시추선의 라이저 센트럴라이저 장치{A riser-centralizer apparatus of drilling ship}
본 발명은 시추선의 라이저 센트럴라이저 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시추선을 이용한 심해 유전 개발시 라이저 파이프를 선상에서 해저로 업/다운시킬 때에 문풀(moonpool)의 중앙으로 안내하여 선체의 손상을 방지하는 라이저 센트럴라이저 장치에 관한 것이다. 주지와 같이, 근래에는 지구의 부존자원이 급격히 감소되어 지금까지 경제성이 없어 무시되어 왔던 군소의 한계 유전(marginal field)이나 심해 유전의 개발이 경제성을 가지게 되었으며, 따라서 해저 채굴 기술의 발달과 더불어 이런 유전의 개발에 적합한 시추장비를 구비한 시추선이 개발되었다. 이러한 시추선은 기존의 리그선(rig ship)이나 고정식 플랫홈과는 달리 첨단의 시추장비를 탑재하고 자체의 동력으로 항해를 할 수 있도록 일반 선박과 유사한 형태로 제작되며, 그 특성상 해저면을 굴착하기 위한 작업 공간으로서 선박의 중앙에는 대규모의 개구부가 형성되는데, 이러한 개구부는 문풀로 통칭된다. 도 1은 상기와 같은 시추선을 이용하는 심해 유전 개발의 개념도로서, 시추선(1)에 탑재된 시추장비(2)에서 라이저 파이프(3)가 문풀(4) 및 해저(5)를 통과하여 해저면(6)으로 연결되고, 이상 고압이 라이저 파이프(3)를 타고 올라오는 것을 차단하기 위해 해저면(6)에 비오피(BlowOut Preventer; BOP)(7)가 설치되며, 문풀(4)내에는 비오피(7) 및 라이저 파이프(3)의 업/다운시에 라이저 파이프(3)를 문풀(4)의 중앙부로 안내하는 라이저 센트럴라이저 장치(10)가 설치된다. 도 2는 종래 기술에 따른 라이저 센트럴라이저 장치(10)의 구성도이다. 문풀(4)의 격벽(4a)에 8개의 브래킷(11)이 설치되고, 이 브래킷(11)에 결번으로 4개의 암(arm)(12)이 회동 가능하게 힌지(13) 결합되며, 나머지 브래킷(11)에 암(12)의 개수와 동일한 4개의 실린더(14) 본체(14a)가 회동 가능하게 힌지(13) 결합되고, 실린더(14)의 로드(14b) 선단이 각기 해당하는 암(12)의 대략 선측에 회동 가능하게 결합된다. 도면 중 미설명 부호 15는 실린더(14)의 내압을 변화시키기 위해 유압배관과 실린더 본체(14a) 사이에 연결된 가요성 호스이다. 이러한 라이저 센트럴라이저 장치(10)는, 실린더(14)가 압축되어 로드(14b)가 본체(14a)로 인입되면 각각의 암(12)은 해당 실린더(14)의 브래킷(11)이 설치된 격벽(4a)쪽으로 각기 분리된 상태이며, 실린더(14)가 팽창되어 본체(14a)에서 로드(14b)가 인출되면 이 로드(14b)의 인출력이 암(12)의 선측에 전달되어 암(12)과 실린더(14)는 힌지(13)를 축으로 하여 문풀(4)의 중앙부로 집중된 상태가 된다. 그러면, 문풀(4)의 중앙부에는 4개의 암(12)이 마주하는 위치에 사각형의 가이드 홀(16)이 형성되며, 이 가이드 홀(16)에 의해 도 1에 나타낸 바 있는 라이저 파이프(3)의 업/다운이 안내된다. 이와 같이 구성되는 라이저 센트럴라이저 장치(10)의 기능은 심해에서 유전 개발시 비오피(7) 및 라이저 파이프(3)를 선상에서 해저로 업/다운시킬 때에 안전하게 문풀(4)의 중앙으로 라이저 파이프(3)를 안내하여 선체의 손상을 방지하며, 시추 작업 도중에 태풍 등으로 인한 피항시에 라이저 파이프(3)에 의한 선체의 손상을 방지하기 위해 라이저 파이프(3)를 고정시켜 준다. 