KR20160057153A - 와류기진동 저감 회전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 심해 및 수중에 설치되는 파이프(예를 들면, 라이저)를 둘러싸는 실린더 형태의 회전장치를 구비하고 회전장치의 회전으로 유속에 의한 파이프의 손상을 방지할 수 있도록 하는 와유기진동 저감 회전장치에 관한 것으로서, 심해 및 수중에 설치되는 파이프의 외부를 둘러싸면서 유체 흐름에 의해 회전되어 와유기진동을 줄일 수 있도록 회전장치가 설치되되, 상기 회전장치는, 상기 파이프의 외부를 둘러싸는 실린더부재; 및 상기 파이프와 실리더부재 사이의 파이프에 설치되어 외부 충격을 흡수할 수 있도록 댐핑부를 포함한다.

Description

와유기진동 저감 회전장치 및 이를 가지는 해양구조물{ROTATING APPARATUS OF REDUCED VORTEX INDUCED VIBRATION AND OFFSHORE PLATFORM INCLUDING THE SMAE}
본 발명은 와유기진동 저감 회전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 심해 및 수중에 설치되는 파이프(예를 들면, 라이저)를 둘러싸는 실린더 형태의 회전장치를 구비하고 회전장치의 회전으로 유속에 의한 파이프의 손상을 방지할 수 있도록 하는 와유기진동 저감 회전장치 및 이를 가지는 해양구조물에 관한 것이다.
해양에서 석유, 가스를 시추 및 생산하기 위한 주요 시설물로는 해양 플랫폼, 부유식 원유 생산 저장설비(Floating Production, Storage and Offloading Equipment), 해상풍력발전기, 수중 파이프 라인 등이 있을 수 있다.
그리고, 이러한 주요 해양 시설물에 수반되는 부수적인 시설물 중 하나로 유체의 이송 또는 지지를 위한 파이프 구조체(라이저)가 있을 수 있다.
그런데, 해양 시설물의 라이저는 주로 단순한 원형 단면을 가지고 있으며, 도 1 및 도 2에서와 같이 라이저(10)는 대부분 수중에 잠겨진 상태로 있기 때문에, 해상파 및 조류 등의 유체 흐름에 의해 라이저(10) 주위에 주기적으로 와류(Vortex)가 발생할 수 있다.
이와 같이 라이저(10) 주변에 발생하는 와류에 의해 유체 흐름과 수평 또는 수직한 방향으로 진동이 발생할 수 있으며, 이를 와유기진동(VIV: Vortex Induced Vibration)이라고 한다.
이러한 와유기진동은 파이프 구조체에 동적 불안정을 일으켜 해양 시설물의 손상을 야기하거나, 심지어 해양시설물이 전복되는 현상이 일어날 수 있다는 문제가 있어 그 발생을 최소화할 필요가 있다.
특히, 심해의 유정을 개발하기 위한 전세계적인 관심이 최근 증가하고 있으나, 심해에 설치되는 라이저(riser) 등과 같은 파이프 구조체는 강한 해류, 파이프의 낮은 고유진동수, 지지구조 설치의 제약 등에 따라 와유기진동이 더욱 빈번하게 발생할 수 있으므로, 이에 대한 효과적인 대안 마련이 시급한 실정이다.
도 3은 일반적으로 사용되고 있는 와유기진동 저감장치의 다양한 실시예를 도시한 사시도로서, 와유기진동 저감장치(20)가 라이저(10)에 일체로 부착되어 있는 형태로 되어 있기 때문에 조류의 영향을 라이저가 그대로 받게 되어 라이저의 손상이 발생되는 문제점이 있었다.
국내 공개특허공보 제10-2011-0030067호(2011.03.23.공개)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 조류의 속도 변화에 파이프가 그대로 노출이 되지 않게 외부에 실린더 형태의 회전장치를 설치함으로써 조류의 영향을 실린더가 댐핑 역할을 하면서 줄여줄 수 있으며, 또한 외부실린더가 조류에 회전하게 됨으로써 유체의 거동 위치를 변경하여 소용돌이를 약화시켜 파이프의 손상을 최소화할 수 있도록 하는 와유기진동 저감 회전장치 및 이를 가지는 해양구조물을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 와유기진동을 저감하는 장치에 있어서, 심해 및 수중에 설치되는 파이프의 외부를 감싸면서 유체 흐름에 의해 회전되어 와유기진동을 줄일 수 있도록 회전장치가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회전장치는, 상기 파이프의 외부를 둘러싸는 실린더부재와, 상기 파이프의 외부와 실린더부재의 내부 사이에 회전 가능하게 설치되어 외부 충격을 흡수할 수 있도록 댐핑부를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 실린더부재는, 상기 파이프의 외부를 감싸면서 설치되되 내벽면 둘레에 톱니가 형성될 수 있다.
