대형 선박 프로펠러에 대한 수리 작업 공정 개선에 관한 연구

A Study on the Process Improvement of Repair Operations for Large Ship Propellers

Abstract

The domestic ship repair market holds a significant position globally and is gradually growing, particularly around large shipbuilding companies. The market size is influenced by factors such as the growth of the global shipping industry, the tightening of environmental regulations, and the transition to eco-friendly vessels. The global ship repair and maintenance services market is expected to grow at an average annual rate of 4-5% from 2024 to 2032. The global ship repair and maintenance market is estimated to be approximately $15 billion (around 20 trillion KRW) in 2024, with the domestic ship repair market estimated at around 2-3 trillion KRW, accounting for about 10-15% of the global market. Focusing on high-value ship repairs is expected to ensure steady growth. In particular, domestic companies have strengths in repairing high-value ships such as LNG carriers and play a key role in the global market. This study analyzes and presents the work processes and preparation steps for repairing ship propellers, propeller shafts, propeller shaft couplings, and bow thrusters to foster the training of domestic ship repair experts and activate related industries.

1. 서론

국내 선박 수리 시장은 세계적으로 중요한 위치를 차지하고 있으며, 특히 대형 조선업체를 중심으로 점차 성장하고 있다. 시장 규모는 글로벌 해운업의 성장, 환경 규제 강화, 그리고 친환경 선박으로의 전환 등의 요인에 의해 영향을 받고 있지만, 전 세계적으로 선박 수리 및 유지보수 서비스 시장은 2024년부터 2032년까지 연평균 4∼5% 성장할 것으로 전망된다. 글로벌 선박 수리 및 유지보수 시장은 2024년에 약 150억 달러(약 20조 원)로 추정되며, 국내 선박 수리 시장은 약 2∼3조 원 규모로 파악되며, 글로벌 시장의 약 10∼15%에 해당한다. 고부가가치 선박 수리에 집중함으로써 꾸준히 성장할 가능성이 높다고 사료된다. 특히 LNG 운반선과 같은 고부가가치 선박수리에 국내의 관련 기업들은 강점이 있으며, 글로벌 시장에서 중요한 역할을 수행하고 있다[1-10]. 본 연구에서는 국내 선박 수리 전문가 양성 및 관련 산업 활성화를 위해 선박 프로펠러, 프로펠러 샤프트, 프로펠러 샤프트 커플링, 바우스러스터 수리를 위한 작업 공정 및 사전 작업 준비 과정을 분석하여 제시하였다.

2. 선박 프로펠러 수리 작업의 중요성

선박 프로펠러 수리 작업은 선박 운항의 성능과 안전성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 프로펠러는 선박이 원하는 방향으로 이동할 수 있도록 추진력을 제공하는 핵심 부품이며, 이에 따라 프로펠러의 상태가 선박의 효율성, 연료 소비, 운항 안전 등에 큰 영향을 미친다. 프로펠러 수리작업의 중요성은 다음과 같다.

첫째, 선박의 추진 성능 유지 측면에서는 프로펠러가 손상되거나 마모되면 선박의 추진력이 떨어져 원활한 운항이 어려워진다. 프로펠러의 비정상적인 마모나 손상은 회전 효율을 낮추어 연료소비를 증가시키고, 주행 속도와 방향 제어에도 영향을 미친다. 정기적인 수리를 통해 프로펠러의 효율성을 유지하고 선박이 설계된 성능을 발휘할 수 있도록 해야 한다.

둘째, 연료 효율성 및 운영 비용 절감 측면에서는 손상된 프로펠러는 추진 효율이 떨어져 더 많은 연료를 소모하게 만든다. 프로펠러를 제때 수리하면 연료 효율을 높여 운영 비용을 절감할 수 있다. 프로펠러의 상태가 개선되면 연료 소비가 감소하고, 이에 따라 운항비용도 낮아진다.

셋째, 안전성 향상 측면에서는 손상된 프로펠러는 선박의 운항을 불안정하게 만들 수 있다. 예를들어, 프로펠러의 균형이 맞지 않으면 진동이 발생하고, 이는 선박의 구조에 악영향을 미칠 수 있다. 심한 경우, 균형이 맞지 않는 프로펠러로 인해 축이나 기계 부품에 과도한 하중이 가해져 심각한 고장을 초래할 수 있다. 따라서 프로펠러 수리는 선박의 전반적인 안전성을 유지하는 데 매우 중요하다.

