KR20120051347A - 해양 시설물용 칼럼 구조체 - Google Patents

해양 시설물용 칼럼 구조체 Download PDF

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하만영
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Abstract

본 발명은 해양 시설물에 설치되는 칼럼(Column) 또는 파이프 등의 해양 시설물의 칼럼 구조체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 해양 시설물의 칼럼 구조체는 타원형의 단면을 가지며, 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태로 이루어져 외주면에 나선형의 요입부와 돌출부가 연속적으로 형성된 것을 특징으로 한다.
이와 같이 칼럼 구조체가 타원형의 단면을 가지면서 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태로 이루어지면, 유체의 저항 및 와류 발생이 최소화되어 와유기 진동(VIV; Vortex Induced Vibration) 및 와유기 소음(VIN; Vortex Induced Noise)을 대폭 저감시킬 수 있고, 이로써 해양시설물의 동적 안정성을 확보할 수 있음과 동시에, 설치의 어려움이 없으며, 조류에 의한 침식 작용을 최소화시켜 시간이 지남에 따라 효과가 저하되는 현상이 거의 없게 된다.

Description

해양 시설물용 칼럼 구조체{Column Structure for Marine Equipment}
본 발명은 해양 시설물의 칼럼 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해양 플랫폼, 부유식 원유 생산 저장 설비 등의 해양 시설물에 설치되는 칼럼(Column) 또는 파이프 등의 해양 시설물의 칼럼 구조체에 관한 것이다.
해양 석유/가스의 시추 및 생산을 위한 해양 플랫폼, 부유식 원유 생산 저장설비(Floating Production, Storage and Offloading Equipment), 해상풍력발전기, 수중 파이프 라인 등의 해양 시설물은 이 해양 시설물을 해양에서 안정적으로 지지하기 위한 칼럼(Column)형 구조체 또는 유체의 이송 또는 지지를 위한 파이프 등의 구조체를 구비한다.
그런데, 이러한 해양 시설물의 칼럼 구조체는 단순한 다각형 단면이나 원형 단면을 가지고 있으며, 수중에 잠겨진 상태로 있기 때문에 해상파, 조류 등의 유동에 의해 구조체 주위에 주기적으로 와류(vortex)가 발생하여 진동 및 소음이 유발되고, 칼럼 구조체에 동적 불안정을 일으켜 해양 시설물의 손상을 야기하거나, 심지어 해양 시설물이 전복되는 현상이 일어나는 문제가 있다.
특허공개공보 제2007-34990호(2007년 3월 29일 공개)에는 해양플랫폼의 부양본체 외면에 나선밴드 형태로 다수의 스트레이크 세그먼트(strake segment)들을 배치하여 와유기 진동(VIV; Vortex Induced Vibration) 및 와유기 소음(VIN; Vortex Induced Noise)을 감소시키는 '해양플랫폼안정화 스트레이크'가 개시되어 있다.
그러나, 상기 해양플랫폼안정화 스트레이크는 와유기진동 및 와유기소음을 감소시키는 효과를 가져오기는 하지만, 전형적으로 드라이 도크에서 제작되어 칼럼에 용접으로 부착되어야 하는 매우 무거운 구조물이기 때문에 조립 및 설치에 어려움이 있으며, 조류에 의해 나선형 스트레이크가 침식이 되어 시간이 지날수록 그 효과가 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 해양의 수중에 잠겨져 해양시설물을 지지하는 칼럼 구조체의 형상을 개선하여, 저항 및 와류 발생을 최소화하여 와유기 진동(VIV; Vortex Induced Vibration) 및 와유기 소음(VIN; Vortex Induced Noise)를 대폭 저감시키고, 이로써 해양시설물의 동적 안정성을 확보할 수 있음과 동시에, 설치의 어려움이 없으며, 조류에 의한 침식 작용을 최소화시켜 시간이 지남에 따라 효과가 저하되는 현상이 거의 없는 해양 시설물의 칼럼 구조체를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 해양의 수중에 잠겨진 해양 시설물의 칼럼 구조체에 있어서, 타원형의 단면을 가지며, 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태로 이루어져 외주면에 나선형의 요입부와 돌출부가 연속적으로 형성된 해양 시설물의 칼럼 구조체를 제공한다.
