KR20200076743A - 해양 선박의 유체 동적 프로파일을 개선하는 방법, 개선된 유체 동적 프로파일을 갖는 해양 선박 및 유체 동적 프로파일을 개선하기 위한 코팅 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박의 워터 라인 아래에 있는 표면 위로 돌출하는 캡을 형성하는 용접 이음부를 갖는 해양 선박의 유체 동적 프로파일 및 오손 특성을 개선하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 예를 들어, 필러를 사용하는 것과 같이, 수중 표면에 페어링을 적용함으로써 용접 이음부를 수정하는 단계를 포함한다. 본 발명은 페어링을 갖는 선박 및 페어링을 포함하는 선박을 위한 코팅 시스템에 관한 것이다.

Description

해양 선박의 유체 동적 프로파일을 개선하는 방법, 개선된 유체 동적 프로파일을 갖는 해양 선박 및 유체 동적 프로파일을 개선하기 위한 코팅 시스템

본 발명은 일반적으로 해양 선박의 유체 동적 특성에 관한 것이고, 특히, 선박의 워터 라인 아래의 외부 표면에서 연장되는 용접 이음부를 갖는 선박에 관한 것이다. 본 발명은 또한 코팅 시스템, 특히, 선박의 수중 표면의 유체 동적 특성을 개선하기 위한 방오(antifouling) 코팅 시스템에 관한 것이다.

해수에 노출되는 수중 구조물에는 녹조류와 갈조류, 따개비, 홍합, 관 벌레 등과 같은 해양 생물에 의해 오손된다. 선박, 석유 플랫폼, 부표 등과 같은 해양 구조물에는 오손(fouling)이 바람직하지 않다. 이는 표면의 생물학적 분해, 하중 증가 및 부식 가속화로 이어질 수 있기 때문이다. 선박의 오손은 항력 저항을 증가시켜 속도를 감소시키거나 연료 소비를 증가시킨다. 또한, 기동성이 감소될 수 있다.

스틸 선박 건설 초기에, 플레이트는 랩 조인트를 형성하도록 배치되고 리벳에 의해 조립되었다. 해양 선박의 용접된 선체는 거의 한 세기 동안 존재했다. 용접은 금속 플레이트가 용융(fusion)에 의해 결합되는 제조 공정이다.

전형적으로, 플레이트는 버트 조인트에 배치되어 오버랩되는 뚜렷한 단계를 피할 수 있다. 이 위치에서, 플레이트의 에지부에 있는 베이스 재료가 용융되고, 추가 재료가 일반적으로 첨가된다. 올바르게 실행된 용접 공정의 생성 이음부는 선박 선체 및 플레이트 두께 등과 관련된 품질 및 강도 요구 사항에 의해 결정되는 캡 높이를 갖는 캡을 획정한다. 캡은 랩 조인트의 전형적인 단계에 비해 낮고, 올바르게 제작된 용접 이음부의 캡 형상은 일반적으로 매끄럽고 둥글다.

예를 들어, 워터 라인 위의 고가의 슈퍼 요트와 유람선과 같이, 특히 멋진 외관이 필요한 응용 분야에서, 워터 라인 위의 용접 이음부의 캡은 때때로 스틸 플레이트의 표면과 수평이되거나 전체 선체가 표면 불균일(irregularities)을 덮기 위해 워터 라인 위에서 매끄럽게 될 때까지 연삭된다. 이러한 공정은 순수한 미학적 이유이며 구조적 관점에서 바람직하지 않을 수 있다.

용접 공정은 플레이트를 결합하는 강력하고 간단한 방법을 제공하지만 리벳팅과 같은 비-가열 조립 공정과 비교할 때 몇 가지 단점이 있다. 집중적인 열 입력으로 인해 열 영향 구역(HAZ)이 이음부의 양 측면에 생성된다. 이 구역에서, 금속 구조가 변경되었을 수 있다. 따라서, 특히, 용접 이음부 및 HAZ에서 적절한 보호를 보장하는 것이 선박 제조에서 중요한 측면이다.

코팅의 층 두께를 보장하기 위해, 용접 이음부는 종종 전체 용접 선박 구조가 분무 도장되기 전에 브러시로 스트라이프 코팅된다. 이 공정은 시간이 많이 걸리고 비싸다.

HAZ의 양태 외에도 워터 라인 아래의 용접 이음부와 관련하여 오손이 때때로 경험된다. 이론에 구애됨이 없이, 이러한 오손은 용접의 코너에 의해 형성된 앵커 지점 또는 용접 부근의 유동 조건에 의해 야기될 수 있으며, 전형적으로 오손은 주의를 기울여 방오가 적용되는 경우에도 경험될 수 있다.

항력을 줄임으로써 연료 소비를 줄이거나 또는 잠재적으로 선박의 속도를 증가시키고 및/또는 용접된 선박 선체의 용접 이음부 및 관련 HAZ를 보호하고, 및/또는 용접된 선박의 코팅 비용을 감소시키고 및/또는 코팅 품질을 개선시키고, 및/또는 오손을 감소시키기 위해, 본 발명은 청구항 제1항에 따른 방법 및 청구항 제10항에 따른 선박 및 청구항 제13항에 따른 코팅 시스템을 제공한다.

전술한 바와 같이, 용접 이음부는 매끄럽게 둥글게 되어 유체 동적 특성에 대해 랩 조인트보다 우수한 형상을 갖는 캡을 형성한다. 제1 양태에 따르면, 페어링(fairing)을 적용함으로써 용접 이음부에서 선박의 프로파일을 수정하기 위한 방법이 제공된다. 이로 인해 항력이 더 줄어들 수 있다. 또한, 프로파일의 수정은 용접 이음부 주위의 유동 조건을 변화시켜 오손을 감소시킬 수 있다.

