KR102066630B1 - 스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물 - Google Patents

스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물 Download PDF

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Abstract

스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물가 개시된다. 본 발명의 스틸 커티너리 라이저 지지장치는, 해양 구조물의 선체에 일측부가 회전 가능하게 결합되는 회전암; 및 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되고, 타측부에는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 해양 구조물을 연결하는 스틸 커티너리 라이저(steel catenary riser, SCR)가 결합 되는 라이저 지지부를 포함한다.

Description

스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물{STEEL CATENARY RISER SUPPORTING APPARATUS AND FLOATING MARINE STRUCTURE HAVING THE SAME}
본 발명은, 스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 해양 구조물을 연결하여 오일이나 가스의 이송 통로가 되는 스틸 커티너리 라이저를 지지하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물에 관한 것이다.
해상의 해저에 있는 유정(oil well)에서 뽑아낸 원유나 가스는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 해상에서 부유되는 구조물인 부유식 해상 구조물을 연결하는 스틸 커티너리 라이저(Steel Catenary Riser, SCR)를 통해 부유식 해상 구조물로 공급된다.
스틸 커티너리 라이저를 통해 공급되는 원유나 가스는 부유식 해상 구조물에 마련된 생산설비에서 불순물이 제거되는 공정을 거친다. 불순물을 제거하는 생산설비가 마련된 부유식 해상 구조물로는 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)와 FPU(Floating Producton Unit)을 예로 들 수 있다.
FPSO는 설치된 해상에서 위치를 이동하지 않고 계류 또는 정박된 상태에서 해저에 매장되어 있는 오일 또는 가스를 생산 및 하역하는 것으로, OIL-FPSO(Oil-Floating Production Storage Offloading으로 주로 Oil 또는 Gas를 생산)와 LNG FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)가 있다.
FPU는 바다 위에 떠 있는 생산설비로, 하부구조(Hull)의 형상이나 계류 방법 차이에 의해 장력 다리 플랫폼(Tension Leg Platform, TLP), 스파 플랫폼(SPAR platform), 반 잠수식 배(Semi-submergible vessel) 타입 등으로 나눌 수 있다.
장력 다리 플랫폼(TLP)는 수없이 많은 장력으로 된 다리를 해저층에 포박시켜 놓은 부유 생산 설비로 되어 있으며, 보통 다리는 거대한 구경(250~750mm)의 철 배관 또는 와이어 로프(125mm 직경)로 만든다. 장력 다리 플랫폼은 고정식 해양 설비와 부유 생산 시스템(FPS) 사이의 중간 정도의 수역에서 고유의 역할을 수행한다.
스파 플랫폼(SPAR platform)은, 해면에 잠겨 있는 긴 원통형 구조로 상부 구조에는 오일이나 가스를 저장할 수 있는 시설이 되어 있으며, 아래 부분은 구조물의 안정을 위한 다리 역할을 담당한다. 스파 플랫폼은 610m에서 3000m의 수심에 적합한 구조물이다.
반 잠수식 배(Semi-submergible vessel)는, 본래 쌍으로 된 선체로 지탱할 수 있는 거대한 상자 모양을 가지고 있는 배의 형태이다. 이것은 밸러스트수(ballast water)를 이용하여 최소한의 수면 지역 및 최고 170,000톤까지 배수할 수 있는 거대한 능력이 있으며, 악천후 기후 조건이나 심한 파도가 작용할 때 움직이지 않고 현 상태를 그대로 유지할 수 있다. 반 잠수식 배는 반 잠수식 리그라고도 한다.
한편, 종래에 해상에서 가스와 원유의 생산에 있어 중요한 역할을 담당하고 있는 스틸 커티너리 라이저에 대한 탈착 시스템(hang off system)의 경우 구조 강도 관점에서 벤딩(bending)의 영향이 크기 때문에 스트레스 조인트(stress joint)나 플렉시블 조인트(flexible joint)라는 특별한 부재를 사용하고 있다.
구체적으로, 해저에 배치되는 스틸 커티너리 라이저의 하단부는 웰 헤드에 결합되고 상단부는 부유식 해상 구조물의 선체에 결합 되며, 그 길이도 길다. 따라서, 조류(ocean currents), 파도 운동(wave motion)과 다른 외부 힘에 의해 영향을 받는 경우 이 외부 힘을 상쇄하지 않으면 스틸 커티너리 라이저에 벤딩이 발생 된다.
종래에는 스틸 커티너리 라이저에 발생 되는 벤딩을 상쇄하기 위해 부유식 해상 구조물에 근접한 영역에서 스틸 커티너리 라이저를 스트레스 조인트 또는 플렉시블 조인트와 연결하였다.
하지만, 스트레스 조인트 또는 플렉시블 조인트는 강도와 해수에 의한 영향 등을 고려하여 티타늄 합금 등의 고가의 합금 재료로 제작되며, 제작 또한 용이하지 못해 가격이 비싸다.
또한, 제작 업체의 희소성으로 인해 공급에 문제가 있고, 스트레스 조인트 또는 플렉시블 조인트 자체도 조류, 파도 운동 등에 의해 파손되는 문제가 있었다.
따라서, 스트레스 조인트 또는 플렉시블 조인트를 사용하지 않고 스틸 커티너리 라이저에서 발생되는 벤딩 문제를 해결할 수 있는 새로운 대안책이 요구된다.
