해양 플랜트 기술 동향

2013. 10

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금을 지원받아 작성되었습니다.

머 리 말

○ 해양 플랜트(FPSO)란 해양에서 시추한 석유/가스를 생산, 저장,

운송하기위한 부유식 구조물에 탑재된 플랜트입니다. 해양 플랜트

산업은 유가가 고공행진을 계속하면서 수심 12km까지 작업 가능

한 시추선이 등장하여 심해 유전개발이 증가하게 되어 새로운 핵

심 에너지 사업으로 부상하고 있습니다.

○ 해양 플랜트는 한국이 고도의 제작역량을 기반으로 기본설계

와 사업경험을 보강해서 ‘제작과 엔지니어링’을 통합한 새로운

비즈니스 모델로 다가 간다면 선진기업보다 한발 앞서 주도권

을 가질 수 있습니다.

○ 본 기술동향은 미래창조과학부의 과학기술진흥기금으로 저희

한국과학기술정보연구원이 수행하는 “ReSEAT 프로그램”에 참

여하고 있는 신효순 전문연구위원이 집필한 것입니다. 필자의

노고에 감사드리며, 책자의 내용은 저희 연구원의 공식견해가

아님을 밝혀 둡니다.

2013년 9월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서　

목 차

제1장 서 론 ·······················································································1

1. 연구의 필요성 ············································································ 1

2. 연구의 목적··············································································· 2

3. 연구의 방법··············································································· 3

제2장 기술의 개요 ·············································································5

1. FPSO 기술의 개요···································································· 5

2. LNG Carrier 기술의 개요 ························································· 6

3. Drillship 기술의 개요 ······························································ 11

제3장 기술 동향 ···············································································12

4

1. FPSO 연구 동향 ······································································ 12

가. FPSO의 계류 시스템 ························································· 12

나. FPSO의 구조 안정성 ························································· 23

2. LNG Carrier 연구 동향 ··························································· 39

3. Drilling Ship and Semi-submersible Drilling Rig ················ 55

4 Drilling Ship and Semi-submersible Drilling Rig ················· 62

제4장 해양 플랜트 학술, 시장 및 특허 분석 ·····································64

1. 해양 플랜트 학술정보 분석···················································· 64

2. 해양 플랜트 시장정보 분석···················································· 72

3. 해양 플랜트 특허정보 분석···················································· 74

제5장 연구 개발 전략 ·······································································79

1. 결론 ·························································································· 79

2. 연구 개발 전략 ········································································ 80

5

제6장 결론 ························································································82

참고문헌 ··························································································85

표 목차

<표 4-1> 연구기관별 해양플랜트 관련 연구개발 동향 및 품질지수 ····· 68

<표 4-2> 한국 해양플랜트 관련 주요 연구기관 SCI 논문 발표수 ········ 70

<표 4-3> LNG-FPSO 액화 분야 국가별 논문 발표 수 ··························· 71

<표 4-3> LNG-FPSO 액화 분야 국가별 논문 발표 수 ··························· 71

<표 4-4> LNG-FPSO Topside Process Engineering에 대한 국가별 회사

별 주요 특허 수 ······································································· 78

그림 목차

<그림 2-1> FPSO 6

< 그림 2-2> LNG 선의 요소 정의 7

<그림 2-3> 대우 조선 해양에서 건조 중인 LNG Carrier 8

<그림 2-4> GTT 96 막 시스템 9

6

<그림2-5> 마크 Ⅲ막 시스템 10

<그림 3-1> 현장의 FPSO ········································································· 12

<그림 3-2> 펼친 계류, 이출선, 및 수직탑을 포함한 FPSO 형상 ········ 13

<그림 3-3> 나란히 계류된 LNG FPSO, LNGC 및 셔틀탱커의 계류 형태

······················································································································· 15

<그림 3-4> FPSO 작업 계획··································································· 23

<그림 3-5> 열원 근처의 온도 분포(ANSYS CFX 모사)수심 3000m에서

FPSO계류 시스템 형상 ····················································· 26

<그림 3-6> 미끄럼 스툴 톱 ································································ 28

<그림 3-7> 미끄럼 스툴 톱 상세 ··························································· 28

<그림 3-8> 고정 스툴 톱 ········································································ 28

<그림 3-9> 고정 스툴 톱 상 ·································································· 28

<그림 3-10> 보강판의 모델과 경계 조건 ·············································· 30

<그림 3-11> 피로 추정을 위한 선택된 부위 ···································· 31

<그림 3-12> 셔틀 탱커가 FPSO와 한 줄로 하역 ································· 37

<그림 3-13> 검사 차량 상세 ·································································· 38

<그림 3-14> 출렁거림 운동 시간 영역 동영상의 .스냅 사진 41<그림 3-15a) 복합 사이클의 게략도 43

<그림 3-16> LNG FPSO에 의한 LNG 생산 ······································· 45

<그림 3-17> 목업 시험에 사용된 복합 보온 패널 ······· 50

<그림 3-18> 평 패널과 코너 패널의 유한 요소 법 51

<그림 3-17> 반잠수식 시추 ······································································ 56

<그림 3-19>새 보강법을 위한 응력해석 결과 ····· 53

<그림 3-20> 케비태이션에 의한 액체 제트 54

<그림 3-22> 반잠수식 시추선 55

<그림 3-23> 불규칙 파도에서 시추선의 능동적 들썩거림 보상 59

7

<그림 3-24> 페리보트에 채택된 하이브리드 추진 시스템 60

<그림 3-25> 정상 구동 장치 61

<그림 3-26> 폭발방지기 61

<그림 3-27>. FPSO 천연 가스 컴프레서 63

<그림 4-1> 연도-분야 별 학술 정보 발표 동향 66

<그림 4-2> 국가별 해양플랜트 발표 논문 수 66

<그림 4-3> 연도-국가별 해양플랜트 발표 논문 수 67

<그림 4-4> 주요 연구기관별 논문발표 동향 69

<그림 4-5> LNG Carrier 건조 현항 73

<그림 4--6> 연도별, FPSO, LNG Carrier별 특허 출원 수 75

<그림 4-7> FPSO와 LNG Carrier의 출원인별 특허 출원 수 76

<그림 4-8> FPSO와 LNG Carrier의 출원인별 EP, US and WO에 의한

특허출원 수 77

1

제 1장

서 론

1. 연구의 필요성

○ 해양 플랜트(FPSO)란 해양에서 시추한 석유/가스를 생산, 저장,

운송하기위한 부유식 구조물에 탑재된 플랜트이다. 해양 플랜트 산

업은 유가가 고공행진을 계속하면서 수심 12km까지 작업 가능한

시추선이 등장하여 심해 유전개발이 증가하게 되어 새로운 핵심

에너지 사업으로 부상하고 있다.

○ 해양 플랜트는 조선역량이 강한 한국에 절호의 기회이다. 선진

엔지니어링 기업이 단기간에 조선역량을 확보하기 힘든 상황에

서 한국이 고도의 제작역량을 기반으로 기본설계와 사업경험을

보강해서 ‘제작과 엔지니어링’을 통합한 새로운 비즈니스 모델로

다가 간다면 선진기업보다 한발 앞서 주도권을 가질 수 있다.

○ 국내에서는 대우조선해양(주), 현대중공업 및 삼성중공업이 Drill Ship,

부유식 원유처리, 저장 및 하역 설비(FPSO: Floating Production

2

Storage & Off loading) 및반잠수식사추선(Semi Submersible Drilling

Rig) 분야에서전세계발주량의90%이상을수주․인도하고있다.

○ FPSO와 반잠수식 시추선 분야는 국내 조선 3사가 선체/구조물

설계 및 건조기술은 세계 최고 수준이다. 원유 가스 생산, 액화,

기화 시스템 초기 설계 및 장비 제조 등 Top-side 플랜트 핵심

기술은 미쯔비시중공업, 미쓰이 E&S, IHI, Tokyo Gas 및

Osaka Gas 등 일본 업체가 주로 특허 출원을 통해 적극 참여

하고 있다. LNG-FPSO 등 기술적 난이도에 따른 Top-side

엔지니어링 기술 개발 필요성과 기자재 국산화 기반 구축을

위한 단계적 접근 필요성이 높아지고 있다.

2. 연구의 목적

○ 시추장비는 미국과 노르웨이의 다국적 기업인 National Oilwell

Varco와Maritime Hydraulics 등외국의장비업체가턴키베이스로

독점적으로 공급하고 있으며, 국내 조선 3사는 시추선 분야에 국한

되고있어시추시스템핵심기자재개발필요성이높아지고있다.

3

○ 한국기업은 FPSO 성능해석/평가기술과 해상플랜트 가스 전처리

시스템설계 기술 분야에서 핵심특허를 보유하고 있고 현대중공업

이 LNG-FPSO 독자 모델을 개발 했다. FPSO 성능해석/평가

기술 분야는미국, 노르웨이및 스위스가특허점유율이 높다.

○ 전 세계 해양 플랜트 기술 동향을 조사하고 학술 정보 분석, 특

허 정보 분석을 통해 Drill Ship, LNG-FPSO 및 반잠수식 시

추선 분야 등의 기본설계 개발전략과 기자재 국산화 기반 구

축을 위한 전략을 도출하여 한국 해양 플랜트 산업의 고부가

가치를 창출하는데 그 목적이 있다.

3. 연구의 방법

○ 학술 분석은 미국, 브라질, 노르웨이, 멕시코, 중국등 주요

FPSO 플랜트 생산국의 기술을 SCOPUS, Web of knowledge,

Science, NDSL을 토대로 분석하였고 특허 분석은 유럽 특허

청, 한국특허청 한국과학기술정보연구원의 Patent Search

Search를 통해 분석하였다.

4

제 2장

해양 플랜트 기술의 개요

1. FPSO 기술의 개요

○ 해양플랜트산업은 석유, 가스 등 해양자원을 발굴, 시추, 생산하

는 자원개발 활동에 필요한 장비를 건조·설치·공급하는 산업을

말한다. 해양플랜트는 해상플랫폼과 해저시스템 및 이송설비로

구성되며, 해상플랫폼은 형태에 따라 고정식과 부유식으로 구분

하고 용도에따라시추용과 생산용으로나누는것이 일반적이다.

○ 해양플랜트는 안정적인 해양자원을 생산하는 데에 최종적인 목

적이 있으므로, 각광구의 지형, 기후, 생산물 특성 등에 맞춰

최적화되어 있고, 가격보다는 검증된 기술과 품질을 최우선으

로 한다. 또한 자원개발과 연계되어 발전해 온 탓에 북해, 멕시

코만 등 해양광구를 중심으로 노르웨이, 미국, 영국 등의 국가

5

에서 발전하였고, 선진회사 들은 개발과정에서 엔지니어링⇒건

조⇒기자재의 공급사슬 순으로 독점적 경쟁력을 확보하였다.

그림 <2-1>은 FPSO를 보여준다.

<그림 2-1> FPSO

○ 경제성 확보로 최근 생산되는 해양유전의 평균 수심은 ’2001년

1,000m에서 ’11년2,300m로 깊어지고 있고 수심 3,000m 이상의

심해까지 개발이 활성화 될 것으로 보여, 심해용 해상플랫폼

(FPSO, SPAR 등)과 심해저(Subsea) 설비가 시장성장을 주도

할 것으로 전망되고 있다.

2.LNG Carrier 기술의 개요

6

○이용할수있는화물공간이제한된해상수송에서는가능한많은

양의 가스를 수송하기 위해 액화되어야 한다. 가스액화는 대기압

에서 온도를 -163℃로 낮추어서 원래 체적을 99.8% 감소 시킨다,

막 탱크시스템은절연체로지지된매우얇은 1차층(막)으로 구성되

어 있다. 시스템은 선박의 내부 선체에 의해 지지되고, 막 억제 시스

템은 1차 억제에서 누출의 경우를 대비해서 2차 장벽을가져야 한다.

<그림 2-2>는 건조 중인 LNG 선과 <그림 2-3>은 LNG수송선 단

면요소들의정의를보여준다.

<그림 2-2> LNG 선의 요소 정의

7

<그림 2-3> 대우 조선 해양에서 건조 중인 LNG Carrier

○ 두 종류의 막 탱크인 GTT 96시스템과 마크 Ⅲ막 시스템이 두

선도 회사에 의해 개발되었다. GTT 96 막 시스템은 두 개의

동일한 인바 막과 두 개의 독립적인 열 보온 층으로 구성되어

있다. 1차와 2차 인바막은 0.7mm 두께의 36% 니켈강으로 만들

어져 있어 매우 낮은 열팽창계수를 가지고 있다. 양 보온층은

펄라이트로 채워진 조립식 플라이우드 박스로 구성되어 있다.

