Calculation of Load on Jacket Leg during Float-over Installation of Dual Topsides using Single Vessel

단일 설치선을 사용한 2기 해양플랜트 Topside Float Over 설치 시 Jacket Leg의 하중 계산

Abstract

The float over method is the most preferred method for installing heavy topside onto a jacket platform. A very complex platform with multiple jacket structures on a specific field requires multiple installation procedures. This study validated the installation of two topsides using a single installation barge to reduce the operation and installation cost. The hydrodynamic properties of the installation barge during the installation of two topsides were calculated. The tension and fender forces during docking were investigated to show the validity of the proposed dual topside installation method. In conclusion, the operational safety of the proposed procedure was validated through the calculation of the motion of the installation vessel and loads on the jacket legs.

1. 서 론

최근 활발한 해양자원 에너지의 개발로 해양 플랜트의 수요 및 규모가 점차 증대하고 있다. 이에 따라 해상플랫폼도 대형화로 이루어지고 있는 추세이며 이의 설치와 관련된 여러 가지 문제가 논의되고 있다. 해양 플랜트용 플랫폼의 설치 방법에는 Fig. 1과 같이 Lifting 방식과 Float over방식이 주로 사용되고 있다. 그 중 Lifting방식은 육상플랫폼과 동일하게 설치용 크레인을 이용하는 방법으로서 오래전부터 사용되어 오는 전통적인 설치방식이다. Float over는 KBR사에 의해 고안된 Topside를 단순 지지하는 Hi-Deck 방식부터 Technip사에 의해 고안된 평형수(Ballast)조절장치와 유압의 Jacking을 이용하는 UNIDECK 방식까지 많은 발전을 통해 그 효용성이 입증된 방법이다(Wang et al., 2010; Tribout et al., 2007). SWOT (Strengths, Weaknesses, Opportunities, and Threats)분석을 사용하여 Lifting방식과 Float over방식을 비교했을 때, Float over방식은 대용량의 Topside설치에 용이하고, 해양에서의 체결작업(Hook-up)과 시운전(Commisioning) 작업이 줄어드는 등 안전성과 비용측면에서 효용성이 검증된 바 있다(Seji et al., 2007).

Fig. 1Float over(left) and lifting(right) method

Float over 작업을 위한 선박에 대한 운동해석은 여러 연구(Hamilton and Ramzan, 1991; Kurian et al., 2012)가 이루어졌고, 한 기의 Topside를 Float over 설치작업 중 플랫폼에 발생할 수 있는 충격력에 대해서는 연구가 선행된 바 있다(Jung et al., 2009). 또한 Float over 작업 중 발생할 수 있는 안전성을 높이기 위한 방법으로 충분한 Air gap을 확보하기 위한 연구가 이루어 졌으며(Cholley et al., 2009), 한 기의 Float over 설치를 위한 Topside와 jacket모델링을 위한 연구(Hamilton et al., 2008)가 이루어진 바 있다.

해저 저류층(Reservoir)의 경우 그 형태가 넓게 분포된 경우가 많고 이로 인해 특정 해양자원개발 프로젝트에서는 여러 기의 플랫폼을 사용할 필요가 생기게 된다. 이 때 여러 기의 Topside를 동일한 해역에 설치할 필요가 있는데, 이에 따르는 용선료와 작업시간을 최소화 하기 위한 방법으로써 한 척의 Float over 선박을 이용하여 다중 플랫폼을 설치하는 방법의 유효성을 본 연구에서는 연구하였다. 이를 위해 주파수영역에서의 설치선의 운동특성을 분석하고, 시간영역에서의 시뮬레이션을 통해 실현 가능성과 작업 안전성을 평가하였다. 주파수영역과 시간영역에서의 해석은 Ansys의 AQWA program을 이용하여 수행되었으며, Float over 선박에 연결된 계류삭(Mooring line)에 작용하는 장력과 휀더(Fender)에 작용하는 충격력을 평가하여 타당성을 검증하였다.

