대안으로서, 예를 들어, 결합된 제 1 원주 부분이 세우기 툴에 비해 아래쪽으로 미끄러지는 것을 방지하기 위한 마찰 요소를 세우기 툴에 제공함으로써, 물체가 세워지는 동안 마찰로 클램핑 될 수 있게 한다. 마찰 요소를 포함하는 세우기 툴은 리프팅 수단으로서 사용될 수 있으며, 실시 예에서 크레인과 같은 별도의 리프팅 수단이 생략 될 수 있다. 적합한 마찰 요소는 예를 들어 고무 트랙(rubber tracks)을 포함 할 수 있다.
위로 향한 물체는 수중 바닥을 향하여 내려 가고 마지막으로 상기 바닥과 접촉할 때 자체 무게의 영향으로 상기 바닥을 더 관통할 수 있다. 그러나 본 발명의 바람직한 실시 예는 물체를 수중 바닥으로 구동시키기 위한 수단을 더 포함한다. 따라서, 공지된 유압 해머 유닛을 사용함으로써, 드릴링에 의해 또는 다른 적합한 기술에 의해 모노파일을 바닥 표면 내로 구동시키는 것이 가능하다. 바람직한 방법에서, 물체는 수중 하부로 구동되는 동안 그리핑 툴에 의해 지지된다.
본 발명에 따른 다른 개선 된 장치는 소음 완화 시스템(noise mitigation system, NMS)이 장착된 그리핑 툴을 포함한다. 이 실시 예는 물체를 수중 바닥으로 구동하는 동안 소음 공해를 감소시켜야하는 상황에서 유용 할 수 있다. 그리핑 툴에는 이러한 NMS를 사용할 수 있도록 적절한 인터페이스가 제공된다. NMS가 그리핑 툴에 연결되는 실시 예가 바람직하지만, NMS는 그리핑 유닛 근처의 물 안으로 가져오기 위해 별도의 구조로서 제공 될 수도 있다. 그리핑 툴에 연결될 때, 물체가 그리핑 툴 및 NMS에 진입 할 수 있도록 NMS가 개방 가능한 것이 바람직하다.
상기 장치는 첨부된 청구 범위에 설명 된 방법에 따라 선박의 데크, 바람직하게는 부유식 선박으로부터 수중 바닥으로 모노파일 토대를 제공하는데 특히 유용하다.
본 특허 출원에 설명 된 본 발명의 실시 예는 이들 실시 예의 임의의 가능한 조합으로 결합 될 수 있으며, 각 실시 예는 개별적으로 특허 출원의 주제를 형성 할 수 있다고 명시되어있다.
본 발명은 이제 이하의 도면을 참조하여 설명 될 것이며, 이에 제한되지는 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 장치가 제공된 부유식 선박의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 세우기 툴 및 그리핑 유닛을 포함하는 장치의 개략적인 사시도이다.
도 3a-3f는 상이한 작동 단계 동안, 도 2의 실시 예의 개략적인 사시도를 도시한다.
도 4a-4c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그리핑 툴의 개략적인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그리핑 구조에 사용되는 거리 유지 요소의 개략적인 사시도이다.
도 6a-6o는 본 발명의 방법의 실시 예에 따른 상이한 동작 단계를 개략적으로 도시한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 장치(1)가 장착 된 선박(10)이 도시되어있다. 장치(1)는 길이 방향 축(40, longitudinal axis)을 갖는 모노파일(4, monopile)을 수중 바닥(5, bottom under water) 아래에 제공하는데 사용된다. 배치 될 구성 요소는 예를 들어 다수의 트랜지션 피스(6, transition pieces) 및 모노파일(4)과 같은 선박(10)의 작업 데크(work deck) 상에 제공 될 수 있다. 선박(10)의 작업 데크는 베이스(72)상의 수직 축 중심으로 피벗 가능하게 제공되는 크레인(7) 형태의 리프팅 수단(lifting means)을 추가로 지지한다. 크레인(7)에는 호이스팅 케이블(70, hoisting cables)이 제공되며, 그 자유 외부 단부에는 후크(hook)를 갖는 호이스팅 블록(71, hoisting block)이 있으며, 이로부터 모노파일(4)은 모노파일(4)의 상단에 제공되는 리프팅 지점(46)에서 매달릴 수 있다.
선박(10)에는 그 자체로 알려진 동적 위치 결정(dynamic positioning) 및/또는 계류 시스템(mooring system)(미도시)이 장착되어 있다.