본원 명세서에서, 페어링이라는 용어는 용접 이음부 및 수중 표면에 위치된 부재를 덮어 그 용접 이음부에서 선박의 프로파일을 수정하는 것으로 간주된다. 또한, 페어링은 특히, 용접 이음부에서 부식을 야기할 수 있는 물의 침입으로부터 용접 이음부 및 HAZ를 보호할 수 있다. 또한, 프로파일의 변화는 용접 이음부에서 방오 특성을 변화시킬 수 있다.

제1 그룹의 실시예들에서, 페어링은 용접 이음부에 부착되는 사전에 정의된 부재, 예를 들어, 접착 테이프 형태의 강성 부재 또는 부드러운 구부릴 수 있는 부재, 폴리머 재료의 압출 프로파일, 복합 재료, 금속, 목재 또는 플라스틱의 강성 부재로 구성될 수 있다. 상기 그룹의 실시예들에서, 상기 방법은 예를 들어, 수중 표면 및/또는 용접 이음부에 접착 가능하게 페어링을 부착하는 단계를 포함하며, 선택적으로는 페어링을 부착하기 전에 표면을 세정 및/또는 프라이머 코팅함으로써, 선택적으로는 예를 들어, 오손 제어 표면 코팅 시스템에 의해 페어링에 코팅 층을 제공함으로써 표면이 준비된다.

사전에-정의된 부재는 예를 들어, 용접 이음부를 따라 펼쳐지는 롤 상에 공급될 수 있다. 페어링은 접착제를 사용하여 수중 표면에서 부착될 수 있다. 페어링은 용접 이음부를 완전히 덮기 위해 적용되거나 또는 용접 이음부의 일부만 덮도록 부착될 수 있다. 페어링은 용접 이음부의 일 측면만을 따라 연장되거나 또는 용접 이음부의 양 측면을 따라 연장될 수 있다.

페어링은 견고하거나 중량 및 재료 소비를 줄이기 위해 중공 또는 다공성일 수 있다.

특히, 페어링은 완전히 완성된 용접 이음부에 적용되고, 즉, 용접 공정이 완료된 후에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 용접된 재료가 정상 온도로 냉각된 후에 페어링이 적용된다.

특히, 페어링은 선박의 수명 전체에 걸쳐 표면에서 유지될 수 있고, 특히, 선박의 유체 역학적 특성을 개선함으로써 연료 소비를 감소시킬 수 있도록 선박이 작동되는 동안 선박의 수중 표면에 유지된다.

제2 그룹의 실시예들에서, 페어링은 필러로 구성되며, 상기 방법은 응고되지 않은 상태로 필러를 수중 표면에 적용하고, 용접 이음부 상에 필러를 성형하고, 페어링을 획정하도록 필러를 응고시키는 단계를 포함한다.

또한, 제2 그룹의 실시예들과 관련하여, 페어링은 예를 들어, 용접된 재료가 정상 온도로 냉각된 후에 완전히 완성된 용접 이음부에 적용되고, 선박의 유체 역학적 특성을 개선하기 위해 선박의 작동 중에 유지된다.

이하에서, 본 발명은 제1 및 제2 그룹의 실시예들을 참조하여 설명될 것이지만, 일부 특징은 제1 및 제2 그룹의 실시예들 중 하나에만 관련되며, 이 경우 본 개시는 관련 그룹에 대해 적용된다. 일반적으로, 페어링이 참조될 때마다, 그 특징은 두 그룹의 실시예들 모두에 관련되고, 필러가 언급될 때, 그 특징은 제2 그룹의 실시예들에 관련된다.

본원 명세서에서, "필러"라는 용어는 응고되지 않고, 따라서 용접 이음부에서 페어링을 형성하도록 성형될 수 있고, 추후에 응고될 수 있는 퍼티 재료를 의미한다.

본원 명세서에서, 용접 이음부라는 용어는 특히, 선체의 두 플레이트가 용접에 의해 결합되는 이음부이다. 특히, 상기 방법은 페어링을 적용함으로써 용접 이음부를 구체적으로 수정하기 위해 선체의 2개의 외부 스킨 플레이트를 조립하는 버트-조인트 용접 이음부를 식별하는 것을 암시할 수 있다. 버트-조인트는 예를 들어, 단일 용접 버트 조인트, 이중 용접 버트 조인트, 개방 또는 폐쇄 버트 조인트일 수 있으며, 기하학적 구조는 예를 들어, 정사각형 버트 조인트, V-조인트, J-조인트 또는 U-조인트일 수 있다.

용접 이음부에 수직인 단면에서 볼 때, 페어링은 삼각형의 형상을 가질 수 있고, 삼각형의 하부 표면은 수중 표면을 따르고, 삼각형의 2개의 상부 표면은 용접 이음부 위의 상부 지점으로부터 연장되며, 그 상부 지점에서 하부 표면을 향해 하향으로 경사져 있다. 삼각형 형상은 특히, 이등변 삼각형의 형상을 가질 수 있고, 용접 이음부에서의 높이는 특히, 용접 이음부의 높이보다 높을 수 있다.

삼각형의 하부 표면은 특히, 용접 이음부의 높이의 적어도 10배일 수 있다.

상부 표면은 특히, 내측으로 구부러져 볼록한 형상을 형성하거나 또는 외측 구부러져 오목한 형상을 형성할 수 있다.

페어링은 특히, 용접 이음부와 용접 이음부의 HAZ 모두를 덮기 위해 적용될 수 있다. 이러한 방식으로, 페어링은 유체 동적 특성을 개선할뿐만 아니라 조립된 플레이트의 영향을 받는 부분을 덮음으로써 열화를 감소시킬 수 있다. 페어링은 예를 들어, 수중 표면 및/또는 용접 이음부의 물 보호 캡슐화를 제공하도록 에폭시를 함유하는 밀봉 보호 재료로 제조될 수 있다. 또한, 페어링은 수중 표면 및/또는 용접 이음부의 기밀 캡슐화를 제공할 수 있다.