미국특허공개공보 US 2007-0056741(TECHNIP FRANCE) 2007. 03. 15.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트를 사용하지 않고 스틸 커티너리 라이저에 작용하는 벤딩 스트레스(bending stress)를 상쇄할 수 있고, 제작 단가를 줄일 수 있는 스틸 커티너리 라이저 지지장치 및 이를 구비한 부유식 해양 구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해양 구조물의 선체에 일측부가 회전 가능하게 결합되는 회전암; 및 상기 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되고, 타측부에는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 상기 해양 구조물을 연결하는 스틸 커티너리 라이저(steel catenary riser, SCR)가 결합 되는 라이저 지지부를 포함하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치가 제공될 수 있다.
상기 라이저 지지부는 상기 회전암에 힌지 결합 될 수 있다.
상기 라이저 지지부는, 상기 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되는 지지 몸체; 및 상기 지지 몸체에 마련되어 상기 스틸 커티너리 라이저와 상기 해양 구조물에 마련되는 파이프를 연결하는 커넥터를 포함할 수 있다.
상기 지지 몸체에는 절개홈이 마련되고, 상기 커넥터는 상기 절개홈에 수용될 수 있다.
상기 절개홈은 상기 지지 몸체의 길이 방향으로 길게 마련되고, 상기 커넥터는 상기 절개홈에서 상기 길이 방향으로 슬라이딩 될 수 있다.
상기 파이프는 상기 커넥터에 끼워 맞춤 결합되고, 상기 스틸 커티너리 라이저는 상기 커넥터에 볼트 결합 될 수 있다.
상기 선체에는 상기 회전암의 일측부가 회전 가능하게 결합되는 브래킷이 마련되고, 상기 브래킷은 상기 회전암 및 상기 라이저 지지부 보다 더 큰 사이즈로 마련되어 상기 스틸 커티너리 라이저에 의해 해저 방향으로 발생되는 장력을 견딜 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 오일이나 가스의 생산 설비가 구비된 선체; 상기 선체에 일측부가 회전 가능하게 결합되는 회전암; 및 상기 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되고, 타측부에는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 상기 선체를 연결하는 스틸 커티너리 라이저(steel catenary riser, SCR) 결합 되는 라이저 지지부를 포함하는 부유식 해양 구조물이 제공될 수 있다.
상기 선체에는 상기 회전암의 일측부가 회전 가능하게 결합되는 브래킷이 마련되고, 상기 브래킷은 상기 회전암 및 상기 라이저 지지부 보다 더 큰 사이즈로 마련되어 상기 스틸 커티너리 라이저에 의해 해저 방향으로 발생되는 장력을 견딜 수 있다.
상기 부유식 해양 구조물은 FPU(Floationg Production Unit) 또는 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 부유식 해양 구조물의 선체에 연결되는 스틸 커티너리 라이저를 회전암과 라이저 지지부에 의해 다(多) 방향으로 회전 가능하게 마련하여 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트 없이 스틸 커티너리 라이저에 가해지는 벤딩 스트레스를 상쇄할 수 있다.
또한, 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트를 설치할 필요가 없으므로 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트의 구입 비용을 줄일 수 있어 부유식 해상 구조물의 제작 단가를 낮출 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 스틸 커티너리 라이저 지지장치가 구비된 부유식 해양 구조물이 해상에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 는 도 1의 "A" 영역을 확대 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 실시 예에서 부유식 해양 구조물은 발명의 배경이 되는 기술에서 설명한 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)와 FPU(Floating Producton Unit)를 포함할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 스틸 커티너리 라이저 지지장치가 구비된 부유식 해양 구조물이 해상에 마련된 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2 는 도 1의 "A" 영역을 확대 도시한 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 스틸 커티너리 라이저 지지장치가 구비된 부유식 해양 구조물(1)은, 선체에 마련되는 브래킷(10)과, 브래킷(10)에 상측부가 회전 가능하게 결합되는 회전암(20)과, 회전암(20)에 상측부가 회동 가능하게 결합되고 하측부에는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 선체를 연결하는 스틸 커티너리 라이저(steel catenary riser, SCR)가 결합 되는 라이저 지지부(30)를 구비한다.
브래킷(10)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 선체에 마련되어 회전암(20)이 회전 가능하도록 지지하는 역할을 한다.
본 실시 예에서 부유식 해양 구조물(1)이, 도 1에 도시된 바와 같이, 반 잠수식 배인 경우 브래킷(10)은 선체인 폰툰(PT)의 측면에 마련될 수 있다. 또한, 부유식 해양 구조물이 FPSO 또는 반 잠수식 배를 제외한 FPU인 경우 브래킷(10)은 헐 사이드 쉘(hull side shell)에 마련될 수 있다.
