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으로써세계적추세를알아볼수있는기회로삼고자한다. 2. 모빌 (Mobil) 사의부유식 LNG 플랜트 1) 플랜트의기능 세계메이저석유회사중하나인모빌 (Mobil) 사는수심 200m 정도의심해상에서해저의천연가스를끌어올려이를컨덴세이트 (Condensate) 와가스성분으로분리한후, 가스성분을다시액화하여 LNG로만들고이를현장에서바로 LNG 운송선에싣기위한대형부유식 LNG 플랜트를구상하였다.(< 그림 2> 참조 ) < 그림 2> 모빌사의부유식 LNG 플랜트 이부유식구조물은총 2백만배럴이상의 LNG 저장기능을보유하며이밖에운영및작업요원 250여명이숙식할수있는시설과유지관리를위한시설을설치하여자급자족형인플랜트로써의기능을강화하였다. 2) 구성및크기 함체는한변의길이가 165m에이르는정사각형도우넛모양의콘크리트로만들어진다. 함체내에는 LNG 저장탱크, 컨덴세이트저장탱크, 발라스트 (Ballast) 용해수저장탱크등이있으며이중발라스트탱크는함체의경사를방지하고, 다른배와충돌시 LNG 탱크를보호하는역할을하도록함체주위를따라바깥쪽에배치된다. 함체위에는총무게가약 10만톤에달하는생산시설과적하장비가설치된다. 이러한시설이놓일수있는공간을확보하기위해함체위에 4층의데크 (Deck) 구조물을설치한다. 이데크는아래로부터 Main Deck, Spar Deck, Mid Deck, Top Deck이라불리운다. 한편주풍향이변하더라도플랜트에직접영향이없는방향에서하역작업이지속될수있도록두개의기계식하역장비를대각선반대방향코너에각각한개씩위치하도록하였다. 3) 재료 함체의재료를강재가아닌콘크리트로한이유는아래와같다. LNG와같은저온상태에서내성이우수하다.

녹슬염려가없어유지관리가편리하다. 피로 (Fatigue) 현상에대한저항력이우수하다. 함체의무게를높임으로써높은질량관성모멘트와낮은무게중심을갖게하여운동특성이우수하다. LNG 누출시, 화재시, 선박충돌시또는물체낙하시저항성이우수하다. 무겁고큰장비를지지하기위한구조적안정성이우수하다. 건설비용이상대적으로저렴하며공기가짧다. 특별한기술을요하지않는저임의노동력을사용하여건설이가능하다. 4) 함체의고정성확보 함체의고정성은사각형함체의각코너에 1,027m의길이와 15cm 지름을갖는고강도체인을달아이를해저지반에고정시킴으로써확보한다. 이계류색은한코너에 6개씩총 24라인을설치하며필요시체인과와이어로우프를혼합하여사용하는경우도있다. 계류색은전체지름이약 2km인원형태로해저에넓게퍼져균일간격으로배치되며따라서함체저부는충분한여유공간을확보할수있다. 이를통해가스를끌어올릴수있는라이저 (Riser) 와파이프라인, 케이블등의연결이용이해진다. 계류색을해저에고정시키기위하여현지토질조건에맞게파일을설치하여야한다. 파일의크기는보통지름이 2.1m, 길이가 43m이며한개의중량은 160톤정도이다. 5) 함체의운동특성과안정도 LNG 플랜트는가스처리시설과 LNG 운송선으로의하역문제때문에상당히엄격한운동제한치를필요로한다. 따라서함체주위의계류색외에도함체옆쪽에수평으로일련의평평한돌출제 (Damper) 를나오게하였으며, 함체의중앙에사각형도우넛모양의빈공간인문풀 (Moon Pool) 을두어라이저와각종파이프라인을통과하도록함으로써함체의운동중에도해당시설에큰무리가가지않도록하였다. 또함체를대칭모양으로함으로써어떤방향의태풍에도같은운동특성을갖도록하였다. 함체의운동성을검증하기위해 < 표 1> 과같은조건하에서컴퓨터프로그램을사용한운동해석과수조에서의모형실험을동시에실시하였다.

