극지해역 항해선박의 기관사 교육 개발에 관한 연구

3.1 극지운항 안전규정(Polar Code)

Table 2는 Polar Code의 구성에 관한 표이다. Part I과 Part II로 구성되어 있다. 2017년 1월 1일 발효된 ‘극지운항 안전규정(Polar Code)’은 북극과 남극을 포함한 극지해역에서 운항하는 선박의 안전과 해양 환경보호의 측면에서 접근한 협약으로 SOLAS와 MARPOL의 관련 협약내용을 담고 있다. Part I 과 Part II는 강제사항인 A와 권고사항인 B로 구성되어 있으며 ‘Polar Code’의 내용은 Table 3, Table 4와 같다[3].

Table 2

Composition of Polar Code

Table 3

Composition and overview of Polar Code

Table 4

Composition and overview of Polar Code

Table 3은 Part I의 내용을 설명한 표이다. SOLAS의 안전(Safety Measures)에 관한 강제사항을 분류하였다. 2번 항목의 극지운항 매뉴얼인 ‘Polar Water Operational Manual (PWOM)’은 선박소유자, 운항자, 선장 및 선원이 의사 결정 시 활용할 수 있도록 선박의 운항능력 및 제한조건에 관한 충분한 정보를 제공하는 것이다. 극지운항매뉴얼(PWOM)은 운항평가와 관련하여 선박의 특정성능과 제한조건에 대한 정보, 평상시 운항 중 따라야 할 절차 및 선박이 운항능력 이상의 상황을 조우하는 것을 피하기 위한 절차, 극지해역에서의 사고 발생 시 따라야 할 절차, 선박의 특정성능과 제한조건을 초과하는 상황을 조우하게 될 경우 따라야 할 구체적인 절차, 쇄빙선의 지원을 받는 경우 따라야 할 절차가 포함되어야 하며, 이 요건을 만족하기 위해 극지운항매뉴얼(PWOM)이 선박에 비치되어야 한다.

Table 4는 Part II의 내용을 설명한 표이다. MARPOL의 오염방지(Pollution Prevention Measures)에 관한 강제사항을 분류하였다.

모든 시스템과 장비는 이 규정에서 정하고 있는 극지운항온도(Polar Service Temperature) 조건에서 운용이 가능하도록 방한(Winterization)기술을 갖추도록 하고 있다. 방한 기술은 규정의 Part I-A 4장부터 10장까지의 내용과 관련이 있다. 그 외 별도의 규정이 없는 한, Polar Code에서 규정하고 있는 선박시스템 및 설비는 최소한 SOLAS에서 요구하는 것과 같은 성능을 만족하여야 한다. 극지운항온도(Polar Service Temperature): 저온에서 운항하고자 하는 선박에 대하여 지정된 온도를 말하며, 운항하고자 하는 지역 및 절기의 가장 낮은 일 최저온도평균 보다 10℃ 이상 낮게 설정되어야 한다.

4.1 극지해역 운항 선박의 선박등급

Polar Code에서는 선박의 등급을 Category A, Category B , Category C로 나눈다. Category A 선박은 결빙이 오래된 빙하를 포함하는 중급의 일 년 빙하 해역을 운항하기 위해 설계된 선박이고, Category B 선박은 결빙이 오래된 빙하를 포함하는 얇은 일 년 빙하해역을 운항하기 위해 설계된 선박이며, Category C 선박은 개방해역 또는 Category A와 B 보다 심하지 않은 빙하해역을 운항하기 위해 설계된 선박이다.

IACS¹⁾ Polar Class(PC)는 WMO(World Meteorological Organization) 해빙 명명법의 얼음에 따라 Table 5와 같이 PC1~PC7 총 7개 등급으로 나누고 있다. PC1 ~ PC5 까지는 결빙이 오랜된 빙하를 포함하는 빙하해역에서 연중 운항하는 선박이며, PC6, PC7 등급은 연중 운항이 아닌 여름/가을 기간 동안 운항하는 선박의 등급이다.

