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Basic Design of Deep Subsea Manifold Frame Structure for Oil Production
Basic Design of Deep Subsea Manifold Frame Structure for Oil Production
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2015. Jun, 29(3): 207-216
Copyright © 2015, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : March 17, 2015
  • Accepted : June 22, 2015
  • Published : June 30, 2015
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세용 박
준모 정

Abstract
Amanifold is one of the essential subsea oil and gas production components to simplify the subsea production layout. It collects the production fluid from a couple of wellheads, transfers it to onshore or offshore storage platforms, and even accommodates water and gas injection flowlines. This paper presents the basic design procedure for a manifold frame structure with novel structural verification using in-house unity check codes. Loads and load cases for the design of an SIL 3 class-manifold are established from a survey of relevant industrial codes. The basic design of the manifold frame is developed based on simple load considerations such as the self weights of the manifold frame and pipeline system. In-house software with Eurocode 3 embedded, called INHA-SOLVER, makes it possible to carry out code checks on the yield and buckling unities. This paper finally proves that the new design of the manifold frame structure is effective to resist a permanent and environment load, and the in-house code is also adaptively combined with the commercial finite element code Nastran.
Keywords
1. 서 론
세계 인구의 지속적인 증가와 개발도상국과 같은 저개발 국가에서의 에너지 수요가 지속적으로 증가함에 따라 원유 및 가스에 대한 공급의 증가가 예상된다( BDI, 2014 ). 최근 셰일 가스(Shale gas)로 인하여 국제 원유 가격의 변동성이 높아졌다 하더라도 중장기적 관점에서 원유 및 가스의 공급이 수요에 비하여 부족하여 원유 가격의 상승이 예측된다. 해양에 매장된 석유 자원은 탐사되지 못한 부분을 포함하여 전세계 매장량의 약 73%를 차지하는 것으로 보고되고 있다. 중장기적인 관점에서 심해 해양 유전의 개발이 활성화 될 것으로 예측된다.
탐사가 종료된 심해저 유전 개발을 위해서는 소위 SURF(subsea umbilical riser and flowline)라고 불리는 시스템뿐 만 아니라 정두(Wellhead), 매니폴드(Manifold)등과 같은 핵심 기자재의 신뢰성 높은 생산, 설치, 운영 기술이 동시에 요구된다. 본 논문은 이중에서 심해용 매니폴드의 프레임 구조(Frame structure)에 대한 기본 설계를 수행하는 과정을 설명하는 것을 목적으로 한다. 매니폴드는 해저에 산재한 다수의 정두로부터 생산된 유체를 수집하는 배관 시스템(Pipe system)이다. 매니폴드에 집하된 생산 유체(Produced fluid)는 배관선(Pipeline)을 통하여 육지로 이송되거나, 라이져(Riser)를 통하여 해상에 부유하는 저장 플랫폼에 이송된다. 매니폴드는 생산 유체의 집하 역할 뿐만 아니라 주입 유체(Injection fluid)의 분기점(Branch point) 역할을 수행한다. 즉 매니폴드는 해저 생산 시스템을 간 소화하기 위한 핵심 장비이다.
매니폴드에 관한 국내 연구 논문은 거의 수행된 바 없으며, 해외 연구 동향을 살펴보면, Wang et al.(2012) Wang et al.(2014) 는 설치비 절감 측면에서 해저 정두 및 클러스터 매니폴드(Cluster manifold)의 배치를 최적화하는 연구를 수행한 바 있지만, 매니폴드 자체의 배관 배치 최적화나 매니폴드 프레임 구조 설계 등에 대한 연구가 포함되지는 않았다. Lee et al.(2014) 은 매니폴드 배관 시스템의 성형 각도에 따른 압력 강하, 침식률(Erosion rate) 등을 수치적으로 제시하기도 하였다.