일 실시예에서, 페어링은 용접 이음부에 대하여 대칭으로 배치된다.

일 실시예에서, 용접 이음부는 페어링으로 완전히 캡슐화되고, 일 실시예에서, 페어링은 1cm 높이의 용접 이음부의 높이의 적어도 10배 또는 심지어 20배에 해당하는 적어도 10cm 또는 심지어 20cm의 범위에서 길이 방향을 가로지르는 폭을 갖는다.

페어링은 코팅되지 않은 용접 이음부에 직접 배치될 수 있으며, 자체적으로 프라이머 특성을 가질 수 있다. 또한, 페어링은 프라이밍된 표면에 부착될 수 있고, 즉, 용접 이음부 및/또는 수중 표면은 페어링이 적용되기 전에 프라이머로 코팅될 수 있다.

제2 그룹의 실시예들에서, 필러는 용접 이음부의 코팅되지 않은 표면 또는 프라이머의 표면에 직접 적용될 수 있고, 필러는 보호 특성 그 자체를 갖고 용접 이음부 및 주변을 보호하도록 선택될 수 있다. 필러가 프라이머에 적용되면, 프라이머는 스틸 표면 및 필러에 효과적으로 결합될 수 있다. 프라이머는 필러보다 점성이 낮을 수 있으므로 프라이머가 스틸 표면의 불균일을 채우고 더 두껍고 점성이 있는 필러를 적용하기 전에 표면을 매끄럽게 할 수 있다.

페어링은 코팅, 예를 들어, 방오 표면 코팅 시스템, 예를 들어 다층 방오 코팅 시스템에 의해 덮여질 수 있다.

페어링은 방오 특성을 제공하는 재료로 제조될 수 있으며, 이에 의해, 오손 제어 표면 코팅 시스템의 일부를 구성한다.

페어링은 방오 특성에 관계없이 용접 이음부의 유동 조건을 수정하여 오손을 줄일 수 있다.

수중 표면의 용접 이음부는 항해 방향에 대한 용접 이음부의 위치 및 방향에 따라 항력 저항에 다른 영향을 줄 수 있다. 이하에서, "길이 방향"이라는 용어는 선박이 설계되는 항해 방향을 지칭하고, 길이 방향 용접 이음부는 길이 방향으로 연장되는 용접 이음부이다. 마찬가지로, "횡방향"이라는 용어는 예를 들어, 선박이 설계되는 항해 방향에 수직인 횡방향인 방향을 지칭하고, 횡방향 용접 이음부는 횡방향으로 연장되는 용접 이음부이다. 상기 방법은 수중 표면에서 길이 방향으로 연장되는 적어도 하나의 용접 이음부를 식별하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 용접 이음부는 항해 방향에 있고, 따라서, 항해 동안 유체 동적 특성에 대한 영향이 적기 때문에, 상기 방법은 길이 방향 용접 이음부가 아닌 횡방향 용접 이음부에만 페어링을 적용하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 방오 표면 코팅 시스템은 길이 방향 용접 이음부에, 예를 들어, 페어링을 적용하지 않은 프라이머 또는 타이-코트의 상부에 적용될 수 있으며, 방오는 페어링 상부의 횡방향 용접 이음부에 적용될 수 있다.

일 단계는 항해 방향에 횡방향으로 연장되는 용접 이음부를 식별하고 이들 용접 이음부에만 페어링을 적용하는 것일 수 있다. 횡방향 용접 이음부에만 페어링을 적용하는 것을 선택하는 것은 작업 절차를 최적화하고, 가볍고 잠재적으로 더 빠른 선체를 가능하게 한다.

페어링은 항해 방향에 대해 후방을 향하는 용접 이음부의 하류 측에만 적용될 수 있다. 이는 가장 큰 난기류가 발생하는 곳이며 용접 이음부의 상기 측에만 페어링을 적용하면 페어링 양이 감소될 수 있다.

페어링은 예를 들어, 기껏해야 선박의 수중 표면의 전방 절반 부분의 용점 이음부와 같이, 선박의 전방 단부에 선택적으로 적용될 수 있으며, 수중 표면의 전방 절반 부분은 항해 방향의 전방을 가리키는 전방 단부로부터 선박의 후방 단부를 향한 절반으로 연장된다. 일 예어서, 선박의 전방 1/3 또는 선박의 전방 1/4에만 적용된다. 오손 제어 시스템은 항해 방향으로 연장되는 용접 이음부에 직접 적용될 수 있거나 또는 용접 이음부와 오손 제어 표면 코팅 시스템 사이에 프라이머 코팅이 적용될 수 있다.

선택된 용접 이음부에만 페어링을 적용하면 덮이지 않은 이들 용접 이음부가 방해받지 않고 검사되는 것을 가능하게 하는 추가 이점이 있다.

상기 공정에서, 페어링은 추후에 항해 방향으로 연장되는 용접 이음부를 덮는데 사용되는 것과 동일한 오손 제어 표면 코팅 시스템으로 덮일 수 있다.

일 실시예에서, 페어링은 프라이머, 예를 들어, 방청 프라이머의 상부에 적용되게 된다. 방청 프라이머는 수중 표면에서 직접 선체 전체에 적용되게 된다. 선체의 표면은 예를 들어, 연마 가공으로 처리된 스틸 표면일 수 있거나 또는 기존 표면은 오래된 선체의 노화된 페인트 표면이 될 수 있다. 방청 프라이머를 적용한 후, 페어링은 전술한 용접 이음부 영역에 적용되게 된다. 페어링의 상부에 탑 코트가 적용될 수 있다. 탑 코트는 오손 제어 표면 코팅 시스템의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 또한, 타이-코트의 하나 이상의 층이 탑 코트 아래에 적용될 수 있다.

