1. 서 론

최근 해상풍력발전기 용량의 증가로 부유식 하부구조의 적용이 가속화되고 있는 한편, 지구온난화의 영향으로 해마다 태풍의 파괴력이 높아지고 있으며 이에 따른 해양 설치 구조물의 파손 위험도가 높아지고 있다. 태풍과 같은 극한의 해양환경하중으로 인한 부유식 해상풍력발전기의 심각한 손상 및 급격한 시스템 붕괴를 방지하기 위한 대책이 필요하다. 이와 관련하여 피항이 가능할 뿐만 아니라 해상 설치 및 유지보수 작업에 소요되는 비용을 저감할 수 있는 새로운 형식의 탈착형 계류시스템 개발이 요구되고 있다. 탈착 계류용 반잠수식 계류 풀리(Submersible mooring pulley, SMP)는 기존 부유식 탈착형 계류 장치에 비해 좀 더 안전하게 하부구조의 탈부착이 용이하면서 빠른 시간 내에 부유식 해상풍력발전기의 설치 및 해체가 가능하도록 고안된 계류 부가장치이다. SMP와 같이 새롭게 고안되는 부유식 해상풍력발전기 계류용 부가장치는 가혹한 해양환경에서 안전하게 사용될 수 있도록 초기 설계단계부터 면밀한 구조 안전성의 검토가 필요하다.

해상풍력발전기나 해양플랜트에 설치되는 부가장치의 구조 안전성 평가와 관련된 연구들이 일부 수행되어 오고 있다. Song et al.(2010)은 부유식 생산저장하역 설비용 시추장치용 라이져 보강구조에 대해 전역하중 및 국부하중 조건들을 고려하여 구조해석을 수행하고, 위상최적화 기법을 이용 하여 최적 형상 설계를 수행하였다. 구현된 최적 형상에 대해서 검증 구조해석이 수행되었고, 최적 형상의 강도성능과 중량 변화는 초기 설계안과 비교하여 검토하였다. 구조해석 기반의 최적 형상이 합리적인 절차를 통해 제시되었으나, 시험검증은 수행되지 않았다.

Lee et al.(2011)은 드릴쉽이나 부유식 생산저장하역 설비용 시추장치에 설치되는 라이져의 손상을 예방하기 위해 인장력 응용 엔엘 텐셔너를 개발하였다. 텐셔너 부품 중 Cylinder emergency sealing device, Piston rod cleaning device, 그리고 Leak oil drain device의 특허 기술개발을 통해 국산화 설계를 수행하였다. 국산화를 위한 개념적 기술개발이 성공적으로 수행되었으나, 수치해석적 방법이나 시험적 방법을 통한 상세설계 기술의 검증은 수행되지 않았다.

Song et al.(2013)은 원유운반선의 원유 선적과 하역 작업에 사용되는 해양 로딩암 설계와 관련하여 국제규정 설계하중 조건을 적용하고 유한요소해석을 기반으로 구조설계 안전성을 평가하였다. 100,000 DWT급 원유운반선의 원유 선적과 하역 작업용 해양 로딩암의 설계 검증을 위해 국제규정에서 요구되는 보관, 운전, 연결, 비상분리, 유지보수, 정수압 시험 모드별 설계하중조건을 분석하였고, 구조해석을 위한 하중 조건으로 적용하여 구조해석을 통한 설계안전성을 검증하였다. 구조해석 기반의 성능검증이 국제규정에 따라 수행되었나, 시험검증은 수행되지 않았다.

Lee et al.(2021)은 해양플랜트 설치공법을 위해 고안된 수동형 갑판지지 프레임 장치의 초기 설계 구조 안전성을 검토하기 위해 유한요소법을 이용하여 구조해석을 수행하고, 구조설계에 가장 효율적으로 적용할 수 있는 근사최적설계 방안을 탐색하였다. 근사최적화는 반응표면법, 체비쇼프직 교다항식, 그리고 크리깅모델의 대리모델을 적용하여 최적 설계 결과를 탐색하였고, 대리모델 특성에 따른 최적화 결과의 비교를 통해 최적설계 특성과 수치계산 비용을 고려하여 수동형 갑판지지 프레임의 구조설계에 가장 적합한 근사 최적화 방법을 고찰하였다. 유한요소해석 기반의 근사최적화 기법을 통해 합리적인 중량감소 설계안이 제시되었으나, 시험검증은 수행되지 않았다.

