선박의 과학 – 선박의 건조과정
선박은 일반기계, 자동차, 전자제품과 달리 예측되는 고객을 대상으로 이미 설계된 제품을 생산하는 것이 아니라 선주의 주문에 의해 생산을 하게 되므로 선주의 요구사항(선박의 종류, 크기, 항로, 선속 등)에 따라 조선소에서 개념설계 또는 초기설계를 수행하여 선박의 성능이 만족되고 납기, 가격, 지불 조건 등이 선주와 합의되면, 건조계약을 체결하게 된다. 이어서 기본설계와 상세설계를 수행하여 본격적으로 건조과정에 진입하게 된다.
선박의 설계과정은 대체로 개념설계, 초기설계, 기본설계, 상세설계, 생산설계 등으로 구분할 수 있고 이러한 설계업무는 순차적으로 수행된다.
선주로부터 제시된 요구사항, 즉 화물의 종류, 적재능력, 크기, 선속, 선체구조강도, 예상항로 등을 만족시키는 최적 선박의 개념을 도출하는 과정을 개념설계라 칭한다. 그리고 이 개념설계에서 개발된 제반 선박의 성능을 과거에 건조된 선박의 실적, 계산, 실험 등을 통하여 입증하는 과정을 거쳐 선박의 기본 성능과 주요 기자재의 사양을 확정하는 설계를 초기설계라 칭한다.
초기설계가 확정되면 선박의 주요 성능은 이미 정해지게 되고, 이후에 이루어지는 기본설계(기능설계라 고도 함)는 선체구조의 구체화, 기관실의 주기관을 비롯한 각종 장비의 배치, 배관계통도, 전기장치의 배치, 전선계통도, 갑판장비의 배치, 항해장비, 거주 설비 등을 구체적으로 정의하는 과정을 말한다.
이 과정에서 도출되는 각종 도면과 계산서, 사양서 등은 선주의 승인을 받게 되고, 안전성 관련 도면은 선급협회의 승인을 받도록 되어 있다.
기본설계가 확정되면 생산을 위한 준비단계로 생산현장에서 이해될 수 있는 수준으로 기본설계 결과를 각 서브 시스템별로 도면으로 상세히 표현하는 과정을 상세설계라 하며, 생산에 필요한 원자재의 정확한 수량, 기자재의 발주사항 등이 도출되어 자재발주가 이루어지고 생산계획을 위한 자료가 공급된다.
상세설계 결과를 작업자나 공작장비의 운전에 필요한 생산정보를 정확하게 도출하는 과정을 생산설계라 한다. 이 작업 중에는 선체선도를 현척(과거에는 거의 선박을 현척으로 현도하였음), 또는 축척으로 현도하거나 전산프로그램에 의해 처리하여 NC 가공정보를 도출하는 과정이 포함된다. 그리고 공작 순서, 방법, 부재의 연결과 치수 등을 표시한 공작도, 각종 기계장비의 부착 상세도 등이 도출된다.
선각공사는 강재가 제철소로부터 조선소로 입고되어 강재치장에 보관되어 있다가 공사순서에 따라서 그룹별로 강재 전처리과정을 거쳐 가공공장에 반입되고, 가공공장에서 마킹, 절단, 굽힘 가공작업이 이루어진다. 이어서 절단된 부재는 소조립장에서 부재끼리 조립, 용접되고 조립장으로 이송되어 블록을 형성하게 된다. 블록이 완성되면 선대나 도크 근처에서 기중기에 의해 탑재될 수 있는 크기의 큰 블록으로 다시 프리에렉션(Pre-erection)된 후 탑재된다. 탑재 후 수밀 용접이 완료되면 선대나 도크에서 진수된다. 이 강재의 입고에서부터 진수에 이르는 전체공정을 선각공사라 칭한다.
선주로부터 제시된 요구사항, 즉 화물의 종류, 적재능력, 크기, 선속, 선체구조강도, 예상항로 등을 만족시키는 최적 선박의 개념을 도출하는 과정을 개념설계라 칭한다. 그리고 이 개념설계에서 개발된 제반 선박의 성능을 과거에 건조된 선박의 실적, 계산, 실험 등을 통하여 입증하는 과정을 거쳐 선박의 기본 성능과 주요 기자재의 사양을 확정하는 설계를 초기설계라 칭한다.