장치(1)의 실시 예는 도 2에보다 상세하게 도시되어있다. 장치(1)는 선박(10)의 에지(10a, edge)에 연결되고 제 1 원주 부분(4a, first circumferential part)에 결합되고 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 지지하도록 구성되는 세우기 툴(2, upending tool) 포함한다. 세우기 툴(2)은 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 모노파일(4)이 세워질 수 있는 피벗을 제공한다. 장치(1)는 또한 선박(10)의 에지(10a)에 연결된 그리핑 툴(3, gripping tool)을 포함한다. 그리핑 툴(3)은 도 6e 내지 도 6m에 도시된 바와 같이 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b, second circumferential part)와 결합되도록 구성된다. 도시된 바와 같이, 제 1 원주 부분(4a)과 제 2 원주 부분(4b)는 일정 거리(41)로 모노파일(4)의 길이 방향(40)으로 이격되어있다. 제 1 및 제 2 원주 부분(4a, 4b)은 리프팅 지점(46)으로부터 0이 아닌 거리에 위치된다.
그리핑 툴(3)은 실질적으로 수평 평면(horizontal plane)에서 선박(10)에 대해 세워진 위치에서 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b)를 이동 시키도록 구성되는 다수의 유압 피스톤 실린더(35, hydraulic piston cylinders)(도 4 참조)를 포함하는 액추에이터 시스템(actuator system)을 포함한다. 이에 의해, 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 파도의 작용에 따른 선박(10)의 움직임이 보상된다.
선박(10)의 작업 데크(10b, work deck)에는 한 쌍의 스키딩 레일(210, 310)(skidding rails)이 제공된다. 도 6a 내지 도 6i에 도시된 선외 위치(outboard position)로부터 도 6k 내지 도 6o에 도시 된 선내 위치(inboard position)로 세우기 툴을 가져오기 위해, 스키딩 레일(210)은 선박(10)과 대한 (x, y) 좌표계에서 y축에 평행한 횡 방향(athwartship) 방향으로 세우기 툴(2)을 이동하는데 사용된다. 그리핑 툴(3)을 예를 들어 도 4b에 도시된 선외 위치로부터 도 4c에 도시된 선내 위치로 가져오기 위해, 스키딩 레일(310)은 선박(10)의 에지(10a)에 평행하게 연장한 선박의 x축을 중심으로 그리핑 툴(3)을 회전시키는데 사용된다. 선박의 좌표계에서 x 축은 선박(10)의 중앙 방향(amidship direction)과 평행하게 연장된다.
선박(10)의 작업 데크(10b)에 서있는 사람(50)은 장치(1)의 크기를 예시한다.
장치(1)는 부유식 선박(10, floating vessel)로부터의 스트레이트 파일링(straight piling)을 허용한다. 세우기 툴(2)은 모노파일(4)을 세우도록 하여, 실질적으로 수평한 이송 위치(transport position)(도 1에 도시)에서 실질적으로 수직한 배향으로 가져간다. 도시 된 실시 예에서 세우기 툴(2)은 그리핑 툴(3)과 일렬로 배치 되고, 그리핑 툴(3)과 함께 작동하여, 모노파일(4)을 하강시키는 동안 모노파일(4)의 진동을 방지하고 모노파일(4)이 제어 상태에 있도록 유지한다. 세우기 툴(2) 및 그리핑 툴(3)은 모노파일의 길이 방향(40)으로 정렬된 상태로 작동하여, 모노파일이 양쪽 툴(2, 3) 모두에 수용되도록 한다. 그러나, 원한다면 양쪽 툴(2, 3)이 라인을 벗어나서 사용될 수도 있다.
도 3a 내지 도 3f를 참조하면, 모노파일(4)이 세우기 툴(2)에 수용 되는 경우, 세우기 툴(2)은 모노파일(4)의 길이 방향(40)으로 이격 된 2 개의 상호 연결된 링 구조물(20, 21)(ring structures)을 갖는다. 링(20, 21)은 길이 방향의 리브(22, ribs)에 의해 상호 연결되고 함께 케이지-형 구조물(cage-like structure)을 형성하여 모노파일(4)이 수용 될 수 있다. 링 구조물(20, 21)은 예를 들어 도 3b에 도시된 바와 같이 힌지(23)를 중심으로 회전시킴으로써 개방(openable) 및 재-폐쇄(re-closable)가 가능하다. 모노파일(4)은 이러한 목적을 위해 제공된 유압 실린더(27)로 케이지 도어를 개방함으로써 어펜딩 케이지-형 구조물(20, 21, 22)(upending cage-like structure)로부터 로딩 및 해제될 수 있다. 로킹 실린더(Locking cylinders)가 세워지는 동안 케이지-형 구조물 도어를 구속하는데 사용될 수 있다.
