최근 에너지 수요에 대한 증가로 해양플랜트 시장이 급성장함에 따라 해상에서 작업을 수행하는 해양구조물의 운동성능 및 작업성능을 확보하는 것은 매우 중요하다. FPSO (Floating production storage and off-loading)와 같이 설치 해역에서 작업을 수행하는 해양구조물의 경우에는 작업 성능을 확보하기 위한 위치유지가 중요한 부분을 차지한다. 위치를 유지하기 위해서는 계류시스템을 필요로 하며, 계류시스템은 대표적으로 다점 계류(Spread mooring), 일점 계류(Single point mooring) 방식이 있다. 북해에 투입되는 FPSO의 경우, 환경 특성에 의해 일점 계류방식인 터렛(Turret) 계류시스템을 주로 사용한다. 터렛 계류시스템은 환경 외력에 따라 선수각이 자유롭게 회전하여(Weathervaning) 부유체에 작용하는 하중을 감소시킬 수 있지만 특정 파도 주기에서 과대한 선수각을 가지거나 주기적인 선수동요(Fishtailing)가 나타날 수 있다. 과대선수동요는 해양구조물의 운동성능을 저해하고 작업성능을 떨어뜨리는 원인이므로 터렛 계류시스템에 대한 특성을 파악하기 위해 실험적, 수치적으로 많은 연구가 이루어지고 있다. Bernitsas and Papoulias(1986)는 장주기의 표류력 또는 조류에서 발생할 수 있는 선수동요와 안정성에 대한 연구를 수행하였고, Lee and Choi(2005)는 직렬배치에서 선수동요 안정성에 대한 연구를 하였다. Liu et al.(1999)는 파주기에 따라 발생하는 과대 선수동요를 부유체에 작용하는 표류력과 모멘트의 평형으로 설명하였다. Kannah and Natarajan(2006)는 터렛의 위치에 따른 규칙파에서 FPSO 거동 특성을 실험을 통해 살펴보았고, Yadav et al.(2007)는 터렛 위치와 파도 주기에 따른 과대 선수동요에 대한 수치해석을 수행하여 과대 선수동요 발생 주기를 확인하였다. 그리고 터렛을 중심으로 FPSO가 회전하여 해상 환경의 방향이 변하거나 황천에서 FPSO의 작업성과 안정성에 대한 실험적 연구(Cho et al., 2013)가 있다.

본 연구에서는 설계 유의파고 15m 해역을 대상으로 초기 설계된 100만 배럴급 FPSO에 대하여 바람, 조류, 파랑 중 운동 실험을 통해 터렛 위치에 따른 선수동요 특성을 분석하고 계류 특성을 파악해보았다. 터렛 위치는 AP로부터 L_BP의 75%와 85%인 두 위치를 고려하였으며, 실험 결과로부터 선수동요 시계열을 분석하고 과대선수동요가 발생하는 현상을 분석하여 터렛의 위치가 선수동요에 미치는 영향을 살펴보았다. 수치해석은 터렛이 모형실험과 같은 위치에 위치하는 경우에 대한 수치해석을 수행하여 실험과 비교 분석하였고, 다른 위치에 위치하는 경우에 대한 수치해석을 수행하여 터렛 위치가 선수동요에 미치는 영향을 수치적으로 알아보았다.