넷째, 선박의 진동 및 소음 감소 측면에서는 손상된 프로펠러는 회전 시 진동을 발생시키며, 이는 선박의 내구성에 해를 끼칠 수 있다. 진동은 선박 내부 장비와 구조물에 스트레스를 가하게 되어, 장기적으로 선박의 수명에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 과도한 진동은 선박 승객과 승무원의 편안함을 방해하고, 선박이 항해하는 동안 발생하는 소음 문제를 유발할 수 있다. 수리를 통해 이러한 문제를 해결하고 선박의 승객과 승무원의 편안함을 보장할 수 있다.

다섯째, 선박의 수명 연장 측면에서는 프로펠러가 손상된 채로 오랫동안 운항을 계속하면 선박의 다른 부품들, 특히 엔진이나 추진 시스템에까지 영향을 미칠 수 있다. 프로펠러를 정기적으로 수리하면 선박의 전반적인 상태를 유지할 수 있고, 장기적으로 선박의 수명을 연장하는 데 도움을 준다.

여섯째, 환경 보호 측면에서는 정상적인 프로펠러는 연료를 적게 소모하고, 이에 따라 온실가스 배출도 감소한다. 반대로, 비정상적인 프로펠러는 연료 소비를 늘리고, 더 많은 오염 물질을 배출하게 되어 환경에 미치는 부정적인 영향을 초래할 수 있다.

일곱째, 선박의 법적 요구사항 충족 측면에서는 일부 국가와 지역에서는 선박의 프로펠러 상태와 관련하여 규제가 있을 수 있다. 예를 들어, 선박이 정기적인 점검과 수리 작업을 완료해야 하는 경우가 있다. 이를 통해 선박이 법적 기준을 충족할 수 있도록 하고, 안전한 항해를 보장한다.

여덟째, 비용 및 시간 절약 측면에서는 프로펠러 수리와 예방적 유지보수를 정기적으로 수행하면, 더 큰 고장을 예방할 수 있다. 장기적으로 보면, 사소한 손상이나 마모를 초기에 고치는 것이 갑작스러운 고장을 수리하는 것 보다 비용과 시간을 절약하는 방법이다[1-10].

3. 선박 프로펠러 수리 작업 공정분석

3.1 선박 프로펠러 수리 작업

선박 프로펠러(Propeller) 수리는 선박의 추진 성능을 유지하기 위해 중요한 작업입니다. 선박의 프로펠러는 운항 중 해수, 부유물, 충격 등에 의해 손상되거나 변형될 수 있으며, 이는 성능 저하, 연료 소비 증가, 진동 및 소음을 유발할 수 있다. 프로펠러 수리는 선박의 효율적인 운항을 위해 필수적인 작업으로, 이를 통해 선박의 성능을 최적화하고 연료 효율성을 높이며, 안전한 운항과 환경 보호에도 기여할 수 있다. 프로펠러 수리를 소홀히 하면 장기적인 운항비용 증가, 안전 문제, 심각한 기계적 고장 등이 발생할 수 있으므로 정기적인 점검과 수리가 필요하다. 프로펠러를 수리하기 전에 사전에 준비해야 할 사항들을 Table 1에 나타내었다. 프로펠러 수리를 위한 사전 준비사항으로는 작업용 타워와 족장, 러그, 수리와 부품 해체를 위한 용접기와 가스절단기를 준비한다. 그리고 체인블록, 각종 치공구와 벨트류를 이동 설치하고, 로프가드를 취외한다. Table 2는 선박 프로펠러 수리 작업 공정을 분석한 것이다. 복잡한 부품을 해체하는 과정에서 발생할 수 있는 파손이나 마모를 최소화하고 작업해야 한다. 부품의 상태를 검토하고, 공무 감독과 선급 확인 후에 교환이나 수리 방법을 협의하고 진행한다.

Table 1. Preparatory Measures for Propeller Repair Work

Table 2. Procedures for Ship Propeller Repair Work

3.2 선박 프로펠러 샤프트 수리 작업

프로펠러 샤프트(Propeller Shaft)는 선박의 추진 시스템에서 핵심적인 역할을 하는 기계요소로, 엔진의 동력을 프로펠러로 전달하여 선박을 전진시키는 역할을 한다. 또한 선박의 엔진(주로 디젤엔진 또는 터빈)에서 발생한 회전력을 효율적으로 전달하여 프로펠러를 회전시킴으로써 추진력을 발생시킨다. 선박 엔진과 프로펠러 간의 축선(축 중심선)을 유지하여 기계적인 손실과 진동을 최소화하고, 정적 및 동적 균형을 유지하도록 설계되어 불균형으로 인한 진동이나 소음을 방지한다. 감속기(기어 박스)와 연결되어 엔진의 높은 회전수를 프로펠러가 작동할 수 있는 낮은 회전수로 변환하여 전달하는 역할도 한다. 샤프트는 선박의 베어링 시스템(일반적으로 선박 내부와 외부의 스턴튜브 베어링 및 플레인 베어링)에 의해 안정적으로 지지가 되고, 이러한 베어링 시스템은 샤프트의 자유로운 회전을 보장하고 과도한 마찰을 방지한다. 프로펠러 작동 중 발생하는 축력(추력)과 횡력을 효과적으로 분산하여 구조적으로 안전하게 유지하여 선박의 하중을 분산하는 역할도 한다. 프로펠러 샤프트는 선박 추진 시스템의 중심적인 구성 요소로, 동력 전달, 균형 유지, 추력 전달 및 방수 기능을 수행합니다. 이 장치의 설계와 유지/수리/보수가 적절히 이루어지지 않으면, 선박의 운항 성능과 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있다.

