パッシブヒーブ補償装置の主な構成要素は何ですか？

3つです。吊り荷重量を支える窒素ガスばね、制御オリフィスを通してオイルが流れる油圧シリンダー、波浪エネルギーを散逸させるために流れ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？

ばね剛性、減衰調整、ストローク長、吊り荷の適合によって異なります。吊り荷とフックの動揺比は、波周期、ガス・オイル比、ストローク、吊り荷特性から推定できます。適切にサイジングされたPHCはフック動揺の一部だけを伝え、設計目標はシステムの固有周期を作業時の波周期より十分長く保つことです。

アクティブ方式よりパッシブ補償装置が適するのはいつですか？

飛沫帯通過、海中着底、張力保持、回収作業で波浪起因の動揺を吸収する場合です。パッシブシステムは外部電源を必要とせず、故障モードが少なく、性能を物理モデルから予測できます。残留動揺を積極的にゼロへ近づける必要がある場合にはアクティブシステムを使用します。

Norwegian Dynamicsのどの補償装置がどの揚重に適しますか？

RIGELは基本的なパッシブユニット（55–1,000 t）で、一般的な飛沫帯通過と補償作業向けです。ANTARESは自動減衰制御とクイックリフト能力（30–4,000 t）を備え、要求の厳しい複数フェーズ揚重向けです。CYGNUSは12.5から10,000 tまでの重量物・大水深揚重に対応します。

パッシブヒーブ補償

フックと荷の間にガスばねとダンパーを配置し、外部電源は不要です。

パッシブヒーブ補償の基礎

Q: パッシブヒーブ補償とは何ですか？

外部電源を使わずに、クレーンフックから吊り荷へ伝わる垂直動を低減する方法です。ガスばねが吊り荷の重量を支え、油圧減衰が波浪エネルギーを散逸させることで、補償装置はフックと荷の間のバッファーとして機能します。

Tord Martinsen, CEO · 2025年10月

実用例：このトピックの実用例については、RIGEL Basic PHCおよびANTARES Adaptive PHCをご覧ください。

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わる垂直動を低減するために洋上作業で用いられる技術です。ガスばねと油圧ダンパーのシステムで波浪起因の動揺を吸収するため、外部電源なしで機能します。

船体が波で上下すると、クレーンフックも追従します。補償がない場合、吊り荷も同じ動揺を受け、飛沫帯通過、海中着底、その他の重要作業中に危険な動的荷重が発生します。パッシブヒーブ補償装置はバッファーとして機能し、この動揺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する — RIGEL、CYGNUS、ANTARES — 容量帯、減衰制御、および各装置がDNV-RP-N202に基づいてどのようにサイジングされるか。

パッシブヒーブ補償装置の仕組み

PHCは主に三つの構成要素からなります。

ガスばね — 加圧された窒素ガスが、吊り荷重量を支えるばね力を生み出します
油圧シリンダー — 制御されたオリフィスを通って流れる油を内蔵します
減衰弁 — 油の流れを制限して減衰を与え、波エネルギーを散逸させます

主な用途

飛沫帯通過 — 吊り荷が波帯を通過する際の動的荷重を低減します
海中着底 — 精密な設置のために着底速度を制御します
共振回避 — 特定の波周期における動揺の増幅を防止します
張力付与 — ケーブルやライザーの張力を一定に保持します
衝撃吸収 — 吊り荷とクレーンを衝撃荷重から保護します

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）、減衰調整、ストローク長、および吊り荷重量との整合性に依存します。

着底速度の低減のために、パッシブヒーブ補償はどのように機能するのか？

ヒーブとは垂直動を意味し、本稿では波によって生じるクレーンフックの垂直動を指します。パッシブヒーブ補償は、補償装置より下方の波浪起因の動揺を低減することを目的とした、ばね・質量・ダンパー系と考えることができます。以下の簡略化したスケッチは、本シナリオを示しています。

図1 — 導出の背後にある簡略化モデル。クレーンフックはζ cos(ωt)を与え、PHCは剛性k（下記の仮定リストに従い減衰は無視）を寄与します。質量m、密度ρ、断面積A⊥の水没した吊り荷は、密度ρ_wの水中で重量mg、浮力F_B、付加質量m_Aを担います。zの正方向は下向きです。

