[과제기획 8호] 지정공모 일반형 RFP 양식(안)

관리번호

2022-전략투자분야-일반-01

산업

기술

분류

중분류Ⅰ

중분류Ⅱ

과제유형

■ 원천기술   □ 혁신제품

조선/해양시스템

융합유형

□ 산업고도화형 ■ 사회문제해결형  □ 신산업창출형  □ 해당없음

해당여부

□ IP연계  □ 표준연계  □ 디자인연계  □ BI연계  □ 경쟁형  □ 복수형    □ 국가핵심기술  □ 서비스형  □ 안전과제  □ 탄소중립  □ 국제공동    □ BM형  □ 원스톱형  □ 챌린지형  □ 통합형  □ 실증형

R&D

샌드박스유형

□ R&D 샌드박스(일반)  □ R&D 샌드박스(지정)

과제명

열화 (aging) 영향을 고려한 선박 구조 안전성 평가 기술 개발

품목코드

(HSK10)

류

호

소호

통계부호

(TRL: [시작] 3단계 〜 [종료] 6단계)

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1. 개념 및 정의

ㅇ 선박 열화로 인한 사고 사례

- 사고 사례1: FlARE호 선체 분리 및 침몰

* 사고선: 1972년 일본 Hakodate Dock사에서 건조한 16K급 산적화물선

* 사고개요: 1998년 네덜란드 로테르담에서 퀘벡 몬트리올로 항해 도중 선체가 두 동강이 나고 선미 부분이 30분내로 침몰

* 사고원인: 오랜 선령으로 인하여 피로, 부식 등이 진행된 상태에서 황천을 운항 중 상갑판에서 발생한 급격한 피로 균열과 이로 인한 종강도 저하로 발생한 것으로 조사됨 (출처: 캐나다 TSB 조사 보고서)

- 사고 사례2: Swanland호 선체 침몰

* 사고선: 1977년 네덜란드에서 건조한 8K급 일반화물선

* 사고개요: 2011년 웨일즈 연안 항해 도중 선체 중앙부에 균열 발생 후 17분내로 침몰

* 사고원인: 선박의 유지 보수 및 수리에 대한 관리가 부족하고 부식이 진행된 상태에서 황천을 운항 중 선체 중앙 상부에서 발생한 균열이 최초 손상으로 조사됨 (출처: 영국 Marine Accident Investigation Branch 조사 보고서)

- 사고 사례3: MOL Comfort호 선체 분리 및 침몰

* 사고선: 2008년 일본 미츠비시 중공업이 건조한 8100TEU급 컨네이너 운반선

* 사고개요: 2013년 예멘을 출발하여 황천을 운항하던 중 선체가 2개로 분리 및 침몰

* 사고원인: 선령이 오래되지 않았음에도 황천을 운항하던 선박의 선저부에 과대 하중이 반복 작용하여 소성 변형과 강재의 단기 열화로 인하여 발생한 것으로 확인됨 (출처: 일본 LCSS 사고 원인 분석 보고서)

ㅇ 선박 구조 열화 (aging)의 정의

- 위의 사고 사례로부터 선박 구조는 주로 연성 재료 (ductile material)로 분류되는 강재 (steel)로 구성되어 있음

- 강재 열화의 주요 원인은 부식이며, 부식 열화된 상태에서 황천 중 과대 하중에 의한 소성 변형의 누적, 기계적/열적 반복 하중에 의한 피로의 누적 등이 선박 안전 사고의 주요 유형임.

ㅇ 개발 사유

- 상선 (M/V)의 설계 수명은 20년 (2004년 CSR 발효 후 25년)이지만, 신조 당시 예측한 부식 쇠모 및 피로 강도를 기반으로 설계됨.

- 상당수의 상선은 설계 수명을 마친 후에도 계속 운항되고 있으며, 심지어 선령 40년 이상의 상선도 대양을 항행하고 있음.

- 따라서 열화도에 대한 정량적 지표 개발 및 사고를 예방할 수 있는 열화된 선박의 구조 안전도 평가를 위한 기술 개발이 요구됨.