<그림 2-4>는 GTT 막 시스템을 보여준다.

8

<그림 2-4> GTT 96 막 시스템

○ 마크Ⅲ막시스템은 1차골판지형스테인리스강과 2차 3중막을포

함한 조립식 보온 패널로 구성되어 있다. 1차 막은 두께가 1.2mm

이다. 폴리우레탄 발포막은 조립식 패널로 되어 있다. 이것은 1차

와 2차 보온재와 2차 막을 포함한다. 2차 막은 두층의 유리 섬유

와 수지사이의 얇은 알루미늄 박판으로 만들어져 있다. 보온재를

정박시키고 하중을 고르게 분산시키기 위해 수지 로프로 내각에

붙여진다. <그림 2-5>는 마크Ⅲ막시스템을보여준다.

9

<그림2-5> 마크 Ⅲ막 시스템

10

3.Drillship 기술의 개요

○ Drillship은 시추장비를 갖춘 선박이다. 주로 심해의 새 유전이나

가스 장소의 해상 탐사 시추에 쓰인다. 드릴십은 유전 보수나 케

이싱과 튜빙 설치와 수중 트리 설치와 같은 완성 작업을 수행하

기 위한 플랫폼으로도 사용될 수 있다. 유전위에 위치를 유지하기

위하여 동적 위치 유지 시스템을 갖는 개조된 선체에 특별한 장

비를갖출 수있다. 이 현대식드릴십의장점은 2,500m 이상의수

심에서 시추할 수 있는 능력과 전 세계 유전 사이를 항해하는데

걸리는 시간 절약이다. 시추하기 위하여 선박 라이저가 유정원을

연결하는 바닥에 있는 펑크 방지기를 갖는 해저에 드릴십으로부

터내려간다. <그림 2-6>은 드릴십을보여준다.

<그림 2-6> 드릴십

11

제 3장

해양 플랜트 기술의 동향

1. FPSO 연구 동향

가. FPSO 계류 시스템

○ <그림 3-1>과 <그림 3-2>에 보이는 FPSO 구조물은 FPSO의변

위가 라이저 시스템에 의해 수용할 수 있는 규정된 경계 내에 머

무름을 보증하는 계류 시스템에 의존한다. 계류 시스템의 완전성

은계류선중하나의실패가재앙을가져오므로매우중요하다.

<그림 3-1> 현장의 FPSO

12

<그림 3-2> 펼친 계류, 이출선, 및 수직탑을 포함한 FPSO 형상

○ 서부 아프리카에 있는 FPSO 계류 시스템의 신뢰성 수준을 재

평가 한 연구가 바람, 파고 및 조류를 포함한 환경에서 현장

데이터와 동시에 측정한 FPSO 변위와 계류 라인 인장력을 사

용하여 수행되었다. 이 분석을 통해 서부 아프리카의 계류 시

스템 설계를 다룰 반응기반 설계의 타당성이 확립되었다.

○ 연구의핵심발견사항은①조류와풍속의방향효과가환경모델

링에포함되어야한다, ②조류속도는특정하중조건을위한압

도적변수이다, ③ 100 년대응의측면에서, I-FORM방식에의한

설계점에서얻은최대값이 DSA에서추정된극단적인값과일치

하는동일한하중조건(즉, 12～15.5M범위내의평균드래프트인

평형조건)에서비교될수있다. 이 사례연구결과는현재고전

13

적설계규칙에포함된보수적수준을평가할수있다. 1)

○ 나란히 계류된 선박의 기본적 상호 특성이 수치적 및 실험적으

로 조사되었다. 일반 모드 접근법과 결합된 고차원 경계 요소

법(HOBEM: higher-order boundary element method)이 나란히

계류된 다수 선박(LNG FPSO, LNGC 및 서틀 탱커)의 운동과

표류력을분석하기위하여적용되었다. 모델시험이규칙적불규

칙적 파도에서 수치 연구에서 조사된 같은 부유체에서 수행되었

다. 세 선박의 전역적 및 국부적 운동 반응이 계산의 것과 비교

되었는데 만족스럽게 일치하였다. <그림 3-3>은 나란히 계류된

LNG FPSO, LNGC 및셔틀탱커의계류형태를보여준다.2)

14

<그림 3-3> 나란히 계류된 LNG FPSO, LNGC 및

셔틀 탱커의 계류 형태

○ 복잡한 다수 선박의 상호 작용 문제를 예측하기 위한 수치

방법적용은 심해 부유 물체의 동적 계류 분석에 매우 중요하

다. Helmholtz 공진 현상이 LNGC와 나란히 계류한 LNGC

FPSO 의 선박의 중앙부에서 측정된 상대적 파도에서 포착

되었다. 상호작용 강도는 선수 각이 옆 파도에서 마주 치는

파도로 변하면서 감소했다. 시간 영역 모사 결과가 완전 결

합된 시간 지연 함수가 시행되는 한 나란히 계류된 선박의

수직 모드 운동의 실질적 추정을 제공한다.2)

○ M.H. Kim 등은 시간 영역에서 선박/계류/라이저 결합된 동

15

적 분석 프로그램을 6000 피트 수심을 위해 설계된 FPSO

기반 포탑 계류된 탱커의 전역 움직임 모사를 위해 개발하였

다. 선박과 선 역학이 주어진 환경과 경계를 위해 결합된 메

트릭스에서 동시에 해결되었다. 선박 전역 움직임과 계류 장

력이 멕시코 만에서 비 평행 바람-파도-조류의 100년 허리케

인 조건을 위해 해양기술연구센터(ORTC)에서 시험되었다.

○ 같은 사례가 개발된 결합 동적 분석 프로그램을 사용하여 수

치적으로도 모사되었다. 수치 결과가 끝을 자른 계류 시스템

인 OTRC 1:60 모델 시험 결과와 비교되었다. OTRC 측정

에서 얻은 시스템의 강성, 선 인장력 및 자연 주기와 감쇠가

수치 모사된 정적 상쇄와 자유 감쇄 시험과 상당히 맞았다.

수치적으로 예측된 전역 선박 운동도 측정값과 잘 일치했다.3)

○ 온대성 지역의 파랑 조건은 계절적 변화를 가지고 있다. 1년

이나 2년 기간의 풍랑 조건은 그 가간동안의 샘플 데이터에

표시된 것처럼 변화를 보인다. 다양한 서비스 기간에서 바다

상태의 이 통계적 불확실성 때문에 해양 구조물의 파랑으로

유발된 극한 반응과 피로 손상의 변동성을 측정하는 것은

중요하다. 예를 들면, 이 변동성이 다음 검사나 손상 후에 수

16

리까지 구조의 안전을 평가할 때 고려될 필요가 있다.

○ 더구나, 이변동성은이변화가제한된데이터에의한불확실성을보

여서, 제한된기간동안의서비스동작측정과관련을말한다. 북부

북해의1, 2, 4년및29년기간의산포도가FPSO와반잠수식시추

선의파랑유도된반응을결정하기위하여이연구에서적용되었다.

두파랑조건이온대기후를위한대표로고려되었다. 중대한파랑

높이가 하이브리드로그정규와웨이블 모델로 모델링 되었고, 최

고기의조건부분포가로그정규분포에의하여만들어졌다.

○피로응력범위의장기반응이특별한사례로자주사용되는2매개변

수웨이블분포를포함한일반화된감마분포에의해만들어졌다. 극

한값이2매개변수웨이블꼬리모델에의해기술되었다. 29년분포와

비교해서연간분포의변화는분산매개변수, 또는중대한파도높이

의예측된극한값, 또는극한적 피로하중에대한장기적반응에의

한측정에서도상당했다. 극한과피로반응사이의상관성과상당한파

도높이의다양한측정도연구되었다. 높은상관성이관측되었다.4)

○ 가깝게 나란히 위치한 두 개의 부유물사이의 유체 역학적 상

17

호 작용이 LNG-FPSO 시스템을 모델로 연구되었다. 주요 관

심은 파랑 진폭에서 2차인 파랑 표류력과 모멘트에 놓여있고,

1차양의 2차 산물에서 계산될 수 있다. 유체역학 상호작용을

고려한 1차 복사와 회절 문제를 해결하기 위하여 고차 경계

요소법이 직접 두 선박의 전체 해수 표면에 적용되었다.

○ 각 선박의 2차 파랑 표류력이 적분 압력에 근거한 근접장법에

의해 계산되었고, 타당성이 각 선박에 대한 힘의 합을 원거리

장법에 의해 계산된 해당 값과 비교하여 확인되었다. 수정된

Wigley 모델과 4각형 바지 모델의 나란한 배열을 위한 빔 파

랑에서도 조사되었다. 측정 결과는 1차 유체역학힘 뿐만 아니

라 흔들림과 끌어올림의 2차 정상 힘에서도 계산된 결과와 알

맞은합의가있었다.5)

○ 두 선박이 나란하고 가깝게 간격을 둘 때 민감한 유체역학적

효과가 발생한다. 선박이 접근 동작이나 가까운 작업 간격에

서(4m) 위험할 수 있다. 단순 선형 이론은 두 구조물간에 매

우 강력한 유체역학적 상호작용이 예상되는데 이것은 그들 사

이의 간격에 있는 정상 파랑의 여기와 관계가 있다.

18

연구 조건 분석 모델 연구 결과

LNG-FPSO, LNG Carrier

및 셔틀 탱커가 나란히

계류되었을 때 표류력을

결정

일반 모드 접근법과 결합된

고차원 경계 요소법이 운동

과 표류력을 분석하기위해

적용됨.

완전 결합된 시간지연 함수

가 시행되는 한, 나란히 계

류된 선박의 수직 모드 운동

의 실질적 운동을 제공

멕시코 만의 비 평행 바람-

파도-조류의 100년 허리케인

조건에서 선박/계류/라이저

가 결합된 FPSO 기반 터릿

계류된 탱커

선박의 전체적 운동과 계류

인장력이 결합된 동적 분석

프로그램사용.

시스템의 강성, 선 인장력 및

자연 주기와 감쇠가 수치 모

사된 정적 상쇠와 자유 감쇠

시험과 상당히 일치

○ 이것이 파랑력, 운동 반응 및 국부적 자수면 고도에 영향을

주어 큰 힘을 일으킨다. 포텐셜 유동 회절 코드인

DIFFRACT을 사용한 수치 분석 결과는 진동수와 최대 힘의

확대는 간격의 폭에 강력히 의존하고, 부침력은 좌우 동요력

보다 덜 영향을 받는다. 흘수가 증가하면, 반응 진폭 연산자

최대 힘은 증가하고, 저 진동수에서 발생한다. 가까운 간격에

서 최대 흔들림 힘은 고립된 단일 선박의 적어도 4배의 좌우

동요력이 예상된다.6) 이상의 심해에 계류된 해양구조물의 유체

역학적상호작용의 연구결과가 <표 3-3>에 요약되었다.

<표 3-1> 해양 구조물의 유체역학적 상호작용의 연구 결과

19

북부 북해의 FPSO에서 1,2,4

년 및 29년 기간의 파랑으로

유도된 반응

피로응력 범위의 장기반응이

2 매개변수 웨이블 분포를 포

함한 일반화된 감마 분포에

의해만들어짐.

29년 분포와 비교해서 연간분

포의 변화는 극한적 피로하중

에 대한 장기적 반응측정에서

상당히 차이가 있음.

LNG-FPSO 시스템의 모델로

서 나란히 가깝게 위치한 두

부유선박사이의 유체역학적

상호작용

고차원 경계요소법이 두 선

박의 전체 침수 표면에 적용

됨.

측정결과는 횡동요와 부침에

서 1차 유체역학 힘뿐만 아

니라 2차 정상적 힘에서도

계산된 결과와 일치.

LNG-FPSO와 탱커가 나란하

고 가깝게 간격을 둘 때 유

체 역학적 효과

포텐셜 유동 회절 코드인

DIFFRACT을 사용한 수치

분석

진동수와 최대 힘의 확대는

간격의 폭에 강력히 의존하

고, 부침은 좌우동요보다 덜

영향 을 받음. 가까운 간격에

서 최대 좌우동요 힘 은 고

립된 단일 선박의 적어도 4

배가 예상됨.

○ Shaoji Fang등이 구조적 신뢰성 기준에 근거한 위치 계류 시

스템을 제안하였다. 현대 위치 계류 시스템에서 계류선의 실

패를 방지하기 위해 위치 계류 선박이 요구되는 기준 위치로

부터 적은 거리 안에 유지된다. 이 같은 지역안의 안전한 위

치는 모든 계류선의 응력이 인장응력 훨씬 아래로 유지된다.