 

2. 설치 방법의 제안

2.1 설치 환경

본 연구에서 대상으로 선정한 설치지역은 페르시아만(Persian gulf)의 Abu Dhabi에서 북서쪽으로 30km 떨어진 Umm Lulu해역이며 이 프로젝트는 2018년 완성을 예정으로 개발중에 있다. 이 해역을 선정한 이유는 Fig. 2에 나타난 바와 같이 6개의 자켓(Jacket) 플랫폼들이 서로 연결된 형태이어서 본 연구에서 고찰하고자 하는 여러기의 Topside를 설치하는 문제에 적용할 수 있기 때문이다.

Fig. 2Map of Umm Lulu site in the United Arab Emirates

본 연구에 사용된 설치선박은 현재 Umm Lulu 프로젝트에서 사용된 바 있는 NPCC사의 바지(Barge)선인 LB-2를 기본으로하여 두 기의 Topside가 적재가능하도록 그 크기를 변경하여 사용하였다. 주요제원은 아래 Table 1에 나타나 있다(Park, 2013). 두 기의 Topside를 적재하기 위해서는, 바지선의 폭은 자켓 구조물의 폭으로 인해 제한적이기 때문에, 바지선의 길이방향으로만 늘리는 방법으로 추가적인 배수량을 확보하였다. 크기가 변경된 바지선은 두 기의 Topside용량인 33,600ton을 적재할 수 있고 이에 해당하는 평형수를 적재할 수 있어 본 연구에서 고려하고 있는 Topside 1기 무게만큼의 배수량에 대한 보상이 가능하다. 이때, 기존 바지선과의 흘수차이는Jack이라는 기계적 장치를 사용하여 Topside를 들어올림으로써 수직거리를 확보하였다. Jack은 직경이 서로 다른 원통관으로 구성되어 유압식으로 작동되는 지지장치이며, Topside 한 기의 무게가 16,800ton이고 Jacket leg는 총 8개 이므로 각 Jacket leg의 위치에 2,100ton을 지지할 수 있는 Jack들을 설치하게 된다.

Table 1Principal dimensions of original LB-2 vessel and its modified vessel

2.2 설치 방법

바지선의 평형수와 Jack을 이용하여 설치하는 과정에서 전체 무게중심이 변화될 수 있으며, 이에 따라 단계별로 총 여섯가지 경우로 나누어 Fig. 3에 나타내었다. 이에 대한 설명은 다음과 같다.

Fig. 3Side view of proposed procedure of float over operation

Case1: 두 기의 Topside를 적재한 바지선이 Jacket leg로 진입하는 Docking을 실시한다. 이때 Jacket leg에는 바지선과의 충격완화를 위한 Fender와 함께 위치 유지를 위해 바지선과 연결한 계류삭이 설치된다. 그리고 선수와 선미 방향에서 예인선과 바지선에 연결된 계류삭을 이용하여 Docking작업을 진행한다. 이 경우, 바지선에 적재된 Topside와 Jacket leg와의 수직거리는 1.0 m 내외이다. Case2: 바지선에 평형수를 채워 Topside와 Jacket leg의 수직 거리를 0.0m가 되도록 한다. Case3: 바지선의 Jacking과 평형수 조절을 동시에 이용하여 한기의 Topside를 Jacket leg에 설치하는 Mating작업을 수행한다. Case4: 한 기의 Topside 설치가 완료된 후, 다른 한 기의 Topside를 적재한 채 바지선을 Jacket leg에서 빼내는 Extraction작업을 진행한다. Case5: 다른 한 기의 Topside를 적재한 바지선을 Case1과 같이 Docking작업을 실시한다. Case6: 앞서 설명한 Case2, 3, 4와 같이 다른 한 기의 Topside에 대하여 Mating작업과 Extraction작업을 거쳐 설치작업을 완료한다.

