대한민국 조선업의 원동력, 그 비밀을 파헤치다 - 1. 조선사별 신건조공법에 대하여

 

삼면이 바다에 둘러싸여 있는 천혜의 자연조건을 가진 우리나라에서 "조선산업은 황금알을 낳는 거위"라고 비교될 정도로 그동안 기간산업으로서의 역할을 해왔습니다. 광복이전의 1900년대 초부터 아무것도 없는 황무지에서 시작하여 지금은 명실상부한 세계 제1국 조선산업의 자리를 차지하고 있습니다. 

▲ 출처 : SERI. 으랏차차 코리아

 

우리나라는 2003~2008년 당해수주량, 건조량, 누적수주량 3가지 지표에서 세계조선산업 1위를 차지한바 있으며, 세계 10대 조선소 중 7개가 한국 조선소입니다. 물론 2008년 글로벌 금융위기로 인한 불황을 맞이하고, 중국의 거센 추격에 위협받고 있는 것은 사실이지만 아직 세계에서 우리나라 조선산업이 가지는 경쟁력은 무시할 수 없는 게 사실이죠. 그렇다면 역대 세계 1위를 고수했던 "일본"을 제치고 우리나라의 조선산업이 성장한 원동력은 무엇일까요?  

비밀은 아래 사진들 속에 숨어있습니다.  

 

혹시 사진을 살펴보는 중 공통점을 찾지 못하셨나요?

정답은 모두들 알고 있듯이 "olleh, 꼬꼬면, 바나나는 원래 하얗다, 도깨비 방망이"라는 제품들은 기존 관념이나 상식을 깨는 관념인 "역발상"을 이용해 세상에 빛을 본 사례들입니다. 또한 관련 일화로 콜럼버스의 '계란 세우기' 유명합니다.

콜럼버스의 "계란세우기" 일화는 아메리카 신대륙을 발견한 콜럼버스가 시기한 사람들의 콧대를 납작하게 하기 위해 달걀을 세워보라고 제안하자 모든 사람들이 달걀세우기를 시도했지만 실패었습니다. 하지만 콜럼버스는 달걀 밑을 조금 깨뜨려 달걀을 쉽게 세운 일화입니다.

 

이처럼 우리나라의 조선산업은 세계조선산업 속 인식을 뒤집는 역발상을 이용하여 쉽지 않은 도전을 실행했습니다. 세상 모든 사람들이 안될것이라고 말했지만 우리나라는 기필코 해내어 "세계조선산업 1위"라는 명성을 이룩했습니다.

지금부터 "대한민국 조선산업의 원동력, 역발상의 세계"에서 조선사별 신건조공법에 대해 소개 드리겠습니다.

1. 물위에서 선박을 건조 한다? [플로팅 도크]

- 이 기술은 일명 "바다"에 만든 도크, 플로팅 도크" 기법으로 지금이야 보편화 된 기술이지만, 예전에는 바다 위에서 선박을 건조한다는 것은 말도 안되는 일이었습니다. 선박을 건조할 때는 깨질 수 없는 절대규칙이 있습니다. 그건 바로 '도크공법'입니다.

■ 도크(dock)란? : 선박을 건조, 수리하기 위해서 조선소, 항만 등에 세워진 시설로서 선거(船渠)라고도 합니다. 일반적으로 선박의 건조과정은 크게 '소조립 - 대조립 - 블록탑재 - 선체 건조' 등의 순서로 진행되는데 각 부위 별로 제작된 여러 개의 블록을 한 곳에 모아 탑재, 조립해 선체를 만드는 작업장을 '도크'라고 말합니다. 건조부터 진수까지 이루어지기 때문에 조선업계에서는 도크 없이는 선박을 건조 할 수 없다라는 게 정설이었습니다.

  

또한 땅덩어리가 조그만한 우리나라에서는 도크를 만드는 땅이 없었습니다. 그래서 개발한 공법이 2001년 세계 최초 "물에 뜨는 플로팅 도크(Floating Dock)"였습니다. 기존의 고정관념을 깨버리고 "물위에 도크를 만들어 배를 만든다"라는 일명 "해상건조공법"이라고 불리우는 플로팅 도크.