그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의하면 다음과 같은 문제점이 있었다. (설계상의 문제점) 1. 암(12)이 외팔보로 구성되어 있어 하중이 일점에 집중되므로 이로 인한 선체 보강, 즉 격벽의 두께 증가 및 시트 이면 보강이 요구된다. (설치시의 문제점) 2. 일예로, 9m 길이의 암(12)을 설치할 경우에 1°처짐에 의해 157m/m의 처짐이 발생하므로 기계가공에 의한 장시간의 작업기간이 소요되고, 4개의 암(12)이 중앙으로 모아질 때 한 점에서 만나도록 하기 위해서는 선체와 암(12)의 제작오차에 대한 보상 작업을 힌지(11) 결합시 수행, 암(12)이 중앙에서 거리 및 레벨이 모두 동일하여야 하므로 브래킷(11)의 핀홀 취부시 문풀(4)의 오차와 암(12)의 제작오차를 측정한 후 거꾸로 핀홀을 문풀(4) 내부에서 보링기계를 사용하여 보상해 주어야 하나 현실적으로는 설치정도 관리가 곤란하며, 정확한 조립공차가 요구된다. 3. 설치 전후에 작동 상태를 확인하기 위해서 문풀(4) 전체에 작업자를 위한 족장을 설치하여야 한다. (사용상의 문제점) 4. 선박 운항 중에 파도와 문풀(4) 주위에 발생하는 와류에 의해 가요성 호스(15)가 파손될 우려가 매우 높다. 5. 암(12)의 뒤틀림으로 작동이 원활하지 못하다. 6. 원형의 라이저 파이프(3)와 가이드 홀(16)의 형상차로 그 악력이 라이저 파이프(3)에 골고루 전달되지 않는다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하고자 제안한 것으로서, 문풀에 종방향으로 수평 이동되는 두 프레임을 설치하고 두 프레임에 종방향으로 대칭되게 각각 취부부재를 부설하여 두 프레임의 상호 교차시에 취부부재가 라이저 파이프를 문풀의 중앙부로 안내·취부하도록 함으로써, 프레임 및 취부부재에 의한 하중이 격벽에 골고루 분산되며, 조립공차가 확대되어 설치작업이 단순화되도록 한 라이저 센트럴라이저 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 시추선을 이용하는 심해 유전 개발의 개념도. 도 2는 종래 기술에 따른 라이저 센트럴라이저 장치의 구성도. 도 3은 본 발명에 따른 라이저 센트럴라이저 장치의 사시도. 도 4는 본 발명이 설치된 문풀의 평면도. 도 5는 본 발명이 설치된 문풀의 측면도. 도 6은 본 발명에서 이송수단의 설치 상태도. 도 7은 본 발명에서 이동력 전달수단의 결합 상태도. 도 8은 본 발명에서 프레임 및 안내부재의 결합 상태도. *도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* 100 : 상부 프레임 101 : 빔 102 : 브리지 103 : 고정홈 150 : 하부 프레임 200 : 이송수단 210 : 운용 실린더 300 : 이동력 전달수단 311 : 상부 레크 312 : 하부 레크 313 : 피니언 400 : 취부부재 401 : 암 402 : 보조 암 403 : 가이드 홀 500 : 고정수단 510 : 록킹 실린더 600 : 제어기 700 : 안내부재 710 : 상부 난간 720 : 하부 난간 730 : 중앙 난간