Table 5

IACS Polar Class

4.2 방한 (Winterization)기술

선급에서는 각 등급에 해당하는 환경에서의 선체구조 보강 및 추진력의 정도 등을 요구하고 있다. 대표적으로 노르웨이-독일 선급(DNV-GL)의 경우에는 Category A, B에 해당하는 선박에 선급부호(Class notation)를 부여하고 다음과 같은 사항들에 대하여 규정하고 있다[4].

• - 저온 대기온도에 노출되는 구조의 재료
• - 구획, 비손상 및 손상 복원성
• - 선체 종강도 및 횡강도
• - 빙하 중에 노출되는 국부 선체 구조
• - 타 및 조타기
• - 프로펠러 및 추진기관
• - 냉각수 흡입구
• - 공기시동 시스템

빙해역 선급 규정(Ice Class Rules)에서도 극지운항 선박에 대하여 방한기술을 정의하고 있으며, 각 선급에 따라 기준은 다르다.Table 6은 DNV-GL에서 정하고 있는 등급에 따른 방한기술 적용에 대한 표와 방한기술이다. 적용되는 장비들에 대하여 Table 7과 같이 분류할 수 있다.

Table 6

DNV-GL Environmental Conditions

Table 7

Winterization equipments for Ice-going vessels

Polar Code 적용되는 선박의 시스템과 장치들은 극지운항온도에서 완전하게 기능이 작동이 될 수 있도록 되어야 한다. 즉 외부의 낮은 대기온도의 직접 영향을 받는 장비와 시스템은 극지운항온도에서의 완전한 작동이 되어야 한다.

Polar Code 6장에서 내연기관의 연소공기는 엔진 제조자로부터 제공되는 조건에 맞는 온도를 유지하여야 하고 또한 모든 흡기는 얼음이나 눈으로부터 막히지 않게 해야 한다 고 규정하고 있다. 이 규정을 만족시키기 위해서는 공기 흡입구에 얼음이나 눈으로 인해 원활한 흡기가 방해받지 않도록 해야 할 필요가 있으며, 다른 방법으로는 극지해역 항해 시 낮은 대기온도에서도 정상적인 엔진 운전이 가능토록 추가적인 장치 설치 방법을 들 수 있다.

정상적인 내연기관 운전 상태에서 과급기로 흡입되는 연소공기의 온도는 대기온도보다 약 1~3℃정도 높다. 이와 같이 낮은 대기온도의 공기가 과급기로 흡입되어 높아진 밀도로 인해 정상적인 온도에서의 공기양보다 과해진다. 내연기관 실린더내의 산소밀도의 증가는 압축압력과 최고 폭발 압력을 증가로 이어지고 과도한 폭발압력은 내연기관의 손상을 초래 할 수 있다.

다음은 이러한 문제 해결을 위한 방한기술로 엔진 제조사들이 사용하고 있는 방법들이다[5].

첫 번째로 흡기공기의 예열 방식이다. 이 방법은 외부에서 유입된 공기를 댐퍼(Damper)측에서 전기나 스팀을 이용하여 공기를 예열하여 엔진 흡입 측으로 보내는 방식이다.

두 번째는 소기 바이패스 시스템이다. 이 방식은 Figure 3과 같이 소기리시버에 블로우오프 밸브(blow-off valve)를 설치하여 낮은 대기 온도로 인해 설계온도보다 많은 공기량이 공급될 시에 밸브를 열어 연소실내에 공급되는 소기의 양을 줄여 압축압력과 최대폭발압력을 줄이는 방식이다.

Figure 3

Diagram for blow-off valve system (source: www.wartsila.com )

또 다른 방식으로는 배기바이패스 시스템이다. 방법은 Figure 4와 같이 과급기에 들어가는 배기가스를 바이패스 시켜 과급기의 압축기 효율을 감소시킴으로써 실린더 내로 공급되는 소기의 양을 줄여 압축압력과 최대폭발압력을 줄일 수 있다. 이 방식을 이용하여 Figure 5에서 보는 바와 같이 이상적인 소기압력그래프와 비교하여 바이패스밸브(bypass valve)개도를 프로그램에 의해 조정함으로써 소기압력을 감소시켜 엔진의 안전한 운전을 도모할 수 있다[6].