한편, 본 실시 예에서 브래킷(10)은 하향 방향인 해저 방향으로 작용하는 장력(tension)을 견디기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전암(20)과 라이저 지지부(30) 보다 더 큰 사이즈로 제작될 수 있다.
구체적으로, 브래킷(10)에는 회전암(20)이 연결되고, 회전암(20)에는 라이저 지지부(30)가 연결되고, 라이저 지지부(30)에는 스틸 커티너리 라이저(SCR)가 연결되므로 스틸 커티너라 라이저에 의해 가해지는 장력은 최종적으로 브래킷(10)에 전달된다.
따라서, 본 실시 예에서 브래킷(10)은 전술한 장력을 고려하여 그 폭(W)이 회전암(20)과 라이저 지지부(30) 보다 2배 이상을 갖도록 제작될 수 있다.
본 실시 예에서 브래킷(10)은 선체에 용접 또는 볼트 결합 될 수 있다.
회전암(20)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 브래킷(10)의 하측부에 좌우 방향(도 2를 기준)으로 회전 가능하게 마련되어 스틸 커티너리 라이저(SCR)가 틀어지는 경우 스틸 커티너리 라이저(SCR)와 같이 회전되어 스틸 커티너리 라이저(SCR)로 가해지는 외력을 상쇄하는 역할을 한다.
본 실시 예에서 회전암(20)은 다양한 방법으로 브래킷(10)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 첫째, 회전암(20)의 상단부에 브래킷(10)의 내부로 삽입되는 돌출부를 마련하고, 브래킷(10)의 내부에서 돌출부에 핀(pin)을 끼워 회전암(20)이 자유롭게 회전되도록 할 수 있다. 둘째, 브래킷(10)의 내부 저면부에 베어링을 마련하고, 회전암(20)의 상단부에 베어링으로 삽입되는 축을 마련하고, 이 축이 베어링으로부터 이탈되어 브래킷(10)으로부터 빠지지 않도록 핀으로 고정하는 방법 등이 있다.
라이저 지지부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상측부가 회전암(20)에 회동 가능하게 결합되어 하측부에 결합되는 스틸 커티너리 라이저(SCR)의 유동 시 상하 방향으로 회동 되어 스틸 커티너리 라이저(SCR)에 가해지는 벤딩 스트레스 등을 상쇄하는 역할을 한다.
즉, 본 실시 예는 스틸 커티너리 라이저(SCR)의 좌우 방향 흔들림 시 회전암(20)의 좌우 방향 회전에 의해 스트레스가 상쇄되고, 스틸 커티너리 라이저(SCR)의 상하 방향 유동 시 라이저 지지부(30)의 상하 방향 회동으로 스트레스를 상쇄시킬 수 있다.
본 실시 예에서 라이저 지지부(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전암(20)에 일측부가 회동 가능하게 결합되며 절개홈(31a)이 마련된 지지 몸체(31)와, 지지 몸체(31)에 마련되어 스틸 커티너리 라이저(SCR)와 해양 구조물에 마련되는 파이프(P)를 연결하는 커넥터(33)를 포함한다.
지지 몸체(31)는, 회전암(20)을 기준축으로 상하 방향으로 회동 될 수 있도록, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전암(20)에 힌지 결합 될 수 있다.
지지 몸체(31)에 마련되는 절개홈(31a)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 절개 몸체의 길이 방향으로 길게 마련될 수 있고, 절개홈(31a)에는 커넥터(33)가 수용될 수 있다. 다만, 수용된 커넥터(33)가 이탈되지 않도록 커넥터(33)에 마련되는 이탈 방지 돌기가 삽입되는 이탈 방지홈을 수용홈의 벽면에 마련할 수 있다.
또한, 지지 몸체(31)의 하측부에는, 스틸 커티너리 라이저(SCR)가 삽입될 수 있는 관통홀이 마련된다.
커넥터(33)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 지지 몸체(31)의 절개홈(31a)에 이탈되지 않도록 수용되어 스틸 커티너리 라이저(SCR)와 선체에 마련되는 파이프(P)를 연결하는 역할을 한다.
본 실시 예에서 선체에 마련되는 파이프(P)는 유연 파이프(flexible pipe)일 수 있고, 파이프(P)는 커넥터(33)에 끼워 맞춤 결합 될 수 있다.
또한, 스틸 커티너리 라이저(SCR)는 지지 몸체(31)의 관통홀을 통과한 후 커넥터(33)에 삽입되어 커넥터(33)의 외주면에 마련되어 커넥터(33)의 내부로 조여지는 볼트에 의해 커넥터(33)에 볼트 결합 될 수 있다.
따라서, 해저의 웰(well)에서 올라오는 원유와 가스는 스틸 커티너리 라이저(SCR), 커넥터(33), 파이프(P)를 통해 선체에 마련된 생산설비(PS)로 공급된다.
그리고, 본 실시 예에서 스틸 커티너리 라이저 지지장치는 전술한 브래킷(10), 회전암(20), 라이저 지지부(30)를 포함한다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 실시 예는 부유식 해양 구조물의 선체에 연결되는 스틸 커티너리 라이저를 회전암과 라이저 지지부에 의해 다(多) 방향으로 회전 가능하게 마련하여 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트 없이 스틸 커티너리 라이저에 가해지는 벤딩 스트레스를 상쇄할 수 있다.
또한, 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트를 설치할 필요가 없으므로 스트레스 조인트나 플렉시블 조인트의 구입 비용을 줄일 수 있어 부유식 해상 구조물의 제작 단가를 낮출 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 부유식 해상 구조물 10 : 브래킷
20 : 회전암 30 : 라이저 지지부
31 : 지지 몸체 32 : 커넥터
P : 파이프 PS : 생산설비
PT : 폰툰 SCR : 스틸 커티너리 라이저