< 표 1> 태풍반복주기 1년 100년 유의파고 5m 11.8m 최대파고 9.5m 22.4m 파주기 10초 13.9초 1분평균풍속 - 110노트 표면해류속도 - 3.7노트 이러한실험을통해나온결과는 < 표 2> 와같다. < 표 2> 태풍반복주기 1 년 100 년 Heave Motion 0.3-0.4m 4.2-4.5m Roll Motion 0.7-0.8 도 6.2-8.0 도 Pitch Motion 0.7-0.8 도 6.2-8.0 도 < 표 2> 에서보는바와같이함체는그크기가크고무게중심이하부에위치하기때문에우수한운동특성을지닌다. 따라서태평양주변에서발생하는 100년주기태풍에도끄떡없이 LNG 생산이가능하며연간하역가능시간도 95% 이상확보할수있다. 하역이불가능한시간에도함체내의저장공간이 8일생산분에해당하기때문에지속적생산에거의문제가없다. 한편심각한선박충돌사고로함체한쪽이완전히손상되어해수로가득찼을경우에도단지 5도의경사만을이루는것으로나타났다. 이와같이 LNG 플랜트는상당히무겁고높이가높은기자재가많은데도불구하고함체의안정도가매우높은것으로판정되었다. 6) 안전 함체의외부둘레로는발라스트용해수와냉각수, 음용수등을따로저장하도록하고 LNG와컨덴세이트저장탱크는그안쪽으로배열하였으며모두이중격벽을적용하여다른선박과의충돌시문제가없도록하였다. 함체상부배치는대각선을그어문풀 (Moon Pool) 을중심으로한쪽에는유휴가스

소각설비, 액화설비등과같이휘발성연료를사용하는고위험설비를위치시키고, 숙소, 정비소, 하역시설, 저장실, 지원시설, 발전시설등과같은저위험시설들은다른쪽에분리하여위치하도록하였다. 또한주파향, 너울, 바람방향등을고려하여고위험지역화재시나파괴시저위험지역으로문제가확산되지않도록함체고정시함체의방향을잘잡도록하여야한다. 7) 향후적용가능성 모빌사의부유식 LNG 플랜트는육상 LNG 플랜트보다비용과공기면에서 25% 이상절감되는효과를갖는다. 먼저비용면을살펴보면부유식플랜트에서는항만시설, 해양가스처리시설, 해저파이프라인등을따로건설할필요가없어해당공사비와유지관리비를절약할수있으며, 육상플랜트에서이러한시설들의문제발생시생길수있는다운타임을방지할수있다. 또부유식플랜트는함체를 4개의동일한작은함체로나누어각기다른드라이도크 (Drydock) 에서제작한다음, 안전해역으로견인이동하여포스트텐션 (Posttension) 과그라우팅 (Grouting) 공법을사용하여조립함으로써공기의절감을꾀할수있다. 함체위의상부플랜트모듈 (Module) 들도세계각지에서각모듈을따로제작한후안전해역까지운반하여설치, 조합, 완성시킴으로써공기를크게단축시킬수있다. 또운반시모듈별로시운전을미리실시할수있다. 부유식 LNG 플랜트의또하나의강점은기존육상이나해상 Infra에서아무리멀리떨어져있어도 LNG 생산이가능하다는것이다. 이는해양가스생산의경제성을획기적으로개선시킬수있다. 따라서한가스전 (Gas Field) 에서일정기간작업한후다른가스전으로이동시킴으로써소량가스전에서도경쟁력있게적용이가능하다. 3. 메가플로트 (Megafloat) 1) 메가플로트란? 일본연안역중매립이가능한수심 20m이하지역은현재거의남아있지않은상태이다. 따라서 21세기에는수심 20-50m 지역이본격개발될것이며이를위해일본정부는메가플로트를가장경쟁력있는구조로판단하여이의개발을서두르고있다. 메가플로트는해상부유식강재구조물로써 21세기에해상매립을대신하여해상공항, 해상물류기지, 폐기물처리시설, 해상발전소, 레저용시설, 해상호텔,

