원심모형실험을 이용한 해상풍력발전기 전문설치선의 스퍼드캔 제팅 시스템 성능 분석

2.1 인발력(Uplift Force) 산정

WTIV의 레그 인발 가용 용량은 선체의 부력 및 잭업 rack & pinion의 성능에 영향을 받고, 선체 부력에 의해 가장 큰 영향을 받는다. WTIV의 선체 주요요목 및 잭업 rack & pinion의 용량이 결정되면 해당 선박의 인발력 산정이 가능하다. 본 연구에서는 개념설계 단계인 WTIV 주요요목(Table 1)을 고려하여 인발력(uplift force)을 산정하였다.

Table 1

설계 WTIV 주요요목

설계 주요요목에 따라 산정된 부력은 약 25,789톤이며 4개의 레그에 각각 6,447톤이 작용한다. 잭업 rack & pinion의 용량 278톤을 고려한 인발력은 레그 당 6,725톤이다.

2.2 토양 저항력(Breakout Force) 산정

토양 저항력을 산정하기 위한 계산 조건은 다음과 같다.

- Pre-loading : 레그 당 8,000톤
- 스퍼드캔 형상 : 팔각, 높이 3.77m
- 스퍼드캔 아랫면 면적 : 112.8m²

2010년 전력연구원에서 수행한 서해안 해상풍력발전단지 예정부지의 8공에 대한 표준관입시험 결과를 토대로 토양 저항력을 산정하였다. 토양 저항력 산정의 주요인자는 스퍼드캔의 면적, 토질 물성 및 관입 깊이이다. 스퍼드캔의 관입깊이는 공동연구기관(서울대학교)에서 수행한 관입 깊이별 bearing capacity 자료와 pre-loading 8,000톤을 기준으로 스퍼드캔의 관입깊이를 결정하였다.

Osborne^[3]이 제안한 스퍼드캔에 작용하는 토양 저항력Q_breakout은 다음의 식으로 표현된다.

여기서 Q_shear는 스퍼드캔 상부 토질의 수직면에 대한 전단저항력, Q_side는 스퍼드캔 측면에 발생하는 마찰력, W_soil는 스퍼드캔의 상부퇴적 토질의 무게, Q_base는 스퍼드캔 바닥면의 저항력이며 각각의 저항력은 표준관입시험 데이터 중 깊이별 토질의 비배수 강도, 유효 단위 무게 및 스퍼드캔 형상 정보를 이용하여 산정하였다.

관계식에 의해 산출된 최대 토양 저항력은 pre-loading에 의해 36m까지 관입된 상황에서 발생하며 약 5,500톤으로 계산되었다. 8공의 지질조사 지점의 경우 약 5,500톤의 토양 저항력이 산정되었으나, 서남해안 해저 지질은 인접한 구간일지라도 매우 다른 다층 해저토 구간으로 구성되어 있고, 토질 물성 또한 상당한 편차를 보인다. 따라서 정확한 해상풍력발전 단지 예정 지역의 지질조사가 필요하고, 레그의 설치와 인발에 더욱 불리한 구간이 존재할 수 있다. 따라서 제팅 시스템 설계 시 최소 5,500톤 이상의 토양 저항력을 고려하여야 한다.

WTIV의 인발력이 토양 저항력보다 작아 레그 회수가 어려울 시, 잭업 rack & pinion의 구조적 하중 과다 발생 시, 또는 해상풍력발전 단지 조성을 위해 신속한 작업 필요 시, 비상상황의 WTIV 신속한 피항 등의 경우에 제팅 시스템을 이용하여 레그의 인발을 보조할 수 있다.

3.1 제팅 유량 산정 및 펌프 결정

레그 인발 시 스퍼드캔 하부의 토질 접촉면에서는 간극이 형성되고 부의 간극 수압이 발생하여 인발저항이 발생한다. 이를 제팅 시스템을 통해 스퍼드캔 하단부에 해수를 분사시키게 되면 부의 간극 수압이 해소되고 인발저항이 감소한다(Gaudin et al., 2011).^[4] 연속 방정식에 따라 제팅 분사 유량은 다음 식을 통해 산정된다.

여기서 A는 스퍼드캔의 하단면 면적(= 112.8m²)을 뜻하고, dz/dt은 스퍼드캔의 인발속도(= 4m/hr)로 스퍼드캔 한기 당 약 451m³/hr의 제팅 유량이 요구된다.