▲ 출처 : SERI 으랏차차 코리아. 네이버 지식백과

대한민국은 현재 세계에서 오직 하나뿐인 플로팅 도크 기술 보유국입니다. 플로팅 도크(Floating dock)는 일반적으로 그림과 같이 횡단면이 유자형(U)이며, 밑부분에는 여러 구획으로 나누어진 이중저 탱크(Double bottom tank)와 측면 양쪽 벽면에도 탱크가 여러 개 설치되어 있습니다. 또한 전통적인 선박을 만드는 공간인 '드라이도크(Dry Dock)와 달리 탱크에 물을 넣거나 빼거나 뜨거나 가라앉는 구조로 되어 있어 진수 절차 없이 선박을 물위로 보낼 수 있는게 특징입니다.

실제로 바다 위에서 배를 만든다는 것은 어려운 일입니다. 배를 만드는 도중에 쉴새 없이 출렁이는 파도와 바람에 영향을 받습니다.

그렇기 때문에 플로팅 도크는 어떤 돌풍과 태풍에도 바다로 떠내려가거나 강한 파도에 출렁이지 않도록 양쪽에 특수 앵커로 고정합니다.

또한 이 방법은 육상에서 만들어진 블록을 플로팅 도크로 가져와 조립한 후, 선박이 완성되면 입거한 선박의 흘수와 트림에 따라서 독을 침하하여 플로팅 도크를 가라앉힌 후 선박을 끌어내는 방법을 취하기 때문에 진수시 입, 출거 시에 시간이 절약되고 경제적입니다.

2. 도크 없는 조선소, 땅에서 배를 건조한다. [육상건조공법]

- "육상건조공법"은 말 그대로 땅 위에서 배를 만드는 것을 말합니다.

▲ 육상건조 선박의 해상 진수 과정 : [선박의 육상건조] → [선적단계] → [운송단계] → [진수단계]

출처 : http://mlbpark.donga.com/nboard/ssboard.php?bbs=b_bullpen&no=140637&s_work=view

위의 그림처럼 일반적으로 육상에서 건조한 선박을 통상적으로 Skid-Rail(육상에서 해상으로 이동할 때 운송 수단이 움직이는 장치)을 이용하여 반잠수식 바지선까지 이동 후 반 잠수식 바지를 해상으로 이동하여 해상에서 바지선을 잠수시켜 선박의 자체부력으로 부상하여 예인선을 통하여 선박을 진수하게 하는 공법을 의미합니다. 그렇다면 이러한 공법이 탄생하게 된 이유는 무엇일까요?

2004년, 당시 선박업계는 사상 유례없는 호황을 맞고 있었습니다. 세계 최대 선박수주국인 한국의 대부분의 조선소들은 도크 일정이 꽉 차 있어서 추가 수주 및 건조가 어려웠습니다. 땅덩어리가 적은 대한민국에서 대형선박을 지을만한 도크의 규모와 수가 부족했습니다. 또한 도크를 추가로 건설하려면 돈과 시간이 많이 걸렸습니다. 이에 새로운 방법을 찾던 중 탄생한 공법이 육상건조기술이었습니다. 현재 현대중공업, STX조선, 성동조선해양 등이 대표적인 육상건조공법의 기술을 이용해 선박을 건조하고 있는 것으로 알려져 있습니다. 각 조선사 별로 육상건조공법에 대한 과정이 비슷하지만 특징들을 가지고 있습니다.

■ 현대삼호중공업의 육상건조공법

2004년 10월 7일, 현대중공업은 세계 최초로 도크없이 육상에서 선박을 건조하는데 성공했습니다. 기존에 바닥이 평평한 석유시추선과 원유생산 저장설비 등 여러가지 석유시추장비 및 여러 형태의 대형 해상구조물들을 건조도크가 아닌 육상에서 건조하여 그 실용성이 확인된 바 있으나, 바닥이 유선형이 선박에 대해서는 처음 있는 일이었습니다.