이러한 본 발명에 따르면, 칼럼 구조체의 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태를 가짐과 동시에 타원형의 단면을 가지기 때문에 유동에 의한 저항 및 와류 발생이 현저히 감소하게 되고, 이에 따라 해양 시설물의 와유기 진동(VIV; Vortex Induced Vibration) 및 와유기 소음(VIN; Vortex Induced Noise)이 대폭 감소되어 해양 시설물의 구조적인 안정성이 확보되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 칼럼 구조체가 적용된 해양 시설물의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 해양시설물에 적용된 칼럼 구조체의 형태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 칼럼 구조체의 축방향을 따라 절단한 단면 형태를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 칼럼 구조체의 반경방향을 따라 절단한 단면 형태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 해양 시설물의 칼럼 구조체예의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 해상풍력발전기에 적용된 칼럼 구조체를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 해양 시설물의 칼럼 구조체예의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 스파형 해양 시설물에 적용된 칼럼 구조체를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 해양 시설물의 칼럼 구조체의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 해양 시설물의 일례로서 해저에 착지시키지 않고 해상에 부유시킨 상태에서 가동 가능하게 구성한 반잠수식 해양 플랫폼을 나타낸 것으로, 해양 플랫폼(1)의 하부에 수직한 칼럼(column) 형태로 된 복수개의 칼럼 구조체(10)가 설치된다. 상기 칼럼 구조체(10)들은 전체 또는 일부가 수중에 잠겨진다.
상기 칼럼 구조체(10)는 도 2 및 도 3에 도시한 것과 같이 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태(twisted shape)로 이루어져 외주면에 나선형의 요입부(11)와 돌출부(12)가 연속적으로 형성된 구조로 이루어진다. 칼럼 구조체(10)를 축방향을 따라 절단했을 때 상기 칼럼 구조체(10)의 외면에 형성된 요입부(11)와 돌출부(12)는 부드러운 웨이브(wave) 형태를 이루는 것이 바람직하다.
또한, 상기 칼럼 구조체(10)들은 도 4에 도시한 것과 같이 전체가 타원형의 단면을 갖는다.
이와 같이 상기 칼럼 구조체(10)가 타원형 단면을 가짐과 동시에 외주면 자체가 나선형으로 뒤틀린 형태를 가지게 되면, 유입되는 강한 조류에 의해 발생되는 와유기 진동이 교란되어 규칙적인 와류가 발생하는 것이 억제되고, 이로써 와유기 진동이 감쇠되어 해양 플랫폼이 안정화될 수 있게 된다.
또한, 상기 칼럼 구조체(10)는 단면이 타원형 단면을 이루고 있기 때문에 종래의 원통형 칼럼 또는 다각형 칼럼에 비하여 유체의 저항을 감소시킬 수 있으며, 칼럼 구조체(10)의 외주면이 전체적으로 나선형을 이루고 있으므로 다양한 방향에서 유입되는 조류들에 대해서 타원형 단면이 갖는 이점을 계속 유지할 수 있다.
이와 더불어, 상기 칼럼 구조체(10)는 표면 자체가 뒤틀린 형태로 이루어져 저항 및 와류 발생을 최소화하므로 기존에 육상에서 별도의 나선형 스트레이크 등을 부착하는 경우에 비하여 설치가 훨씬 용이할 뿐만 아니라, 조류에 의해 침식될 가능성도 대폭 낮아지게 되므로 장기간 동안 해양 시설물의 안정성을 확보할 수 있는 이점도 있다.