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 시추선의 라이저 센트럴라이저 장치는, 시추선의 문풀에 설치되어 비오피 및 라이저 파이프의 업/다운을 안내하는 라이저 센트럴라이저 장치에 있어서: 상기 문풀을 가로질러 횡방향의 두 격벽에 지지되어 종방향으로 수평 이동이 가능하게 설치된 상부 프레임과, 상기 상부 프레임이 하부에서 상기 문풀을 가로질러 상기 두 격벽에 지지되어 종방향으로 수평 이동이 가능하게 설치된 하부 프레임과, 상기 두 격벽에 각각 고정 설치되어 상기 두 프레임의 수평 이동로를 제공하는 안내부재와, 상기 두 프레임 중에서 어느 하나의 프레임에 수평 이동력을 제공하는 이송수단과, 상기 두 격벽 중 적어도 어느 하나의 격벽에 고정 설치되어 상기 어느 하나의 프레임에 제공되는 수평 이동력을 힘의 방향을 반전시켜 다른 프레임에 전달하는 이동력 전달수단과, 상기 두 프레임에 상호 종방향으로 대칭하게 각각 일체로 부설되어 상호 교차하는 상기 두 프레임에 의해 대향 이동되어 상기 라이저 파이프를 상기 문풀의 중앙부로 안내·취부하는 취부부재를 포함한다. 바람직하기로, 상기 두 격벽 중 적어도 어느 하나의 격벽에 고정 설치되어 상기 두 프레임의 수평 이동을 제한하는 고정수단을 더 포함한다. 선택적으로, 상기 각각의 프레임은 상기 두 격벽에 각각 근접 평행하는 한 쌍의 빔과, 이 빔의 선측을 서로 연결하는 브리지를 포함하며, 상기 두 프레임은 상기 각각의 브리지가 서로 반대 방향에 위치되도록 배치되고; 상기 각각의 취부부재는 상기 빔의 소정 위치와 상기 브리지의 소정 위치를 곡선 또는 다각으로 연결하며 선체 중심선을 기준으로 대칭하는 복수의 암을 포함하며; 상기 두 프레임의 상호 교차시에 상기 암은 상기 문풀의 중앙부에서 상기 라이저 파이프 형상의 가이드 홀을 형성한다. 이와 같이 하면, 프레임 및 취부부재에 의한 하중이 격벽에 골고루 분산되며, 조립공차가 확대되어 설치작업이 단순화되고, 설치 전후에 작동 상태의 확인이 용이하며, 슬라이딩 방식으로 동작되므로 안정적인 동작 특성을 나타내고, 라이저 파이프와 가이드 홀의 형상이 유사하여 그 악력이 라이저 파이프에 골고루 전달되는 것이다. 본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다. 도 3은 본 발명에 따른 시추선의 라이저 센트럴라이저 장치에서 그 주요 구성만을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명이 설치된 문풀의 평면도로서, 도 4a는 동작전 상태도이며, 도 4b는 동작후 상태도이고, 도 5는 측면도이다. 이에 나탄낸 바와 같이 본 발명에 의한 시추선의 라이저 센트럴라이저 장치는, 문풀(4)을 가로질러 횡방향의 두 격벽(4a)에 지지되어 종방향으로 수평 이동이 가능하게 설치된 상부 프레임(100)과, 이 상부 프레임(100)이 하부에서 문풀(4)을 가로질러 두 격벽(4a)에 지지되어 종방향으로 수평 이동이 가능하게 설치된 하부 프레임(150)과, 두 프레임(100,150) 중에서 어느 하나의 프레임(100)에 수평 이동력을 제공하는 이송수단(200)과, 두 격벽(4a)에 각각 고정 설치되어 하나의 프레임(100)에 제공되는 수평 이동력을 힘의 방향을 반전시켜 다른 프레임(150)에 전달하는 이동력 전달수단(300)과, 두 프레임(100,150)에 상호 종방향으로 대칭하게 각각 일체로 부설되어 상호 교차하는 두 프레임(100,150)에 의해 대향 이동되어 비오피를 해저로 내릴 때 비오피를 안내하고 라이� � 파이프(3)를 문풀(4)의 중앙부로 안내·취부하는 취부부재(400)와, 두 격벽(4a)에 각각 고정 설치되어 두 프레임(100,150)의 수평 이동을 제한하는 고정수단(500)과, 이송수단(200)에 내장되어 수평 이동력에 의해 이동된 두 프레임(100,150)의 위치를 측정하는 감지수단(도시 생략됨)과, 이 감지수단의 측정값과 기 설정된 프로그램에 따라 이송수단(200)을 제어하여 두 프레임(100,150)의 위치를 조정하는 제어기(600)와, 두 격벽(4a)에 각각 고정 설치되어 두 프레임(100,150)의 수평 이동로를 제공하는 안내부재(700)로 구성된다. 