WO2019078551A1 - 해저착저식 콘 관입시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해저면 상에 세워져 지지될 수 있는 프레임부, 상기 프레임부에서 상하방향으로 길이방향을 갖도록 형성되는 랙기어, 상기 랙기어에 치결합되는 웜과 상기 웜의 축을 회전시키는 동력을 제공하는 모터를 포함하며 상기 웜의 회전에 의해 상기 랙기어를 따라 왕복 이동될 수 있는 웜모듈부, 및 상기 웜모듈부에 고정되어 상기 웜모듈부의 이동에 따라 함께 이동되고 이동에 따라 해저 지반 내로 관입될 수 있는 센서부를 포함하여, 일정한 관입 속도 및 정확한 관입 심도로 해저 지반 조사를 수행할 수 있는 해저착저식 콘 관입시험장치에 관한 것이다.

Description

해저착저식 콘 관입시험장치

본 발명은 일정한 관입 속도 및 정확한 관입 심도로 해저지반 조사를 수행할 수 있는 해저착저식 콘 관입시험장치에 관한 것이다.

급증하는 해양플랜트 시공을 위한 해양퇴적물 조사는 해저 지반에 시추작업을 수행한 후 결과물을 실험실 내에서 분석하는 방식과 해저지반에서 직접적으로 측정하는 방식으로 나눌 수 있다.

현재의 지반조사는 기본적으로 비교란 시료의 채취가 힘들기 때문에 해양지반조사는 현장시험에 의존하는 경향이 강하며, 해저지반을 평가할 수 있는 대표적인 방법으로는 콘 관입시험(Cone Penetration Test;CPT/CPTｕ)에 의해 수행되는 방식이 있다.

해양 지반조사는 에너지 자원 개발과 해양공학설계 등에 이용되고 기초 해양조사 항목에 필수적으로 포함되는 상황에서 그 시장규모가 지속적으로 신장되고 있고 그에 따라 해상 CPT의 수요가 증가하는 추세이다. 하지만, 해상 CPT의 방법적인 어려움과 해상 CPT 장비 및 시스템의 부재로 인해 조사 수요에 부응하지 못하는 실정이다.

과거 CPT 장비의 개발에 성공한 사례가 더러 있으나, 기존 CPT 장비는 정확한 관입 속도 및 관입 심도가 확보되지 않고 또한 구조 측면에서 대형이거나, 복잡한 구조를 가지는 등 여러 문제가 있어서 실제 CPT에는 활용되지 못하고 있다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 한국공개특허 제10-2015-0142841호(2015.12.23)

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 일정한 관입 속도 및 정확한 관입 심도가 확보되면서 구조 측면에서 소형화 및 단순화를 실현할 수 있는, 해양플랜트의 시공성과 효율성을 갖춘 해저착저식 콘 관입시험장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치는, 해저면 상에 세워져 지지될 수 있는 프레임부, 상기 프레임부에서 상하방향으로 길이방향을 갖도록 형성되는 랙기어, 상기 랙기어에 치결합되는 웜과 상기 웜의 축을 회전시키는 동력을 제공하는 모터를 포함하며 상기 웜의 회전에 의해 상기 랙기어를 따라 왕복 이동될 수 있는 웜모듈부, 및 상기 웜모듈부에 고정되어 상기 웜모듈부의 이동에 따라 함께 이동되고 이동에 따라 해저 지반 내로 관입될 수 있는 센서부를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 프레임부는, 상기 프레임부의 하부에서 회동 가능하도록 형성되는 적어도 하나 이상의 레그와, 상기 레그를 회동시키는 유압실린더를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 모터 및 상기 유압실린더를 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 외장 케이블(armored cable)에 연결되어 전력선통신(PLC) 방식으로 외부로부터 제어 신호를 수신할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 모터는 위치 제어 및 속도 제어될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 프레임부는, 상기 랙기어의 일측 방향에서 상기 랙기어의 길이방향과 평행한 길이방향을 가지도록 형성되는 가이드를 포함하고, 상기 웜모듈부는, 상기 웜모듈부의 측면에 형성되고 상기 가이드에 의해 지지되면서 상기 가이드의 길이방향을 따라 안내되는 지지부를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 가이드는 단면이 'ㄷ' 형상이며, 상기 지지부는, 상기 가이드 내에 배치되는 지지부 몸체와, 상기 지지부 몸체에서 적어도 하나 이상 형성되고 상기 가이드의 내면에 접촉된 채 이동에 따라 회전되는 롤러를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 센서부는 로드와 상기 로드의 선단에 형성된 콘(cone)을 포함하며, 상기 센서부가 해저 지반 내로 관입되는 과정에서 지반의 물리적 특성을 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 있어서, 상기 프레임부는 추가 프레임이 결합될 수 있고 상기 추가 프레임의 결합에 따라 상기 프레임부의 전체 길이가 신장될 수 있다.