영국 JP Kenny사의 Kirkbride et al.(1994) 은 8개의 생산 정두 및 3개의 주입 정두로 구성된 Nelson 유전(Nelson fields)에 설치하기 위한 해저 매니폴드의 배관 최적화 및 프레임 구조 설계 과정을 제시하였다. 총 중량은 147톤으로서 당시로서는 상당히 무거운 매니폴드였다. 통상 두 개 이상의 유전 또는 플랫폼으로부터 생산된 유체를 하나로 묶는 것을 통상 tie-in이라 한다. Robinson(2003) 은 3기의 고정식 플랫폼을 tie-in하여 수집된 생산 유체를 육상으로 이송하기 위한 48인치 초대형 구경의 배관 라인을 위한 매니폴드를 개발한 사례를 제시하기도 하였다. Ribeiro(2006)은 최대 수심 1900m에 설치될 매니폴드의 구조 설계 과정을 설명하였다. 매니폴드 프레임 구조는 통상 H형 또는 튜브형 보를 이용하여 제작되기 때문에 SACS ( Bentley, 2014 )와 같은 보 해석 전용 프로그램을 이용하는데 반하여 이들은 범용 유한 요소 프로그램인 Ansys ( Ansys, 2010 )를 이용하여 보 해석 및 상세 구조 해석을 수행하였다.
본 논문은 수심 3,000m의 심해에서 하루 200,000 배럴의 원유를 생산하고 SIL 3 (safety integrity level 3)의 안전 신뢰도를 가지는 매니폴드 프레임 구조 설계를 목표로 한다. 매니폴드를 비롯한 대부분의 심해저 장비는 국내에서 설계, 생산, 설치 경험이 많지 않기 때문에 본 논문에서는 매니폴드의 특성에 대하여 설명할 것이다. 주어진 배관 시스템을 대상으로 3차원 구조 설계 및 구조 해석을 위한 3차원 유한 요소 모델을 생성할 것이다. 설치가 예상되는 해역에서 발생할 수 있는 다양한 하중을 조합하여 하중 조건을 생성하고, 이를 유한 요소 모델에 적용할 것이다. 통상 상용 유한 요소 해석 프로그램을 이용할 경우 ULS (ultimate limit state)에 대한 부재 안전도 검토(Unity check)가 현실적으로 불가능한 것으로 알려져 있다. 그러나 본 논문에서는 국내외 조선소에서 가장 널리 사용되고 있는 Nastran을 이용하여 매니폴드 프레임 부재에 작용하는 내력을 산정하고 자체 개발한 부재 안전도 검토 코드인 INHA-SOLVER를 이용하여 부재 안전도 검토를 수행할 것이다.
2. 매니폴드의 특징
- 2.1 매니폴드의 종류
매니폴드는 클러스터형(Cluster type)과 템플릿형(Template type)으로 분류된다. 클러스터형 매니폴드는 소위 트리(Tree) 또는 크리스마스 트리(Christmas tree)라고 불리는 정두 밸브 세트와 매니폴드 배관이 서로 독립적이다. 즉 점퍼(Jumper)를 이용하여 트리와 클러스터 매니폴드가 연결된다. 클러스터 매니폴드는 다수의 정두를 동반할 수 있는 장점이 있지만, 배관 및 밸브 시스템이 복잡하여 유지보수성에 단점이 있다( Fig. 1-(a) 참조). 템플릿 매니폴드는 몇 개의 트리가 매니폴드와 일체로 설치된다. 크기가 크고 무겁지만 유지 및 보수가 편리한 장점을 가지고 있다. 또한 템플릿형 매니폴드는 정두위에 설치되어 수개 이상의 정두를 동반하기 어려운 대신 매니폴드에 트리 구조를 포함할 수 있어서 구조적으로 간단하고 유지보수성이 용이하다. 본 논문에서는 협동 연구를 진행 중인 기관으로부터 제공 받은 배관선 배치 정보와 정두 현황을 고려하여 클러스터형 매니폴드를 대상으로 결정하였다.
