해저 인양

갑판에서 해저면까지 페이로드에는 부력, 슬래밍, 항력, 부가 질량의 네 가지 물의 힘이 작용합니다. 각 힘이 와이어 하중에 미치는 영향과 크기, 최종 접근이 착저를 좌우하는 이유, 수심이 보상 장치에 미치는 영향을 살펴봅니다.

작성자 Peter Wang, 최고운영책임자 · 2025년 12월 · 2026년 9월 업데이트 · 읽는 시간 13분

RIGEL 수동 히브 보상 장치가 GRP 덮개를 해저면으로 내리는 모습.

핵심 요약

물속의 페이로드에는 네 가지 힘이 작용합니다. 부력은 유효 중량을 바꾸고, 슬래밍은 입수 순간에 충격을 주며, 항력은 물에 대한 상대 속도의 제곱에 비례해 증가합니다. 부가 질량에 따른 힘은 가속도에 따라 커집니다.
계산 예시에서 15 × 10 m 판의 상대 속도가 1.57 m/s일 때 정상 유동 계수를 적용한 항력은 약 216 kN (22 t)이고, 약 474 kN (48 t)의 항력은 DNV-RP-N103의 파랑대 계수를 적용한 결과입니다. 또한 10 × 10 × 20 m 각기둥이 1.23 m/s²로 가속할 때의 부가 질량에 따른 힘은 약 908 kN (93 t)입니다.
해당 인양 조건에 맞게 선정한 히브 보상 장치는 물에 대한 페이로드의 상대 속도와 가속도 중 크레인 운동에서 비롯된 부분을 줄여 두 힘을 낮추고, 착저할 때까지 와이어 장력을 유지합니다.
입수와 수심 변화는 보상 장치의 작동점을 이동시킵니다. 부력과 수압은 장치를 안쪽으로 밀며 가스를 배출해 보정합니다. 하강 중 냉각은 장치를 바깥쪽으로 밀어 가스 보충이 필요합니다. RIGEL, CYGNUS, ANTARES는 모두 3,000 m까지 정격이 적용되지만 중심 위치를 다시 맞추는 방식은 다릅니다. RIGEL은 갑판에서 설정하고, CYGNUS는 가스를 배출할 수 있으며, ANTARES는 배출과 보충이 모두 가능합니다.

해저 인양은 갑판에서 시작해 스플래시 존과 수중 구간을 지나 해저면까지 이어집니다. 물은 공기보다 밀도가 약 800배 높으며 네 가지 방식으로 페이로드의 운동에 저항합니다. 지배적인 힘은 스플래시 존, 수중 구간, 착저 단계마다 달라집니다.

구분해야 할 네 가지 힘

힘	비례하는 항목	주로 중요한 구간	영향
부력	배제된 물의 부피, $\rho_w V g$	입수 시점부터 작용하며, 하중이 수면을 통과하는 동안 급격히 변함	유효 중량을 낮추고 변동시켜 와이어 이완 위험을 높임
슬래밍	입수 시 충돌 속도의 제곱	스플래시 존	페이로드와 리깅에 짧고 급격한 하중 피크를 유발
항력	상대 속도의 제곱, $\tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2}$	파랑과 해류 속에서 하강할 때	운동에 저항함. 예시 판에서는 22~48 t
부가 질량	상대 가속도, $\rho_w C_A V_R\, \ddot z$	진동이 있는 모든 구간. 해저면 근처에서 증가	진동마다 관성을 더함. 예시 각기둥에서는 약 93 t

스플래시 존에서는 몇 m의 이동 구간에 슬래밍, 급변하는 부력, 파랑 입자의 속도가 한꺼번에 작용합니다. 자세한 내용은 스플래시 존 통과 에서 다루며, 해석 방법은 DNV-RP-N103 에 나와 있습니다. 아래의 두 계산 예시는 서로 다른 물체를 사용하므로, 결과를 한 페이로드에 작용하는 두 힘으로 보아 합산해서는 안 됩니다.

항력

항력은 페이로드가 주변 물에 대해 움직이는 속도의 제곱에 비례합니다. 해저면에 대한 속도는 기준이 아닙니다. 크레인과 윈치의 운동, 물 입자 자체의 속도가 모두 이 상대 속도 $\dot z$ :

F_D = \tfrac{1}{2}\, \rho_w\, C_D\, A_\perp\, \dot z\, |\dot z|

여기서 $C_D$ 는 항력 계수이고, $A_\perp$ 는 유동을 마주하는 면적입니다. DNV-RP-N103 에는 형상별 두 값이 표로 정리되어 있습니다. 표의 계수는 정상 유동에 대한 값입니다. 파랑대의 진동 유동에는 이 RP에서 통상 두세 배 높은 계수를 적용하며, CFD나 모형 시험이 없을 때 일반적인 해저 구조물에 대해 $C_D \ge 2.5$ 를 제시합니다.