○ 여러개의 계류선들이응력 한계치를초과하는것을방지하기 위

하여 참고 위치와응력 제어 시스템을결정하는 새로운 알고리즘

을 제안하였다. 각 선의 안전은 게류선 인장에 관계된 역학 효과

20

비용함수가선박위치의순간설정점의최적값을계산하여최소

화 된다. 새 알고리즘의 특징은 측정된 계류선 인장력을 통해 환

경하중영향의직접감시와여러계류선의동시보호능력이다.7)

○ 강 현수선 라이저(SCR: Steel catenary risers)가 북방 북해

의 심해 개발에 고려되고 있다. SCR은 중대한 설계적 도전

을 제시하는 심해의 가혹한 환경에 있는 반 잠수식 시추선이

나 FPSO와 함께 사용된다. 반 잠수식 시추선이나 FPSO에서

큰 수직 운동이 반응하는데, 이는 떨어지거나 터치다운 점

위치에서 강도나 피로 기준을 만족하기 어렵다.

○ SCR 행동의 이해를 개선하고, 가혹한 심해 환경에서 이 같

은 시스템의 설계에 확신을 증가시키기 위하여 반잠수식 시

추선에 연결된 SCR에 대해서 매개 변수 연구가 라이저의 하

중 조건과 피로 수명에 주로 영향을 주는 계수를 다루기 위

하여 수행되었다. 중량이 최적화된 형상이 라이저 설계 중에

적용되었다. DeepC와 결합한 Riflex가 비선형 SCR 구조물

모사의 장기 반응을 위하여 사용된 일차 분석 도구인데 많은

컴퓨터 시간을 필요로 한다. 그래서 모사의 효율과 정확도에

21

영향을 주는 파라미터가 분석 과정에서 연구되었다.8)

○ Andrew J. Grime 등은 해양 선박 계류의 진동수 도메인 반응

모델이 수명 신뢰성의 신속한 추정과 설계 목표 수준에서 극

한 반응을 제공하기 위하여 유사 점근성(pseudo-asymptotic)

의 통합 계획과 결합되었다. 이 방법이 파도가 지배하는 환경

에 있는 대표적 FPSO에 시험되었다. 기존의 단일 폭풍 설계

법과 비교는 100년 기간 반응에서 상당한 변화가 있었다.9)

○ 작업 중, 극한, 손상된, 한줄 실패의 경우 및 설치 하중 조건에

서 FPSO에 설치된 라이자 지지 구조물의 신뢰성 기준 설계

최적화(RBDO: Reliability Based Design Optimization)를 다룬

다. 최적화 문제가 무작위 특성으로 설명된 확률적 두께 변수

가 주어진 목표 신뢰성을 위한 응력 제한을 받는 라이자 지지

구조물의 중량을 최소화하여 결정되었다. 초기 설계 모델이 실

제 FPSO 라이자 지지 구조물 사양에 근거하여 생성되었다.

○ 유한 요소 해석이 NASTRAN을 사용하여 수행되었고, 확률적

최적 해법이반응 표면메타모델을 RBDO의 문맥에서이동최

22

소 제곱법을 거쳐 얻어진다. 불균등 제약함수의 메타 모델링을

위하여 제약 가능한 이동 최소 제곱 근사(CF-MLSM)법이 연구

에 사용되었다. CF-MLSM는 메타 모델기반 RBDO 프로세스

중 제약 함수의 비선형, 가능한 경계 및 무작위 특성에 관계없

이제약가능성을보장하는것을보여주었다. 제안된 RBDO 전

략으로부터의 해법 결과는 다양한 운영 조건에서 개선된 설계

성능을 제시했다. <그림 3-4>는 FPSO 작업 계획을 보여 준

다.10)

<그림 3-4> FPSO 작업 계획

나. FPSO의 구조적 안정성

23

○ 어떤 시스템의 무결점 보존은 현재의 실패 메커니즘은 완화

하면서 위험을 예측, 평가 및 예방하는 것이다. 이것은 예측,

기술적 혁신 및 비상사태를 방지하거나 다룰 적절한 해법을

발견하는 것이다. 위험을 이해하고 관리하는 구조물은 프로

세스의 안정성과 작동 이용성을 증가한다. 이 목적을 위해

위험에 근거한 의사 결정 분석 파라미터의 정확한 추정이

필요하지만 상당한 양의 데이터가필요하다. 관측된 데이터가

한정될 때는 통계적 예측이 베이지안 접근법에 근거한 정보

를 보완하거나 대체하기 위하여 사용될 수 있다.

○ 이 개념이 FPSO 선체 구조의 무결점을 연구하기 위해 적용

되었다. 관찰 된 피해 중 높은 발생률로 인해 부식 손상에

중점을 두고 실시되었다. 실제 관찰된 피해 중 약 반이 부식

퇴화 때문이다. 베이지안 추론의 결과로 조사가 가장 필요한

부위와 해당 검사 간격을 결정하기 위한 기초를 확립하여 다

음 현장 검사를 위하여 개발 되었다.11)

○ 구조 설계 기준을 확립할 목적으로 FPSO 시스템의 결과 평가

와 위험 분석을 위한 일반적 골격이 노출된 사건, 직․간접 실

24

패 결과를 통한 시스템 표현의 문제를 다루는 구조 안정성 합

동 위원회(JCSS: Joint Committee on Structural Safety)에 의

한 최근 작업에 기초하여 소개되었다. FPSO 시스템을 위한 설

계 코드 안전 구성 방식의 위험 기반 보정을 위하여 고려된 시

나리오의 개요가 서술되었다.

○ 이 시나리오는 베이스의 확률 네트워크(BPN: Bayesian

Probabilistic Networks)를 사용하여 포괄적인 위험 진단 모델

에서 표현될 수 있는 것을 보여 주었다. 인간 결과에 관련된

위험 수락 판별 기준은 여기서 개요가 기술되고 논의 된 생활

의 질 지표(LQI: Life Quality Index)에 근거하여 결정된다. 포

괄적 위험 골격과 수용 기준이 결과 모델을 구성하고, FPSO

부품의 구조설계를위한 목표신뢰지수를 결정한다.12)

○ FPSO 윗변 모델의 화재 시 열확산 특성에 대한 바람의 영향

을 검사하기 위하여 계산 유체 역학(CFD: computational fluid

dynamics)의 가능성이 연구되었다. 풍속, 풍향 및 FPSO 윗변

의 기하학적 형상의 영향을 고려하여 FPSO 윗변의 화재 하중

을 확인할 필요가 있다. VLCC 급 FPSO의 1/14 축척된 FPSO

윗변 모델의 풍동 시험과 CFD 모사 결과가 보고되었다.

25

○ 풍동 시험에서 화재의 열원 위치, 풍속 및 풍향이 바뀌고 온

도 분포가 측정되었다. ANSYS CFX(2009) 프로그램이 시험

모델에 수행되었고 결과가 실험 결과와 비교되었다. 바람이

실험 모델의 열 확산 특성에 중대한 영향을 미치고 CFD 모

사가 실험 결과와 잘 일치하였다. 이 연구에서 개발된 이해

가 FPSO 윗변의 화재 공학을 위해 매우 유용할 것이다. <그

림 3-5>은 열원 근처의 온도 분포를 보여 준다.13)

<그림 3-5> 열원 근처의 온도 분포(ANSYS CFX 모사)

(a) 풍속=1.5m/s (b) 2m/s

○ 탄화수소의 분자 온도가 산소와 자연스럽게 산소와 반응하는

점까지 올라 갈 때 산화제의 혼합물과 인화하여 폭발한다.

탄화수소 폭발은 돌풍이나 압력의 급격한 상승을 일으킨다.

폭발 하중하의 FPSO 상부 방화벽의 비선형 구조 반응 분석

26

을 위한 두 가지 실용적 절차법이 개발되었다.

○ 하나는 시간영역 비선형 유한 요소 분석의 사용이고, 다른

것은 저항 함수에 근거한 단일 자유도법이다. FPSO 상부 방

화벽의 돌풍 압력과 충동사이의 관계가 개발되었고 두 방법

의 절차와 결과 비교로부터 각 방법의 장점을 설명하였다.

이 연구의 통찰력 모델링 기법은 해양 구조물의 폭발 위험

평가를 위해 매우 유용하고 실용적이다.14)

○ 스툴(stool)이라고 부르는 갑판위의 모듈지지 구조물의 변형

율과 상대적 이동의 점검을 통해 선박 형상의 오일 생산 시

설에 사용된 모듈형 공정 플랜트를 위한지지 시스템의 구조

거동을 분석하였다. 이 연구의 목적물은 PETROBRAS의

P-53 플랫폼이다. 이 공정 플랜트의 각 모듈은 4개의 스툴과

2개의 미끄러지는 스툴과 2개의 고정 스툴로 지지되어 있다.

데이터 획득을 위한 시스템이 변형율 게이지, 이동량 변환기

및 가속도계와 같은 75개의 센서가 플랫폼에 설치되어 이 점

검을 수행하였다.

27

<그림 3-6> 미끄럼 스툴 톱 <그림 3-7>미끄럼 스툴 톱 상세

<그림 3-8> 고정 스툴 톱 <그림3-9> 고정 스툴톱 상세

○ 측정은 조선소에서 갑판위에 모듈의 설치동안과 최종 위치인

브라질의 Campos 유역의 작업 환경에서 수행되었다. 미끄럼

스툴과 모듈 심 사이에 상대적 이동은 점검 기간을 통해 기

록되지 않았다. 일단 접선력이 추정된 마찰력 범위 내이면

상대적 이동 발생이 가벼운 모듈에서 일어날 것이다. 이 연

구에서 만들어진 관측이 설계자가 정량적 결정을 하는 것을

도울 것이다. 이 관측에 근거해서 미끄럼 장비가 재설계 되

거나 필요한 수정이 수행된 후에 억제될 것이다.15)

28

○ 두 대표적인 변형율 모델인 CSM(Cowper-Symonds model)과

JCM(Johnson-Cook model)의 물리적 의미와 표현이 검토되었

다. CSM과 JCM은저-중간, 중간-고변형률 범위에 적합하다고

알려졌으므로 선박과 선박간, 선박 암초 좌초 및 FPSO 폭발과

같은 해양 사고에 관한 많은 연구가 특히 CSM을 적용했다.

CSM의 재료 상수를 예측하기 위한 공식이 문헌 조사에 소개

되었다. 그 공식의 유효성이 DH-36의 고강도 해양 구조강의

변형율시험 결과와비교하여증명되었다.

○ 두가지다른재료구성방정식의수치모사는폰미제스항복함수

와 Gurson 항복함수에근거한마이크로공학적다공질소성모델

이충격하중을받는보강된판재를위하여수행되었다. 다공성파

괴기준이만약재료상수가적당하게선택되면소성변형과정과

충격 하중에서 최종 파괴를 정량적으로 예측할 수 있다 고 결론을

내렸다.16) <그림3-10>는보강판의모델과경계조건을보여준다.

29

<그림 3-10> 보강판의 모델과 경계 조건16)

○ FTSO 크레인의 시스템 설계와 성능 평가를 위한 절차가 계

산적 접근으로 확립되었다. 비선형 환경적 영향을 고려하여

강건한 설계를 보장하는 유한 요소와 유한 체적법의 연결 분

석이 수행되었다. 동적 하중의 영향을 조사하기 위하여 해상

플랫폼 인양 용량 150톤을 갖는 해상 플랫폼의 크레인의 경

계 조건이 연구되었다. 유한 체적법에서는 계산 유체역학 코

드인 FLUENT를 사용하여 수행되었다.

○ 크레인의 중량, 최대 인양 하중, 계산된 풍압 및 FPSO의 극한

횡동요 운동 과 같은 경계 조건도 상용 코드

MSC/NASTRAN을 사용하여 유한 요소 분석에서 고려되었다.

환경적 조건이 동덕 계수를 사용하여 고려되었다. 변형, 응력

분포 및 피로수명 추정이 통일된 연산 환경에서 수행되었다.

30

<그림 3-14>는 피로 추정을 위한 선택된 부위를 보여준다. 설

계 개념 증명을 평가하기위한 고급 절차가 FPSO 설계와 건조

응용을 위해 제안되었다.