어펜딩 케이지-형 구조물(20, 21, 22)은 스키딩 레일(210)을 따라 슬라이딩 가능한 행-오프 프레임(28, hang-off frame)에 의해 지지된다. 케이지-형 구조물(20, 21, 22)은, 세우기 툴(2)에 수용될 경우, 모노파일(4)의 길이 방향(40)으로 횡 방향으로 연장되는 축(41)을 중심으로 자유롭게 회전가능한 힌지(29)에 의해 행-오프 프레임(28)에 연결된다. 행-오프 프레임(28)은 스키딩 시스템(210)에 의해 선내로 이동 될 수 있고 (저용량) 유압 실린더에 의해 작동되는 로킹 핀에 의해 고정될 수 있다. 선박(또는 행-오프 프레임(28))에 대해 및 힌지(29)를 중심으로의 어펜딩 프레임(2, upending frame)의 회전은, 행-오프 프레임(28) 및 힌지(29) 상에 제공된 요크 사이에서 케이지-형 구조물(20, 21, 22)의 각 측부에 배열된 한 쌍의 유압 실린더(29a)에 의해 구동된다. 유압 실린더(29a)는 액추에이터 시스템을 포함하는 유압 회로의 일부이다. 모노파일(4)이 실질적으로 수직한 위치로 세워질 때, 세우기 툴(2)은 피벗(29)을 중심으로 회전된다. 이러한 동작 단계 동안, 액추에이터 시스템은 전형적으로 세우기 툴(2)에 작용하고 이들 움직임을 감쇠시킴으로써, 선박(10)에 대해 결합된 모노파일(4)의 움직임을 제어하도록 구성된다. 이 단계의 작동에서, 액추에이터 시스템은 수동 모드(passive mode)로 작동되는 것으로 말할 수 있다. 다른 실시 예에서, 능동 제어도 가능하다.
케이지-형 구조물(20, 21, 22)은 모노파일(4)의 제 1 원주 부분(4a) 주위에 제공되어 이를 유지한다. 링 구조물(20, 21)에는 케이지-형 구조물(20, 21, 22)에 제공된 모노파일(4)의 길이 방향(40)에 대략 수직한 횡 방향 평면으로 연장하는 복수개의 가이딩 암(24, guiding arms)이 제공된다. 도 5에 상세하게 도시 된 가이딩 암(24)은 원주 부분(4a)로부터 이격되는 후퇴 위치(retracted position)와, 원주 부분(4a)이 결합되는 연장된 위치(extended position) 사이의 횡 방향 평면에서 이동 가능하다. 가이딩 암들(24)의 결합 단부에서, 암들은 사용시 z축 방향(선박(10)의 히브(heave)에 대응하는 수직 방향)으로 연결되는 모노파일(4)의 비교적 방해받지 않는 움직임을 허용하는 롤러(24a)와, 선박(10)의 스웨이(sway)에 대응하는 모노파일(4)의 길이 방향(40)에 평행한 축을 중심으로 결합된 모노파일(4)의 상대적으로 방해받지 않는 회전을 허용하는 롤러(24b)를 구비할 수 있다.
세우기 툴에는 또한 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 매달리 위치((suspended position))에서 지지하기 위한 수단이 구비된다
이들 수단은 모노파일(4)의 길이 방향(40)으로 연장되고 예를 들어 도 2에 도시 된 바와 같이 길이 방향(40)을 가로 지르는 평면으로 연장되고 하측 단부(4c)와 결합될 수 있은 후크들(26)을 구비하는 텔레스코프식으로 연장가능한 암들(25, telescopically extendable arms)을 포함 할 수 있다. 도 3f를 참조하면, 후크들(26)은 암들(25)의 주위에서 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 해제하는 위치로 피벗될 수 있다. 예를 들어 유압 실린더로 열릴 수 있다. 도 3c 및 3d는 암들(25)의 길이가 상이한 모노파일의 크기를 수용하도록 텔레스코프식으로 조절 될 수 있음을 도시한다. 다시 말해, 텔레스코픽 후크(26, telescopic hooks)는 모노파일의 상이한 스틱-스루 길이(stick-through lengths)를 수용하도록 조정될 수 있다. 거꾸로, 후크(26)는 기계적으로 잠금 될 수 있다. 텔레스코픽 후크(26)는 세우는 단계 동안 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 구속하는데 사용된다. 텔레스코픽 후크(26)는 각각 스키딩 실린더(skidding cylinder) 및 2 개의 로킹 실린더(locking cylinders)에 의해 작동되며, 상세하게 도시되지 않았다.
