한진해운 교재 - 선체 구조 및 용접 점검 실무 - 船體 構造의 理解 및 點檢 實務

[바다사랑]

第 1 章  船體 構造의 理解 및 點檢 實務

1. 槪要

문

헌상 선박의 등장은 B.C. 3,000년경 이집트에서 노와 돛을 단 목선이 시초이며 최초의 철선(IRON SHIP)은 1818년 영국에서 건조된 VILCAN호이다.

철선은 목재선의 단점을 많이 개선시켰으나 강재보다 강도가 떨어지고 연성, 신성 특히 노치인성(NOTCH TOUGHNESS)이 좋지 않아 많은 취약점을 갖고 있으며 가공성 및 용접성이 강재보다 떨어지는 단점을 가지고 있다.

강선(STEEL SHIP)의 출현은 1879년 ROTOMAHAMA호(1,777톤)가 건조된 것이 최초이다. 강(STEEL)의 장단점은

 (1) 좋은 강도 및 강성을 나타내며 가공성(곡변형, 용접성)이 우수하다

 (2) 일반적으로 다른 재질과 비교하여 STRENGTH/STIFFNESS, WEIGHT/COST RATIO

     가 우수하다

 (3) NOTCH 인성이 좋다

 (4) 재료를 구하기 쉽고 보수가 용이하다

 (5) 최대 단점은 구리나 알루미늄 등 다른 재질에 비교하여 상대적으로 부식에

     약하다는 점이 있으나 이 문제는 주의 깊은 도장과 정비로 극복이 가능하다

최근, 선박의 건조시 선체 중량(LIGHT WEIGHT, 경하중량) 감소와 현장 작업공수(M/HOUR)의 절감 및 재화중량(DEAD WEIGHT) 증가를 위해 고장력강(HIGHER TENSILE STRENGTH STEEL)을 사용하는 추세이나 현장 管理者의 입장에서 볼때는 補修 熔接 시공 管理가 번거롭고 管理費가 많이 들며 판두께가 상대적으로 얇아지므로 腐蝕 및 좌굴 방지에 對한 배려가 필요하다.

특히 선박사고의 증가에 따른 각종 검사의 규정이 강화되어 유조선, 산적화물선의 경우 선급검사시 제1차 정기검사부터 검사계획서를 제출해야 하고 全 海水발라스트 탱크의  INTERNAL SURVEY(내부검사)를 시행하며 기타 선박의 경우도 중간검사시에는 5-10년 사이는 선택적 검사를, 10년 이상 선박은 모든 海水 BALLAST TANK의 內部檢査를 시행함에 따라 선체 외판과 내부재 損傷에 對한 지적 사항이 선박 고령화에 따라 상당히 증가할 것으로 豫想되므로 담당 管理者의 세심한 점검과 補修가 必要할 것이다. 당사의 주력 선박인 컨테이너선의 경우 SIDE LONGI. TYPE으로

건조되어 BALLAST TANK인 SIDE WING TANK  內部材의 損傷 修理가 많은 편이다.

2. 鋼의 種類와 船體 損傷의 重要 原因

   가. 鋼材 種類

       1) 연강(MILD STEEL)

          일반적으로 최후의 인장강도가 41~50Kg/㎟의 강을 뜻한다

          가) A급강

              가장 일반적인 鋼材를 말하며 熔接성을 해치는 인(P), 유황(S) 성분의 함유량을 0.04% 이하로 제한하고 판 두께가 12.5mm를 넘는 것은 노치인성(NOTCH ARRESTER, 균열에 대한 인성)의 증가를 위해 망간(Mn)/탄소(C)의 비율을 2.5이상으로 한다.

          나) B급강

              A급 강보다 노치인성을 높이기 위해 P와 S를 제한하고 탄소(C)의 상한가와 Mn의 하한가를 정하고 Mn/C의 비율을 높인 것이다

          다) D급강

              V-노치샤르피(CHARPY, 충격시험치)를 –10C에서 2.8Kg-M로 규정한다

          라) E급강

최고급강으로 화학성분, 탈산형식, 노멀라이징(NORMALIZING) 조직의 결정 정도, 충격치 등 모든 것이 엄격하게 규정되어 있다. 균열 전파 방지를 위해 균열 멈추개(CRACK ARRESTER)를 중요한 곳에 배치하고 있다.

          마) CS, DS급강

ABS 선급의 유일한 鋼材 등급으로써, E급 혹은 D급과 교환 사용 가능하다. 현재는 사용치 않고 있다.

바) 연강재의 재질 규격

강재 기호		A	B	D	E
탈산 방법		RIMMED ① SEMMI-KILLED KILLED	SEMI-KILLED 또는 KILLED	SEMI-KILLED ② 또는 KILLED	KILLED ③
화학 성분	C	0.23이하 ④	0.21 이하	0.21 이하	0.18 이하
	Mn	2.5xC 이하④	0.80 이상 ⑤	0.60 이상	0.70 이상

강재 기호			A	B	D	E
화학 성분		Si	0.35 이하	0.25 이하 ⑤	0.35 이하	0.10~0.35
		P	0.40 이하
		S	0.40 이하
인장 시험	인장 강도		41 ∼ 50 Kg/㎟
	변형율(STRAIN)		22% 이상
충격 시험	실험 온도(℃)			0	-10	-40
	흡수에너지(Kg-M)			2.8 이상	2.8 이상	2.8 이상
열 처 리					NORMALIZING

비 고)

① : RIMMED 강인 경우 두께는 12.5mm까지로 한다

② : SEMMI-KILLED 강인 경우 두께는 25mm까지로 한다

③ : 알루미늄 처리에 따른 SEMI-KILLED강으로 한다

④ : 두께가 12.5mm 이하인 강재에 대해서는 탄소(C)의 함유량이 0.23%

     를 초과 하거나 또는 망간(Mn)의 함유량이 2.5XC(%) 미만으로

     하여도 좋다

⑤ : 실리콘(Si) 함유량이 0.10 이상의 KILLED 강에 대해서는 Mn의

     최소 함유량을 0.60 이상으로 하여도 좋다.

       2) 고장력강(HIGHER TENSILE STRENGTH STEEL)

연강에 비해 높은 항복강도와 인장강도를 갖고 있으며 연강과 같이 노치인성의 정도에 따라 A,D,E의 3단계급으로 분류하고 있다.

- 항복점이 32Kg/㎟ 인장강도 48Kg/㎟인 강과

- 항복점이 36Kg/㎟ 인장강도 50Kg/㎟인 강이 있으며 특수선 및

해양구조물 등에 사용하는 인장강도 80Kg/㎟인 것이 있으나 사용 예는 많지 않다

          가) 고장력강 사용시의 장단점

              (1) 장점

                  (가) 선체 소요 鋼材 사용량의 감소

                  (나) 선체 중량 감소에 따른 현장 공수 감소

                  (다) 재화 중량(DEADWEIGHT)의 증가

              (2) 단점

                  (가) 연강에 비해 값이 비싸다

                  (나) 熔接 시공 管理가 번거롭고 管理費가 더 든다

(다) 피로 강도는 연강과 같으므로 設計, 공작때 세심한 주의가

 必要하다

                  (라) 판 두께가 얇아지므로 腐蝕 및 좌굴 방지에 對한 對策이

 必要하다

          나) 고장력강 사용시 주의점

              고장력강은 연강보다 탄소 당량(연강 0.28~0.46, 고장력강 0.47~0.58)이 높아서 금속 조직상 열싸이클에 對해 민감하다. 즉, 저입열 熔接시 열영향부의 경화현상이 우려되고 對입열 熔接시 열영향부의 취화현상이 우려된다.(저입열 熔接시 피복아아크 熔接을 하고 대입열 熔接시는 ELECTRO SLAG WELDING 이나 ELECTRO GAS WELDING을 한다)

              (1) SHORT BEAD 금지(50mm 이상 요구)

              (2) 한냉시 예열시공

              (3) 저수소계 熔接봉의 사용과 흡습량 제한

              (4) 熔接시의 대입열 금지

          다) 고장력강의 재질(32Kg/㎟)

강재 기호			AH32	DH32	EH32
탈산 방법			KILLED강
화학 성분		C	0.18 이하
		Mn	0.90 ~ 1.60
		Si	0.10 ~ 0.50
		P	0.04 이하
		S	0.04 이하
인장 시험	인장 강도		48 ~ 60 Kg/㎟
	항 복 점		32Kg/㎟ 이상
	변형율(STRAIN)		22 % 이상
충격 시험	실험 온도(℃)		0	-20	-40
	흡수에너지(Kg-M)		0	3.2 이상	3.2 이상
열  처  리			NORMALIZING

   나. 補强 修理의 일반적인 개념으로는 충돌 사고 등과 같은 MECHANICAL DAMAGE와 MAINTENANCE 잘못에 의한 腐蝕 쇄모는 건조 당시의 도면(FINAL DRAWING)을 참조하여 원상태로 신환하면 끝나지만, 건조 당시의 設計 잘못이나 材料 선택 불량, 공작 不良, 荷役 作業시의 MISHANDLING 관련사항, 運航중의 振動, 파랑, SLAMMING, 쇠모(0.13MM/Y) 등의 다양한 원인에 의해 發生되는 損傷은 원인을 분석하여 構造적인 응력 집중을 분산하고 피로 파괴 등의 재손상이 發生되지 않도록 構造적인 형상과 세부 형상을 결정, 內部材를 적절히 補强하고 도장 처리를 해야 한다. 鋼材 파괴의 형태로는 연성파괴, 취성파괴, 피로파괴, 크리이프파괴 등으로 크게 구분할 수 있다.

       1) 연성파괴(DUCTILE FRACTURE)

          정적하중(MONOTONIC LOADING)에 의해 부재의 한 부분에 국부 수축

(늘어남) 이 일어나고 상당한 소성변형을 동반하면서 파단되는 파괴를

말한다.

 

       2) 취성파괴(BRITTLE FRACTURE)

          材料가 파괴될 때까지 소성변형이 적거나 거의 없는 상태에서 균열이 고속으로 성장하여 분리되는 현상을 말한다. 취성파괴는 충격적인 하중과 응력집중이 심한곳 및 철강 材料의 경우 저온에서 쉽게 생길 수 있는 위험한 파괴 현상이므로 熔接 構造물 등에서는 특히 주의해야 한다

       3) 피로파괴(FATIGUE FRACTURE)

          변동하는 응력 또는 외력에 의해서 매우 국부적으로 응력이 집중하여 거기서부터 균열이 發生하고 서서히 성장하여 파괴되는 것을 말한다

          피로파괴도 취성파괴와 마찮가지로 材料의 인장강도보다 훨씬 낮은 응력에서 發生하며 피로파괴가 취성파괴와 다른 점은 인장응력 만에 의해 지배되는 것이 아니라 응력의 변동진폭 또는 변동범위에 의해 균열이 發生하고 성장한다는 것이다.

       4) 크리이프파괴(CREEP FRACTURE)

          크리이프란 고체 材料에 힘을 가하면 경과 시간과 함께 변형이 점차 進行되는 현상을 말한다. 일정한 온도에서 일정한 인장응력을 부가하면 곡선을 그리면서 변형율(CREEP STRAIN)이 증가하여 크리이프 곡선을 그린 후에 파단된다.

3. 補强修理시의 基本 考慮 事項

    선박의 設計 건조 및 修理 補强은 어떤 획일적인 정의나 方法에 전적으로 의존 할 수는 없으며 그동안의 수많은  資料와 경험의 축적과 분석을 토대로 이루어 지므로 어떠한 修理 補强의 경우나 형상과 運航 상태 등을 감안한 최선의 방안을  선택하여 시행할 수 밖에 없다. 일반적으로 損傷 개소를 補强 修理를 해야 할 경우 다음과 같은 사항을 基本的으로 염두에 두고 시행해야 한다

   가. 일단 CRACK이 發生하게 되면 살아서 계속 進轉된다.

   나. 응력은 항상 끝단을 따라서 집중하는 경향이 있다.

   다. 고장력강 일수록 CRACK이 發生되면, 인장강도가 낮고 연성이 풍부한

       材料에 비해 훨씬 낮은 응력하에서도 파괴되는 경향이 있다.

4. 補强修理에 必要한 圖面 및 參考 資料

   가. GENERAL ARRANGEMENT (일반배치도, 통상 G/A라고도 함.)

   나. CAPACITY PLAN (통상 C/P라고도 함)

   다. MIDSHIP SECTION (중앙횡단면도)

   라. SHELL EXPANSION (외판 전개도)

   마. CONSTRUCTION PROFILE AND DECK PLAN (선체 종단면도 또는 강재배치도)

   바. FORE & AFTER CONSTRUCTION

   사. PUMPING PLAN

   아. DOCKING PLAN

   자. LINES

   차. HULL THICKNESS GAUGING REPORT

   카. 修理 補强 이력

   타. 본선 정기적 CHECK LIST

   파. 선급 檢査 報告書

   하. 기타 : SEA PROTEST, MASTER’S REPORT, 진술서 등

5. 선체 도면 해석

   가. 船體 構造圖 一般

       선체 구조는 육상의 구조물과는 여러 가지 점에서 다르다. 즉, 선박은 해상에 떠 있는 물체이며 끊임없이 파랑의 영향을 받는다. 선체는 정수 상태로부터 동적인 태풍 상태에 이르는 모든 조건에서의 외적 요인에 견디고 동시에 그 선박의 자중(自重), 화물, 연료 및 BALLAST 등으로부터 오는 내적인 하중에 견딜만한 강도(STRENGTH, 부재에 걸리는 하중에 견디는 능력)와 강성(STIFFNESS, 재료의 탄성한계인ELASTIC LIMIT안에서 하중으로 인한 변형에 저항하는 능력)을 가져야 한다. 선체 내부에는 수개소의 횡격벽을 설치하고 바닥에는 필요에 따라 이중저를 만들어 선체의 강도를 갖도록 하며 충돌이나 좌초 등의 사고를 당할 경우 침수가 선내의 국부적인 곳에 그치도록되어야 한다. 선체를 구성하는 부재들은 충분한 강도를 가지고 또 중량도 가벼운 것이라야 하므로 적당한 간격으로 보강재를 설치하여 강도를 유지하면서 중량을 줄이게 된다. 선체를 구성하는 재료의 형상, 치수, 재질, 이음 방법들을 일정한 약속에 의해 도면에 표시하는 것이 구조도이다. 선박은 큰 구조물이므로 선수미, 화물창, 기관실 등으로 선체를 각 요소별로 나누어 그리게 된다.

       1) 圖面을 보는 방향

          圖面은 반드시 선수는 오른쪽에, 선미는 왼쪽에 배치하고 도면을 보는 방향은 우현에서 좌현, 선미에서 선수, 위에서 아래로 본다

       2) 圖面 작성의 원칙

선체 構造는 좌우 양현이 對칭으로 되어 있으므로 특히 다음과 같은 점에 유의한다

가) 평면도(PLAN) : 원칙적으로 좌현의 것을 도시하고 그 반대현은 생략한다. 단, 좌우 양현의 構造가 다를 경우에는 그림중 “좌현만의 그림(P-ONLY)” 또는 “우현만의 그림(S-ONLY)”이라고 必要에 따라 특기한다

          나) 정면도(SECTION) : 정면도에는 투시방향을 명확히 표시하여야 시공중의 오작을 예방할 수 있다. LOOKING FORWARD를 원칙으로 한다

          다) 측면도(ELEVATION) : 반드시 좌현으로 투시한다. 단, 외판전개도에서만은 원칙적으로 우현쪽의 것을 외측으로부터 투시하여 도시하게되어 있다

   나. 주요 도면

       1) 일반 배치도(GENERAL ARRANGEMENT)

선박의 일반적인 형상과 CARGO HOLD, 각종 탱크, 기관실, 선실, 각종 의장 장비의 배치를 나타낸 도면이다.

       2) 중앙 횡단면도(MIDSHIP SECTION)

          선체의 중앙부를 횡단하여 선체의 주요 부재의 치수, 선체의 구조 양식, 부재 상호간의 고착 방법 등을 나타낸 도면으로서 선박 전장(全長)의 약 60 ~ 70%를 차지하는 구간의 구조 형상, 치수, 고착방법 등을 대표하며 배 전체 STEEL WEIGHT의 2/3 정도를 점유하므로 특별히 선각 중량 및 구조를 충분히 고려하여 작성해야 한다.

       3) 외판 전개도(SHELL EXPANSION)

          외판의 BUTT LINE, SEAM LINE, BLOCK, 판두께, 늑골 배치와 치수, BILGE KEEL 등의 배치를 나타내며, 외판을 길이 방향으로는 그대로 두고 GIRTH 만을 펼친 도면으로 외판과 늑골과의 관계, 위치, 선외 개구부의 위치 및 치수, 외판의 접합 방법, 격벽이나 각종 종통재의 외판 결합 등을 나타내는 중요한 도면임. 또한, 외판전개도는  타도면들이 좌현을 나타내는 것에 반하여 우현을 나타낸다.

       4) 선체 종단면도 (또는 강재배치도, CONSTRUCTION PROFILE & DECK PLAN)

          선체의 주요 강력 부재의 배치, 치수 및 그 변화상태, 기타 국부 보강재의 배치와 치수 등을 나타내며 선체의 종단면, 갑판 및 내저판의 평면 및 STRINGER PLAN 등을 나타냄. 이 도면은 횡격벽의 위치 표시로 화물창, 기관실, 선수, 선미부 등 선박의 구획을 표기하고 HATCH OPENING 위치 및 크기, 종강도 부재의 변화, 선체 구조의 각 부재 및 부재 상호간의 연결 등을 식별하여 구조 강도의 급격한 변화를 피하고 필요한 곳에 보강 부재를 배치하고 응력이 집중하기 쉬운 곳(HATCH CORNER부 등)의 STEEL PLATE 등에 유의하여 작성되어야 한다.