<그림 3-11> 피로 추정을 위한 선택된 부위

○ 샘플해상크레인의결과로부터풍하중(30m/s하에서)과그반응이

해상 크레인의 정상 작동에는 만족스럽다. 그러나 FPSO가 공진

파(극한횡동요운동)를만나면이크레인은국부적으로과응력이

되거나초과 압축 응력으로인해 붐이찌그러진다. 제안된 분석

절차가안전요구와경제적건조를균형잡게할것이다.17)

○ 북해의 정상 파도와 100년 주기에 해당하는 3시간 동안의 설

31

계 폭풍에서 FPSO 플랫폼의 수직 운동과 굽힘 모멘트를 조

사했다. 시험적 프로그램이 바다를 간직하는 탱크에서 조종

된 모델로 수행되었다. 실험 데이터가 극한 수직 응답의 추

정 능력을 평가하기 위하여 비선형 시간 도메인 스트립법의

수치 결과와 체계적으로 비교되었다. 측정과 예측사이의 불

일치 분석이 수치 모델이 2차 비정상 파장이 사용되면 뱃머

리의 상대적 이동과 수직 굽힘 모멘트가 개선될 수 있다.

○ 실험 결과가 설계 폭풍과 비정상 파도에 의해 유발된 최대

응답에 관해서 비교되었다. 목적은 극한 굽힘 모멘트에 대한

정상파의 광련성에 관한 결론이다. 북해 기후를 위해 측정되

고 계산된 최대 굽힘 모멘트가 규정 참고 값과 비교되었는데

예측된 최대 하중이 규정의 최소값보다 약 30% 능가한다.18)

○ 선박, 탱커 및 유사 선박 구조의 크랙과 부식 손상은 용접에 의

해 수리된다. 그러나. 용접은 선박 부분의 폐쇄가요구되므로 값

비싼생산지연을초래하기때문에 FPSO에서는바라지않는열

작업이다. 접합 섬유재료 페치(patch) 수리가 용접과 관련된 열

작업의 위험을 극복하기 위한 대안으로 사용될 수 있다. 패치가

32

손상부위위에접합되어원구조의완전한상태가회복된다.

○ 요구사항은시험실과실물크기수리시연기의경험에서수행된광범

위한시험프로그램에근거한다. 2가지실물크기수리시연이접합페

치수리의타당성을실연하기위해실제부유해상장치에수행되었다.

시연기는오일과가스탐사와생산환경에부딪치는혹독한조건하에

접합복합재수리사용의실행가능성도보여주었다. 첫보수는도어

코너에서자란피로크랙을잡기위해수행되었고둘째보수는심하게

구멍이파인바닥의재료손실을회복하기위해수행되었다.19)

○ 화재와 폭발이 오일과 가스 FPSO 설치의 주요 잠재적 위험으로

확인되었고, 인명, 자산 및 환경에 위험을 제기한다. 현재의 화재

와 폭발평가 도구는 물리적 영향 모델 소프트웨어가 필요하고

APL. ISO 및 공학 실천을 따른다. 그러나 도구는 FPSO와 같은

특정시스템에분명하지않고 FEA를수행하기위하여안전기술

자를 위해 종합적인 안내를 제공하지 않는다. FPSO의 유한요소

분석을위한심사및비교의도구의개발과전문가시스템을도구

에 결합한다. 결과가 FPSO 상갑판의 천연가스, 원유, 메타놀 및

디젤을다루는각장치와모듈에대한체계적이고종합적인평가

를제공하기위해MS 엑셀/VBA를사용하여전산화되었다.

33

○ 이도구는제트기체/액체방출풀의화재크기추정을위한내장된

계산기능과, 다양한누출크기와공정조건에대한개인및장비의

위험을규정하기위하여정량적위험분석(QRA)을수행하는기능을

가지고있다. 제어와회복방법이발표된보고서, 공학실무및관련

기준에근거한전문가시스템으로종합되었다. 사고시나리오에근거

한FFPSO를위한상세한제어와회복방법을규정하기위하여분석

되었다. 폭발평가가물리적효과모델소프트웨어결과를종합하여

수행되었다.

○이도구에서제공되는독특한특색은개인과장비의위험을더정확

하게결정하는것을돕기위한화재와복사열윤곽도와, 화재와폭

발을완화하기위하여요구되는살수시스템의양을증명하기위해

사용될수있는화재용펌프크기가 FPSO레이아웃상에포함되어

있다. 또한데이터입력의유연성(공정데이터, 실패율데이터등)과

사용자인터페이스가안전엔지니어가설계단계에서공정대안심

사와비교, 설계품질체크및설계선택평가하는것을돕는다.20)

○인간과조직에집중해서인과관계모델제안에의한해양안전평가

에기여를목적으로한다, 이방법론은일반적인의미로해양작업에

서고려되는여러위험요소의모델링을수용할수있을것이고, 다

34

른자원으로부터올수있는서로다른유형의데이터를처리할수

있을것이라는점을 제안한다. Reason의스위스치즈모델이포괄적

인해양안전평가틀을형성하기위해사용되었고 Bayesian 네트워

크가(BN) 인과관계모델을구성하기위하여틀에맞게구성되었다.

○ 제안된 틀은 사건의 인과 관계 순서 내의 잠재적 실패를 다

루기 위하여 다섯 수준 구조 모델을 사용한다. 다섯 수준은

근본 원인 수준, 사건 유발 수준, 사건 수준, 결과 수준을 포

함한다, 특정 해양 설치 안전을 분석하고 모델링하기위해 BN

모델이 제안된 다섯 수준 틀의 안내를 따라 확립되었다. 일련

의 사건이 규정되었고, BN 모델에 관한 관련된 사전 조건부

확률이 각 사건의 고유의 특성에 근거해서 부과 되었다.

○ 이 논문은 Reason의 스위스 치즈모델과 BN이 해양 안전평가

에 합동으로 사용 될 수 있는 것을 보여 주었다. 반면, 5 수준

개념 모델이 도식적 설명과 각 실패사건의 발생 가능성의 수

치적 계산을 제공할 수 있는 BN에 의해 향상된다. Bayesian

추론 메커니즘이 정보 흐름이 네트워크 내에 속속들이 퍼지

면 안전 상황이 어떻게 변하는 가를 점검할 수 있다.

35

○ 반면, BN 모델은 전문가의 경험에 심하게 의존해서 매우 영역 특

정적이다. 산업체에 영향은 스위스 치즈가 이론적 틀이어서 공고

행동 이론에 근거해서 산업체에 BN 모델링과 영향을 위한 로드맵

을제공하기위해사용될수있다. 작업 중인간과조직요소에의

해 야기된 FPSO와 인가 받은 선박사이의 충돌 위험성 사례 연구

가제안된방법론의산업적으용을설명하기위해사용되었다.21)

○ 동적위치제어(DP; Dynamic Positioning) 셔틀 탱커의 한 줄로

하역에서 떠남은 FPSO의 잠재적 심각한 결과를 초래하는

충돌 위험을 제기한다. 한 줄로 하역 작업하는 FPSO와 탱

커의 충돌의 2 단계 확률 모델이 개발되었다. 이 모델에 근

거한 분석의 첫 부분은 탱커가 떠날 때의 시나리오이다. 발

견은 한 줄 하역에서 탱커가 떠나는 빈도가 높다. 사건 분석

에 근거해서 탱커가 떠날 때 자주 일어나는 과도한 치밀어

오름과 요잉(yawing)처럼 실패하기 쉬운 상항이 확인되었다.

36

<그림 3-12> 셔틀 탱커가 FPSO와 한 줄로 하역

○ 탱커의떠나감발생을궁극적으로감소시키는과도한치밀어오름과기

우뚱해짐을제거하는방법이제안되었다. 분석의두번째부분은떠나

가는시나리오에서탱커의동적위치제어(DP: Dynamic Positioning)

운영자에의해시작된회복활동을다룬다. 대다수의작업자에의해선

호되는회복전략이주어질때, 분석자들은회복실패확률이DP운영

자가탱커가떠나가는시나리오에서회복활동을시작하기위한시간

때문에아직높은것으로나타났다. 가용시간을증가하고운전자반응

시간을감소하기위한방법이회복실패를감소하기위해제안되었다.22)

○해상오일생산에적용된선박기반부유식단위의선체부식에의

37

한표면적인결함의수중비파괴검사를위해개발된자동초음파

기반 시스템이 설명되었다.32) 이 시스템의 주 장점은 생산이 정지

할필요가없고오일탱커가선체검사공정동안비어있을필요

도없다. 검출확률커브조사에의한시스템신뢰성이강조되었다.

<그림 3-13> 검사 차량 상세

○ FPSO 건조를 위해 적용된 모재와 HAZ의 구속으로 인한 파괴

인성 영향의 연구가 수행되었다. 시험 방법은 일반적으로 구속

조건의영향을모호하게할수있는기존의 HAZ CTOD 시험과

관련된 과도한 분산을 피하는 구속 조건의 다양한 수준에서

HAZ 균열 선단 개구 변위(CTOD) 파괴 인성을 연구하기 위해

적용되었다.32) 연구 목적은 Ainsworth와 O’Dowd의 구속 수정된

파괴평가 접근법에서재료 의존구속 매개변수를 결정하고반

38

타원 표면 크랙을 갖는 강판에서 구조적 구속에 적용되는 문헌

정보에근거한방법을개발하기위함이다.

2. LNG 케리어 연구 동향

○ 선미 하역 작업에서 FLNG선과 LNG선이 병열 파랑, 바람 및

조류가 결합된 조건에서 FLNG 시스템의 유체역학적 성능이

수치모사와 축소 모형을 사용하여 조사되었는데 상당한 좌우

흔들림을 받는다. LNG선이 FLNG선보다 더 심한 옆으로 미

끄러짐을 보인다. 단일 밧줄에 비교해서 이중 굵은 밧줄 연결

이 FLNG시스템의 더 좋은 안정성을 제공한다. 시스템은 거

리가 증가하면 더 불안정해지고 관계는 비선형이 된다.23)

○ 다른 화석 연료에 비교하여여러 가지 장점으로 인해천연 가스

수요는 앞으로 분명하게 증가하여 정지된 해상 가스 유전을 매

력적으로만들것이다. 심해에고립되어있어서부유식천연가스

설비(FLNG: Floating Natural Gas)가 개선된 냉동 프로세스와

격납 시스템 및 출렁임 문제를 일으키는 계속해서 변하는 탱크

체적을다룰방법을포함한새로운 FLNG 시스템이개발되었다.

39

○ FLNG 플랫폼은 수명 기간 중 터릿 계류 시스템에 의해 지정된

장소에머무른다. 점성횡동요감쇠가서서히변하는2차표류력에

큰영향을준다. 잠재적흐름회절분석에서점성흐름영향이없기

때문에비현실적으로파랑공진이일어난다. 차단효과는조류력을크

게변화시켜서선박의거동을변화시킨다. 단일과복수선박사이의

유체역학적상호작용의비교는상당한차이의반응을보인다.

○ 액체 운반선의 파랑 유도된 반응은 내부 액체의 운동에 의하

여 영향을 받고 탱크 내의 액체 유동은 선박 운동에 의하여

변경된다. 선박 운동과 내부 액체의 출렁거림 사이의 연결이

주파수 영역에서 선형 포텐셜 이론에 근거해서 연구되었다.

수치 모사 결과는 횡 동요 운동의 최대 주파수가 탱크 출렁

거림 때문에 이동될 수 있다.

○ 2차 최대 주파수가 자연 출렁거림 근처에서 일어나고 그 영향

은 충진 비가 증가하면서 증가한다. 이는 수치 분석과 실험 결

과에서 관측된다. 종 동요 진폭은 맞 파랑에서도 횡 동요에 비

해 내부 탱크의 출렁거림에 의해 덜 영향을 받는다. <그림

3-14>운 운동-출렁거림 시간 영역 동영상의 스냅 사진을 보

여 준다.24)

40

<그림 3-14> 출렁거림 운동 시간 영역 동영상의 .스냅 사진

○ 해상 액화 천연가스(LNG)탐사와 생산의 유연성과 경제성의 이

점 때문에 LNG-FPSO(floating production storage and

offloading unit for liquefied natural gas)가 최근 세계적 주

의를 끌었다. LNG-FPSO에서 LNG 수송선까지 LNG 수송을

위한 하역시스템은 LNG-FPSO에서 가장 중요한부분이다. 파

이프라인의질량유동율, 높이차와같은주요파라미터의해상

관련유전의 LNG 하역성능에미치는영향이조사되었다.