항만터미널등으로활용될수있을것이다. 이메가플로트는해상매립에비해다음과같은장점들을가지고있다. 액상화등의우려가없고지진에보다큰저항성을지닌다. 건설기간이매립소요기간의 1/2로짧고건설비도크게경감된다. 해상에건설하기때문에장래시설의연장이용이하고이동성을지닌다. 매립에비해환경친화적이다. 매립시필요한침하대책이나매립재의확보가불필요하다. 바다깊이나해저지반조건에관계없이설치가가능하다. 2) 1 차메가플로트 일본정부는 1차메가플로트프로젝트를통해 300m x 60m x 2m 되는부유체를요꼬스카연안에 1996년완공하고현재는용접, 환경문제와지진, 쓰나미, 태풍, 부식등에영향이없는지를검토중에있다. 해류, 조류, 플랑크톤, 지진, 태풍, 높은파랑등에는문제가없는것으로이미판명되었다. 메가플로트는서로다른조선소에서제작된크기가각각 100m x 20m x 2m 되는 9 개의부유식강구조체를건설현장에예인하여상호접합하고이를해저에계류색으로고정시켜완성한것이다. 이러한구조물은건설과유지관리를위해효과적인수중용접방법을개발하는것이절대적으로필요하다. 또한해양환경에서녹이스는현상을막기위해전극방식을채용하여야한다. 안전문제를고려하여부유식구조물내부를여러개의격실로나누었으며만약그중한개의격실이파손되어침수되더라도구조물전체의안정에는영향이없도록설계하였다. 그러나아직도해결해야할문제로는 계류색이나앵커가파손되었을때구조물이떠내려가주변의배나항구에충돌할가능성 부유식구조물을해상공항으로사용할때항공기가활주로에착륙하면서일정각도로접근해야하나구조물의 Roll 또는 Pitch 운동에의해일정각도유지가어려울가능성 강재의부식문제유지관리비용의상승 환경문제등을들수있다. 3) 2 차메가플로트 일본정부는 1차메가플로트수행시발생된문제점들을보완하고기술을보다향상시키기위해야심찬 2차메가플로트계획을세워현재시행중에있다. 이번계획의목표는동경만의해상공항가능성여부를검증하기위한시험부유식구조체를완성하는것이다. 전체구조물의크기는길이가약 1km, 폭이 100m에이르며활

주로의폭은 60m이다. 구조물의설계수명은 100년이며, 일본정부에서는예산 130억엔을지원하여 1998년도에착수, 2000년완공예정이다. 이구조물은완성후세스나기또는 70명의승객을실은 YS11기등의이착륙등에사용될예정이며장차폐기물처리시설, 소형화력발전소, 고속해상수송을위한중간기지등으로도활용가능할것으로보인다. 금번사업에서특히중점적으로검토하고있는사항은 구조물의수평변이를방지하기위한계류방법과 부유철구조물의자력장이소형비행기착륙시비행기내의자기컴파스에어떤영향을주는지에대한연구등이다. 4) 오끼나와미군해상헬리포트 오끼나와해상헬리포트란주일미군이현오끼나와후텐마 (Futenma) 공군기지를대체하여해상에건설하려는기지이다. 해당지역의수심은낮은곳이약 3m, 깊은곳이약 70m에이르며설계파고는 6m이다. 기지의크기는길이 1,500m, 폭이 600m 이며이중활주로의길이와폭은각각 1,300m 와 45m이다. 기지의탑재헬기로는 UH-1, AH-1, CH-53/46 등이있으며, 그수는총 66대, 필요한기지인원은총 3,900 명에달한다. 상부시설에는정비창, 관제탑, 소방및구조시설, 보급품저장시설, 격납고, 창고, 유류저장시설, 숙소및기타지원시설등이있다. 기지의설계수명은 40년, 건설소요기간은 7년이며예상공사비는약 40억불이다. 기지는반드시향후제거가가능한공법으로건설되어야하므로 < 표 3> 과같이잭엎식, 폰툰식, 반잠수식중하나로결정될예정이다. < 표 3> 분류 잭엎식 폰툰식 반잠수식 (QIP) ( 메가플로트 ) 내용 파일지지 방파제안에정박시킨부유식 반잠수식부유구조물 건설비 ( 십억엔 ) 250-330 260-420 490-500 제거비 ( 십억엔 ) 260 270 600 유지관리비 300 300 350 ( 백만엔 /1년) 공사기간 5년 5.5년 6.5년 잭엎식은 QIP(Quick Installation Platform) 식이라고도한다. 이는이동시잭엎을사용하여떠있다가, 고정시는파일을내려정위치시키는구조물이다. 태풍과같은기상조건하에서고정성을확보하기위해서는 1만개이상의파일설치가필요하며따

