Subsea-module aan een zware kraankabel die bij schemering de spatzone doorkruist, water stroomt van het frame af

KENNISHUB / PASSIEVE HEAVE-COMPENSATIE

Basisprincipes van passieve heave-compensatie

Begrijp de hardware, lees vervolgens het responsmodel.

Door Tord Martinsen, CEO · oktober 2025 · Herzien augustus 2026 · 15 min leestijd

Praktische toepassing: op deze fysica is onze passieve reeks gebaseerd: maak kennis met RIGEL Basic PHC en ANTARES Adaptive PHC.

Passieve heave-compensatie (PHC) is een techniek die in offshore-operaties wordt gebruikt om de verticale beweging die van een kraanhaak naar een hangende nuttige last wordt overgebracht, te verminderen. Het werkt zonder externe energie, met een gasveer- en hydraulisch-dempersysteem dat door golven veroorzaakte beweging absorbeert.

Wanneer een vaartuig met de golven op en neer beweegt, volgt de kraanhaak deze beweging. Zonder compensatie ondergaat de nuttige last dezelfde beweging — wat gevaarlijke dynamische belastingen veroorzaakt tijdens het passeren van de spatzone, onderwaterlandingen en andere kritieke operaties. Een passieve heave-compensator werkt als buffer en absorbeert een groot deel van deze beweging.

Systemen vergelijken? Vergelijk passieve heave-compensatoren (RIGEL, CYGNUS en ANTARES) capaciteitsbereiken, dempingsregeling en hoe elk wordt gedimensioneerd conform DNV-RP-N202.

Hoe werkt een passieve heave-compensator?

Een PHC bestaat uit drie hoofdcomponenten:

Gasveer — stikstofgas onder druk levert een veerkracht die het gewicht van de nuttige last draagt
Hydraulische cilinder — bevat olie die door gecontroleerde openingen stroomt
Dempingskleppen — beperken de oliestroom om demping te bieden, waarbij golfenergie wordt afgevoerd

Binnenin de unit: cilinder en gasaccumulator

Een zoekopdracht naar een “heave-compensatiecilinder” levert maar de helft van de machine op. De werkcilinder hangt onder trekspanning in de hijskabel — maar de veer bevindt zich helemaal niet in de cilinder. Die bevindt zich in een aparte gasaccumulator die ermee is verbonden:

De unit hangt in de kabel, met de stang omlaag naar de last. Boven de werkzuiger is de cilinder geëvacueerd. Onder de zuiger is de stangzijde-kamer met olie gevuld en via een dempingsrestrictie verbonden met de accumulator, waar stikstof boven de olie zit. Wanneer haak en last uit elkaar bewegen, strekt de unit zich uit: olie aan de stangzijde wordt via de restrictie de accumulator in verdrongen, de stikstof wordt samengeperst en de kabelspanning stijgt — die druk–volumecurve is de gasveer. De restrictie is de demping: golfenergie verlaat het systeem als warmte in de olie die erdoorheen wordt geperst.

De verschillen tussen de families zitten aan de gaszijde van de accumulator: ANTARES voegt een vulklep en gasflessen toe, zodat de veer tussen hijsfases opnieuw kan worden afgesteld; CYGNUS heeft een aftapklep voor het instellen van het referentiepunt. De hierboven beschreven geometrie geldt voor de hele passieve familie.

Belangrijkste toepassingen

Spatzone-doorgangen — het verminderen van dynamische belastingen wanneer de nuttige last door de golfzone gaat
Onderwaterlandingen — het regelen van de landingssnelheid voor nauwkeurige plaatsing
Resonantievermijding — het voorkomen van bewegingsversterking bij bepaalde golfperiodes
Spanningsbeheer — het verminderen van spanningsvariatie in een strak gespannen kabel of riser, binnen de ingestelde slag en het bedrijfsbereik
Schokabsorptie — het beschermen van de nuttige last en de kraan tegen stootbelastingen

PHC-prestatiefactoren

De efficiëntie van een passieve heave-compensator hangt af van stijfheid (veerconstante), afstelling van de demping, slaglengte en het afstemmen van het gewicht van de nuttige last.

Korte versie

Leest u dit om een unit te kiezen?

Wat volgt is de afleiding — de moeite waard als u zelf een compensator dimensioneert. Als u hardware kiest, is dit wat de drie passieve lijnen daadwerkelijk onderscheidt.