クレーンフックの運動は $\zeta \cos(\omega t)$ で与えられる正弦運動に従い、PHC は剛性 $k$ を持ち、水は質量密度 $\rho_w$ を持ちます。一方、吊り荷は基本的な特性 $\rho, m, A_\perp$ を持ち、それぞれ吊り荷の質量密度、質量、およびヒーブ運動に垂直な面積を表します。

本例では吊り荷が海中にあると仮定しているため、吊り荷に作用する浮力、抗力、付加質量を考慮することが重要です。これら三つの効果はいずれもPHCの性能を向上させることができます。

付加質量

m_A = \rho_w C_A V_R

ここで $C_A$ は付加質量係数（DNV RP-N103に記載）であり、 $V_R$ 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 $C_D$ は抗力係数であり、 $\dot z$ は吊り荷の垂直速度です。

浮力

F_B = \rho_w V g

ここで $V$ は吊り荷の排除体積であり、 $g$ は重力加速度です。

PHCガスばね

PHCガスばねの平均剛性は、平衡ストロークから全ストロークまでの力の差をストロークの変化量で除したものとして定義できます。

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

ここで $p_0$ は平衡圧力であり、 $A_0$ はPHCのピストン面積です。

次のように仮定します。

全ストローク長は $S$ であり、平衡時には中間ストロークにあるものとします。
圧力変化の計算には、断熱圧縮を伴う理想気体の法則を用います。
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、次の式が得られます。

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、平衡体積は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 $R$ はガス油比であり、PHCでは通常2–12の範囲にあります。 $R$ の値が大きいほど、ばねは柔らかくなります。

これにより、PHC剛性 $k$ について次の式が得られます。

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ることができます。

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の油圧絞り

絞りを通る流体の流れは、通常次のように表されます。

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

ここで：

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

これを基礎として、油圧絞り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の伸長または退縮に依存する点に注意してください。
さらに、チェック弁がある場合には大きさが異なることがあります。

この式の要点は $\alpha$ を知ることであり、これは容易には計算できません。
CFDや測定によって求めるべきであり、多くの変数を持つこともあります。

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PHCのシール摩擦

シール摩擦は非常に複雑なテーマです。次のような多くの要因に依存します。

流体の圧力
弾性要素の予張力
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
シールの幅
シール構成

この簡単な導入では、詳細を論じるにはあまりに複雑です。

微分方程式

ここで、上記を次の仮定とともに用います。

シール摩擦は無視します（実際には無視できないことがあります）。
油圧絞りは無視します（PHC設計が良好であれば、通常これは小さくできます）。
抗力は無視します（高性能なPHCでは、この仮定は妥当です）。
リギング／ワイヤロープの剛性と減衰を無視します。
PHCの流体力学を無視します。
PHCの自重を無視します。

すべてを含めた（かつガス圧のより正確な状態方程式を用いた）より高精度な数値解は、Norwegian Dynamicsから入手できます。

吊り荷質量にニュートンの第二法則を適用することで、クレーンフックに対する相対運動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) ]

これは次の定常解を持ちます。

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

知りたいのは、吊り荷の運動とフックの運動の比です。

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

次に $\omega$ を $\frac{2 \pi}{T_P}$ に置き換えます。ここで $T_P$ は波周期であり、 $k$ を上記の式で置き換えます。

\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{付加質量}} \underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{浮力}} \underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{波周期}} \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の効率を定義できます。比が0であれば効率は100%であり、絶対値が1より大きければ共振が発生することを意味します。以下の計算機は、パッシブヒーブ補償性能の概略的な指標として使用できます。

図2 — 上記の式からプロットした運動比。計算機のデフォルト吊り荷（m = 100 t、m_A = 20 t、ρ = 7 850 kg/m³、S = 4.5 m）を用い、三つのガス油比Rについて示します。1.0未満ではPHCが吊り荷をアイソレーションし、T_nでは共振します。このモデルは非減衰です — 実際のPHC減衰は共振ピークを抑えます。設計目標は明白です：柔らかいばね（Rが大きく、ストロークが長い）ほど、T_nを運用する波周期よりも十分に高く押し上げます。

パッシブヒーブ補償効率計算機

吊り荷質量 m（トン）：

付加質量 mₐ（トン）：

吊り荷密度 ρ（kg/m³）：

波周期 Tₚ（秒）：

ストローク長 S（m）：

ガス油比 R：

また、PHCの固有周期を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)} }

実例：運動比を読み解く

計算機と同種のケースを考えます：100 tの鋼製吊り荷（ρ = 7 850 kg/m³）に20 tの付加質量があり、ストローク6 m、ガス油比R = 12のPHC上で、周期T_p = 8 sの波（γ = 1.4）を受ける場合：