Claims (10)

  1. 해양 구조물의 선체에 일측부가 회전 가능하게 결합되는 회전암; 및
    상기 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되고, 타측부에는 해저에 마련된 웰 헤드(wellhead)와 상기 해양 구조물을 연결하는 스틸 커티너리 라이저(steel catenary riser, SCR)가 결합 되는 라이저 지지부를 포함하고,
    상기 라이저 지지부는,
    상기 회전암에 일측부가 회동 가능하게 결합되는 지지 몸체; 및
    상기 지지 몸체에 마련되어 상기 스틸 커티너리 라이저와 상기 해양 구조물에 마련되는 파이프를 연결하는 커넥터를 포함하고,
    상기 지지 몸체에는 절개홈이 마련되고,
    상기 커넥터는 상기 절개홈에 수용되고,
    상기 절개홈은 상기 지지 몸체의 길이 방향으로 길게 마련되고,
    상기 커넥터는 상기 절개홈에서 상기 길이 방향으로 슬라이딩 되는 것을 특징으로 하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 라이저 지지부는 상기 회전암에 힌지 결합 되는 것을 특징으로 하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프는 상기 커넥터에 끼워 맞춤 결합되고,
    상기 스틸 커티너리 라이저는 상기 커넥터에 볼트 결합되는 것을 특징으로 하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선체에는 상기 회전암의 일측부가 회전 가능하게 결합되는 브래킷이 마련되고,
    상기 브래킷은 상기 회전암 및 상기 라이저 지지부 보다 더 큰 사이즈로 마련되어 상기 스틸 커티너리 라이저에 의해 해저 방향으로 발생되는 장력을 견딜 수 있는 것을 특징으로 하는 스틸 커티너리 라이저 지지장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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