두 기의 Topside설치 시 Jacket leg와 Topside의 수직거리는 안전과 직결된 중요한 요소인다. 바지선에 설치한 DSU (Deck support unit)의 높이는 자유수면으로부터 노출된 Jacket leg의 높이와 바지선의 흘수에 의해 결정된다. 다중 Topside의 적재를 위해 바지선의 길이를 최소한으로 늘이는 수정을 거쳤으며, 이로 인해 바지선은 흘수가 단일 Topside의 설치를 위한 원래의 경우에는 4.6m이었으나 길이가 변화된 이후에는 흘수는 6.0m가 되어, 1.4m의 흘수차이가 생기게 된다. 이 흘수차이를 극복하기 위해 앞서 설명한 Jack이라는 기계장치를 사용하여 Topside와 Jacket leg간의 수직거리를 확보하였다. Jack은 유압 시스템을 사용한 구조물의 지지장치이며 Case3과 같이 수직거리의 조절을 위해 사용 시 평형수를 이용할 때보다 설치시간을 단축시키는 효과도 있다.

Fig. 3에서 표시된 “x”표시는 바지선과 Topside의 하중을 고려한 무게중심의 위치를 나타낸다. 설치과정에서 발행하는 Topside무게의 변화는 동등한 양의 평형수에 의해서 보상된다고 가정하고 이에 따라 길이방향의 질량중심의 위치변화는 없는 것으로 두고 계산하였다. 그리고 실제 설치과정에서는 평형수를 채우는 과정에서 배가 경사하는 Trim현상이 발생할 가능성이 있으나, 본 연구에서는 평형수 조절과정까지 포함하는 Full dynamic 해석을 수행하지 않기 때문에 고려하지 않았다. 설명된 단계들중 무게중심이 가장 높아 바지선의 운동이 가장 클 것으로 예상되는 Case1과 Case5에 대해 운동계산을 수행하였다.

 

3. 해석결과

3.1 개요 및 case의 선정

제안된 설치방법의 유효성과 안전성을 검증하기 위하여 먼저 주파수영역에서의 유체동역학적 거동특성을 AQWA프로그램을 사용하여 해석하였다. AQWA 프로그램은 경계요소법을 사용하여 부유체의 Diffraction과 Radiation의 문제를 풀어서 운동특성을 계산하였다. 그 결과들을 토대로 시간영역에서의 Transient운동을 계산하며 이 때 계류삭과 휀더와 같은 비선형 요소들을 추가하여 시뮬레이션을 수행할 수 있다. 설치과정이 진행됨에 따라 바지선에 적재된 Topside들 및 평형수의 이동에 따른 전체무게중심의 이동을 다음과 같은 식 (1)을 사용하여 계산하였다.

여기서 ZC는 z축에 대한 질량중심이며, MS는 전체를 구성하는 각 요소들에 관한 질량의 합을 나타내는 데 여기에는 바지선, Topside, 그리고 평형수가 포함되며, mi는 각 요소에 관한 질량, zi는 각 요소에 관한 중심 축으로부터의 거리를 나타낸다. x축과 y축에 대해서도 같은 방식으로 계산하였다.

Fig. 4는 주파수 영역에서 수행할 경우들의 Topside적재상황을 그림으로 표현한 것이다. 앞서 설명한 설치과정 중에서 Case1과 Case5 는 플랫폼의 적재상황들에 대해 가장 높은 무게 중심위치를 보이고 있어 본 연구에서 해석을 수행할 대상으로 선정하였다. 이 때 Case5는 바지선에서 한 기의 플랫폼이 설치되고 난 후의 균형을 위해 Topside의 무게에 상응하는 평형수가 채워진 상황이다. 평형수가 채워지는 과정에서 평형수탱크의 형상 및 펌프의 용량에 따라 Trim이 발생할 수 있고 나아가서는 불안정성이 극대화 될 수 있으나, 본 연구에서는 평형수가 채워지는 과정까지 포함하는 해석을 하지 않기 때문에 고려하지 않았다. 본 연구에서 제안하고 있는 설치방법을 종래의 단일 Topside를 적재하여 설치하는 비교하기 위하여 Case7을 추가하였으며, 이는 한 척의 바지선에 한 기의 Topside를 바지선의 길이방향으로 중앙에 위치한 것이다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 4에 나타난 Case1, Case5, 그리고 Case7의 세 가지 경우에 대해 운동해석을 수행하였다.