가공공사는 선체구조를 구성하고 있는 부재(部材)를 제작하는 공정이다. 선체구조 부재는 평면판, 곡면판, 직선형강(直線型鋼) 및 곡선형강 등으로 구성되며, 이 부재들은 강판재와 형강재의 절단작업, 굽힘작업을 통하여 제작된다.
1) 마킹
작업의 정확성과 효율성을 높이기 위하여 공작정보를 가공될 강재표면에 선과 기호로 미리 표시하는 작업을 마킹(Marking)이라고 하며 마킹된 정보에 따라서 가공작업을 수행한다.
마킹작업은 종래에는 자, 컴파스, 먹물, 대붓 등 도구를 사용하여 수(手)마킹에 의하여 수행되었으나, 요즘은 전산기에 의해 마킹 자료가 처리되어 NC(Numerical Control) 절단기에 의하여 자동 마킹되고, 절단되는 NC마킹법에 의하여 수행된다. 이러한 NC마킹 및 절단법에 의하여 강재가 절단됨으로써 재래식 방식에 비하여 가공 정확도는 향상되고, 가공시간과 가공공수가 절감되어 대형 선박의 건조가 가능하게 되었고 건조 원가가 낮아졌다.
2) 절단
강재로부터 도면에 표시된 모양과 치수대로 부재를 오려내는 작업을 절단작업이라고 한다. 절단작업은 주로 가스절단에 의존하여 왔으며 절단 토치(Torch)의 이동하는 방법에 따라 수동, 반자동, 자동 절단으로 구분하기도 한다.
가스절단은 산소-아세틸렌 혼합가스에 의한 것이 대표적인 방식이고, 요즈음은 플라즈마(Plasma) 절단도 사용되고 있다.
가스절단
절단하려고 하는 강재를 가열하여 산화반응이 일어나기 쉬운 800~900℃로 높이고 난 후 고압산소를 공급하면 철(Fe)과 산소(O2)가 결합하여 산화철과 고열이 발생한다. 이와 같은 발열반응시 생겨난 산화철은 순수한 철보다 낮은 온도에서 쉽게 녹아서 액체상태가 되고 고압산소는 이를 불어내어 홈을 만들어 절단작업이 이루어진다.
가스절단이 가능하기 위해서는 모재와 산화물의 용융온도 차이가 나고, 산화물의 유동성이 좋아야한다.
이 산화물의 유동성은 철과 산소의 순도가 높을수록 좋으며 주철이나 동, 알루미늄 등은 그 산화물의 유동성이 적어 가스절단이 잘 안된다. 가열하기 위한 연료로는 아세틸렌, 에틸렌, 프로판 등이 주로 사용된다.
플라즈마 절단
자연상태에서는 전기적으로 중성을 띠고 있는 기체가 많은 양의 에너지를 얻게 되면 원자와 전자가 유리되어 극성을 가지게 되는데, 이러한 상태를 플라즈마 상태라고 한다. 기체상태의 공기, 수소, 산소가스 등에서 전기적인 아크 방전을 일으키면, 그 기체가 부분적으로 플라즈마화 하는데, 이것을 열적인 방법 혹은 물리적인 방법으로 수축시켜 최고 온도가 약 20,000∼30,000℃ 정도까지 이르게 하고 이를 절단하고자 하는 강재에 닿게 하여 국부적으로 강재를 녹이고 고압가스로 이를 불어내어 강재를 절단한다.
레이저 절단
레이저 절단은 CO2나 YAG 등 발진관 내에서 반전분포(Population Inversion)상태로 여기(勵氣) 시키면 이들이 안정화 되면서 레이저를 발생하는데 이 빛을 증폭, 집광하여 고밀도화 한 후 필요로 하는 곳에 주사함으로써 국부적으로 모재를 용융, 증발시키고, 고압가스로 용융금속을 불어냄으로써 연속적인 절단을 수행한다.