세우기 툴(2)의 목적은 세우는 동안 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 지지하고 구속하는 것이다. 모노파일(4)의 세우기 후, 모노파일(4)은 일반적으로 그리핑 툴(3)에 의해 포획되며, 이후, 세우기 툴(2) 케이지-형 구조물(20, 21, 22)이 개방되고 모노파일(4)이 해제된다. 모노파일(4)을 해제한 이후, 세우기 툴(2)은 한 쌍의 스키딩 레일(210)을 따라 선내로 미끄러져서 선내 위치로 복귀 될 수 있다.
도 4a 및 4b를 참조하면, 그리핑 툴(3)의 실시 예가 도시되어있다. 그리핑 툴(3)은 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b)과 결합하는 그리핑 유닛(30, gripping unit) 및 그리핑 유닛(30)을 위한 지지 프레임(31, support frame)을 포함한다. 지지 프레임(31)은 선박(10)의 작업 데크(10b) 상에 제공된 다수의 힌지(32)에 의해 선박(10)의 에지(10a)에 피벗 가능하게 연결되고, 에지(10a)를 따라 연장되는 축을 중심으로 회전 할 수 있게 된다. 이러한 연결은 그리핑 툴(3)을 도 4c에 도시 된 선내 위치와 오 4b에 도시된 선외 위치 사이에서의 이동을 허용한다.
지지 프레임(31)은 슬라이딩 프레임(38) 및 폴딩 프레임(39, folding frame)을 형성하는 다수의 브레이스(braces)를 더 포함한다. 슬라이딩 프레임(38)은 그리핑 유닛(30)을 제자리에 유지시키는 것을 목표로 한다. 보상하는 동안, 그리핑 유닛(30)은 그리핑 유닛(30)에 구비된 슬라이딩 인터페이스(61)와, 슬라이딩 프레임(38)과 사이에서 연장하는 유압 실린더(60)를 동작 시킴으로써 슬라이딩 프레임(38) 위로 슬라이딩된다. 슬라이딩 프레임(38)은 힌지(32)를 갖는 폴딩 프레임(39)에 연결되고 유압 실린더(62)의 작동에 의해 폴딩 프레임(39)에 대해 이동할 수 있게 된다. 폴딩 프레임(39)은 작동 중에 슬라이딩 프레임(38)을 외부에 위치시키는 데 사용된다. 폴딩 프레임(38)은 힌지(32)에 의해 작업 데크(10a)에 연결된다. 폴딩 프레임(38)은 또한 도 4c에 도시된 바와 같이 그리핑 툴(3)의 스키딩 시스템(310)을 사용하여 작업 데크(10a) 상에 폴딩 될 수 있다. 폴딩 프레임(38)은 폴딩 프레임(38)과 스키딩 레일(310) 사이에 제공된 브레이스(63)를 후방으로 미끄러지게 함으로써 하강된다.
그리핑 유닛(30)은 메인 프레임 요소(33)를 포함하는 가이딩 링(guiding ring)으로 형성되고 모노파일(4)이 그리핑 유닛(30) 내부에 적재된 후에 위치에 고정되는 2 개의 프레임 암 요소(37a, 37b)에 힌지 연결된다. 가이딩 링의 암 요소(37a, 37b)(arm elements)는 각각 메인 프레임 요소(33, main frame element)와 암들(37a, 37b) 사이에 제공된 유압 실린더(35a, 35b)에 의해 작동된다. 암 요소(37a, 37b)는 , 예를 들어 유압 실린더에 의해 삽입 되고, 암(37a, 37b)의 구멍(36a, 36b)을 통해 제공되고 핀에 의해 로킹된다.