Fig. 4Selected cases for for frequency domain analysis

3.2 주파수 영역 해석결과

강체로 가정한 부유체의 주파수 영역에서의 6자유도 운동은 식(2)와 같이 표현된다.

여기서 Ma(ω)는 각 주파수에서의 부가질량 행렬, C(ω)는 각 주파수마다 정의되는 감쇠계수 행렬, K는 부유체의 기하학적 형상으로부터 결정되는 유체정역학적인 복원력 행렬, F(ω)는 주파수별 규칙파랑에 의한 외력벡터를 나타낸다.

Fig. 5는 파랑의 방향이 Beam sea와 Head sea인 경우들에 대한 주요한 운동 RAO (Response amplitude operator)를 나타낸 것이다. 횡방향 GM (Metecentric height)값은 Case1은 5.381m, Case5는 12.756m, Case7은 19.038m이다. 파랑이 Head sea인 경우, 바지선과 Topside가 분리되지 않는 강체로 가정되어 있으므로, 무게중심의 변화가 길이방향으로 크지 않아 운동의 변화도 눈에 띄게 관찰되지 않았다. 그러나, Beam sea의 경우, 바지선의 운동은 무게중심의 수직방향의 변화에 의해 횡동요(Roll)의 운동이 영향을 받고 있음을 알 수 있다. Case1이 GM값이 5.381m로 작기 때문에 횡동요 고유주기가 가장 낮고, 반대로 Case7은 GM값이 19.038m로 가장 크기 때문에 가장 높은 횡동요 고유주기를 보이고 있다. 횡동요 고유주기가 나타나는 주파수 에서는 횡동요와 연성된 횡요(Sway)도 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 그리고 선수동요(Yaw) 역시 횡동요의 공진주기가 나타나는 주파수에서 불연속적인 운동성향을 보이고 있으나, 파가 횡파인 조건인 만큼 그 운동의 크기는 유의할 만큼 크지는 않음을 알 수 있다. 횡동요의 크기가 20deg/m를 초과하는 것으로 계산된 결과는, 주파수영역해석에서는, 횡동요의 주 감쇠성분인 점성감쇠를 고려하지 않았기 때문이다.

Fig. 5Comparison of motion RAOs

3.3 시간 영역 해석결과

주파수 영역에서 계산된 유체력 미계수들을 이용한 시간영역에서의 운동방정식은 식 (3)과 같이 표현된다.

위 식에서 세번째 항인 컨볼루션 적분은 시간 t이전에 발생한 부유체의 운동에 의해 부유체에 작용하는 파랑력의 기억효과를 뜻한다. 여기서 h(t)는 지연함수(Retardation function)로써, 주파수 영역에서의 조파감쇄력으로부터 계산되고, Ma(∞)는 무한주파수에서의 부가질량 행렬을 나타내며 이들은 각각 수식 (4)와 수식 (5)로 표현된다.

여기서 Ma(ω)는 주파수 ω 에서의 부가질량행렬이다.