▲ 현대중공업이 육상건조방식으로 만든 105K급 원유운반선

출처 : http://mlbpark.donga.com/nboard/ssboard.php?bbs=b_bullpen&no=140637&s_work=view

일명 "해봤어?"공법이라고 일컫는 이 공법은 2002년 대한민국 10대 신기술로 선정되기도 했습니다.

그럼 현대중공업의 육상건조 기술의 핵심 기술을 살펴봅시다.

1. 선적(Load-out) 공법

그동안 육상건조 기술을 시도하지 않은 이유 중 하나가 선적(Load-out) 이 어려운 점이었습니다.

선적(Load-out)란? 말그대로 육상에서 건조된 선박을 바지선까지 이동하는 과정을 일컫습니다.

로드아웃 방식에는 종방식 로드아웃과 횡방식 로드아웃이 있는데 현대중공업은 횡방식 로드아웃을 선택하고 있습니다. 이러한 방식을 선택한 이유는 조선사의 야드상 이유도 있겠지만 종방식 로드아웃을 사용할 경우 뱃머리 부터 이동하기 때문에 무게 중심을 잃고 배가 쓰러질수도 있기 때문이라고 합니다.

▲ 출처 : KBS 프로그램 : <신화창조의 비밀>

선적(Load-out) 일련의 과정을 살펴보면

▲ 출처 : <한국의 배 : 김효철 지음 외>

① 블록을 이용하여 육상에서 조립한다.

 

 

▲ 육상건조 시 좌측 블록처럼 조립이 다된 상태에서도 탑재가 가능하지만
드라이독에서는 우측처럼 각각 순서별로 탑재합 후 조립해야한다.

출처 : Shipbuilding 2010년 6월호 - 모아진

 

보통 배 한척은 직경 15미터짜리 164개의 블록으로 이루어지게 됩니다. 일반적인 선박의 건조과정을 보면 164개의 블록을 탑재라는 공정을 이용해 일일이 조립하게 됩니다. 그런데 이때 이 공정을 하기위해서는 골리앗 크레인이 필요합니다. 기존의 드라이 도크(Dry dock)와 같은 경우는 장비 및 인력의 접근의 문제로 골리앗 크레인의 능력에 따라 블록이 숫자가 정해기 때문에 선박의 생산능력이 떨어졌지만 육상에서 건조할 경우에는 골리앗 크레인 이외에도 트랜스포터, 모듈러 등 새로운 운송 장비를 이용해 수백~수천톤까지 블록을 이동시킬수 있습니다. 따라서 흔히 말하는 메가블록, 기가블록을 이용해 한달이 채 안되는 시간에 배를 만들어 낼 수 있는 비밀이 여기에 숨어있는 겁니다.

② 에어 패드로 선박을 들어올리고 스키드를 이용해 안벽으로 이동한다.

현대중공업은 "어떻게 하면 선체의 파손없이 수만톤이나 되는 선박을 육상에서 바다로 옮기느냐"라는 고민을 했었습니다. 이에 착안한 방식이 APS 시스템(공기부양 방식) 이었습니다. 이 방식은 주로 횡방식 로드아웃에 사용되는 방식으로서 그림과 같이 선박 하부에 스키드 장비(레일+스키드)를 설치 한 후 공기부양설비(에어패드)를 이용해 배를 미세하게 들어올려서 밀어내는 시스템을 말합니다. 이 시스템은

현대중공업의 육상건조기술의 핵심은 이 APS 시스템에 있습니다. 이 시스템은 횡박식 로드아웃에 사용하는 공법으로 그림과 같이 선박의 하부에 스키드 장비를 설치합니다. 그 후 에어 패드(Air Pad)를 설치해 배를 미세하게 들어올려서 밀어내는 시스템을 말합니다. 이 시스템은 최소의 압축공기 소모량과 적은 추력, 인력으로 중량물을 신속, 안전, 편리하게 이동할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

▲ APS 시스템 (출처 : 현대중공업 홈페이지)

③ 육상과 반잠수식 바지선을 연결하는 링크 빔(Link-beam)을 통과한다.

④ 반잠수식 바지선 위에 선박을 안치한다.

