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ISSN : 1598-5725(Print)
ISSN : 2093-8470(Online)
Journal of Navigation and Port Research Vol.41 No.6 pp.451-466
DOI : https://doi.org/10.5394/KINPR.2017.41.6.451

A Study on Flooding·Sinking Simulation for Cause Analysis of No. 501 Oryong Sinking Accident

Jae-Seok Lee*, Hyun-Sub Jung**, Jai-Ho Oh***, Sang-Gab Lee
*Depart. of Naval Architecture and Ocean Systems Eng, Graduate School of Korea Maritime & Ocean University, Busan, Korea051)410-4934
**Depart. of Naval Architecture and Ocean Systems Eng, Graduate School of Korea Maritime & Ocean University, Busan, Korea051)410-4934
***Department of Environmental Atmospheric Sciences, Pukyoung National University, Busan, Korea051)629-6643
Division of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering, Korea Maritime & Ocean University, Busan, Korea
Corresponding author, 종신회원, sglee@kmou.ac.kr051)410-4306
20171120 20171229 20171229

Abstract

Deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong was fully flooded through its openings and sunk to the bottom of the sea due to the very rough sea weather on the way of evasion after a fishing operation in the Bearing Sea. As a result, many crew members died and/or were missing. In this study, a full-scale ship flooding·sinking simulation was conducted, and the sinking process was analyzed for the precise and scientific investigation of the sinking accident using highly advanced Modeling & Simulation (M&S) system of Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis technique. To objectively secure the weather and sea states during the sinking accident in the Bering Sea, time-based wind and wave simulation at the region of the sinking accident was carried out and analyzed, and the weather and sea states were realized by simulating the irregular strong wave and wind spectrums. Simulation scenarios were developed and full-scale ship and fluid (air & seawater) modeling was performed for the flooding·sinking simulation, by investigating the hull form, structural arrangement & weight distribution, and exterior inflow openings and interior flooding paths through its drawings, and by estimating the main tank capacities and their loading status. It was confirmed that the flooding and sinking accident was slightly different from a general capsize and sinking accident according to the simple loss of stability.


제501 오룡호 침몰사고 원인분석을 위한 침수·침몰 시뮬레이션 연구

이 재석*, 정 현섭**, 오 재호***, 이 상갑
*한국해양대학교 대학원 조선해양시스템공학과051)410-4934
**한국해양대학교 대학원 조선해양시스템공학과051)410-4934
***부경대학교 환경대기과학과 교수051)629-6643
한국해양대학교 조선해양시스템공학부 교수

초록

원양어선 제501 오룡호는 황천 중인 베링해에서 조업 후 피항하던 중 개구부를 통한 침수로 인하여 침몰하였으며 많은 선원들이 사망하고 실종되었다. 본 연구에서는 유체-구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도 정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템을 사용하여 실선 침수·침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 과정을 정확하고 과학적으로 분석하고자 하 였다. 베링해 침몰사고 시의 기상 및 해상상태를 객관적으로 확보하기 위하여 침몰사고 지역의 시간대별 기상 및 해상 시뮬레이션을 수행하 여 침몰사고 당시 파랑과 강풍 등을 분석하고, 불규칙 파랑과 강풍 스펙트럼을 사용하여 구현하였다. 사고선박의 선체 도면 등을 통하여 선박 의 선형, 배치 및 중량 분포와 외부 해수 침수 개구부 및 선내 침수 경로를 분석하고 주요 탱크들의 용적과 그들의 중량 분포를 추정하여 침 수·침몰 시뮬레이션을 위한 시나리오를 작성하고, 사고선박의 전선과 유체(공기 및 해수)를 상세 모델링을 하였다. 본 연구를 통하여 침수· 침몰사고는 단순한 복원성의 부족으로 인한 일반적인 전복·침몰사고와는 다소 차이가 있다는 것도 확인할 수 있었다.


    1.서 론

    2014년 12월 1일 17:06경(현지시각), 북태평양 러시아 베링 해에서 조업 중이던 Fig. 1의 원양어선 제501 오룡호(총톤수 1,753톤, 길이 76.17m, 너비 13.00m, 깊이 8.40m, 1978월 1월 1 일 건조)이 기상악화로 어획물처리실(processing & working space), 어창(fish hold) 등에 다량의 해수가 유입되어 침몰되 고 승선원 60명 중 선원 53명이 사망 및 실종되었다. 북위 61 도 54분 36초, 서경 177도 09분 00초의 침몰사고 위치에서의 수심은 약 117m이었고, 침몰사고 당시의 현지 기상상태는 북 동풍(70°~80°) 25m/s, 파고 5.5m(주기 8초), 수온 1°~2°C였 다고 보고되었다(SIP of BRMST, 2015a).

    인도네시아와 필립핀 선원 6명과 러시아 감독관 1명의 생 존자들과 2척의 인근 조업선 선장들의 진술들은 침몰사고 시 의 작업위치와 역할에 따라 사고 경위와 원인들에 대하여 일 관성과 정확성에 한계가 있었다. 본 연구진은 해양안전심판원 특별조사부의 사고선박의 관련 조사 자료와 도면 등(SIP of BRMST, 2015a & 2015b)을 토대로 침몰사고의 명확한 사고 의 원인을 규명하기 위하여 침수⋅침몰 시뮬레이션(flooding ⋅sinking simulation)과 비손상 및 손상 복원성 계산을 통하 여 침몰사고 과정을 분석하는 연구용역(Lee and Lee, 2015)을 수행하였다.