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Types of subsea manifolds
- 2.2 매니폴드의 구성
매니폴드는 생산 유체 또는 주입 유체를 이송/제어하는 배관선, 밸브, 제어기 등으로 구성되며, 이를 지지하는 프레임 구조는 방호 구조(Protective structure)와 하부 구조(Bottom structure) 또는 인터페이스 구조(Interface structure)로 구성된다. 또한 하부 구조를 해저면에 고정할 수 있는 파일(Pile)과 같은 기초 구조(Foundation structure)도 매니폴드의 주요 구성품이다. 또한 방호 구조는 어망에 의한 하중(Snag load), 낙하체 충격 하중(Dropped object impact load) 등과 같이 예기치 않은 하중에 견디도록 설계되어야 한다. 본 논문에서는 매니폴드의 프레임 구조 설계를 목표로 하고 있으며, 기초 구조에 대한 연구는 향후 주제로 진행될 것이다.
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Components of subsea manifolds
- 2.3 매니폴드 설계를 위한 문헌
Bai and Bai(2010) 은 심해저 개발 및 생산을 위하여 사용되는 각종 장비의 구성품, 소재, 설계 방법론 등을 포괄적으로 제시하였다. 매니폴드 프레임의 설계를 위해서 API RP 2A-WSD 권장 규격( API, 2000 )을 이용하고 있다. API RP 2A-WSD 권장 규격( API, 2000 )은 고정식 자켓 플랫폼 또는 부유식 플랫폼 모듈구조에 적용되는 튜브 부재(Tubular member)의 구조 설계를 위한 지침서이다. 반면 매니폴드의 제작을 위해서는 AWS D1.1( AWS, 2000 )를 준용한다.
API RP 17P ( API, 2013 )에서는 매니폴드에 대한 기능적인 고려 사항과 설계적 측면의 고려 사항, 재료의 선택과 해저 설치 방법 등을 포괄적으로 다룬다. 설계 하중들은 매니폴드의 제작, 운송, 설치, 운용 등 모든 과정에 대해서 매니폴드에 영향을 미칠 수 있는 모든 하중들을 고려해야 한다. 매니폴드가 가지고 있는 정하중과 설치되는 해역에서 측정된 자료를 바탕으로 작성된 환경하중, 매니폴드의 운용 중에서 발생할 수 있는 운용하중과 사고 발생 시 내부의 시스템을 안전하게 보호할 수 있는 사고하중에 관한 고려가 수행되어야 한다. 특히 사고하중에는 어망에 의한 충격, 낙하물에 의한 충격, 그리고 해저 지진 등이 있다. API RP 17D ( API, 2011 ) 에 의거한 설치 과정에서 인양을 위한 패드 아이(Padeye)형 인양 러그(Lifting lug) 및 이에 대한 상세 구조 설계 등도 본 향후 주제로 논의될 것이다. 또한 매니폴드 프레임을 해수 부식으로부터 보호하기 위하여 희생 양극 (Sacrifice anode)을 제공해야 하는데, 희생 양극이 구조 강도에 미치는 영향이 적을 것으로 예측하여 이에 대한 고려는 수행하지 않았다.
3. 매니폴드 프레임 구조 기본 설계
- 3.1 구조 설계 일반
매니폴드 프레임 설계 시 정두로부터 배관을 통하여 전달되는 축하중(열팽창 포함), 해류 등으로 인한 수직 비틀림 하중과 와류 유기 진동, 사고 하중, 지반으로부터의 지진 하중 등이 종합적으로 고려되어야 한다. 즉 매니폴드 프레임에 작용하는 각종 하중을 기초 구조를 통하여 지반으로 전달할 수 있도록 설계되어야 한다.
매니폴드 프레임은 내부 배관 시스템을 보호할 수 있도록 방호 능력을 갖추어야 한다. 조류 또는 해류로 인한 하중, 어망 하중을 최소화하기 위해서는 프레임 지붕의 높이를 최대한 낮게 설계해야 하지만, 외부 충격으로 인하여 내부 생산 시스템의 운영에 지장을 주지 않도록 높이를 결정해야 한다. 그리고 유지 보수를 위하여 무인 원격 잠수정(ROV, remote operation vehicle)의 접근성 및 작업성이 용이 확보하도록 설계되어야 한다. 매니폴드를 제작하는 과정에서 프레임의 배치로 인하여 배관 및 제어 시스템의 설치나 운영을 방해하지 않도록 설계해야한다. 그리고 하부 구조 또는 인터페이스 구조는 지상에 안착하더라도 매니폴드 자중을 감당할 수 있는 강도를 지녀야 한다.
