한국해양공학회지제 32 권제 1 호, pp 21-27, 2018 년 2 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 32(1), 21-27 February, 2018 https://doi.org/10.26748/ksoe.2018.2.32.1.021 Quayside Mooring System Design of Prelude FLNG for Extreme Environmental Condition Jin-Woog Cho *, Sang-Woong Yun *, Bong-Jae Kim *, Jae-Woong Choi *, Booki Kim * and Seung-Ho Yang ** * Samsung Heavy Industries Co. Ltd., Korea ** Mechanical Engineering, Ulsan College, Ulsan, Korea 극한환경조건에대한프릴루드 FLNG 안벽계류시스템설계 조진욱 * 윤상웅 * 김봉재 * 최재웅 * 김부기 * 양승호 ** * 삼성중공업중앙연구소 ** 울산과학대학교기계공학부 KEY WORDS: Extreme environmental condition 극한환경조건, Prelude FLNG 프릴루드 FLNG, Quayside mooring system design 안벽계류시스템설계, Mooring safety 계류안전성 ABSTRACT: The design and analysis of a quayside mooring system for safe mooring of Prelude FLNG under extreme environmental conditions were carried out. The design of the mooring system considered the yard operation conditions and maximum wind speed during a typhoon. In order to secure the mooring safety of Prelude FLNG under an extreme environment, a special steel structure was designed between the quay and Prelude FLNG to maintain the distance from the quay to a certain extent to avoid a collision with the inclined base. The mooring safety was also ensured by installing additional new parts on the quay. A mooring analysis and mooring safety review were performed with more rigorous modeling considering the nonlinearity of the mooring rope and fender. In order to secure additional safety of the mooring system under extreme environmental conditions, a safety assessment was conducted on the failures of the mooring components proposed in the marine mooring guidelines. Based on the results of the mooring analysis, it was confirmed that the Prelude FLNG can be safely moored even under the extreme conditions of typhoons, and a worst case scenario analysis verified that the mooring system design was robust enough. The proposed mooring analysis and design method will provide a basis for the safe mooring of ultra-large floating offshore structures of similar size in the future. 1. 서론글로벌경기침체에도불구하고장기적으로에너지수요는지속적으로증가할것으로예상된다. 특히, 전문가들사이에서는지구온난화에따른대안으로 LNG(Liquefied natural gas) 와같은청정에너지에대한수요가가파르게상승할것으로예상하고있다. 