일 실시예에서, 방청 프라이머 시스템은 에폭시-유형 방청 프라이머이고, 페어링은 에폭시-함유 재료, 예를 들어, 에폭시 기반 재료로 제조된다. 타이-코트는 에폭시, 실리콘 또는 폴리우레탄 기반 타이-코트일 것이고, 오손 제어 표면 코팅 시스템은 후술되는 바와 같은 하나 이상의 방오 코트 또는 실리콘 시스템을 포함하며, 실리콘 시스템은 실리콘 코팅의 유사하거나 상이한 층을 포함할 수 있다. 오손 제어를 위한 적절한 탑 코트의 예는 특히, 국제 공개공보 WO2011076856호에서 찾을 수 있다.

다른 실시예에서, 페어링은 선박 선체의 기존 표면에 직접 적용될 것이다. 기존 표면은 노화된 코팅 시스템 또는 예를 들어, 연마 가공 사전-처리로부터의 베어 스틸일 수 있다. 페어링의 상부에 방청 프라이머의 층이 적용된 다음, 예를 들어, 타이-코트의 하나 이상의 층 및 전술한 바와 같은 오손 제어 표면 코팅 시스템을 포함하는 탑 코트가 적용된다.

일 실시예에서, 페어링은 탄성 특성을 가지므로 탄 성적으로 변형되어 선체의 형상에 적응하고, 예를 들어, 높은 파도에서 선체가 편향될 때 편향하는 능력을 향상시킬 수 있다.

제1 양태의 방법은 2개의 하부 스킨 패널이 버트 조인트로 결합되는 용접 이음부에 특히 적용될 수 있다.

상기 방법은 해양 선박의 선체를 제조하는 방법의 일부를 형성할 수 있고, 상기 방법은 인접한 에지부를 형성하기 위해 적어도 2개의 바닥 스킨 패널의 에지부를 버트 조인트에 배치하는 단계, 선박의 수중 표면 위로 돌출하는 캡을 형성하는 적어도 하나의 용점 이음부에 의해 인접한 에지부를 결합하는 단계, 및 수중 표면 및 용점 이음부에 페어링을 적용함으로써 선체의 프로파일을 수정하는 단계를 포함하며, 이는 특히, 용접 이음부가 완전히 마무리되고 냉각된 후에 적용될 수 있다.

제2 양태에서, 본 발명은 수중 표면 상에서 연장되는 용접 이음부를 갖는 해양 선박을 제공한다. 용접 이음부는 수중 표면으로부터 멀어지는 외측 방향으로 이음부-높이를 돌출시키는 캡을 형성한다.

항력을 감소시켜 잠재적으로 속도를 증가시키거나 또는 연료 소비를 감소시키기 위해, 선박은 길이 방향으로 연장되고 외측 방향으로 페어링 높이를 돌출시키는 페어링을 또한 포함한다. 페어링은 용접 이음부의 적어도 일부를 덮고 바람직하게는 용접 이음부를 완전히 캡슐화하도록 배치된다. 또한, 페어링은 용접 이음부의 양 측면에서 연장되어 수중 표면의 적어도 일부를 덮는다.

특히, 페어링은 버트 조인트에서 선체의 스킨 패널을 조립하는 용접 이음부를 적어도 부분적으로 덮도록 배치될 수 있다.

바람직하게는, 페어링-높이는 용접 이음부로부터 멀어지는 수중 표면을 따라 폭 방향으로 감소하여, 길이 방향에 수직인 단면에서 볼 때 페어링이 삼각형이 된다.

페어링-높이는 이음부-높이의 90-110% 사이일 수 있어서, 용접 이음부가 완전히 덮히거나 또는 용접 이음부의 높이의 최대 10%가 덮이지 않는다.

페어링은 용접 이음부의 반대편 측면에서 길이 방향으로 연장되는 2개의 측면 에지부에서 종결될 수 있다. 바람직하게는, 이들 측면 에지부는 용접 이음부와 평행하고, 측면 에지부 중 적어도 하나는 용접 이음부로부터 페어링-높이의 적어도 5배의 거리로 연장되고, 예를 들어, 페어링-높이의 6배, 7배, 8배, 9배 또는 10배의 거리로 연장될 수 있다.

하나의 측면 에지부에서 용접 이음부까지의 거리는 다른 측면 에지부에서 용접 이음부까지의 거리와 동일할 수 있다.

일 실시예에서, 페어링은 수중 표면으로부터 멀어지는 외부 표면을 가지며, 외부 표면은 길이 방향에 대해 횡방향인 단면에서 볼록하다.

유체 동적 프로파일을 개선하기 위한 방법과 관련하여 언급된 임의의 양태, 예를 들어, 최대 선박의 전방 절반에서 용접 이음부를 페어링으로 덮고 나머지 용접 이음부를 페어링 없이 남겨 두는 양태는 선박에도 적용될 수 있다.

제3 양태에서, 본 발명은 선박의 수중 표면을 위한 코팅 시스템에 관한 것으로, 코팅 시스템은 언급된 순서로 수중 표면 쪽으로 배치되는 적어도 하나의 프라이머, 예를 들어, 에폭시 기반의 방청 프라이머의 층, 본 발명의 제1 양태와 관련하여 기술된 종류의 페어링 및 탑 코트를 포함한다. 탑 코트는 오손 제어 표면 코팅 시스템의 적어도 하나의 층을 포함할 수 있다.

페어링은 특히, 예를 들어, 프라이머 상에 적용되는 필러로 제조될 수 있다.

프라이머는 특히, 에폭시 기반 프라이머일 수 있고, 타르가 적거나 타르가 없을 수 있으며, 필러의 점성보다 낮은 점성을 가질 수 있고, 특히, 적어도 2개의 별도 층에 적용될 수 있다.