○ 전형적해상 LNG 하역시스템에근거한모델이처음으로확립되었고,

모사가수행되었다. 지배방정식이모사와함께파라미터의효과를평가

41

하기위해사용되었다. 펌프수두와증발가스량(BOG: Boil Off Gas)의

비용균형의실용적설계를위한경제적질량유동율이있는것을발견

하였다. 파이프라인높이차가필요한펌프수두의증가와압력변화의

피해를위해고려되어야한다. 지름, 파이프라인의등가조도및LNG성

분과같은LNG성능에대한다른매개변수의영향도논의되었다.25)

○ 액화 천연가스(LNG)가 에너지 운반체로서 극저온 사용의 현재

상황이 평가되었다. 극저온에서 에너지 저장은 내부 에너지 감

소를 통해 엑서지를 증가시킨다. 극저온은 일반적으로 사용되

는 열에너지 저장 매체보다 높은 에너지 밀도를 갖고, 극저온

은 낮은 임계온도 때문에 하급 열 회복을 위한 효율적인 작업

매체가 될 수 있다. 만약 상급 열원이 있으면 Brayton 사이클

과 직접 팽창의 결합이 대부분의 극저온을 위해 극저온 엑서지

를 추출하기위한가장 효율적인방법이다.(<그림 3 -15a>)

42

<그림 3-15a) 복합 사이클의 게략도 (d)직접 팽창 -Brayton hybrid 사이클(C -

컴프레서, CB - 연소, CD - 콘덴서, CP - 급냉 펌프, G - 발전기, GT

- 가스 터빈, HE - 열 교환기, P - 펌프, ST -스팀 터빈)

○ 만약 대기/저급 열원 만 있다면 직접 팽창과 Rankine 사이클

결합이 압축 과정에서 낮은 전력 소비 때문에 더 매력적이고,

CO2 포획을 고려한다면 더 유망하다26)(<그림 3-15b>

43

<그림 3-15b> 복합 사이클의 개략도(a) 직접 팽창 Rankine

hybrid 사이클)

○ 천연가스의 증가하는 수요와 함께 육상 LNG 플랜트 대신, LNG

FPSO에대한연구가증가하고있다. <그림 35>는 LNG FPSO에

의한 LNG 생산을보여준다. 에탄, 프로판, 부탄및메탄의혼합

냉각제로 천연가스를 예냉하고, 그 다음, 다른 일련의 혼합 가스

(질소, 메탄, 에탄, 프로판)로 천연 가스를 액화하는 2중 혼합 냉

각(DMR: dual mixed refrigerant) 사이클은액화사이클중에최

고의 효율을 가진것으로 알려졌고 LNG FPSO에 가능한 응용을

위해시험되었다. 이연구에서 DMR 사이클을위한최적작업조

건은전력효율을고려해서결정되었다.

44

<그림 3-16> LNG FPSO에 의한 LNG 생산

○ 이를위해DMR 사이클의수학적모델이단일혼합냉각제(SMR)

사이클의 수학적 모델을 만든 과거 연구 결과를 참조하여 이 연

구에서 만들어 졌다. 마지막으로 만들어진 수학적 모델로부터 최

적 운영 조건이 유전 알고리즘과 순차적 2차 프로그램으로 구성

된하이브리드 최적프로그램을 사용하여얻어 졌다. 그 결과 결

정된 최적 운영조건에서 요구 전력은 특허와 비교해서 34.5% 감

소했고, 과거관련연구의해당값과비교해서 1.2%감소했다.27)

○ 액화는 부유식 플랫폼의 핵심 부분이다. 어떤 전문가와 설계자

들은 부유식 플랫폼을 위해 혼합 냉동 프로세스를 선택하는 반

면, 어떤전문가는 팽창사이클을추천한다. 이 연구는남중국해

의특별한해상가스와관련된프로페인예냉된혼합냉동사이

클(C3/MRC), 혼합 냉동 사이클(MRC) 및 질소 팽창 사이클(N2

45

팽창기)이 설계되고 연구되었다. 공정이 성능 파라미터, 경제적

성능, 레이아웃, 운동의 민감도, 다른 가스원에 적합성, 안전과

작업성 및 해양 환경에서 LNG-FPSO의 특징 처리를 포함한 주

요요소를고려하여체계적으로비교되었다.

○ 결과는 N2 팽창기가 높은 에너지 소비와 빈약한 경제적 성능

을 가진 반면, 간단하고, 더 콤팩트해서 적은갑판 면적이 필

요하고, LNG-FPSO 운동에 덜 민감하고, 여러 가스원에 더

적합하고, 더 높은 안전도를 갖고 있고, 작업하기 편해서

C3/MRC와 MRC보다 훨씬 유리하다. 그러므로 N2 팽창기가

가장 적합한 해양 액화 프로세스이다. 또한 엑서지 분석이 N2

팽창기를 위해 수행되었는데 결과는 압축 장치와 아프터쿨러,

팽창기 및 LNG 열 교환기가 전체 엑서지 손실을 가져왔다.

이 손실을 감소하는 방법이 논의 되었다.28)

○ 오래동안외딴해양가스매장량의심해석유자원을여는것은도

전이었다. 많은지역에서천연가스는충분하나수송도전과비용때

문에시장에접근이부족하다. 대부분의대형해양가스발견은완

료하였고오일과관련한가스는재주입되거나태웠다. 더매력적

인선택은FPSO선박에서가스를액체제품으로변환하는것이다.

46

○ 그러나 종래의 공정 기술은 고도로 공간과 중량이 억제된 부

유식 선박에서 작업하기에 적합하지 않고, 악천후 동안 선박

의 안정성을 유지하기 힘 든다. 개발 중인 마이크로채널 공정

기술은 천연 가스에서 해양 메탄올 생산하기 적합한 강화된

공정을 제공해서, 손대지 않은 막대한 천연 가스 보존을 이용

한다. 마이크로채널 공정 기술은 개별이나 2～3개의 단위 작

업에 적용되나 전체 화학 공장에는 적용되지 않고 복수 반응

기상 분리와 제품 청정을 위한 증류를 포함하고 각각은 새로

운 시스템으로 설정된 마이크로채널 기반 단위 작업이다.29)

○ 선박 운동과 탱크 내 출렁거림 사이의 연결과 상호 작용이 시간

영역모사계획에의해조사되었다. 시간영역모사에서유체역

학계수와파도력이주파수영역에서포텐셜 이론에근거한 3차

원 회절/복사 강판 프로그램에 의해 얻어졌다. 그다음, 시간 영

역에서운동의해당모사가회선적분법을사용하여수행되었다.

탱크의액체 출렁거림이너비에 스토크스해법에 의해 시간영역

에서 모사되었다. SURF 계획 유한 요소법이 액체 출렁거림의

직접 모사를 위해 적용되었다. 계산된 출렁거림 힘과 모멘트가

선박운동에외부여기로적용되었다.

47

○ 계산된 선박 운동이 액체 출렁거림의 여기로 입력되었고, 그것

이 뒤 이은 시간 단계에서 반복되었다. 비교를 위해서 선형 포

텐셜 이론에 근거한 출렁거림 코드를 사용하여 주파수 영역에

서연결 계획을독립적으로개발하였다. 내부 탱크의유체역학

계수도 3차원 패널 프로그램에 의해 구해졌다. 개발된 계획이 2

개의부분적으로찬탱크를갖춘바지형 FPSO에 적용되었다.

○ 시간 영역 모사 결과는 MARIN의 실험 결과와 비교했을 때

같은 경향을 보였다. 가장 확연한 연결 효과는 이동이나 피

크 운동 빈도의 이동이나 갈라짐이다. 또한 선박 운동과 액

체 출렁거림 사이의 연결 효과가 채워지는 수준과 함께 확실

히 변화 하는 패턴도 발견되었다. 독립적인 빈도 영역 연결

분석이 관측된 현상을 보여준다.30)

○ 비선형 출렁거림 문제가 수치적으로 모사되었다. 과도한 출렁

거림 동안 출렁거림으로 유도된 충격 하중이 탱크 구조물에

중대한 피해를 일으킬 수 있다. 최근 이 문제가 LNG 탱커와

FPSO의 중대한 연구 과제가 되었다. 구조물에 주는 파도 충

격 하중이 정확한 비선형 자유 표면 조건을 도입하여 수치적

으로 얻어졌고, Morison 공식에 의해 예측된 것과 비교했다.

48

○ 이론적 모델로 탱크에서 3차원 자유 표면 유동이 정확한 비

선형 자유 표면 조건과 퍼텐셜 유동 이론 범위에서 형성되었

다. Hamilton의 원칙에 근거한 유한 요소법이 수치적 방법으

로 적용되었다. 문제는 초기 값 문제로 취급되었다. 비선형

문제가 각 단계에서 반복 계산법을 통해 계산되었다.31)

○ LNG 운반선의 봉쇄 시스템은 이중 장벽과 복합 재료 보온 패

널로 구성되어 있고 LNG의 안전하고 효율적인 수송을 위해

극저온 신뢰성과 고도의 열 보온 성능을 가져야 한다. 접착 결

합된 알루미늄 스트립으로 구성된 2차 장벽은 용접된 스테인

리스 1차 장벽이 실패했을 때 15일간 기밀성을 유지해야 한다.

그러나 -163℃의 극저온에서 국부적 응력 집중과 보온재의 취

성 때문에 복합재료 보온재 패널에서 크랙이 발생한다. 보온

패널에서 발생한 크랙이 2차 장벽으로 전파되면 LNG 누출 이

발생하고 이는 조선 산업에 우려로 남아 있다.

○ 복합재료 보온 패널의 크랙 지연 능력이 유리 섬유 보강으로

조사되었다. 유한 요소 분석이 극저온에서 열응력을 추정하기

위하여 수행되었고 새로운 실험 방법이 2차 복합재료 보온 패

49

널 장벽의 실패를 조사하기 위하여 개발되었다. 실험 결과로부

터 유리 섬유 보강이 극저온에서 폴리우레탄 보온 팔포로부터

알루미늄 2차 장벽으로 크랙 전파를 지연시키는데 효과적인 것

이 발견되었다(Yu et al, 2010). <그림 3-17>은 실물 크기 모형

시험에 사용된 복합재료 보온 패널을 보여 준다.

<그림 3-17> 목업 시험에 사용된 복합 보온 패널: (a) 목업 시험

에 복합 보온 패널의 평 패널과 코너 패널의 계략도

(b) 목업 시험 중 단면 A에 생성된 알루미늄 장벽 크랙

의 계략도와 사진

<그림 3-18>은 평 패널과 모퉁이 패널의 유한 요소 모델을 보여

준다.32)

50

<그림 3-18> 평 패널과 코너 패널의 유한 요소 법: (a) 경계 조건

(b) 미세를 갖는 유한 요소법의 메쉬 형상

○ LNG 수송선의 탱크 크기가 커지면서 LNG의 출렁거림 때문에

LNG 수송선 탱크내의 주름진 격벽 스테인리스강 일차 막의 압력

저항이중요한 문제가되었다. Mark-Ⅲ형 막의압력 저항을평가

하기 위하여 출렁거림 크기에 의한 변형과 국부 변형을 측정하였

고압력저항에대한보강리브의효과가조사되었다.

○ 304L의 저 항복 강도 때문에 대칭 압력을 받을 때 1.6, 3.3 및

3.9 bar의 압력에서 크고 작은 주름 재와 측면 리브를 갖는 큰

주름 재에서 국부 항복이 발생한다. 비대칭 압력은 2.4, 3.5 및

51

5.2 bar 이었다. 소성 좌굴로 인한 주름 진 벽의 붕괴를 유도한

압력은 대칭 압력을 받았을 때 크고 작은 주름 재에서 각각 6과

12 bar이었고, 배 대칭 압력을 받았을 때는 5와 10 bar이었다.

○ 시험 결과는 초기 항복이 주름 재의 붕괴 압력보다 훨씬 낮은

압력에서 발생하고 그 위치는 주름 모양에 의존하는 것을 보여

준다. 또한 비대칭 좌굴 압력이 대칭 좌굴 압력보다 낮은 것이

발견되었다. 주름 재에 보강 리브는 응력 집중 부위를 리브에

가까이 이동만 시켜서 리브가 없는 주름재보다 높은 국부 변형

과 큰 변형을 유발하였다. 새로운 고압에 저항하는 스테인리스

막과 그 보강법이 개발되었다. 분석과 시험 결과, 주름 판재 내

부에 알루미늄 부재 적용법이 막의 유연성을 감소하지 않고 압

력 저항을 크게 개선하는 것이 증명되었다(Kim et al, 2011).