Eenvoudigst

Routinematige spatzone-doorgangen

Het eenvoudige geval: één compensatietaak, demping op dek ingesteld en tijdens de hijsoperatie ongewijzigd gelaten.

SWL: 55 – 1 000 t
Slag: 1.0 – 6.0 m
Demping: Handmatig, ingesteld op dek

Breedste capaciteitsbereik

Zware en diepwaterlandingen

Grote onderwaterconstructies en diepe landingen — het breedste SWL-bereik binnen de familie, van kleine units tot de zwaarste hijslasten.

SWL: 12.5 – 10 000 t
Slag: 1.0 – 6.0 m
Demping: Handmatig, ingesteld op dek

Meest aanpasbaar

Hijsoperaties die onderweg veranderen

Subsea hijsoperaties in meerdere stappen waarbij de last tijdens de operatie verandert — automatische dempingsregeling en snel-hijsvermogen, op batterij, zonder umbilical.

SWL: 30 – 4 000 t
Slag: 2.5 – 8.0 m
Demping: Automatisch

Naast elkaar, inclusief vermogen en certificering: RIGEL, ANTARES of CYGNUS — in één oogopslag. Om een unit af te stemmen op een specifieke nuttige last, slag en zeetoestand, gebruikt u de productkiezer.

Hoe werkt passieve heave-compensatie bij het verminderen van de landingssnelheid?

Heave betekent verticale beweging, in onze context de verticale beweging van de kraanhaak, veroorzaakt door golven. Passieve heave-compensatie kan worden gezien als een veer-massa-demper-systeem met als doel de door golven veroorzaakte beweging onder de compensator te verminderen. De onderstaande vereenvoudigde schets illustreert ons scenario:

Figuur 1 — Het vereenvoudigde model achter de afleiding. De kraanhaak legt ζ cos(ωt) op; de PHC levert stijfheid k (demping buiten beschouwing gelaten, conform de aannamelijst hieronder); de onderwater nuttige last met massa m, dichtheid ρ en dwarsdoorsnede A⊥ draagt gewicht mg, opwaartse kracht F_B en toegevoegde massa m_A in water met dichtheid ρ_w. Positieve z wijst naar beneden.

De beweging van de kraanhaak volgt de sinusoïde gegeven door $\zeta \cos(\omega t)$ , de PHC heeft stijfheid $k$ , het water heeft massadichtheid $\rho_w$ , terwijl de nuttige last basiseigenschappen heeft $\rho, m, A_\perp$ , respectievelijk voor de massadichtheid van de nuttige last, de massa, en het oppervlak loodrecht op de heave-beweging.

Aangezien we in dit voorbeeld aannemen dat de nuttige last zich onder water bevindt, is het belangrijk om rekening te houden met opwaartse kracht, weerstand en toegevoegde massa die op de nuttige last inwerken. Deze drie effecten veranderen de respons op verschillende manieren (opwaartse kracht verschuift de evenwichtslast, toegevoegde massa verandert de effectieve traagheid, weerstand voert energie af) en elk kan gunstig of ongunstig uitpakken, afhankelijk van het geval en de frequentie.

Toegevoegde massa

m_A = \rho_w C_A V_R

Waarbij $C_A$ is de toegevoegde-massacoëfficiënt (te vinden in DNV RP-N103) en $V_R$ is het referentievolume.

Weerstand

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

Waarbij $C_D$ is de weerstandscoëfficiënt en $\dot z$ is de verticale snelheid van de nuttige last.

Opwaartse kracht

F_B = \rho_w V g

Waarbij $V$ is het verplaatste volume van de nuttige last en $g$ is de valversnelling.

PHC-gasveer

We kunnen een screeningsstijfheid definiëren voor de PHC-gasveer — een secans-waarde: het krachtverschil tussen de evenwichtsslag en de volledige slag, gedeeld door de slagverandering:

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

Waarbij $p_0$ is de evenwichtsdruk en $A_0$ is het zuigeroppervlak van de PHC. Een secans-waarde is een vereenvoudiging voor screeningsdoeleinden — de stijfheid bij kleine uitwijking rond het evenwicht wijkt hiervan af, dus is alles wat hieronder hierop wordt gebaseerd een equivalent-lineaire schatting in plaats van een exacte eigenschap.

Laten we het volgende aannemen:

De volledige slaglengte is $S$ , en we bevinden ons op halve slag tijdens evenwicht.
We gebruiken de ideale gaswet met adiabatische compressie om de drukverandering te berekenen.
De evenwichtskracht moet gelijk zijn aan de zwaartekracht minus de opwaartse kracht.

Op basis van deze aannames krijgen we dan:

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]

$\gamma$ is de adiabatische exponent.

We kunnen verder aannemen dat het evenwichtsvolume kan worden gedefinieerd als:

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

Waarbij $R$ is de gas-olieverhouding, die wordt bepaald door de projectspecifieke configuratie van accumulator en cilinder. Een grotere waarde van $R$ komt overeen met een zachtere veer.

We krijgen dan de volgende uitdrukking voor de PHC-stijfheid $k$ :

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

Wat we kunnen herschrijven als:

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]

Hydraulische stromingsrestrictie van de PHC

Vloeistofstroming door een restrictie wordt doorgaans gegeven als:

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

Waarbij:

$Q$ is het volumetrische vloeistofdebiet,
$A_f$ is het kleinste doorstroomoppervlak,
$\alpha$ is de drukverliescoëfficiënt, en
$\Delta p$ is het drukverlies.

Op basis hiervan kunnen we de kracht bepalen ten gevolge van de hydraulische restrictie:

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

Merk ook op dat het teken van de hydraulische kracht afhankelijk is van het uitschuiven of intrekken van de stang.
Bovendien kan de grootte ervan verschillen als er terugslagkleppen aanwezig zijn.

De truc bij deze vergelijking is het kennen van $\alpha$ , wat niet eenvoudig te berekenen is.
Deze moet worden bepaald met behulp van CFD of metingen en kan bovendien van veel variabelen afhangen.

—

Afdichtingswrijving van de PHC

Afdichtingswrijving is een zeer complex onderwerp. Het hangt af van veel factoren, zoals:

Druk van de vloeistof
Voorspanning van het elastische element
Afdichtingsmateriaal
Snelheid van zuiger of zuigerstang
Oppervlakteruwheid
Vloeistoftype
Breedte van de afdichting
Configuratie van de afdichting

Een volledig afdichtingswrijvingsmodel valt buiten het bestek van deze inleiding; het praktische punt is dat de wrijving varieert met elk van de bovenstaande factoren.

Differentiaalvergelijking

Laten we het bovenstaande nu gebruiken met de volgende aannames:

Afdichtingswrijving wordt buiten beschouwing gelaten (in werkelijkheid kan deze aanzienlijk zijn).
Hydraulische restrictie wordt hier buiten beschouwing gelaten om het model illustratief te houden — in de echte unit is die restrictie de ontworpen demping, en die begrenst precies de resonantiepiek en regelt de landingsrespons.
Weerstand wordt buiten beschouwing gelaten (voor een goed presterende PHC is deze aanname acceptabel).
Stijfheid en demping van de tuigage/staalkabel worden buiten beschouwing gelaten.
Hydrodynamica van de PHC wordt buiten beschouwing gelaten.
Eigen gewicht van de PHC wordt buiten beschouwing gelaten.

Een nauwkeurigere numerieke oplossing met alles inbegrepen (en een preciezere toestandsvergelijking voor de gasdruk) is verkrijgbaar bij Norwegian Dynamics.

We kunnen de tweede wet van Newton toepassen op de massa van de nuttige last om te bepalen hoe deze beweegt ten opzichte van de kraanhaak.
Laten we aannemen dat neerwaarts de positieve richting is:

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

Dit heeft een stationaire oplossing gegeven door:

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

Wat we willen weten is de verhouding tussen de beweging van de nuttige last en de beweging van de haak.

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

We kunnen vervolgens $\omega$ veranderen in $\frac{2 \pi}{T_P}$ , waarbij $T_P$ is de golfperiode, en vervang $k$ dit door onze bovenstaande uitdrukking:

\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}

Op basis van deze verhouding kunnen we de efficiëntie van de passieve heave-compensatie definiëren. Als de verhouding 0 is, beweegt de nuttige last helemaal niet; onder 1 isoleert de compensator de nuttige last; boven 1 wordt de beweging versterkt. Resonantie is de specifieke situatie waarin de noemer van het ongedempte model naar nul gaat; versterking in de buurt van die periode is het waarschuwingssignaal. De onderstaande calculator evalueert die ongedempte, enkelfrequente screeningsuitdrukking met de hierboven genoemde secans-stijfheid. Deze is vooraf ingevuld met de waarden van het uitgewerkte voorbeeld — vervang deze door uw eigen situatie. De calculator kan geen unit dimensioneren: demping, weerstand, onregelmatige zeegang, slag- en druklimieten, landingssnelheid en constructieve belastingen vallen buiten dit model en komen voort uit een hijsberekening in CONSTELLATION.

Figuur 2 — Grootte van de bewegingsverhouding volgens de bovenstaande uitdrukking, met de invoerwaarden van het uitgewerkte voorbeeld (m = 100 t, m_A = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, ρ_w = 1 030 kg/m³, S = 6 m en γ = 1.4) voor gas-olieverhoudingen R = 4, 8 en 12. Onder 1.0 isoleert de PHC de nuttige last; bij T_n resoneert het ongedempte model. Werkelijke demping begrenst de piek, en projectresultaten zijn projectspecifiek.

Efficiëntiecalculator voor passieve heave-compensatie

Vaste screeningsconstanten: dichtheid van zeewater ρ_w = 1 030 kg/m³, adiabatische exponent γ = 1.4 en g = 9.81 m/s².

Massa van de nuttige last m (ton):

Toegevoegde massa mₐ (ton):

Dichtheid van de nuttige last ρ (kg/m³):

Golfperiode Tₚ (s):

Slaglengte S (m):

Gas-olieverhouding R:

Voer waarden in en selecteer Berekenen.

We kunnen ook de eigenperiode van de PHC definiëren als:

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)}}

Uitgewerkt voorbeeld: de bewegingsverhouding aflezen

Neem het soort geval dat de calculator gebruikt: een 100 t stalen nuttige last (ρ = 7 850 kg/m³) met 20 t toegevoegde massa, op een PHC met 6 m slag en gas-olieverhouding R = 12, in golven met periode T_p = 8 s (γ = 1.4):

Veerzachtheid. De gasveerterm ((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — een hoge R en een lange slag maken de veer zacht.
Eigenperiode. T_n ≈ 16 s, ruim boven de golven van 8 s — het systeem werkt binnen zijn isolatiebereik.
Bewegingsverhouding. De bovenstaande uitdrukking geeft ≈ 0.33: de nuttige last ondervindt ongeveer een derde van de bewegingen van de haak — ongeveer tweederde van de door golven veroorzaakte beweging wordt weggenomen.

Het gesloten-vorm-model is ongedempt en conservatief nabij resonantie — werkelijke demping begrenst de piek en voegt enige transmissie toe in het isolatiebereik. Voor dimensionering is de volledige numerieke oplossing (gastoestand, demping, weerstand, tuigage) wat een CONSTELLATION-studie uitvoert.

Demping: welk type, en hoeveel

De gasveer slaat de energie op — de demper bepaalt waar die naartoe gaat. Zonder demping is de compensator een veer-massasysteem dat na elke verstoring zou natrillen op zijn eigenperiode. Terwijl de zuiger slaat, wordt olie door smoorgaten of regelkleppen geperst en zet de stromingsweerstand kinetische energie om in warmte: dit begrenst de resonantie, dempt transiënten en zorgt voor regeling van de daalsnelheid bij het landen.

Dempingstypen in passieve heave-compensatoren — karakteristieke krachtwet en waar elk type wordt toegepast.
Dempingstype	Karakteristiek	Waar u het tegenkomt
Lineair	Kracht ∝ snelheid	Eenvoudig te modelleren — zeldzaam in echte hardware
Kwadratisch	Kracht ∝ snelheid²	Het natuurlijke gedrag van stroming door een smoorgat — sterk bij hoge snelheid, zacht bij lage snelheid
Variabel	Instelbare smoorgaten / proportionele kleppen	Demping aangepast per bedrijfsfase — de adaptieve aanpak

TE WEINIGResoneert gevaarlijk — transiënten blijven maar doortrillen

IN DE BAND≈ 5 – 15% van kritisch in NDs screeningsmodellen voor normaal neerlaten — per geval ingesteld; tijdelijk verhoogd voor de spatzone en landing

TE VEELHet systeem wordt stijf — scheepsbeweging wordt doorgegeven, de efficiëntie daalt

Variabele demping in de praktijk: ANTARES past het niveau automatisch aan tussen hijsfasen; RIGEL en CYGNUS worden handmatig op dek ingesteld.

Overige subsea-toepassingen

Passieve heave-compensatie-units kunnen ook andere voordelen bieden voor subsea-installaties:

Het vermogen om kabelspanning te handhaven gedurende de landingsfase, wat plotseling hellen van het vaartuig voorkomt.
Beperking van piekbelastingen bij het opnieuw hijsen van de nuttige last.
Zorgen voor spanning tijdens onderwaterberging om overbelasting te voorkomen wanneer vastgezet aan de zeebodem.

De juiste PHC kiezen

Norwegian Dynamics biedt drie productlijnen passieve heave-compensatoren:

ANTARES Adaptive PHC — geavanceerde adaptief-passieve heave-compensator met automatische dempingsregeling, meerdere bedrijfsmodi en dieptecertificering tot 3000m. Het meest geschikt voor operaties die hoge prestaties en flexibiliteit vereisen.
RIGEL Basic PHC — eenvoudige, betrouwbare passieve heave-compensator tegen lage kosten. Het meest geschikt voor eenvoudige spatzone-doorgangen en basale compensatietaken.
CYGNUS PHC — passieve heave-compensator voor zware hijsoperaties in diep water, met capaciteiten van 12.5 tot 10,000 ton. Het meest geschikt voor grote onderwaterconstructies en diepwaterlandingen.

→ Hulp nodig bij het kiezen? Bekijk onze Selectiegids voor heave-compensatoren of neem contact op met onze ingenieurs.

RIGEL, ANTARES of CYGNUS — in één oogopslag

RIGEL, ANTARES en CYGNUS passieve heave-compensatoren vergeleken — type, demping, SWL-bereik, slag, vermogen, sterke punten, certificering en typisch gebruik.
Eigenschap	Eigenschap	Eigenschap	Eigenschap
Type	Passief	Adaptief passief	Passief
Demping	Handmatig, ingesteld aan dek	Automatische dempingsregeling	Handmatig, ingesteld aan dek
SWL-bereik	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
Slag	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
Voeding	Geen externe voeding	Batterij — geen umbilical	Batterij — geen umbilical
Onderscheidend kenmerk	Eenvoudigste, lichtste unit	Snelle hijscapaciteit	Zware / diepwater capaciteitsband
Certificering	Ontworpen en geklasseerd · DNV-ST-0378 (typegoedkeuring in behandeling)	Ontworpen en geklasseerd · DNV-ST-0378	Ontworpen en geklasseerd · DNV-ST-0378
Best geschikt voor	Eenvoudige doorgangen door de spatzone en basiscompensatie	Veeleisende multifase-hijsoperaties die automatische demping vereisen	Zware en diepwater subsea-hijsoperaties

Eerste inschatting — de gids over passieve versus actieve heave-compensatie loodst de keuze vraag voor vraag.

Passieve heave-compensatie — veelgestelde vragen

Wat is passieve heave-compensatie?

Een manier om de verticale beweging van de kraanhaak naar de nuttige last te verminderen, zonder externe voeding: een stikstofgasveer draagt het gewicht, terwijl hydraulische demping de golfenergie afvoert.

Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een passieve heave-compensator?

Een gasveer (stikstof onder druk), een hydraulische cilinder waar olie door gereguleerde openingen stroomt, en dempingskleppen die de stroming beperken om energie af te voeren.

Hoe efficiënt is passieve heave-compensatie?

Een goed gedimensioneerde PHC brengt slechts een fractie van de haakbeweging over — in het uitgewerkte voorbeeld hierboven ongeveer een derde bij T_p = 8 s. Het ontwerpdoel is om de natuurlijke periode van het systeem ruim boven de golfperioden van de operatie te houden; de rekentool op deze pagina geeft een eerste indicatie.

Wanneer is een passieve compensator de juiste keuze in plaats van een actieve?

Passief wint op eenvoud, betrouwbaarheid en het ontbreken van externe voeding bij werkzaamheden in de spatzone, landingen, opspannen en ophalen; actief is voorbehouden voor gevallen waarin de restbeweging naar nul moet worden teruggebracht. De vergelijking actief versus passief behandelt de afwegingen.

Welke Norwegian Dynamics-compensator past bij welke hijsoperatie?

RIGEL voor eenvoudige passieve compensatie; ANTARES wanneer automatische dempingsregeling of snel hijsen belangrijk is; CYGNUS voor zware en diepwater-hijsoperaties tot 10 000 t. De tabel hierboven vergelijkt ze regel voor regel.

Een passieve compensator kiezen voor uw volgende hijsoperatie?

We dimensioneren PHC’s op basis van het operationele bereik — Hs, Tp, nuttige last, waterdiepte. Stuur de case en we komen terug met een aanbevolen product.

Stuur uw hijscase