또한, 상기 실린더부재의 외측면 둘레에는 조류 위치를 바꿔주면서 외부 유속의 힘에 저항하지 않고 유속 방향으로 회전될 수 있도록 하는 요철이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 댐핑부는, 상기 파이프의 외측에 설치되는 연결대와, 상기 연결대에 설치되면서 실린더부재의 톱니와 맞물려 실린더부재의 회전에 따라 회전될 수 있도록 하는 회전구를 포함할 수 있다.
상기 연결대는, 조류의 속도에 따라 실린더부재와 댐핑부의 충격을 흡수할 수 있도록 파이프의 외측에 탄성적으로 설치될 수 있다.
상기 회전구는, 상기 연결대에 회전 가능하게 설치되면서 외측에 실린더부재의 톱니와 맞물려 실린더부재의 회전에 따라 회전될 수 있도록 톱니가 형성될 수 있다.
또한, 상기 댐핑부는 전체방위 충격을 흡수할 수 있도록 파이프의 외부에 복수개로 설치될 수 있다.
한편, 상기 댐핑부는 파이프의 외부에 등간격으로 적어도 3개 이상으로 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기한 파이프의 외부에 조류에 의한 와유기진동을 저감시켜 파이프의 손상을 방지할 수 있도록 와유기진동 저감 회전장치를 가지는 해양구조물을 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치에 따르면, 파이프의 조류에 의해 회전되는 회전장치를 설치하여 조류에 의한 파이프의 손상을 최소화할 수 있으며, 재사용이 가능하고 필요에 따라 여러 개를 연결하여 사용할 수 있어 제품의 효율성을 최대화할 수 있다.
도 1은 일반적인 수중에 설치된 라이저 주위에 발생하는 소용돌이를 나타낸 예시도이다.
도 2는 일반적인 라이저의 실린더 주위를 지나는 유체의 거동을 표시한 예시도이다.
도 3은 일반적으로 라이저에 사용되고 있는 와유기진동 저감장치들을 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 분리사시도이다.
도 5는 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 절단면도이다.
도 7은 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치의 댐핑부를 도시한 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 댐핑부의 작동상태를 도시한 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 분리사시도이며, 도 5는 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치를 도시한 절단면도이며, 도 7은 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치의 댐핑부를 도시한 평면도이고, 도 8은 본 발명에 따른 댐핑부의 작동상태를 도시한 측면도이다.
도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명은 수중에 설치되는 파이프(100) 주변에 발생하는 와류에 의해 유체 흐름과 수평 또는 수직한 방향으로 진동이 발생되는 와유기진동(VIV)을 저감할 수 있도록 하는 와유기진동 저감 회전장치로서, 상기 파이프(100)의 외부를 둘러싸면서 유체 흐름에 의해 유속 방향으로 회전되어 와유기진동(VIV)을 줄일 수 있도록 하는 회전장치(200)가 설치되어지게 된다.
본 실시예에 따른 회전장치(200)는, 상기 파이프(100)의 외부를 둘러싸면서 설치되는 실린더부재(210)와, 상기 파이프(100)와 실린더부재(210) 사이에 실린더부재(210)의 회전에 따라 회전 가능하게 설치되어 외부 충격을 흡수하여 파이프(100)에 가해지는 충격을 최소화할 수 있도록 댐핑부(220)를 포함하게 된다.
상기 실린더부재(210)는 파이프(100)의 외부에 일정 간격으로 이격되게 설치되어진다.
그리고, 상기 실린더부재(210)는, 상기 파이프(100)의 외부를 둘러싸면서 이격되게 설치되되 내벽면에 톱니(211)가 형성되어지게 된다.
