해양 플랫폼의 수명 설계에 대한 확률론적 접근 방식

Aug 15, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7101(2023) 이 기사 인용

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해양 플랫폼은 평생 서비스가 중단되면 급속히 큰 손실이 발생할 수 있으므로 중요한 인프라로 간주됩니다. 이러한 구조물은 초기 건설 비용을 고려하여 설계되는 경우가 많지만 설계 과정에 직접 비용과 간접 비용이 모두 포함되도록 수명 기반 설계를 고려하는 것이 좋습니다. 여기서는 해양 플랫폼의 수명주기 비용(LCC) 분석에 대한 확률 기반 접근 방식을 제안합니다. 고정식 해양 플랫폼은 현행 설계 규정과 100년의 반환 기간을 기준으로 먼저 설계되었습니다. LCC가 설계 최적화에 미치는 영향을 위해 파랑, 조류, 바람 병합의 동시 효과를 확률적으로 고려합니다. 구조 요소는 다섯 가지 모델에 맞게 설계되었습니다. 하나의 모델은 현재 설계 요구 사항을 기반으로 하고 나머지는 요구 사항 이상을 기반으로 합니다. 이에 따라 각 모델의 LCC가 결정됩니다. 결과는 평생 비용 기간과 비교할 때 코드 기반 모델이 최적이 아니라는 것을 보여줍니다. 최적의 지점을 충족하려면 구조 요소의 크기를 최대 10%까지 늘려야 합니다. 결과에 따르면 초기 비용이 5% 증가하면 LCC는 최대 약 46%까지 감소하는 것으로 나타났습니다. 여기에 제시된 작업은 이해관계자들이 중요한 구조물의 LCC 기반 설계를 촉진하여 수명 비용을 절감하도록 자극하는 것입니다.

해양 플랫폼은 바다 깊은 곳에서 매장된 석유와 가스를 추출하기 위해 설치됩니다. 그 중요성으로 인해 일상적인 활동이 중단될 경우 이해관계자는 막대한 손실을 입을 수 있습니다1,2. 해양 플랫폼은 일반적으로 이용 가능한 표준을 기반으로 설계되지만, 멕시코만에서 발생하여 막대한 피해를 입힌 사례와 같은 최근 경험에 따르면 현행 규정을 기반으로 한 설계가 반드시 경제적으로 최적인 것은 아니라는 사실이 밝혀졌습니다3,4. 최적의 구조 설계에 대한 일반적인 믿음은 초기 건설 비용을 줄여야 한다는 것입니다. 그러나 평생 비용은 초기 비용보다 훨씬 클 수 있습니다. 현재 규정에서는 이 중요한 사항이 다루어지지 않습니다. 평생비용은 LCC(Life Cycle Cost)라고 하며 1차 비용과 2차 비용으로 구분됩니다. 1차 비용에는 자재 구매, 임금, 건설, 설계, 구현, 운송, 설정 및 플랫폼 테스트5가 포함됩니다. 2차 비용은 운영 기간 비용 및 구조물의 수명 위험과 관련이 있습니다. 피해는 플랫폼 및 투자 기회 상실, 직원 부상 및 사상자, 석유 및 가스 추출 중단 비용, 플랫폼 재테스트 및 시동, 장비 손실, 수리 및 개조 비용으로 정의할 수 있습니다.

