자켓구조물 용접이음부 기하학적 조건과 경계조건에 따른 응력집중계수 및 피로안전성 평가

Abstract

고정식 자켓(Jacket) 구조물은 천해영역의 해양플랜트 구조에 적용되는 대표적인 구조형식 중의 하나이며, 현재 석유 기지 시설의 접안 시설물과 향후 친환경 해상 풍력발전 시설물 등에 매우 다양한 형식으로 사용될 수 있는 구조물이다. 그러나, 자켓 구조물은 공용기간 동안 풍하중 및 파랑하중 등과 같이 자연에 의해 발생하는 다양한 외력을 지속적이며 랜덤하게 받게 되어 피로현상에 의한 문제가 발생되었다. 특히 용접이음이 집중되는 이음부는 기하학적 형상의 영향 등에 의해 공용 중에 피로에 대하여 취약한 구조가 될 수가 있으므로 고정식 자켓 구조물 구조의 안전성 향상을 위해서는 이들 이음부의 피로강도 평가가 중요할 것으로 판단된다. 이 연구에서는 관이음부(Tubular Joint) 유한요소 모델을 검증하기 위하여 K형 이음부에 대한 기존 설계식인 Efthymiou와 Lloyd`s Register 방정식의 응력집중계수(SCF)를 비교하였으며, 기존 설계 공용하중 조건에서 실제 적용된 자켓 구조물을 대상으로 유한요소해석을 통한 연결부에 대한 응력집중계수 특성을 분석하였다. 또한, 3차원 기하학적 특성을 갖는 실물 자켓 구조물을 대상으로 해역별(비말대)에 따른 부식 영향을 고려한 구조해석을 통하여 사용년수에 따른 핫스팟 응력(HSS) 및 응력집중계수의 경향에 대한 특성을 분석하였으며, 해저 지반 조건을 고려한 구조해석을 통하여 실물 자켓 구조물 이음부에서의 응력집중계수의 경향에 대한 특성을 분석하였다. 그리고, 자켓 구조물의 원형 강관에 대한 피로 강도는 국내 기준이 명확하게 제시되고 있지 않아 사용년수 및 해저 지반 조건에 따른 피로수명 경향에 대한 특성을 분석하였다.| The fixed jacket structure is one of the representative substructure types of the offshore platform. It is currently a structure that can be used for a wide variety of facilities, such as offshore facilities at petroleum base and offshore wind power plants. However, fixed jacket structures are subject to fatigue due to wind and waves that are continuously and randomly applied during the serviced time. In particular, welded joints are structures that are vulnerable to fatigue during the time of service due to the effects of geometric shapes. Therefore, it is important to assess the fatigue strength of the joints in order to improve the safety of the fixed jacket structure. In this study, the existing design formula for K-Joint, the stress concentration factor (SCF) of Eftymiou and Lloyd s Register equation were compared to validate the tubular point FEA model. The characteristics of the stress concentration factor (SCF) of the joint by finite element analysis were analyzed in the jacket structure where the actual load conditions of the existing design were applied. The structural analysis was performed on existing jacket structures considering the effects of corrosion according to the serviced time, and the tendency of hot spot stress and stress concentration(SCF) was analyzed. In addition, the characteristics of trends in stress concentration factor(SCF) considering subsea ground conditions were analyzed. The fatigue strength for KT- and N-joints in the tubular steel pipe of jacket structure is not clearly indicated, so the characteristics of fatigue life trends according to the number of serviced time and subsea ground conditions were analyzed.