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ISSN : 1229-3431(Print)
ISSN : 2287-3341(Online)

Journal of the Korean Society of Marine Environment and Safety Vol.29 No.1 pp.67-75
DOI : https://doi.org/10.7837/kosomes.2023.29.1.067

Offshore Platform Installation Simulation Using Real-Time Maneuvering and Operation Simulator

Jonghyeon Lee^*, Solyoung Han^**, Dong-Woo Park^***†

^*Researcher, Shipbuilding & Marine Simulation Center, Tongmyong University, Busan 48520, Korea
^**Pro, Ship and Offshore Research Center, Samsung Heavy Industries, Daejeon 34051, Korea
^***Professor, School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Tongmyong University, Busan 48520, Korea

* First Author : slj3142@tu.ac.kr, 051-629-3663

^† Corresponding Author : dwpark@tu.ac.kr, 051-629-1654

Received December 2, 2022 Review December 23, 2023 Accepted February 24, 2023

Abstract

In this study, the dynamic characteristics of an offshore platform being installed and physical phenomena are analyzed from the perspective of interaction between operation and maneuvering simulation using a real-time Maneuvering & Operation simulator of Shipbuilding & Marine Simulation Center at Tongmyong University. It was simulated to install the semi-submersible drilling rig moored by 8 mooring lines according to a scenario that is similar to it on the real sea, and 4 tug boats for position keeping of the rig and an offshore support vessel for hook-up of the mooring lines were operated. During the simulation, the motion, trajectory, tension of the objects were output in real time, and they were analyzed at each work procedure. This study about the simultaneous simulation of operation and maneuvering showed the detailed motion of the offshore platform and ships on the operation procedure and the interaction between operation and maneuvering in specific environment condition. Also, it confirmed that the simulation can be utilized to determine the possibility of offshore platform installation in specific situations.

Key Words : Maneuvering and operation simulation , Real-time simulation , Offshore platform installation , Position keeping , Mooring line hook-up

Real-Time 조종 및 작업 시뮬레이터를 활용한 해양구조물 설치 작업 시뮬레이션

이종현^*, 한소령^**, 박동우^***†

^*동명대학교 조선해양시뮬레이션센터 연구원
^**삼성중공업 선박해양연구센터 프로
^***동명대학교 조선해양공학과 교수

초록

본 연구에서는 동명대학교 조선해양시뮬레이션센터의 Real-time 조종 및 작업 시뮬레이터를 활용한 해양구조물 설치 작업 시뮬 레이션을 통해 대상의 동적 특성 및 물리적 현상을 작업, 조종 사이의 상호 영향과 함께 분석한다. 8개의 계류삭에 의해 계류되는 반잠수 식 시추선의 설치 작업 시뮬레이션이 실제 현장에서의 작업과 유사한 시나리오로 수행되었고, 시추선의 위치 제어를 위한 예인선 4척와 계류삭의 Hook-up 작업을 위한 해양플랜트 지원 선박 1척이 운용되었다. 설치 작업이 수행되는 동안 대상들의 운동과 이동 경로, 계류삭 및 예인줄에 가해지는 장력 등을 실시간으로 확인하였으며, 이를 작업 과정별로 구분하여 분석하였다. 작업과 조종 시뮬레이션이 동시에 수행된 본 연구로부터 특정 환경 외력하에서 설치되는 해양구조물과 이를 위해 운용되는 선박들의 작업 절차에 따른 세부적인 거동 및 작업·조종 간의 상호 영향을 확인하였고, 이는 해상 상태 등을 고려한 해양구조물 설치 작업의 수행 가능 여부를 판단하기 위한 근거로 활용될 수 있음을 제시하였다.

키워드 : 조종 및 작업 시뮬레이션 , 실시간 시뮬레이션 , 해양구조물 설치 , 위치 유지 , 계류삭 연결

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Funding:

1. 서 론

선박 및 해양구조물이 운용되는 해상의 상태는 불규칙성 으로 인해 예측이 쉽지 않고, 그 기복 또한 심하므로 다양한 변수가 발생한다. 그렇기에 해상 상태에 따른 선박 및 해양 구조물의 거동을 예측하는 것은 그들의 성능과도 연관이 깊 지만, 이는 안전과도 직결되어 이를 기반으로 한 안전성 평 가의 척도가 되기도 한다. 다시 말해, 악천후에 의한 환경 외력의 증가로 발발되는 성능의 감소는 경제적 손실을 야기 하게 되며, 대상의 극심한 거동은 작게는 승선감의 감소부 터 크게는 인명 피해로 이어지기도 한다.