모형실험에 사용한 구조물은 축척비 60의 100만 배럴급 FPSO이며, 제작된 FPSO 모형과 주요 제원을 Fig. 1과 Table 1에 나타내었다. 대상 FPSO의 운용수심은 400m로 계류시스템은 터렛 계류시스템과 현수선 계류시스템(Catenary mooring system)을 사용하였다. 계류선은 체인-와이어-체인의 복합 계류선이며 Fig. 2와 같이 선수, 좌현, 우현으로 향하는 3개의 그룹으로 구성되고, 선수를 기준으로 120deg 간격으로 배치하였다. 한 그룹은 4개의 계류선으로 이루어지며, 계류선 제원은 Table 2와 같다. 하지만 축척비를 고려한 해양공학수조의 수심은 192m로 수심에 대한 기하학적인 상사를 할 수 없다. 이러한 이유로 본 모형실험에서는 절단계류 기법을 사용하였다. 절단 계류선은 체인-스프링-체인으로 Fig. 3과 같이 설계하였고, 제작된 계류선은 Chain 1번과 Chain 2번의 초기 구성을 같게 맞추었다. Table 2를 보면 Top chain의 계류선과 wire 부분을 모사한 부분이 절단 계류선의 Chain1~Chain 2번까지이며, 초기에는 하나의 Chain으로 Chain 1, 2번을 구성하였으나 모형실험 수행 시 Restoring matching이 맞지 않는 상황이 발생하여 Chain을 1번과 2번으로 나누어 구성하고 그 사이에 Spring을 연결하여 Restoring을 맞춰주었다. 그리고 모형실험에서는 Chain의 강성을 맞춰주기 때문에 Chain 3번에 가벼운 Chain을 사용하여 강성을 상사하였다. 계류선 1번에서 4번은 Surge 방향 복원력 특성을 맞춰주기 위하여 Anchor point에 Spring을 추가하여 제작하였다(Cho et al., 2014). 절단 계류선의 주요제원은 Table 3에 나타내었고, 초기 장력은 2692.5kN이다. Fig. 4에는 설계 및 제작된 절단계류선의 복원력 특성을 확인하기 위하여 운용수심에서 FPSO에 대한 수치해석 결과와 실험에 사용한 터렛 계류된 모형의 복원력을 Static pull-out test를 통하여 비교해보았다. 복원력은 offset의 변화가 증가할수록 약간의 차이를 보이지만 정성적으로 일치하는 것을 확인하였다. Offset 변화가 증가할수록 차이가 나는 이유는 원계류시스템과 비교하여 절단계류시스템의 Fairlead 위치에서 계류선의 상대각도 차이가 발생하기 때문이라고 판단된다. 다음으로 전후방향 자유감쇠 실험을 수행하였다. Fig. 5에 전후동요 방향의 자유감쇠 시계열을 나타내었으며, 결과를 수치해석 결과와 비교하였다. 시계열은 정성적으로 일치하는 경향을 보이지만 절단계류시스템을 사용한 모형시험의 고유주기가 조금 긴 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이는 계류시스템의 차이로 판단되며, 고유주기는 처음 세 개의 운동주기로부터 계산하였다. 수치계산을 통해 얻은 원계류시스템의 고유주기는 145.33sec, 실험을 통해 얻은 절단계류 시스템은 148.72sec로 2.27%의 오차를 가진다.

[Fig. 1] Photo of FPSO model

[Table 1] Main particulars of FPSO

Main particulars of FPSO

[Fig. 2] Layout of mooring lines

[Table 2] Properties of mooring line

Properties of mooring line

[Fig. 3] Mooring System

[Table 3] Properties of truncated mooring line

Properties of truncated mooring line

[Fig. 4] Restoring force Curves

[Fig. 5] Freedecay test of surge

본 연구에서는 터렛 위치에 따른 FPSO의 거동과 계류라인의 특성을 연구하기 위하여, AP에서 L_BP의 75%인 200.6m와 85%인 227.35m에 두 위치에서 모형실험을 수행하였다. 터렛은 Weathervaning 특성만을 고려하여 실린더(회전부)와 케이슨만을 모형으로 제작하였다. 제작된 터렛 모형은 Fig. 6에 주요 제원은 Table 4에 나타내었다.

[Fig. 6] Bottom of Turret, model

[Table 4] Turret dimension

Turret dimension

환경 조건은 100년 주기 설계파 조건과 파도, 바람, 조류가 함께 있는 복합 환경조건으로 Table 5와 같다. 환경 외력의 방향은 Fig. 7과 같이 환경 외력의 방향이 모두 선수 방향인 Collinear 조건과 환경 외력의 방향이 모두 다른 Non-Collinear 조건으로 구분된다. 100년 주기 설계파는 JONSWAP 스펙트럼 (γ=3.3)을 사용하였다.

