夕暮れ時、重量物用クレーンワイヤーでスプラッシュゾーンを通過するサブシーモジュール。フレームから水が滴り落ちている

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パッシブヒーブ補償の基礎

Q: パッシブヒーブ補償の効率はどの程度ですか?

適切にサイジングされたPHCは、フック運動のごく一部しか伝達しません — 上記の計算例では、Tp = 8 s において約3分の1です。設計目標は、システムの固有周期を運用時の波周期より十分に高く保つことであり、このページの計算ツールが最初の目安を示します。

ハードウェアを理解したうえで、応答モデルを読み解く。

著者: Tord Martinsen、CEO · 2025年10月 · レビュー日: 2026年8月 · 読了目安15分

実践的な応用: この物理原理が、当社のパッシブ製品ラインの基盤となっています: RIGEL ベーシックPHC および ANTARES アダプティブPHC.

パッシブヒーブ補償(PHC)は、クレーンフックから吊り荷へ伝達される鉛直運動を低減するために、洋上作業で用いられる技術です。外部電源を用いず、波浪による運動を吸収するガススプリングおよび油圧ダンパーシステムによって機能します。

船体が波とともに上下すると、クレーンフックもそれに追従します。補償がなければ、吊り荷も同じ運動を受け、スプラッシュゾーン通過、水中着底、その他の重要な作業において危険な動的荷重を生じさせます。パッシブヒーブ補償装置はバッファーとして機能し、この運動の大部分を吸収します。

システムを比較しますか? パッシブヒーブ補償装置を比較(RIGEL、CYGNUS、ANTARES)の容量帯、減衰制御、およびそれぞれのDNV-RP-N202に基づくサイジング方法。

パッシブヒーブ補償装置はどのように機能するか?

PHCは、3つの主要な構成要素から成ります:

ガススプリング :加圧された窒素ガスが、ペイロード重量を支えるばね力を発生させる
油圧シリンダー :制御されたオリフィスを通じて流れるオイルを内包する
減衰バルブ :オイルの流れを制限して減衰を与え、波エネルギーを消散させる

ユニット内部:シリンダーとガスアキュムレーター

「ヒーブ補償シリンダー」を調べても、機械の半分しか分かりません。作動シリンダーは吊りワイヤー中で張力を受けて吊り下げられていますが、スプリングはシリンダーの内部には一切存在しません。それは、シリンダーに接続された別個のガスアキュムレーターの中にあります:

本ユニットはワイヤー中に吊り下げられ、ロッドは荷重側を向いています。作動ピストンの上部は真空(排気済み)です。ピストンの下部では、ロッド側の室にオイルが満たされており、減衰オリフィスを介してアキュムレーターに接続され、そこでは窒素がオイルの上に位置しています。フックと荷重が離れる方向に動くと、ユニットは伸長します:ロッド側のオイルはオリフィスを通じてアキュムレーターへ押し出され、窒素が圧縮され、ワイヤー張力が上昇します。この圧力–体積曲線 こそが ガススプリングです。オリフィスが減衰にあたります:波エネルギーは、そこを通過するオイルの熱としてシステムから失われます。

製品ファミリー間の違いは、アキュムレーターのガス側にあります: ANTARES は、吊り荷作業の各フェーズ間でスプリングを再調整できるよう、チャージバルブとガスボンベを追加しています。 CYGNUS は、基準位置設定のためのブリードオフバルブを備えています。上記の構成は、パッシブファミリー全体に共通です。

主要な適用分野

スプラッシュゾーン通過 :ペイロードが波浪帯を通過する際の動的荷重を低減
水中着底 :精密な設置のために着底速度を制御
共振回避 :特定の波周期における運動増幅を防止
張力管理 :設定されたストロークおよび運用範囲内で、緊張状態のケーブルまたはライザーの張力変動を低減
衝撃吸収 :衝撃荷重からペイロードおよびクレーンを保護

PHCの性能要因

パッシブヒーブ補償装置の効率は、剛性(ばね定数)、減衰の調整、ストローク長、およびペイロード重量とのマッチングに依存します。

要約

ユニット選定のためにお読みですか?