Figure 4

Diagram for by-pass system (source: www.mandieselturbo.com)

Figure 5

Graph for control variable bypass system (source: www.mandieselturbo.com )

해수의 결빙 온도는 –1.9℃정도로 극지해역을 운항하는 선박의 경우에 밸러스트 탱크 및 각종 청수탱크내부 결빙이 발생하는 경우가 빈번하며, 그로 인해 선박의 복원성 및 운항 효율성에 심각한 영향을 미칠 수 있어서 이에 대하여 다양한 형태의 방한기술이 요구되고 있다. 그 중 밸러스트 결빙 방지를 위한 방법으로는 증기를 이용하여 탱크 내부의 온도를 상승시키는 방법과 작은 공기방울(Micro air bubble)을 발생시켜 결빙 생성을 지연시키는 방법이 적용되고 있다. 이러한 기술도 결빙 발생을 완전히 방지하지 못하는 한계가 있다[7].

해수 흡입구(sea chest)는 가능한 얼음이 없도록 낮게 설비 되어야 하며, 얼음 유입을 방지하기 위하여 weirs 형식 또는 Baffle plates를 사용하는 방법을 채택하고 있다. weir 형식의 경우는 Figure 6과 같이 유입된 얼음이 Sea Box 상부에 떠서 해수 파이프 흡입 측으로 얼음의 유입을 막아주는 역할을 하며, Baffle plates형식의 경우는, Figure 7과 같이 작은 구멍이 있는 plate를 이용하여 비교적 큰 얼음의 유입을 막아주는 방식이다. 구멍의 크기는 일반적으로 20mm 직경을 권고한다[1].

Figure 6

Diagram for Seachest(weir type, source: www.ccg-gcc.gc.ca/Icebreaking/Ice-Navigation-Canadian-Waters/Ship-Design)

Figure 7

Diagram for Seachest(Baffle plate type, source: MSC/Circ. 504 )

상기와 같은 방식의 경우 한국선급의 규정에는 ‘열선(heating coil)은 seachest 상부에 설치할 수 있다’ 고 규정하고 있다. 이 규정에 따르면 전기 및 증기 등을 열원으로 사용할 수 있는데, 증기를 열원으로 사용하는 경우 해당 파이프의 손상에 의한 기관실 증기라인으로 해수 유입에 대한 고려가 필요하며, 전기를 열원으로 사용하는 경우에는 장비 노후 및 부식으로 인한 절연불량 문제발생에 대한 고려가 필요하다. 그 외에도 Polar Code에서 규정하는 방한기술에 대하여 각 기기에 대하여 적절한 방법으로 적용이 되어 있다.

5.1 IMO Model Course 분석

극지해역을 운항하는 선박의 선장 및 항해사를 위한 기초교육과정의 커리큘럼은 Table 8과 같다. 총 34시간으로 구성되어 있으며 ‘Vessel performance in polar waters/low air temperatures’ 과목에서 일부 기관운용에 관한 내용을 다루고 있다.

Table 8

IMO Model Course (Basic Training)

관리급 항해사의 직무교육내용도 기초교육의 심화내용을 다루며, 총 30시간으로 구성되어 항해에 관한 교육내용이 주를 이루고 있다. 내용은 Table 9와 같다.

Table 9

IMO Model Course (Advanced Training)

5.2 해외사례

현재 세계적으로 Ice Navigation에 관심을 가지는 국가는 북극해 주변의 7개국(미국, 러시아, 노르웨이, 덴마크, 핀란드, 스웨덴, 아이슬란드)과 대한민국이며 이들 국가 대부분에서 교육이 이루어지고 있다. 미국 및 캐나다 등은 FMSS(Full Mission Simulation System) 운영기관에서 시뮬레이터를 이용한 교육을 실시하고 있다[8][9].

