라이저 텐셔닝 시스템

라이저 텐셔너의 역할

라이저 상단에는 신축 조인트가 있습니다. 내부 배럴은 시추 바닥 아래에서 설비에 매달려 있으며, 라이저 상단을 이루는 외부 배럴 안에서 미끄러집니다. 텐셔너는 외부 배럴의 텐션 링에 연결되어 그 지점에서 라이저를 지탱합니다(그림 1). 설비가 히브 운동을 하면 내부 배럴이 미끄러지고 텐셔너가 스트로크 운동을 하는 동안 아래쪽 라이저는 제자리에 머뭅니다.

각 텐셔너는 고압 가스에 대항하여 작동하는 유압 실린더입니다. 설비가 상승하면 텐셔너가 스트로크를 내주고 오일을 가스 용기로 밀어 넣어 가스를 압축하므로 인장력이 조금 높아집니다. 설비가 내려오면 가스가 오일을 다시 밀어내고 인장력은 조금 낮아집니다. 가스가 스프링이며, 그 체적이 인장력 변화의 크기를 결정합니다.

라이저에 필요한 인장력

라이저는 전체 길이에 걸쳐 인장 상태를 유지해야 합니다. 그렇지 않으면 좌굴될 수 있습니다. 상단 인장력은 해류가 흐르거나 설비가 유정에서 벗어나 이동할 때 굴곡 조인트의 각도도 작게 유지합니다. API RP 16Q는 텐션 링에서의 힘의 균형으로 최소값을 규정하며, 이 링을 슬립 링이라고 부릅니다.

여기서 W_s 는 라이저의 수중 중량이고 B_n 은 부력 모듈의 순양력입니다. 계수 f_{wt} \ge 1.05 와 f_{bt} \le 0.96 은 중량 허용오차와 압축 및 흡수로 손실되는 부력을 반영합니다. A_i 는 초크 라인, 킬 라인 및 보조 라인을 포함한 라이저의 내부 단면적이며, d_m H_m 와 d_w H_w 는 라이저 하단에서 각각 내부 이수 기둥과 외부 해수 기둥의 압력입니다.

일부 텐셔너가 동시에 고장 날 수 있고 텐션 링까지 힘이 전달되는 과정에서 일부가 손실되므로, 텐셔너는 이보다 큰 힘을 제공해야 합니다.

여기서 N 는 텐셔너 와이어라인 또는 실린더의 수, n 는 그중 갑자기 고장 날 수 있는 수이며, R_f는 보통 0.90~0.95로, 와이어가 수직에서 기울어지는 플리트 각도와 마찰을 반영합니다.

계산 예시: 1,500 m 라이저

1. 입력값. 설명을 위한 반올림 수치입니다. 길이 1,500 m인 라이저의 수중 중량은 900 t, 부력에 의한 양력은 800 t이며, A_i = 0.22\ \text{m}^2 는 라이저 내경과 부속 라인에 적용합니다. 이수의 비중은 1.50 SG, 해수의 비중은 1.025이며 두 유체 기둥의 높이는 모두 1,500 m로 가정합니다. 텐셔너 와이어라인은 12개이고, 듀얼 장치 1개(와이어라인 2개)가 갑자기 고장 날 수 있으며, R_f = 0.95.
2. 텐션 링에서. 밀도를 t/m³로 나타내고 단위를 톤으로 환산하면 중량 항은 900 \cdot 1.05 = 945, 이고, 부력 항은 800 \cdot 0.96 = 768 이며, 이수 항은 0.22 \cdot 1{,}500 \cdot (1.50 – 1.025) \approx 157, 이므로
   T_{\text{SR,min}} = 945 – 768 + 157 \approx 334\ \text{t}
3. 텐셔너 설정값.
   T_{\min} = 334 \cdot \frac{12}{0.95 \cdot 10} \approx 422\ \text{t}
   이는 약 4.1 MN 또는 930 kips입니다.