Song et al.(2021)은 계류상태의 부유식 해상태양광 발전시설의 유체동역학해석을 통해 동적하중조건을 산출하고 이를 이용하여 태양광 패널 지지구조의 구조해석을 수행하였다. 바람, 파도, 조류 등 주요 해양환경하중이 작용할 때 부유식 해상태양광 모듈 및 연결체의 운동특성, 주요 구조부재의 내력, 응력수준 및 피로성능의 평가를 위해 수치해석적 분석방법을 제시하였다. 수치해석 기반의 부유식 해상태 양광 발전설비 지지구조의 성능평가가 합리적인 절차를 통해 제시되었으나, 시험검증은 수행되지 않았다.

본 연구에서는 8메가와트급 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템에 적용이 가능하도록 고안된 SMP에 대해 초 기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하기 위해 3차원 프린터를 이용하여 축소 구조모형을 제작하고 구조시험과 구조해석을 수행하여 강도성능을 평가하였다. 축소 구조모형을 통한 강도성능 평가 연구를 수행한 이유는 SMP의 실제 길이가 4미터 이상의 강재 구조물이기 때문에 초기설계 단계에서 실제 크기의 구조체 시험검증은 실측모형 제작과 시험평가장비 준비에 대한 시간과 비용 측면에서 수행되기 어렵기 때문이다. SMP의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene) 재료의 인장시편을 제작 하고, 인장시험을 통해 재료특성치를 산출하였다. SMP의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한 요소해석 모델을 생성하고, 인장시험으로부터 산출된 재료 특성치를 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 하중 및 경계 조건은 축소모형 구조시험과 동일한 조건을 적용하였다. 축소모형 구조시험은 SMP의 실제 작동 상태를 고려한 하중상태를 구현하여 수행하였고, 구조시험 결과는 구조해석 결과와 비교하여 시험조건 및 결과의 타당성을 검토하였다. 본 연구를 통해 부유식 해상풍력발전기용 SMP의 구조 안전성을 초기 설계단계에서 시험적으로 검증할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, SMP의 강도성능 평가 결과는 상세설계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다. 본 논문은 2장에서 부유식 해상풍 력발전기용 SMP의 설계특성에 대해 기술하였으며, 3장에서 ABS 재료의 인장시험과 유한요소해석 기반 강도성능 평가 결과를 정리하였고, 4장에서 축소모형 구조시험을 통한 SMP의 강도성능 평가결과에 관한 내용을 정리하였다. 마지 막으로 결론 내용을 요약하였다.

2. 부유식 해상풍력발전기용 SMP의 설계 특성

부유식 해상풍력발전 플랫폼의 전역 거동에 직접적인 영향을 미치는 위치 유지 시스템인 계류 시스템은 전체 풍력 발전시스템의 운동 안정성과 위치 유지 및 안정적인 발전 성능 확보를 위한 필수 핵심 구성품이다. 최근 해상풍력발 전기의 설계 한계 유속을 넘어서는 태풍들이 발생하였고, 향후 기후 변화로 더 큰 태풍도 예상되기 때문에 해상풍력 발전기의 피항 또는 중대 손상 사고로 인한 대규모 유지보수를 위한 계류 시스템의 탈부착 장치에 대한 고려가 절대적으로 필요하다. 본 연구에서 고려한 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템 탈부착장치인 SMP는 Fig. 1에 나타나 있는 수면 기준 상하부가 분리되도록 고안된 계류 시스템에서 설치과정에는 부이(Bouy)와 계류 체인 사이에 설치되고, 해체과정에는 하부구조물의 페어리드 체인 스토퍼에 연결되 도록 설계되었다. 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템 손상은 일반적으로 하부구조물 연결부에서 발생하기 때문 에 분리 형식의 계류 시스템을 적용하게 되면 유지보수 과 정에서 전체 계류 시스템의 교체가 필요하지 않게 된다. 따라서 해상풍력 전용 설치선박을 사용하지 않고 AHTS(Anchor Handling Tug Supply)와 같은 일반적인 해양지원선박을 사용하여 피항 수리를 수행할 수 있기 때문에 유지보수 기간의 단축은 3일, 그리고 비용 절감의 효과는 $400,000/일 이상 일반적인 계류 시스템 대비 높게 나타나게 된다.