덴마크에서는 발틱해 빙하해역 항해를 위한 항해사를 위한 4일 과정의 교육을 시행하고 있으며, 핀란드는 선박의 선장, 1항사 및 당직항해사와 기타 항해당직 책임자들을 위한 3일 과정의 기초 극지해역 항해과정 교육을 하고 있다. 러시아에서도 항해사에게 빙하해역 항해에 관한 교육을 시행중에 있으며, 모델코스에 기반을 두어 기관의 특성에 대한 일부 교육이 시행되고 있다.

대한민국의 경우는, 한국해양수산연수원에서 항해사를 대상으로 한 극지해역 운항선박 기초교육 과정(28시간) 및 직무교육 과정(28시간)을 시행하고 있다. 교육내용은 항해와 관련한 IMO Model Course 내용을 담고 있다. 국내에서 시행중인 교육 내용은 Table 10, Table 11과 같다.

Table 10

Basic Training for Ice Navigator

Table 11

Advanced Training for Ice Navigator

6.1 유빙 기관사(Ice Engineer)교육 과정

대부분의 국가에서 시행되고 있는 Ice Navigation(유빙항해사) 교육 과정은 항해사에 필요한 교육이 주요사항이다 보니 기관사관들에게 특성화된 교육은 찾아보기 힘들거나 없는 게 현실이다. 극지해역에서의 특별한 상황은 기관사에게도 많은 준비와 어려움이 수반된다. 따라서 기관사에게 극지해역에서의 기관의 특성, 운전법 및 사고 시 대처법 등에 관한 구체적이고 세부적인 교육이 필요하다[10][11].

Table 12, Table 13은 극지해역 항해선박의 기관사(Ice Engineer)에 관한 교육과정(안)이다.

Table 12

Basic Training for Ice Engineer

Table 13

Advanced Training for Ice Engineer

기초 과정의 교육 대상자는 극지해역 항해선박에 승선하고자 하는 기관사관 또는 승선 중인 기관사관이며, 교육 과정은 3일(21시간)이다.

유빙 기관사(Ice Engineer)의 기초교육 과정을 살펴보면 먼저, 극지해역 항해 경험이 부족하므로 STCW 협약 및 Polar Code 관련 교육이 필요하다. 그리고 선체 구조 및 강도 등 극지해역 선박의 특성에 대한 교육이 필요하며, 가장 중요한 과목 중 하나인 얼음구역에서의 기관운전에 관한 부분은 해수 유입시 대처방법, 추진기 및 타 사용 시 주의 사항 등을 교육해야 할 것이다. 교육자재로는 엔진 운용시뮬레이션을 활용하여 비상상황을 주고 대처할 수 있는 방식의 교육시행이 효과적일 것이다. 극지항해 준비 시 준비사항에 대한 과목은 연료유, 윤활유 및 청수 사용, 청구 및 비축에 관한 내용을 다루어야 한다. 기관실 당직에 관한 과목은 쇄빙 항해 또는 유빙 지역 항해 시 진동에 의한 파이프 손상, 해수 흡입구로 유빙유입 등 당직 시 대처방법을 다룬다. 다음으로 극지해역 항해시 선박에 적용된 방한기술 사용에 관한 내용을 다룰 필요가 있다. 마지막으로 극지해역에서 환경오염이 발생하지 않도록 관련 장비의 정상 작동 상태 유지, 관리 및 관련 법규 등을 다루도록 구성하였다.

직무교육과정의 교육 대상자는 기초과정을 수료한 기관사 중 빙해 해역 선박에서 1등기관사 이상의 업무 수행 예정자이며, 교육 과정은 1일(7시간)로 구성하였다.

교육내용을 살펴보면, 기초교육을 이수한 기관사 이므로 극지해역에 대한 일반적인 내용은 생략하고 기관 운전에 대한 심화 교육내용으로 구성하였다. 극지해역 항해 시 최적의 엔진 사용방법 및 Case Study (사고사례)를 통한 극지해역에서의 기관사고 예방 및 대처법에 대한 내용이 포함되었다.