부력은 강재 중량의 대부분을 지탱하고, 허용오차 계수만으로 약 80 t가 추가됩니다. 5 %를 900 t에 적용하고 4 %를 800 t에서 공제한 결과입니다. 나머지는 수심과 이수 밀도가 좌우합니다. 같은 라이저를 3,000 m 수심에서 비중 1.8 SG의 이수와 함께 사용하려면 약 1,100 t가 필요합니다. 심해 시추 설비는 이 최소값, 스트로크에 따른 인장력 증가, 해류와 위치 이탈로 필요한 추가 인장력을 충족하기 위해 약 1,400~1,800 t의 텐셔너 용량을 갖춥니다.

실제 라이저 구성에서는 각 라이저 조인트의 데이터시트에서 중량을 확인하고, 상단뿐 아니라 라이저 전 길이의 유효 인장력을 검토합니다. 허용 인장력 범위의 상한도 라이저, 신축 조인트와 텐션 링, 유정 헤드와 컨덕터가 견딜 수 있는 하중에 따라 제한됩니다.

스트로크와 가스 체적

스트로크는 라이저 위치에서의 설비 히브, 설비가 유정에서 벗어날 때의 침하, 조위 변화, 라이저 자체의 신장량을 수용해야 합니다. 텐셔너가 끝단에 닿지 않도록 양쪽 끝에 여유도 필요합니다. 심해 설비의 이동 거리는 약 15 m(50 ft)입니다.

스트로크 전 구간의 인장력 변화는 가스에 달려 있습니다. 스트로크 중간 위치의 가스 체적이 V_0 이고 피스톤 단면적이 A, 일 때, 중간 위치에서 x 만큼 이동하여 가스를 압축하면 다음과 같습니다.

여기서 \kappa 는 느린 등온 압축에서는 1.0이고, 이상 기체의 빠른 단열 압축에서는 약 1.4입니다. 텐셔너 작동 압력인 100~200 bar에서는 실제 질소가 이보다 더 강하게 저항하므로 빠른 스트로크에는 가스가 더 많이 필요합니다. 스트로크로 배제되는 체적에 비해 가스 체적이 클수록 곡선은 더 평탄해집니다(그림 2). 예를 들어 전체 스트로크에서 인장력 변화를 ±5 % 이내로 유지하려면 배제 체적의 약 14배에 해당하는 가스 체적이 필요합니다. 그래서 텐셔너 시스템에는 대형 가스 용기가 여러 개 설치됩니다.

같은 가스 스프링은 라이저와 텐셔너의 수직 고유 주기도 결정하며, 이를 작업 중 파도 주기와 비교하여 검토합니다. 라이저가 분리되어 하단에서 지지되지 않은 채 텐셔너에 매달려 있을 때 특히 중요합니다.

와이어라인 방식과 직접 작동 방식의 텐셔너

텐셔너 로프

와이어라인 시스템에서는 로프가 주로 마모됩니다. 현재 장치의 와이어라인 용량은 각각 최대 약 250 kips입니다. 파도 주기마다 로프의 같은 몇 미터 구간이 시브에서 굽혀지고 염분이 있는 공기에 부식되므로, 설비에서는 마모를 분산하도록 일정에 따라 로프 위치를 옮기고 잘라내는 작업을 합니다. 또한 로프를 검사하고 수명이 끝나면 교체합니다. 로프 사양은 API Spec 9A를 따르고, 관리와 사용에는 API RP 9B를 적용합니다. 방향 전환 시브는 플리트 각도를 작게 유지하도록 배치합니다. 그러면 로프 인장력 중 라이저를 들어 올리는 데 쓰이는 몫이 커지고 로프 수명도 늘어납니다.

생산 라이저

인장각 플랫폼과 스파에 설치된 상부 인장식 생산 라이저도 유공압 텐셔너로 같은 방식으로 지지합니다. 일부 스파에서는 부력 탱크를 사용합니다. 이 경우 인장력은 한 차례의 시추 작업 기간이 아니라 유전의 수명에 맞춰 설정합니다.