레이저 절단은 현재로서는 5∼7㎜ 이하 두께의 금속판에 적용이 가능하여 아직은 선박건조 과정에 사용하기에는 좀 더 기술개발이 이루어져야 한다.
3) 굽힘 가공
강판이나 형강을 곡면이나 곡선으로 굽히는 작업은 냉간가공과 가열 성형가공으로 크게 구분된다. 냉간가공은 상온상태에서 기계적인 힘을 가하여 재료에 소성변형을 일으키는 것이고, 가열 성형가공은 강재를 국부적으로 가열하여 급히 냉각시키면 국부적인 수축이 발생하는 성질을 이용하여 굽히는 것이다. 강재는 적정온도로 가열된 상태에서 가공성이 좋으므로 가열하여 굽히는 열간가공이 과거에 많이 사용되었으나, 가열로를 구비하여야 하고 작업이 힘들고 복잡하여 1960년대 이후 국내에서는 전혀 사용되지 않고, 가스버너로 국부 가열하여 굽히는 부분 가열법이 사용된다.
냉간가공 작업에는 벤딩롤러(bending roller)와 유압프레스가 사용되는데, 벤딩롤러는 3∼4개의 롤러를 위, 아래로 배치하여 위 롤러와 아래 롤러 사이의 틈으로 강판을 넣고 윗 부분의 롤러를 유압잭으로 강판에 압력을 가하고 롤러를 굴려 강판을 굽히고, 밀어내면서 원하는 곡면이 형성될 때까지 여러 차례 반복 작업을 한다. 주로 선체의 빌지 부분의 외판과 같은 2차원 곡면판의 굽힘작업에 적합하고, 3차원 곡면판도 이 기계로 대략 굽힌 후 선상가열법 등으로 원하는 곡면이 되도록 마무리 작업을 한다.
유압프레스는 강판을 직각으로 굽힐 때 사용하거나 완만한 3차원 곡면판을 만들 때 사용된다. 3차원 곡면가공을 하기 위해서는 여러 차례 램(Ram)으로 강판을 찍어서 곡면 가공한다. 유압프레스는 강판의 굽힘작업에 다양하게 사용된다.
근래에는 다수의 유압 실린더가 상부와 하부에 배치되어 있고 각 실린더의 깊이를 조정하여 원하는 곡면판을 찍어 낼 수 있도록 되어 있는 NC 다점 프레스가 개발되어 일부 조선소에서 사용되고 있다.
가열 성형가공은 강재를 국부적으로 가열하였다가 급속 냉각시키면 그 부위가 수축하는 성질을 이용하여 강판을 굽힘가공하는 작업방법이다. 국부적으로 선상을 가열하고 뒤이어 물로 냉각시켜서 열의 이동방향과 수직방향으로 수축시켜 궁극적으로 강판을 굽히게 하는 방법인 선상 가열법(Line Heating)이 있고, 강판을 점의 형태로 가열하여 점 주의 360。 방향으로 수축이 일어나도록 하는 점 가열법이 있으며, 이 방법은 강판의 굽힘 효과가 미미하나 3차원 곡면가공에 부분적으로 사용된다. 또한 점 가열법은 용접열 영향으로 변형된 판 부재의 변형과정에 사용된다.
4) NC 플레임 벤더
선체의 횡늑골(Frame)이나 종늑골과 같은 형강재를 굽힘에 있어서 종전에는 열간가공에 의해 수동(手動)굽힘 하였으나, 근래에는 NC 제어로 굽힘의 양을 조절하여 원하는 곡선으로 굽힐 수 있는 전용기계인 NC 프레임 벤더를 사용한다.
가공공장에서 제작된 선체의 부재는 조립장으로 이송되어 선체 내부구조물에 보강재를 붙이는 소조립 과정을 거쳐 선체 외판재에 늑골을 붙이는 중조립 과정으로 이어지고, 다시 블록을 완성하는 대조립 과정을 거치게 된다.