이런 이유로 해상 상태에 따른 선박 및 해양구조물의 거 동을 사전에 예측하는 것은 다양한 손실을 방지하고, 운용 시 발생할 수 있는 돌발 상황의 예방책이 된다. 대상의 거동 을 예측하기 위한 방법으로는 모형시험(model test), 수치해석 시뮬레이션 등이 있으며, 정지 상태에서의 운동만을 예측하 거나 선박의 운항, 해양구조물의 설치 등 운용 중의 성능을 예측하고자 하는 시도가 이루어지고 있다. 이중 모형시험에 의한 예측 방법은 선박 예인 수조(towing tank) 또는 해양공 학 수조(ocean engineering basin) 등의 상대적 인프라를 필요 로 하므로, 선박 조종 시뮬레이터나 AHTS(Anchor Handling Tug Supply)와 같은 작업 시뮬레이터 등을 활용한 시뮬레이 션을 수행하여 그 결과로부터 대상의 거동을 예측하는 연구 또한 활발하게 수행되고 있다.

연구에 활용되는 시뮬레이터는 전산기를 활용한 수치해 석을 수행하여 그 결과를 시각적으로 보여주는 시뮬레이터 부터, 선교(bridge)를 재현하여 사용자가 직접 조종 및 작업 을 수행할 수 있는 시뮬레이터까지 다양하다. 선교가 재현 된 국외의 대표적인 시뮬레이터로는 네덜란드 MARIN사의 Full Mission Bridge Simulator와 Compact Manoeuvring Simulator, 노르웨이 KONGSBERG사의 K-SIM Maritime Simulator 등이 있 으며, 국내에는 동명대학교의 조선해양 시뮬레이터, 한국해 양교통안전공단의 선박조종시뮬레이터, 한국해양대학교의 항해시뮬레이터 등이 있다.

이들 중 조종 시뮬레이터를 활용한 연구로는 Kim et al. (2012)이 국내 여러 항만에서의 선회 시뮬레이션을 통해 국 내 항만설계 기준 규정 중 선회장 크기에 대한 적정성을 실 측 및 검토하였다. Park et al.(2013)은 시뮬레이터를 활용해 선박의 다양한 운항 상황을 재현하였고, 이로부터 통항 선 박의 해상교통 항행 안전도에 대한 주관적 위험 평가의 유 효성을 확인하였다. Yoo(2015)는 에너지절감 기술이 적용된 선박에 대해 다양한 환경 조건에서의 운항 시뮬레이션을 수 행하였고, 기술 적용 전후의 결과로부터 에너지절감 효과를 비교 및 분석하였다. Kim and Kim(2016)은 북극해 항로에서 쇄빙선의 최소 안전이격거리 및 최단 정지거리 시뮬레이션 을 수행하였고, 이에 대한 분석을 통해 대상의 적정 호송 속 력 및 간격을 제안하였다. Lee(2017)는 대상 선박과 그보다 크고 작은 선박에 대해 근접 통과 시뮬레이션을 수행하였 고, 이때 각 선박의 운동 특성 분석을 통해 선박 크기에 따 른 간섭력을 확인하였다. Peak and Jung(2018)은 선박 간 경로 교환 시뮬레이션을 수행하여 최초 충돌회피 시점, 충돌회피 방향 등 경로 교환의 정량적 효과와 충돌회피 의사결정에 대한 영향, 안전운항에 대한 긍정적인 영향 등의 정성적 효 과를 검증하였다.