<그림 3 19>는 새 보강법의 응력해석 결과를 보여준다.33)

52

<그림 3-19>새 보강법을 위한 응력해석 결과 (a) 무 압력에서 2

5℃ (b)무 압력에서-163℃ (c) 30bar의 균일 압력에서

-163℃

○ LNG수송선의1차방벽은1.2mm두께의용접된주름진스테인리스304L

강판으로만든다. 25mm스테인리스강막의주름재가극저온에서열응력을

감소시킨다. 그러나주름재단면은LNG유동의캐비테이션충격압력때

문에흔히작업중실패한다. 2차방벽은Triplex라고부르는중앙에 70

두께의알루미늄포일라이너로싼 0.6mm유리섬유직물로만들어

진다. LNG 1차방벽의충격압력은1MPa보다높다.

53

○ LNG는 대기압보다 10% 높은 0.11MPa 압력에서 LNG의 주요 성

분인 액체 메탄의 비등점인 -163℃ 극저온 격납 시스템에서 수행

된다. LNG 유동의변동때문에 LNG 유체압력은주름판재단면

근처나 1차 방벽들사이에서 LNG의 비등압력아래로쉽게감소할

수 있다. 그래서 LNG는 많은 공동(cavity)을 만들고 국부 압력이

유동속도의감소때문에회복되어공동이극적으로붕괴되고 <그

림 3-20>과같은유체분출이발생하여캐비테이션을일으킨다.

<그림 3-20> 케비태이션에 의한 액체 제트

.

○ 캐비테이션으로 인한 분류의충격압력은 어떤 경우에는 400 MPa

에 도달해서 1차 방벽의 주름 판재 실패의 원인이 된다. LNG

캐비테이션으로 인한 충격은 10 수준의 짧은 기간이지만 매

우 크기 때문에 4%의 폴리프로필렌 결합층을 가진 무작위로 배

열된 E-유리섬유 매트로 구성된 진동 격리 층(VIL: Vibration

Isolation Layer)이 LNG 선의 취약성이 있는 포말 보온 판재의

54

충격하중을격리시키기 위하여설계된다(<그림 3-21>).

<그림 3- 21> 진동 격리층의 계략도

○ 수치제어 모사로부터 VIL의 적절한 압축 영율은 2 MPa이었는

데 이것이 400 kg/m3의 유리 섬유 복합재료에 의하여 만족되

었다. 충격 시험으로부터 VIL은 -163℃의 극저온 충격하중 아

래서 퇴화되지 않았고, 400 Kg/m3의 VIL을 가진 충격하중 전

달은 VIL이 없는 것에 비해 단지 20%이었다.34).

3. Drillship과 Semi-submersible Drilling Rig

○ 고정 위치와 저속 동작 활동을 하고 있는 해양 선박의 제어

시스템 설계와 작업에서 구조적 문제가 다루어 졌다. 실시간

제어, 점검 시스템 및 작업 관리 시스템에 관련된 설계 문제

55

가 지적되었다. <그림 3-22>은 반잠수식 시추선을 보여 준

다.

<그림 3-22> 반잠수식 시추선

○ 국부추진기제어, 해상공장제어및국부최적화가동적위치제

어(DP: Dynamic Positioning) 드릴링작업을위해주어졌다. 시추

작업성능이고수준 DP 플랜트제어기설정값유도에서국부최

적화를사용하여개선되는것을보여주었다. 더구나파도와심한

해상상태에서저수준추진기제어고려의중요성이지적되었다.

56

○ 이동식 해양 시추선의 동적 위치제어 시스템이 분석되었다.

장벽 개념에 기반 한 안전 모델 접근이 개발되었다. DP 시추

작업의 안전이 위치, 선체 동작 및 유정 온전성의 손실을 방

지하기위한 세 가지 주요 장벽 기능에 관해 모델링 되었다.

관련된 장벽 요소가 확인되고, 현재 존재하는 결함이 노르웨

이 대륙붕(NCS)의 작업 경험에 근거해서 노출되었고, 각 장

벽 요소를 강화하기 위한 추천이 제안되었다. 이 추천이 NCS

에서 작업하는 DP 시추 작업의 안전을 개선할 것이다. 이들

은 전세계 DP 시추 작업에도 유효하다.35)

○신세대 반잠수식 플랫폼의 원주 기둥 부분으로부터 최대 압

축 하중까지 보강된 패널의 행동이 후 좌굴 조건에서 연구되

었다. 초기의 기하학적 불완전성 모드와 크기 및 구조물의 축

하중 능력의 경계 조건에 크게 영향을 받는 것을 보여주었다.

○ 소규모 축척 모델의 수치-실험 연관성 연구가 실물 크기의 기둥

구조의실패거동의수치모델을규정하기위해수행되었다. 보강

된패널이특정강판에서좌굴시작과기둥실패가진행하는동안

57

종방향과횡방향보강재의상호작용을확인하기위해평가되었다.

○ 실물 크기 보강된 패널의 기하학적 불완전한 분포의 측정이 찌

그러짐 메커니즘을 더 잘 이해하기 위하여 건조 중 수집되었다.

초기의 기하학적 결함이 밀리미터 이하의 정확도를 가진 레이

저기술을 사용한 휴대용 측정시스템에 의하여 측정되었다. 찌

그러짐의 자연적 모드와 일치하지 않는 초기 찌그러짐은 붕괴

강도를증가시키는 경향이 있는 반면, 일치하는 것은 가장 낮은

찌그러짐압축응력을유발했다.36)

○ 불규칙한 파도 여기를 받는 심해 시추선의 들썩거림 보상을

위한 가능한 방법이 조사되었다. 제안된 시스템은 요구되는

결과를 달성하기 위해 연결된 발진기의 유리한 상호작용을

이용한다. <그림 3-23>는 불규칙 파도에서 시추선의 능동

적 들썩거림 보상을 보여준다.

58

<그림 3-23> 불규칙 파도에서 시추선의 능동적 들썩거림 보상

○ 이 연구는 큰 파도 주파수 대역 폭에 걸쳐 잘 수행하는 능동적

으로 제어된 보정기를 검사한다. 어떤 작동 조건아래서 성능이

동적 모델을 사용하여 조사되었다. 불규칙한 파도의 전범위에

서 간단한 수학적 주장과 주파수 영역 계산이 제안된 들썩거림

보정시스템으로 선형한도내에서 유효한것을보여 준다.37)

○ LNG 수송선의 새로운 건조에서 스팀 터빈 추진을 대체하는 대

안의 추진 시스템 수요가 자주 있었다. 이 배경에는 세계적

LNG 수요 증가와 LNG 무역의 세 스타일의 출현이 많은 신규

LNG 프로젝트에서 화물 탱크 용량 증가와 대안의 추진 시스템

의 소개에 의한 수송비 개선에 강한 의도로 이어 졌다. 더구나,

서비스 중인 선박수의 급격한 증가가 스팀 터빈 추진 플랜트에

59

재능을가진추진시스템운전자의심각한부족으로이어졌다.

○ 이 경우가 증발 가스(BOG: boil-off-gas) 재 액화 공장에 의해

대표되는 신기술 개발을 자극하였고 2중 연료 가스 엔진이 연

달아 실용화 되었다. 대체 추진 시스템 개발은 현재 디젤 엔진

응용에 주로 집중해서 촉진되고 있으며, 미쓰비시 중공업이 발

명하고 개발한 LNG 하이브리드 시스템이 소개되었고, 대체

추진 시스템의 최근 추세가 언급되었다. <그림 3-24>은 페리

보트에 채택된 하이브리드 추진 시스템을 보여 준다.38)

<그림 3-24> 페리보트에 채택된 하이브리드 추진 시스템

○ 탄성파 탐사와해석에 의해오일과 가스잠재력이 있는탐사 유

전이시추된다. 시추기술의발전으로쉽게접근할수있는오일

의대부분은 20세기말에개발되었다. 오일의계속되는수요증가

60

를 만족하기 위하여, 그리고 고유가에 의해 조장되어 주요 오일

회사들은 심해를 시추하기 시작하여 심해 해양 시추선이 필요하

게되었다. 해양시추선은보통최대작업수심으로분류된다.

○ 첫반잠수식시추선이 1963년에진수된이래허용시추수심이

발달된 기술로 깊어지면서 많은 반 잠수식 시추선이 시추 산업

을 위해 목적 설계되었다. 반 잠수식 시추선은 얕은 바다에서

3,000m 수심까지를 위해 사용된다.52 정상 구동 장치(top drive

system), 폭발 방지기, 유정 굴착 장치와 동력 시스템, 이수 순

환시스템, 바다속유정지붕시스템이오일가스유전에서해양

시추절차의이해를돕기위해설명되었다.39) <그림 3-25>는 정

상구동장치, <그림 3-26>은폭발방지기를보여준다.

<그림 3-25> 정상 구동 장치 <그림 3-26> 폭발 방지기

61

4. 해양 플랜트 기자재 국산화 현황

○ 2013년 세계 해양 플랜트 시장은 약 720억 달러이고, FPSO는

척당 20억 달러, LNG FPSO는 50억 달러 가량 된다. 이들 해양

플랜트의 대략적인 원가구조는 설계가 약 5～10%, 선체가 30～

35% 내외, 탑재되는 기자재가 약 40～55%를 차지한다. 우리나

라 조선소는 해양플랜트의 생산설계와 생산역량에 세계적인 경

쟁력을 보유하고 있고 기본설계 역량을 위하여 노력 중이며, 전

체 건조원가의 가장 큰 부분을 차지하는 기자재분야는 국산화

비율이 20%미만으로 수입에 의존하고 있어 집중적인 육성이

필요하지만 시장진입의 벽이 높다.

○ 280개 기업이 해양플랜트 기자재 관련 부품 또는 시스템의

공급실적을 보유하고 있으나 이 중 30여 개 기업만이 BP, 토

탈, 엑슨모빌 등 오일메이저와 페트로브라스, 페트로나스 등

국영석유회사의 벤더로 등록한 실적을 보유하고 있으며 해양

플랜트 시장 진출 확대를 위하여 약 160개의 단기 및 중장기

연구개발 계획을 보유하고 있다.

○ 천연가스의 압축을 위해 사용되는 천연가스압축기시스템, 탑사

62

이드 프로세싱에 사용되는 펌프와 압축기 열교환기 등의 탑사

이드 기기의 상태를 모니터링하는 CMS(Condition Monitoring

System) 등을 개발하였으며 BP, Chevron 등 글로벌 에너지기

업의 해양플랜트 프로젝트로부터 천연가스압축기(<그림

3-27)> 등을 수주했다.

<그림 3-27>. FPSO 천연 가스 컴프레서

63

제 4장

해양 플랜트 학술/시장/특허 정보 분석

1. 해양 플랜트 학술 정보 분석

가. 개요

○ 본 학술정보 분석에서는 이 분야에서 세계 최고의 권위를 가

지고 있는 과학인용 색인인 (SCI, Science Citation Index)

database인 Weeb of Sxience (Thomson Reuter)를 활용하여

해양플랜트와 관련된 여러 기술 중에서 본 분석에서는 해양

플랜트의 핵심 기술인 drillship과 최근 각광을 받고 있는 부

유식 원유처리.저장 및 하역 설비, 즉 FPSO(Floating

Prroduction Syorage & Offloading)를 대상으로 조사 분석을

실시하였다. 검색 식은 다음과 같다.

검색식 : Topic = drillship* or (drill* (ship* or rig or

riser)) or FPSO or (Floating Production Storage Off

64

loading)

조사범위 : 2000. 1 - 2013. 5

○ 조사결과 732편의 논문이 검색되었고, 여기서 수작업을 통

하여 이들 논문들을 Drillship과 FPSO를 분류하였다. 분류

결과, 유효 데이터는 513편이었으며, Drillship은 345편,

FPSO는 168편으로 drillship과 관련된 정보량이 더 많은

것으로 나타났다. <그림 4-1>은 연도-분야 별 학술 정보

발표 동향을 나타낸다.

○ Drillship 논문 발표 수는 2005년부터 증가 추세를 보이는

것은 얕은 바다의 오일/가스는 대부분 다 시추해서 소진하

고, 심해에만 탐사 구역이 남아서 심해용에 적합한 drillship

연구가 진행된 때문이라고 생각된다. FPSO 연구 논문 수

는 논문 수의 증가가 완만하게 늘어나는 것을 볼 수 있다.