대조립된 블록은 경우에 따라서 도크장 주변에서 도크에 탑재되는 크기로 블록 끼리 가조립과정을 거쳐 탑재되기도 한다.
1) 소조립
소조립은 소조립 정반에서 내부판에 보강재나 브라켓 등을 취부하여 용접하는 과정으로, 여기서 완성된 부재는 중조립이나 대조립 과정으로 이송된다. 소조립 공사는 다양한 형태의 부재를 생산하는 과정으로 주로 인력에 많이 의존하고 있으며, 최근에는 컨베어에 의해 이송되고 취부된 부재의 용접에 자동설비가 사용되기도 한다.
2) 중조립
중조립은 평판 블록, 곡외판 블록, 상부구조 블록을 조립하는 과정으로 나눠진다.
평판 블록
선저판, 선측판, 격벽판 등과 같이 평면의 판재에 늑골을 취부하는 평판블록은 콘베어 위에서 판재를 이어 붙여 블록크기로 평판을 조립하고, 그 위에 늑골재를 취부한다. 이 작업은 전용 조립장치를 사용하여 자동으로 취부하고 용접한다. 늑골재를 취부한 후에 늑골재와 직각방향으로 플로어(Floor)를 취부하여 격자형식으로 블록이 보강되도록 한다.
이 평면블록 조립장을 일명, 판넬라인(Panel Line)이라 칭한다.
곡외판 블록
선체의 선수부분, 선미부분 등은 외판이 곡면을 형성하고 있다.
이 부분에 포함된 블록은 곡면을 포함하고 있어서 판넬라인(Panel Line)에서는 조립할 수 없다.
곡면 블록은 곡면에 따라 높이를 조절할 수 있는 지그가 설치되어 있는 조립장에서 지그(Jig)의 배열 높이를 외판의 곡면과 같게 조절하고 그 위에 외판재를 조립하여 선체곡면을 형성하고 조립된 외판재 위에 늑골재와 플로어(Floor)를 조립, 용접하여 블록을 완성한다.
상부구조 블록
상부구조 블록은 외판 블록에 비하여 비교적 박판으로 구성되며, 이 블록은 갑판 캠버(Camber)로 인하여 약간의 곡면이 있으므로 곡외판 블록의 조립과 같은 방법을 사용한다.
3) 대조립
중조립된 블록은 다시 입체적인 블록을 형성하여 도크에서 탑재될 수 있는 정도의 크기로 조립된다. 그리고 경우에 따라서는 대조립된 블록을 도크 주변에서 탑재하기 전에 더 큰 블록으로 조립하여 탑재하기도 하는데, 이 과정을 프리에렉션(Pre-erection)이라 한다.
조립공정에서 부재의 이동이나 블록의 이송에 컨베어, 크레인. 자주식 트랜스포터 등이 사용된다.
조립공정에서의 용접작업은 자동화가 많이 진척되어 있어 판넬라인에서의 용접은 거의 자동용접이 채택되고 있다. 그 외의 조립과정에서도 반자동 용접이 실행되어 용접 자동화율이 가장 높은 공정이라 할 수 있다.
현대적 조선소에서는 조립공정에 자동화가 많이 적용되고 있어 조립공사 대부분이 옥내 조립장에서 수행되고 있다.
탑재작업은 조립공정에서 이송된 블록들을 선대나 도크에서 서로 연결하여 선체의 전체 형태를 구성하도록 하는 선체공사의 마지막 공정이다.
그리고 탑재작업에서는 설계도에 제시된 선체의 형상이 완성되어야 하기 때문에 선체의 치수가 정확한지 점검해야 한다. 그리고 선체가 하나의 대형 중(重)구조물로 완성되면 수면에 떠야 하기 때문에 진수작업을 용이하고 안전하게 할 수 있도록 선대나 도크에서 조립작업을 수행해야 한다.
1) 선대 탑재 방식
경사진 선대에서 블록을 탑재하는 방식으로, 선체를 수면과 일정한 기울기를 유지하면서 선체를 탑재한다.