기술발달에따른심해해상가스전의탐사와개발이용이해지고있으며, 개발된에너지의이송방식이과거의파이프라인과육상플랜트를이용한방식이아닌해상에서의부유식해양플랜트를이용한새로운개념의에너지이송방식으로변화되고있다 (KOSHIPA, 2011; KEIT, 2015; KEEI, 2015). FLNG(Floating liquefied natural gas) 는해저로부터채굴된천연가스를해상에서정제하고 LNG로액화해저장과하역을할수있는부유식해양플랜트로서주변환경에대한영향이적고 육상에대규모정제를위한플랜트를건설할필요가없기때문에최근들어오일메이저에서선호하고있는부유식해양구조물이다 (LNG plant project business group, 2010; KPMG GEI, 2014). 최근에세일가스생산량증가로인해추가 FLNG 발주가지연되고있는상황임에도불구하고근래수년에걸친 FLNG에대한실현가능성검토 (Feasibility study) 결과를토대로궁극적으로는전세계 LNG 시장의수요증가와맞물려다수의 FLNG가발주될것으로기대하고있다. 프릴루드 FLNG(Fig. 1) 는호주브라우즈유정 (Browse basin) 의천연가스개발을목표로프로젝트가추진되었으며규모면에서는현재까지건조된부유식해양구조물중에서가장크다. 선체의길이가 488m(LBP 기준 473.6m), 폭이 74m, 깊이가 43.4m에이르고, 상부구조물을포함할경우높이가무려 110m에이른다 (Table 1). 강재만 26만톤이상사용 Received 13 September 2017, revised 5 January 2018, accepted 5 January 2018 Corresponding author Seung-Ho Yang: +82-52-279-3138, shyang@uc.ac.kr ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7163-4081 c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 21
22 Jin-Woog Cho et al. 2. 안벽계류시스템 Fig. 1 Prelude FLNG Table 1 Main particulars of prelude FLNG Items Dimension Remarks LBP 473.6 m B 74.0 m D 43.4 m T 9.8 m Quayside Displacement 316999 MT Quayside 되어제작되었으며, 만재흘수 (Full loaded) 상태에서배수량은 60 만톤에이른다 (Shell, 2009). 부유식해양구조물건조중, 선체제작외에상부구조물통합작업 (Topside integration) 및각종의장작업을수행하기위해일정기간안벽접안을하게된다. 상부구조물통합작업과복잡한의장작업을고려할때도크 (Dock) 진수이후안벽접안기간만최소 2년이상걸리게된다. 삼성중공업거제조선소가위치해있는고현항의경우, 태풍의진로에있기때문에반드시태풍과같은극한환경조건에서도계류가가능하도록계류시스템설계를해야한다. 실사고사례로 2003년내습한태풍매미로인해국내조선소의안벽접안후작업중이던선박및부유식해양구조물들이계류중대거유실되는사고를당하여큰손실을입은바있다 (Na et al., 2004; Park et al., 2011; Yang et al., 2015). 본연구에서는이러한잠재적위험요소에따른극한환경조건에서의프릴루드 FLNG의건조중계류안전성을확보하기위해계류시스템을설계하고다양한최악상황시나리오에따른사례연구 (Case study) 를통해최적으로설계된계류시스템을도출하고자하였다. 안벽에계류된선박은외해에계류된선박에비해경험하게되는환경하중이상당히낮을수있지만, 부유식해양구조물의계류시스템 (Mooring system for floating offshore structure) 과달리상대적으로계류로프가짧고, 팽팽한상태로유지되므로해양구조물의작은움직임에도매우높은인장력이발생할수있다. 또한, 계선작업에따른계류로프의초기인장력적용과안벽및선체와의마찰과마모, 주변여건에따른환경외력평가방법의어려움뿐만아니라작업상황에따른여러가지방해요소들로인해선박과안벽의완벽한연결점을찾을수없는등다양한불완전요소들이존재한다. 따라서효과적인안벽계류시스템설계는선박및안벽과같은구조물의안전뿐아니라작업자의안전을보장하기위해서도필수적이다프릴루드 FLNG의계류시스템설계과정은선상에서의계류시스템배치와안벽접안위치그리고작업장구조물의간섭등현장작업조건및환경조건을고려한수치시뮬레이션을통해최종적으로완성하였다. 2.1 극한환경조건일반적으로안벽작업중겪게될극한환경조건을안벽계류시스템설계및해석의입력조건으로사용하게된다. 프릴루드 FLNG의경우계류되어있는고현항내안벽의경우, 주변지형이산으로둘러싸여있어외해의풍속이상대적으로크게감소되어실제안벽에서는훨씬작은풍속값을나타낸다. 통영, 거제기상청장기관측자료, 삼성중공업야드내안벽부근건물옥상에설치되어운용중인풍속계측시스템의실계측데이터등의자료를이용하여 100년재현주기에해당하는설계풍속을산정하였다. 2.2 프릴루드 FLNG 풍하중면적, 풍하중계수, 최대풍하중풍동테스트에서사용된특정흘수에서의프릴루드 FLNG 풍하중면적은 Fig. 2에보이는바와같다. 이는측면도를기준으로할때, 대형 LNG 운반선의네배이상풍하중면적을가진다. 안벽접안시해당흘수에서프릴루드 FLNG에상부구조물모듈들이모두탑재되었을때를가정하면, 전면약 8,000 m 2, 측면약 37,000 m 2 의풍하중면적을가지게된다. 풍하중계수는풍동시험결과를이용하였고방향별풍하중산정을위한입력조건으로사용하였다. Fig. 3은특정흘수에해당하는풍동시험모형과프릴루드 FLNG의풍하중계수값이며, Fig. 2 Prelude FLNG for wind screen calculations(left: side view, right: front view)