- 3.2 배관선 검토
매니폴드의 프레임은 내부 배관을 보호하고 지지하는 역할을 수행한다. 배관선의 배치나 규격이 변동하면 매니폴드 프레임의 구조에 대한 설계 변경이 필요하다. Fig. 3 은 본 매니폴드 협동연구를 수행하는 기관으로부터 제공받은 밸브 및 배관선의 배치를 보여준다. 배관선은 한 개의 주 배관과 3개의 분기 배관으로 이루어져있다. 주 배관에는 10인치 규격의 볼 밸브(Ball valve) 3개가 설치되어있고, 분기 배관에는 6인치 규격의 볼 밸브(Ball valve) 한 개의 배관 마다 2개씩 총 6개가 설치되어 있다. 그리고 각 밸브의 상부에는 밸브를 구동시키기 위한 유압기(Hydraulic actuator)가 각각 설치되어 있다. 분기 배관은 주배관을 기준으로 좌측에 2개 그리고 우측에 1개로 나뉘어져 있는데 주로 사용하는 분기 배관은 좌우측 한 쌍의 배관이다. 좌측의 여분의 분기 배관은 매니폴드 작동 중에 문제가 발생하였을 때 사용하기 위한 배관으로 일반 작동 상황에선 운용하지 않는다.
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Pipeline layout and support loads
- 3.3 구조 기본 설계
배관 시스템의 대부분은 하부 구조(인터페이스 구조)에 의하여 지지되고 밸브와 유압기는 중량이 크기 때문에 이를 충분히 지지할 수 있도록 하부 구조를 우선적으로 설계할 필요가 있다. 이를 위하여 본 논문에서는 배관 시스템에서 많은 중량을 차지하는 밸브를 지지점으로 결정하고, Fig. 3 에 나타낸 바와 같이 배관 시스템의 자중이 하부 구조에 전달된다고 가정하였다. 여기서 배관 시스템의 총 무게는 210kN이었다.
이 하중과 배관 시스템 정보를 바탕으로 수계산을 통하여 하부 구조의 주요 부재 치수를 결정하였고, 웹 검색과 인터넷 자료를 조사하여 방호 구조의 형상을 결정하였다. 방호 구조의 주요 부재 치수는 하부 구조 주요 부재 치수와 동일하다고 가정하였다. 결과, 매니폴드 프레임은 길이 8.5m, 폭 8.2m, 높이 4.0m로 설계되었고, 이는 약 58ton의 무게에 상응한다( Fig. 4 참조).
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Basic structure design of manifold frame structure
프레임 구조 주요 부재의 재질은 조선해양 분야에서 널리 사용되는 연강인 ASTM A131 Grade A ( MatWeb, 2013 )를 선택하였다. 주요 부재 형상은 외국 선진사 적용 사례를 조사하여 H-형강(H-profile)으로 결정하였다. 반면 인양력이 작용하는 수직 기둥 부재에는 튜브-형강(Tubular profile)을 적용하였다. 사용한 부재의 치수는 지지점으로 선택한 밸브의 바닥 면적을 고려하여 국내에서 생산이 가능한 산업표준규격의 공칭 치수 400×400 H-형강을 사용하였으며, 튜브 형강(Tubular profile)은 H-형강의 크기를 고려하여 430mm×15mm(외경×두께)를 사용하였다.
4. 구조 설계 검증
- 4.1 하중 조건
- 4.1.1 하중 조건 요약
심해용 매니폴드는 제작, 운송, 설치, 운전의 단계에 따라 다양한 하중과 하중의 조합을 고려해야 한다. DNV RP H103( DNV, 2011 )은 매니폴드를 비롯한 각종 심해저 장비의 각 단계별 고려 사항들에 대하여 상세히 기술한다. 본 과정에서는 이를 참조하여 매니폴드를 인양에서부터 운전에 이르기까지의 설치 단계를 총 5단계로 분류하여 각 단계 별 하중과 하중 조건을 분석하였다. 각 단계별 하중 조건과 이에 요구되는 하중 성분을 Table 1 에 나타내었다.