주파수 영역에서 계산된 운동특성이 시간영역에서 충분한 정도로 계산되고 있는지 확인하기 위해서는 시간영역에서 규칙파(Regular wave) 에 대한 거동을 관찰할 필요가 있다. 그 예로써 Beam sea 조건에서 상하운동(Heave)와 횡동요에 대한 운동 RAO를 Fig. 6에 비교하였다. 주파수영역에서 계산된 운동 RAO를 실선으로, 시간영역에서 규칙파에 대한 응답을 심볼로 표시하였으며 이들은 충분한 정도로 일치하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6Regular wave test under beam sea condition of Case1

Float over설치과정에서 유의해야할 구조적인 충격력은 LMU (Leg mating unit)와 DSU (Deck support unit)에 작용하는 충격력과 바지선이 휀더를 통해 Jacket leg에 전달하는 충격력이다. 본 연구에서는 Jack을 사용하여 LMU와 DSU의 간격을 효과적으로 제어가능하다고 가정하고 있기 때문에 바지선의 휀더와 Jacket leg와의 충격력을 해석하여 작업안전성을 판별하였다. 시간영역에서의 설치작업을 위해 바지선과 Jacket 구조물 사이에는 Fig. 7과 같이 휀더와 계류삭이 설치된다. 모든 Jacket leg에는 Sway 휀더가 설치되고, 바지선의 선미에는 바지선의 진입에 따른 충격방지를 위해 Surge 휀더 두 개가 설치된다. 또한 선미에는 바지선과 Jacket leg사이에 계류삭을 설치하여 바지선이 Jacket leg들 사이로의 진입에 따라 발생할 수 있는 상대운동의 감소를 돕게 된다. 본 연구에 사용된 휀더와 계류삭들의 사양은 Table 2에 나타내었다. 바지선과 Jacket leg사이에 배치된 휀더와 계류삭을 보다 상세히 Fig. 9에 나타내었다. 이들은 비선형 스프링을 사용하여 모델링 되었으며, 이때 각기 작용하는 휀더와 계류삭에 작용하는 힘과 모멘트는 식 (6)과 식 (7)로 표현될 수 있다

Fig. 7Plane figure of layout of fenders and mooring lines from top view

Fig. 8Plane figure of jacket legs, fenders, and mooring lines from top view

Table 2Environmental condition and fender/mooring information

Table 3Tension limits and safety factors (API, 2005)

Fig. 9Time histories of mooring and fender forces of Case1

rFM은 휀더와 계류삭의 위치벡터이다. 휀더에 작용하는 힘은 휀더의 강성과 두 구조물에 연결된 두 지점간의 유효거리를 고려하여 모델링하였다. 휀더에 작용하는 힘은 식 (8)과 식 (9)로 표현될 수 있다.

kF는 휀더의 축강성, 는 휀더가 작용하는 유효거리, dF는 자켓leg의 휀더위치와 바지가 닿는 지점까지의 최단거리이며, dF0는 휀더의 두께이다. 계류삭에 작용하는 힘은 식 (10)과 식 (11)로 표현할 수 있다.

kM은 계류삭의 축강성, 은 계류삭의 힘이 작용하는 유효거리, dM는 자켓leg의 계류삭의 위치와 바지가 닿는 지점까지의 최단거리이며, dM0는 계류삭의 초기길이를 뜻한다.

시간영역 해석에 사용된 환경조건은 Table 2와 같다. 사용된 조건들 중 파랑은 Umm Lulu사이트의 Met-ocean 정보이며, 바람과 조류는 스펙트럼이 아닌 상수값으로 가정였고, 조류의 경우 깊이에 따른 유속의 변화는 무시하였다. 시간영역 해석은 각 경우 1,800초 동안 수행되었다. 실제 해양설치 시 고려되는 환경외력의 방향은 모든 방향에 대해 작업성(Workability)를 분석하여 가장 안전성이 높은 방향에 대해 수행을 하게 되며, 설치 초기 시 자켓의 방향도 이러한 작업성에 근거하여 설정하게 된다. 통상적인 작업성 해석 결과는 Head sea에서의 설치를 권고하게 되므로, 본 연구에서는 Head sea에 대한 해석결과를 분석하고자 한다. 따라서 파랑, 바람, 조류의 방향은 동일하게 Head sea조건으로 두었다.

