Fundamentos de la compensación pasiva de heave
Entienda el hardware y después estudie el modelo de respuesta.
Por Tord Martinsen, CEO · · Revisado · 15 min de lectura
Aplicación práctica: esta física es la base de nuestra gama pasiva: conozca RIGEL PHC básico y ANTARES PHC adaptativo.
La compensación pasiva de heave (PHC) es una técnica empleada en operaciones offshore para reducir el movimiento vertical transferido desde el gancho de la grúa hasta la carga útil suspendida. Funciona sin alimentación externa mediante un sistema de resorte de gas y amortiguador hidráulico que absorbe el movimiento inducido por el oleaje.
Cuando un buque sube y baja con el oleaje, el gancho de la grúa lo sigue. Sin compensación, la carga útil experimenta el mismo movimiento — generando cargas dinámicas peligrosas durante los cruces de la zona de salpicadura, los aterrizajes subsea y otras operaciones críticas. Un compensador pasivo de heave actúa absorbiendo gran parte de ese movimiento.
¿Está comparando sistemas? Compare los compensadores pasivos de heave (RIGEL, CYGNUS y ANTARES) en bandas de capacidad, control de amortiguamiento y cómo se dimensiona cada uno conforme a DNV-RP-N202.
¿Cómo funciona un compensador pasivo de heave?
Un PHC consta de tres componentes principales:
- Resorte de gas — el nitrógeno a presión proporciona una fuerza de resorte que soporta el peso de la carga útil
- Cilindro hidráulico — contiene aceite que fluye a través de orificios controlados
- Válvulas de amortiguamiento — restringen el flujo de aceite para proporcionar amortiguamiento, disipando la energía del oleaje
Dentro de la unidad: cilindro y acumulador de gas
Una búsqueda de “cilindro de compensación de heave” solo encuentra la mitad de la máquina. El cilindro de trabajo cuelga en tensión del cable de izado — pero el resorte no está dentro del cilindro en absoluto. Se encuentra en un acumulador de gas independiente, conectado a él:
La unidad cuelga del cable, con el vástago hacia abajo hasta la carga. Por encima del pistón de trabajo, el cilindro está evacuado (vacío). Por debajo del pistón, la cámara del lado del vástago está llena de aceite y conectada, a través de una restricción de amortiguamiento, con el acumulador, donde el nitrógeno se sitúa sobre el aceite. Cuando el gancho y la carga se separan, la unidad se extiende: el aceite del lado del vástago se desplaza a través de la restricción hacia el acumulador, el nitrógeno se comprime y la tensión del cable aumenta — esa curva presión–volumen es el resorte de gas. La restricción es el amortiguamiento: la energía del oleaje sale del sistema en forma de calor en el aceite que pasa forzado a través de ella.
Las diferencias entre familias están en el lado de gas del acumulador: ANTARES añade una válvula de carga y botellas de gas para poder reajustar el resorte entre fases del izado; CYGNUS incorpora una válvula de purga para el ajuste del punto de referencia (datum). La geometría anterior es común a toda la familia pasiva.
Aplicaciones clave
- Cruces de la zona de salpicadura — reduciendo las cargas dinámicas cuando la carga útil atraviesa la zona de oleaje
- Aterrizajes subsea — controlando la velocidad de aterrizaje para un posicionamiento preciso
- Evitación de resonancia — evitando la amplificación del movimiento en determinados periodos de ola
- Gestión de la tensión — reduciendo la variación de tensión en un cable o riser tensado dentro de la carrera configurada y el rango operativo
- Absorción de impactos — protegiendo la carga útil y la grúa frente a cargas de impacto
Factores de rendimiento del PHC
La eficiencia de un compensador pasivo de heave depende de la rigidez (constante del resorte), el ajuste del amortiguamiento, la longitud de carrera y la correspondencia con el peso de la carga útil.
¿Cómo funciona la compensación pasiva de heave para reducir la velocidad de aterrizaje?
Heave significa movimiento vertical, en nuestro contexto el movimiento vertical del gancho de la grúa, causado por el oleaje. La compensación pasiva de heave puede entenderse como un sistema resorte-masa-amortiguador cuyo objetivo es reducir el movimiento inducido por el oleaje por debajo del compensador. El siguiente esquema simplificado ilustra nuestro escenario:
El movimiento del gancho de la grúa sigue la sinusoide dada por \zeta \cos(\omega t), el PHC tiene una rigidez k, el agua tiene densidad de masa \rho_w, mientras que la carga útil tiene las propiedades básicas \rho, m, A_\perp, respectivamente para la densidad de masa, la masa y el área perpendicular al movimiento de heave de la carga útil.
Dado que en este ejemplo suponemos que la carga útil está subsea, es importante tener en cuenta la flotabilidad, el arrastre y la masa añadida que afectan a la carga útil. Estos tres efectos modifican la respuesta de formas distintas (la flotabilidad desplaza la carga de equilibrio, la masa añadida modifica la inercia efectiva, el arrastre disipa energía), y cada uno puede resultar favorable o desfavorable según el caso y la frecuencia.
Masa añadida
m_A = \rho_w C_A V_RDonde C_A es el coeficiente de masa añadida (puede encontrarse en DNV RP-N103) y V_R es el volumen de referencia.
Arrastre
F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|Donde C_D es el coeficiente de arrastre y \dot z es la velocidad vertical de la carga útil.
Flotabilidad
F_B = \rho_w V gDonde V es el volumen desplazado por la carga útil y g es la aceleración de la gravedad.
Resorte de gas del PHC
Podemos definir una rigidez de verificación para el resorte de gas del PHC — un valor secante: la diferencia de fuerza entre la carrera de equilibrio y la carrera completa, dividida entre el cambio de carrera:
k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}Donde p_0 es la presión de equilibrio y A_0 es el área del pistón del PHC. Un valor secante es una simplificación de verificación — la rigidez para pequeños movimientos en torno al equilibrio es distinta, por lo que todo lo que se construye a partir de él a continuación es una estimación lineal equivalente, no una propiedad exacta.
Supongamos lo siguiente:
- La longitud de carrera completa es S, y nos encontramos a media carrera en el equilibrio.
- Utilizamos la ley de los gases ideales con compresión adiabática para calcular el cambio de presión.
- La fuerza de equilibrio debe ser igual a la fuerza de la gravedad menos la flotabilidad.
A partir de estas hipótesis, obtenemos:
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 es el exponente adiabático.
Además, podemos suponer que el volumen de equilibrio puede definirse como:
V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, SDonde R es la relación gas-aceite, que viene determinada por la configuración específica del acumulador y el cilindro para cada caso. