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최근 러시아 부근 Pechora Sea를 비롯한 북극해 주변에 부존된 극지유전개발 및 수송을 위해 새로운 개념의 빙해선박에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이며 이는 조선산업에 있어서 고부가가치선 건조 시장을 활성화시키는 계기가 되었다.

따라서 본고에서는 빙해선박의 밸러스트 수 결빙방지 기술에 대한 성능시험을 알아보았다. 우선 소형 빙수조와 소형 밸러스트 탱크를 제작한 후 밸러스트 수위가 선박의 흘수보다 높은 조건에서 대기온도를 -10℃에서 -25℃로 변화시키면서 결빙상태를 확인한 후 -25℃에서 마이크로 버블장치와 해수순환장치의 유량에 따른 결빙방지기술을 검증하였다

서 론

국내의 경우 러시아 국영선사인 Sovcomflot사로부터 쇄빙유조선 3척을 수주받아 건조한 바 있으며 이처럼 극지해역을 운항하는 빙해선박의 경우 북극해의 극한환경(low temperature environment)속에서 운항 및 작업이 가능하도록 결빙방지설계(anti-icing)와 해빙설계(de-icing) 기술이 새롭게 적용되고 있다.

극지역을 운항하는 빙해선박에 대해 미국 ABS, 노르웨이 DNV, 영국 Lloyd's, 러시아 RS 등 각 선급에서는 winterization notation을 정의하고 있다. 일반적으로 winterization notation은 선박의 건조과정에서 다루어지는 문제로서 강제규정은 아니지만 선박의 안전운항 및 극저온 환경에서 기자재 및 장비류, 긴급·구난 장비 등의 저온성능과 밀접한 관련이 있는 사항이다.

특히 북극해 지역의 겨울철인 경우 대기온도는 -30℃~-45℃ 정도로서 일반적인 내빙선박에 적용되는 기술과 달리 저온상태에서 내한성·내후성을 확보할 수 있도록 설계가 된다. 고위도에 위치한 북극권 주변의 선진국들은 이러한 빙해선박의 저온설계기술에 대한 knowhow를 확보하고 있으며 winterization 성능검증 기술 또한 확보하고 있는 실정이다. 국내의 경우 2009년 말 지식경제부기반조성사업의 일환으로 한국해양연구원 해양시스템안전연구소(Maritime & Ocean Engineering Research Institute, MOERI)에 빙해수조(Ice model basin)와 함께 극저온 콜드룸(Cryogenic cold room) 시설이 확보됨으로서 빙해선박에 대한 빙성능 평가와 함께 선박의 저온성능을 평가할 수 있는 인프라 시설이 구축되었다.

본고에서는 한국해양연구원 해양시스템안전 연구소 빙해수조의 부속시설인 극저온 콜드룸 시설을 이용해 빙해운항용 선박의 밸러스트 수 결빙 방지 시험을 수행하였으며 시험기법에 관한 내용을 중점적으로 다루었다. 우선 빙해선박에 대한 winterization 개념을 분석하였으며 이를 탕으로 극저온 콜드룸 시설에 소형 빙수조 및 소형 밸러스트 탱크를 제작한 한 후 시험을 통해 극저온 상태에서의 밸러스트 수 결빙방지 기법을 정리하였다.

빙해선박의 Winterization

빙해선박의 winterization 사항은 주로 북극해 지역에서의 선체 동결을 고려한 상부갑판 의장시스템의 작동가능 설계기술 및 선체 밸러스트 탱크의 결빙방지 기술이 필요하며 의장품의 착빙/결빙시 빙강도를 고려하여 저온용 소재의 개발 및 극지항해용 갑판 및 기계류가 필요하다. 일반적으로 빙해역 선급규정(Ice class rule)에서는 빙해선박의 극지항로 운항 시 극저온 환경에서 선박의장품들이 기계적 성능을 원활히 발휘할 수 있도록 온도변화에 따른 의장품의 재료특성변화와 극한환경에서 작동성능을 확보할 수 있도록 각각의 winterization notation을 규정하고 있다.