    연구용역을 기반으로 해양안전심판원에서 작성한 재결서 (DRMST, 2016; KMST, 2017)는 침수⋅침몰 시뮬레이션과 복원성 계산 결과 등의 용역연구 내용을 포함하고 있으나 일 부 자료들에 있어서는 차이가 있을 수 있을 것이다. 본 논문에 서는 그 중에서 침수⋅침몰 시뮬레이션 부분만 소개하고자 한 다. 또한 용역을 수행할 당시에는 해양안전심판의 특별조사부 가 제공한 조사 자료를 기반으로 수행하였으며 원인분석을 위 해 수행한 시뮬레이션 결과를 소개하고자 한다.

    본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드(LSTC, 2013)의 유체- 구조 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석기법의 고도 정밀 M&S(highly advanced Modeling & Simulation) 시스템 을 사용하여 실선(full-scale ship) 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고의 경과 과정을 합리적으로 재현하여 사고 원인을 분석하고자 하였다. 일반적으로 충돌, 좌초, 접촉 등의 해난사고의 수치 시뮬레이션을 육상의 자동차 충돌 시뮬레이 션과 같이 해수(유체)를 무시하고 공기 중의 무중력 상태에서 수행하는 것이 일반적이다. 공기 밀도의 약 1,000배인 해수 중 에서 거동하는 선박을 육상과 같이 지면에 올려놓거나 공중의 무중력 상태에 둔다면 실제적이고 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수가 없다는 것은 당연하다.

    선박이 해수 중에서 거동하는 경우에는 해수와 다음과 같 은 여러 가지 연성효과(coupling effect)들을 고려하여야 할 것 이다. 먼저 해수 중에 부양(floating)되어야 하고, 6자유도 운 동(motion)을 할 수 있어야 하고, 운항 중일 경우 파도(wave) 를 생성하거나 영향을 받아야 하고, 선내로 해수가 침수 (flooding)될 수 있어야 하고, 해수 중에서 두 물체가 다가가면 공기 중과는 달리 큰 압착압력(squeezing pressure)이 발생하 고, 스쳐 지나가면 압력저하(bank effect)가 발생할 것이다.

    본 연구진은 이와 같은 FSI 해석기법의 고도 정밀 M&S 시 스템을 사용하여 충돌, 좌초, 접촉, 전복, 침수, 침몰, 급선회 등의 해난사고의 원인규명과 구조 안전성 평가를 위한 수치 시뮬레이션을 수행하고 있으며 전 세계적으로 유일하게 이 기 법을 실제적이고 정확하게 수행하고 있다(Lee, 2014b & 2014c;, Lee, 2015; Lee, 2016a2016d; Lee et al., 2017c & 2017d). 이 이외도 FSI 해석기법의 고도 정밀 M&S 시스템을 사용하여 해군 함정의 수중폭발(UNDerwater EXplosion) 및 공기 중 폭발(air blast) 내충격 응답해석을 비롯하여 LNG선 탱크의 슬로싱(sloshing), 선박의 슬래밍(slamming), 빙산의 충돌 및 평탄빙의 쇄빙 시뮬레이션, 헬리데크(helideck)의 난 류유동해석, 가스폭발 시뮬레이션 등의 연구도 수행하고 있다 (Lee et al. 2007, 2008, 2009 & 2012; Lee and Zhao, 2014a & 2014b; Lee., 2014a; Lee et al., 2017a & 2017b).

    본 연구용역에서는 LS-DYNA 코드의 MMALE(Multi- Material Arbitrary Lagrangian Eulerian) 기법과 Fig. 2와 같 은 Euler-Lagrange 연성 알고리즘(coupling algorithm)을 이 용하는 FSI 해석기법을 사용하였다. 이 기법은 유한요소 격자 를 이동시키는 알고리즘(moving mesh algorithm)과 유체격자 (fluid grid)와 구조물 격자(structure mesh)를 겹치게 하여 복 잡한 구조물과의 유체를 연성하는 것을 편리하게 시뮬레이션 할 수 있다. 또한 VOF(Volume Of Fraction) 기법은 넓은 범 위의 비선형 자유수면 문제를 해석하는 데 적합하다(Aquelet et al., 2006).

    본 연구용역에서는 러시아 베링해 침몰사고 지역의 기상 및 해상상태를 객관적으로 확보하기 위하여 침몰사고 지역의 시간대별 해상 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고 당시의 파랑 과 강풍 등을 분석하였고, Bretschneider & Mitsuyasu 스펙트 럼(Bretschneider, 1968, Mitsuyasu, 1970)과 von Karman 모 델(Mucke, T. et al., 2012)을 이용하여 FSI 해석기법으로 불 규칙 파랑과 강풍을 구현하였다.

    또한 사고선박의 선형, 선체 구조도 및 일반배치도 등의 도 면과 선박복원성 계산서 등(SIP of BRMST, 2015b)을 통하여 선박의 선형과 중량 분포를 분석하고, 외부 침수 유입구 및 선 내 침수경로, 어획량 및 연료유 등의 중량분포를 파악하여, 이 를 기반으로 FSI 해석기법을 이용한 실선 침수⋅침몰 시뮬레 이션을 위한 사고선박의 전선과 유체(공기 및 해수)를 상세하 게 모델링 하였다.