Load cases by installation and operation steps
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Load cases by installation and operation steps
- 4.1.2 자중 성분
전술한 바와 같이 자중은 공기 중(In air), 반잠수(In half submersion), 완전 잠수(In full submersion)과 같은 상황에 따라 다르게 산정된다. 매니폴드를 설치하는 과정 중 매니폴드의 수중 하강시 또는 상승시 해수의 점성에 의한 부가수 질량 (Added mass)를 고려해야 한다. 부가수 질량은 매니폴드의 총 무게를 증가시키며, 설치 단계에서 패드 아이 및 그 주변 구조에 많은 영향을 미치게 된다. 부가수 질량은 유체와 접촉되는 물체의 형상과 크기에 따라 변동적이며, 본 논문에서는 DNV RP C205 ( DNV, 2010 )를 이용하여 부가수 질량을 산정하였다. 여기서 부가수 질량을 계산하기 위한 단면의 형상은 H보임을 감안하여 장폭비(Aspect ratio)가 무한히 길어서 형상 계수가 가장 큰 1.0을 가정하였다. 매니폴드 프레임의 강재 밀도를 증가 시킴으로써 산정된 부가수 질량 효과를 고려할 수 있었다.
- 4.1.3 풍하중 성분
DNV RP C205 ( DNV, 2010 )에 의하면 설치 해역에서의 1년 이상 측정된 풍속 및 풍향 데이터를 이용하여 풍하중을 산정할 것을 권장한다. 이에 따르면 풍하중( Fwd )은 구조물의 형상 및 표면 조도에 따른 항력 계수(Drag coefficient) Ce 와 바람의 압력 qwd , 직교 투영 면적 S , 그리고 입사각 α 에 의하여 결정된다(식 (1) 참조). 여기서 바람의 압력은 공기의 밀도 ρa 와 풍속 uwd 으로부터 결정된다(식 (2) 참조). 본 논문에서 개발하고자 하는 매니폴드의 설치 해역은 아직 미정인 관계로 uwd =10m/s의 10분 평균 풍속을 가정하였다. 매니폴드의 높이에 비하여 수직 방향 풍속 프로파일의 변동성이 적으며, 따라서 상하 방향 풍속은 일정하다고 가정하였다. 풍향은 매니폴드의 수직 투영 면적이 넒은 면에 직교하는 풍향( α =90°)으로 가정하였다. 직교 투영 면적은 전체 투영 면적이 아닌 실제 부재의 투영 면적을 사용하였다. Ce 는 부재 형상에 따른 형상계수로써 DNV RP C205 ( DNV, 2010 )를 참고하여 결정된다. 본 논문에서는 H-형강에 수직 입사일 경우에 상응하는 Ce =1.6을 사용하였다. 또한 튜브 형강에도 동일한 Ce 를 적용하였다. 이때의 일반적인 대기압 상태에서의 공기의 밀도( ρa =1.2 kg/m 3 )를 적용하였다.
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- 4.1.4 파랑 하중 성분
파랑 하중( Fwv )은 식 (3)과 같이 항력(Drag force)으로 표현된다(DNV RP C205 ( DNV, 2010 )에 따르면 관성력 항을 무시). ρw , Cd , uwv , θ 는 각각 해수의 밀도, 구조물의 항력 계수, 파도 입자(Water particle)의 수평 방향 속도(Horizontal velocity), 파의 위상각(Phase angle)을 의미한다. ρw =1.025 ton/m 3 를 적용하였으며, DNV RP C205 ( DNV, 2010 )을 참고하여 비원형 단면에 적용하는 Cd =1.9를 H-형강 및 튜브-형강에 공히 적용하였다. S 는 풍하중의 산정과 동일한 값을 사용하였다. 파도의 방향은 풍향과 같다고 가정하였다.