프로펠러 샤프트를 수리하기 전에 사전에 준비해야 할 사항들을 Table 3에 나타내었다. 프로펠러 샤프트 수리를 위한 사전 준비 사항으로는 관련 도면 입수, 부품 교체를 위한 스패어 파트 보유 여부 확인 및 준비, 전용 공구 확인 및 준비, 각종 계측기와 게이지를 준비한다. Table 4는 선박 프로펠러 샤프트 수리 작업 공정을 분석한 것이다. 복잡한 부품을 해체하는 과정에서 발생할 수 있는 파손이나 마모를 최소화하고 작업해야 한다. 부품의 상태를 검토하고, 공무 감독과 선급 확인 후에 교환이나 수리 방법을 협의하고 진행한다.

Table 3. Preparatory Measures for Propeller Shaft Repair Work

Table 4. Procedures for Ship Propeller Shaft Repair Work

3.3 선박 프로펠러 샤프트 커플링 수리 작업

프로펠러 샤프트 커플링(Coupling)은 선박 추진 시스템에서 중요한 기계적 요소로, 샤프트의 서로 다른 구간 또는 샤프트와 기계 장치(감속기, 엔진, 프로펠러 등)를 연결하는 데 사용된다. 이 커플링은 동력 전달을 안정적으로 수행하고, 회전 운동을 일관되게 전달하며, 시스템 내의 진동과 충격을 흡수하는 역할을 한다. 프로펠러 샤프트 커플링의 주요 역할은 엔진에서 생성된 동력을 샤프트와 프로펠러로 전달, 샤프트 구간 간 연결을 통해 회전력을 일관되게 유지, 샤프트의 서로 다른 구간이 일정한 축선을 유지할 수 있도록 연결, 오정렬 발생 시 발생할 수 있는 진동과 마모를 방지, 운전 중 발생하는 미세한 진동과 충격을 흡수 완화, 축 계통의 수명 연장과 안전성을 높인다.

프로펠러 샤프트 커플링의 종류는 고정식 커플링, 플렉시블 커플링, 플랜지 커플링, 기어드 커플링, 유체 커플링이 있는데, 각 사용 용도에 맞게 사용하면 된다. 프로펠러 샤프트 커플링의 종류를 Table 5에 나타내었다. 프로펠러 샤프트 커플링을 수리하기 전에 사전에 준비해야 할 사항들을 Table 6에 나타내었다. 관련 도면, 매뉴얼, 필요치공구, 교체용 자재를 작업 전에 준비한다. Table 7은 선박 프로펠러 샤프트 커플링의 수리 작업 공정을 분석한 것이다. 프로펠러 샤프트 커플링의 해체 시 가장 중요한 부품은 피스톤을 이다. 해체 시 발생할 수 있는 파손이나 마모를 최소화하고 작업해야 한다. 부품의 상태를 검토하고, 공무 감독과 선급 확인 후에 교환이나 수리 방법을 협의하고 진행한다.

Table 5. Types of Propeller Shaft Couplings

Table 6. Preparatory Measures for Propeller Shaft Coupling Repair Work

Table 7. Procedures for Ship Propeller Shaft Coupling Repair Work

3.4 선박 바우 스러스터 수리 작업

선박 바우 스러스터(Bow Thruster)는 선박의 조종성을 향상시키기 위해 선박의 뱃머리(Bow)에 설치된 보조 추진 장치이다. 주로 좁은 항구나 운하에서 선박의 선회 및 위치 조정을 용이하게 하며, 선박의 주요 추진 기관(주엔진)과 러더(키)의 조종 능력이 제한적인 저속 또는 정지 상태에서 중요한 역할을 한다. 바우 스러스터는 선박이 측면으로 이동하거나 뱃머리를 좌우로 돌리는 데 주로 사용된다. 좁은 공간에서 선박의 위치를 미세하게 조정할 수 있어 부두 접안 및 이탈 시 매우 유용하다. 러더는 선박이 이동 중일 때만 효과적으로 작동하므로, 저속이나 정지 상태에서는 조종이 어려운데 바우 스러스터는 저속에서도 효과적으로 조종력을 제공한다. 예인선 도움 없이도 선박을 접안 및 이탈할 수 있어 비용과 시간을 절감할 수 있으며, 강풍이나 조류로 인해 선박이 드래프트(흘러가는 현상)할 때, 바우 스러스터를 사용해 안정성을 유지할 수 있다.