2. 연구목표 및 내용

□ 최종 목표

ㅇ 부식 쇠모도 예측 모델 개발 및 부식 열화에 따른 심각도 지표 개발

ㅇ 정량적 목표

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표	국내최고 수준	세계최고수준 (보유국, 기업/기관명)
1	부식 쇠모도 예측 모델	개	1	한국선급규칙	CSR 쇠모한계 (영국, IACS)
2	부식 열화에 따른 심각도 지표	개	1	없음	없음

□  개발 내용

ㅇ 부식 쇠모도 예측 모델 개발

- 노후 M/V에 대한 부식 쇠모도 빅데이터 확보

* 선령 5년 이상의 현존선 10척 이상 포함

* 선저, 건현 외판, 수선 외판, 기상 갑판, 평형수 탱크, 화물창, 기관실 구역 포함해서 계측 데이터 확보

* 구역당 선박당 1지점 이상 계측 데이터 확보

- 측정 쇠모 빅데이터에 기반한 부식 열화도 기계 학습 (machine learning) 모델 개발

* 선령, 선종, 구획, 항로 등에 따른 부식 쇠모도 예측이 가능한 기계 학습 모델 제시

ㅇ 열화에 따른 심각도 지표 개발

- 강재 부식 시험

* 3종 이상 강종에 대하여 선체 용접부 피로 시편 및 비용접부 연성 파단 시편 제작

* 해당 시편에 대한 염수 분무 부식 시험 수행 (KS D9502 염수 분무 시험 방법 적용)

* 최소 4주 이상 시험 수행 및 부식량 예측

- 벤치마크 M/V 선정 및 전선 유한요소해석 모델 개발

* 선종별 M/V 2척 이상 선정

* 부식도에 따른 전선 모델링

* 피로 손상도 (txt) 및 연성 파단 손상도 (5t-10t) 해석용 전선 모델 개발

- 선종별 및 부식 쇠모도 별 완전 통계적 전선 피로 손상 평가

* 스크리닝을 통한 5개 지점 이상 핫스폿 검출

- 부식 쇠모도별 피로 파손 예측 모델 개발

* 주요 용접 변수 (용접 재료, 용접 기법, 두께, 구속도, 형상 등)가 부식에 미치는 영향도 평가

* 부식 쇠모도 별 용접부 피로 시험

* 부식과 피로 파손의 연성 효과를 고려한 파손 예측 모델 개발

* 부식도 데이터 기반의 잔여 수명 평가 및 점검 주기 제안

- 선종별 및 부식 쇠모도 별 최종 강도 평가

* 외판 압력에 따른 보강판 압축 강도 감소 효과 고려

* 3 수준 이상의 초기 변형 고려

- 선종별 부식 쇠모도 별 극한 하중 평가

* 전산운동해석 (potential theory)를 이용한 대상 선박의 수동력 특성 분석

* 선종별 장기 극한 하중 산정

- 부식 강판에 대한 파단 변형률 곡선 개발

* M/V에 주로 사용되는 강종 (A, AH32, AH36 등) 3개 이상 선정 및 염수 분무 부식 시험 실시

* 통계적으로 유의미한 부식 열화 강재 파단 변형률 곡선 제시 (최소 5회 이상 반복 실험 실시)

- 부식 쇠모도 별 전선 연성 파단 손상도 평가

* 설계 하중 적용

* 파단 변형률 곡선 및 응력 경로 효과를 고려한 비선형 손상도 해석

* 스크리닝을 통한 5개 지점 이상 고 손상도 영역 선정

- 부식 열화 심각도 (consequence class) 수준 지표 제시

* 3가지 평가 결과 (누적 피로 손상, 최종 강도, 연성 파단 손상도)를 종합적으로 고려한 열화 심각도 수준 제시

* 선급 규칙 반영을 위한 열화 심각도 규정 초안 개발

□ TRL 핵심기술요소(CTE)

핵심 기술요소		최종단계	생산수준 또는 결과물	시험평가 환경
1	부식 쇠모도 예측 모델	6	기계 학습 모델	전문 기관 평가
2	부식 열화에 따른 심각도 지표	6	심각도 지표 (근거 포함)	전문 기관 평가