    앞에서 언급한 바와 같이 사고선박의 선형과 중량분포를 분석하고 어획량 및 연료유 등의 중량분포도 정확히 파악하 여, FSI 해석기법을 이용한 실선의 부양 시뮬레이션과 유체정 역학적 특성치 프로그램(hydrostatic characteristic program) 계산을 통하여 Fig. 3과 Table 1에서와 같이 각 하중상태에 따른 사고선박의 중심, 부심, 부면심, 선수미 흘수, KMT, GM 과 배수량 등의 유체정역학적인 특성치들을 정확히 추정할 수 있다. Table 1의 KST-SHIP(KST, 2013)은 선박안전공단 선 박계산시스템으로 복원성 계산을 수행하는 프로그램이다.

    FSI 해석기법의 고도 정밀 M&S 시스템을 이용한 사고선 박의 침수⋅침몰 시뮬레이션은 방대한 계산시간과 용량이 요 구되므로 어획물을 투하한 후 피항 시의 과정과 어획물과 연 료유를 좌현으로 이동시킨 후 침몰 시까지의 과정으로 크게 2 가지 시나리오를 설정하고 각 단계별로 어획물처리실 뿐만 아 니라 기관실과 어창에도 해수가 유입되어 침몰하는 과정을 구 체적으로 세분화하였다.

    각 시나리오의 단계 별 사고선박의 선체 거동에 따른 자세 인 선수미 흘수(종경사), 횡경사, 전체 배수량, 선내 해수의 구 획별 침수량 등을 Fig. 3과 Table 1에서와 같이 FSI 해석기법 을 사용한 부양 시뮬레이션과 유체정역학적 특성치 프로그램 계산 결과를 비교 검토하여 정확히 추정하였다. 여기서 선체 의 횡경사와 종경사 등은 선체 중앙부와 종단면 상의 각 위치 를 정확히 추정하여 구하였다. 본 연구용역에서 제안한 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 시나리오는 해양안전심판원의 특별조사부 의 조사 자료를 참조하여 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션과 비손 상 및 손상 복원성 계산 등을 수행한 후 여러 가지 고려할 인 자들과 원인분석을 위한 과정을 분석 검토한 후 타당성 있게 수정 보완하여 시뮬레이션과 복원성 계산을 여러 번 반복 수 행한 후 최종적으로 설정한 것이다.

    2.선형 및 구조도 분석과 실선 모델링

    사고선박 실선 모델링을 정확히 수행하기 위해 도면들과 복원성 계산서 등을 참조하는 이외에 유사선 Mys Yeakteriny 과 자매선인 Orion-505를 방선하여 선체구조 및 배치를 철저 히 확인하였다. Fig. 4는 주요 선미 구조도와 어획물처리실의 해수유입 개구부(opening)와 내부경로의 개략도를, Fig. 5는 유사선과 자매선의 사진들을 통하여 사고선박의 전반적인 구 조도와 그들의 특징을 보여주고 있다.

    선박도면 및 복원성 계산서에 의하면 사고선박의 주요 용 적은 다음과 같다. 어창 1,106.5m3, 연료유 768.08m3, 윤활유 17.80m3, 청수 138.78m3, 평형수 123.90m3. 침몰사고 당일의 어 획량 잔량은 315.2톤(적재 가능량 42%, 총 적재량 750톤), 연 료유는 527.7톤, 윤활유는 5.1톤, 청수는 100.0톤, 어구 및 선원 등은 94.0톤 정도로 추정하였다. Fig. 6은 사고선박의 주요 용 적 탱크와 적재상황을 요약하였고, 침몰사고 당시의 중량은 만재상태보다 약 154.5ton 정도 초과하였다.

    Figs. 78은 침수⋅침몰 시뮬레이션을 위한 전선 모델링 으로서 각각 사고선박의 전선 및 종단면의 모델링과 외부 해 수 유입구 및 내부 구조의 모델링을 보여주고 있다. Figs. 910은 각각 피쉬벙커의 구조 모델링과 오물배출구의 내외부 구 조 모델링을 보여주고 있다. 오물배출구는 선내 제2갑판 상에 있고, 피쉬벙커 해치커버의 크기는 길이 2.5m×폭 1.8m이다.

    3.해상상태 분석, 시나리오 및 유체 모델링

    서론에서 언급한 바와 같이 침몰사고 지역의 기상 및 해상 상태를 객관적으로 분석하고 FSI 해석기법을 이용하여 침몰 사고 당시의 해상상태를 구현하였다. Fig. 11에서와 같이 침몰 사고 지역의 시간대별 해상 시뮬레이션을 수행하여 침몰사고 당시 파랑(최대, 유의 및 평균 파고, 파주기 및 파향)과 강풍 (풍향, 풍속) 등을 분석하여 Fig. 12에 나타내었다.

    침몰사고 지역에서의 시간대별 유의파고 및 파향과 풍속 및 풍향의 시계열에 대한 그래프를 사고당일에 대하여 Fig. 13에 나타내었고, 이를 침몰사고 당일의 시간대에 대하여 파 주기까지 Table 2에 요약하였다. 침몰사고 당일 주변 해상은 약 4.0∼4.5m의 유의파고가 약 110° 정도의 파향에, 파도주기 는 약 8.0s를 유지하고 있었고, 풍속은 약 15.0m/s 정도에 약 75° 정도 전후의 풍향을 유지하고 있음을 알 수 있다.

    불규칙 파랑은 Fig. 14(a)에서와 같이 파주기 8.0s, 유의파 고 4.5m의 Bretschneider & Mitsuyasu 스펙트럼을, 불규칙 강풍은 15m/s의 불규칙 강풍 von Karman 모델을 사용하였 다. Fig. 14(b)는 불규칙 파랑과 강풍의 시뮬레이션 응답 거동 을 보여주고 있다.