この先は導出過程です。ご自身で補償装置をサイジングされる場合は、目を通す価値があります。ハードウェアを選定される場合は、これが3つのパッシブ製品ラインを実質的に分ける要因です。

最もシンプル

定型的なスプラッシュゾーン通過

単純なケース:単一の補償デューティで、減衰は甲板上で設定した後、吊り荷作業中はそのまま維持されます。

SWL: 55 – 1 000 t
ストローク: 1.0 – 6.0 m
減衰: 手動、甲板上で設定

最も広い容量帯

重量物および深海着底

大型の水中構造物および深海着底作業。同ファミリー内で最も広いSWL範囲を持ち、小型ユニットから最大級の吊り荷まで対応します。

SWL: 12.5 – 10 000 t
ストローク: 1.0 – 6.0 m
減衰: 手動、甲板上で設定

最も高い適応性

作業中に条件が変化する吊り荷作業

作業を通じて荷重が変化する多段階の水中吊り荷作業。自動減衰制御とクイックリフト機能を備え、バッテリー駆動でアンビリカル不要です。

SWL: 30 – 4 000 t
ストローク: 2.5 – 8.0 m
減衰: 自動

電源および認証を含め、並べて比較: RIGEL、ANTARES、CYGNUSを一目で比較。特定のペイロード、ストローク、海象に適合するユニットを選定するには、製品セレクター.

着底速度の低減において、パッシブヒーブ補償はどのように機能するか?

ヒーブとは鉛直方向の運動を意味し、本稿の文脈では波によって生じるクレーンフックの鉛直運動を指します。パッシブヒーブ補償は、補償装置より下流側で波浪誘起運動を低減することを目的とした、ばね-質量-ダンパー系として捉えることができます。以下の簡略化した図は、この状況を示しています:

図1:導出の基礎となる簡略化モデル。クレーンフックはζ cos(ωt)を加え、PHCは剛性kを与える(下記の仮定リストに従い減衰は無視)。水没したペイロード(質量m、密度ρ、断面積A⊥)は、重量mg、浮力F_B 、および付加質量m_A を、密度ρ_wの水中で受ける。zの正方向は下向きとする。

クレーンフックの運動は、次式で表される正弦関数に従います: $\zeta \cos(\omega t)$ 、 PHC は剛性 $k$ を持ち、水は質量密度 $\rho_w$ を持ち、一方でペイロードは基本特性として $\rho, m, A_\perp$ を持ちます。それぞれ、ペイロードの質量密度、質量、およびヒーブ運動に垂直な断面積を表します。

本例ではペイロードが水中にあると仮定しているため、ペイロードに影響する浮力、抗力、付加質量を考慮することが重要です。これら3つの影響は、それぞれ異なる形で応答を変化させます(浮力は平衡荷重を変化させ、付加質量は実効慣性を変化させ、抗力はエネルギーを消散させます)。そして、ケースと周波数に応じて、それぞれが有利にも不利にも働き得ます。

付加質量

m_A = \rho_w C_A V_R

ここで、 $C_A$ は付加質量係数であり( DNV RP-N103に記載)、また $V_R$ は基準体積です。

抗力

F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|

ここで、 $C_D$ は抗力係数、 $\dot z$ はペイロードの鉛直方向速度です。

浮力

F_B = \rho_w V g

ここで、 $V$ はペイロードの排除体積、 $g$ は重力加速度です。

PHCのガススプリング

PHCガススプリングのスクリーニング用剛性を、割線値として定義できます:平衡ストロークからフルストロークまでの荷重差を、ストローク変化量で除した値です:

k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}

ここで、 $p_0$ は平衡圧力、 $A_0$ は PHCのピストン面積です。割線値はスクリーニング用の簡略化であり、平衡点における微小運動の剛性とは異なるため、以下でこれに基づいて構築される内容はすべて、厳密な特性値ではなく等価線形の推定値です。

以下を仮定します:

フルストローク長を $S$ とし、平衡状態では中間ストローク位置にあるとします。
圧力変化の計算には、断熱圧縮を伴う理想気体の状態方程式を用います。
平衡力は、重力から浮力を差し引いた力に等しいものとします。