Quayside Mooring System Design of Prelude FLNG for Extreme Environmental Condition 23 Fig. 3 The model for wind tunnel test and wind coefficients of Prelude FLNG 해석에는안벽접안흘수에가까운풍동시험흘수의풍하중계수값을그대로사용하고적용면적을안벽접안조건에맞게보정하여적용하였다. 본연구에서는풍동시험흘수와안벽접안흘수의차이가크지않아적용가능한방법이었으나만약흘수차이가크다고하면해당흘수조건에맞게풍동시험을추가로수행하여그결과값을사용하는등보다현실적인풍하중계수적용방법을고려할필요가있다. 계류시스템설계를위한최대풍하중과최대모멘트는아래식 (1), (2), (3) 으로부터산정될수있다. (1) (2) (3) 여기서, : 공기밀도 (1.225 kg/m 3 ) : 축방향하중및모멘트계수 : 축방향투영면적 [m 2 ] : 선체길이 [m] : 풍속 [m/s] 산정된풍하중은전면과측면의면적중심, 즉전면과측면의도심에각각부과하였다. 2.3 안벽계류시스템설계야드안벽건조작업중프릴루드 FLNG가격게될극한환경하에서안전한계류를위한계류시스템설계는프릴루드 FLNG 자체의계류시스템구성요소와야드안벽이현재가지고있는혹은추가설치가능한계류시스템구성요소들을살펴보는것으로부터시작될수있다. 2.3.1 프릴루드 FLNG 본선계류구성요소해양 (Offshore) 에서본선의위치유지를위해설치되는계류시스템을제외하고해양구조물갑판에설치되는대부분의계류설 비들은야드에서안전한안벽작업을수행하기위해부착된다고볼수있다. 이러한계류설비들은해양구조물이초대형화됨에따라필요수량의증가로공간적문제뿐만아니라구조적, 생산적, 비용적문제로확대가된다. 따라서초기에최적설계를통해이러한문제를줄여나가야할필요가있다. 2.3.2 프릴루드 FLNG 접안안벽계류구성요소들해양구조물의초대형화는설계부터생산에이르기까지극복해야할다양한문제들을야기할뿐만아니라접안을위한안벽의길이, 수심그리고계선을위한비트의수, 용량, 배치등에도개선을요구하고있다. Table 2는프릴루드 FLNG가접안하게될안벽의계류시스템구성요소들의개별설계하중을나타낸다. Table 2 Quayside mooring components for Prelude FLNG Items Capacity Remarks Bitts Foam filled fenders 100 MT 200 MT 700 MT Horizontal force 100 MT Vertical force 58 MT Horizontal force 200 MT Vertical force 116 MT Φ 4500 9000 L, 60 deflection of diameter 안벽비트하중테스트 (proof load test) 안벽에위치해있는비트들의경우, 설치후장시간의사용과해수에대한노출로인해지반과구조물이초기설계되었던하중을만족하지못하고붕괴되는상황이발생할수있다. 따라서, 기설치되어사용되고있는프릴루드 FLNG용계류비트들에대해선주, 해사검정보증인 (Marine warranty surveyor) 과협의를거쳐선택적으로하중테스트를통한안전성검증을수행하였다. 아래그림은하중테스트를위해계측장치를 100톤, 200 톤비트에부착한것이며, Fig. 4는비트하중테스트절차에따른하중부과시비트의최대변형량 (load-strain) 을나타낸것이다. 이때적용하중은수평, 수직방향에대해안전작업하중 (SWL, Safe working load) 의 1.25배값을사용하였다. 프릴루드 FLNG 접안용특수철재구조물일반선박의접안과달리프릴루드 FLNG는접안을위한특