또한 작업 시뮬레이터가 활용된 연구로는 Nam et al.(2012) 이 해상 크레인의 단순 구조물 하강 작업 시뮬레이션을 통 해 부력의 변화에 따른 크레인의 운동과 크레인 와이어의 장력 변화를 비교하였다. Cha et al.(2012)은 조선용 탑재 크 레인의 동역학 시뮬레이터를 사용해 블록 탑재 작업 시뮬레 이션을 수행하였고, 이를 실제 조선소의 작업에 적용 가능 함을 확인하였다. Lee et al.(2013)은 반잠수식 해양구조물의 상부 모듈에 대한 해상 결합 작업 시뮬레이션을 수행하였 고, 다양한 파고 및 파향 조건에 대해 해상 결합 작업 시 동 적 하중과 정적 하중의 비율을 정량적으로 산정하였다. Shin and Ku(2017)는 해상 크레인을 이용한 해양구조물의 선적 작 업 시뮬레이션을 수행하였고, 이로부터 해상 크레인, 운송 선, 해양구조물 간의 상호 작용과 선적 작업 시 발생하는 충 돌을 확인하였다. Lee et al.(2020)은 해양구조물의 Hook-up 설 치 작업 시뮬레이션을 통해 작업 안정성과 연관되는 계류 시스템에 대한 동적 해석을 수행하였고, 그 결과를 분석하 여 예인선의 철수 시점을 제시하였다.

본 연구에서는 동명대학교 조선해양시뮬레이션센터에 구 축된 조선해양 시뮬레이터의 내부 모델을 활용한 해양구조 물 1척의 설치 작업이 재현되었다. 이때 조종 또는 작업 시 뮬레이션 중 한 부문의 시뮬레이션에 초점을 둔 기존 연구 들과 달리, 조종 시뮬레이션이 수행되는 동시에 작업 시뮬 레이션이 수행되어 둘 사이의 상호 영향이 함께 고려되었 다. 설치 대상인 해양구조물은 8개의 계류삭(mooring line)에 의해 계류되는 반잠수식 시추선(semi-submersible drilling rig) 이고, 사전에 배치된 계류삭과 연결되기 전까지 4척의 예인 선(tug boat)에 의해 정위치가 유지되었다. 설치 대상과 계류 삭의 연결에는 1척의 해양플랜트 지원 선박(offshore support vessel)이 사용되었으며, 실제 설치 작업과 유사한 시나리오 를 가정해 AHTS, 계류삭 Hook-up 작업 등이 수행되었다. 작 업 시나리오는 총 15개의 과정으로 구분되었고, 작업이 수행 되는 동안 각 과정에서 대상들의 거동, 작업에 사용되는 도 구들의 물리적 상태 등이 조종 시뮬레이션과의 상호 작용을 고려해 분석되었다.

2. 시뮬레이션

2.1 조선해양 시뮬레이터

동명대학교의 조선해양시뮬레이션센터에 구축된 조선해 양 시뮬레이터는 KONGSBERG사의 Maritime Simulator로 실선 축척비(scale ratio)의 선박 및 해양구조물을 대상으로 한 운 동, 조종과 관련된 실시간 시뮬레이션(real-time simulation)이 가능하며, 대상의 단독 시뮬레이션 또는 다물체 시뮬레이션 (multi-object simulation)이 가능하다. 이와 동시에 AHTS, Crane control 등 선박 및 해양구조물에 탑재되는 기자재의 작업 시 뮬레이션이 가능해 수행 중인 작업이 선박 및 해양구조물의 조종에 미치는 영향을 확인할 수 있고, Fig. 1에 도시된 것처럼 실선의 선수 및 선미부 조타실(wheelhouse)이 재현된 선교가 2개 구축되어 있다. 시뮬레이터 내부 모델로는 KONGS-BERG사 가 실제 선박의 해상 시운전(sea trial) 결과를 기반으로 구축 한 상선, 군함, 해양플랜트 지원 선박, 시추선 등 다양한 선 종과 규모의 선박 및 해양구조물 총 115척을 보유하고 있으 며, 시운전 결과와의 Verification 및 Validation은 내부 모델의 구축 과정에서 KONGSBERG사에 의해 수행되었다. 시뮬레이 션이 수행되는 환경 조건에는 Wind, Wave, Current 등이 포함 되어 있고, 시뮬레이션 동안 환경 외력 및 물체 간의 상호 작용을 고려한 물리적 계산 등이 수행되어 물체에 작용하는 외력, 운동 등을 실시간으로 확인할 수 있다.

2.2 연구 대상

2.2.1 해양구조물

설치 작업 재현을 위해 활용된 해양구조물 내부 모델은 8개의 계류삭에 의해 계류되는 반잠수식 시추선(이하 ‘Rig’) 이고, 밸러스트 상태(ballast condition)의 Rig 주요 제원(main particulars)이 Table 1, 시뮬레이터 내에서의 대상이 Fig. 2에 도시되어 있다.