[Table 5] Environmental conditions

Environmental conditions

[Fig. 7] Direction of wave, wind and current (Grey: wave, Red: Wind, Green: current)

복합 환경 실험에 앞서 조류와 바람이 터렛 위치에 따른 FPSO의 거동과 계류시스템에 미치는 영향을 알아보기 위하여 조류, 바람 중 모형실험을 수행하였다. Fig. 8과 9에는 바람의 입사각이 선수방향(α=180deg)과 선미사파방향(α=300deg)인 경우에 대한 실험 결과로 터렛 위치 변화에 따른 선수동요 시계열을 나타내었다. 두 실험 모두 터렛 위치가 85%일 때, 선수동요가 감소하는 결과를 보였다. 특히 바람의 입사각이 선수 방향일 때, 선수동요의 평균값이 터렛 위치 75%에서 18.9deg, 85%에서는 7.9deg로 약 57.3% 감소하는 것을 확인하였다. Fig. 10에는 조류 중 터렛 위치에 따른 모형실험 결과를 비교하여 나타내었다. 선수동요의 평균값은 터렛 위치가 75%에서 24.4deg, 85%에서는 2.6deg로 약 89% 감소하는 결과를 보였다. 바람과 조류 중 실험결과로부터 터렛의 위치가 선수방향으로 이동할 때, 선수동요가 크게 감소하는 것을 확인하였다.

[Fig. 8] Comparison of time series of yaw for turret position 75% and 85% (wind: 180 deg.)

[Fig. 9] Comparison of time series of yaw for turret position 75% and 85% (wind: 300 deg.)

[Fig. 10] Comparison of time series of yaw for turret position 75% and 85% (current: 180 deg.)

터렛 계류된 FPSO의 파랑 중 모형실험은 선수방향과 선수사파방향에 대하여 수행되었다. FPSO의 운동은 터렛 중심에서 계측 되었으며, Fig. 11에는 터렛 위치 변화에 따른 전후동요, 좌우동요, 선수동요 모형실험결과를 시계열로 비교하여 나타내었다. Fig. 11의 왼쪽 시계열은 파향이 선수방향일 때 실험결과로 전후동요와 좌우동요는 터렛 위치 변화에 따른 영향이 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 반면 선수동요는 터렛위치가 85%인 경우, 선수동요의 평균값이 12.17deg로 75%에 위치할 때 보다 5.5deg 감소하는 결과를 얻었다. Fig. 12는 통계해석 결과를 나타내었으며, 평균값, RMS (Root mean square)값, 유의값, 최댓값에 대하여 정리하였다. 왼쪽 통계해석 결과는 선수파에 대한 결과로 전후동요는 터렛 위치에 따른 통계해석 결과가 큰 차이는 없었다. 좌우동요와 선수동요는 터렛 위치가 선수방향으로 이동함에 따라 통계해석 결과가 감소하였다. Fig. 11의 오른쪽 시계열은 파향이 선수사파방향일 때, 실험결과로 전후동요와 좌우동요는 파향이 선수방향일 때와 마찬가지로 터렛위치에 따른 영향이 크지 않은 것을 확인하였다. 선수동요는 파도의 방향인 210deg를 기준으로 터렛 위치가 85%일 때 선수동요의 평균값이 6.6deg로 터렛이 75%에 위치할 때 보다 7.97deg 감소하는 결과를 보였다. Fig. 12의 오른쪽 통계해석 결과는 선수사파에 대한 결과로 선수파와 마찬가지로 터렛 위치가 선수로 이동함에 따라 선수동요가 감소하는 것을 확인하였다.