WTIV는 일반적으로 하나의 제팅 펌프로 2기의 스퍼드캔에 해수를 동시 공급한다. 본 연구에 해당하는 WTIV는 4기의 레그를 갖고 있으며 총 2기의 제팅 펌프가 필요하다. 또한 2기의 스퍼드캔에 각각 451m³/hr의 제팅 유량을 확보하기 위해서는 902m³/hr 이상의 펌프가 요구되고 펌프의 목표 제팅 유량을 1,000m³/hr로 결정하였다. 이에 해당하는 대용량 해상용 펌프의 성능곡선은 다음의 Fig. 2와 같다. 유량 1,000m³/hr로 작동 시 분사되는 유압은 약 5.7bar(= 58m)이다.

Fig. 2.

제팅 시스템 펌프의 성능곡선

3.2 제팅 유압 산정

강한 제팅 분사에 의해 스퍼드캔 주변의 지층에 균열이 발생하면 음압이 발생하는 스퍼드캔 면으로 제팅 유체가 전달되지 못하고, 균열된 경로로 유출될 수 있다. 따라서 스퍼드캔 주변 지층의 전단파괴를 발생시키지 않는 범위내에서 제팅 유압이 결정되어야 한다. 점성토 지반에서의 천공 벽면이 전단파괴를 일으키는 과잉수압은 Aldridge^[5]이 제안하였으며 다음의 식과 같다.

여기서 Δ_u는 과잉수압, S_u는 비배수 전단강도, p_o^’는 수직유효응력, k_o는 정지토압계수를 나타내며 현장 표준관입시험에 의한 토질의 비배수 강도, 유효 단위 무게, 유효응력 해석에 의한 마찰각 및 관입 깊이 정보를 이용하여 산정하였다.

스퍼드캔 주변 지층의 전단파괴 유발 압력은 위의 세 가지 식을 모두 만족시키는 범위로 설정하여야 하므로 결과값 중 최소의 과잉수압을 선택하여야 한다.

WTIV 목표 구동환경의 토질 물성 및 스퍼드캔 관입심도를 기준으로 스퍼드캔 주변 토질의 전단파괴 유발 압력이 2.38bar로 산정되었으며 제팅 노즐에서의 분사 유압 상한치 또한 2.38bar로 결정하였다.

3.3 제팅 배관 설계

제팅 시스템의 구동 환경은 수심 약 45m, 스퍼드캔 관입심도 약 15m 및 WTIV의 상갑판에 배치된 펌프를 고려한 제팅 수직 배관의 길이는 약 70m이나, 서남해안의 수심 및 해저질의 편차를 고려하여 배관 해석을 위한 수직 배관의 길이를 80m로 설정하였다. 상갑판의 펌프로부터 레그까지의 거리는 약 32m로 설정하였으며, 1기의 펌프에서 2기의 레그로 분관이 이루어진다. 제팅 펌프의 성능, 각 배관의 내경, 분기관, 곡관, 밸브, 배관의 길이 등을 설정하였으며 압력손실에 의해 노즐에서의 압력과 유량 강하가 발생하지 않도록 제팅 배관을 설계하였다.

스퍼드캔 1기 당 총 18개의 노즐이 배치되고, 각 노즐에서는 약 27.78m³/hr 의 유량으로 해수가 분사된다. 스퍼드캔 관입 시 노즐에 침투된 토질은 약 5.5bar의 강한 유압분사로 해소시키고, 레그 인발을 시작할 때는 최대 유압 2.38bar 이하로 제팅을 수행함으로써 음압 발생 방지 및 상승력을 유도한다. 설계된 제팅 시스템은 배관 해석 프로그램 PIPENET Standard module을 이용하여 관내 유동 및 노즐에서의 유체 특성을 분석하였으며 제팅 시스템 배관해석의 예는 다음의 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.

PIPENET을 이용한 제팅 배관해석 예

4.1 모형 스퍼드캔의 제팅 시스템 설계

설계된 스퍼드캔 및 제팅 시스템의 성능 검증을 위해 K-water 연구원의 원심모형실험기를 이용하였으며 100g의 환경 구현을 통해 스퍼드캔 모형을 1/100로 축소시켰다(Fig. 5, Fig. 6). 축소모형의 제팅 노즐 직경 및 유량 산정은^[6](Gaudin et al., 2011)에 소개되었으며 다음의 식과 같다.

Fig. 5.

1/100 모형 스퍼드캔 노즐 배치

Fig. 6.

1/100 모형 스퍼드캔

여기서 D_model, D_prototype은 각각 실험모형 및 실스케일모델의 등가면적에 대한 직경을 뜻하며 Q_prototype, Q_model은 실스케일 모델 및 실험모형의 제팅 유량을 뜻한다. α는 노즐 직경 축소에 따른 감소 계수를, n은 원심가속 지수이다. 위 관계 식에 따라 설계된 모형 스퍼드캔의 제팅 노즐 직경은 1mm, 제팅 유량은 0.05m³/hr 이다.

