메가와트급 부유식 해상풍력발전기용 계류시스템 탈부착 장치의 용접부 피로 안전성 평가 = Fatigue Safety Evaluation of Welded Joints in a Mooring System Disconnection Device for Megawatt-Class Floating Offshore Wind Turbines

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 메가와트급 부유식 해상풍력발전기(Floating Offshore Wind Turbine, FOWT)의 핵심 구성요소인 계류시스템 탈부착 장치(Fairlead Chain Stopper, FCS) 용접부의 피로 안전성을 평가하는 것을 목표로 한다. 전 세계적인 탄소 중립 목표 달성을 위해 해상풍력 발전이 심해로 확장됨에 따라, 부유식 구조물의 안전성과 유지보수 효율성은 핵심 기술 과제로 부상하였다. 특히, 극한의 해양 환경에서 반복 하중을 받는 계류 시스템의 용접부는 구조적 신뢰성 확보에 있어 가장 중요한 부분 중 하나이다.
본 연구에서는 FCS 용접부의 25년 설계 수명에 대한 피로 안전성을 검증하기 위해, 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)과 상사 축소 모형(Similarity-scaled model) 피로 시험을 결합한 통합적 검증 방법론을 채택하였다. 먼저 DNV 선급 규정에 근거한 FEA를 통해 FCS 구조 전체의 응력 분포를 분석하고 피로에 가장 취약한 부위를 정밀하게 식별하였다. 이후, 식별된 취약부의 기하학적 형상과 용접 조건을 반영한 상사 축소 시험편을 제작하여 실제 피로 시험을 수행함으로써 해석 결과의 물리적 타당성을 검증하였다.
해석 결과, 모든 평가 대상 용접부에서 DNV가 요구하는 최소 안전 계수(10)를 월등히 상회하는 값을 확인하였으며, 상대적으로 가장 취약한 부위로 예측된 Zone #5와 Zone #3의 안전 계수는 각각 104와 650으로 나타났다. 축소 모형 피로 시험을 통해 도출된 시험적 S-N 선도는 FEA에 적용된 DNV 설계 곡선(D-curve, FAT 90)을 만족하거나 상회하는 경향을 보였다. 대부분의 시험편에서 산출된 피로 강도(FAT) 값은 기준치인 90을 상회하여 해석 모델의 타당성과 보수성을 성공적으로 입증하였다.
결론적으로, 본 연구는 유한요소해석과 축소 모형 시험의 상호 보완적 검증을 통해 개발 중인 FCS 용접부 설계가 목표 설계 수명인 25년을 만족시키는 충분한 피로 안전성을 확보하였음을 해석적, 시험적으로 규명하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to evaluate the fatigue safety of welded joints in the Fairlead Chain Stopper (FCS), a disconnection device for mooring systems that serves as a core component of megawatt-class Floating Offshore Wind Turbines (FOWT). As offshore wind power expands into deeper waters to achieve global carbon neutrality goals, the structural integrity and maintenance efficiency of floating structures have emerged as critical technical challenges. In particular, welded joints in mooring systems, which are subjected to cyclic loading in extreme marine environments, are among the most vital areas for ensuring structural reliability.
To verify the fatigue safety of FCS welded joints over a 25-year design life, this study adopted an integrated verification methodology combining Finite Element Analysis (FEA) and fatigue testing of Similarity-Scaled Models. First, the stress distribution across the entire FCS structure was analyzed through FEA based on DNV classification rules to precisely identify the most fatigue-vulnerable areas. Subsequently, similarity-scaled specimens reflecting the geometric shapes and welding conditions of the identified vulnerable zones were fabricated. Physical fatigue tests were then performed to validate the physical validity of the analytical results.
The analysis results confirmed that all evaluated welded joints exceeded the minimum safety factor (10) required by DNV regulations by a significant margin. Specifically, the safety factors for Zone #5 and Zone #3, identified as the most vulnerable areas, were 104 and 650, respectively. The experimental S-N Curves derived from the scaled-model fatigue tests met or exceeded the DNV design curves (D-curve, FAT 90) used in the FEA. The fatigue strength (FAT) values calculated for most specimens exceeded the reference value of 90, successfully demonstrating the validity and conservatism of the analytical model.
In conclusion, through the complementary verification of finite element analysis and scaled-model testing, this study analytically and experimentally established that the design of the FCS welded joints currently under development possesses sufficient fatigue safety to satisfy the target design life of 25 years.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목표 5
• 제2절 주요 연구내용 7
• 1. 주요 연구내용 7
• 제2장 본론 8
• 제1절 탈부착 장치 설계 및 피로해석 8
• 1. 탈부착 장치(FCS) 설계 개요 8
• 2. 피로 해석 내용 12
• 3. 피로 해석 결과 23
• 제2절 축소 모형 시험 및 피로 성능평가 24
• 1. 피로 시험 개요 24
• 2. 시험편 제작 26
• 3. 용접 비드 형상 측정 34
• 4. 각변형 및 축 맞춤 불량 측정 37
• 5. 핫스팟 응력(Hot spot stress) 측정 40
• 6. 피로 시험 조건 43
• 제3절 피로 해석 및 시험 결과 비교 44
• 1. 파단면 분석 44
• 2. S-N Curve 작성 및 결과 요약 47
• 3. FAT 비교 57
• 제3장 결 론 60
• 참 고 문 헌 62
• 영 문 초 록 64