다. 기타 선체 구조 도면

1)  화물창 구조도(CARGO HOLD CONSTRUCTION)

선체 KEY PLAN에 근거한 화물창 구역에 대한 구조 도면으로서 공작도(생산도) 작성을 위한 상세 도면이며 KEY PLAN에 나타나지 않는 치수 및 상세를 표기하며 국부적인 보강도 도시한다

       2) 기관실 구조도(ENGINE ROOM CONSTRUCTION)

          기장 설계에서 작성한 MACHINERY ARRANGEMENT를 근거로 작성한 기관실

          구조 도면으로서 각종 기관실 탱크 구획 및 보강, MAIN ENGINE,

GENERATOR, BOILER 등 기기류 설치를 위한 공간 확보 및 보강을 나타

낸다.

       3) 선수 구조도(BOW CONSTRUCTION)

          선수부 구조도면으로 선수 BALLAST TANK, CHAIN LOCKER, MOORING용 기기류 FOREMAST 등의 설치를 위한 보강과 선저 SLAMMING 및 파도에 의한 선수부 충격하중(BOW IMPACT)에 견딜수 있도록 선수 구조를 작성한다

       4) 선미 구조도(STERN CONSTRUCTION)

          선미부 구조도면으로 선미 BALLAST TANK 구획보강, STEERING GEAR 설치 공간 확보 및 보강과 선미 MOORING 기기류 설치 보강을 나타낸다

       5) STERN FRAME & RUDDER HORN CONSTRUCTION

          선미부 주강, UDDER HORN, STERN BOSS 등을 제작하기 위한 도면으로서 주강과 선체 구조와의 연결 상세 등을 나타낸다

       6) RUDDER & RUDDER STOCK CONSTRUCTION

          RUDDER 및 RUDDER STOCK 제작을 위한 도면으로서 RUDDER와 RUDDER HORN과의 연결 상세 등을 나타낸다

       7) 선실 구조도(ACCOMMODATION CONSTRUCTION)

          선실 구조도면으로서 선실 갑판, 선실내의 ROOM 구획 및 RADAR MAST 등의 각종 기기 보강을 나타낸다

       8) 이중저 구조도(DOUBLE BOTTOM CONSTRUCTION)

          선체의 이중저 구조도면으로서 구성 부재는 선저외판, 내저판(INNER BOTTOM PLATE), 거어더(CENTER GIRDER, SIDE GIRDER), 늑판(FLOOR

          또는 TRANSVERSE FRAME), 만곡부 외판(BILGE PLATE) 등으로 구성된다

   라. 선체구조 도시기준

       1) 선(線)

          가) 굵은 실선 :

              전면에 보이는 PRIMARY MEMBER(DECK, BULKHEAD, GIRDER, WEB FRAME,FLOOR, STRINGER 등)를 나타낸다.

          나) 굵은 점선(파선)  :              

              이면에 보이는 PRIMARY MEMBER(DECK, BULKHEAD, GIRDER, WEB FRAME,FLOOR, STRINGER 등)를 나타낸다.

          다) 굵은 1점 쇄선 :

              보조선으로 강판의 뒷면에 있는 거어더, STRINGER, WEB FRAME 등을 나타낸다.

          라) 가는 실선 :

전면에 보이는 SECONDARY MEMBER(FRAME, BEAM STIFFENER, BRACKET 등), 버트(BUTT), 시임(SEAM), 치수선 등을 나타낸다

          마) 가는 점선(파선) :

이면에 보이는 SECONDARY MEMBER(FRAME, STIFFENER, BRACKET 등)를 나타낸다.

          바) 가는 1점 쇄선 :

보조선, 이면에 보이는 SECONDARY MEMBER(FRAME, LONGITUDINAL STIFFENER, BEAM 등)를 말한다.

KNUCKLE LINE에도 사용하며 이때는 약자로 K.L.이라 기입한다.

          바) 가는 2점 쇄선 :

              ANGLE, 면재 등의 FLANGE의 방향 및 폭 등을 표시할 때나 가상선을 나타낼 때, 구획 표시 등에 사용한다

2) DRAWING SYMBOL

 

3) 부재 끝단 기호

종   류	내   용	기호 표시	비   고
FLAT BAR	SNIP	S
	CLIP	C
SECTION류	SNIP	S
	WELD TOUCH	W
	LUG TOUCH	L
ALL	BRACKET	B