상부 프레임(100)과 하부 프레임(150)은 두 격벽(4a)에 각각 근접 평행하는 한 쌍의 빔(101)과, 이 빔(101)의 선측을 서로 연결하는 격자 구조의 브리지(102)로 이루어지고, 각각의 브리지(102)는 두 프레임(100,150)의 서로 반대 방향에 배치된다. 각각의 취부부재(400)는 빔(101)의 소정 위치와 브리지(102)의 소정 위치를 곡선 또는 다각으로 연결하여 선체 중심선을 기준으로 대칭하는 복수의 암(401)과, 이 암(401)과 빔(101) 또는 브리지(102)와의 사이를 연결하여 암(401)을 지지하는 보조 암(402)으로 이루어지며, 두 프레임(100,150)의 상호 교차시에 암(401)은 문풀(4)의 중앙부에 대략 라이저 파이프(3) 형상의 가이드 홀(403)을 형성한다. 고정수단(500)으로는 록킹 실린더(510)가 격벽(4a)에 고정 설치되며, 이 록킹 실린더(510)의 팽창시에 본체(511)에서 인출되는 로드(512)가 상부 프레임(100)에 형성된 고정홈(103)에 삽입된다. 도면에는 나타내지 않았으나 록킹 실린더(510)는 제어기(600)에 의해 제어되며 유압배관 및 별도의 압력 전달로를 통해 압력을 전달받는다. 이송수단(200)으로는 운용 실린더(210)의 본체(211)가 선체에 고정되고 로드(212)의 선단이 상부 프레임(100)에 결합되며, 감지수단(도시 생략됨)으로는 로드(212)에 길이 방향으로 형성한 내부홀에 내장되는 통상의 디지털 리미트 센서(도시 생략됨)가 사용된다. 제어기(600)의 내부에는 내압차 또는 안내부재(700)의 어느 한쪽에 이물질이 투입되어 프레임(100)의 원활한 진행을 방해할 경우에 프레임(100)이 뒤틀리는 것을 방지하기 위해 디지털 리미트 센서의 신호를 받아 좌우 운용 실린더(210)를 비례제어하는 프로포셔널 밸브(proportional valve)와 PLC(Programable Logic Control)가 장착된다. 운용 실린더(210)는 도 6에 나타낸 바와 같이, 그 본체(211)가 브래킷(213)에 의해 선체에 고정되고, 선체와의 사이에 연결된 가용성의 압력 전달로(214)를 통해 내압을 증감 받아 팽창/압축하여 로드(212)가 인출/인입되며, 운용 실린더(210)와 브래킷(213) 및 압력 전달로(214)는 경질의 보호커버(220)에 내장된다. 이동력 전달수단(300)은 도 7a에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 상부 레크(311)와, 한 쌍의 하부 레크(312)와, 각각의 상부 레크(311)와 하부 레크(312) 사이에 물림 결합된 한 쌍의 피니언(313)으로 이루어지며, 상부 레크(311)는 상부 프레임(100) 빔(101)의 양측단 하부면에 일체로 결합되고, 하부 레크(312)는 하부 프레임(150) 빔(101)의 양측단 상부면에 일체로 결합된다. 도 7b는 피니언(313)을 측면에서 바라본 것으로, 피니언(313)은 브래킷(314)에 의해 그 회전축이 고정 지지되며, 브래킷(314)은 두 격벽(4a)에 동일 높이로 고정 설치된다. 