Fig. 1에 나타난 것처럼 SMP는 설치가 완료된 후 운용상태에서 계류 체인과 연결되어 부유식 해상풍력발전기의 운용 중에 발생되는 계류 시스템의 하중으로 인한 하부구조물의 파손을 최소화할 수 있도록 고안된다. 본 연구의 고려 대상 SMP의 설계형상과 주요 치수는 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에 나타나 있는 것처럼 SMP는 해수면 아래의 계류체인과 연결되어 2,250 Ton의 최대인장력 작용조건에서 구조적 안전성이 보장되도록 설계되었다. SMP는 Wheel, Body, Chain stopper, Shackle, 그리고 Connector의 5개 주요 부품으로 구성 되어 있다. Wheel은 설치 혹은 해체 중 계류체인의 움직임을 가이드하는 부품이다. Body는 SMP의 구성품을 고정해 주는 구조 부품이다. Chain stopper는 운용, 설치 혹은 해체 중 발생 하는 체인 하중을 지지하는 부품이다. Shackle은 계류 Chain 을 SMP에 연결하기 위한 부품이다. Connector는 Chain stopper 의 작동을 제어하는 부품이다. SMP의 주요 부품들은 회전작동이 가능하도록 Pin으로 연결되었다.

3. 유한요소해석 기반 강도성능 평가

SMP의 실제 형상에 대한 축소 구조모형 시험을 수행하기에 앞서 구조 취약부를 수치적으로 검토하고 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일 조건으로 유한요소해석 기반의 강도성능 평가가 필요하였다. 유한요소해석 결과의 정확도를 향상시키기 위해 재료 특성 치는 축소 구조모형 제작에 사용된 3차원 프린터를 동일하게 이용하여 재료 시편을 제작하고 인장시험을 수행하여 산출하였다. 또한 유한요소해석의 하중 및 경계조건은 구조모형 시험과 동일하게 설정하였고, 응력결과를 산출하여 구조 모형 시험을 위한 구조 취약부 산정 부위를 검토하였다.

본 연구에서는 SMP의 축소 구조모형을 3차원 프린팅으로 제작하였기 때문에 유한요소해석의 물성치는 3차원 프린터 출력물의 소재인 ABS의 재료특성치를 인장시험으로부터 산출하였다. ABS 재료의 기계적 성질은 3차원 프린터의 작동 조건에 영향을 받을 수 있기 때문에 축소 구조모형 제작에 사용된 동일한 3차원 프린터를 이용하여 ABS 재질의 인장시험 시편을 제작하고 재료 특성치를 산출하였다. ABS 재질은 적층면의 방향적 특성에 영향을 받는 직교이방성(Orthotropic) 성질을 갖기 때문에 적층방향에 따른 시편 제작과 인장시험이 필요하다(Vega et al., 2011;Park et al., 2015;Yoon, 2018). SMP와 같은 3차원 구조의 형상을 고려할 경우, 직교이방성 재질의 인장시편은 시편의 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 제작되어야 한다. 따라서 ABS 재질의 인장시험 시편은 Fig. 3과 같이 길이, 폭 및 높이 방향 기준으로 각각 출력하여 제작하였다.

인장시험 시편 제작을 위해 사용한 3차원 프린터는 FFF (Fused filament fabrication) 출력방식이며, 노즐과 필라멘트의 직경은 0.4 mm와 1.75 mm이고, 노즐 온도와 베드 온도는 250℃ 와 115℃로 각각 설정하여 인장시험 시편을 제작하였다. 시 편은 ASTM D638 표준시험법(ASTM, 2022)에 따라 제작하였으며, 시편의 설계 및 제작 형상은 Fig. 4와 같다.