필러는 특히, 에폭시 기반 필러일 수 있고, 특히, 프라이머 및 탑 코트의 색상과 다른 색상일 수 있다.

일 실시예에서, 탑 코트는 하나 이상의 실리콘 또는 에폭시 기반 코팅의 층, 예를 들어, 본원 명세서의 다른 곳에 기재된 오손 제어 표면 코팅 시스템을 포함한다.

오손 제어 표면 코팅 시스템은 특히, 가수 분해성 아크릴 바인더와 같은 자체-연마 방오 바인더 시스템일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 특정 관련 시스템의 예는 비-수성 분산 바인더 시스템을 포함한다. 이러한 비-수성 분산-유형 레진 및 그의 제조 방법은, 예를 들어 미국 특허공보 US 3,607,821호, US 4,147,688호, US 4,493,914호 및 US 4,960,828호, 일본 특허 공개공보 29,551/1973호 및 일본 특허 공개공보 177,068/1982에 기술되어 있으며; 구체적으로는, 비-수성 분산-유형 레진을 구성하는 쉘 부품으로서, 예를 들어, 미국 특허공보 US 4,960,828호(일본 공개특허공보 43374/1989호)에 기술된 저-극성 용매에 가용성인 다양한 고-분자 물질이 사용될 수 있고; 유럽 특허공보 EP 0 297 505 B1호에 기술된 바와 같은 실릴화된 바인더 시스템; 예를 들어, 유럽 특허공보 EP 0 471 204 B1호, EP 0 342 276 B1호, EP 0 779 304 A1호, EP 0 204 456 B1호 또는 일본 특허공보 16809/1989호에 기술된 바와 같은 금속 아크릴레이트 바인더 시스템; 한국 특허공개공보 KR 20140117986호에 기술된 바와 같은 실릴화된 아크릴레이트 및 금속 아크릴레이트 바인더 시스템의 하이브리드; 예를 들어, 국제 공개공보 WO 2015/114091호에 기술된 바와 같은 폴리옥살레이트 바인더 시스템; 예를 들어, 국제 공개공보 WO 2004/018533호 및 WO 2016/066567호에 기술된 바와 같은 양성 이온 바인더 시스템; 예를 들어, 국제 공개공보 WO 2014/010702호에 개시된 바와 같은 폴리에스테르 바인더; 실릴화된 아크릴레이트, 양성 이온 바인더 시스템, 폴리에스테르 바인더 시스템, (천연) 로진, 로진 유도체, 불균형 로진, 부분 중합 로진, 수소화 로진, 검 로진, 불 균형 검 로진, 아크릴 레진, 폴리비닐 메틸 에테르 및 비닐 아세테이트-비닐클로라이드-에틸렌 삼원 공중합체의 하이브리드가 사용될 수 있다. 특히, 자체-연마 오손 제어 코팅 시스템과 조합하여, 페어링은 개선된 유동 조건을 제공할 수 있고, 따라서, 자체-연마 효과를 개선하여 오손 문제를 감소시킬 수 있다.

이들 중에서, 로진 바인더 시스템, 비-수성 분산 바인더 시스템, 실릴화된 아크릴레이트 바인더 시스템, 금속 아크릴레이트 바인더 시스템, 실릴화된 아크릴레이트 및 금속 아크릴레이트 바인더 시스템의 하이브리드, 폴리옥살레이트 바인더 시스템, 양성 이온 바인더 시스템, 실릴화된 아크릴 레이트, 양성 이온 바인더 시스템 및 폴리에스테르 바인더 시스템의 하이브리드가 특히 흥미롭다.

일 실시예에서, 타이-코트는 페어링과 탑 코트, 예를 들어 에폭시, 실리콘 또는 폴리우레탄 기반 타이-코트 사이에 적용된다. 타이-코트는 하나 이상의 층에 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 3은 선박의 워터 라인 아래의 스틸 플레이트의 단면도이다.
도 4 내지 도 6은 스틸 플레이트의 평면도이다.
도 7은 선박의 바닥 표면의 평면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 다른 페어링의 프로파일을 도시한다.
도 9 내지 도 13은 다른 테스트 결과를 도시한다.
도 14 내지 도 16은 CFD 시뮬레이션과 관련된 양태를 도시한다.

도 1은 선박의 수중 표면을 형성하는 스틸 플레이트를 도시한다. 물과 접촉하는 외부 표면(1)은 위쪽으로 도시되고, 내부 표면(2)은 내측, 예를 들어, 밸러스트 탱크 등을 향한다. 플레이트는 용접에 의해 결합되는 2개의 별도의 금속 시트(3, 4)로 구성된다. 용접 조인트는 수중 표면으로부터 멀어지는 외측 방향으로 이음부-높이를 돌출시키는 캡(5)을 형성한다. 높이는 화살표(h)로 표시된다.

도 2a는 용접 이음부 위에 필러를 적용함으로써 페어링(6)이 이루어지는 도 1의 플레이트를 도시한다. 페어링은 단면으로 정의된 평면의 내측 및 외측으로 축 방향으로 연장된다. 축 방향은 화살표(7)로 표시된다.

페어링은 외측 방향으로 페어링 높이(p)를 돌출시키고, 용접 이음부 및 수중 표면의 일부를 덮는다.

도 2b는 페어링의 확대 단면도이다. 페어링은 수중 표면에 대하여 점선(8)으로 도시된 하부 표면을 형성하는 삼각형 형상을 갖는다. 하부 표면(8)은 용접의 캡에 의해 생성된 원뿔 형상(9)에 의해 차단된다. 그러나, 본원 명세서의 의미 내에서 페어링은 삼각형으로 표시된다. 삼각형은 또한 용접 이음부 위의 상부 지점(12)으로부터 연장되고, 이 상부 지점으로부터 코너(13)의 하부 표면을 향해 하향으로 경사지는 2개의 상부 표면(10, 11)을 형성한다. 도시된 페어링은 이등변 삼각형의 형상을 가지며, 즉, 동일한 길이의 적어도 2개의 측면을 갖는다.