세우기 툴(2)에서와 같이, 메인 프레임 요소(33) 및 암(37a, 37b)에는 그리핑 유닛(30)의 원주를 따라 제공되고, 그리핑 유닛(30)에 제공되는 모노파일(4)의 길이 방향(40)에 대략 수직한 횡 방향 평면으로 연장하는 복수개의 가이딩 암들(34)이 제공된다. 가이딩 암들(34)은 도 5를 참조하여 전술한 가이딩 암들(24)과 동일 할 수 있다. 가이딩 암(34)(롤러 박스로 지칭될 수 있음)은 모노파일(4)을 그리핑 유닛(30) 내의 중심 위치(centered position)에 유지하기 위해 사용된다. 유압 실린더는 롤러 박스(34a, roller boxes)를 밀거나 후퇴시킴으로써 그리핑 유닛(30)의 지지 직경(support diameter)을 조정하기 위해 롤러 박스내에 배치된다. 추가적인 (수평하게) 배향된 롤러(34b, orientation roller)가 모노파일(4)에 대해 가압되어 모노파일을 수직(요우) 축에 대해 원하는 배향으로 배치시킬 수 있다. 도 4에는 4 개의 롤러가 있지만, 총 롤러의 개수는 임의로 선택할 수 있으며 모노파일(4)의 지지 필요성에 따라 4 개 이상, 예를 들어 6 개 또는 8 개 이상일 수 있다.
액추에이터 시스템은 유압 회로(미도시)에 적절하게 통합된 적어도 유압 피스톤 실린더 유닛(60, 62), 및 바람직하게는 유압 실린더(29a)를 포함한다. 유압 실린더(62)는 그리핑 유닛(30)을 병진시킴으로써, 그에 따라 실질적으로 수평 평면에서 선박(10)에 대해 가이딩 유닛(330)에 제공된 세워진 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b)을 병진시키게 되어, 해당 평면에서의 선박의 움직임을 보상한다. x 및 y 방향으로의 병진은 힌지(32) 중심의 회전에 의해 야기된다. 그리핑 툴(3)은 선박(10)의 데크(10b)에 수직으로 연장되는 축을 중심으로 선박(10)의 에지(10a)에 피벗 가능하게 연결되기 때문이다. 수평 평은 수중 바닥 또는 대안 적으로 수면에 실질적으로 평행하게 연장되는 것으로 정의된다.
피스톤 실린더에 존재하는 유압 액체를 위한 스로틀 수단이 유압 피스톤 실린더 유닛(60, 62)(hydraulic piston cylinder units)에 구비 될 수 있고, 이에 의해 선박(10)에 대한 그리핑 툴(3)의 움직임을 감쇠시키도록 구성된 움직임 감쇠 수단(movement-damping means)으로서 작용할 수 있다. 이들은 선택적으로 냉각 될 수 있다.
유압 피스톤 실린더 유닛(60, 62)을 적어도 포함하는 액추에이터 시스템은 수평 평면, 즉, 수중 바닥에 대해 평행하게 연장되는 평면에 대해 실질적으로 고정된 위치에서 세워진 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b)을 유지하도록 구성될 수 있다. 이것은 액추에이터 시스템에 의해 수평 평면에서 선박(10)에 대해 그리핑 툴(3)을 병진시킴으로써 달성 될 수 있다. 여기에, 수직 축에 대한 세워진 모노파일(4)의 경사를 측정하도록 구성된 센서 시스템(도시되지 않았지만, 공지되어 있는)이 제공되며, 센서 시스템 출력은 경사각을 수직 방향으로부터 허용 가능한 편차 내에 유지하기 위해 액추에이터 시스템에 대한 제어 신호를 생성하는 데 사용된다. 경사계(inclinometers)와 같은 각도 측정 시스템은 그 자체로 공지되어 있으며, 임의의 적합한 유형이 사용될 수 있다. 경사계 이외의 다른 수단에 의해 경사각을 측정하는 것이 또한 가능하고 바람직할 수 있다. 예를 들어 물체의 상단 및 하단의 위치 측정에 의해 물체의 경사를 도출하고 수중 하부에 대해 결정된 이들 두 위치로부터 경사를 유도하는 것 역시 가능하다.
이 장치에는 또한 유압식 해머링 유닛(hydraulic hammering unit)과 같이, 세워진 모노파일(4)을 수중 바닥으로 구동시키기 위한 수단이 구비 될 수 있다. 바람직하게 그리핑 유닛에 부착되는 소음 완화 시스템(noise mitigation system, NMS)이 또한 사용될 수 있다.
본 발명의 장치(1)는 모노파일(4)을 부유식 선박(10)의 갑판으로부터 수중 바닥으로 제공하는 방법에 유리하게 사용될 수 있다.