이때, 상기 톱니(211)는 실린더부재(210)가 360도 회전 가능할 수 있도록 실린더부재(210)의 내벽면 전체 둘레에 구비되어진다.
즉, 상기 실린더부재(210)의 내벽면 둘레에 톱니(211)가 형성되면서 상기 톱니(211)가 댐핑부(220)에 맞물려 댐핑부(220)를 따라 실린더부재(210)가 회전될 수 있어 유체의 흐름에 따라 실린더부재(210)가 유속 방향과 동일한 방향으로 회전될 수 있게 된다.
또한, 상기 실린더부재(210)의 외측면에는 조류 위치를 바꿔주면서 외부 유속의 힘에 저항하지 않고 유속 방향으로 실린더부재(210)가 회전될 수 있도록 요철(212)이 형성되어지게 된다.
이때, 상기 요철(212)은 유체의 흐름 방향에 구애받지 않고 회전될 수 있도록 실린더부재(210)의 외측면 전체 둘레에 설치되어지게 된다.
상기 실린더부재(210)의 외측 둘레 전체면으로 요철(212)이 형성되어짐에 따라 수중에서 발생되는 유속이 전후,좌우의 사방 어디에서도 실린더부재(210)가 유속의 방향과 동일한 방향으로 회전될 수 있게 된다.
본 실시예에 따른 댐핑부(220)는, 상기 파이프(100)의 외측에 설치되는 연결대(230)와, 상기 연결대(230)에 설치되고 실린더부재(210)의 톱니(211)와 맞물려 유속에 의한 실린더부재(210)의 회전에 따라 회전될 수 있도록 회전구(240)를 포함하게 된다.
상기 연결대(230)는 조류의 속도에 따라 실린더부재(210)와 댐핑부(220)의 충격을 흡수하여 파이프(100)에 외부의 충격이 전달되지 않도록 파이프(100)의 외측에 탄성적으로 설치되어지게 된다.
또한, 상기 연결대(230)는 파이프(100)의 내측부에 설치되는 스프링(250)에 의해 탄성적으로 지지되며 유속에 따라 실린더부재(210)가 유동되면서 댐핑부(220)도 유동되어 파이프(100)에 외부 충격이 전달되지 않게 된다.
상기 회전구(240)는 연결대(230)에 실린더부재(210)의 회전에 따라 회전 가능하게 설치되어진다.
또한, 상기 회전구(240)는 외측에 실린더부재(210)의 톱니(211)와 맞물려 실린더부재(210)의 회전에 따라 회전될 수 있도록 톱니(241)가 형성되어지게 된다.
이때, 상기 회전구(240)의 톱니(241)는 실린더부재(210) 및 회전구(240)가 360도 회전 가능하도록 회전구(240)의 외측면 전체 둘레에 구비되어진다.
본 실시예의 댐핑부(220)는, 상기 실린더부재(210)에 전달되는 전체방위 충격을 흡수할 수 있도록 파이프(100)의 외측에 복수로 설치되어지게 된다.
한편, 상기 댐핑부(220)는 파이프(100)의 외측에 등간격으로 적어도 3개 이상으로 설치되어짐이 바람직한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전술한 파이프(100)의 외측에 댐핑부(220)가 설치되고 상기 댐핑부(220)에 맞물리면서 파이프(100)를 둘러싸는 실린더부재(210)가 설치되어 조류에 의한 와유기진동(VIV)을 최소화시켜 파이프(100)의 손상을 방지할 수 있도록 와유기진동 저감 회전장치를 가지는 해양구조물에 적용되어지게 된다.
즉, 심해 및 수중에 설치되는 파이프(100)를 둘러싸면서 내벽면 둘레에 톱니(211)가 형성되고 외측 둘레에 요철(212)이 형성되는 실린더부재(210)를 설치하고 파이프(100)와 실린더부재(210) 사이에 실린더부재(210)와 맞물려 실린더부재(210)의 회전에 따라 회전되는 댐핑부(220)를 설치함에 따라 실린더부재(210)와 댐핑부(220)에 의해 실린더부재(210)가 유속 방향으로 같이 회전될 수 있어 파이프(100)에 가해지는 충격을 최소화하여 파이프(100)의 손상을 방지할 수 있는 모든 해양구조물에 적용할 수 있게 된다.