    피항하던 중 타기실에 대량의 해수가 유입되어 조타기가 작동 불능상태에서 표류하는 상황에서는 선미 트림된 사고선 박이 강풍과 거친 파도를 받는 해상상태에서는 어느 정도 일 정한 각도를 유지하게 된다. 이를 검증하기 위하여 Fig. 15에 서와 같이 좌현 선미각도 각각 45°, 60° 및 80° 의 강풍과 파도 를 받는 해상상태에서의 실선 표류(drifting) 시뮬레이션을 수 행하였다. 선수동요(yawing) 응답 거동을 Fig. 16에, 그들의 응답을 Fig. 17에 보여주고 있다.

    조타기 불능상태에서 표류하는 사고선박은 Figs. 1617 에서와 같이 시간이 경과하면 좌현 선미각도 약 72.5° 각도로 수렴하게 됨을 알 수 있다. 표류중인 상황에서는 좌우현 약 72.5° 선미각도의 파도를 만나는 침수⋅침몰 시뮬레이션의 시 나리오를 고려하였다.

    서론에서 언급한 바와 같이 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션을 위한 시나리오는 여러 번의 시뮬레이션과 복원성 계산을 통해 사고선박의 선체의 자세와 해수 침수량 등을 검증하여 최종적 으로 다음과 같이 설정하였다.

    • Case 1 : 기상이 악화된 해상상태에서 과도한 조업활동 으로 인해 어획물 투하 시 선내로 해수가 다량 유입되었 고, 피항 중 좌현횡파에 의해 우현 횡경사가 발생한 경우

      • - Case 1-0 : 어획물 투하 시 다량의 해수가 유입되었고 피쉬벙커 해치커버를 불완전하게 폐쇄한 상태로 선체 가 우현 선수각도 44°로 횡파를 받으며 항해하는 경우

      • - Case 1-1 : 피항을 위하여 선회하여 좌현 선미각도 20°로 횡파를 받으면서 항해하던 중 나무칸막이가 파 손되어 어획물과 해수가 어획물처리실로 쏟아지고 지 속적으로 해수가 유입되는 경우

      • - Case 1-2 : 지속적으로 해수가 유입되어 선체가 20° 정도까지 우현으로 경사하고 타기실에도 다량의 해수 가 유입되는 경우

      • - Case 1-3 : 조타기가 작동 불능되면서 좌현 선미각도 72.5°로 횡파를 받으며 표류 중 해치커버와 덮개가 파 손된 오물배출구를 통해 지속적으로 해수가 유입되어 선체가 25∼30° 정도까지 우현으로 경사하는 경우

      • - Case 1-4 : 2개의 해수 유입구를 통해 지속적으로 해 수가 유입되어 선체가 35° 정도까지 우현으로 경사하 고 배수펌프를 이용하여 해수를 배출하여 더 이상 우 현으로 경사하지 않는 경우

    • Case 2 : 일시적인 평형상태에서 선체를 선회하여 우현 횡파에 의해 좌현으로 급경사가 발생하여 침몰한 경우

      • - Case 2-0a : 연료유와 어획물을 좌현 측으로 일부 이 동하고, 배수펌프로 해수를 배출하고 좌현 선미각도 72.5°로 횡파를 받으면서 선체는 일시 평형 유지

      • - Case 2-0b : 평형상태를 유지하다가 오물배출구를 통 해 지속적으로 해수가 유입되면서 선체가 우현으로 약 간 경사하는 경우

      • - Case 2-1 : 선체를 좌선회하여 우현 선미각도 72.5°로 횡파를 받으면서 선체가 좌현으로 경사하기 시작하여 5°∼10° 정도까지 경사하는 경우

      • - Case 2-2 : 해수가 계속 유입되어 선체가 좌현으로 30°∼35° 정도 경사가 발생하고 선미가 침하하는 경우

      • - Case 2-3 : 해수가 계속 유입되어 선체가 좌현으로 45°∼50° 정도로 경사가 발생하고 선미가 크게 침하하 는 경우

      • - Case 2-4 : 해수가 더욱 크게 유입되어 선체는 좌현으 로 60° 이상으로 경사하고 선미부터 침하하는 경우

      • - Case 2-5 : 해수가 더욱 크게 유입되어 선체는 좌현으 로 90° 정도로 경사하고 전선이 완전 침몰하는 경우

    Case 1-0는 Fig. 18에서와 같이 사고선박의 항적에서 11:24 경 까지는 선미가 풍상을 향하고 있었고 12:00까지의 항적자 료는 없으나 12:00 경 선수방위 066°, 침로 043° 로 운항한 경 우로 피항 전에 선수가 풍상으로 항해한 시나리오이다.

    Fig. 19(a)는 공기를 포함하거나 제거한 Case 1-0의 해수 및 전선 모델과 공기와 해수영역의 크기를 보여주고 있으며 우현 선수각도 44° 의 횡파를 받고 있는 것을 보여주고 있다. 각 시나리오에 대한 해수 및 전선 모델은 Fig. 20에, 공기와 해수 영역의 크기 및 사고선박과 파도와의 각도는 Fig. 21에 보여주고 있다.

    4.실선 침수․침몰 시뮬레이션

    Fig. 22는 어획물 투하 시 피쉬벙커 해치커버를 통하여 해 수가 다량 유입되었고, 불완전하게 해치커버를 닫은 상태에서 도 해수가 다소 유입된 후의 시나리오 Case 1-0 및 1-1에서 의 초기상태 사고선박의 선수미 흘수, 횡경사 등의 자세와 갑 판 위와 선내의 해수 침수상태를 보여주고 있다.