계산 예시: 15 × 10 m 판

높이 4 m, 주기 8 s인 파랑에서 평평하게 내리는 판을 생각해 보겠습니다. 파랑을 진폭 $\zeta = H/2 = 2\ \text{m}$ 인 정현파로 봅니다. 선별 검토 입력값으로 물에 대한 최대 상대 속도를 파랑 운동에서 직접 가져옵니다:

\dot z_{\max} = \zeta\, \omega = 2 \cdot \frac{2\pi}{8} \approx 1.57\ \text{m/s}

유동에 수직인 판의 계수는

C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) \approx 1.14

이고, $A_\perp = 150\ \text{m}^2$ 이며, $\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3$ :

F_D = \tfrac{1}{2} \cdot 1{,}025 \cdot 1.14 \cdot 150 \cdot 1.57^{2}

F_D \approx 216\ \text{kN} \approx 22\ \text{t}

이는 정상 유동 계수를 적용한 결과입니다. DNV-RP-N103의 파랑대 계수인 최소 2.5를 적용하면 같은 판에 약 474 kN (48 t)의 항력이 작용하며, 이는 두 배가 넘습니다.

그림 1. 정상 유동 계수 (

C_D = 1.14

A_\perp = 150\ \text{m}^2

\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3

) 를 적용한 예시 판의 항력을 물에 대한 상대 속도에 따라 나타냈습니다. 항력은 속도의 제곱에 비례하므로 상대 속도가 절반이면 항력은 4분의 1이 됩니다. 특정 인양에서 보상 장치가 줄이는 속도의 크기는 장치 고유의 성능 수치가 아니라 인양 모델의 결과입니다.

형상별 정상 유동 항력 계수 (DNV-RP-N103)

형상	$C_D$	$A_\perp$
구	$0.5$	$\pi r^2$
수평 원통	$1.2$	$2 r L$
수직 원통	$1.1$ 에서 $L/2r = 0.5$ , $0.9$ 부터 $1$ 까지 $4$ , $1.0$ 에서 $8$	$\pi r^2$
정면을 향한 정육면체	$1.05$	$a^2$
원뿔, 꼭짓점이 유동을 향함	약 $0.5$ , (각도에 따라 다름)	$\pi r^2$
유동에 수직인 직사각형 판	$1.1 + 0.02\,(L/W + W/L)$	$L W$

부가 질량

물속에서 가속하는 페이로드는 주변 물의 일부도 함께 가속해야 합니다. 페이로드가 빨라지거나 느려질 때마다 그 물은 추가 질량처럼 작용하므로, 정적 중량에 더해 관성력이 발생합니다:

m_A = \rho_w\, C_A\, V_R

여기서 $C_A$ 는 부가 질량 계수이고, $V_R$ 은 기준 부피입니다. 두 값 모두 DNV-RP-N103에 형상별로 정리되어 있습니다. 해저면 부근에서는 유동 공간이 제한되어 부가 질량이 커지며, 바로 그곳에서 착저가 이루어집니다.

계산 예시: 10 × 10 × 20 m 각기둥

같은 높이 4 m, 주기 8 s의 파랑에서 긴 축을 따라 움직이는 정사각 단면의 각기둥을 생각해 보겠습니다. 최대 가속도는 다음과 같습니다.

\ddot z_{\max} = \zeta\, \omega^{2} = 2 \cdot \left( \frac{2\pi}{8} \right)^{2} \approx 1.23\ \text{m/s}^2

이 $L/W = 2$ 일 때 계수는 $C_A = 0.36$ , 이고, $V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3$ . 따라서

F = 1{,}025 \cdot 0.36 \cdot 2{,}000 \cdot 1.23

F \approx 908\ \text{kN} \approx 93\ \text{t}

형상별 부가 질량 계수 (DNV-RP-N103)

형상	$C_A$	$V_R$
구	$0.5$ , (모든 방향)	$\tfrac{4}{3}\pi r^3$
원통, 축을 가로지르는 방향 (수평으로 내리는 파이프 또는 스풀)	$0.62$ 에서 $L/2r = 1.2$ 에서 긴 원통의 $1.00$ 까지 증가	$\pi r^2 L$
유동에 수직인 직사각형 판	$0.58$ 에서 $L/W = 1$ 에서 긴 판의 $1.00$ 까지 증가	$\tfrac{\pi}{4} W^2 L$
유동에 수직인 원형 판	$2/\pi$	$\tfrac{4\pi}{3} r^3$
길이 방향으로 움직이는 정사각 단면 각기둥	$0.68$ , $0.36$ , $0.19$ , $0.08$ 에서 $L/W = 1, 2, 4, 10$	$W^2 L$