2.2.2 해양플랜트 지원 선박

사전에 배치된 계류삭과 Rig를 연결하기 위해 1척의 해양 플랜트 지원 선박(이하 ‘OSV’)이 활용되었고, OSV의 주요 제원이 Table 2, 시뮬레이터 내에서의 대상이 Fig. 3에 도시되 어 있다.

2.2.3 예인선

Rig와 8개의 계류삭이 연결되기 전까지 Rig의 위치를 제 어하기 위해 4척의 예인선(이하 ‘Tug’)이 활용되었고, 이들은 OSV와 동일한 내부 모델이다.

2.2.4 계류삭 & 강삭

Rig를 계류시키기 위한 계류삭으로는 Chain이 사용되었고, Rig의 예인에 사용되는 Tug의 강삭(hawser) 및 Hook-up 작업에 사용되는 모든 강삭에는 Steel wire가 사용되었다. 계류삭과 예 인줄(towing line)의 주요 제원이 Table 3에 도시되어 있다.

2.3 시나리오

2.3.1 초기 상태

Rig의 설치를 위한 시뮬레이션 초기 상태와 각 대상에 부 여된 번호가 Fig. 4에 도시되어 있다. Rig는 계류되지 않은 상태로 설치 위치에 선수 방위(heading) 0°로 놓여 있으며, 위 치 제어를 위한 4척의 Tug와 강삭으로 연결되어 있다. 4척의 Tug는 Rig로부터 동일 반경(0.35NM)에 위치해 있고, 이들의 선수 방위는 차례대로 30°, 150°, 210°, 330°이다.

8개의 계류삭은 한쪽 끝이 Rig로부터 동일 반경(1.2NM)의 해저에 닻(anchor)으로 고정되어 있으며, 반대쪽 끝은 부표 (buoy)에 연결된 채 사전 배치되어 있다. 이때 OSV는 첫 계 류삭을 연결하기 위해 Rig의 동쪽에 위치하고 있다.

2.3.2 설치 작업

Rig의 설치 작업은 실제 현장에서의 작업과 유사한 시나 리오로 수행되었다. 4척의 Tug가 Rig의 위치를 제어하는 동 시에 OSV는 8개의 계류삭을 사전에 정해진 순서에 따라 연 결하는 Hook-up 작업을 수행하였고, 모든 작업이 끝나면 Rig 는 각 Leg에 계류삭이 2개씩 연결된 채 계류되었다. 이때 1 개의 계류삭 연결이 완료된 뒤 OSV가 다음 차례의 계류삭 연결을 위해 Rig의 측면으로 이동하는 절차는 생략되었다. 작업 동안 Rig의 정위치를 유지하기 위해 각 Tug의 선수 방 위와 주기관 출력이 제어되었으며, Tug에 의한 Rig의 위치 제어는 8개의 계류삭이 모두 연결될 때까지 지속되었다.

계류삭의 Hook-up 작업 절차가 Table 4에 도시되어 있다. Rig의 각 Leg에 연결되는 2개의 계류삭 중 1개(Line #1, 4, 5, 8)가 먼저 연결되었고, 이후 남은 계류삭들(Line #2, 3, 6, 7)이 연결되었다. 계류삭의 연결 순서는 Line #1을 시작으로 하여 대칭되는 계류삭이 연결되었으며, 초기 4개의 계류삭이 연 결되는 동안 서로 대칭을 이루는 2개의 계류삭이 연결될 시 Winch의 조작을 통해 계류삭의 Pretension을 50%로 조정하였 고, 4개의 계류삭이 모두 연결되면 Pretension을 100%로 조정 하였다. 계류삭의 Pretension 계산 기준이 되는 설계 장력은 Rig가 정수 중에서 계류될 때의 장력으로 정의하였으며, 나 머지 4개의 계류삭에 대한 작업 내용도 동일하다.

시뮬레이터 내에서 수행되는 계류삭의 Hook-up 작업 중 OSV의 AHTS 작업이 Fig. 5에 도시되어 있다. 작업 절차는 다음과 같고, 전 계류삭에 대해 동일한 작업이 수행되었다.