これらの仮定から、次が得られます:

k = \frac{(\rho – \rho_w) \, V \, g}{0.5 \, S}\left[\left( \frac{V_{\mathrm{eq}}}{V_{\mathrm{eq}} – 0.5 \, A_0 \, S} \right)^\gamma – 1\right]

$\gamma$ は断熱指数です。

さらに、平衡体積を次のように定義できると仮定します:

V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, S

ここで、 $R$ はガス/オイル比であり、個別のアキュムレーターおよびシリンダー構成によって設定されます。この値が大きいほど、 $R$ スプリングは柔らかくなります。

これにより、PHC剛性について次の式が得られます: $k$ :

k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S}\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]

これは次のように書き換えられます:

k = \frac{2 \, m \, g}{S}\left( 1 – \frac{\rho_w}{\rho} \right)\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]

PHCの油圧流れ制限

制限部を通る流体流量は、通常次式で与えられます:

Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho}}

ここで:

$Q$ は流体の体積流量、
$A_f$ は最小流路面積、
$\alpha$ は圧力損失係数、および
$\Delta p$ は圧力損失です。

これを基に、油圧制限による力を求めることができます:

F_h = A_0 \, \Delta p= A_0 \, \frac{\rho}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2

また、油圧力の符号は、ロッドが伸長するか収縮するかによって決まる点に注意してください。
さらに、チェックバルブが存在する場合、その大きさは異なることがあります。

この式を扱う上での難しさは、 $\alpha$ を知ることにありますが、これを計算するのは容易ではありません。
CFDまたは実測によって求める必要があり、また多くの変数に依存する場合があります。

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PHCのシール摩擦

シール摩擦は非常に複雑なトピックです。以下のような多くの要因に依存します:

流体の圧力
弾性要素のプリテンション
シール材質
ピストンまたはピストンロッドの速度
表面粗さ
流体の種類
シール幅
シール構成

完全なシール摩擦モデルは本稿の範囲を超えますが、実務上重要な点は、摩擦が上記のすべての要因によって変化するということです。

微分方程式

それでは、以下の仮定のもとで、これまでの内容を用います:

シール摩擦は無視します(実際には無視できない場合があります)。
本モデルを説明用に単純化するため、ここでは油圧制限を無視します。実際のユニットでは、この制限が設計上の減衰にあたり、共振ピークを抑え、着底時の応答を制御する要素そのものです。
抗力は無視します(高性能なPHCであれば、この仮定は妥当です)。
リギング／ワイヤーロープの剛性と減衰は無視する。
PHCの流体力学は無視する。
PHCの自重は無視する。

すべてを含めた、より正確な数値解(ガス圧に関するより精密な状態方程式を含む)の提供元は Norwegian Dynamics.

ペイロード質量にニュートンの第二法則を適用することで、それがクレーンフックに対してどのように運動するかを求めることができます。
下向きを正方向と仮定します:

(m + m_A) \, \ddot z = m g – F_B – k \, [ z + z_0 + \zeta \cos(\omega t) ]

これは次のような定常状態解を持ちます:

z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)

知りたいのは、ペイロードの運動とフックの運動との比です。

\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}

続いて、 $\omega$ を $\frac{2 \pi}{T_P}$ に変更します。ここで、 $T_P$ は波周期です。これを上の式に代入すると、 $k$ 次のようになります:

\frac{z(t)}{\zeta \cos\!\left(\frac{2\pi t}{T_p}\right)}=\frac{1}{\displaystyle\underbrace{\left(\frac{m+m_A}{m}\right)}_{\text{Added mass}}\underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Buoyancy}}\underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Wave period}}\underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}}-1}

この比に基づいて、パッシブヒーブ補償効率を定義できます。比が0であればペイロードはまったく動かず、1未満であれば補償装置がペイロードを絶縁しており、1を超えると運動が増幅されます。共振とは、非減衰モデルの分母がゼロになる特定の条件を指し、その周期付近での増幅が警告サインとなります。以下の計算ツールは、上記のシーカント剛性を用いて、この非減衰・単一周波数のスクリーニング式を評価します。計算例の値があらかじめ入力されていますので、実際のケースの値に置き換えてください。なお、本ツールは装置のサイジングを行うものではありません。減衰、抵抗、不規則波、ストロークおよび圧力の制限、着水速度、構造荷重はこのモデルの対象外であり、CONSTELLATIONのリフトスクリーンから得られます。