확률론적 접근 방식을 사용하는 기존 구조물에 대한 LCC 기반 설계는 지난 수십 년 동안 주목을 받아 왔습니다(예: Liu 및 Neghabat6, Asiedu 및 Gu7, Lagaros et al.8, Uddin 및 Mousa9, Marzouk et al.10, Behnam11, Hassani et al.12, Talaslioglu13,14,15 및 Jebelli et al.16. 해양 플랫폼에 대해서는 위에서 언급한 접근 방식을 채택한 연구는 전반적으로 드물지만 부하 특성을 확률적으로 모델링하거나 간접 비용, 특히 환경 비용을 설명하는 연구도 있습니다. 일부 연구에서는 우도 모델을 사용하여 풍속과 파고를 추정했습니다. Heredia-Zavoni et al.17은 적용 하중에 대한 한계 상태 함수를 정의하는 피로 손상 하에서 강철 재킷 플랫폼의 파손 확률을 결정했습니다. Lee et al.18은 Gumbel 및 Weibull 분포를 사용하여 극한 풍속을 추정했습니다. 파도를 직접 연구하기 위해 Kwon et al.19은 극한 해수면 추정을 위한 통계적 방법을 사용했습니다. Bea et al.20은 내부 및 외부 요인을 고려한 신뢰성 및 위험 평가를 기반으로 해양 플랫폼의 수명주기 위험 특성을 일반화했습니다. Pinna et al.21은 비용 효과적인 기준에 따라 모노포드 플랫폼의 최적 설계를 결정하고 실패의 경제적 결과와 건설 비용의 비율을 고려했습니다. Leon과 Alfredo22는 사회적, 경제적 문제를 관리 의사결정 프레임워크에 통합하는 것을 고려하여 석유 플랫폼의 위험 관리를 위한 신뢰성 기반 비용-편익 최적 결정 모델을 제안하고 비용 함수를 피해 수준의 함수로 공식화했습니다. Ang과 Leon23은 멕시코 만에 건설된 해양구조물을 비용함수를 피해지수로 분석하여 최적설계방법에 적용하였다. Hasofer24는 구조 요소에 대한 신뢰성 정의를 모델링했습니다. Rockweiss와 Flessler25는 구조적 신뢰성을 계산하는 수치적 방법을 제안했습니다. 신뢰도 이론으로는 Zeinoddini et al.26에 의해 새로운 속계파 이론에 기초한 파장해석법이 소개되었다. Ricky et al.27은 두 개의 고정 해양 재킷에 대해 고장 가능성을 조사했습니다. 그들은 서로 다른 방향에서 실패 확률을 추정했습니다. 실패 정도는 신뢰도 지수에 따라 약함, 보통, 심각함의 세 가지 범주로 분류되었습니다. Lee et al.28은 해양 구조물을 설계하고 다양한 반환 기간에 따른 고장 확률과 그에 따른 추정 간접 비용을 계산했습니다. 그런 다음 목표 기능의 최소 LCC를 결정하고 최적의 부하를 위한 구조를 설계했습니다. Guédé29는 위험 기반 평가 방법을 도입하고 고정식 해양 플랫폼에 대한 구조적 무결성 관리 계획의 일부로 검사 계획을 개발했습니다. Ayotunde et al.30은 LCC 관점에서 해양 플랫폼을 위한 고출력 에너지 저장 기술의 정확성을 평가했습니다. Vaezi et al.31은 먼저 해양 플랫폼의 동적 반응에 대한 특정 구조 시스템의 영향을 조사한 후 하중이 가해지는 해양 구조물의 설계에 사용할 최적화 프레임워크를 제안했습니다. Qi 등32은 이동식 해양 플랫폼에 대한 시간 의존 부식 모델을 개발했습니다. Li와 Wang33은 최적화된 해양 플랫폼의 환경적 이점을 계산하는 접근 방식을 제안했습니다. Katanyoowongchareon et al.34은 해양 플랫폼의 직접 비용을 최적화하기 위해 신뢰성 분석과 정량적 위험 평가를 수행했습니다. Colaleo 등35은 LCC 관점에서 기존 해양 플랫폼의 환경적, 경제적 영향을 평가했습니다. Janjua와 Khan36은 해양 플랫폼의 환경 및 경제적 영향 평가를 위한 환경 효율성 프레임워크를 개발했습니다. Heo et al.37은 피로 손상을 평가하기 위해 해양 에너지 전환을 위한 최적화 프레임워크를 개발했습니다.