도 8a는 도 4a 또는 도 4b를 측면에서 바라본 주요 부분 확대도이다. 이에 나타낸 바와 같이, 안내부재(700)는 두 격벽(4a)에 동일 높이로 각각 위치되도록 상부 프레임(100)의 상측에 배치된 상부 난간(710)과, 하부 프레임(150)의 하측에서 동일 높이를 형성하도록 두 격벽(4a)에 배치된 하부 난간(720)과, 종방향으로 가운데가 소정 거리에 걸쳐 소실되어 양측으로 분리된 상태로 두 프레임(100,150) 사이의 두 격벽(4a)에 배치된 중앙 난간(730)으로 이루어진다. 상부 난간(710)의 하부면과 중앙 난간(730)의 상,하부면 및 하부 난간(720)의 상부면에는 가이드 바(701)가 설치되고, 두 프레임(100,150)에서 빔(101)의 상,하부면에는 가이드 바(701)와 대응하는 크기의 홈이 패인 가이드 블록(104)이 설치된다. 상부 프레임(100)의 가이드 블록(104)은 그 홈이 상부 난간(710) 및 중앙 난간(730)의 가이드 바(701)에 끼움 결합되고, 하부 프레임(150)의 가이드 블록(104)은 중앙 난간(730)의 가이드 바(104) 및 하부 난간(720)의 가이드 바(701)에 끼움 결합되어, 상부 난간(710) 및 중앙 난간(730)에 의해 상부 프레임(100)의 수평 이동로가 제공되고, 중앙 난간(730) 및 하부 난간(720)에 의해 하부 프레임(150)의 수평 이동로가 제공된다. 도 8b는 안내부재(700)의 중앙부를 측면에서 바라본 것으로, 상부 난간(710)과 하부 난간(720) 사이의 중앙 난간(730)이 소실된 상태이므로 두 프레임(100,150)의 빔(101) 사이에 피니언(313)이 배치된 상태임을 알 수 있다. 상기와 같은 구조로 설치되는 본 발명의 라이저 센트럴라이저 장치는 다음과 같은 동작 과정에 의해 라이저 파이프(3)를 문풀(4)의 중앙부로 안내하여 취부·고정한다. 먼저, 제어기(600)는 운용 실린더(210)의 로드(212)에 내장된 디지털 리미트 센서(도시 생략됨)로부터 측정값이 입력되면 그 측정값과 기 설정된 프로그램(PLA)에 따라 별도의 유압장치를 가동시켜 압력 전달로(214)를 통해 운용 실린더(210)의 본체(211)로 유압을 전달한다. 그러면, 운용 실린더(210)가 팽창되어 로드(212)가 본체(211)에서 인출되며, 이에 로드(212)에 연결된 상부 프레임(100)에는 종방향으로의 수평 이동력이 제공된다. 상부 프레임(100)은 빔(101)의 상,하부면에 설치된 가이드 블록(104)이 상부 난간(710)의 가이드 바(701)와 중앙 난간(730)의 가이드 바(701)에 끼움 결합된 상태이므로 수평 이동로를 제공받아 종방향, 즉 문풀(4)의 중앙부로 미끄러져 이동된다. 이때, 격벽(4a)에 고정된 피니언(313)은 상부 프레임(100)의 하부에 결합된 상부 레크(311)의 직선 운동에 의해 회전되며, 이 회전 운동력은 하부 프레임(150)의 상부에 결합된 하부 레크(312)에 직선 운동으로 제공된다. 즉 상부 프레임(100)의 수평 이동력이 힘의 방향이 반전되어 하부 프레임(150)에 전달되는 것이다. 따라서, 하부 프레임(150)은 빔(101)의 상,하부면에 설치된 가이드 블록(104)이 중앙 난간(730)의 가이드 바(701)와 하부 난간(720)의 가이드 바(701)에 끼움 결합된 상태이므로 이에 의해 수평 이동로를 제공받아 상부 프레임(100)의 수평 이동에 연동하여 반대 방향, 즉 문풀(4)의 중앙부를 향하여 미끄러져 이동된다. 