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심해에서 적용되는 선형파 이론(Linear wave theory)을 이용하여 파 입자의 수평 방향 속도를 식 (4)와 같이 산정하였다. 여기서 Hs , Tz , z , L 은 각각 유의 파고(Significant wave height), 파의 평균 영점 교차 주기(Average zero crossing period), 관심물체의 수심, 파장(Wave length)를 의미한다. 본 논문에서는 DNV RP C205 ( DNV, 2010 )에서 제공하는 전세계(Worldwide) 기준 파빈도 분포표(Wave scatter diagram)의 최빈(Mode) 단기 해상 상태(Short term sea state)를 이용하기로 결정하였다. 이때 유의 파고 및 평균 영점 교차 주기는 각각 2.0m 및 7.5s이다.
- 4.1.5 조류 하중 성분
DNV RP C205 ( DNV, 2010 )에 의하면 조류 하중( Fcr )은 파랑 하중과 유사하게 항력으로 표현이 가능하다(식 (5) 참조). 여기서 ucr 는 조류의 속도를 의미한다. 자유 수면( z =0)에서의 조류의 속도를 이용하여 조류의 수직 방향 속도 분포를 식 (6)을 이용하여 추정이 가능하다. 여기서 d 는 수심을 의미하며 본 연구에서는 3000m 수심을 적용하였다. 조류의 유속은 통상 파도의 수평 방향 속도에 비하여 현저히 크기 때문에 조류의 속도를 적절히 결정하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 서아프리카 등지의 유전 개발을 위한 해양플랜트 설계 시 주로 사용하는 유속인 2m/s을 적용하였다. 그러나 정상 운전(Normal operation)의 경우 식 (6)에 의하여 해저면에서 유속은 거의 무시할 만한 수준이지만, 설계의 보수성을 위하여 식 (6)을 적용하지 않았다. 조류의 방향은 풍하중 및 파랑 하중과 같다고 가정하였다.
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- 4.2 구조 해석 모델
구조 해석 모델은 HypwerWorks ( Altair, 2013 )을 이용하여 작성되었으며, Fig. 5 (a) - (d) 에 나타내었다. 총 요소의 개수는 3461개였다. 본 연구에서는 비선형 구조 해석이 요구되지 않으므로, 국내외 조선소에서 널리 사용되는 Nastran ( MSC, 2008 )을 이용하여 유한 요소 구조 해석이 수행되었다. 여기서 축 강성, 면내외 굽힘 강성, 전단 강성을 모두 가지는 보요소를 사용하였다.
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Finite element model of manifold frame structure
Table 2 는 본 논문에서 부여한 하중 스텝별 경계 조건을 보여준다. 하중 스텝 1에서 4까지는 인양을 표현하기 위하여 4개의 절점에 대하여 상방의 자유도를 구속( Tz =0)하고, 인양 절점에 미소 강성을 가지는 스프링을 x y 방향으로 배치하여 강체 운동으로 해석의 불안정성을 해소하였다( Fig. 5 (e) 참조). 반면, 하중 스텝 5의 경우 하부 구조를 기초 구조가 충분히 지지한다고 가정하여 하부 구조의 9개 절점을 6자유도 구속하였다( Fig. 5 (f) 참조). 3.1절에서 논의된 하중을 Fig. 5 (e) (f) 와 같이 부여하였다.
Boundary condition for each load step
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Boundary condition for each load step
- 4.3 부재 건전성 검토
- 4.3.1 유니티 검토 방법
유니티(Unity)는 부재에 발생한 응력을 허용 응력(Allowable stress)으로 나눈 값인데, 통상 고정식 해양 플랫폼 또는 FPSO 상부 구조와 같이 주요 부재가 보로 구성된 경우 유니티 검토를 통하여 부재의 건전성을 평가한다. 유니티는 통상 항복 및 좌굴에 대한 검토가 모두 필요하다. 그러나 Nastran과 같은 상용 유한 요소 해석 프로그램을 이용할 경우, 부재의 응력 성분을 도출하기 어렵기 때문에 SACS ( Bentley, 2014 )와 같이 보요소의 유니티 검토에 특화된 소프트웨어를 사용한다. SACS는 전세계 산업 규격의 상당 부분을 프로그램화하여 내장하고 있으며, 세장체에 작용하는 각종 환경 하중을 생성할 수 있는 해양 플랫폼에 특화된 제품이다.