블록의 탑재에는 기중기가 사용되며, 탑재된 블록을 용접으로 견고히 접합하여, 수밀 작업이 완료되면, 선체와 선대 사이에 진수대를 설치하고 진수대에 기름(fat)을 도포하여 마찰계수를 낮추어 선체의 자중에 의해 경사진 진수대 위로 미끌어지게하여 물에 진수시킨다.
이 방식은 종래에 많이 사용하던 방식으로, 아직도 소형, 중형 선박의 탑재 및 진수에 채택하고 있다.
2) 도크 탑재방식
선체탑재를 도크에서 수행하는 방식으로, 물이 빠진 드라이 도크에 선체를 수면과 수평하게 탑재하여 선체가 완성되면 도크에 물을 채워서 선체를 뜨게 한 후 도크 밖으로 띄워 진수작업을 수행한다.
이 방식은 선체를 수평으로 탑재하므로 선체형상을 유지하기가 용이하고, 대형선박의 경우에는 진수작업에 위험요소가 거의 없어, 현대적인 조선소에서는 대부분이 도크탑재 진수방식을 채택하고 있다.
3) 기중기
선대나 도크 내에서 블록의 탑재에는 기중기를 사용한다.
블록의 무게가 가벼운 경우에는 집(Jib) 크레인을 사용하나 중구조 블록의 경우에는 간트리 크레인의 일종인 골리아스(Goliath) 크레인을 사용하여 대형선박의 건조기간을 단축시켜 생산성을 높이고 있다.
선박을 건조하는 과정은 앞에 설명한 바 있는 선각공사와 의장공사로 구분한다.
의장공사는 선체에 선박의 운항에 필요한 주기관을 비롯한 각종 기계장치, 전기장치들을 부착하고, 이 장치들을 하나의 시스템으로 연결하는 배관공사와 배선공사 등의 작업, 선원의 거주설비 공사, 선체의 표면과 내면에 녹이 슬지 않도록 도장하는 작업 등을 총괄하여 말한다.
종래에 의장공사는 선체공사가 완료되는 시점이나 선대에 블록이 탑재된 이후에 수행하는 것이 관례였으나, 요즈음에는 선행의장 공사방식을 많이 사용하고 있다. 선행의장 방식이란 블록 조립작업부터 의장공사를 병행하여 블록의장을 시행하고 탑재작업이나 진수후에도 의장공사를 시행하는 것이다. 이렇게 선대나 도크에서 혹은 진수 후 수상에서 선체공사와 의장공사를 병행하여 추진함으로써 전체적인 공사기간과 의장 공사량을 줄여서 종전의 방식보다 생산성을 높이고 있다.
도장공사도 선체 재료를 가공하기 전 단계에서 공장내에서 숏 블라스팅하여 녹을 완전히 제거하고 일차 도장한 후 가공 공정을 실행한다. 블록이 완성되면 다시 블록 도장을 시행하고, 도크에 탑재하여 최종 용접작업이 완료되면 진수작업 직전에 마무리 도장작업을 실시하는 등 공사 진행과정에 따라 도장공사를 수행한다.
이와 같이 현대적인 선박건조방식은 선체공사, 의장공사, 도장공사등 모든 공사를 최대한 병행 수행하여 건조기간을 단축하고 작업 편의성이 좋은 단계에서 수행한다. 즉, 공장내에서나 조립장에서, 선대나 도크에서의 작업을 앞당겨 수행함으로써 선박의 품질과 건조생산성을 높일 수 있는 방향으로 개선되고 있다.
선체공사가 마무리 되고 의장공사가 완성되면, 선박에 설치된 각종 장비의 성능을 개별적으로 시험한다.
장비의 성능시험이 완료되면 선박 전체의 성능을 점검하고 설계시 목표로 한 성능이 만족되는지 여부를 확인하기 위하여 선주와 선급기관의 입회 아래 선박의 속력, 연료소비량, 조종성능, 주기관과 추진기의 성능 등을 시험한다.
이 시험은 공식 시운전(Sea Trial)이라 하며, 이 시험에 합격해야만 비로소 선주에게 완성된 선박을 인도할 수 있다.