현대중공업은 육상건조된 선박을 안전하게 해상의 반잠수식 바지선에 탑재하기 위해서 <안벽 수위 및 복식 바지선의 운동 계측 시스템>을 개발했습니다. 이 시스템은 바지선의 흘수, 종경사, 횡경사 등 작업 한계범위 내로 유지하도록 조절하는 시스템입니다. 해상의 플로팅 도크의 미세한 움직임 및 밸런스를 실시간으로 제어하고 유지하는 것이 핵심이라고 합니다.

2. 진수(Float-off) 공법

▲ 출처 : <한국의 배 : 김효철 지음 외>

육상건조공법은 육상에서 건조된 선박을 바지선에 옮겨 진수 시키기 때문에 플로팅 도크 공법의 연장선이라고도 합니다. 간단히 과정을 살펴보면

① 선박이 선적된 반잠수식 바지선을 예인하여 진수 위치로 이동한다.

② 진수 위치에 도착하여 앵커작업 후, 반잠수식 바지선에 물을 넣어 가라앉힌다.

③ 반잠수식 바지선이 완전히 가라앉은 뒤, 선박을 예인하여 안벽으로 이동한다.

■ STX조선 - 스키드 진수시스템 : SLS(Skid Launching System)

 

현대중공업과 달리 STX조선은 SLS공법이라 하는 다른 육상건조공법을 취하고 있습니다. 일반적으로 현대중공업의 육상건조공법과 비슷하게 보이지만 STX조선은 통상적으로 40,00 DWT ~ 80,000 DWT(재화중량) 급 선박 건조 시에 사용하며 종방식 로드아웃을 사용합니다. 또한 현대중공업이 선박 전체를 육상에서 건조하여 에어패드라는 공기를 이용한 것과 달리 STX는 약 2개의 부분으로 나누어져 있는 선박의 블록을 유압으로 들어 올려 SKid-Rail을 통하여 종방향으로 플로팅 독으로 이동 → 조립 → 진수 하는 방법을 취합니다.

▲ 출처 : <한국의 배 : 김효철 지음 외>

■ 성동조선해양의 육상건조공법 - 푸시풀 시스템(push_pull System)

성동조선해양은 조선소 설립 당시부터 독(Dock) 대신 육상건조 공법을 주력 건조설비로 채택한 세계 최초의 대형조선소이며 육상건조 공법으로만 선박을 건조하는 세계 유일의 조선소입니다. 또한 성도만의 푸시풀 시스템(push_pull System)을 이용해 진수 4시간이라는 최단시간의 기록을 가지고 있습니다.

지금부터 성동만의 독특한 육상건조공법을 소개합니다.

① PUSH-PULL 공법(Push - Pull System)

: RAIL-CLAMP와 유압실린더를 이용하여 중량물을 이동시키는 장치로서 LOAD-OUT시, 선수에서 선미까지 선체 하부에 종방향으로 좌우 일렬로 배치되는 유압실린더가 연동 작동하여 선체를 최소한의 마찰력으로 이동시키는 방법이다.

- 유압실린더를 선체 하부에 좌우로 일렬로 배치하여 프레임에 연결시켜 사용하기 때문에 선수에서 선미까지 동일한 힘으로 선체를 이동시킬 수 있는 점과

- 유압실린더가 연동 작용함으로써, 기존의 단독 작용 실린더에 비해 절반(1/2)의 힘으로 같은 중량의 선박을 이동시킬 수 있는 장점이 있습니다.

② GTS 공법(Gripper-Jacks Translift System)

대개 육상건조기술을 사용하는 조선사들을 살펴보면 일단 육상에서 건조을 한 후에 SKID RAIL에 옮기는 작업을 합니다. 이에 성동조선해양은 처음부터 육상에서 SKID RAIL 위에서 선박 전체(선체)를 조립하는 형식을 취합니다. 먼저 육상의 스키드 레일(Skid Rail) 위에서 선박의 건조를 완료한 뒤, 보기트레인(Bogie Train)으로 선체를 들어올려 푸시풀 시스템을 사용하여 부유식 진수설비인 플로팅독(Floating Dock)에 종방향으로 이동시켜 안착시킨 후 반잠수하여 선박을 진수시키는 공법을 말합니다.