라서제거과정이타구조에비해매우불리하다. 또한충분한내부공간이부족하며, 수심이너무깊으면설치가곤란하고, 지진시안정성과이동성이불리하다는단점이있다. 폰툰식은반잠수식에비해형태가간단하여유지관리비가저렴하나태풍시의안정을위해해저에계류색으로고정시키고추가로주위에방파제를두어야한다. 반잠수식은형태가복잡하여유지관리비가높으나, 해파를통과시키는구조이므로방파제를따로설치할필요가없다. 그러나폰툰식과마찬가지로해저에계류색으로고정시켜야한다. 반면반잠수식은자력추진으로항해가가능하다. 이해상헬리포트의건설을위해선높은비용, 기술적문제, 환경문제등해결하여야할문제들이많이남아있다. 4. FPSO 석유생산플랫폼 1) FPSO 란? FPSO(Floating Production, Storage & Offloading) 는부유식생산, 저장, 하역시설의약자로특히심해에서의해저석유생산에최근사용되기시작한부유식구조물이다. 이것은자력추진이가능한유조선모양의구조물로써일정지점에서작업시는메가플로트와마찬가지로해저지반에계류색과파일로선체를고정시킴으로써안정성을확보한다. (< 그림 3> 참조 ) < 그림 3> FPSO < 표 4> 는전세계적으로현재설치중이거나설치완료된주요 FPSO와해당수심을살펴본것이다. < 표 4> No. 석유회사프로젝트명위치수심 (m) 준공연도 1 Petro-Canada Terra Nova Newfoundland, Canada 90-100 2001 2 Texaco Captain North Sea 107 1996 3 Texaco Galley North Sea 150 1998 4 Amoco Liuhua 11-1 South China Sea 300 1996

5 Statoil Asgard Offshore Norway 240-310 1998 6 Statoil Lufeng 22-1 South China Sea 333 1998 7 Statoil Norne Offshore Norway 380 1997 8 British Petroleum Foinaven British Offshore 400-600 1996 9 British Petroleum Schiehallion British Offshore 400 1998 10 Petrobras Procap 2000 Offshore Brazil 300-2,000 1998 FPSO는기존유조선을개조해쓰거나신조선으로제작하기도하는데기존유조선을개조해쓸때는반드시적용해상조건의변화에따른접합부의피로 (Fatigue) 문제를주의깊게검토하여보강조치하여야한다. FPSO 설계시강재의피로문제를보통선박설계시보다더심도있게검토해야하는이유는다음과같다. 보통선박은정기적인유지보수를위해드라이도크 (Drydock) 에들어갈수있으나, FPSO는설계수명기간동안드라이도크에들어갈수없으며따라서정기적인수선없이계속적으로작업을하여야한다. 보통선박은그수명의 70% 정도만외해에서보내나 FPSO는거의영구적으로바다에떠있어야하므로피로하중 (Fatigue Loading) 에그대로노출된다. FPSO는일정위치에고정되어있는관계로보통선박에비해피로하중의방향이일정방향에집중된다. 2) FPSO 의장점 지금까지해저석유생산시설에가장많이쓰여온고정식해양구조물에비해 FPSO가갖는장점은다음과같다. 기존의조선기술에의거하여제작이가능하다. 건설및시운전을외해가아닌조선소에서완수할수있어외해현장작업을최소화할수있으며따라서이로인한비용절감이가능하다. FPSO의각조립요소 (Module) 즉 FPSO 선체, 원유처리플랜트, 계류시스템등을세계여러곳에서동시에따로제작하여한곳으로이동, 조립함으로써공기의단축과제작비의절감이가능하다. 원유생산량변화등기능변화에따른상부기자재의추가설치나변경이용이하다.