계산 예시의 가정

상대 속도와 가속도는 제시된 파고와 주기의 정현파에서 직접 구했으며, 선박 응답 모델을 사용하지 않았습니다. 실제 인양에서는 선박 운동, 크레인 선단의 응답, 윈치 명령, 와이어 동역학, 보상 장치의 상태, 물 입자의 운동을 결합한 모델에서 구합니다.
항력과 부가 질량에 따른 힘은 같은 순간에 최대가 되지 않습니다. 정현파에서 속도와 가속도의 피크는 주기의 4분의 1만큼 떨어져 있습니다. 결합된 피크는 시간 영역 해석 결과로 구합니다.
이 계수는 자유 수면이나 해저면의 영향을 보정하지 않은 무한 유체 값입니다.
두 예시 모두 부력과 슬래밍을 제외했습니다. 스플래시 존에서는 대개 이 두 힘이 지배적입니다.

갑판에서 해저면까지, 한 번의 인양

ANTARES를 사용할 때 한 번의 인양은 네 가지 모드를 거칩니다:

갑판: 잠금. 로드를 잠근 채 리깅하고 하중을 들어 올려 필요한 인양 높이를 줄입니다.
스플래시 존. 선측을 지나 파랑대를 통과하면서 슬래밍과 스냅 하중을 확인합니다. 통과 중에는 장치의 강성과 감쇠를 높입니다.
하강: 해저 모드. 수중 구간에서는 장치를 더 유연하게 설정합니다. 항력과 부가 질량에 따른 힘은 해당 위치의 상대 운동에 따라 달라집니다.
착저. 밸브를 열고 EQ 기능을 해제하여 해저면에 부드럽게 내려놓습니다.

RIGEL과 CYGNUS는 인양을 위해 갑판에서 선택한 하나의 감쇠 설정으로 운용합니다. 어떤 장치를 사용하든 수동 시스템은 고유 주기보다 충분히 짧은 파랑에서만 하중의 운동을 절연하며, 고유 주기 부근에서는 운동을 증폭합니다. 와이어를 풀어 내릴수록 현수계가 유연해지고 고유 주기가 길어져, 특정 수심에서 파랑 주기대에 들어갈 수 있습니다. 인양 모델은 하강 전 구간의 공진 을 확인합니다.

갑판에서 해저면까지의 ANTARES 적응형 수동 히브 보상을 CONSTELLATION으로 모델링했습니다. 이와 같은 인양의 전체 해상 상태 검토는 다음 자료를 참조하세요: 운용성 선별 검토.

그림 2. CONSTELLATION으로 계산한 동일한 인양 사례의 수치입니다. ANTARES (250 t, 스트로크 4.5 m)에 매단 매니폴드의 수심과 와이어 장력을 나타냅니다. H_s 3.0 m, T_p 8 s, 수심 150 m 조건입니다. 음영 구간은 각 8 s 파랑 주기에서 최저 장력부터 최고 장력까지를 나타냅니다. 와이어는 공기 중에서 약 189 t의 하중을 지지하고, 하강 중에는 수중 중량인 168 t 부근으로 안정됩니다. 스플래시 존에서는 슬링이 이완되지 않으며 (DAF 1.13), 매니폴드는 해저면이 하중을 지지하기 전에 0.11 m/s로 착저하고 착저 DAF는 1.00입니다.

정적 중량에 더해 93 t의 관성력이 발생할 수 있으므로, 중량물 해저 인양에는 해당 조건에 맞게 선정한 수동 히브 보상 장치를 사용하는 경우가 많습니다. 이 장치는 물에 대한 페이로드의 상대 속도와 가속도 중 크레인 운동에서 비롯된 부분을 줄여 항력과 부가 질량에 따른 힘을 낮춥니다. 물 입자 자체의 운동은 남습니다. 하강 내내 와이어 장력이 유지되는지는 해당 인양 모델로 확인합니다. 당사 제품군의 세 장치는 모두 3,000 m까지 정격이 적용됩니다. CYGNUS 는 최대 10,000 t의 중량물 인양에, RIGEL 은 55 t부터의 표준 인양에, ANTARES 는 스플래시 존, 수중 구간, 착저에 서로 다른 설정이 필요한 인양에 사용합니다.