ばねの柔らかさ。ガスばねの括弧項((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — Rが大きくストロークが長いほど、柔らかいばねになります。
固有周期。T_n ≈ 16 sで、8 sの波を十分に上回ります — システムはアイソレーション領域で作動します。
運動比。上記の式は≈ 0.33を与えます：吊り荷はフック運動の約三分の一を受けます — 波浪起因の動揺のおよそ三分の二が除去されます。

閉形式モデルは非減衰であり、共振付近では保守的です — 実際の減衰はピークを抑える一方、アイソレーション領域では若干の伝達を加えます。サイジングにおいては、完全な数値解（ガス状態、減衰、抗力、リギング）をCONSTELLATION解析が実行します。

減衰：どの種類を、どれだけ

ガスばねはエネルギーを蓄え — ダンパーはその行き先を決めます。減衰がなければ、補償装置はばね・質量系であり、外乱のたびに固有周期で振動し続けます。ピストンがストロークすると、油はオリフィスや制御弁を通じて押し出され、流れ抵抗が運動エネルギーを熱に変換します：速度とともに増大する力であり、共振を抑え、過渡応答を収束させ、着底のための下降速度制御を与えます。

減衰の種類	特性	遭遇する場面
線形	力 ∝ 速度	モデル化は容易 — 実際のハードウェアでは稀
二次	力 ∝ 速度²	オリフィス流れの本来の挙動 — 高速で強く、低速で穏やか
可変	調整可能なオリフィス／比例弁	運転フェーズごとに減衰を変更 — アダプティブな方式

不足危険な共振が発生し、過渡応答がいつまでも続きます。

適正範囲≈ 臨界値の5 – 15%が通常の下降時の目安です。共振安全性を確保しつつ最高の効率を得られ、飛沫帯通過と着底時には一時的に増加させます。

過大システムが硬くなり、船体動揺が伝わって効率が低下します。

可変減衰の実例：ANTARESは揚重フェーズ間で減衰レベルを自動調整します。RIGELとCYGNUSは甲板上で手動設定します。

その他の海中用途

パッシブヒーブ補償装置は、海中設置作業において次のような利点ももたらします。

着底フェーズを通じてワイヤロープ張力を保持でき、船体の急な傾斜を防止します。
吊り荷を再揚重する際のピーク荷重を低減します。
海中回収時に張力を与え、海底に固定された状態での過荷重を防止します。

適切なPHCの選定

Norwegian Dynamicsは、三つのパッシブヒーブ補償装置製品ラインを提供しています。

ANTARES Adaptive PHC — 自動減衰制御、複数の運転モード、3000mまでの水深定格を備えた高度なアダプティブパッシブヒーブ補償装置です。高性能と柔軟性が求められる作業に最適です。
RIGEL Basic PHC — シンプルで信頼性が高く、低コストのパッシブヒーブ補償装置です。一般的な飛沫帯通過と基本的な補償作業に最適です。
CYGNUS PHC — 12.5から10,000 tonnesの容量を持つ、重量物・大水深揚重向けのパッシブヒーブ補償装置です。大型海中構造物と大水深着底に最適です。

→ 選定のお手伝いが必要ですか？ヒーブ補償装置選定ガイドをご覧いただくか、当社エンジニアへお問い合わせください。

RIGEL、ANTARES、CYGNUSの概要

	RIGEL	ANTARES	CYGNUS
タイプ	パッシブ	アダプティブパッシブ	パッシブ
減衰	甲板上で手動設定	自動減衰制御	甲板上で手動設定
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
電源	外部電源不要	バッテリー駆動 — アンビリカル不要	バッテリー駆動 — アンビリカル不要
特長	最もシンプルで軽量なユニット	クイックリフト能力	重量物／大水深の容量帯
認証	DNV-ST-0378に準拠して設計・認証取得 · DNV型式承認取得手続き中	DNV-ST-0378に準拠して設計・認証取得	DNV-ST-0378に準拠して設計・認証取得
最適な用途	一般的な飛沫帯通過と基本補償	自動減衰を必要とする要求の厳しい複数フェーズ揚重	重量物・大水深の海中揚重