선박 바우 스러스터의 종류는 터널 내의 고정된 프로펠러를 사용하는 일반적인 형태의 고정식 바우 스러스터, 필요할 때 선체 내부로 접거나 내릴 수 있는 리트랙터블 바우 스러스터, 정밀한 조작이 가능하고 소형이나 고속 선박에 주로 사용하는 터젯 바우 스러스터가 있는데, 각 사용 용도에 맞게 사용하면 된다. 선박 바우 스러스터의 종류를 Table 8에 나타내었다.

Table 8. Types of Bow Thruster

선박 바우 스러스터를 수리하기 전에 사전에 준비해야 할 사항들을 Table 9에 나타내었다. 관련 도면이나 매뉴얼 입수, 작업용 타워 설치, 작업용 조명 설치, 바우 스러스터 룸의 산소 농도 확인, 메인 전원 차단, 그레이팅 철거, 바우 스러스터 터널 내부 세척, 손상 여부 육안 검사를 작업 전에 준비한다. Table 10은 선박 바우 스러스터의 수리 작업 공정을 분석한 것이다. 바우 스러스터의 해체 시 가장 중요한 부품은 구동 모터와 기어 하우징이다. 프로펠러 블레이드는 세척 후 액체 침투 탐상 제로 0.4R 이상 비파괴 검사 수행해야 한다. 해체 시 발생할 수 있는 파손이나 마모를 최소화하고 작업해야 한다. 부품의 상태를 검토하고, 공무 감독과 선급 확인 후에 교환이나 수리 방법을 협의하고 진행한다.

Table 9. Preparatory Measures for Ship Bow Thruster Repair Work

Table 10. Procedures for Ship Bow Thruster Repair Work

3.5 선박 프로펠러 수리 작업 공정분석 결과 및 고찰

선박의 프로펠러 수리 작업은 전문기술자가 아니면 수행하기 어려운 작업이다. 선박의 프로펠러는 다양한 장비들로 구성되어 있고, 장비마다 수리 방법이 다른 경우가 많고, 수리 작업 공정들이 매우 복잡하다. 수리 작업을 수행하기 전에 작업시간을 단축하기 위해 수행하는 사전 준비 작업도 매우 중요하며, 장비의 구조를 파악하고 해체를 위해 도면 검토가 필요하다. 장비 특성에 맞는 수리 도구도 사전에 준비해야 하며, 수리 범위도 선박 담당자와 함께 결정한다. 수리 작업에서 대부분 장비가 해양 수에 노출되어 있어서 녹을 제거하는 공정이 있고, 장비 기능에 따라서 마모가 많은 경우는 교체나 수리(용접 등) 작업을 수행한다. 이런 공정들을 상세화하여 3.1∼3.4에 제시하였다.

4. 결론

본 연구에서는 실제 국내 선박 수리 조선소 현장 작업을 분석하여, 선박 프로펠러에 대한 수리 작업을 위한 사전 준비 작업과 선박 수리 공정을 세부적으로 제시하였다. 수리 작업 공정을 분석은 선박 프로펠러, 프로펠러 샤프트, 프로펠러 샤프트 커를링, 선박 바우 스러스터이다. 선박의 운항이나 수명과 관련성이 높은 장비로 녹이나 마모가 많이 발생하는 장비들로 정기적으로 점검 및 수리를 반드시 해야 한다. 국내 선박 수리 조선소들은 높은 임금과 전문기술자 부족으로 최근까지 어려움을 겪었으나, 경쟁국들의 작업자 임금 상승과 더불어 선박 수리 가격이 상승하면서, 국내에도 대형 선박에 대한 선박 수리 물량이 꾸준히 늘어나는 추세를 보인다. 본 논문에서 제시한 선박 프로펠러에 대한 선박 수리 세부 공정분석을 활용하여 국내 선박 수리 전문기술자를 양성하고, 관련 산업의 육성을 기대한다.

후기

본 논문은 산업통상자원부 산업기술진흥원 “친환경 선박 수리개조 플랫폼 고도화지원 사업(과제번호: P0025697)”에 의하여 연구되었습니다.