본 발명에 따르면, 다음의 이점이 제공된다.

- 구조의 소형화 및 단순화가 가능하여 소형선박을 통한 장비 운용으로 천해저에서의 퇴적물 물리적 특성 조사를 수행할 수 있다.

- 센서부인 피에조콘이 지반에 대해 연직 방향으로 그리고 안정적으로 관입되는 구조를 가짐으로써, 다른 퇴적물 조사방식에 비해 높은 정확도로 목표 퇴적물 지반층의 물리적 특성을 파악할 수 있고 실제 설계에 더욱 부합되는 데이터를 산출할 수 있다.

- 목표 관입 심도가 달라지는 경우 프레임부에 추가 프레임을 결합함으로써 손쉽게 관입 심도를 조정할 수 있다.

- 하나의 PC로부터 단일의 외장 케이블을 이용한 전력선통신(PLC) 방식으로 제어 신호가 전달됨으로써 케이블의 단선 및 합선 등의 문제를 방지하면서도 장비의 운반, 착저, 작동 제어가 더욱 효율적으로 수행될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 관입시험장치의 하부 구조를 도시한 도면,

도 3은 도 1에 도시된 프레임부의 일부 및 랙기어를 도시한 도면,

도 4는 도 1에 도시된 랙기어 및 웜모듈부를 도시한 도면,

도 5는 센서부의 일례를 도시한 도면,

도 6은 도 1에 도시된 관입시험장치의 운용모식도,

도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 관입시험장치의 실제 운용 중 획득한 데이터를 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치에 관하여, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치를 도시한 도면, 도 2는 도 1에 도시된 관입시험장치의 하부 구조를 도시한 도면, 도 3은 도 1에 도시된 프레임부의 일부 및 랙기어를 도시한 도면, 도 4는 도 1에 도시된 랙기어 및 웜모듈부를 도시한 도면, 도 5는 센서부의 일례를 도시한 도면, 도 6은 도 1에 도시된 관입시험장치의 운용모식도, 그리고 도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 관입시험장치의 실제 운용 중 획득한 데이터를 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 해저착저식 관입시험장치(1)는 프레임부(100), 랙기어(200), 웜모듈부(300), 및 센서부(400)를 포함한다.

프레임부(100)는, 일례로서 도 1에 도시된 바와 같이 최상부의 루프 프레임(111), 그 아래 차례대로 배치되는 탑 프레임(112) 및 미들 프레임(113,114,115)을 포함할 수 있다. 루프 프레임(111)은 사각뿔 형태로, 그리고 탑 프레임(112)과 미들 프레임(113,114,115)은 사각기둥 형태로 이루어질 수 있다. 미들 프레임(113,114,115)의 아래에는 바텀 프레임(116)이 배치될 수 있으며 바텀 프레임(116)은 탑 프레임(112) 및 미들 프레임(113,114,115)과 마찬가지로 사각기둥 형태일 수 있고, 다만 프레임부(100)가 해저면 상에서 균형있게 세워질 수 있도록 이들보다는 더 큰 사이즈를 가질 수 있다.