텐셔너가 고려해야 할 설계 조건

1. 텐셔너 고장. 계수 N/(N – n) 는 시스템 구성에 따라 텐셔너 1개 또는 듀얼 장치 1개가 고장 나더라도 나머지 텐셔너가 최소 인장력을 유지하게 합니다. 직접 작동 방식에서는 고장 난 실린더가 텐션 링을 아래로 당길 수도 있으므로, 이 하중도 최소 인장력에 더합니다.
2. 비상 분리 후 반동. 비상 상황에서 하부 해양 라이저 패키지(LMRP)가 BOP에서 분리되면, 라이저는 하단 연결을 잃지만 텐셔너는 여전히 수백 톤의 힘으로 끌어올리고 이수가 라이저에서 배출되기 시작합니다. 인장력은 LMRP가 BOP에서 떨어지도록 들어 올려야 하며 다시 스택 위로 떨어지지 않게 해야 합니다. 동시에 라이저가 설비 쪽으로 급상승하거나, 텐셔너 와이어가 느슨해지거나, 신축 조인트가 완전히 접혀서는 안 됩니다. 반동 방지 시스템은 가스 용기와 실린더 사이의 유량을 제한하며, 반동 해석으로 이수 밀도별 인장력과 반동 방지 설정값을 정합니다.
3. 스트로크 여유. 설비가 연결 상태를 유지하는 모든 해상 상태에서 히브, 침하, 조위 변화, 신장량을 양쪽 끝에 여유를 둔 스트로크 범위 안에 수용해야 합니다. 설비가 위치를 잃으면 남은 스트로크는 분리를 얼마나 일찍 시작해야 하는지를 결정하는 한계 중 하나가 됩니다.
4. 인장력 상한. 무거운 이수를 사용하면 필요한 최소 인장력이 라이저, 텐션 링, 유정 헤드, 텐셔너 자체의 허용 하중에 가까워집니다. 스트로크에 따라 증가하는 인장력도 그 상한을 넘지 않아야 합니다.

백업 텐셔닝과 SIRIUS

씰 고장, 로프 교체 또는 유지보수로 텐셔너가 운전에서 제외될 수 있습니다. 한 장치가 빠지면 나머지 장치가 그 하중을 분담하며, 다음 고장에 대비한 여유는 줄어듭니다. 해당 장치가 복귀할 때까지 이수 밀도를 낮추거나 운용 제한을 강화해야 할 수도 있습니다. 백업 텐셔너는 주 장치를 복구하는 동안 빠진 장치의 하중을 맡습니다.

규모를 가늠하면, 듀얼 와이어라인 장치 하나를 대신하는 백업 장치는 약 230 t을 지탱하며, 이는 250-kip 와이어라인 두 개의 하중입니다.

SIRIUS는 개발 중인 당사의 범용 텐셔너 제품군으로 이러한 백업 역할을 할 수 있습니다. 감쇠를 수동으로 설정하는 상부 설치 장치이며, 계획된 범위는 5~5,000 t와 1~12 m 스트로크입니다. 백업 라이저 텐셔닝, 개수 작업 및 기타 일정 인장력 유지 작업에 사용하도록 설계 중입니다. SIRIUS의 기반 하드웨어가 새로운 것은 아닙니다. 당사 팀은 이전에 장스트로크 텐셔너를 납품한 바 있으며, 그중에는 500 t 시추용 텐셔너, 스트로크 8 m.

라이저 텐셔너와 인양용 히브 보상 장치는 가스 스프링에 대항하여 작동하는 실린더라는 점에서 같은 종류의 장비이지만, 평가 기준은 다릅니다. 텐셔너는 몇 주 동안 작동하며 스트로크 전 구간에서 인장력을 얼마나 일정하게 유지하는지 평가합니다. 인양용 보상 장치는 한 번의 인양 중 선박 움직임이 하중에 얼마나 적게 전달되는지 평가합니다. 크레인으로 수행하는 개수 작업용 스트링 또는 코일드 튜빙 작업의 보상에 대해서는 코일드 튜빙 히브 보상.