관입된 스퍼드캔의 인발 거동 시 스퍼드캔 하부 면에 발생하는 전압력 및 공극압력의 변화를 측정하기 위하여 스퍼드캔 모형의 하부 면에 1MPa 용량의 TPT(Total Pressure Transducer)와 PPT(Pore Pressure Transducer)를 각각 대칭으로 설치하였으며, 제팅 분사 유/무 실험 비교를 통해 제팅 성능 검증을 위한 데이터로 활용한다.

4.2 원심모형실험 준비

서남해안의 연약지반 토질에서의 제팅 시스템의 성능을 검증하고 신뢰성을 확보하기 위해서 실험 토질 조성이 중요하다. 실제로 서남해안 토질 조사 결과 지층 깊이별 다양한 토질로 구성되어 있으며, 모래질의 토질에서는 스퍼드캔 인발 시 스퍼드캔 하단 면의 토질에 배수 작용이 상대적으로 빠르게 발생하여 점착력 및 인발 저항력이 크게 발생하지 않는다. 반면 점토질의 지반에서는 스퍼드캔 하단면에 인발 저항력이 크게 발생하므로 본 연구에서는 점토질을 모사하여 제팅 시스템 유무를 비교하는데 중점을 두었다. Fig. 7과 같이 인도네시아 산 kaolin과 물을 1:1.5의 중량비로 혼합하여 슬러리를 조성하였으며 배합된 슬러리를 loading actuator를 이용하여 100kPa의 일정한 하중으로 선행압밀을 진행하였다. 선행압밀이 완료된 토질은 원심모형실험기의 100G의 환경에서 토질 침하가 발생하지 않는 시점까지 추가 압밀을 진행하였으며 조성된 토질의 함수비는 60%로 포화단위 중량이 약 16kN/m³이며 이는 서남해안 연약 지반의 점토질 물성과 유사한 결과다.

Fig. 7.

토질 조성을 위한 슬러리 배합

실험을 위해 직경 900mm, 높이 600mm의 1단 토조, 직경 900mm, 높이 400mm의 2단 토조를 준비하였다. 1단토조와 2단 토조를 결합하여 압밀을 진행하였고, loading actuator를 사용한 선행 압밀이 완료된 후 2단 토조를 분리하고 main actuator 등이 설치되는 지그를 결합하였다. 압밀이 완료된 최종 토질의 높이는 약 350mm로 설정하였다. 지그 위에는 5ton 용량의 main actuator와 conepenetrometer를 위한 sub-actuator, 각 actuator의 위치 데이터를 수집하기 위한 LVDT를 설치하였으며 제팅 콘트롤을 위해 수조, 배관 및 밸브 등으로 구성된 제팅 유닛을 설계하여 목표한 제팅 실험 제팅 유량 0.05m³/hr을 제어하였다. 각 실험 시에 조성된 토질의 물성을 확인하기 위하여 cone-penetrometer를 관입하여 토질의 전단 강도를 확인한 후 실험을 진행하였다.

4.3 원심모형실험 프로그램

축소모형 스퍼드캔의 관입 및 인발에 대한 원심모형은 총 3회로 계획되었으며, 첫 번째 실험 SPEnJ은 단일 점토층에 대해 관입/인발이 수행되데 제팅이 적용되지 않은 경우, 두 번째 실험 MPEnJ은 모래층 아래에 점토층이 존재하는 지층에 대한 관입/인발을 수행하되 제팅이 적용되지 않은 경우, 세 번째 실험 SPEJ은 첫 번째와 동일한 단일 점토층에서의 관입 및 인발을 수행하되 인발 시 제팅을 수행하는 경우이다. 세 가지 케이스의 실험 모두 관입 깊이 300mm를 목표로 진행하였다. SPEnJ와 SPEJ를 통해 동일 지층에 대해 제팅 분사를 통한 토양 저항력 감소영향을 평가할 수 있고, SPEnJ와 MPEnJ를 통해 층상구조에 따른 관입 시 지지력 및 인발 시 저항을 비교 평가할 수 있으나 MPEnJ는 다른 두 케이스와 토질 구성이 다르므로 제팅 시스템 자체만의 성능 검증과 무관하여 본 연구 논문에서는 다루지 않는다.

Table 2

원심모형실험 프로그램

모든 케이스에서 동일하게 0.37mm/s의 속도로 관입하였으며, 스퍼드캔이 목표 깊이에 도달 후 다시 관입과 같은 속도로 회수하였다.