24 Jin-Woog Cho et al. Fig. 4 The results of proof load test for 100 MT and 200 MT bitts Fig. 5 Steel structure and fender at quay 수 철재구조물이 고안되어 적용되었다(Fig. 5). 특수 철재구조물 의 목적은 접안 안벽의 구조적 형상에 따라 프릴루드 FLNG를 안벽으로부터 충분한 이격거리를 유지함으로써 해저면과 본선 의 바닥면과의 여유공간(Bottom clearance)을 확보하기 위한 것 이다. 바지선(Barge)을 포함한 부유형태의 이격물을 구성할 수 도 있으나 개별 부유구조물들의 파랑 중 상대운동으로 인한 충 돌 등 예상치 못한 위험 상황을 배제하기 위해 고정된 형태의 철재구조물을 고안하여 안벽에 설치하였다. 철재구조물의 경우, 펜더 압착면에 의한 응력변형 등을 고려하여 구조물 자체의 안 전성도 평가하였으나 본 연구논문에서는 추가로 기술하지는 않 았다. 영역에서 부유체의 운동 해를 구하게 된다(Bently Systems, 2015). (4) 여기서, : Mass matrix of the body : Damping matrix : Stiffness matrix : Displacement vector : Generalized force vector 3. 안벽계류를 위한 수치해석적 연구 본 연구에서는 주파수영역 해석법이 적용되었으며 일반적인 안벽계류해석과 마찬가지로 프릴루드 FLNG에 대해서도 준정적 해석법으로 부유체의 변위와 계류로프에 작용하는 힘을 각각 본 연구에서는 MOSES(Multi-operational structural engineering simulator, Ver.10.00.01.38) 프로그램을 사용하여 안벽계류해석을 수행하였다. MOSES는 다양한 유형의 해양 플랫폼 및 선박에 구하였다. 좌표계는 Fig. 6과 같은 우수좌표계를 사용하였으며, 환경외력의 작용방향은 x축을 기준으로 반시계방향으로 0도 ~ 360도 방향이 된다. 대한 정적, 동적 거동해석을 위한 소프트웨어로 해양 구조물의 운송 및 설치 시뮬레이션 및 분석뿐만 아니라 환경외력에 의해 해양구조물에서 발생할 수 있는 응력을 해석할 수 있는 텍스트 비선형 계류로프 계류에 사용되는 로프는 직경, 종류(Synthetic, Polyamide 등) 기반의 소프트웨어이다. 3.1 지배방정식 및 해석입력조건 MOSES는 아래의 방정식 (4)를 이용하여 주파수영역 혹은 시간 그리고 연결 지점간의 거리에 따라 작용 하중에 대한 변위량이 달라지므로 가능한 한 동일한 종류, 유사한 길이의 로프들로 구 성하고 배치될 수 있도록 해야 한다. 이럴 경우 통상 계류로프는 로프하중-변형량 특성을 선형으로 가정하여 적용하고 있으나,
Quayside Mooring System Design of Prelude FLNG for Extreme Environmental Condition 25 Fig. 6 Coordinates of the Prelude FLNG model and environmental load direction Fig. 8 Load-deflection curve of a fender Fig. 7 Mooring rope property 긴로프와짧은로프가혼재하여개별로프간길이차이가크게발생하는계류시스템이구성되었을때에는짧은로프에하중이집중되는상황이제대로표현될수있도록비선형로프하중-변형량특성을고려할필요가있다. 프릴루드 FLNG의경우사용되는계류로프들로변형률이큰나일론로프를사용하고, 100줄이상많은로프들이적용됨으로선주, 해사검정보증인과협의를통해 Fig. 7 같은비선형로프하중- 변형량특성이반영될수있도록하였다. 비선형초대형계류펜더대형선박의안벽접안시본선과안벽의직접적인충돌방지를위해통상부유식형태의 3300mm 6500mm 폼필드 (Foam filled) 펜더다수를선측수평부에배치하여사용한다. 그러나, 프릴루드 FLNG의경우정적환경외력만으로도기존폼필드펜더의최대압축력을초과하는상황이발생함에따라 4500mm 9000mm의특수주문제작펜더를프릴루드 FLNG 계류용으로사용하였다. Fig. 8은주문제작펜더의압축하중에대한반발력특성곡선을나타낸다. 3.2 계류해석결과계류해석을통해극한환경조건에따른각계류로프에걸리는최대하중과펜더의반발력, 프릴루드 FLNG의최대오프셋 (Offset) 을결과로얻었다. 특히, 계류로프의하중분포는최악상황시나리오의토대가되는입력조건으로, 아래와같은다섯가지의파단조건을최악상황에대한검증시나리오로구성하였다. (1) 최대하중로프의파단 (Maximum loaded line failure) (2) 최대하중로프바로옆로프의파단 (Neighbor line failure for maximum loaded line) (3) 최대하중비트의붕괴 (Maximum loaded bitt failure) (4) 최대하중초크의붕괴 (Maximum loaded chock failure) (5) 최대하중볼라드의붕괴 (Maximum loaded bollard failure) 최악상황시나리오는기본적으로해양계류적용지침을따랐으며 (GL Noble Denton, 2013), 선주, 해사검정보증인과의긴밀한협의를통해관련시나리오에대해확정짓는과정을거쳤다. 계류로프하중과계류안전성검증거제고현항극한환경조건에서프릴루드 FLNG에대한안벽계류해석이수행되었고, 그결과안전한계류를위해총 132개의계류로프와 15개의펜더가소요되었다. Fig. 9는해석프로그램에서도시된안벽계류로프배치도이다. 