한곳의작업이끝나면이동하여다른곳에서작업이가능하다. 즉현장설치와철수, 이동이편리하다. 고정식구조물에서는설치가어려운저장및적하시설의설치가용이하다. 3) FPSO 의계류시스템 FPSO는해상고정을위해터릿무어링시스템 (Turret Mooring System) 을사용한다. 이는원통모양의터릿에계류용체인이직접부착된것이다. 또한베어링시스템이내부에설치되어있어날씨의변화에따른 FPSO의회전움직임을자유롭게허용함으로써 FPSO에작용되는외력을최소화할수있다. 터릿시스템은보통뱃머리에위치하는데이렇게하면 FPSO의움직임이보다자유롭고상부공간을절약할수있으며저장능력을늘릴수있는장점이있다. 만약터릿시스템을배중앙에위치시키면트러스터 (Thruster) 를추가로두어외력의영향을최대한줄여야하고보강이많이필요해비용면에서불리하다. 바람과해류가서로다른방향으로작용하는경우에는터릿시스템만으로효과적인반응 (Response) 을하기가역부족일때가많다. 이를위해서근래에는트러스터와다이나믹포지쇼닝시스템 (Dynamic Positioning System) 을동시에적용하는 FPSO가많이있다. 4) FPSO 선체의재료 보통 FPSO 선체는강재로만들어지는데요사이는콘크리트재료도선호되고있다. 이는콘크리트가강재에비해부식이잘일어나지않고피로하중에대한수명이보다우수하며, 온도에대한영향이작아고온유류나저온의개스를저장하는데유리하기때문이다. 또한공기나비용면에서도콘크리트가상대적으로경쟁력이있다. 5. MOB 1) MOB 란? MOB는미국해군에서차세대해양기지로추진하고있는해상부유식구조물로 Mobile Offshore Base의약자이다. 이것은세계여러곳의해상에배치되어고정익화물기등해군비행기의이착륙이가능하도록설계된떠있는병참기지로현재미해군연구소에서기술적타당성을검토중에있다.

2) MOB 의특징 MOB는최소 1,500m의길이와 150m의폭, 75m의깊이, 40m의흘수를갖는다. 이것은전체가하나의구조체가아니라, 길이방향으로여러개의모듈을연결하여이루어지는구조이다. 전체무게는 170만톤정도이며이기지에는 80만m2의건화물과 4만m3의연료를저장할수있는시설, 그리고유사시한번에 250명의승무원과 3천명의병력이주둔할수있도록설계된다. 또한태풍이나허리케인등어떠한기상조건하에서도 C-17 화물기의이착륙이가능하여야하며, MOB에서화물선으로의하역도동시에가능하여야한다. MOB의설계수명은정밀검사시까지약 40년이며, 설계수심은 3,000m이다. MOB의각모듈은작전상다른곳에따로위치하다가도화물기이착륙이필요하게되면, 빠른시간내에결합하여하나의구조체가될수있도록되어있다. 따라서각모듈은자력추진으로 10노트이상의속도를낼수있어야한다. 3) 현재추진상황 현재개발중인 MOB에는 < 표 5> 에서보는바와같이개발회사가각각다른 4가지종류가있다. MOB 종류 < 표 5> 개발회사 힌지형반잠수식모듈 (Hinged Semisubmersible Modules) 유동성교량연결반잠수식모듈 (Semisubmersible Modules with Flexible Bridges) McDermott Kvaerner 독립적반잠수식모듈 (Independent Semisubmersible Modules) 콘크리트 / 강재복합반잠수식모듈 (Concrete/Steel Semisubmersible Modules) Bechtel Aker Norwegian 이 4가지형태구조물의다른점은여러작은모듈을어떻게결합하여하나의 MOB 구조체로만드느냐에있다. MOB를한구조체로만들지않고여러개의모듈이연결된구조체로만드는이유는모듈사이의상대적움직임을허용함으로써, 파도로인한휨모멘트를감소시