그러나 대부분의 해양 플랫폼은의 설계를 위하여 미국강구조학회(AISC, Americal Institute of steel construction)의 규격(이하 AISC로 지칭)을 사용하거나, 유럽 표준화 위원회(CEN, 2001)의 유럽 통일 규격(EN, Euro Norm)인 유로코드 3 (Eurocode 3, 이하 EC3로 지칭)를 준용한다. 여기서 CEN은 European Committee for Standardization(프랑스어로 Comité Européen de Normalisation)의 약어이다.
본 논문에서는 EC3에 기반한 강구조의 유니티 검토를 위하여 인하우스(In-house) 소프트웨어(이하 INHA-SOLVER로 지칭)를 개발하였다. Nastran에서 제공하는 보요소의 라이브러리 범위 내에서 대부분 단면의 보요소에 대한 유니티 검토가 가능하도록 개발되었다. INHA-SOLVER는 Nastran으로부터 얻은 구조 해석 결과 파일인 PCH (punch file)부터 각 요소의 요소력을 부재력으로 산정하고 Nastran 입력 파일인 BDF (bulk data file)로부터 한 개의 부재를 이루고 있는 다수의 요소를 부재로 인식하는 전처리 모듈(Module PREP)을 갖추고 있다. PREP를 이용하여 항복 및 좌굴 검토를 위한 입력 파일인 YCD (yield check data)를 생성하거나, 튜브 부재의 연결부 전단 파손(Joint can shear failure) 검토를 위한 입력 파일인 JCD (joint can data)의 생성이 가능하다. YCD 또는 JCD의 생성 후에 EC3 기반 유니티 검토 엔진을 탑재한 후처리 모듈(Module MAIN)을 이용하여 항복 및 좌굴에 관한 유니티 검토 결과 파일인 YCU(yield unity check)과 튜브 부재의 연결부 전단 파손에 관한 유니티 검토 결과 파일인 JCU (joint unity check)의 생성이 가능하다. Fig. 6 은 INHA-SOLVER의 데이터 처리를 위한 순서도이며, Fig. 7 은 INHA-SOLVER 그래픽 사용자 인터페이스(GUI, graphic user interface)를 나타낸다.
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Flow chart for INHA-SOLVER
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INHA-SOLVER modules
- 4.3.2 유니티 검토 결과
Fig. 8 과 같이 유니티를 비롯한 모든 결과물(예를 들어 단면 클래스 등)을 가시화하여 검토할 수 있으며, 부재에 유니티 정보를 동시에 가시화하는 것이 가능하다. 항복/좌굴에 대한 보고서 작성을 위한 YRPT (yield report), 전단에 대한 보고서 작성을 위한 JRPT (joint report)를 이용하여 유니티 결과의 문서 생성이 가능하다. Fig. 8 (a) (b) 는 각각 는 가시화된 단면 클래스와 최대 유니티를 나타낸다.
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Result visualization using INHA-SOLVER
Table 3 은 각 스텝별 최대 유니티, 최대 유니티 성분, 최대 유니티 발생 위치를 나타낸다. 첫 번째 스텝은 매니폴드를 설치를 위한 공중 인양이므로, 매니폴드 프레임은 자중과 내부에 배관으로 인하여 하부 구조 Fig. 9 (a) 와 같이 하방 처짐이 발생한다. 70번 부재는 이로 인하여 큰 인장력과 굽힘 모멘트를 동시에 경험하여 받아서 가장 큰 유니티가 발생하였다. 따라서 인장과 굽힘 조합 항복 유니티가 큰 것으로 나타났다. 두 번째 스텝부터 네 번째 스텝까지는 자중과 환경 하중이 동시에 작용하고, 환경 하중에 노출된 부재는 압축력과 굽힙 모멘트를 동시에 받는다. 따라서 압축과 굽힘 조합 항복 유니티가 가장 큰 것으로 관찰되었다( Fig. 9 (b) 참조). 마지막 스텝은 매니폴드가 기초 구조에 설치되어 정상적으로 운용되는 상태이며, 자중으로 인하여 압축과 굽힘 조합 항복 유니티가 크게 발생하였다.