[Fig. 11] Comparison of time series of motion between turret position 75% and 85% (left: Wave Dir. 180 deg, right: Wave Dir. 210 deg)

[Fig. 12] Statistical results of motion between turret position 75% and 85% (left: Wave Dir. 180 deg, right: Wave Dir. 210 deg)

복합 환경에서 모형실험은 환경 외력의 방향이 모두 같은 Collinear 조건과 바람, 조류, 파도의 방향이 모두 다른 Non-collinear 조건에서 수행되었다. 우선 Collinear 조건에서 실험결과는 Fig. 13의 왼쪽에 전후동요, 좌우동요, 선수동요에 대하여 시계열로 나타내었다. 시계열로부터 전후동요는 터렛 위치에 따른 영향이 크지 않았지만 좌우동요와 선수동요는 터렛 위치가 선수방향으로 이동함에 따라 크게 감소하는 결과를 확인할 수 있다. 특히 선수동요는 터렛 위치 75%에서 평균값은 15.45deg이고 85%에서 평균값은 4.6deg로 약 70% 감소하는 결과를 보였다. 앞선 바람, 조류, 파도 조건에서 결과로부터 복합 환경에서 터렛 위치에 따른 선수동요의 감소는 파도에 의한 감소보다는 바람 및 조류가 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. Fig. 14에는 두 실험 결과에 대한 통계해석 결과를 나타낸다. 왼쪽 통계해석 결과는 Collinear 조건에서 실험결과를 나타내며, 터렛 위치가 85%일 때, 전후동요, 좌우동요, 선수동요의 운동이 감소하여 통계치가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 좌우동요와 선수동요의 경우에는 조류와 바람의 영향으로 통계치가 대폭 감소하였다. Fig. 13의 오른쪽에는 Non-collinear 조건에서의 전후동요, 좌우동요, 선수동요에 대한 시계열을 비교하여 나타내었다. 환경외력의 방향이 모두 다른 경우에는 전후동요, 좌우동요, 선수동요 차이가 발생하지 않는다. 이는 터렛 계류시스템은 환경외력에 따라 환경외력이 작은 방향으로 선수가 회전하여 부유체에 작용하는 하중을 줄여주는 특성에 따라 선수가 회전하게 되는데 가장 큰 영향을 미치는 조류와 바람의 방향이 서로 다르기 때문에 선수동요에 대한 차이가 발생하지 않았다고 판단된다. 이 결과는 Fig. 14의 오른쪽 Non-collinear 조건에서 통계해석 결과에서도 확인할 수 있다.

[Fig. 13] Comparison of time series of motion between turret position 75% and 85% (left: Collinear, right: Non-Collinear)

[Fig. 14] Statistical results of motion between turret position 75% and 85% (left: Collinear, right: Non-Collinear)

터렛 위치에 따른 계류시스템의 특성을 파악하기 위하여 Fig. 15와 16에는 터렛 위치 75%와 85%에서의 계류선 장력 시계열을 나타내었다. 계류선의 장력은 Fairlead Point에서 계측을 하였고, 시계열은 100년 주기 설계파 조건과 복합 환경 조건에서 하중차이가 크지 않아 더 큰 환경하중을 받는 Collinear 조건과 Non-collinear조건에서 결과를 나타내었다. Fig 15에는 Collinear 조건에서 모형실험 장력 시계열을 나타내었으며, 왼쪽에는 터렛 위치 75%, 오른쪽에는 85% 결과를 정리하였다. 시계열을 비교해 보면 터렛 위치에 따른 평균값의 차이가 작은 것을 확인 할 수 있다. 그리고 계류선의 장력은 선미쪽으로 발생하는 일정한 전후동요에 의하여 FPSO 선수쪽의 1, 2, 3, 4번의 평균 장력이 5~12번 보다 크게 걸리는 것을 확인할 수 있다. Fig 16에는 Non-collinear조건에서 모형실험 장력 시계열을 나타내었으며, 왼쪽에는 터렛 위치 75%, 오른쪽에는 85% 결과를 정리하였다. 바람과 조류는 서로 상쇄되는 방향의 조건이므로 파도의 영향을 많이 받아 계류선 9~12번의 장력이 다른 계류선보다 크게 걸리는 것을 확인할 수 있다. 그리고 계류선 각 그룹에 대하여 터렛 위치에 따른 평균값의 차이가 작은 것을 확인 할 수 있다. Table. 6에는 Collinear 조건에서 각 그룹에 최대하중이 작용한 계류선의 통계해석 결과를 평균(Mean), 유의값(SDA, Significant double amplitude), 최댓값(Maximum)에 대하여 정리하였다. 통계해석 결과를 살펴보면 평균값과 유의값, 최댓값 모두 큰 차이를 가지지 않지만 터렛 위치가 75%인 경우 85%와 비교하여 더 큰 하중이 걸리는 것을 확인할 수 있다. Table. 7에는 Non-collinear 조건에서 각 그룹에 최대하중이 작용한 계류선의 통계해석 결과를 나타내었으며, 터렛 위치에 따른 하중 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다.