도 6a 내지 6o를 참조하면, 방법은 여러 단계들을 포함 할 수 있다. 이들은 일반적으로 다음과 같습니다.
제 1 단계에서, 세우기 툴(2)의 케이지는 개방되고 모노파일(4)의 로딩을 위해 준비된다(도 6a). 세우기 툴(2)의 케이지는 이 단계에서 실질적으로 수평하게 배향된다. 텔레스코프식으로 연장가능한 암들(25)은 모노파일(4)의 길이 방향(40)으로 연장되고, 모노파일(4)의 하측 단부(4c)를 지지하도록 구성된 후크(26)는 닫힌다. 그 다음, 모노파일(4)은 크레인(7) 형태의 리프팅 수단에 의해 잡아지고, 하측 단부 면(4c)이 닫힌 후크(26)에 도달 할 때까지 세우기 툴(2)에 로딩된다. 대안적으로, 후크(26)는 모노파일(4)이 세우기 툴(2) 내부에 로딩된 이후 하측 단부 면(4c)을 향해 가져와질 수 있다. 세우기 툴(2)의 케이지는, 세우기 툴(2)의 케이지 내에 모노파일(4)을 적재하고 유지하기 위해 폐쇄된다(도 6b). 모노파일(4)은 선박(10)의 작업 데크(10b)와 대략 평행한 실질적으로 수평한 위치로 배향된다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 그리핑 툴(3)의 그리핑 유닛(30)은 암(37a, 37b)을 바깥쪽으로 회전시킴으로써 개방되고, 모노파일(4)은 크레인(7)에 의해 세워진다. 이는 또한 28을 통해 선박(10)에 연결되는 피벗(29) 주위에서 세우기 툴(2)의 자유 회전을 야기한다. 모노파일(4)이 그리핑 유닛(3)을 통과하게 하려면 이 실시 예에서 그리핑 툴(3)의 개방이 요구된다.
모노파일(4)은 소정의 경사각에 도달 할 때까지, 크레인(7) 및 세우기 툴(2)에 의해, 수직 방향으로 상대적으로 가까워지도록 세워진다(도 6d).
모노파일(4)이 실질적으로 수직 방향에 접근하기 위해, 도 6e에 도시 된 바와 같이, 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b) 주위에서 암(37a, 37b)을 회전시킴으로써 그리핑 툴(3)의 그리핑 유닛(30)이 폐쇄된다.
모노파일(4)은 도 6f에 도시 된 바와 같이 실질적으로 수직 위치에 위치 될 때까지 추가적으로 세워지게 된다. 그리핑 툴(3)의 그리핑 유닛(30)은 이러한 최종 세우기 단계 동안 추가적인 안정성을 제공한다.
도 6g는 텔레스코픽 후크(26)가 개방되어 적어도 z-축에 평행한 수직 방향으로 세우기 툴(2)로부터 모노파일(4)을 제거하기 위해 개방되는 다음 단계를 도시한다. 모노파일(4)은 이제 크레인(7)에만 매달리게 된다.
후크(26)를 구비한 텔레스코픽 암들(25, telescopic arms)은 세우기 툴(2)의 케이지 내로 후퇴되고 모노파일(4)은 더욱 하강하며, 가이드는 그립 유닛(3)과 세우기 툴(2) 둘 다에 의해 제공되며, 케이지는 여전히 모노파일(4) 주위에서 폐쇄된다(도 6h).
모노파일(4)을 수중 바닥 표면 바로 위의 위치로 하강시킨 후, 세우기 툴(2)의 케이지를 열어서 적어도 세우기 툴(2)로부터 모노파일(4)을 해제한다. 이 단계는 도 6i에 도시되어있다.
이제도 6j를 참조하면, 세우기 툴(2)은 작업 데크(10b)를 향해 힌지 연결부 중심으로 회전되고, 스키딩 레일(210)을 따라 선박(10)의 데크 상의 휴지 위치(rest position)로 변환된다.
그 다음, 모노파일(4)은 도 6k에 도시 된 바와 같이 수중 바닥으로 찔러지기 전에 요우 화살표 방향(direction of the yaw arrow)으로 롤러 박스들(34)의 롤러들(34b)를 사용하여 길이 방향 축(40)을 중심으로 배향된다. 그리핑 툴(3)의 그리핑 유닛(30)은 롤러(34b)가 제 2 원주 부분(4b)에서 모노파일(4)의 표면과 접촉하기 위해 모노파일(4) 주위에 여전히 제공된다.