또한, 프레임부(100)는 의도하는 견고함을 가지도록 도 3에 도시된 바와 같이 외부 프레임(101)과 내부 프레임(102)의 이중 프레임 구조를 가질 수 있다.

프레임부(100)를 구성하는 상기한 프레임들(111,112,113,114,115,116)은 서로 분리 및 장착이 가능하도록 예컨대 볼트 결합 방식에 의해 결합될 수 있다. 그리고, 도시된 예에서는 탑 프레임(112)과 바텀 프레임(116) 사이에 상하방향으로 순차 결합된 3개의 미들 프레임(113,114,115)이 배치된 예를 도시하고 있으나 미들 프레임의 수가 추가 또는 감소되도록 조립 또는 분해함으로써 프레임부(100)의 상하 방향의 전체 길이가 신장되거나 또는 축소될 수 있다.

프레임부(100)가 이와 같이 추가 프레임이 결합되어 전체 길이가 신장되도록 변경됨으로써 본 실시예에 따른 관입시험장치(1)는 목표 관입 심도가 증가될 수 있다.

프레임부(100)는 해저면 상에서 안정적으로 세워져 지지되도록, 적어도 하나 이상의 레그(121)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 프레임부(100)의 하부에는 회동 가능하도록 예컨대 힌지 결합 방식으로 결합되는 적어도 하나 이상의 레그(121)가 형성될 수 있다. 도시된 일례에서는 사방으로 회동하는 4개의 레그(121)가 형성된 예를 제시한다.

이 레그(121)는 예컨대 바텀 프레임(116) 내에 장착되는 유압시스템에 의해 제어되면서 회동될 수 있다. 유압시스템은 유압실린더(122)를 포함한다. 그리고 유압실린더(122)에 유압을 제공하도록 작동하는, 하우징(123) 내에 배치되는 솔레노이드 밸브 및 유압탱크(124)를 포함할 수 있다. 하우징(123) 내에는 예컨대 4개의 솔레노이드 밸브와 1개의 릴리프 밸브가 내장되어 유압실린더(122)의 역전 현상을 방지할 수 있다. 하우징(123) 내 배치된 솔레노이드 밸브 및 유압탱크(124)는 바텀 프레임(116) 내에 장착될 수 있는 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다.

4개의 레그(121)는 유압실린더(122)가 full-stroke 되었을 때 예컨대 130°까지 회동되도록 설계될 수 있다. 레그(121)가 이와 같은 회동 각도를 가짐으로써 불규칙하고 연성저질로 이루어진 해저면 상에서도 프레임부(100)가 안정적으로 세워져 지지될 수 있다.

뿐만 아니라, 본 실시예에 따른 관입시험장치(1)는 상술한 레그(121) 구조에 의해 후술할 랙기어(200)가 해저면 상에서 연직 방향으로 배치되도록 착저시키는 것이 수월하다. 그리고, 그로 인해 관입되는 센서부(400)는 해저 지반 내로 연직 방향으로 관입될 수 있어서, 사선방향으로 관입되면서 발생될 수 있는 센서부(400)의 손상이 방지되며, 또한 더 효율적으로 그리고 더 정확한 지반 데이터를 획득할 수 있다.

랙기어(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 프레임부(100)에서 상하방향으로 길이방향을 갖도록 형성된다.

웜모듈부(300)는 도 4에 도시된 바와 같이, 랙기어(200)에 치결합되는 웜(311)과, 웜(311)의 축(312; 이하 '웜축'이라 함)을 회전시키는 동력을 제공하는 모터를 포함한다. 모터는 웜모듈부 몸체(301) 내에 내장될 수 있으며, 예컨대 BLDC 모터로 이루어질 수 있다.

웜축(312)은 웜모듈부 몸체(301)에 회전 가능하도록 결합되며, 이와 같이 결합된 상태에서 웜(311)은 랙기어(200)를 마주하는 웜모듈부 몸체(301)의 일측에서 외부로 노출되도록 배치된 채 랙기어(200)와 치결합된다.