1) Rig 측 Crane으로 Rig 측 닻의 Chaser에 연결된 강삭을 OSV의 갑판으로 이동시킨 뒤(Fig. 5-a), OSV 측 Winch의 강삭과 연결한다.
2) Rig 측 Winch를 풂과 동시에 OSV 측 Winch를 감아 Rig 측 닻을 OSV의 갑판으로 끌어올린다(Fig. 5-b, c).
3) 사전에 배치된 계류삭 부표 근처로 이동한다.
4) 계류삭 끝에 연결된 부표를 갑판으로 끌어올린다(Fig. 5-d).
5) Rig 측 Winch의 Chain과 계류삭을 연결한다(Fig. 5-e).

모든 계류삭의 Hook-up 작업이 종료된 뒤에는 Tug의 예인 또한 중단되었으며, Rig는 8개의 계류삭에 의해서만 계류되 는 상태가 되었다.

2.3.3 환경 조건

Rig가 설치된 해역의 수심은 100m이고, 기온은 20°, 수온 은 15°이다. Wind, Wave, Current 조건이 Table 5에 도시되어 있다.

2.4 유체동역학적 계산

시뮬레이션 동안 대상에 대한 유체동역학적 계산이 수행 되고, 계산식의 매개 변수들이 Table 6에 도시되어 있다.

선박의 6 자유도(degree of freedom) 운동이 고려되는 경우 Longitudinal force X, Lateral force Y , Yaw moment N은 식 (1)-(3)과 같이 계산된다.

\begin{array}{l} X = \frac{1}{2} ρ A_{H} [(U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}) C_{X}^{(F r)} \\ + \frac{ν}{T} \sqrt{U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}} C_{X}^{(R e)}] C_{X} \end{array}

(1)

\begin{array}{l} Y = \frac{1}{2} ρ A_{H} [(U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}) C_{Y}^{(F r)} \\ + \frac{ν}{T} \sqrt{U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}} C_{Y}^{(R e)}] C_{Y} \end{array}

(2)

\begin{array}{l} N = \frac{1}{2} ρ A_{H} L [(U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}) C_{N}^{(F r)} \\ + \frac{ν}{T} \sqrt{U_{1}^{2} + r_{1}^{2} L^{2}} C_{N}^{(R e)}] C_{N} \end{array}

(3)

여기서 C_α는 Force coefficient, $C_{α}^{(F r)}$ 는 Force Froude correction factor, $C_{α}^{(R e)}$ 는 Force Reynolds correction factor로, 식 (4)-(6)과 같이 정의된다(α = X, Y, N ).

C_{α} = C_{α} (Ω_{1}, β_{1}, H / T)

(4)

C_{α}^{(F r)} = C_{α}^{(F r)} (F r, H / T)

(5)

C_{α}^{(R e)} = C_{α}^{(R e)} (R e, H / T)

(6)

여기서 H/T는 Relative depth to draught ratio이다.

Vertical force Z, Roll moment K, Pitch moment M은 식(7)-(9) 와 같이 계산된다.

Z = \frac{1}{2} ρ A_{H} (C_{H Z 1} + C_{H Z 2} | w_{1} |) (1 + F r C_{H Z}^{(F r)}) w_{1}

(7)

K = \frac{1}{2} ρ A_{H} B (C_{H K 1} + C_{H K 2} | p_{1} |) (1 + F r C_{H K}^{(F r)}) p_{1}

(8)

M = \frac{1}{2} ρ A_{H} L (C_{H M 1} + C_{H M 2} | q_{1} |) (1 + F r C_{H M}^{(F r)}) q_{1}

(9)

여기서 $C_{H ξ 1}$ 은 Force(Moment) damping coefficient of first order, $C_{H ξ 2}$ 는 Force(Moment) damping coefficient of second order, $C_{H ξ}^{(F r)}$ 는 Force(Moment) Froude correction factor이다 (ξ = Z, K, M ).

Roll에 의해 야기되는 Yaw moment를 반영하기 위한 Coupling term이 정의되고, 이는 식(10)과 같이 계산된다.

Z^{(ϕ)} = \frac{1}{2} ρ A_{H} B u_{1} | u_{1} | C_{H Z}^{ϕ}

(10)

여기서 $C_{H Z}^{(ϕ)}$ 는 Yaw moment correction factor due to roll로, 식(11)과 같이 정의된다.