상기 칼럼 구조체(10)는 해양 플랫폼(1)에 고정되게 설치되지만, 이와 다르게 조류의 흐름에 따라 설치 방향이 가변되도록 부싱(bushing) 등을 매개로 해양 플랫폼(1)에 수직한 축을 중심으로 회전이 가능하게 연결될 수도 있다. 상기 칼럼 구조체(10)가 해양 플랫폼(1)에 회전 가능하게 연결되면, 조류의 방향에 따라 칼럼 구조체(10)가 수직한 축을 중심으로 회전하면서 방향이 가변되고, 이로 인해 유체의 저항이 더욱 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 칼럼 구조체(10)의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 해상풍력발전기(2)의 지지 구조물로 적용된 칼럼 구조체(10)를 나타낸다. 상기 칼럼 구조체(10)는 해저면에 고정되거나 계류라인(mooring line)(미도시) 등에 연결되어 일정한 위치에 고정된다.
이 실시예의 칼럼 구조체(10) 역시 전술한 실시예와 마찬가지로 타원형 단면을 가지며, 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태(twisted shape)로 이루어진다. 전술한 실시예의 칼럼 구조체(10)는 하단에서부터 상단까지 횡단면적이 대체로 일정하지만, 이 실시예의 칼럼 구조체(10)는 하단에서부터 상단으로 갈수록 횡단면적이 작아지면서 콘 형태를 이룬다.
도 6은 본 발명에 따른 칼럼 구조체(10)의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 이 세번째 실시예는 스파(spar)형 플랫폼(3)의 하부에 수직하게 설치된 칼럼 구조체(10)를 나타낸다. 이 실시예의 칼럼 구조체(10)는 플랫폼(3)이 직립되어 부유된 상태에 있을 때 상측부분이 해수면의 상부로 연장되고 하측부분이 해수면의 아래로 잠겨진다.
이 실시예의 칼럼 구조체(10) 역시 전술한 실시예들과 마찬가지로 타원형 단면을 가지며, 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태(twisted shape)로 이루어지되, 두번째 실시예의 칼럼 구조체(10)와는 반대로 하단에서부터 상단으로 갈수록 횡단면적이 커지는 형태를 갖는다.
이외에도 본 발명의 칼럼 구조체(10)는 다양한 부유식 또는 고정식 해양 플랫폼 또는 해양 시설물에 적용되어 유체의 저항 및 와유기 진동 및 소음을 최소화하면서 해양 시설물의 안정성을 향상시키는 이점을 제공한다.
한편, 전술한 실시예들의 칼럼 구조체(10)는 해양 플랫폼(1 또는 3) 또는 해상풍력발전기(2) 등의 해상 시설물에 수직하게 설치되어 해양 시설물을 안정되게 지지하는 기능을 하지만, 본 발명은 수중에 설치되는 임의의 구조물, 예컨대 원유 수송관이나 케이블 매설관 등 다양한 구조물에도 동일하게 적용할 수 있을 것이다.
1 : 반잠수식 해양 플랫폼 2 : 해상풍력발전기
3 : 스파(spar)형 플랫폼 10 : 칼럼 구조체
11 : 요입부 12 : 돌출부

Claims (4)

  1. 해양의 수중에 잠겨진 해양 시설물의 칼럼 구조체에 있어서,
    타원형의 단면을 가지며, 외주면 자체가 축방향을 따라 나선형으로 뒤틀린 형태로 이루어져 외주면에 나선형의 요입부(11)와 돌출부(12)가 연속적으로 형성된 해양 시설물의 칼럼 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 칼럼 구조체의 일단부는 해양 시설물에 회전 가능하게 연결되어 물의 유동에 의해 회동하는 것을 특징으로 하는 해양 시설물의 칼럼 구조체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 칼럼 구조체는 일단에서 타단으로 갈수록 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 해양 시설물의 칼럼 구조체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 칼럼 구조체를 축방향을 따라 절단했을 때 상기 칼럼 구조체의 외면에 형성된 요입부(11)와 돌출부(12)는 웨이브(wave) 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 해양 시설물의 칼럼 구조체.
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