도 6l을 참조하면, 모노파일(4)은 바닥과의 접촉 지점(contact point)이 모노파일(4)에 대한 힌지를 형성 할 때까지, 바람직하게는 자체 중량으로 수중 하부로 더 구동된다. 이 위치에서, 수중 바닥을 더 관통하는 모노파일(4)을 실질적으로 수직 위치로 유지시키기 위해, 액추에이터 시스템 및 유압 피스톤 실린더(60, 62)은, 특히 그리핑 유닛(30)과 유닛에 의해 잡힌 제 2 원주 부분(4b)을 수평 평면에서 병진시킴으로써 활성화된다. 액추에이터 시스템은 바람직하게는 경사 또는 위치 센서의 출력으로부터 발생하는 신호에 응답하여 동작한다. 액추에이터 시스템은 모노파일(4)의 제 2 원주 부분(4b)을 수중 바닥에 대해 안정적인 위치에 유지하도록 작동하여 수평 평면에서의 선박 움직임을 보상한다. 모노파일(4)의 하측 단부(4c)의 목표 위치(target position)는 동적 위치 결정 시스템(dynamic positioning system)을 사용하여 선박(10)의 위치, 크레인(7)의 위치 및 그리핑 유닛(30)의 위치를 측정함으로써 결정될 수 있다.
도 6m에 도시 된 다음 단계에서, 모노파일(4)은 해저에 박히고 그리핑 툴(3) 및 액추에이터 시스템은 움직임 보상 동작을 계속 수행한다.
모노파일(4)이 원하는 정도로 수중 바닥을 관통하면,도 6n에 도시된 바와 같이, 해머링이 중단되고 그리핑 툴(3)이 암들(37a, 37b)을 후퇴시킴으로써 개방된다. 해머가 그리핑 툴(3)의 높이에 도달 할 때 그리핑 툴(3)이 개방 될 수도 있다. 이러한 상황에서, 모노파일(4)은 최종적인 원하는 관통 깊이에 도달하지 않더라도 그리핑 툴(3)에 의해 지지되지 않을 정도로 충분히 안정적일 수 있다.
그리핑 유닛(3)은 대략적인 수직 위치에 도달 할 때까지 선박의 작업 데크(10a)를 향해 회전시킴으로써 휴지 위치로 가져와진다(도 6o). 선박(10)은 다른 위치로 항해 될 수 있고, 전술한 단계는 다른 모노파일(4)을 수중 바닥으로 제공하기 위해 반복 될 수 있다.
본 발명은 전술한 실시 예로 제한되지 않으며, 이하에 첨부 된 청구 범위의 범주에 속하는 한 그 변형을 포함한다.

Claims (26)

  1. 선박의 데크로부터 길이 방향을 갖는 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 장치에 있어서,
    - 상기 물체를 리프팅 지점에서 잡아서 상기 수중 바닥에 위치시키도록 구성된 리프팅 수단;
    - 상기 선박의 에지에 연결된 세우기 툴로서, 상기 세우기 툴은 상기 물체의 제 1 원주 부분에 결합하도록 구성되고, 상기 세우기 툴은, 상기 리프팅 수단으로부터 매달릴 때, 상기 길이 방향으로 상기 물체를 지지하기 위해 상기 물체의 하부 단부를 지지하도록 구성되고, 이에 따라 상기 세우기 툴은 피벗을 제공하고, 상기 물체는 상기 피벗 주위로 세워질 수 있는, 상기 세우기 툴; 및
    - 그리핑 유닛 및 지지 프레임을 포함하고 상기 선박의 에지에 연결된 그리핑 툴로서, 상기 그리핑 유닛은 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 상기 물체의 제 2 원주 부분에 결합하도록 구성되고, 한편 상기 제 1 원주 부분은 상기 세우기 툴에 의해 여전히 결합되어 있고, 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분은 상기 물체의 길이 방향으로 선택적으로 이격되는, 상기 그리핑 툴, 및
    - 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴에 작용하도록 구성되고 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분의 움직임들을 제어하도록 구성된 액추에이터 시스템으로서, 상기 액추에이터 시스템은 상기 그리핑 툴에 작용하도록 구성되고 실질적으로 수평면에서 상기 선박에 대해 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 병진 운동시키도록 구성되고, 이에 따라 선박 움직임들을 보상하여 세워진 물체의 제 2 원주 부분은 상기 실질적으로 수평면에서 상기 수중 바닥에 대해 실질적으로 고정 위치에 유지된, 상기 액추에이터 시스템