Summary of unity checks
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Summary of unity checks
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Result of deformations with maximum unity locations
5. 결 론
본 논문은 3000m 심해저에 설치 가능한 SIL3급 클러스터형 매니폴드의 프레임 구조 설계에 관한 내용을 담고 있다. 심해저 매니폴드는 국내에서 설계, 제작, 설치 사례가 거의 전무한 심해저 원유/가스 생산 설비여서 기존 논문의 수집/ 검토, 웹검색을 통한 자료 수집 등을 통하여 기능적인 형상에 대한 파악을 수행하였다. 심해저 매니폴드의 공동 연구 기관으로부터 제공받은 파이프 시스템을 검토하여 기능적 크기를 결정하였으며, 파이프 시스템의 자중을 고려한 수계산을 통하여 초기 기본 설계를 수행할 수 있었다.
매니폴드의 설치 및 운전을 고려하여 5단계로 하중 조건을 나누었으며, API, DNV 등에서 제공하는 산업 표준의 검토를 통하여 하중 조건 별 필요 하중 성분을 결정하였다. 설치 단계별 자중을 고려하였으며, 부가수 질량의 효과도 고려하였다. 10m/s의 10분 평균 풍속을 가정하여 풍하중을 산정하였으며, 2m/s의 조류 하중을 가정하였다. 심해 선형파 이론을 적용하여 파랑 하중을 산정하였다.
매니폴드 프레임 구조를 보요소로 모델링하였으며, 상용 유한 요소 해석 프로그램인 Nastran을 이용하여 5단계의 하중 조건에 대한 구조 해석 결과를 도출하였다. 여기서 구조 해석 결과는 보요소의 요소력을 의미하여, 자체적으로 개발한 INHASOLVER 모듈 PREP를 이용하여 요소를 부재로 변환하고, 요소력을 부재력으로 변환하는 과정을 거쳤다. 또한 각 부재에 6자 유도 성분의 부재력이 작용할 때 모듈 MAIN을 이용하여 모든 부재의 항복 및 좌굴에 대한 유니티 검토를 수행하였다. 그 결과 최대 유니티는 1.0을 초과하지 않았으며, 본 논문에서 수행한 기본 구조 설계 과정의 타당성을 입증할 수 있었다.
상용 유한 요소 프로그램을 가지고 보부재의 구조 건전성 검토(유니티 검토)는 거의 불가능한 영역을 간주되어 왔다. 보 단면의 특성에 따른 전단 응력을 결정(엄밀하게 전단류의 결정)하는 것이 기술적으로 매우 어렵기 때문이다. 따라서 SACS와 같은 보부재 특화 프로그램은 독자적인 구조 해석 엔진을 가지고 유니티를 검토한다. 그러나 본 논문에서는 자체적으로 개발된 인하우스 프로그램을 이용하여 상용 유한 요소 코드인 Nastran과의 결합을 시도하였으며, 심해저 매니폴드 프레임 구조에 이를 적용하여 그 유효성을 입중할 수 있었다.
그럼에도 불구하고 본 논문은 많은 향후 보완 연구가 필요하다. 예를 들어 반잠수 조건에서 파도의 슬래밍 효과 (Splash effect) 등에 대한 고려가 향후 필요하다. 프레임 구조의 상세 구조 해석도 수행되지 않았으며, 특히 패드 아이 가 부착되는 부분에서의 상세 구조 해석을 통한 구조 건전성 확보가 필요하다. 점퍼 또는 플로우라인의 열팽창으로 인한 구조 강도 또는 피로 강도에 대한 검토는 반드시 필요하다. 어망 하중 및 낙하체 충격 하중과 같은 사고 하중 조건에 대한 고려도 향후 필요하다. 진공 파일(Suction bucket)과 같은 기초 구조에 대한 연구가 필요하며, 지반 공학적인 측면에서의 상세 연구가 요구된다. 향후 와류 유기 진동의 필요성에 대한 연구도 병행되어야 할 것이다.
It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2014 in Busan Korea.
Acknowledgements
본 논문은 산업통상자원부 미래산업선도사업, 해양플랜트특성화대학사업의 지원을 받아 수행되었습니다. 또한 2015년 해양수산부 해양에너지융복합인력양성사업의 지원에 감사드립니다.
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