도 3은 사전에-정의되고 용접 이음부 및 수중 표면에 접착식으로 부착된 형상을 갖는 별도의 부품을 형성하는 페어링(14)을 도시한다.

도 4는 도 1로부터의 용접 이음부, 외부 표면, 즉, 선박이 진수될 때 물과 접촉하는 표면 위에서 볼 수 있는 용접 이음부를 도시한다. 상기 도면에서, 2개의 HAZ(15, 16)가 용접 캡의 대향 측면에 도시되어 있다. 2개의 HAZ는 용접 공정에서 과도한 열이 입력되어 발생한다.

도 5는 도 4로부터의 용접 이음부를 도시하고, 용접 캡뿐만 아니라 2개의 HAZ를 덮는 페어링(17)을 도시한다. 이에 의해, 페어링은 항력이 감소된 매끄러운 표면을 제공하고, 용접 및 HAZ의 보호를 증가시킨다.

도 4 및 도 5에서, 화살표(7)는 용접 이음부의 축 방향을 나타내고, 화살표(18)(및 도 7의 화살표(24))는 길이 방향으로도 지칭되는 선박의 항해 방향을 나타낸다. 본 발명은 일반적으로 수중 표면 상의 임의의 용접 이음부에 적용될 수 있다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 페어링이 본원 명세서에서 "횡방향으로"으로도 지칭되는 항해 방향에 횡방향으로 연장되는 용접 라인에 배타적으로 적용될 때 특히 유용할 수 있다. 도 6에서, 이는 길이 방향 용접 이음부(19) 및 HAZ(20, 21)에 의해 예시된다. 횡방향 용접 이음부(5)가 페어링(17)에 의해 덮히는 반면, 다른 길이 방향 용접 이음부(19)는 항해 방향으로 연장되어 덮히지 않는다. 덮히지 않은 용접 이음부에서 HAZ(20, 21)도 덮히지 않은 상태로 연장된다.

도 7은 선박의 바닥(22)을 도시한다. 선박은 둥근 선미(23)를 가지며, 화살표(24)로 표시되며 또한 길이 방향을 나타내는 항해 방향으로 의도된다. 선박은 항해 방향에 수직으로 연장되는 다수의 횡방향 용접 이음부(25) 및 항해 방향으로 연장되는 적어도 2개의 길이 방향 용접 이음부(26)를 포함한다.

필러의 페어링(27)은 선박의 수중 표면의 전방 절반 부분의 용접 이음부에만 적용된다. 이는 길이 방향으로 2개의 후속 섹션 각각에 대한 거리 표시 X/2로 표시된다.

도 8a 내지 도 8e는 다른 페어링의 프로파일을 도시한다.

도 8a에서, 페어링(28)의 높이는 용접 이음부의 캡 높이의 100% 미만의 높이를 가지므로, 캡은 페어링을 관통하여 연장된다. 페어링을 관통하여 용접 이음부가 보일 수 있지만, 페어링은 용접 이음부에서 유동 조건을 보호하고 변경한다.

도 8b에서, 페어링(29)은 용접 이음부의 캡 높이의 100%를 초과하는 높이를 갖지만, 화살표(30)로 표시된 항해 방향으로부터 하류로 향하는 용접 이음부 및 HAZ의 부분만을 덮도록 배치된다. 이러한 유형의 페어링에 의해, 유동 조건이 특히, 때대로 오손이 경험되는 용접 이음부의 하류에서 수정된다. 용접 이음부 하류의 페어링으로 인한 유동 조건의 변화는 오손을 감소시킬 수 있다.

도 8c에서, 페어링(31)은 용접 이음부의 캡 높이의 100% 미만의 높이를 갖고, 화살표(30)로 표시된 항해 방향으로부터 하류로 향하는 용접 이음부 및 HAZ의 부분만을 덮도록 배치된다. 따라서, 페어링을 관통하여 용접 이음부가 연장되지만, 페어링은 여전히 용접 이음부에서 유동 조건을 보호하고 변경한다.

도 8d에서, 페어링(32)은 용접 이음부의 캡 높이의 정확히 100%의 높이를 갖고, 오목한 형상을 갖는다.

도 8e에서, 페어링(33)은 용접 이음부의 캡 높이의 정확히 100%의 높이를 갖고, 항해 방향을 가리키는 페어링의 부분은 오목한 형상을 갖고, 항해 방향에 대해 후방을 가리키는 부분은 볼록한 형상을 갖는다.

예들

예 1 - 견인 탱크 테스트

선박 선체에서 돌출하는 용접 이음부으로 인한 저항에 대한 영향을 조사하기 위해, 용접 이음부를 나타내는 돌출부가 있거나 없는 평평한 플레이트로 3개의 저항 테스트가 수행되어 용접 이음부로부터 추가된 저항을 측정하였다.

2개의 다른 프로파일이 테스트되었다: 하나는 페어링이 없는 용접 이음부에 대응하는 도 1에 도시된 바와 같은 원호 유형 단면이고, 하나는 페어링을 시뮬레이션하는 용접 이음부(도 2a에 도시됨) 위로 매끄러운 전이부를 갖는다. 원호 유형 용접 이음부는 폭이 12mm이고 높이가 3mm인 단면을 가지고, 페어링된 돌출부는 높이가 같지만 폭이 60-100mm이다.