시간 영역의 운동은 계류삭과 휀더와 같은 비선형요소가 포함되어 있기 때문에 1,800초 동안에 발생한 최댓값과 RMS (Root mean square)값으로 설치안전성을 판단하였다. Jacket 구조물의 각 leg에 허용되는 수평방향 허용하중은 4,350kN이며 Mooring line에 대한 하중은 MBL (Minimum breaking load)과 안전율을 고려한, Fig. 9와 같이 안전율(Safety factor)을 고려하여 안전성을 판단하였다. 부유식 구조물의 계류삭에 작용하는 장력의 경우 환경외력에 의한 저주파수성분과 파랑주파수 성분을 따로 추출하여 선급에서 규정하는 기준값과 비교해야 하지만, 본 연구에서 대상으로 삼고 있는 고정식 구조물의 경우 저주파수 성분이 없기 때문에 계산된 파랑주파수 성분만 취하여 비교에 사용하였다. 본 연구에서 제안하는 시뮬레이션들은 Intact조건이며, Dynamic 시뮬레이션이므로 MBL의 60%에 해당하는 허용치를 기준으로 계산결과와 비교하였다.

Fig. 9는 Head sea조건에서 시간영역에서 수행한 수행한 (a) 계류력과 (b) 휀더에 작용하는 힘의 시계열이다. 계류삭 중 2번 계류삭 이 가장 큰 장력을 받을 것으로 예상되기 때문에 이에 대한 계산결과만 표시하였다. 둘 다 비선형 스프링으로 모델링의 역할을 하기 때문에 계류삭 의 경우 Slack condition일 때 그 반력이 0이고, 휀더의 경우 휀더끼리의 접촉여부에 따라 반력이 계산됨을 알 수 있다. Fig. 10은 이 때의 최댓값과 RMS값을 나타낸 그림이다. 세 가지 경우들 중 단일 Topside를 설치하는 경우인 Case7에서 최대장력이 455.23kN으로 나타났으며 이는 MBL의 28%에 해당하는 수치로써 관련규정을 만족하고 있다. Fig.11는 #2휀더에 작용하는 힘의 최댓값과 RMS값을 표시한 그림이다. 세 경우에 대한 결과 모두 큰 차이를 보이지 않고, 최댓값이 허용하중인4,350kN의 6%수준으로써 안전성에 문제가 없음을 보이고 있다.

Fig. 10Comparison of mooring tension

Fig. 11Comparison of fender force

 

5. 결 론

본 연구에서는 한 척의 바지선을 이용하여 두 기의 플랫폼의 설치를 수행하는 설치의 제안과 해석결과를 분석하였으며 이를 정리하면 다음과 같다.

(1) 단일 바지선을 사용하여 두 기의 플랫폼을 설치하기 위해서는 바지선의 크기를 수정하여 본 연구에서 사용하였으며, 이때 흘수의 변화에 따른 기계적 접촉을 막기 위해서는 jack이라는 기계적 장치를 사용하여 보안할 필요가 있었다.

(2) 본 연구에서 제안한 방법을 입증하기 위해서 바지선에 위치한 플랫폼의 갯수에 따라 무게중심이 가장 높은 경우인 Case1과 Case5, 그리고 단일 플랫폼을 설치하는 경우인 Case7의 상황을 선택하여 각 경우들의 운동특성을 계산하여 비교하였다.

(3) 설치될 하부구조물인 Jacket leg에 대한 허용하중을 검토한 결과, 휀더와 계류삭에 의해 작용하는 힘들은 자켓구조물이 허용하는 범위를 초과하지 않음을 확인할 수 있었다.

(4) 중동지역의 환경조건과 같이 oil과 gas를 생산하기 위하여 여러 개의 플랫폼이 사용되는 경우, 한 척의 바지선을 이용한 다중 플랫폼의 설치기법이 적용되면 종전방식에 비해 설치시간과 설치비용이 감소되는 효과를 기대할 수 있다.