이러한 저온 의장품에 관련된 사항은 해상인명안전협약(International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS), 해양오염방지협약(International Convention for the Prevention of Marine Pollution from Ship, MARPOL) 등 국제협약과 CASPPR, Russian Rule, ABS, Lloyd's, DNV 선급 등의 인증기관에서 규정을 확보하고 있다.

극지용 선박기자재의 핵심기반 기술은 핀란드 AARC, 노르웨이 DNV 선급, 미국의 ABS 선급 등에서 선박기자재 저온성능 검증기술을 주도하고 있으며 그밖에 러시아, 독일, 미국, 일본에서도 자체적으로 기술을 확보하고 있다. 빙해선박에 적용되는winterization의 핵심고려 사항은 크게 흘수선 하부와 흘수선 상부로 나눌 수 있다. 즉 흘수선 하부는 크게 ballast tank water의 결빙방지 대책 및 선체내부 단열문제와 관련이 있으며 흘수선 상부 부분은 갑판장비 및 항해, 통신 장비에 대한 결빙방지 및 해빙설계 기법으로 구분할 수 있다.

국내의 경우 저온용 선박기자재의 결빙방지 및 해빙설계 기술, 저온성능 평가기술은 러시아, 핀란드, 노르웨이 등과 견주어 60~70% 정도 수준이며 극지운항 생존성 향상 및 인명구조 기술 분야는 30% 정도로서 북유럽 국가에 비해 다소 낮은 편이나 다수의 내빙선박 건조경험을 바탕으로 빙해선박에 대한 핵심기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다. 또한 해운항용 조선기자재의 국내 극저온 성능평가 기술수준은 선진각국에 비해 60% 정도로서 향후 극저온 콜드룸 시험 및 성능검증을 통해 정도향상이 요구된다.

언급한 바와 같이 극저온 콜드룸 시설에서는 winterization 성능평가와 관련해 결빙/착빙/해빙시험과 항해/통신/갑판장비의 성능시험, 구난 및 인명구조 시험으로 구분할 수 있다. MOERI 극저온 콜드룸 시설에서는 이러한 극저온 환경에서 조선기자재의 성능검증 시험을 수행할 수 있다.

Winterization에 대한 기자재의 성능평가는 크게 category I, II로 구분할 수 있다. 여기서 categoryI은 anti-icing과 관련된 사항으로서 통신장비, 추진기, 계류장비, 소화장비, 구난장비 등과 같이 극지역 운항 시 장비에 착빙이 발생하더라도 항시사용이 가능해야하는 부분이다. Category II는 de-icing과 관련된 사항으로 작업통로(계단), 매니폴더(manifolder), 난간, 외부 파이프라인, 크레인 등과 같은 장비들의 경우 일정시간 안에 해빙기능을 통해 착빙을 제거할 수 있어야 한다(DNV,2005).

빙해선박의 착빙문제

빙해선박의 극지해역 항행 시 기온 및 선박에 대한 상대풍속과 풍향, 수온과 같은 여러 성분들 의 상관관계에 따라 선박기자재 및 상부구조물에서 착빙이 발생하게 된다. 특히 쇄빙선박의 빙해역 운항시 선체가 얼음 속에 갇히는 경우에 상부구조물 및 갑판 위 기자재에서 착빙이 발생하면 선박의 무게중심을 변화시켜 안정성을 저하시키므로 이에 대한 대책이 요구된다.

그러므로 극지환경에서 상부구조물의 착빙에 따른 빙해선박의 안정성 확보 대책과 함께 빙해선박에 탑재되는 의장품들은 북극해의 극저온 상태에서 결빙이 발생하더라도 사용이 가능하도록 설계되어야 한다. 즉 극저온 환경 및 결빙, 착설 등의 악조건 하에서 선박의장품이 제 기능을 발휘할 수 있도록 내후성, 내한성 등의 기계적 특성을 확보해야 하며 극저온 상태에서 선박의장품 등의 재료 특성이 변하지 않아야 한다. 또한 선박에 사용되는 저온용 구조용 강에 대한 성능검증을 통해 선박의 설계 시 반영하여 구조적 안전성을 확보해야 한다(Shipboard Winterization, 2009).