ABS 재질의 시편은 길이, 폭 및 높이 방향에서 각각 제작 하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 사용된 계측장비는 MTS사의 250 kN급 Universal test machine(UTM)이며, 시험 상태는 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5에 나타나 있는 것처럼 시험편의 연신율은 접촉식 Extensometer를 이용하였고, 인장시험의 변형률 속도는 5 mm/min 으로 설정하였다. 인장시험의 주요 결과인 최대인장응력, 연신율 및 탄성계수는 Table 1에 정리하였고, 응력-변형률 선도 는 Fig. 6에 나타내었다.

Table 1과 Fig. 6에 나타난 것처럼 높이 방향 적층(TSH) 조 건이 길이 방향 적층(TSL) 조건과 폭 방향 적층(TSW) 조건보다 인장강도가 5 % 및 9 % 정도 높다. 이러한 특성은 기존의 연구결과(Vega et al., 2011;Yoon, 2018)와도 일치하기 때문에 인장시험의 결과는 타당한 것으로 판단하였다. 인장시험의 결과로부터 ABS 재질의 기계적 특성은 이방성인 것을 알 수 있다. 따라서 인장시험으로부터 산출된 ABS 재료 특성치를 유한요소해석에 적용하기 위해서 직교이방 재료상수를 산정 해야 한다. 직교이방 재료상수를 결정하기 위한 직교이방성 재료모델은 다음의 식으로 정의될 수 있다(Eslami et al., 2021).

Where,

Table 1과 식 (2)로부터 산정된 Poisson 비와 전단계수의 직교이방 재료상수는 Table 2에 정리하였다.

SMP의 구조 취약부를 수치적으로 검토하고, 또한 축소모형의 구조시험을 통해 구조 취약부를 검증하기 위해 축소 구조모형과 동일한 형태로 유한요소해석 모델을 생성하였다. 축소 구조모형의 크기는 UTM 상에 장착 가능한 상태를 고려하여 1/12로 설정하였다. SMP의 유한요소해석 모델은 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7에 나타낸 것처럼 SMP의 유한요소해석 모델은 1,320,711개의 요소와 312,027개의 절점으로 구성되었고, 각각의 부재는 4절점 사면체 요소로 모델링하였으며, 부재의 연결부는 Rigid link로 모델링하였다. 유한요소모델링의 상세 상태는 전체 모델의 일부를 확대하여 Fig. 7의 Detail view에 나타내었다. 유한요소해석 모델에 적용된 재료 물성치는 인장시험으로부터 산출된 직교이방성 재료 특성치를 적용하였다. 유한요소해석에 적용된 하중조건은 SMP의 실제 작동 상태를 고려하여 계류체인이 Wheel에 연결되어 인장하중을 받게 되는 작동조건(Operation condition)과 계류체인이 Chain stopper에 고박되는 계류조건(Anchoring condition)을 각각 적용하였다. 축소모형 구조시험은 변위제어를 통해 인장하중 상 태를 구현하기 때문에 구조해석 모델에서도 동일하게 강제 변위를 하중조건으로 적용하였다. 강제변위량은 Wheel과 Chain stopper 상에 인장 방향으로 5.0 mm를 선형적으로 증분하여 적용할 수 있도록 하중제어곡선을 사용하였다. 경계조건은 축소모형 구조시험에서 Body의 상면과 하면을 고정했기 때문에 구조해석 모델에서도 동일하게 해당 부분 절점의 자유도를 완전 구속조건으로 설정하였다. SMP 축소모형의 구조해석은 범용 유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS/Implicit (Simulia, 2022)를 사용하여 수행하였다. 작동조건과 계류조건의 구조해석 결과는 von-Mises 응력을 이용하여 Fig. 8에 나 타내었다.

Fig. 8에 나타난 것처럼 하중으로 적용된 최대 강제변위 상태에서 작동조건과 계류조건 모두 재료의 최대인장응력 상태인 13.89 MPa에 도달하는 것으로 나타났다. 이와 같이 재료의 최대인장응력 상태까지 하중이 적용되면 각각의 하중조건 별로 구조 취약부를 명확하게 판단할 수 있다. 작동 조건에서는 Body와 Wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 나타났고, 계류조건에서는 Body와 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으로 나타났다.