 

 

이처럼 세상이 모두 안된다는 말을 할 때 그 누구도 도전하지 못한 시도를 하여 지금의 대한민국의 조선산업을 이륙한 기술들은 아직도 현재진행형에 있습니다.  

 

 

'하나의 아이디어가 위대한 역사를 만든다'  

- 존케이지 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 댐공법과 텐덤침수공법

 

모 CF의 유명한 문구처럼 무슨 일에든 소신 있는 용기가 필요하듯, 대한민국 조선업에서도 "소신 있는 용기" 가 반영되어 위대한 역사를 만든 것을 엿볼 수 있습니다. 바로 "물 속에서 배를 만들수 있을까"라는 도전입니다.

 

▲ 새로운 수중접합 공법으로 도크의 한계를 극복한 <MSC 메이바> - "한국의 배"

위 사진 속 선박은 (주)한진중공업이 스위스의 MSC사로부터 수주 건조한 선박으로, MSC Maeva라 불리는 8089 TEU Class Container Carrier입니다.

여기서 1TEU란 Twenty-foot Equivalent Units로서, 일반적으로 길이 20피트, 높이 8피트, 폭 8피트 짜리 컨테이너 1개를 말합니다. 8089 TEU 컨테이너 선이라고 하면 1TEU짜리 컨테이너 8089개를 적재할 수 있다는 말을 말합니다.

 

위의 그림과 같이 2000년대에는 세계적인 해운 물동량이 증가로 인하여 컨테이너 선박의 대형화가 급속하게 추진되고 있었습니다. 이에 따라 선주들 또한 기존에 건조했던 5000 TEU보다 더 많이 실을 수 있는 8000TEU급 컨테이너선을 원했습니다. 하지만 당시 우리나라의 한진중공업과 같은 중소조선소에는 컨테이너선을 많들 여력이 없었습니다. 그 이유는 배가 건조함에 있어서 중요한 도크의 규모 때문이었습니다.

 

   

     한진중공업이 가지고 있는 도크의 길이는 300M로 제한되어 있어 컨테이너선의 6700 TEU급이 최대 한계였기에 사실상 이보다 길이가 긴 선박은 건조 할 수 없었습니다. 이런 입지적인 조건 때문에 한진중공업은 그당시 시황에 맞추어볼때 수주전쟁에서 어려움을 겪고 있었습니다. 그러나 이 때 생각한 방법이 "물 속에서 배를 만들자." 라는 새로운 "수중접합 탑재 공법"이 탄생하게 되었습니다.

※ 수중접합 공법이란 ?
도크 길이보다 더 긴 길이의 선박을 건조하기 위하여 개발한 이 '수중접합 공법'은, 도크 내에서 탑재할 수 있는 길이의 선체를 우선 건조하여 진수 한 후 도크 길이를 초과하는 부분은 별도의 대형 블로으로 제작하여 해상에서 주 선체와 용접결하는 공법이다. 일반적으로는 대형 컨테이너선과 같은 날씬한 유선형 선체는 해상 용접결합이 거의 불가능하였으나, 선체결합부의 형상에 맞추어 댐(DAM)을 제작하여 활용함으로써 해상에서 선체의 용접결합을 가능하게 하였다.

 

■ 선수부 수중접합 탑재 공법(DAM 공법) - 한진중공업

▲ 도크와 육상에서 제작한 두 부분을 해상에서 접합시키는 댐공법

댐공법의 개념을 살펴보면, 도크 길이 내에 건조할 수 있는 범위의 주선체만을 도크 내에서 탑재 건조하고 선수부와 연결하게 될 주선체의 앞부분은 단이진 텐덤형으로 제작합니다. 마찬가지로 도크 내에서 건조하지 못한 선수 부분의 전단 부분을 주선체의 탠덤 부분과 접합될 수 있도록 단을 지어 조립합니다. 이때 해상에서 용접연결을 하고 검사를 거쳐 도장할 수 있도록 선체의 연결 부분을 감싸는 임시 구조물이 필요하는데 이 구조물은 특수하게 제작된 고무 패킹을 부착하여 수밀시켜서 내부의 물을 펌프로 배수시켰을 때 작업원이 선체 연결 용접과 검사 및 도장 작업을 할 수 있는 공간을 확보하는게 주된 목적입니다. 하지만 공기압이나 유압으로 작동되는 체인식 호이스트를 사용하여 선체에 밀착될때 지나친 압력으로 선체의 방오 처리된 도막과 협착을 일으키지 않아야 하며 해상 작업 중 파랑의 영향을 받더라도 도막이 박리되거나 밀림 현상이 일어나지 않도록 설계하는 게 중요합니다. 이같은 현상을 방지 하기 위해 고막과 고무 패킹 사이에는 특수하게 제작된 실리콘 계열을 2회 이상 도포합니다.