또한, 계류해석결과를바탕으로계류구성요소들이각각손상되는최악상황시나리오를가정하고이에따른프릴루드 FLNG 계류안전성검증결과를 Table 3에요약하였다. Table 3은계류구성요소들이손상받지않은조건 (Intact) 과최대하중을받는계류로프의파단조건 (Max. 1 line failure), 최대하중을받는로프바로옆로프의파단조건 (Neighbor line failure of Max. line), 최대하중을받는비트의붕괴조건 (Max. loaded bitt failure), 최대하중 해석전제및가정본선볼라드와안벽비트에연결되는계류로프의초기인장력은균일하게 2톤이작용하는것으로하였다. 보수적설계를위해안벽에의한바람의차폐효과는무시하였으며, 환경외력은모두동일한방향에서입사되는것으로가정하였다. Fig. 9 Quayside mooring arrangement for Prelude FLNG
26 Jin-Woog Cho et al. Table 3 Mooring analysis results for Prelude FLNG Conditions Intact Damage Max. 1 line failure Neighbor line failure of Max. line Max. loaded bitt failure Max. loaded chock failure Max. loaded bollard failure Max./SWL Line Tension 93.02 92.44 94.34 95.86 95.38 94.99 Fender Force 94.52 94.49 94.33 94.31 93.99 94.17 Fig. 10 Mooring analysis results for mooring lines(intact, Max. 1 line failure, Neighbor line failure of Max. line, Max. loaded bitt failure) Fig. 11 Mooring analysis results for mooring lines(max. loaded chock failure, Max. loaded bollard failure) Fig. 12 Mooring analysis results for fender
Quayside Mooring System Design of Prelude FLNG for Extreme Environmental Condition 27 을받는초크의붕괴조건 (Max. loaded chock failure), 최대하중을받는볼라드의붕괴조건 (Max. loaded bollard failure) 에대한상황들을가정하고이때의발생되는최대하중에대해안전작업하중의비율로나타낸것이다. 모든최악상황시나리오에대한해석결과에서로프최대하중이안전작업하중을넘지않는결과를보여주었다. 각각의최악상황시나리오에대한펜더의압축하중또한펜더의설계하중을넘지않는결과를보여주었다. 각해석조건에따른계류로프에걸리는인장력분포와펜더에작용하는압축력분포를 Figs. 10-12에각각도시하였다. 일반적으로최대하중을받는계류로프의파단조건 (Max. 1 line) 이가장흔히고려될수있는최악상황으로검토될수있다. 그러나, 최대하중을받는로프바로옆로프의파단조건 (Neighber line of max. failure) 은최대하중계류로프의작용하중을더욱높일수있기때문에이에대한검토또한타당성있는중요한검토사항으로볼수있다. 비교결과최대하중을받는계류로프파단조건의경우작업안전하중의 92.44 에해당하는계류로프최대하중결과를얻은반면최대하중을받는로프바로옆로프파단조건의경우에는 94.34 로더높은작업안전하중에대한최대하중비율을얻었다. 따라서, 계류로프관점에서는최대하중을받는로프바로옆로프의파단조건을더보수적인최악상황시나리오로볼수있다. 계류시스템전체의안전성평가에서는계류로프보다의장품류 (Fittings; Bollard, Bitt, Chock) 의붕괴가계류시스템의안전성에더큰영향을미치게된다. 프릴루드 FLNG와같은극초대형부유식해양구조물의경우, 하나의의장품에두개의계류로프가걸리는상황이다수발생하였기때문에의장품류의붕괴상황은두개의계류로프가동시에끊기게되는상황으로계류시스템전체가순차적으로붕괴할수도있는위험한상황에놓이게된다. 4. 결론본논문에서는삼성중공업야드안벽에계류된프릴루드 FLNG의안전한계류시스템설계를위하여극한환경조건에대해프릴루드 FLNG 안벽계류해석을수행하였다. 