웜축(312)과 모터 축은 예컨대 타이밍 벨트(331)에 의해 서로 연결되어 회전력이 전달될 수 있으며, 웜모듈부(300)는 모터에 의해 제공되는 회전 동력으로 웜(311)이 회전함으로써 랙기어(200)를 따라 상하 방향으로 왕복 이동될 수 있다.

모터는 이를 위치 제어 및 속도 제어에 기초하여 제어하는 모터 드라이버에 의해 정확한 회전수 및 회전속도가 구현될 수 있다. 도시된 예에서는 웜모듈부(300)의 상부에 모터 드라이버가 내장된 박스(321)가 배치된 예를 제시한다. 본 실시예에 따른 관입시험장치(1)는 이와 같은 모터의 작동 구조를 통해 정확한 관입 심도 및 관입 속도를 확보할 수 있다.

웜모듈부(300)에는 센서부(400)가 고정된다. 센서부(400)는 도 5에 도시된 바와 같이 예컨대 피에조콘(piezo cone)일 수 있으며, 로드(410)와 이 로드(410)의 선단부에 형성된 콘(420)을 포함한다. 로드(410)는 도 5에 도시된 바와 같이 웜모듈부 몸체(301)에 고정된다. 센서부(400)는 웜모듈부(300)의 상하 이동시에 웜모듈부(300)와 함께 이동되며, 하방으로 이동하면서 해저 지반 내로 관입될 수 있다. 그리고 관입되는 과정에서 지반의 물리적 특성을 측정하게 된다.

센서부(400)는 지반 내로 관입 중에 지반의 물리적 특성으로서 콘(420)에 작용하는 관입 저항력, 로드(410) 주면에서의 마찰 저항력, 및 관입 중에 발생되는 간극수압(pore water pressure)을 연속적으로 측정할 수 있다.

한편, 센서부(400)는 하방 이동에 따라 해저 지반 내로 안정적으로 관입되는 것이 중요한데, 이를 위해서는 웜모듈부(300)가 랙기어(200)의 길이방향을 따라 안정적으로 지지되면서 이동될 필요가 있다.

이를 위해서, 프레임부(100)는 랙기어(200)의 일측 방향에서 랙기어(200)의 길이방향과 평행한 길이방향을 갖도록 형성되는 가이드(130)를 포함할 수 있으며, 일례로서 가이드(130)는 도 4에 도시된 바와 같이 랙기어(200)의 좌, 우 양측에서 형성될 수 있다. 그리고 웜모듈부(300)는 웜모듈부 몸체(301)의 측면에서 형성되어 가이드(130)에 의해 지지되는 지지부를 포함한다.

가이드(130)는 예컨대 단면이 'ㄷ' 형상일 수 있으며, 개방된 쪽이 웜모듈부(300)를 바라보도록 배치될 수 있다. 지지부는 가이드(130) 내에 배치되는 지지부 몸체(341)를 포함할 수 있으며, 지지부 몸체(341)에는 가이드(130)의 내면에 접촉된 채 이동에 따라 회전되는 롤러가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 도시된 예에서는 가이드(130) 내면 중 서로 마주하는 내면 모두에 접촉되는 롤러(342)뿐만 아니라, 가이드(130)의 개방된 쪽을 마주하는 안쪽 내면에 접촉되는 롤러(343)가 함께 형성된 예를 제시한다.

웜모듈부(300)에 형성된 지지부가 가이드(130)에 의해 지지됨으로써, 웜모듈부(300)는 랙기어(200)의 길이방향을 따라 안정적으로 지지되면서 이동될 수 있다.

본 실시예에 따른 관입시험장치(1)는 상기한 모터 및 유압실린더(122)를 포함하는 구성들을 제어하는 제어부(500)를 포함할 수 있으며, 제어부(500)는 바텀 프레임(116) 내에 장착될 수 있다. 제어부(500)는 도 6에 도시된 바와 같이 단일의 외장 케이블(armored cable; 10)에 연결될 수 있으며, 선박(20) 내에 배치되는 하나의 PC로부터 외장 케이블(10)을 이용한 전력선통신(PLC) 방식으로 제어 신호를 수신하여 각 구성들을 제어할 수 있다.