65

<그림 4-1> 연도-분야 별 학술 정보 발표 동향

나. 국가별 논문 건수

<그림 4-2> 국가별 해양플랜트 발표 논문 수

66

○ 국가별 해양플랜트 논문발표 건수는 미국(1위)이 drillship

논문 건수에서 2위 국가인 중국을 큰 차이로 앞서고, 그

다음이 노르웨이(3위), 영국(4위), 오스트레일리아(5위), 캐

나다(6위), 독일(7위), 일본(8위), 한국(9위) 및 브리질(10

위) 순으로 향후 심해용 드릴십에도 우수한 연구 발표가

요구된다. FPSO 논문 건수는 중국(1위), 미국(2위)에 이

어 한국(3위), 브라질(4위), 노르웨이(5위), 영국(6위) 캐나

다(7위) 독일(8위) 오스트레일리아(9) 및 일본(10) 순이다.

<그림 4-3> 연도-국가별 해양플랜트 발표 논문 수

67

다. 연구 기관별 논문 건수

<표 4-1> 연구기관별 해양플랜트 관련 연구개발 동향 및 품질지수

Institutions논문편

수

피인용

수CPP

품질지

수

Shanghai Jiao Tong Univ(중국) 17 25 1.47 0.33

Univ Western Australia(호주) 16 81 5.06 1.15

Texas A&M Univ(미국) 10 50 5.00 1.14

Norwegian Univ S& T(노르웨이) 9 89 9.89 2.25

Univ Sao Paulo(브라질) 8 29 3.63 0.82

Pusan Natl Univ(한국) 8 7 0.88 0.20

Seoul Natl Univ(한국) 7 6 0.86 0.19

China Univ Petr(중국) 6 2 0.33 0.08

Dalian Univ Technol(중국) 5 2 0.40 0.09

Univ Tecn Lisboa(포르투갈) 5 26 5.20 1.18

Univ Stavanger(노르웨이) 5 20 4.00 0.91

Amer Bur Shipping(미국) 5 33 6.60 1.50

CPP : Citations per Paper

품질지수 : Institution/평균 CPP(=4.4), 이 값이 1이상이면 우수논

문을 많이 발 표하고 있다는 의미를 가지고 있음.

○ 연구 기관별 논문 편수는 중국 Shanghai Jiao Tong Univ(1

위), 오스트레일리아 Univ Western Australia(2위), 미국

Texas A&M Univ(3위), 노르웨이 Norwegian Univ S&

T(4위), 브라질 Univ Sao Paulo(5위), 한국 Pusan Natl

68

Univ(6위), 한국 Seoul Natl Univ(7위) 순이나, 논문의 품질

지수를 따진 우수 논문은 노르웨이 Norwegian Univ S&

T(1위: 품질 지수 2,25), 미국 American Bureau of

Shipping(2위: 1,50), 포르투갈 Univ Tecn Lisboa(3위:1.18),

오스트레일리아 Univ Western Australia(4위:1.15), 미국

Texas A&M Univ(5위:1,14)인데, 한국 Pusan Natl Univ(9

위:0.20), 한국 Seoul Natl Univ(10위:0.19) 순으로 하위권에

놓여 있어서, 노르웨이와 미국 수준으로 우수한 연구 논문의

발표가 요구된다. <그림 4-4>는 주요 연구 기관별 Drill

Ship과 FPSO 논문발표 동향을 보여 준다.

<그림 4-4> 주요 연구기관별 논문발표 동향

l

69

라. 한국 연구 기관별 논문 건수

<표 4-2> 한국 해양플랜트 관련 주요 연구기관 SCI 논문발표수

Institutions Drillship FPSO합

계

1 Pusan Natl Univ 1 7 8

2 Seoul Natl Univ 2 5 7

3 Univ Ulsan 0 2 2

4 Hyundai Heavy Ind Co Ltd 0 1 1

5Korea Res Inst Ships &

Ocean Engn0 1 1

6 Korea Polytech 0 1 1

7 Khan Co Ltd 1 0 1

8Maritime & Ocean Engn Res

Inst0 1 1

9 Hanyang Univ 1 0 1

10 Inha Univ 0 1 1

11 Yonsei Univ 0 1 1

12 KORDI 0 1 1

13 Chosun Univ 1 0 1

14 Korea Inst Sci & Technol 0 1 1

70

No 국명 논문 수

1 USA 165

2 Korea 62

3 Peopl'es R China 59

4 Japan 51

5 Italy 41

6 Canada 31

7 Germany 30

8 France 27

9 Turkey 26

10 England 24

마. LNG-FPSO 액화분야 논문발표 주요 국가

<표 4.-3> LNG-FPSO 액화 분야 국가별 논문 발표 수

(Ministry of Land transport and maritime KOREA, "LNG-FPSO R&D

Report,"2010)

○ LNG-FPSO 액화분야논문발표에서미국논문수가전체 662건

중 165건으로 약 24.9%를 차지하고 있으며, 우리나라는 62건을

발표하여미국다음으로많은점유율(9.3%)을 차지하고있다.

2. 시장 정보 분석

71

가. 해양 플랜트

○ 올해국내조선업계의해양플랜트수주추세가심해시추설비중

심에서원유․가스생산설비중심으로바뀌고있다. 지난해까진해

외대형석유회사의석유탐사를위한시추설비발주가줄을이었

지만, 올해들어선생산설비발주가크게늘고있다. 현대중공업은

올해해양플랜트부문의심해원유․가스생산설비수주액이 53

억달러에달한다. 한편시추설비부문에선올해실적이전무하다.

○ 대우조선해양은 지난해 드릴 십 5척을 포함해서 모두 7척의 시

추설비를 수주했지만, 올해 들어선 한척의 시추 설비도 수주하

지 못했다. 반면, 생산 설비 부문에선 스타토일등 유럽 석유회

사로부터고정식생산 설비 2기 (수주액약 2조 9000억원)을 수

주한 상태다. 세계 드릴십 점유율 1위인 삼성중공업도 지난해에

만 9기의 계약을 따냈지만, 올해 들어선 1기 수주에 그치고 있

다. 시추 설비발주가 줄고 있지만, 1척당 2조원 안팎에 달하는

FTSO의 발주는꾸준히늘어날전망이다.(40)

○ 삼성중공업은 1996년 이후 파도가 심한 해상에서 원유를 끌어

72

올리는 심해저 원유 시추선인 드릴심 시장을 거의 석권하고

있다. 현재까지 전 세계에서 발주된 드릴십 139척 가운데 58

척을 수주 , 시장 점유율 42%로 세계 1위를 질주하고 있다.

삼성중공업은 선박 시장에선 고수익 분야인 LNG(액화천연가

스)선 분냐를 집중 공략할 방침이다, 삼성 중공업은 1996년

이후 전 세계에서 발주된 LNG선 374척 가운데 108척을 수주

했다. 현재 시장 점유율 29%로 세계 1위이다. 올해도 전 세계

에서 발주된 LNG선 12척 가운데 9척을 삼성중공업이 수주했

다.

<그림 4-5> LNG Carrier 건조 현항

○ 세계 에너지 수요가 상승(2035년까지 연평균 1.6%)하고 고유가

73

가 지속됨에 따라 해양에너지원을 발굴·시추·생산하는 해양

플랜트 시장은 ’10년 1,400억 달러에서 20년 3,200억 달러로

급성장할 것으로 전망하고 있다.

3. 특허 정보 분석

가. FPSO 특허 수 추세

4.1. FPSO 와 LNG Carrier 특허 추세

○ FPSO 등에 대한 특허 정보를 분석하기 위해 KISTI G-PASS

(Global Patent Analysis Service System, 세계 33개국 특허정

보 DB)를 통하여 미국, 유럽(EP), 세계특허(WO) 등 3개 특허

사무국에 출원된 특허를 조사하여 분석하였다. 조사 주제는

FPSO와 LNG Carrier를 대상으로 하였다. 조사 기간은 2000년

부터 2013년 8월까지 공개, 등록된 특허를 조사하였다.

74

<그림 4--6> 연도별, FPSO, LNG Carrier별 특허 출원 수

○ FPSO와 LNG Carrier의 특허가 매년 증가 추세이나 FPSO는

2011년 이후 증가추세가 완만한 반면 LNG Carrier의 특허수

는 급격히 증가하고 있다. 이는 미국의 셰일 가스 생산이 증가

하여 FPSO의 발주가 줄어든 반면 LNG Carrier의 특허 출원

수는 계속 급하게 늘어나 계속 인기가 있는 것을 보여준다.

4.2 출원인-분류별 특허출원 동향

75

<그림 4-7> FPSO와 LNG Carrier의 출원인별 특허 출원 수

○ 대우조선해양(주)이 LNG Carrier에서 특허수가 세계 제1이고

삼성중공업이 2위인 것을 보여 준다,

4.3. 출원인-특허출원국별 출원동향

76

<그림 4-8> FPSO와 LNG Carrier의 출원인별 EP, US and WO에 의한

특허 출원 수

○ 대우조선해양(주)이 유럽 특허, 미국 특허 및 세계 특허 등록

에서 단연 1위여서 기술의 우수성을 보여 준다.

4.4. LNG-FPSO Topside 프로세스 엔지니어링의 국가별 회사별

특허 수

77

순

서

미국 한국 일본 유럽

등록

신청자EA

등록

신청자EA

등록

신청자EA

등록

신청자EA

1

Philllips

Petroleum

Co

5

Daewoo

Shipbuilding

Marine

Engineering

7 Hitachi 30 Chart Inc. 4

2

Philllips

Petroleum

Co

3

Samsung

Heavy

Industries

4

Osaka

Gas Co.

Ltd

22

Airproducts

snd

Chemicals

Inc.)

4

3Amin.

Robert3

Airproducts

snd

Chemicals

Inc.)

3

Osaka

Gas Co.

Ltd

10 - -

4Atp Oil &

Gas Corp3 Hyundai H 2

Tokyo

Gas CO

Ltd

8 - -

5Boc

Group3 - -

Mitsubish

iHeavy

Ind Ltd

7 - -

<표 4-4> LNG-FPSO Topside Process Engineering에 대한 국가별 회사별

주요 특허 수

(Korean Intellectual Property Office, "LNG-FPSO Topside Process

Engineering based Technology Patent Trend Report,"2008)

<그림 4-7>과 <그림 4-8>에서 보는 것과 같이 FPSO와 LNG Carrier 특허 출원

수에서 한국 기업이 세계 제1이다. 또한 <표 4-4>에서 보는 바와 같이

LNG-FPSO Topside 프로세스 엔지니어링 기반 기술 분야와 관련된 특허 수(해

양가스 액화)는 일본, 한국 기업 및 미국 기업에 의해 주도되고 있다.

78

제 5장

연구 개발 전략

1. 결론

○ 대우조선해양은 친환경․고효율 선박 개발을 통해 미래 성장

동력을 키워나가고 있다. 2011년 덴마크 엔진 제조업체인 만

디젤과 함께 개발한 선박용 추진 장치. 벙커C유나 디젤을 연

료로 쓰는 기존 엔진과 달리 고압 천연 가스를 주 연료로 쓴

다. 이 장치는 만 디젤이 만든 가스 분사식 엔진과 대우조선

해양이 개발한 고압 천연 가스 주 연료 공급 장치로 구성돼

있다.

○ 동급 출력의 디젤엔진보다 이산화탄소는 23%, 질소산화물은

1%, 황산화물은 최대 92%까지 줄일 수 있다. 이 장치를 1만

4000TEU 컨테이너 운반선에 적용할 경우 연간 약 1200만달

러이상 연료 절감 효과를 거둘 수 있다. 현대중공업은 친환

79

경․지능형 해저 생산 플랜트 설계 안정성 평가 및 심해 설

치 기술 연구를 진행하고 있다.

○ 삼성 중공업은 2012년 영국 해양설비 엔지니어링회사인

AMEC사와 함께 설립한 해양 엔지니어링 합작회사를 해양

플랜트 상부설계와 상세설계를 수행할 수 있는 전문 엔지니

어링 회사로 키울 계획이다.

2. 연구 개발 전략

○ 한국의 대우조선해양․현대중공업․삼성중공업등 3대 조선회사

는 FPSO, LNC선 및 드릴십 등 고부가가치 해양플랜트를 건조

하고 있으나 전기․기계․안전 시스템 등 해양플랜트 기자재의

3분의 2를 유럽․미국 업체에서 사온다. 이 기자재를 움직이는

핵심소프트웨어(SW) 수입률은거의 100%에근접한다.

○ 드릴십의 설게는 영국의 아베바(AVEVA)와 독일의 보캐드

(bocad) 소프트웨어로 한다. 항해 정박 SW 장치는 네덜란드의

CT시스템스(항해․정박용 시스템)와 미국의 맥클라렌(Mclare

80

n․운영체제) 것이다. 안전시스템은 영국의 하니웰 제품으로구

축한다. 하드웨어 에 내장된 고부가 가치 SW 국산화율은 조

선․해양에서 4%에불과하므로 SW인력양성이급선무이다.