프릴루드 FLNG 계류시스템설계과정과해석결과들로부터다음의결론을얻을수있다. (1) 본선볼라드, 초크, 안벽비트, 철재구조물, 초대형펜더등의개별계류구성요소들을이용한계류시스템설계를통해야드건조중극초대형해양구조물인프릴루드 FLNG의계류안전성을확보하였다. (2) 계류해석시비선형로프, 비선형펜더모델을적용함으로써극한환경조건에서프릴루드 FLNG 계류시스템구성요소들이받게되는하중을실제에더욱근접하게모사함으로써보다안전한계류시스템을설계할수있었다. (3) 계류시스템설계및해석과정에선주사, 해사검정보증인과의협의를통해다양한최악상황시나리오를산정하여극한조건최악상황에대비한강건한계류시스템설계방안을확보하였다. (4) 계류로프와의장품류가 1대 1 대응관계일때는최대하중이걸리는계류로프의파단뿐만아니라계류로프의이웃한로프의파단을최악상황시나리오로검토해야하며, 극초대형부유식해양구조물의계류시스템과같은 1대다조건일경우엔추가적으로최대하중이걸리는의장품류의붕괴를가정하여계류시스템의안전성을검토해야한다. (5) 본연구결과는향후에있을보다더큰규모의극초대형부유식해양구조물계류시스템설계및해석을위한기초자료로사용가능할것으로평가되며유사대형해양프로젝트수행을위한기본토대가될것으로사료된다. References Bently Systems,2015.Reference Manual for MOSES,Bently Systems. GL Noble Denton, 2013. Technical Policy Board Guidelines for Moorings, GL noble denton 0032/ND. GL Noble Denton. Korea Offshore and Shipbuilding Association(KOSHIPA), 2011. Analysis of Competitiveness of Offshore Plant Industry and Development of Short-and Long-term Strategy. [Online] Availible at: <http://www.prism.go.kr/> [Accessed January 2017]. Korea Evaluation Instutute of Industrial Technology(KEIT), 2015. The Status and Prospectof Floating OffshorePower Plant Technology. [Online] Availible at: <http://www.kosen21.org> [Accessed January 2017]. Korea Energy Economics Instutute(KEEI), 2015. Tasks and Countermeasures of the Domestic Resource Development Offshore Plant Industry. [Online] Availible at: <https://www. keei.re.kr> [Accessed February 2017]. KPMG Global Energy Instutute(KPMG GEI), 2014. Floating LNG: Revolution and Evolution for The Global Industry. [Online] Availible at: <https://home.kpmg.com> [Accessed February 2017]. LNG Plant Project Business Group, 2010. LNG-FPSO PlanningStudy of LNG Plant Project Business Group. [Online] Availible at: <http://lngplant.or.kr/> [Accessed February 2017]. Na, J.H., Sim, W.S., Lee, I.H., Moon, J.S., Kim, J.W., Shin, H.S., 2004. FPSO Quay Mooring Analysis in Typhoon Condition. Proceedings of the Annual Autumn Meeting, Sancheong Korea. Park, M.K., Cho, J.W., Chung, J.H., 2011. Quay Mooring Analysis for a Drillship in Typhoon Conditions. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Special Issue, 70-74. Shell Development (Australia) Proprietary Limited, 2009. Prelude Floating LNG Project Environmental Impact Statement. [Online] Availible at: <http://www.shell.com.au/> [Accessed September 2016]. Yang, S.H., Cho, J.W., Kim, H.J., Kim, B.K., 2015. Study on the Mooring Stability of Floating Dock with Ultra Large Offshore Structure. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 52(6), 509-519.