킬수있기때문이다. 그러나상대적운동을너무많이허용할경우모듈간의연속성이안좋아져비행기이착륙에문제가발생할수있다는단점이있다. MOB의기본형태인반잠수식은상재하중을여러개의원형기둥이지지하며이기둥들은아래쪽에서두개또는네개의매우크고평행한폰툰을통해서로연결되는구조이다. < 그림 4> 는석유시추선에쓰이는반잠수식구조를보여주고있다. < 그림 4> 반잠수식시추선 반잠수식은일정장소에고정될때는충분한발라스트를통해몸체를가라앉혀폰툰을완전히잠기게함으로써수표면면적을최대한감소시켜파랑과해류에대한저항을감소시킨다. 이때문에반잠수식모듈은큰몸체에도불구하고상대적으로외력의작용을적게받으며따라서안정성이매우우수하다. 하나의폰툰은보통유조선크기로이동시에는흘수를되도록작게하여몸체를띄우고이에따라두개의선체모양형태로움직이게된다. 그러므로모듈은그크기에도불구하고이동성이용이해진다. 4) 향후개발이필요한사항 MOB의실용화를위해앞으로중점적으로연구개발되어야할핵심기술에는 모듈간연결기술 해양환경에견디는대체재료기술 태풍시정위치확보및유지기술 파도, 해류등의외력에대한운동반응감쇄기술 건설및유지관리기술 공해상에서의화물하역기술등이있다. 6. 결론 해상부유구조물설계시가장중요한것은어떻게하면설계외력을효과적으로감소시킬수있느냐에있다. 설계외력중가장큰것은역시파랑에의한것이며이파력을가장잘회피하는것이부유구조물의안정성과경제성그리고유지관리적인측면에서보다우수한구조물을만들수있는관건이된다. 이러한관점에서보았을때파력이가해지는면적을최소화할수있도록한반잠수식 MOB가가장효과적인해상부유식구조물로판단된다. 해상부유식구조물은바다나공중을통한접근이용이하고통신이막힘이없이편리하다는장점을지닌다. 그리고해저케이블과해저파이프라인을통한전기공급과급배수가용이하며, 사고발생시탈출이쉽다. 또한한곳에서의화재나폭발이이웃의다른구조물로쉽게전이되지않는다는잇점도있다.

이러한장점들에앞서역시가장중요한장점은해상공간의무한한가능성을들수있다. 21세기에는누가해양공간을선점하여새로운영역을확대해나가느냐가한나라의미래와국력의신장을결정할수있을것이다. 이를볼때우리나라도하루빨리해양공간개발을위한마스터플랜을세워이를하나하나착실히밟아나감으로써적어도해양개발이라는면에서는선진국과어깨를나란히할수있어야할것이다. 7. 참고서적 1. Floating LNG Plant will stress Reliability and Safety / C. D. Kinney, H. R. Schulz, W. Spring / Mobil Technology Co. / World Oil / July 1997 2. Mobil tackles Floating LNG Challenges / S. Bhattacharjee, D. Garrett, B. Sweetman / Mobil Technology Co. / Offshore Engineer / July 1997 3. Design advanced for Large-scale, Economic, Floating LNG Plant / Marie M. Naklie / Mobil Technology Co. / Oil & Gas Journal / June 1997 4. Unique Hull Design for Floating LNG / G. Z. Gu, G. C. Hoff, G. R. Thompson / Mobil Technology Co. / Offshore / July 1997 5. Topside Challenges of Floating LNG / J. T. Mok, K. A. Yost, J. R. Lopez / Mobil Technology Co. / Hydrocarbon Processing / July 1997 6. Classification of FPSO's for Extreme Environments / M. J. Maguire / Lloyd's Register of Shipping / Proceedings of the Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference / May 1998 7. Development Trends in Deep Water / John Waddell / Kvaerner H&G Offshore / Offshore Technology 8. Classification of FPSO's / George Alford / Lloyd's Register of Shipping / Offshore Technology 9. Floating Production - The Turnkey Option / Peter Lovie / Bluewater Offshore / Offshore Technology 10. Mobile Offshore Base / Gene Remmers et al. / Office of Naval Research / Proceedings of the Eighth International Offshore and Polar Engineering Conference / May 1998