상기와 같이 본 발명의 와유기진동 저감 회전장치는 해양구조물에 수반되는 부수적인 시설물 중 하나로 유체의 이송 또는 지지를 위한 파이프(100)가 심해 및 수중에 설치되며, 파이프(100)로 유체가 지나갈 때 파이프(100) 뒤쪽에 소용돌이(vortices)가 발생되면서 이때 발생하는 소용돌이 주기가 파이프(100)의 고유진동수와 같아지게 되면 와유기진동이 발생되어 파이프(100)에 심각한 손상을 일으킴에 따라 상기 파이프(100)가 조류의 속도 변화에 그대로 노출되지 않게 파이프(100)를 둘러싸면서 회전되는 회전장치(200)를 설치하게 된다.
그리고, 상기 회전장치(200)가 유체의 흐름에 따라 유속 방향으로 같이 회전할 수 있게 됨으로써 유속에 의해 회전장치(200)가 회전되면서 와유기진동(VIV)을 줄일 수 있어 파이프(100)에 가해지는 손상을 최소화시킬 수 있게 된다.
즉, 상기 회전장치(200)는 파이프(100)의 외측에 탄성적으로 설치되면서 회전 가능하게 되는 댐핑부(220)가 설치되며, 상기 댐핑부(220)에 맞물려지면서 파이잎이프)를 둘러싸는 실린더 형태의 실린더부재(210)를 설치함으로써 실린더부재(210)가 유속의 방향으로 댐핑부(220)를 따라 회전되면서 유체가 지나갈 때 발생되는 소용돌이를 약화시키게 된다.
또한, 상기 실린더부재(210)의 외측 둘레에 요철(212)이 설치되어짐에 따라 실린더부재(210)가 유속의 방향과 동일한 방향으로 회전되면서 조류 위치를 바꿔주게 되어 조류의 영향을 파이프(100)가 받지 않게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : 파이프
200 : 회전장치
210 : 실린더부재
211,241 : 톱니
212 : 요철
220 : 댐핑부
230 : 연결대
240 : 회전구
250 : 스프링

Claims (10)

  1. 와유기진동을 저감하는 장치에 있어서,
    심해 및 수중에 설치되는 파이프의 외부를 둘러싸면서 유체 흐름에 의해 회전되어 와유기진동을 줄일 수 있도록 회전장치가 설치되되,
    상기 회전장치는,
    상기 파이프의 외부를 둘러싸는 실린더부재; 및
    상기 파이프와 실리더부재 사이의 파이프에 설치되어 외부 충격을 흡수할 수 있도록 댐핑부를 포함하는 와유기진동 저감 회전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더부재의 내벽면 둘레에는 상기 댐핑부에 맞물려 실린더부재를 회전시킬 수 있도록 톱니가 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실린더부재의 외측면 둘레에는 조류 위치를 바꿔주면서 외부 유속의 힘에 저항하지 않고 유속 방향으로 회전될 수 있도록 요철이 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 댐핑부는,
    상기 파이프의 외측에 설치되는 연결대; 및
    상기 연결대에 설치되면서 실린더부재와 맞물려 실린더부재의 회전에 따라 회전될 수 있도록 하는 회전구를 포함하는 와유기진동 저감 회전장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 연결대는 조류의 속도에 따라 실린더부재와 댐핑부의 충격을 흡수할 수 있도록 파이프의 외측에 탄성적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 연결대는 파이프의 내측부에 설치되는 스프링에 의해 탄성적으로 지지되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전구는 연결대에 회전 가능하게 설치되면서 외측에 실린더부재의 톱니와 맞물려 실린더부재의 회전에 따라 회전될 수 있도록 톱니가 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 댐핑부는, 전체방위 충격을 흡수할 수 있도록 파이프의 외부에 복수개로 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  9. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 댐핑부는 파이프의 외부에 등간격으로 적어도 3개 이상으로 설치되는 것을 특징으로 하는 와유기진동 저감 회전장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 파이프의 외부에 조류에 의한 와유기진동을 저감시켜 파이프의 손상을 방지할 수 있도록 와유기진동 저감 회전장치를 가지는 해양구조물.
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