이와 같이 두 프레임(100,150)은 서로 마주보며 미끄러져 상호 교차되며, 이와 동시에 상부 프레임(100)의 빔(101)과 브리지(102)를 곡선 또는 다각으로 연결하는 암(401)과 하부 프레임(150)의 빔(101)과 브리지(102)를 곡선 또는 다각으로 연결하는 암(401)이 서로 마주보며 이동된다. 따라서, 복수의 암(401)에 의해 문풀(4)의 중앙부에 형성되는 가이드 홀(403)은 그 크기가 도 4b와 같이 작아져 종국에는 라이저 파이프(3)의 형상과 거의 유사한 모양을 갖으며, 이 가이드 홀(403)에 의해 라이저 파이프(3)는 문풀(4)의 중앙부로 안내된다. 이와 같은 상태를 디지털 리미트 센서의 측정값을 통해 인식한 제어기(600)는 별도의 압력 전달로를 통해 록킹 실린더(510)의 본체(511)로 압력을 전달하며, 이에 록킹 실린더(510)의 본체(511)에서 로드(512)가 인출되어 상부 프레임(100)에 형성된 고정홈(103)에 삽입된다. 여기서, 록킹 실린더(510)의 로드(512)를 상부 프레임(100)의 고정홈(103)에 정확하게 삽입시키기 위해 좌우 운용 실린더(210)는 제어기(600) 내부의 프로포셔널 밸브를 이용하여 매우 높은 정밀도로 비례제어한다. 디지털 리미트 센서의 위치 측정값을 전달받은 프로포셔널 밸브는 좌우 운용 실린더(210)의 로드(212)가 항상 동일한 거리로 인출/인입되게 비례제어하며, 운용 실린더(210)의 로드(212)가 상부 프레임(100)의 고정을 위한 목표 위치에 근접됨이 판단되면 로드(212)의 인출 속도를 크게 감속시켜 최대한의 정확도로 운용 실린더(210)가 멈출 수 있도록 한다. 운용 실린더(210)의 낮은 주파수 등으로 좌우 로드(212) 사이에 약간의 거리 차이가 발생할 수 있으나 프로포셔널 밸브에 의해 조정되어 그 최종 위치 차이는 허용범위 이내로 나타난다. 그러면, 상부 프레임(100) 및 하부 프레임(150)은 록킹 실린더(510)에 의해 높은 정밀도로 그 위치가 고정되며, 두 프레임(100,150)에 일체로 부설된 암(401) 또한 고정되므로 가이드 홀(403)을 관통하는 라이저 파이프(3)는 암(401)에 의해 취부되어 문풀(4)의 중앙부에 고정된다. 이에 따라, 기상 악화 등으로 시추선이 피항할 때에도 라이저 파이프(3)에 의한 선체의 손상이 방지된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 라이저 센트럴라이저 장치의 기대 효과를 종래 기술과 비교하여 서술하면 다음과 같다. 첫째: 프레임 및 취부부재에 의한 하중이 격벽에 골고루 분산되므로 종래 기술에서와 같이 선체를 특별히 보강시킬 필요가 없다. 둘째: 설치구조가 안정화되어 조립공차가 확대되므로 설치작업이 단순화된다. 셋째: 설치 전후에 작동 상태의 확인이 용이하여 종래 기술에서와 같이 작업자를 위한 족장을 별도로 설치할 필요가 없다. 넷째: 운용 실린더 및 압력 전달로가 보호커버에 내장되므로 선박 운항 중에 파도와 문풀 주위에 발생하는 와류에 의해 파손될 우려가 없다. 다섯째: 프레임이 슬라이딩 방식으로 수평 이동되므로 그 작동이 원활하다. 여섯째: 라이저 파이프와 가이드 홀의 형상이 유사하여 그 악력이 라이저 파이프에 골고루 전달된다. 일곱째: 일체형 프레임으로 문풀의 제작오차가 어느 정도 크게 발생하여도 안내부재만을 정확히 설치해 주면 되므로 종래 기술에서와 같이 브래킷의 핀홀을 문풀 내부에서 보링기계를 장착하여 가공할 필요가 없다. |