図2 — 上式による運動比の大きさ(計算例の入力値 m = 100 t、m_A = 20 t、ρ = 7 850 kg/m³、ρ_w = 1 030 kg/m³、S = 6 m、γ = 1.4 を使用)。ガス・オイル比 R = 4、8、12 の場合。1.0未満ではPHCがペイロードを絶縁し、T_n では非減衰モデルが共振します。実際の減衰によりピークは抑制され、プロジェクトの結果は個別のケースに依存します。

パッシブヒーブ補償効率計算ツール

固定スクリーニング定数: 海水密度 ρ_w = 1 030 kg/m³、断熱指数 γ = 1.4、g = 9.81 m/s²。

ペイロード質量 m(トン):

付加質量 mₐ(トン):

ペイロード密度 ρ(kg/m³):

波周期 Tₚ(s):

ストローク長 S(m):

ガス・オイル比 R:

値を入力し、「計算」を選択してください。

PHCの固有周期は次のように定義できます:

T_n = \pi \sqrt{\frac{m + m_A}{m} \,\frac{\rho}{\rho – \rho_w} \,\frac{2S}{\,g\!\left(\left(\dfrac{R – 0.5}{R – 1}\right)^{\!\gamma} – 1\right)}}

計算例: 運動比の読み取り

計算ツールと同様のケースを考えます: 100 t の鋼製ペイロード(ρ = 7 850 kg/m³)、付加質量 20 t 、PHCのストローク 6 m 、ガス・オイル比 R = 12、波周期 T_p = 8 s (γ = 1.4):

スプリングの柔らかさ。 ガススプリングの括弧項((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — Rが大きく、ストロークが長いほど、スプリングは柔らかくなります。
固有周期。 T_n ≈ 16 s、8 s の波よりも十分に長く、システムは絶縁域で作動します。
運動比。 上式より ≈ 0.33: ペイロードはフック運動の約3分の1を受けます。波による運動のおよそ3分の2が低減されることになります。

この閉形式モデルは非減衰であり、共振付近では保守的な値を与えます。実際の減衰はピークを抑制し、絶縁域にもいくらかの伝達をもたらします。サイジングには、ガス状態、減衰、抗力、リギングを含む完全な数値解が必要であり、それを実行するのが CONSTELLATIONスタディです。

減衰: 種類と量

ガススプリングがエネルギーを蓄え、ダンパーがそのエネルギーの行き先を決めます。減衰がなければ、補償装置はばね-質量系として、外乱のたびに固有周期で振動し続けることになります。ピストンがストロークする際、オイルはオリフィスや制御バルブを通過させられ、その流動抵抗が運動エネルギーを熱に変換します。すなわち、速度とともに増大する力であり、これが共振を抑え、過渡応答を収束させ、着地時の降下速度制御を可能にします。

パッシブヒーブ補償装置における減衰の種類 — 特性となる力の法則と、それぞれが見られる場面。
減衰の種類	特性	見られる場面
線形	力 ∝ 速度	モデル化は単純 — 実際のハードウェアでは稀
二次	力 ∝ 速度²	オリフィス流れの自然な特性 — 高速では強く、低速では緩やか
可変	調整可能なオリフィス／比例バルブ	運用フェーズごとに減衰を変化 — アダプティブ方式

少なすぎる危険なほど共振する — 過渡応答が延々と続く

適正範囲≈ 臨界減衰の5 – 15% NDのスクリーニングモデルにおける通常の降下時の値 — ケースごとに設定し、スプラッシュゾーンおよび着地時には一時的に引き上げます

多すぎるシステムが硬直化する — 船体運動が伝達し、効率が低下する

可変減衰の実例: ANTARES はリフトフェーズ間でレベルを自動調整し、RIGELとCYGNUSは甲板上で手動設定します。

その他のサブシー用途

パッシブヒーブ補償装置は、サブシー設置作業において他にも以下の利点をもたらします:

着地フェーズを通じてワイヤーテンションを維持できるため、船体の急激な傾斜(ヒーリング)を防止します。
ペイロードを再吊り上げする際のピーク荷重を軽減します。
海底に固定されている際の過負荷を防ぐため、サブシー回収中にテンションを付与します。

適切なPHCの選定

Norwegian Dynamicsは、3つのパッシブヒーブ補償装置の製品ラインを提供しています:

ANTARES アダプティブ PHC — 自動減衰制御、複数の運転モード、水深3000mまでの定格を備えた、高性能なアダプティブパッシブヒーブ補償装置です。高い性能と柔軟性が求められる運用に最適です。
RIGEL ベーシック PHC — シンプルで信頼性が高く、低コストなパッシブヒーブ補償装置です。単純なスプラッシュゾーン通過や基本的な補償作業に最適です。
CYGNUS PHC — 重量物および深海リフト向けのパッシブヒーブ補償装置で、容量は12.5から10,000トンまで対応します。大型サブシー構造物や深海着地に最適です。

→ 選定でお困りですか?こちらをご覧ください: ヒーブ補償装置選定ガイドまたはエンジニアにお問い合わせください.

RIGEL、ANTARES、CYGNUS — 早見表

RIGEL、ANTARES、CYGNUSのパッシブヒーブ補償装置を比較 — 種類、減衰、SWL範囲、ストローク、動力、強み、認証、代表的な用途。
特性	特性	特性	特性
種類	パッシブ	アダプティブパッシブ	パッシブ
減衰	手動、甲板上で設定	自動減衰制御	手動、甲板上で設定
SWL範囲	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
ストローク	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
動力	外部動力なし	バッテリー — アンビリカル不要	バッテリー — アンビリカル不要
特長	最もシンプルで軽量なユニット	クイックリフト機能	重量物／深海対応の容量帯
認証	設計・クラス取得済み · DNV-ST-0378(タイプ承認手続き中)	設計・クラス取得済み · DNV-ST-0378	設計・クラス取得済み · DNV-ST-0378
最適な用途	単純なスプラッシュゾーン通過と基本的な補償	自動減衰制御が必要な、要求水準の高いマルチフェーズリフト	重量物および深海サブシーリフト

最初の目安としては — パッシブ対アクティブヒーブ補償ガイドが、選定を一問一問解説します。

パッシブヒーブ補償 — よくある質問

パッシブヒーブ補償とは何ですか?

外部動力を用いずに、クレーンフックからペイロードへ伝わる上下運動を低減する方式です。窒素ガススプリングが荷重を支え、油圧減衰が波エネルギーを消散させます。

パッシブヒーブ補償装置の主要構成要素は何ですか?

ガススプリング(加圧された窒素)、制御されたオリフィスを通して油が流れる油圧シリンダー、そしてエネルギーを消散させるために流量を制限する減衰バルブです。

パッシブヒーブ補償の効率はどの程度ですか?

適切にサイジングされたPHCは、フック運動のごく一部しか伝達しません — 上記の計算例では、T_p = 8 s において約3分の1です。設計目標は、システムの固有周期を運用時の波周期より十分に高く保つことであり、このページの計算ツールが最初の目安を示します。

パッシブ補償装置がアクティブより適した選択となるのはどのような場合ですか?

パッシブは、スプラッシュゾーン通過、着地、テンショニング、回収作業において、シンプルさ、信頼性、外部動力ゼロという点で優れています。アクティブは、残留運動をゼロに近づける必要があるケースに限られます。アクティブ対パッシブ比較が、トレードオフについて解説しています。

どのNorwegian Dynamics補償装置がどのリフトに適していますか?

単純なパッシブ補償にはRIGEL、自動減衰制御やクイックリフトが重要な場合はANTARES、10 000 tまでの重量物・深海リフトにはCYGNUSが適しています。上記の表で項目ごとに比較しています。

次のリフトに向けてパッシブ補償装置をお探しですか?

PHCは、Hs、Tp、ペイロード、水深といった運用範囲に基づいてサイジングします。案件をお送りいただければ、推奨製品とともにご連絡いたします。

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