[Fig. 15] Comparison of time series of tension under Collinear condition(left: Turret position 75%, right: Turret position 85%)

[Fig. 16] Comparison of time series of tension under Non-collinear condition(left: Turret position 75%, right: Turret position 85%)

[Table 6] Summary of mooring tension values under collinear condition

Summary of mooring tension values under collinear condition

[Table 7] Summary of mooring tension values under non-collinear condition

Summary of mooring tension values under non-collinear condition

수치해석은 모형실험 결과와 경향을 비교 검토하기 위하여 수행하였으며, 터렛 위치에 따른 FPSO의 거동특성에 대한 연구를 수행하기 위한 목적으로 수행되었다. 먼저 규칙파 중 수치해석을 수행하여 FPSO의 거동특성을 확인해 보았다. 다음으로 불규칙파 중에서 수치해석을 수행하고, 결과를 통해 수치해석 모델링의 정확도 및 한계점을 검토해보았다. 마지막으로 모형실험에서 살펴보지 못한 추가적인 터렛 위치인 L_BP의 65%, 80%, 90%에 대한 계산을 수행하였고, 이를 통하여 FPSO의 선수동요 특성을 살펴보았다.

수치해석은 선수 규칙파(w=0.0∼2.0 rad/sec)에서 수행하였다. 수치해석에는 6자유도 시간영역 해석 프로그램인 OrcaFlex를 사용하였으며, 검증을 위하여 포텐셜 유동해석 기반의 고차 경계요소법 수치해석 결과와 함께 Fig. 17에 도시하였다.

[Fig. 17] Numerical results of motion RAOs of FPSO

주파수 0.6rad/sec에서 OrcaFlex의 Heave와 Pitch의 RAO 결과가 고차경계요소법 수치해석의 결과보다 조금 작은 값을 보이지만 전반적으로 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 조금 작은 결과를 보이는 이유는 고차경계요소법 수치해석에는 계류시스템이 포함되지 않았고, Orcaflex는 계류시스템이 포함된 결과로 계류시스템의 특성이 FPSO 운동에 영향을 미친 것으로 판단된다.