    Table 3은 각 시나리오 별 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행 하여 선내 어획물처리실, 어창 및 기관실 등의 선내 각 구획에 유입된 해수 침수량과 침수율을, Table 4는 각 시나리오 별 해치커버와 오물배출구를 통해 유입된 해수 유입량을 분석하 여 요약하였다. 여기서 frequency (No.)는 각 시나리오의 침수 시간 동안 2개의 유입구에 덮친 파랑의 평균횟수이다. 각 시 나리오 별 선체 횡요응답(rolling response)과 해수 유입량의 추세 곡선은 각각 Figs. 23 & 24에 나타내었다.

    4.1.Case 1-0 : 우현 선수각도 44°로 횡파 받으며 항해

    Case 1-0은 약 20톤 어획물의 피쉬벙커에 투하 시 다량의 해수가 유입되었고 불완전하게 폐쇄된 해치커버를 통해 해수 가 약간 더 유입되어 Fig. 22와 Table 3의 Case 1-0에서와 같 이 피쉬벙커에 약 50톤, 어획물처리실 바닥에 약 30톤 정도의 해수가 유입된 상태에서 Fig. 19(b)와 같이 우현 선수각도 44° 로 우현횡파를 받으며 항해하는 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 1-0과 Fig. 25의 횡요응답과 Fig. 26의 침수 시뮬레이션의 거동에서와 같이 횡요와 종요(pitching)는 작게 발생하였고, 파도는 상갑판 위로는 덮치지 않아 해치커버를 통해서는 해수가 침수되지 않았다는 것을 확인할 수 있었다.

    4.2.Case 1-1 : 피항 개시 후 8° 우현 경사

    Case 1-1은 피항을 위하여 서쪽으로 선회하여 Figs. 20(a)21(a)에서와 같이 좌현 선미각도 20 로 좌현횡파를 받으면 서 운항하는 시나리오로서 초기 해수 유입상태는 Fig. 22와 Table 3의 Case 1-1과 같다. Fig. 23의 Case 1-1과 Fig. 27의 횡요응답과 Fig. 28의 침수⋅침몰 시뮬레이션의 거동에서와 같이 사고선박이 횡요 운동이 반복되고 선미 우현이 해수면에 주기적으로 일부 잠기고 파도가 선미 갑판부를 덮치면서 불완 전하게 폐쇄된 해치커버를 통하여 해수가 침수되었고 파도가 좌현 선측을 스쳐 지나가면서 부딪쳐서 오물배출구를 통해서 도 일부 해수가 유입되었으며 횡요도 점점 증가하여 선체가 약 5 정도 우현으로 경사하고 있음을 알 수 있다.

    피쉬벙커에 가득 유입되었던 해수와 어획물이 나무 칸막이 를 파손시키고 어획물처리실로 유입되면서 선체가 8 정도 우 현으로 더 경사하게 되었으며, Fig. 29는 피쉬벙커에 가득찬 해수와 어획물이 선체의 반복적인 횡종요 운동으로 나무 칸막 이가 파손되어 어획물처리실로 쏟아져 들어오는 침수 시뮬레 이션 거동을 보여주고 있다. 해치커버와 오물배수구를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실에 침수된 침수량 은 각각 Table 34의 Case 1-1에 서와 같다.

    4.3.Case 1-2 : 좌현횡파에 의한 20 우현 경사

    Case 1-2는 Fig. 30과 Table 3의 Case 1-2에서와 같이 약 100톤의 해수가 더 유입되어 피쉬벙커와 어획물처리실 바닥에 각각 약 23톤과 157톤 정도의 해수가 깔려있는 초기상태에서 Figs. 20(a)21(a)에서와 같이 좌현 선미각도 20 로 좌현횡 파를 받고 있는 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 1-2와 Fig. 31의 횡요응답과 Fig. 32의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션의 거동에서와 같이 사고선박은 횡종요 운 동을 하면서 파도가 선미 갑판부를 주기적으로 덮치고 있음을 알 수 있다. 선미좌현의 오물배출구는 선체가 우현으로 횡경 사 되어있어 수면과는 다소 높은 위치에 있지만 파도가 좌현 선미에 부딪치면서 Fig. 33(a)와 같이 일부 유입되었고, 파도 가 선미 갑판부를 덮치면서 Fig. 33(b)와 같이 해치커버를 통 하여 해수가 주로 유입되었다는 것을 알 수 있다.

    Fig. 34는 선미 트림된 선체가 횡종요 운동을 반복하면서 피쉬벙커 후미의 타기실로 해수가 유입되고 있는 것을 보여주 고 있다. 선체가 약 20° 정도 우현으로 경사하였을 때 해수가 타기실의 약 70%(약 23톤) 정도 유입되어 조타기가 불능상태 가 되었다는 것을 Fig. 35에서 추정할 수 있다. 해치커버와 오 물배수구를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리 실에 침수된 침수량은 각각 Table 34의 Case 1-2에서와 같다.

    4.4.Case 1-3 : 좌현횡파에 의한 25∼30° 우현 경사

    Case 1-3은 Fig. 36과 Table 3의 Case 1-3에서와 같이 약 105톤의 해수가 더 유입되어 피쉬벙커와 어획물처리실에 각각 약 26톤과 315톤, 어창에 약 54톤 정도 해수가 침수된 선체가 약 25° 정도 우현으로 경사한 상태에서 Fig. 20(b)와 Fig. 21(b)에서와 같이 좌현 선미각도 72.5 로 횡파를 받으면서 표 류하고 있는 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 1-3과 Fig. 37의 횡요응답과 Fig. 38의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션의 거동에서와 같이 2개의 유입구를 통해 해수가 계속 유입되어 우현으로 약 30° 정도 경사하는 것을 확인할 수 있다. 이때 파도에 의해 우현선미가 횡종요 운동에 의해 수면에 잠기면서 해치커버를 통해 해수가 유입하고, 좌 현 선측을 파도가 크게 치면서 오물배출구를 통해 해수가 크 게 유입되어 어획물처리실의 해수의 침수가 증가하였다.

    30° 정도로 우현으로 경사지면서 어획물처리실의 선수 쪽 어창 해치를 통해 해수가 조금 더 유입되었다는 것을 Fig. 39 의 어획물처리실 및 어창 내의 해수유동 및 침수 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. 해치커버와 오물배수구를 통하 여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실 및 어창에 침수 된 침수량은 각각 Tables 34의 Case 1-3에서와 같다.

    4.5.Case 1-4 : 좌현횡파에 의한 35° 우현 경사

    Case 1-4는 Fig. 40과 Table 3의 Case 1-4에서와 같이 약 117톤의 해수가 더 유입되어 피쉬벙커와 어획물처리실에 각각 약 64톤과 441톤, 어창에 약 83톤 정도 침수된 선체가 35° 정 도 우현으로 경사한 상태에서 Case 1-3에서와 같이 좌현 선 미각도 72.5° 로 횡파를 받으면서 표류하고 있는 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 1-4와 Fig. 41의 횡요응답과 Fig. 42의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션의 거동에서와 같이 인근 조업어선을 통해 지원받은 펌프로 선체에 침수된 해수를 배수하기 시작하여 선 체가 일시적으로 우현으로 더 이상 경사하지 않고 선체 내부 의 해수가 더 이상 증가하지 않는 것을 확인할 수 있다.

    4.6.Case 2-0 : 어획물 좌현 이동 시 좌현횡파에 일시 평형

    Case 2-0a는 Case 1-4에서 약 30톤의 어획물과 48톤의 연 료유를 좌현으로 옮기고 펌프로 약 2/3 정도의 해수를 배수하 여 Fig. 43과 Table 3의 Case 2-0에서와 같이 피쉬벙커와 어 획물처리실에 각각 약 8톤과 99톤 정도의 해수 침수량이 줄어 일시적으로 평형을 이루었고 Figs. 20(b) & 21(b)에서와 같이 좌현 선미각도 72.5 로 좌현횡파를 받는 시나리오이다. Case 2-0b는 평형상태에서 오물배출구를 통해 약 30톤 정도가 유 입되면서 약 3 정도 우현으로 횡경사하는 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-0과 Fig. 44의 횡요응답과 Figs. 4546 의 침수⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 일시적인 평형상 태에서 오물배출구를 통한 해수 유입으로 다시 우현으로 기울 기 시작하였고 이로 인해 선체를 선회한 것으로 사료된다. 해 치커버와 오물배수구를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실 및 어창에 침수된 침수량은 각각 Tables 34 의 Case 2-0에서와 같다.

    4.7.Case 2-1 : 우현횡파에서 좌현 측 5° ~10° 경사

    Case 2-1은 Fig. 47과 Table 3의 Case 2-1에서와 같이 약 145톤의 해수가 더 유입되어 피쉬벙커, 어획물처리실 바닥과 어창에 각각 약 12톤, 229톤 및 129톤 정도 해수가 침수되어 좌현으로 5° 정도 경사진 상태에서 Figs. 20(c)21(c)에서 와 같이 선회하여 우현 선미각도 72.5° 로 우현횡파를 받으면 서 표류 중인 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-1과 Fig. 48의 횡요응답과 Fig. 49의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 선회하여 우현횡파의 파 도를 받음으로써 선체는 좌우현 중량의 불균형으로 좌현으로 10° 정도까지 경사지게 되었다. 이에 따라 파도가 상갑판을 덮치고 선미좌현이 수면 아래로 주기적으로 내려감으로써 2개 의 유입구를 통해 해수가 유입되었다. 해치커버와 오물배수구 를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실 및 어창 에 침수된 침수량은 각각 Tables 34의 Case 2-1과 같다.

    4.8.Case 2-2 : 우현횡파에서 좌현 측 30° ∼35° 경사

    Case 2-2는 Fig. 50과 Table 3의 Case 2-2에서와 같이 216 톤 정도 해수가 더 유입되어 피쉬벙커, 어획물처리실, 기관실 및 어창에 각각 약 42톤, 345톤, 72톤 및 212톤 정도의 해수가 침수되어 선체가 좌현 30 정도 경사진 상태에서 Case 2-1에 서와 같이 우현 선미각도 72.5 로 우현횡파를 받으면서 표류 중인 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-2와 Fig. 51의 횡요응답과 Fig. 52의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 좌우현 중량이 불균형과 우현횡파로 인하여 좌현으로 35° 정도 이상으로 횡경사지고 좌현선미가 수면 아래로 주기적으로 잠기면서 2개의 유입구를 통하여 다량의 해수가 유입되었음을 알 수 있다. 또한 Fig. 53 에서와 같이 기관실에도 해수가 유입되고 어창에는 해수 유입 량이 증가하여 선미 침하도 크게 증가하였다. 해치커버와 오 물배수구를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리 실, 기관실 및 어창에 침수된 침수량은 각각 Tables 34의 Case 2-2와 같다.

    4.9.Case 2-3 : 우현횡파에서 좌현 측 45° ∼55° 경사

    Case 2-3은 Fig. 54와 Table 3의 Case 2-3에서와 같이 184 톤 정도가 더 유입되어 피쉬벙커, 어획물처리실, 기관실 및 어 창에 각각 약 90톤, 409톤, 144톤 및 264톤 정도 해수가 침수 되어 선체가 좌현 45° 정도 경사진 상태에서 Case 2-2에서와 같이 우현 선미각도 72.5° 로 횡파를 받으면서 표류 중인 시나 리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-3과 Fig. 55의 횡요응답과 Fig. 56의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 기관실과 어창으로의 해 수 유입이 크게 증가하여 선미부가 수면 아래로 크게 침하하 고 이에 따라 2개의 유입구를 통해 어획물처리실로의 해수 유 입이 가속화하여 50° 이상으로 횡경사가 급격히 증가하고 있 음을 알 수 있다.

    어획물처리실, 기관실 및 어창의 해수 유입에 따른 유동을 Fig. 57에 보여주고 있다. 해치커버와 오물배수구를 통하여 유 입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실, 기관실 및 어창에 침수된 침수량은 각각 Tables 34의 Case 2-3과 같다.

    4.10.Case 2-4 : 우현횡파에서 좌현 측 60° ∼70° 경사

    Case 2-4는 192톤 정도가 더 유입되어 Fig. 58과 Table 3 의 Case 2-4에서와 같이 피쉬벙커, 어획물처리실, 기관실 및 어창에 각각 약 96톤, 547톤, 216톤 및 391톤 정도 해수가 침 수되어 선체가 좌현 60° 정도 경사진 상태에서 Figs. 20(c)21(d)에서와 같이 우현 선미각도 72.5 로 횡파를 받으면서 침 몰 중인 시나리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-3과 Fig. 59의 횡요응답과 Fig. 60의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 기관실과 어창으로의 해 수 유입이 크게 증가하여 선미부가 수면 아래로 크게 침하하 고 해치커버와 오물배출구를 통한 어획물처리실로의 해수 유 입이 가속화하고 또한 선수루의 출입구를 비롯한 여러 개구부 를 통하여 선체 전체에 걸쳐 해수가 유입됨에 따라 선체는 횡 경사의 증가와 함께 선미부가 크게 침하하면서 종경사도 급격 히 증가하였다.

    좌현 60° 에서 70° 각도까지 횡경사하면서 해치커버와 오물 배수구를 통하여 유입된 유입량과 피쉬벙커와 어획물처리실, 기관실 및 어창에 침수된 침수량은 각각 Tables 34의 Case 2-4와 같다.

    4.11.Case 2-5 : 우현횡파에서 좌현 측 80° 이상 경사

    Case 2-5는 Fig. 61과 Table 3의 Case 2-5에서와 같이 370 톤 정도 해수가 더 유입되어 피쉬벙커, 어획물처리실, 기관실 및 어창에 각각 약 97톤, 763톤, 265톤 및 565톤 정도 침수되 어 좌현 80° 정도 경사진 상태에서 Figs. 20(d)21(e)에서 와 같이 우현 선미각도 72.5 로 횡파를 받으면서 침몰 중인 시 나리오이다.

    Fig. 23의 Case 2-3과 Fig. 62의 횡요응답과 Fig. 63의 침수 ⋅침몰 시뮬레이션 거동에서와 같이 선체가 침하함에 따라 여 러 개구부를 통하여 선체 전체에 걸쳐 해수가 빠르게 유입되 어 횡경사가 크게 증가하고 빠른 속도로 침몰하였다.

    Table 34의 Case 2-5에서와 같이 좌현 80 경사각도에 서 선체 전체는 횡경사가 계속 증가하면서 해수가 선체 내부 에 해수가 완전히 침수되고 117m 해저 바닥에 가라앉기 까지 는 약 911톤의 해수가 각 구획별로 유입되었다.

    5.고찰 및 결론

    본 연구에서는 제501 오룡호 사고의 침몰⋅침몰 시뮬레이 션을 수행하였다. 이를 위하여, 어획물을 피쉬벙커에 투하하면 서 다량의 해수가 유입된 상황에서 해치커버를 불완전하게 폐 쇄하고 피항 하던 중 크게 우현으로 급경사가 발생하였고 어 획물과 연료유를 좌현으로 이동시킨 후 파도를 좌현에서 우현 으로 받으면서 또다시 좌현으로 급경사하고 선미가 수면에 잠 기면서 침몰하는 과정을 크게 2가지 시나리오로 나누어 실선 침수⋅침몰 시뮬레이션을 수행하였다. 각 시나리오에 따른 실 선 침수⋅침몰 시뮬레이션의 결과들을 거친 해상상태에서와 사고선박에 발생한 횡종요 운동에 따른 선박의 거동과 선내에 서의 해수 유입에 따른 구획별 침수과정과 유동을 동영상을 제작하여 실제와 같이 현실감 있게 구현하였다.