3. 정책 제언

○ 현재가장큰비중을차지하고있는파이프라인과 URF 등이송

설비시장의비중은지속적으로유지될 것으로보여이에대한

진입전략도필요한실정이다.

○ LNG Carrier는 고부가가치선박으로 특허 분석에서 한국이 최

근 2000～2013년 특허 출원수가 전 세계적으로 225건 중 198건

으로 88%를 차지해서 단연 앞서고 있고, FPSO 분야 특허도 한

국이 총 65건 중 45건으로 71%를 차지해서 이 분야 특허 등록

을 선도하고 있다. LNG Carrier와 FPSO 안전 장비의 국화 기

반 구축을 위하여 사용 빈도가 많은 기자재를 선정하여 외국과

합작으로 국산화에 도전하여 한국 해양 플랜트 산업의 고부가 가

치를 창출하여야 한다.

81

제 6장

결론

1. 결론

○ LNG-FPSO, LNG Carrier 및 셔틀 탱커가 나란히 계류되었

을 때 완전 결합된 시간지연 함수가 시행되는 한, 나란히 계

류된 선박의 수직 모드 운동의 실질적 운동을 제공한다.

○ 멕시코 만의 비 평행 바람-파도-조류의 100년 허리케인 조건

에서 선박/계류/라이저가 결합된 FPSO 기반 터릿 계류된 탱

커에서 시스템의 강성, 선 인장력 및 자연 주기와 감쇠가 수

치 모사된 정적 상쇠와 자유 감쇠 시험과 상당히 일치하였다.

○ 북부 북해의 FPSO에서 1,2,4년 및 29년 기간의 파랑으로 유

82

도된 반응에서 29년 분포와 비교해서 연간분포의 변화는 극 한

적 피로하중에 대한 장기적 반응측정에서 상당히 차이가 있다.

○ LNG-FPSO 시스템의 모델로서 나란히 가깝게 위치한 두 부

유선박사이의 유체역학적 상호작용 측정결과는 횡동요와 부

침에서 1차 유체역학 힘뿐만 아니라 2차 정상적 힘에서도 계

산된 결과와 일치하였다.

○ LNG-FPSO와 탱커가 나란하고 가깝게 간격을 둘 때 유체 역

학적 효과는 진동수와최대힘의확대는간격의폭에강력히의

존하고, 부침은 좌우동요보다 덜 영향 을 받음. 가까운 간격에서

최대좌우동요힘은고립된단일선박의적어도 4배가예상된다.

○ LNG-FPSO 천연가스 액화 공정에서 DMR 사이클을 위한 최

적작업조건이전력효율을고려해서결정되었다. 결정된최적운

영조건에서요구전력은특허와비교해서34.5%감소했다..

○ LNG 캐비테이션으로인한충격은 10 수준의짧은기간이지만

83

매우 크기 때문에 4%의 폴리프로필렌 결합층을 가진 무작위 배

열된 E-유리섬유 매트로 구성된 진동 격리 층(VIL: Vibration

Isolation Layer)이 LNG 선의취약성이있는포말보온판재에 1

차주름판재로부터의충격하중을격리시키기위하여설계되었다.

○ 국내 280개 기업이 해양플랜트 기자재 시장 진출 확대를 위

하여 약 160개의 단기 및 중장기 연구개발 계획을 보유하고

있다. 해양플랜트교육을 내실화하고 채용 조건형 엔지니어링

전문 대학원 운영 등을 통해 석·박사급 고급인력을 확보하여

야 하고. 천연가스압축에 사용되는 펌프와 압축기 열교환기

등의 기자재를 선정하여 노르웨이 등 외국 선진기관과 기

술제휴나 공동 기술 개발을 통해 국산화에 도전하여 해양

플랜트 산업에서 고부가 가치를 창출하여야 한다.

○ LNG-FPSO FPSO 액화분야 논문 수에서 미국(163편)에 이

어 한국(62편)이 2위이며, 한국 기업이 FPSO와 LNG

Carrier 특허 수에서 각각 제 1위를 획득했다. LNG-FPSO

Topside 프로세스 엔지니어링 기반 기술 분야와 관련된 특허

활동도 일본, 한국 기업 및 미국 기업에 의해 주도되고 있다.

84

참고 문헌

1. E. Fontaine et al, "Reliability analysis and response based

design of a moored FPSO in West Africa", Structural

Safety, 41, 2013, pp.82～961

2. S.Y. Hong et al, "Numerical and experimental study on

hydrodynamic interaction of side-by-side moored multiple

vessels," Ocean Engineering, 32, 2005, pp.783～801

3. M.H. Kim et al, "Vessel/mooring/riser coupled dynamic

analysis of turret-moored FPSO compared with OTRC

experiment", Ocean Engineering, 32, 2005, pp.1780～1802

4. Torgeir Moan et al, "Uncertainty of wave induced­ response

of marine structures due to long­term variation of

extratropical wave conditions," Marine Structure, 18, 2005,

pp.359∼382

5. Masashi Kashiwagi et al, "Wave drift forces and moments on

two ships arranged side by side in waves," Ocean

Engineering, 32, 2005, pp.529∼555

85

6. L. Sun et al, "First and second-ordew analysis of resonant

waves between adjacent barges", Journal of Fluids snd

Structures", 26, 2010, pp.954～97

7. Shaoji Fang etc, "Position mooring control based on a

structural reliability criterion", Structural Safety, 41, 2013,

pp.97～106,

8. Jie Xia et al, "A parametric design study for a semi/system

in Northern North Sea," Ocean Engineering. 35, 2008, pp.168

6～1699

9. Andrew J. Grime et al, "Lifetime reliability based design of

an offshore vessel mooring", Applied Ocean Research, 30,

2008, pp.221～234

10. Chang Yong Song et al, "Reliability-based design

optimization of an FPSO riser support using moving least

square response surface meta-models," Ocean Engineering,

8, 2011, pp.304～318

11. Bruno Vasconcelos de Farias et al, "FPSO hull structural

integrity evaluation via Bayesian updating of inspection

data", Ocean Engineering", 56, 2012, pp.10∼19

86

12. Michael H. Faber et al, "Risk assessment for structural

design criteria of FPSO systems. Part Ⅰ: General models

and acceptance criteria,“ 28, 2012, pp.120～133

13. B. J. Kim et al, "Heat flow analysis of an FPSO topside

model with wind efect taken into account: A win-tunnel test

and CFD simulation," Ocean Engineering, 38, 2011, pp.1030～

1140,

14. Jung Min Sohn et al, "Nonlinear structural consequence

analysis of FPSO topside blast walls", Ocean Engineering,

80, 2013, pp.149∼162,

15. Wagner Mespaque et al, " Analysis of hull-topside

interaction by experimental approach on floating production

unit P-53," Applied Ocean Research, 37, 2012, pp.133～144

16 Joonmo Choung et al, "Impact test simulations of stiffened

plates using the micromechanical porous plasticity model,"

Ocean Engineering, 7, 2010, pp.749～756,

17. Dae Suk Han et al, "Coupling analysis of finite element

and finite volume method for the design and construction

of FPSO crane," Automation in construction, 20, 2011,

87

pp.368∼379,

18. Nuno Fonseca et al, "Numerical and experimental analysis

of extreme wave induced vertical bending moments on a

FPSO," 32, pp.374∼380, 2010

19. D. NcGeorge et al, "Repair of floating offshore units using

bonded fiber composite materials," composites, part A 40,

2009, pp.1364∼1480.

20. Jaffee A. Suardin et al, "Fire and explosion assessment on

oil and gas floating production storage offloading(FPSO): An

effective screening and comparison tool," Process Safety and

Environmental Protection, 87, 2009, pp.147∼160

21. J. Ren et al, "A methodology to model causal relationships

on offshore safety assessment focusing on human and

organizational factors," Journal of Safety Research, 39, 2008,

pp.87∼100

22. Haibo Chen et al, "Probabilistic modelling and evaluation of

collision between shuttle tanker and FPSO in tandem offloading,"

Reliability Engineering & System Safety, 84, 2004, pp.169～186

23. Wenhua Zhao et al, "Hydrodynamics of an FLNG system in

88

tandem offloading operation," Ocean Engineering, 57, 2013,

pp.150～162

24. W. H. Zhao et al, "Recent developments on the

hydrodynamics of floating liquid natural gas(FLNG)," Ocean

Engineering, 38, 2011, pp.1555～1567

25. G. Yan et al, "Effect of parameters on performance of

LNG-FPSO offloading system in offshore associated gas

fields," Applied Energy, 87, 2010, pp.3393～3400

26. Yongliang Li et al, Fundanemtals and applications of

cryogen as a thermal energy carrier: A critical assessment",

49, 2010, pp.941～949

27. Ji-Htun Hwang et al, "Determination of the optimal operating

conditions of the dual mixed refrigerant cycle for the LNG

FPSO topside liquefaction process," Computers and Chemical

Engineering, 49, 2013, pp.25～36

28. Q. Y. Li et al, "Design and analysis of liquefaction process

for offshore associated gas resources," Applied Thermal

Engineering, 30, 2010, pp.2518～2525

29. Anna Lee Tonkovich et al, "Methanol production FPSO plant

89

concept using multiple microchannel unit operations,"

Chemical Engineering Journal, 355, pp.52～ 58, 2008

30. S. J. Lee et al, "The effects of LNG-tank sloshing on the

global motions of LNG carriers," Ocean Engineering, 34,

pp.10～20, 2007

31. Jo Hyun Kyoung et al, "Finite-element computation of wave

impact load due to a violent sloshing," Ocean Engineering,

32, pp.2020～2039, 2005

32. Yong Ho Yu et al, "Cryogenic reliability of composite

insulation panels for liquefied natural gas(LNG) ships", 94,

2012, pp.462～468

33. Byung Chul Kim et al, "Pressure resistance of the of the

corrugated stainless steel membranes of LNG carriers," 38,

2011, pp.592～608

34. Ki Hyun Kim et al, "Vibration isolation of LNG containment

systems due to sloshing with glass fiber composite", 94,

2012, pp.469～476

35. Asgeir J. Sørensen, "Structural issues in the design and

operation of marine control systems," Annual reviews in

90

control, 29, 2005, pp.125～149

36. Tuago P. Estefen et al, "Buckling Propagation failure in

semi-submersible platform column", Marine Structures, 28,

2012, pp.2～24

37. Umesh A. Korde et al, "Active Heave Compensation on

Dri-Dhips in irregular waves", 25, 7, 1998, pp.541～561

38. Masaru oka et al, "Development of Next-Generation LNGC

propulsion Plant and HYBRID System, Mitsubishi Heavy

Industries Ltd. Technical Review 41, 6, 2004, pp.1～5,

39 안병기 등, “반 잠수식 시추선 및 주요장비에 대한 이해,” 한국

해양공학회지, 26, 6,pp.86～92, 2012

40 김기홍 기자, 조선일보 2013년 5월 28일 기사

91

저자소개

신효순

․공학박사

․전, 대우조선해양(주) 전무․연구소장

․현, 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

․저서 : 하이브리드 전기자동차 기술동향, 한국에너지공학회(2009)

해상풍력 기술동향, 한국에너지공학회(2011)

우주탐사용 원격로봇시스템 기술동향, 한국기계기술학회

(2013)

92

요 약

○ 한국기업은 FPSO 성능해석/평가기술과 해상플랜트 가스 전처리

시스템설계 기술 분야에서 핵심특허를 보유하고 있고 현대중공업

이 LNG-FPSO 독자 모델을 개발 했다. FPSO 성능해석/평가

기술 분야는 미국, 노르웨이 및 스위스가 특허 점유율이 높다.

○ FPSO의 계류 안전 및 구조 설계, LNG 탱커 및 Drilling ship 기술

동향을 분석하였고 학술 정보 분석, 특허 정보 분석을 통해 FPSO,

LNG Carrier 및 Drill Ship의 기본설계 개발전략과 기자재 국산

화 기반 구축을 위한 전략을 도출하여 한국 해양 플랜트 산업의

고부가 가치를 창출하는 제언을 하였다.

○ 학술 분석은 미국, 브라질, 노르웨이, 멕시코, 중국등 주요

FPSO 플랜트 생산국의 기술을 Web of knowledge, SCOPUS,

NDSL을 토대로 분석하였으며 특허 분석은 KISTI의 KITAS,

유럽 특허청, 한국특허청을 통해 분석하였다.