OrcaFlex를 사용하여 선수 불규칙파에서 터렛 위치 변화에 따른 수치해석을 수행하였고, 터렛 위치 75%와 85%에 대한 수치해석 결과를 모형실험 결과와 비교해서 Fig. 18과 19에 나타내었다. 수치해석 결과, 전후동요와 상하동요는 모형실험 결과와 비교하여 전반적으로 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 반면 선수동요의 경우에는 실험에서는 환경 외력에 따라 선수각이 자유롭게 회전하여(Weathervaning) 특정 선수각에서 평균값을 가지고 동요하지만 수치해석에서는 환경외력에 따라 환경외력의 방향으로 선수각이 회전하지 않고 선수동요 평균값인 0.0deg에서 주기적인 선수동요(Fishtailing)를 하는 것을 확인하였다. 이러한 차이는 수치해석에 사용한 OrcaFlex는 전후동요, 좌우동요, 선수동요를 정확하게 모사할 수 있는 2차원 저주파수 운동과 같은 모델링 기법이 아닌 일반적인 6자유도 운동 해석 기법을 사용하기 때문이라고 사료된다. 또한 5000sec와 1000sec에서 전후동요와 상하동요의 시계열이 차이를 보이는 것은 실험에서의 파도와 수치해석에 사용한 파도의 차이로부터 발생하는 것으로 판단된다. 계류선의 장력은 모형실험과 수치해석 모두 Fairlead Point에서 계측한 결과이며, 75%와 85%에서 비슷한 크기의 장력이 걸리는 것을 확인할 수 있다. Fig. 20에는 모 형실험에서 살펴보지 못한 추가적인 터렛 위치인 L_BP의 65%, 80%, 90%에 대한 수치해석 시계열을 나타내었다. 시계열에서 터렛의 위치가 선수로 이동함에 따라 전후동요와 상하동요는 차이가 크지 않지만 선수동요는 운동이 감소하고, 안정성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 21에는 수치해석 결과에 대해 선수동요 통계해석 결과를 나타내었으며, 통계치는 터렛 위치에 따른 선수동요의 평균값, 유의값, 최댓값에 대하여 정리하였다. 각각의 터렛 위치에 대하여 선수동요의 평균값은 0.0deg에 가까운 값을 가지고 큰 차이가 없는 것을 확인하였다. 유의값과 최댓값은 터렛의 위치가 선수에 가까운 곳에 위치할수록 감소하는 결과를 얻었다.

[Fig. 18] Comparison of motions and tensions (Turret Position 75%)

[Fig. 19] Comparison of Motion and Tension (Turret Position 85%)

[Fig. 20] Comparison of time series of yaw for turret position

[Fig. 21] Statistical results of Yaw

본 논문에서는 설계 유의파고 15m해역의 Oil과 Gas 생산을 위한 100만 배럴급 FPSO의 운동 및 계류성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 축척비 60의 FPSO 모형과 터렛을 제작하고, 터렛이 AP로부터 L_BP의 75%인 200.6m와 85%인 227.35m에 위치할 때, 터렛 위치에 따른 FPSO의 거동과 계류시스템의 특성을 수치해석과 모형실험을 통해 분석하였다. 모형실험은 조류, 바람, 파도의 조건에서 수행하였다. 그 결과 터렛 위치에 따른 FPSO의 선수동요는 파도에 의한 영향보다 조류와 바람에 의한 영향을 많이 받는다는 것을 확인하였다. 복합 환경 조건에서의 모형실험은 Collinear 조건에서 터렛 위치가 85%일 때, 75%인 경우와 비교하여 약 70% 감소하는 것을 확인하였다. Non-collinear 조건에서는 선수동요에 영향을 미치는 조류와 바람, 파도의 입사 방향이 모두 다르기 때문에 터렛 위치에 따른 선수동요의 변화는 크지 않았다. 수치해석과 모형실험의 가장 큰 차이는 실험에서는 환경 외력에 따라 선수각이 자유롭게 회전하여 특정 선수각에서 평균값을 가지고 동요하지만 수치해석에서는 환경외력에 따라 선수각이 회전하지 않으며 선수동요 평균값인 0.0deg에서 주기적인 선수동요하는 것을 확인하였다.

본 연구를 통해 터렛 위치가 선수쪽으로 이동하면, 조류, 바람, 파도 중 선수동요가 크게 감소하여 안정성이 향상됨을 확인하였다. 터렛 계류된 FPSO의 설계 시 터렛 위치에 따른 특성을 정확하게 고려해야 FPSO의 안정성과 작업성능을 평가할 수 있을 것이다.