C_{H Z}^{(ϕ)} = C_{H Z}^{(ϕ)} (ϕ_{1}, F n)

(11)

3. 결 과

시뮬레이션 중 Tug에 의한 Rig의 위치 제어에는 시뮬레이 터의 자동 조종(autopilot) 기능이 사용되어 Tug의 선수 방위 와 주기관 출력이 조정되었고, OSV의 AHTS 작업을 포함한 계류삭의 Hook-up 작업은 수동 조종으로 수행되었다. 시뮬레 이션이 수행되는 동안 Rig와 Tug의 거동, 계류삭 및 강삭, 예 인줄의 장력, 작업 반경 등을 실시간으로 확인하였으며, 이 들을 Table 4에 도시되어 있는 Hook-up 작업의 각 과정에 대 해 분석하였다.

Rig가 설치되는 동안 각 과정에서 Rig의 6 자유도 운동 중 횡동요(roll), 종동요(pitch), 상하동요(heave)의 평균 및 최대값 이 Table 7에 도시되어 있다. 전반적으로 횡동요의 경우 우 현 방향, 종동요의 경우 선미 방향의 동요가 반대 방향의 동 요에 비해 컸고, 침하된 상태에서 상하동요 하는 경향을 보 였다. 전 과정에서의 최대 횡동요는 Line #7을 연결하는 과 정 12에서 우현 방향으로 0.15°, 최대 종동요는 Line #1을 연 결하는 과정 1에서 선미 방향으로 0.16°, 최대 상하동요는 계 류삭에 의해서만 계류되는 과정 15에서 중력 방향으로 0.25m였다.

Rig 계류삭, OSV 강삭, Tug 예인줄에 가해지는 장력의 시 계열 그래프가 Fig. 6에 도시되어 있다. Rig의 계류삭 중 2개 가 연결될 때마다 설계 장력인 150ton의 50%에 달하는 장력 이 해당 계류삭에 가해졌으며, 4개가 연결될 시 Pretension이 100%가 되도록 조정되었다. Hook-up 작업 중 환경 외력이나 Winch의 과조작 등 외부 요인에 의해 계류삭의 장력이 눈에 띄게 증가하는 경우가 있었으며, 전 과정에서 최대 장력이 가해진 계류삭은 Line #8으로 이때의 작업 과정은 Line #1, 4, 5, 8의 Pretension이 100%로 조정되는 과정 7이다.

각 Tug의 예인줄에 가해지는 장력은 환경 외력에 의한 Rig의 위치 변화에 따라 달라졌으며, 이 외에도 동일한 작용 선(line of action)상에 놓인 계류삭의 장력 변화에도 영향을 받았다. 전 과정에서 최대 장력이 가해진 예인줄은 Tug 2의 예인줄로, 이때의 작업 과정은 최초 Hook-up 계류삭인 Line #1이 연결되는 과정 1이다. 예인줄 또한 마찬가지로 외부 요 인에 의해 장력의 평균값으로부터 큰 편차가 발생하는 시점 을 확인할 수 있었다.

Tug에 의한 Rig의 위치 제어와 OSV에 의한 계류삭의 Hook-up 작업이 동시에 수행됨에 따라 Tug의 예인줄에 가해 지는 장력은 환경 외력과 계류삭의 계류력 외에도 Hook-up 작업의 영향을 받았다. 계류삭의 Hook-up 작업 시 Rig 측 닻 을 OSV의 갑판으로 이동시키는 과정(Fig. 5-b)에서 OSV의 강 삭에 가해지는 장력이 급격히 증가되었으며, Rig와 OSV는 서로를 끌어당겼다. 이때 Rig의 이동 방향과 방향이 반대인 예인력을 발생시키는 Tug의 예인줄 장력 또한 급격히 증가 되었으며, Rig를 원래의 위치로 되돌리기 위해 해당 Tug의 주기관 출력을 높일 필요가 있었다. Hook-up 작업 동안 OSV 의 선수 방위는 90° 또는 270°에 근접하였고, Tug 1과 2는 90° 방향, Tug 3과 4는 270° 방향의 예인력 성분을 갖는다. Fig. 6에서 Line #1의 Hook-up 작업이 수행되는 동안(0-360sec) 약 100sec 즈음 OSV의 강삭에 가해지는 장력이 급격히 증가 되었으며, 바로 직후 이때의 OSV 선수 방위인 90°와 반대 방 향 예인력을 발생시키는 Tug 3의 예인줄 장력이 급격히 증 가되었다. Fig. 6에 도시되어 있듯이 이후 수행된 계류삭의 Hook-up 작업 동안에도 동일한 경향이 발견되었다. 이외에도 초기 4개의 계류삭이 모두 연결되어 이들의 Pretension이 100%로 조정된 약 2000sec 즈음부터는 Tug에 가해지는 장력 의 전반적인 감소가 확인되었다.