다음은 8100 TEU급 컨테이너선 건조시 사용된 물막이 모형 - (출처 : 한국의 배) 입니다.

 

세부적으로 선박건조 절차를 살펴보면,

- 1단계 : 선수부를 제외한 블록을 도크 내에서 스키드 공법이나 선미 수중탑재 공법을 함께 적용하여 탑재하고 선수부와 단을 지어 연결할 부분에 물막이를 밀착시켜 고정시킨다.

 

 

- 2단계 : 도크에 물을 넣어 선체를 부양시키고 도크 게이트를 열어 별도로 탑재할 선수 부분을 해상에서 연결할 수 있도록 준비한다.  

  

- 3단계 : 주선체와 접합할 선수 부분 블록을 해상크레인으로 들어 올려 도크 게이트 쪽에서 접급해 주선체 앞쪽과 선수 부분의 후단이 밀착되는 물막이에 동시 밀착되도록 조절한다. 물막이 내부의 물을 배수시켜 작업 공간을 확보하고 주선체 부분과 선수 부분을 용접 연결한다.

 

- 4단계 : 선수부 상부 블록을 탑재하여 선체 부분을 완성한다.

 

이 때 선박이 건조되는 동시에 물막이(DAM)의 설치와 분리가 이루어 지게 되는데, 그 절차는 다음과 같습니다.

 

 

▲ 물막이(DAM) 설치와 분리 절차

 

 

■ 텐덤 침수 공법

 

한편 댐공법(수중접함 탑재 공법) 과 같이 "물 속에서 배를 만들자"라는 개념과 통하는 공법이 "텐덤 침수 공법"입니다.

일반적으로 보통 조선소들은 도크 회전율을 높이기 위해 텐덤(Tandem)공법을 사용합니다. 도크에서 한척의 선박을 건조하면서 도크내 여유공간에서 후속선박의 일부분을 함께 건조해 공간활용성 및 생산량을 획기적으로 극대화하는 방법입니다.

STX의 세미텐덤 방식을 살펴본다면, 다음과 같습니다.

 

▲ STX의 세미텐덤 공법의 개념도

이처럼 텐덤공법은 도크라는 제한된 공간을 최대로 활용하여 효율을 극대화 하는 방법입니다. 하지만 "한 도크에서 여러 척을 만든다?"라는 획기적인 방법인 텐덤(Tandem) 공법에는 약점이 존재했습니다. 보통 한 도크에서 여러척을 만들 경우 먼저 만든 배는 도크를 이용해서 진수라는 과정을 거치게 됩니다. 하지만 진수하기 위해서는 도크에 물을 채워야 하는데 물을 채우게 되면 건조작업 중인 선박들은 작업이 중단될 뿐만 아니라 진수후에도 배들의 조정작업이 완료될때까지 시간을 소요하는 단점이 있었습니다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 고안된 방법이 "배를 물에 잠기게 한다." 라는 텐덤 침수공법이었습니다.

 

※ 텐덤침수 공법이란 ? 
선박을 진수할 때 함께 건조 중인 다른 선박의 블록을 물에 가라앉혀 건조공기를 줄이는 방법을 말한다. 진수 후에도 작업 중인 배에서 건조작업을 진행 할 수 있기 때문에 생산 효율성을 높인다고 평가 받고 있다.

▲ 도크 하나에서 멀티생산이 가능하게 만든 세계 최초 텐덤침수공법(2008년 현대중공업, 텐덤침수공법)

 

 

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