    을 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분의 움직임들을 감쇠하도록 구성된 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    수직 축에 대해 세워진 물체의 경사를 측정하도록 구성된 센서 시스템을 더 포함하는 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    센서 시스템의 출력에 응답하여 상기 액추에이터 시스템을 위한 제어 신호들을 생성하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 선박은 부유식 선박이고, 상기 선박은 동적 위치 결정(DP) 또는 계류 시스템을 포함하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제어 시스템은 상기 그리핑 툴 및 상기 선박에 제공된 상기 동적 위치 결정(DP) 또는 계류 시스템 사이의 인터페이스를 포함하고, 상기 인터페이스는 상기 그리핑 툴로부터 상기 동적 위치 결정(DP) 또는 계류 시스템으로 포스 피드포워드 루프를 선택적으로 포함하는 장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나의 툴은 상기 툴을 상기 선박의 선내 및 선외로 가져오기 위해 상기 에지를 따라 연장하는 축 주위로 상기 선박의 에지에 피벗식으로 연결되는 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 그리핑 툴은 상기 선박의 상기 데크에 수직하게 연장하는 축 주위로 상기 선박의 에지에 피벗식으로 연결되는 장치.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은 상기 수중 바닥에 평행하게 연장하는 평면에서 상기 선박에 대해 상기 그리핑 툴을 병진 운동시키도록 구성된 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템은 상기 선박 및 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나의 툴 사이에서 작용하는 피스톤 실린더 유닛들을 포함하는 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액추에이터 시스템의 움직임-감쇠 수단은, 피스톤 실린더 유닛, 및 상기 피스톤 실린더에 존재하는 유압 액체를 위한 스로틀 수단을 포함하는 장치.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 그리핑 툴에는 소음 완화 시스템이 제공된 장치.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 세우기 툴은 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 상기 물체의 하부 단부를 지지하기 위한 수단을 갖고, 상기 하부 단부에 결합하는 후크들이 제공된 텔레스코프식으로 연장 가능한 암들을 포함하는 장치.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 리프팅 지점은 상기 물체의 상부 단부를 포함하고, 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나의 툴은 상기 리프팅 지점으로부터 일 거리로 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 상기 물체에 결합하도록 구성된 장치.
  15. 선박의 데크로부터 길이 방향을 갖는 세장형, 대형 물체를 수중 바닥으로 제공하기 위한 방법에 있어서,
    a) 물체 및 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 장치를 제공하는 단계;
    b) 상기 물체의 리프팅 지점에서 상기 리프팅 수단으로 상기 물체를 잡는 단계;
    c) 상기 물체를 상기 세우기 툴 내부로 가져오고, 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 상기 물체의 제 1 원주 부분을 상기 세우기 툴과 결합하는 단계;
    d) 상기 세우기 툴이 피벗 주위로 회전되는 동안 실질적으로 수직한 위치로 상기 물체를 세우는 단계;
    e) 상기 리프팅 수단으로부터 매달린 물체의 제 2 원주 부분을 상기 그리핑 툴과 결합하는 단계 - 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분은 상기 물체의 길이 방향으로 이격됨 -;
    f) 상기 물체를 상기 수중 바닥 상으로 그리고 상기 수중 바닥 안으로 하강시키는 단계; 및
    g) 상기 장치로부터 상기 물체를 분리하는 단계
    를 포함하고,
    상기 액추에이터 시스템은 상기 세우기 툴 및 상기 그리핑 툴 중 적어도 하나의 툴에 작용하고, 단계 d) 및 단계 f) 중 적어도 하나의 단계 동안, 상기 선박에 대해 상기 제 1 원주 부분 및 상기 제 2 원주 부분 중 적어도 하나의 원주 부분의 움직임들을 제어하고,
    상기 액추에이터 시스템은 상기 그리핑 툴에 작용하고 실질적으로 수평면에서 상기 선박에 대해 세워진 물체의 제 2 원주 부분을 병진 운동시키고, 이에 따라 선박 움직임들을 보상하여 세워진 물체의 제 2 원주 부분은 적어도 단계 f)에서 상기 물체를 하강시키는 동안 상기 실질적으로 수평면에서 상기 수중 바닥에 대해 실질적으로 고정 위치에 유지되는 방법.
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