본 실시예에 따른 관입시험장치(1)의 운용 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 6에 도시된 바와 같이, 관입시험장치(1)가 적재된 선박(20)이 목표한 지점에 이르면 장치(1)의 착저를 진행하여 장치(1)가 해저면 상에 닿으면 안정화시키고 유압시스템을 작동시켜 레그(121)에 의해 프레임부(100)가 수직으로 세워져 지지되도록 한 후 다시 한 번 안정화 과정을 거친다. 그 다음 센서부(400)인 피에조콘의 관입을 진행하여 지반의 물리적 특성을 측정한다. 지반의 물리적 특성을 측정한 실제 데이터의 일례는 도 7 및 도 8에서 제시되고 있다.

이상 본 발명에 따른 실시예에 관하여 자세히 설명하였다. 다만 상술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것으로 본 발명은 상기한 실시예로만 한정되지 않는다. 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 실시예로부터 다양한 변형이나 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

[부호의 설명]

1: 관입시험장치 10: 외장 케이블

20: 선박 100: 프레임부

121: 레그 122: 유압실린더

130: 가이드 200: 랙기어

300: 웜모듈부 301: 웜모듈부 몸체

311: 웜 312: 웜축

341: 지지부 몸체 342,343: 롤러

400: 센서부 410: 로드

420: 콘 500: 제어부

Claims (8)

1. 해저면 상에 세워져 지지될 수 있는 프레임부(100);

   상기 프레임부에서 상하방향으로 길이방향을 갖도록 형성되는 랙기어(200);

   상기 랙기어(200)에 치결합되는 웜(311)과 상기 웜의 축(312)을 회전시키는 동력을 제공하는 모터를 포함하며, 상기 웜(311)의 회전에 의해 상기 랙기어(200)를 따라 왕복 이동될 수 있는 웜모듈부(300);

   상기 웜모듈부(300)에 고정되어 상기 웜모듈부(300)의 이동에 따라 함께 이동되고, 이동에 따라 해저 지반 내로 관입될 수 있는 센서부(400);를 포함하는 해저착저식 관입시험장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 프레임부(100)는, 상기 프레임부(100)의 하부에서 회동 가능하도록 형성되는 적어도 하나 이상의 레그(121)와, 상기 레그(121)를 회동시키는 유압실린더(122)를 포함하는 해저착저식 관입시험장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 모터 및 상기 유압실린더(122)를 제어하는 제어부(500)를 더 포함하며, 상기 제어부(500)는 외장 케이블(armored cable; 10)에 연결되어 전력선통신(PLC) 방식으로 외부로부터 제어 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 모터는 위치 제어 및 속도 제어되는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 프레임부(100)는, 상기 랙기어(200)의 일측 방향에서 상기 랙기어(200)의 길이방향과 평행한 길이방향을 가지도록 형성되는 가이드(130)를 포함하고,

   상기 웜모듈부(300)는, 상기 웜모듈부(300)의 측면에 형성되고 상기 가이드에 의해 지지되면서 상기 가이드의 길이방향을 따라 안내되는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 가이드(130)는 단면이 'ㄷ' 형상이며,

   상기 지지부는, 상기 가이드(130) 내에 배치되는 지지부 몸체(341)와, 상기 지지부 몸체(341)에서 적어도 하나 이상 형성되고 상기 가이드(130)의 내면에 접촉된 채 이동에 따라 회전되는 롤러(342,343)를 포함하는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 센서부(400)는 로드(410)와 상기 로드의 선단에 형성된 콘(cone; 420)을 포함하며, 상기 센서부(400)가 해저 지반 내로 관입되는 과정에서 지반의 물리적 특성을 측정하는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 프레임부(100)는 추가 프레임이 결합될 수 있고 상기 추가 프레임의 결합에 따라 상기 프레임부(100)의 전체 길이가 신장되는 것을 특징으로 하는 해저착저식 관입시험장치.

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