착저: 최종 접근

착저 에너지는 접근 속도의 제곱에 비례해 증가하며, 최대 접촉력은 토양과 구조물이 그 에너지를 얼마나 흡수하는지에 따라 달라집니다. 보상 장치가 없으면 접근 속도에는 윈치 속도에 더해 선박의 히브가 반영됩니다. 충격이 크거나 튀어 오르는 착저는 매니폴드, 트리, 템플릿의 정밀 표면과 씰을 손상시키고, 머드매트를 좌굴시키거나 지나치게 관입시키며, 후속 연결 작업에 필요한 위치에서 하중이 벗어나게 할 수 있습니다.

해상 상태에 맞게 선정한 보상 장치를 사용하면 선박의 히브가 하중에 훨씬 적게 전달되어 접근 속도가 윈치 속도에 가까워집니다. 당사는 착저 속도 0.5 m/s를 기준으로 착저를 선별 검토하며, 이는 DNV-RP-N103에 따라 적용하는 허용 한계입니다. 수동 장치는 하중에 전달되는 선박 운동을 줄이지만 완전히 없애지는 못하므로, 실제 착저 속도는 해상 상태에 따라 달라지며 사례별로 확인합니다.

접근. 일반적인 히브 보상 상태에서 해저면 몇 m 위까지 내립니다.
최종 하강. ANTARES에서는 착저 모드로 전환하고, 제어된 속도로 와이어를 풀어 내립니다.
접촉. 0.1–0.5 m/s로 접촉하며, 남은 히브를 흡수하여 하중이 튀어 오르지 않도록 합니다.
하중 안착. 와이어 장력을 서서히 풀어 줍니다. 해저면이 중량을 지지하는 동안 보상 장치가 스냅 하중을 제한합니다.

부드럽게 안착시키기 위해 ANTARES의 착저 모드는 밸브를 열고 EQ 기능을 해제합니다. 정확한 하강 속도를 유지해야 할 때는 능동 시스템이 이를 제어합니다. 부드러운 착저의 운동 원리는 수동 히브 보상.

수심이 보상 장치에 미치는 영향

하중이 물에 들어가면 페이로드의 부력, 가스 냉각, 로드에 작용하는 수압의 세 가지 영향으로 보상 장치가 작동점에서 벗어납니다. 네 번째 영향인 누수는 설계로 방지합니다. RIGEL, CYGNUS, ANTARES는 모두 3,000 m까지 정격이 적용되지만 중심 위치를 다시 맞추는 방식은 다릅니다. CYGNUS와 ANTARES는 평형 (EQ) 기능을 사용합니다. CYGNUS는 이 기능으로 가스를 배출하고, ANTARES는 가스를 보충할 수도 있습니다. RIGEL에는 EQ 기능이 없으며, 인양에 맞춰 갑판에서 가스 충전량을 설정합니다.

영향	보상 장치에 미치는 영향	대응 방법
부력	물속에서 페이로드의 순중량이 줄어들어 장치의 평형 위치가 안쪽으로 이동하며, 최악의 경우 완전히 수축함	가스를 배출해 중심 위치를 다시 맞춤. CYGNUS에서는 가스가 냉각된 후 배출함. CYGNUS와 ANTARES 모두 가능함.
냉각	하강 중 가스가 냉각되어 압력이 낮아지며, 대부분의 냉각은 수온약층을 통과하면서 빠르게 일어남. 손실되는 스트로크는 가스 부피, 예압, 하강 조건에 따라 달라짐	장치에 탑재한 가스병에서 가스를 보충함. ANTARES는 가능하지만, 가스 배출만 가능한 CYGNUS는 불가능함.
수압	10 m당 약 1 bar의 수압이 로드에 작용해 안쪽으로 밀어 넣습니다. 180 mm 로드를 사용하는 250 t 인양에서 수심 1,000 m의 물은 로드를 약 26 t의 힘으로 밀어, 하중이 224 t으로 줄어든 것과 같은 효과를 냅니다. 전체 스트로크에서 밀려나는 오일 부피의 약 세 배에 해당하는 가스 부피를 가진 장치라면, 평형 위치가 스트로크 중간에서 약 6분의 1 지점으로 이동합니다.	수심이 깊어질수록 가스를 배출함. CYGNUS와 ANTARES 모두 가능함.
누수	물이 유입되어 성능 저하와 부식이 발생함	설계, 시험 및 유지보수: 두 밀봉면에 이중 씰 적용, FAT에서 외압 시험, 누수를 가두는 구획, 정기적인 씰 교체

수압 예시: 밀도 1,025 kg/m³인 해수는 수심 1,000 m에서 약 10 MPa의 압력을 만들며, 이는 180 mm 로드에 약 256 kN의 힘으로 작용합니다.