4.4 원심모형실험 결과

각 실험 진행 전 cone-penetrometer를 이용하여 콘에 작용하는 저항을 토질 깊이별로 측정하였다. 관입 깊이가 깊어질수록 선형적으로 저항이 증가하는 것을 확인하였으며 최종 관입 깊이 300mm에서 약 0.9MPa로 측정되었다. 깊이별 콘의 저항 측정 데이터를 이용하여 산정된 비배수 전단강도는 콘의 저항과 같이 관입 깊이에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 평균 비배수 전단강도는 약 18kPa로 서남해안 해저지질조사 구간의 연약지반 비배수 전단강도 평균 22kPa과 유사한 범위임을 확인하였다. 탄성계수 또한 평균 약 6MPa로 측정되었으며 연약점토의 탄성계수 범위 2~15MPa에 충족됨으로써 서남해안 점토질으로의 적정성을 확인하였다.

점토층에서의 제팅 유무에 따른 모형 스퍼드캔의 관입 및 인발 시 스퍼드캔 하단면에 부착된 공극압력계의 결과를 Fig. 8에, 스퍼드캔 축 상단에 설치된 로드셀의 결과를 Fig. 9에 각각 나타내었다.

Fig. 8.

SPEnJ와 SPEJ의 공극압력 변화

Fig. 9.

SPEnJ와 SPEJ의 로드셀 변화

Fig. 8은 스퍼드캔 거동 시간별 스퍼드캔 하단면에 설치된 PPT의 압력 변화를 나타내고 있다. 스퍼드캔의 관입 시에는 SPEnJ와 SPEJ 모두 제팅이 작동하지 않고 동일한 조건으로 토질에 관입되고, 스퍼드캔의 인발 시 SPEJ에만 제팅을 수행하여 인발력의 변화를 비교 관찰하였다. 스퍼드캔이 관입되자 두 가지 실험 경우 모두 관입깊이에 선형적으로 공극압이 증가하는 것을 확인하였다. SPEnJ는 관입으로부터 약 750초에서 315mm까지 관입한 후 변위가 고정되었고, SPEJ는 SPEnJ가 중지한 이후에도 계속해서 관입하여 약 900초까지 340mm 관입한 후 변위가 고정되었다. SPEJ는 SPEnJ의 관입 시험을 통해서 관입 깊이에 선형적으로 공극압이 증가함을 확인할 수 있었으며 SPEnJ는 최대 440kPa, SPEJ는 최대 540kPa의 공극압이 측정되었다.

스퍼드캔의 관입이 중지 되어 변위가 고정되었을 때는 토질이 침강되며 배수 작용이 발생하여 압력이 서서히 감소하는 것을 두 실험을 통해 확인할 수 있다. 인발 시에는 스퍼드캔 하단면과 토질 사이에 간극이 발생하고 이에 의해 흡입력이 발생하여 압력이 급격히 강하하고 로드셀에 장력이 발생하는 것을 관찰하였다.

스퍼드캔 인발 시 SPEnJ의 경우 약 360kPa에서 50kPa으로 급격히 공극압력이 감소하였으나, 인발과 동시에 제팅을 수행한 SPEJ의 경우 약 490kPa에서 300kPa으로 공극압력이 감소하여 SPEnJ에 비해 단기간 공극압력 감소량이 120kPa 적게 측정되었다. 제팅 분사를 통해 스퍼드캔 하단면에 인발저항력으로 작용하는 부의 간극 압력이 약 30% 감소한 효과를 도출하였다.

Fig. 9은 스퍼드캔 거동 시간별 스퍼드캔 상단에서 측정한 하중 변화를 나타내고 있다. 인발이 시작됨과 동시에 최대 인장력이 발생하고, 이후 인발이 진행되면서 스퍼드캔 상부 토질의 수직면에 대한 전단저항력, 상부퇴적 토질의 무게, 스퍼드캔 측면 마찰력 및 바닥면의 저항력이 점차적으로 감소하여 최대 인장하중 이후 0으로 수렴하는 것을 확인 할 수 있다. 스퍼드캔 인발 시 SPEnJ의 경우 약 1,500N의 압축 하중에서 2,450N의 인장 하중으로 급격히 전환하였으며, 인발과 동시에 제팅을 수행한 SPEJ의 경우 약 1,150N의 압축 하중에서 2,300N의 인장 하중으로 측정되었다. 스퍼드캔 인발 시 제팅 분사를 통해 지면과의 직접적인 반력이 작용하지는 않으나 스퍼드캔 하단면에 발생하는 공극을 해소하여 약 150N의 인발 하중을 감소시키는 것을 확인하였다. 하중 상사법칙을 적용하면 100배 크기의 실제 스퍼드캔의 경우, 제팅 적용을 통해 약 152.9ton의 인발하중 감소 효과를 예측할 수 있다.