얇은 평평한 플레이트에서의 힘 측정은 포스 테크놀로지, 흐요르테카에르스베이 99, DK-2800 콘겐스 링그비(FORCE Technology, Hjortekærsvej 99, DK-2800 Kongens Lyngby)에 의해 수행되었다. 5.5 미터 깊이의 물을 갖는 240미터 길이의 견인 탱크에서 측정이 이루어졌다. 얇고 평평한 2.5 x 0.6 미터 대형 플레이트가 리그에서 침지되고, 항력은 3 내지 7m/s의 속도에서 측정되어, 이로부터 스킨 마찰력 및 스킨 마찰 계수(Cf)가 측정되었다.

테스트 프로그램을 위해 3개의 5mm 양극산화 처리된 알루미늄 플레이트가 준비되었다. 파동 제작 저항을 줄이기 위해 선단에 페어링이 적용되었고, 하류의 플레이트의 나머지 부분에 완전한 난류 유동을 자극하기 플레이트의 선단 0.1m 뒤에서 양 측면에 25mm 폭의 수직 샌드페이퍼 테이프가 위치되었다. 플레이트로 테스트하기 전에, 테스트 리그의 공기 저항은 리그만으로 테스트 실행을 실행하여 확인되었다.

하나의 용접 이음부는 다음과 같은 치수로 선단 1m 뒤에서 플레이트의 각 측면에 대칭으로 배치되었다:

테스트 셋업을 검증하고 기준 마찰 저항을 결정하기 위해 초기에 하나의 매끄러운 기준 플레이트가 돌기없이 시험되었다. 그런 다음, 원호 용접 이음부를 갖는 플레이트가 테스트되고, 추후에 용접 이음부 위에 페어링을 갖는 플레이트가 테스트되었다. 돌출부로 테스트한 후, 매끄러운 기준 플레이트가 다시 테스트되었다.

용접 이음부로 테스트 실행 중에 측정된 항력은 먼저 용접 이음부로 인해 항력 증가에 도달하기 위해 공기 저항 및 매끄러운 플레이트 저항에 의해 감산되었다. 플레이트의 항력 계수는 도 9에 제시되어 있으며 모델 스케일 항력 증가는 도 10에 제시되어 있다. 횡방향 원호 용접 이음부는 매끄러운 플레이트 저항을 6.5-9.2% 만큼 증가시키고, 용접 이음부 위의 페어링은 약 2% 증가시켰다.

[표 1]

횡방향 용접 이음부를 갖는 플레이트의 항력 저항을 보여주는 결과 요약(* 젖은 표면을 기준으로 함)

항력 계수는 다음과 같이 정의된다.

D는 항력이다.

h는 돌기의 높이이다(용접 이음부).

l은 돌기의 길이이다(용접 이음부).

q는 q=1/2ρV²으로 정의되는 동적 압력이다.

유효 동적 압력은 다음과 같이 정의된다.

δ은 최대 경계 층 두께이다.

유효 동적 압력의 원리를 사용하여 자유 유동에서 항력 계수를 나타내는 독립적인 항력 계수(C_Dind)가 도출될 수 있다.

상기 이론을 테스트 결과에 적용하면 다른 종류의 돌출부의 독립적인 항력 계수(C_Dind)가 확립될 수 있다.

[표 2]

독립적인 항력 계수(CDind)와 Cd의D의 상대적 감소로 표현된 모델 테스트 결과

표 2의 결과는 도 11에 제시되어 있다. 변경된 프로파일을 갖는 용접 이음부, 즉, 본 발명에 따른 페어링에 의해 덮힌 용접 이음부는 페어링이 없는 용접 이음부에 비해 독립적인 항력 계수를 61-85% 만큼 감소시킨다.

예 2 - 풀 스케일 외삽

예 1로부터의 유효 압력 원리는 풀 스케일 선박에서 항력 증가를 추정하는데 사용된다. 횡방향 용접 이음부의 풀 스케일 효과를 추정하기 위해, 350m 컨테이너 선박에 대한 예가 제시되었다. 이 예에서, 경계 층 외부의 선체를 따르는 속도는 선체를 따라 일정하다고 가정한다. 횡방향 용접 이음부는 FP로부터 50m에서 300m까지 5m마다 전체 둘레를 따라 연장되는 것으로 가정한다(즉, 섹션 당 횡방향 용접 길이 2x11m+42.8m =64.8m). 이 예에서, 원호에 대한 독립적인 용접 이음부 저항 계수는 0.5이고, 페어링이 있는 용접 이음부의 경우 저항 계수는 0.15이다. 선박은 분석에 사용될 이하의 특성을 갖는다:

16 노트(knot)에서, 각각의 용접 이음부으로 인해 추가된 저항이 표 3에 나열되어 있다. 전체 정온 수역 저항에 비해 저항 증가의 합은 원호 용접 이음부의 경우 3.73%의 상대적인 증가를 보여준다.

페어링을 갖는 용접 이음부의 경우 저항의 상대적인 증가는 1.12%이다.

도 12는 원호 용접 이음부와 페어링을 갖는 용접 이음부에 대해 두 가지 다른 속도(16 노트 및 18 노트)에서 50m에서 300m까지 컨테이너 선박을 따라 추가된 저항을 도시한다.

이러한 결과는 원호 용접 이음부의 프로파일을 보다 매끄러운 프로파일로 변경하는 효과를 명확하게 보여준다.

[표 3]

외삽에 의해 풀 스케일 컨테이너 선박에 있는 원호 용접 이음부의 저항의 상대적인 증가

원호 용접 이음부와 페어링을 갖는 용접 이음부 모두의 경우에 16, 18, 20 및 22 노트의 속도로 상대적인 증가가 측정되었다. 결과는 도 13에 도시되어 있다. 저항의 상대적인 증가는 모든 속도에서 일정하다. 결과는 원호 용접 이음부의 프로파일을 보다 매끄러운 프로파일로 변경하는 효과가 속도를 높이거나 낮출 때에도 항력 저항을 감소시키는 것을 보여준다.