밸러스트 수 결빙방지 시험

일반적으로 해수(Sea water)는 -1.9℃ 부근에서 결빙이 발생하게 되며 보다 정확한 결빙온도는 해수에 포함된 염분의 양에 따라 달라진다. 만약 해수에서 염분이 34.3~35.0ppt의 범위인 경우 해수는 -1.9℃에서 결빙되지만 30.0ppt의 염분이 포함된 경우에는 -1.63℃에서 해수가 결빙하게 된다.

빙해선박의 극지항로 운항 시 선체내부의 밸러스트 수는 외부온도와의 차이와 밸러스트 수위와 선박의 흘수차이 등에 의한 영향으로 결빙이 발생하게 되며 밸러스트 수가 결빙되면 흘수를 변화시키며 선체트림(trim)을 변화시켜 선체의 저항성능에 영향을 미치게 된다.

그러므로 빙해선박의 밸러스트 수 결빙문제는 극지역 운항시 중요한 문제로 인식이 되고 있으며 이를 방지하기 위해 에어 버블(air bubble) 장치 및 히팅코일 설치 등의 방법이 사용되고 있다.

본고에서는 빙해선박의 밸러스트 수 결빙방지 기술을 평가하기 위해 마이크로 버블장치(micro bubble system) 및 해수순환장치(sea water circulation system)를 이용해 빙해역과 유사한 -25℃의 저온상태에서 효과적인 밸러스트 수의 결빙방지 기술을 도출하였다

우선 극저온 콜드룸에 아크릴 타입의 소형 빙수조(miniature ice tank)와 소형 밸러스트 탱크(miniature ballast tank)를 제작하였다. 그림 5는 소형 밸러스트 탱크의 제원을 보여주고 있다.

해수가 채워진 소형 빙수조에 소형 밸러스트 탱크를 설치한 다음 -10℃에서 3시간 후 밸러스트 수의 결빙상태를 확인하였다. 그리고 -25℃인 상태에서 소형 밸러스트 탱크 내부에 마이크로 버블장치 및 해수순환장치를 설치한 후 선박의 밸러스트 수 결빙방지를 위한 마이크로 버블장치 및 해수순환장치의 유량에 대한 성능시험을 수행하였다. 여기서 -25℃인 상태에서의 시험을 통해 선정된 유량은 -10℃ 상태에서도 성능을 만족한다는 전제하에 수행되었다.

소형 밸러스트 탱크에는 각각 15ℓ의 해수가 채워져 있으며 밸러스트 수위는 흘수보다 0.1m 정도 높다. 시험은 -10℃와 -25℃에서 수행되었으며 해수순환장치의 유량(flow)은 350ml/min, 1000ml/min 이며 마이크로 버블장치의 유량은 200, 400cc/min이 사용되었다. 표 1에는 시험조건이 정리되어 있다.

밸러스트 시험 시 대기온도와 해수온도 그리고 마이크로 버블장치 및 해수순환장치가 설치된 밸러스트 탱크 내부의 해수온도를 도시한 그래프이다. 여기서 파란색 선은 대기온도를 나타내며 분홍색 선은 해수의 온도, 노란색과 밝은 파랑색 선은 각각 마이크로 버블장치가 설치된 곳의 해수 온도와 해수순환장치가 설치된 곳의 해수 온도를 나타낸다. 시험과정 시 대기온도는 -10℃에서 -25℃로 변화를 시켜가면서 밸러스트 수의 결빙상태를 확인하였다.

우선 그림 8에서처럼 마이크로버블 및 해수순환 장치를 작동시키지 않은 경우 대기온도가 -10℃, -25℃인 상태에서 밸러스트 수가 결빙됨을 알 수 있다. 특히 -25℃인 경우 밸러스트 수의 결빙발생까지의 시간은 현저히 줄어듦을 알 수 있으며 밸러스트 탱크가 -25℃의 저온상태에서 지속적으로 노출될 경우 밸러스트 수 전체가 결빙됨을 알 수 있다.