이 영향들은 일부 상쇄됩니다. 냉각은 주로 수온약층에서 일어나지만, 수압에 따른 평형 위치 변화는 수심이 깊어질수록 계속 커집니다. CYGNUS는 가스가 냉각될 때까지 배출을 미루고 그동안 중심에서 벗어난 위치로 운용할 스트로크가 충분하다면, 한 방향의 가스 배출 기능만으로도 심해 인양에 대응할 수 있습니다. ANTARES는 탑재한 가스병에서 가스를 보충할 수 있어 하강의 각 단계에서 중심 위치를 다시 맞춥니다. RIGEL은 갑판에서 설정한 충전량으로 하강하며, 인양 모델로 전체 위치 변화가 스트로크 범위 안에 머무는지 확인합니다.

자주 묻는 질문

해저 인양은 공기 중 인양보다 왜 어렵나요?

물은 네 가지 방식으로 영향을 줍니다. 부력은 유효 중량을 바꾸고, 슬래밍은 입수할 때 충격을 주며, 항력은 상대 속도의 제곱에 비례해 운동에 저항합니다. 부가 질량에 따른 힘은 페이로드가 가속할 때 유효 관성을 키웁니다. 지배적인 힘은 스플래시 존, 수중 구간, 착저 단계마다 달라집니다.

해저 인양에서 항력은 얼마나 커질 수 있나요?

계산 예시에서 15 × 10 m 판의 상대 속도가 1.57 m/s일 때 정상 유동 항력 계수를 적용한 힘은 약 216 kN, 즉 22 t이며, 파랑대 계수를 적용하면 약 474 kN, 즉 48 t입니다. 후자의 값에는 DNV-RP-N103의 파랑대 계수 2.5를 적용했습니다. 항력은 속도의 제곱에 비례하므로 상대 속도가 절반이 되면 힘은 4분의 1로 줄어듭니다.

부가 질량이란 무엇이며 크기는 어느 정도인가요?

페이로드가 함께 가속해야 하는 주변 물의 질량입니다. 계산 예시의 10 × 10 × 20 m 각기둥에는 주기 8 s의 파랑에서 약 908 kN, 즉 93 t의 관성력이 더해집니다. 해저면 근처에서는 유동 공간이 제한되어 부가 질량이 커집니다.

스플래시 존에서는 어떤 힘이 지배적인가요?

파랑 입자의 속도에 더해 슬래밍과 급변하는 부력이 작용합니다. 몇 m의 이동 구간에 이 영향이 집중되므로, 다른 인양 단계보다 이 구간이 보상 장치의 크기를 결정하는 경우가 많습니다.

히브 보상은 해저 인양을 어떻게 보호하나요?

해당 조건에 맞게 선정한 보상 장치는 물에 대한 페이로드의 상대 속도와 가속도 중 크레인 운동에서 비롯된 부분을 줄여 항력과 부가 질량에 따른 힘을 낮춥니다. 또한 와이어 장력을 유지해 이완 후 스냅 하중이 발생하는 상황을 제한합니다. 수동 장치는 고유 주기보다 충분히 짧은 파랑에서만 하중의 운동을 절연하므로, 와이어를 풀어 내리는 동안 인양 모델로 공진을 확인합니다. 당사 제품군에서는 CYGNUS가 중량물 인양, RIGEL이 표준 인양, ANTARES가 스플래시 존, 수중 구간, 착저마다 다른 설정이 필요한 인양에 쓰이며, 모두 3,000 m까지 정격이 적용됩니다.

심해에는 어떤 보상 장치가 적합한가요?

RIGEL, CYGNUS, ANTARES는 모두 3,000 m까지 정격이 적용되지만 수심 변화에 따라 중심 위치를 다시 맞추는 방식이 다릅니다. 부력과 수압은 보상 장치를 안쪽으로 밀며 가스 배출로 보정합니다. 하강 중 냉각은 장치를 바깥쪽으로 밀어 가스 보충이 필요합니다. 이 영향들은 일부 상쇄됩니다. 냉각은 주로 수온약층에서 일어나고, 수압에 따른 위치 변화는 수심이 깊어질수록 계속 커집니다. RIGEL은 갑판에서 설정한 충전량으로 하강하므로, 인양 모델로 전체 위치 변화가 스트로크 범위 안에 있는지 확인합니다. CYGNUS는 가스를 배출하며, 가스가 냉각될 때까지 배출을 미루면 심해 인양에 대응할 수 있습니다. ANTARES는 탑재한 가스병에서 가스를 보충해 각 단계에서 중심 위치를 다시 맞출 수도 있습니다.