CFD 계산

물이 다른 속도로 좌측에서 우측으로 흐르는 시뮬레이션(아래 참조)을 위해 2-D 직사각형 기하학적 구조가 사용되었다. 계산 도메인의 치수는 도 14에 도시되어 있다.

시뮬레이션은 도 15에 도시된 경계 조건으로 정상 상태에서 수행되었다. 시뮬레이션은 카탈로니아의 폴리 테크닉 대학(UPC)의 유체 역학부(EEBE)에 의해 수행되었다.

난류를 모델링하기 위해 k-ε 및 k-w 모델이 사용되었다. 용접 이음부에서 멀리 떨어진 메쉬에 대하여, 94713 셀과 함께 삼각형 그리드가 사용되었다. 돌기의 형상은 항적(wake) 및 재-순환의 적절한 설명에 필요한 개량을 결정하고, 따라서, 용접 이음부에 근접한 총 저항의 최종적인 증가에 따라 메쉬는 아래에 따라 개선되었다.

결과는 다음과 같다. 아래에 보고된 절대 값은 난류 자체를 설명하는 것이 아니라 평균 흐름에 대한 난류의 영향(즉, 상대 값)을 나타내기 때문에 관련이 없다.

속도의 영향도 평가되었다(3mm 용접 이음부에 대해서는 아래 참조).

Claims (25)

1. 해양 선박의 유체 동적 프로파일을 개선하는 방법으로,
   상기 방법은 선박의 수중 표면 위로 돌출하는 캡을 형성하는 적어도 하나의 용접 이음부를 식별하는 단계 및
   수중 표면 및 용접 이음부에 페어링을 적용함으로써 선박의 프로파일을 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 페어링은, 수중 표면 및 용접 이음부에 응고되지 않은 필러를 적용하고, 필러를 성형하며, 필러를 응고시킴으로써 수중 표면 및 용접 이음부에 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 필러는 펌프로부터 수중 표면 위로 이동되도록 구성되고 페어링의 형상을 획정하도록 구성된 적용 공구 내로 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
4. 제1항에 있어서,
   용접 이음부에서 수중 표면에 사전에 정의된 페어링을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   수중 표면에 대한 하부 표면 및 용접 이음부 위의 상부 지점으로부터 연장되어 상기 상부 지점으로부터 하부 표면을 향해 하향으로 경사지는 2개의 표면을 형성하는 삼각형 형상을 갖는 페어링을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
6. 제5항에 있어서,
   이등변 삼각형의 형상을 갖는 페어링을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 페어링은 용접 이음부 및 용접 이음부의 열 영향 구역(HAZ)을 덮도록 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 페어링은 용접 이음부에 대해 대칭으로 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 페어링은 프라이머 층과 탑 코트 사이에서 용접 이음부 위에 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
10. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페어링은 오손 제어 표면 코팅 시스템에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    선박이 항해하도록 설계되는 길이 방향으로 수중 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 길이 방향 용접 이음부를 식별하는 단계, 길이 방향을 가로지르는 횡방향으로 수중 표면 상에 연장되는 적어도 하나의 횡방향 용접 이음부를 식별하는 단계 및 길이 방향 용접 이음부에 페어링을 적용하지 않고 횡방향 용접 이음부에 페어링을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 페어링은 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되는 용접 이음부에만 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페어링은 선박의 항해 방향에 대해 후방을 향하는 용접 이음부의 하류 측면에만 적용되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
14. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페어링은 최대로 선박의 수중 표면의 전방 절반 부분의 용접 이음부에 적용되되, 수중 표면의 전방 절반 부분은 전방 항해 방향을 가리키는 전방 단부로부터 선박의 후방 단부를 향한 절반으로 연장되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
15. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 선박은 수중 표면 및 용접 이음부에 적용된 페어링에 의해 물을 통과하는 속도로 작동되는 것을 특징으로 하는 유체 동적 프로파일 개선 방법.
16. 수중 표면을 따라 연장되며, 수중 표면으로부터 멀어지는 외측 방향으로 이음부-높이를 돌출하는 캡을 형성하는 용접 이음부를 형성하는 선체를 갖는 해양 선박으로,
    상기 선박은, 축 방향으로 연장되며 외측 방향으로 페어링-높이를 돌출하고 용접 이음부 및 수중 표면의 적어도 일부를 덮는 페어링을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 선박.
17. 제16항에 있어서,
    상기 페어링-높이는 용접 이음부로부터 멀어지는 수중 표면을 따르는 폭 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 해양 선박.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 페어링-높이는 이음부-높이의 90% 내지 110%인 것을 특징으로 하는 해양 선박.
19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페어링은 용접 이음부의 대향 측면에서 축 방향으로 연장되는 2개의 측면 에지부에서 종결되는 것을 특징으로 하는 해양 선박.
20. 제19항에 있어서,
    측면 에지부 중 적어도 하나는 용접 이음부로부터의 페어링-높이의 적어도 5배의 거리로 연장되는 것을 특징으로 하는 해양 선박.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,
    하나의 측면 에지부에서 용접 이음부까지의 거리는 다른 측면 에지부에서 용접 이음부까지의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 해양 선박.
22. 제16항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 페어링은 수중 표면으로부터 멀어지는 외부 표면을 가지며, 외부 표면은 길이 방향에 대해 횡방향인 단면에서 볼록한 것을 특징으로 하는 해양 선박.
23. 선박의 수중 표면을 위한 코팅 시스템으로,
    상기 코팅 시스템은 수중 표면에 적용되는 프라이머의 적어도 하나의 층, 용접 이음부에서 수면 아래의 프로파일을 수정하도록 구성되며 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따라 적용되고 프라이머에 적용되는 페어링 및 페어링에 적용되는 탑 코트를 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    페어링과 탑 코트 사이에 적용된 타이-코트의 층을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 시스템.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    탑 코트는 오손 제어 표면 코팅 시스템의 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅 시스템.

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