시뮬레이션이 수행되는 동안 Rig, OSV, Tug의 이동 경로 (trajectory)가 Fig. 7에 도시되어 있고, X축은 해도(nautical chart)상 동서 방향, Y축은 남북 방향을 의미한다. 설치 작업 동안 Rig는 Tug에 의해 초기 위치로부터 20m 반경 내에서 위치가 제어되었으며, 전체 작업 반경은 약 660m였다.

4. 결 론

본 연구에서는 동명대학교의 조선해양시뮬레이션센터에 구축된 조선해양 시뮬레이터를 활용하여 8개의 계류삭에 의 해 계류되는 반잠수식 시추선 1척의 설치 작업을 실제 현장 에서의 작업과 유사한 시나리오로 시뮬레이션하였고, 대상 들의 동적 특성 및 물리적 현상을 작업, 조종 시뮬레이션 사 이의 상호 영향과 함께 분석하였다. Rig와 계류삭이 연결되 어 있지 않은 초기 상태부터 8개의 계류삭이 모두 연결될 때까지 4척의 예인선에 의해 위치가 제어되었으며, 사전에 배치된 계류삭과 Rig의 Hook-up 작업을 위해 1척의 OSV가 운용되었다. 8개의 계류삭은 정해진 순서에 따라 AHTS 작업 을 통해 연결되었고, 작업이 수행되는 동안 다음의 결과를 분석하였다.

Hook-up 과정 및 시간에 따른 Rig의 횡동요, 종동요, 상 하동요
Hook-up 과정 및 시간에 따른 Rig 계류삭의 장력
Hook-up 과정 및 시간에 따른 OSV 강삭의 장력
Hook-up 과정 및 시간에 따른 Tug 예인줄의 장력
Rig, OSV, Tug의 이동 경로

작업과 조종 시뮬레이션이 동시에 수행된 본 연구를 통해 특정 환경 외력하에서 설치되는 해양구조물과 이를 위해 운 용되는 선박들의 작업 절차에 따른 세부적인 거동 및 작업· 조종 간의 상호 영향을 파악할 수 있었고, 이는 해상 상태 등을 고려한 해양구조물 설치 작업의 수행 가능 여부를 판 단하기 위한 근거로 활용될 수 있음을 시사한다. 또한 해양 구조물의 계류삭과 예인선의 예인줄에 가해지는 평균 및 최 대 장력을 분석하여 설치 작업 및 계류에 적합한 계류삭 및 예인줄의 종류, 물성치 등을 결정하는 데에 활용 가능하며, 시뮬레이션 대상들의 이동 경로로부터 최대 작업 반경을 예 측할 수 있다.

본 연구는 실 프로젝트에서 발생할 수 있는 특정 상황에 대한 판단 근거를 조선해양 시뮬레이터를 활용해 마련하고 자 시운전 결과에 대한 Verification 및 Validation이 완료된 내 부 모델을 사용한 선행 연구로, 후속 연구로는 실 프로젝트 에 사용된 외부 모델을 구축하여 작업 및 조종 시뮬레이션 을 수행하고자 한다. 이때 시운전 결과에 대한 Verification 및 Validation을 통해 외부 모델을 구축하고, 시뮬레이션 결과를 실 프로젝트 결과와 비교할 계획이다.

후 기

이 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 스마 트특성화기반구축 사업 중 실물-가상연계 조선해양 기본설 계 기술지원 사업(P0021213) 과제의 지원을 받아 수행되었습 니다.

Figure

Fig. 1.

Bridge of simulator.

Fig. 2.

Rig model in simulator.

Fig. 3.

OSV model in simulator.

Fig. 4.

Initial state on nautical chart.

Fig. 5.

Anchor handling tug supply.

Fig. 6.

Line tension of mooring, hawser and towing lines.

Fig. 7.

Trajectory of Rig, OSV and Tugs.

Table

Table 1.

Main particulars of Rig model

Table 2.

Main particulars of OSV model

Table 3.

Main particulars of mooring and towing line

Table 4.

Procedure of mooring line hook-up

Table 5.

Environment conditions

Table 6.

Parameters of hydrodynamic computation

Table 7.

Motion of Rig

Reference

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