    우현이나 좌현 측으로 선체가 횡경사 함에 따라 어획물처 리실로 다량의 해수가 유입되고 또한 무게중심보다 낮은 기관 실과 어창으로도 해수가 다량 유입됨에 따라 이미 선미 트림 된 사고선박의 선미흘수가 더욱 증가되면서 선미는 수면 아래 로 동시에 침하하였다. 무게중심보다 위에 있는 어획물처리실 에만 해수가 유입되었다면 선미부의 선미트림이나 선미부의 수면 아래로의 침하가 그렇게 크게 증가하지는 않았을 것으로 사료되고 횡경사가 전진됨에 따라 선박의 복원성은 훨씬 더 빨리 악화되었을 것으로 사료된다. 사고선박의 경우 급격하게 횡경사가 크게 진행되어도 선미부가 수면 아래로 침수되면서 기관실과 어창에 유입된 다량의 해수로 인하여 무게중심이 다 소 아래로 내려가므로 일반적인 복원성 부족으로 인한 전복에 의한 침몰사고이라기 보다는 선미의 침수가 병행한 대각도의 횡경사로 이어진 전복으로 침몰되었다는 것을 본 수치 시뮬레 이션의 거동으로 확인할 수 있었다.

    후 기

    본 연구는 해양안전심판원의 “제501오룡호 침몰사고 원인 분석 침수⋅침몰 시뮬레이션 연구 용역” 과제의 지원을 받아 수행한 연구의 일부이며, 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Scenery of deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong

    KINPR-41-451_F2.gif

    Euler-Lagrange penalty coupling algorithm(Aquelet et al., 2006)

    KINPR-41-451_F3.gif

    Floating simulation & hydrostatic characteristic calculation of fishing vessel before accident

    KINPR-41-451_F4.gif

    Schematic diagram of main stern structure and seawater inflow openings & paths

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    Overall structures and their characteristics of deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong

    KINPR-41-451_F6.gif

    Dead weight distribution on day of sinking accident

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    Full-scale ship and longitudinal section modeling

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    Modeling of seawater inflow openings & flow paths

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    Fish bunker structure modeling

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    Sewage internal & external structure modeling

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    Global wave simulation sample

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    Sea weather simulation results according to time

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    Significant wave and wind speed time histories at accident region(December 1, 2014)

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    Irregular wave and wind simulation

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    Full-scale ship & seawater modeling and scenarios for ship drifting simulation

    KINPR-41-451_F16.gif

    Full-scale ship drifting simulation behavior according to stem wave direction

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    Yawing angle response in ship drifting simulation according to stem direction

    KINPR-41-451_F18.gif

    AIS track of deep-sea fishing vessel No. 501 Oryong(2014. 12. 1 10:00 ∼ 12. 1 13:00)

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    Seawater and ship model in Case 1-0 scenario

    KINPR-41-451_F20.gif

    Seawater and ship model in Cases 1 & 2 scenarios

    KINPR-41-451_F21.gif

    Air & seawater dimension, angle between ship & wave in Cases 1 & 2 scenarios

    KINPR-41-451_F22.gif

    Initial seawater inflow state in Cases 1-0 & 1-1

    KINPR-41-451_F23.gif

    Rolling response of fishing vessel according to scenario through full-scale flooding⋅sinking simulation

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    Seawater inflow amount & trend response according to scenario through full-scale flooding⋅sinking simulation

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    Rolling response in Case 1-0

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 1-0

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    Rolling response in Case 1-1

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 1-1

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    Inflow of fish catch and seawater into processing & working space through broken wood partitions

    KINPR-41-451_F30.gif

    Initial seawater inflow state in Case 1-2

    KINPR-41-451_F31.gif

    Rolling response in Case 1-2

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 1-2

    KINPR-41-451_F33.gif

    Seawater inflow behavior through openings

    KINPR-41-451_F34.gif

    Seawater inflow behavior into steering room

    KINPR-41-451_F35.gif

    Seawater inflow scenery into steering room

    KINPR-41-451_F36.gif

    Initial seawater inflow state in Case 1-3

    KINPR-41-451_F37.gif

    Rolling response in Case 1-3

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 1-3

    KINPR-41-451_F39.gif

    Seawater flow & inflow behavior in working space

    KINPR-41-451_F40.gif

    Initial seawater inflow state in Case 1-4

    KINPR-41-451_F41.gif

    Rolling response in Case 1-4

    KINPR-41-451_F42.gif

    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 1-4

    KINPR-41-451_F43.gif

    Initial seawater inflow state in Case 2-0a

    KINPR-41-451_F44.gif

    Rolling response in Case 2-0

    KINPR-41-451_F45.gif

    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-0a

    KINPR-41-451_F46.gif

    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-0b

    KINPR-41-451_F47.gif

    Initial seawater inflow state in Case 2-1

    KINPR-41-451_F48.gif

    Rolling response in Case 2-1

    KINPR-41-451_F49.gif

    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-1

    KINPR-41-451_F50.gif

    Initial seawater inflow state in Case 2-2

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    Rolling response in Case 2-2

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-2

    KINPR-41-451_F53.gif

    Seawater flow in working space and inflow into engine room & fishing hold in Case 2-2

    KINPR-41-451_F54.gif

    Initial seawater inflow state in Case 2-3

    KINPR-41-451_F55.gif

    Rolling response in Case 2-3

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-3

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    Seawater flow in working space and inflow into engine room & fishing hold in Case 2-3

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    Initial seawater inflow state in Case 2-4

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    Rolling response in Case 2-4

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    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-4

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    Initial seawater inflow state in Case 2-5

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    Rolling response in Case 2-5

    KINPR-41-451_F63.gif

    Flooding⋅sinking simulation behavior in Case 2-5

    Table

    Comparison of hydrostatic characteristics of fishing vessel before accident with stability calculation
    Significant wave and wind speed time histories at accident region(December 1, 2014)
    ∙ high seas watch : wind speed with 14m/s and during 3 hour above, significant wave with 3m above
    Seawater inflow amount into compartments according to scenario
    Seawater inflow amount into exterior openings according to scenario

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