3. 국내외 기술 동향

ㅇ 선박의 사용 수명 검토 및 잔여 수명 예측을 위한 국내외 기술 동향

- 사용 수명 검토를 위한 선체 검사 절차 개발

* 선체 검사관의 자질시험 및 검사 절차에 대한 기준 정립 및 검사 기록 자료 공개

- 수명 검토 관련 자료 통합 및 사용 수명 도출을 위한 소프트웨어 개발

* 선체 검사 및 설계 자료를 바탕으로 선체 사용 수명 검토 목적의 유한요소해석을 위하여 다양한 프로그램을 자체적으로 개발

- 잔여 수명 예측을 위한 신뢰성 기반 접근법 도입

* 선박의 목표 안전성과 이에 따른 위험성을 고려한 신뢰성 기반 접근 방법 적용

* 선박의 생애 주기 비용을 고려한 잔여 수명 예측 방법 개발

- 명문화된 설계 기준 정립을 위한 데이터 확보 및 수명 검토/예측 방법의 일반화에 대한 연구는 시작 단계임

* 디지털트윈(Digital twin) 기술과 연계하여 부식 및 구조건전성 예측, 유지보수 검사 간격에 대한 컨설팅 기능을 포함함.

4. 지원 필요성

□ 기술적 지원필요성

ㅇ 개발 시급성

- 선박은 선종, 항로, 화물 등에 의하여 열화의 양상과 정도가 상이하지만, 선주는 선박의 수명 연장을 원하고, 이는 때로 해상 사고로 인한 인명 손실, 원유 유출로 인한 해양 환경 파괴와 같은 대형 사회적 문제로 이어지고 있어서 기술 개발이 시급히 요구됨.

ㅇ 기술적 파급 효과

- 한국이 선제적으로 제반 기술을 개발하므로서 열화 선박 분야에 있어서 선도적인 기술 보유국으로 부상 가능.

□ 경제적 지원필요성

- 부식, 피로 등에 의하여 열화된 선박에 대한 규정이나 규칙이 아직 제정되어 있지 않음. 한국이 선제적으로 제반 기술을 개발하므로서 신조선의 증가 등 국가 경제적으로 많은 혜택이 있을 것으로 추정됨 (평형수 처리 장치의 사례).

□ 정부/정책적 지원필요성

- 선박을 운영하는 선사는 가능한 설계 수명 이후에도 오랜 기간 운항하기를 희망함. 조선소도 신조 계약에는 민감하게 반응하지만, 노후 선박에 대한 수명 연장 등에 대하여 언급할 필요성을 느끼지 못함. 따라서 민간 영역에서 열화 선박의 수명 연장 또는 폐선을 위한 기술적 근거를 마련하고 제도화할 필요가 있음.

5. 활용방안 및 기대효과

□ 활용방안

- 열화에 따른 심각도 지표의 선급 규칙 제정 추진

- 선급 규칙에 포함될 경우 노후 선박의 운항 및 중지에 대한 근거가 마련되고, 선박 열화로 인한 사고 사례와 같이 노령 선박에 대한 개조를 사전이 방지할 수 있음.

□ 기술적 기대효과

- 선박 안전 분야에서 한국이 가장 앞선 기술력을 보유할 것으로 예측.

- 지속적인 연구 개발이 수행될 경우 다양한 선종 (유조선, 여객선, 가스선 등)으로 확장할 수 있는 기반이 마련될 것으로 예측.

□ 경제적 기대효과

- 낮은 심각도 등급을 받을 경우 항행에 제약을 받는 노후 선박이 발생할 것이고, 이에 따른 신조선 발주가 증가할 것으로 예측

□ 기타 사회․문화적 측면의 기대효과 및 파급효과

- 평형수 처리 장치의 사례처럼 한국이 선제적으로 기술을 개발함으로써, 해외 선급도 규정 제정을 서두를 것으로 예측됨. 유수의 선급 (LR, DNV, ABS 등)에 한국의 기술력을 인정받을 수 있는 계기 마련.

□ 규제개선 요구사항(규제개선 과제 해당되는 경우)

6. 지원기간/예산/추진체계

ㅇ 기간: 45개월 이내 (1차년도 개발기간 : 9개월, 2차년도-4차년도 12개월)

ㅇ 정부출연금:  ‘23년 5억원 이내 (총 정부출연금 30억원 이내)

ㅇ 주관기관: 비영리기관(원천기술형) / 중소·중견 기업(혁신제품형)_대기업가능(챌린지형)

ㅇ 기술료 징수여부 : 징수