4. 축소모형 구조시험 기반 강도성능 평가

유한요소해석을 통해 파악된 SMP의 구조 취약부를 검증 하기 위해 축소모형의 구조시험을 수행하였다. 축소모형은 ABS 재질의 인장시험 시편 제작을 위해 사용된 3차원 프린터를 동일하게 이용하여 제작하였다. 또한 3차원 프린터의 노즐 온도와 베드 온도도 인장시험 시편 제작 조건과 동일 하게 설정하였다. 3차원 프린팅으로 제작된 SMP의 축소모형의 형상은 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9와 같이 제작된 SMP의 축소모형을 UTM에 고정하기 위해 Body의 상면과 하면에 별도의 지그를 설치하였다. SMP의 축소모형의 구조시험상태는 작동조건과 계류조건 별로 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10에 나타난 것처럼 작동조건과 계류조건에 대한 하중조건은 실제 SMP의 운용조건과 동일하게 모사하기 위해 Wheel과 Chain stopper에 와이어를 연결하여 로드셀에 고정하여 구현하였다. 시험장비는 MTS사의 250 kN급 UTM이며, Body의 상면 방향으로 변형률 속도를 5 mm/min으로 설정하 여 구조 파단이 발생할 때까지 시험을 수행하였다. 시험이 종료된 후에 SMP 축소모형의 파단부의 형상과 하중-변위 이력 선도의 결과는 Figs. 11과 12에 각각 나타내었다.

Fig. 11에 나타난 것처럼 작동조건에서는 Body와 Wheel의 연결부 구조에서 파손이 발생하였고, Body 상단부의 구속조건 부위에서 파손이 발생되는 것으로 나타났다. 계류조건에서는 Body와 Chain stopper의 연결부 구조에서 파손이 발생하는 것으로 나타났다. 축소모형 구조시험에서 나타난 SMP의 구조 취약부는 구조해석의 결과와 일치하였다.

Fig. 12에 나타난 것처럼 작동조건에서 최대하중과 최대변위는 4.87 kN과 30.14 mm로 측정되었으며, 계류조건에서 최대하중과 최대변위는 3.84 kN과 72.52 mm로 측정되었다. 계류조건 최대하중은 작동조건 대비 21 % 감소된 반면, 최대변위는 141 % 증가한 것으로 나타났다. Fig. 12의 하중-변위 이력 선도에도 나타났듯이 변형에너지의 흡수 측면에서 계류 조건 상태가 작동조건보다 유리한 것으로 나타났다. 고정부 인 Body의 상면으로부터 하중이 적용되는 위치가 계류조건에서 더 길고, 하중전달 경로 상에 연결 부재의 구성도 다르기 때문에 변형에너지 특성이 다르게 나타나는 것으로 판단 할 수 있다. 이와 같은 SMP의 구조강도 특성에 대한 검토 결과는 구조설계 개선이나 최적화와 연계되어 활용될 수 있는 중요한 구조성능 평가 정보이다. 축소모형 구조시험은 SMP의 실제 작동 상태를 고려한 하중조건으로 수행되었기 때문에, 시험방법과 결과는 SMP의 상세설계 단계에서 구조 성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 뿐만 아니라 SMP의 실증시험에도 적용될 수 있다.

5. 결 론

본 논문은 8메가와트급 부유식 해상풍력발전기의 계류 시스템에 적용될 수 있도록 개발된 SMP에 대해 초기 설계 단계에서의 구조 안전성을 검토하기 위해 3차원 프린터로 제작된 축소 모형의 구조시험과 구조해석을 수행하여 강도성 능을 평가하였으며, 다음과 같은 연구결과를 도출하였다.

본 연구를 통해 8메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 SMP의 구조 안전성을 초기 설계단계에서 시험적으로 검증 할 수 있는 방법을 제시할 수 있었으며, SMP의 강도성능 평가 결과는 상세설계 단계에서 구조성능을 향상시키기 위해 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단되었다. 특히 본 연구 결과로부터 Wheel과 Chain stopper가 연결되는 Body 구조부는 SMP의 상세설계 단계에서 보강되는 형태로 설계개선이 수 행될 예정이다. 저자는 추후 연구에서 상세설계를 통해 개선된 SMP의 구조성능평가를 위해 구조해석과 금속모형 제작을 통한 구조모형 검증시험을 수행할 예정이다.