대기온도가 -25℃까지 냉각되면서 밸러스트 탱크 외부의 해수는 결빙이 발생함을 확인할 수 있다. 마이크로 버블장치에서 유량이 200cc/min인 경우 밸러스트 수 표면의 대부분이 결빙되었으나 400cc/min인 경우에는 결빙이 거의 발생하지 않았다. 해수순환장치의 경우 유량이 350ml/min에서는 밸러스트 수의 표면에 결빙이 발생하였고 1000ml/min인 경우 결빙은 발생되지 않았다.

-25℃의 저온상태에서 마이크로 버블장치 및 해수순환장치를 설치하지 않은 경우와 설치한 경우의 밸러스트 수의 상태를 보여 주고 있다. 여기서 마이크로 버블장치와 해수순환장치의 유량은 각각 400cc/min, 1000ml/min 이다. 일반적으로 밸러스트 수는 외부의 해수와 접하는 본체 내 측면 및 수조 표면에서부터 결빙이 발생하며 이러한 상태가 지속되면 밸러스트 수 전체가 결빙하게 된다. 그러므로 이를 방지하기 위해 밸러스트 탱크 내 측면 및 밸러스트 수 표면의 결빙방지를 위한 기법이 적용되고 있다.

모형시험에서 사용된 기술을 바탕으로 실규모에 적용될 수 있도록 개념도를 나타내었다. 마이크로 버블장치의 경우 밸러스트 수 표면 아래 부분에 위치시킴으로서 표면이 결빙되는 현상을 방지할 수 있도록 하였다. 그리고 해수순환장치의 경우 토출구는 밸러스트 수 표면 아래쪽에 위치시키고 흡입구는 토출구보다 아래쪽에 위치시킴으로서 보다 효율적인 해수순환이 이루어지도록 구성할 수 있다.

아울러 해수의 염분 차이에 따른 밀도 차이를 고려하여 해수유입에 따른 자연적인 해수순환 효과를 이용한 방법이 적용될 수 있으며 밸러스트 탱크 내부에 초음파 센서를 장착함으로서 초음파를 이용한 밸러스트 결빙방지 기술을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

결 론

본고에서는 빙해선박의 밸러스트 수 결빙방지 기술에 대한 성능시험을 수행하였다. 우선 소형 빙수조와 소형 밸러스트 탱크를 제작한 후 밸러스트 수위가 선박의 흘수보다 높은 조건에서 대기온도를 -10℃에서 -25℃로 변화시키면서 결빙상태를 확인한 후 -25℃에서 마이크로 버블장치와 해수순환장치의 유량에 따른 결빙방지기술을 검증하였다

본고에서는 마이크로 버블장치를 이용해 미세한 공기방울을 발생시켜 밸러스트 수의 상부 표면과 외부 해수와 접하는 본체 내 측면이 결빙되는 것을 방지시켜줌으로서 밸러스트 수가 결빙되는 것을 방지하였다. 특히 마이크로 버블장치의 경우 밸러스트 수면아래에 위치시키고 밸러스트 본체 내 측면 쪽으로 마이크로 버블을 발생시키는 방법을 사용하였다.

시험에 사용된 밸러스트 수는 15ℓ로서 밸러스트 수의 결빙을 방지시키기 위해 400cc/min의 유량이 필요하며 해수순환장치의 경우 1000ml/min의 유량이 필요함을 알 수 있다. 특히 실제현장에서 해수순환장치를 이용하는 경우 토출구를 밸러스트 수면 상부 근처에 위치시키고 흡입구를 토출구보다 아래쪽에 위치시킴으로서 밸러스트 수를 효과적으로 순환시킴으로서 결빙을 방지시킬 수 있다. 또한 해수순환펌프는 밸러스트 펌프실에 배치시킴으로서 보다 효율적인 공간 확보가 가능할 것으로 판단된다.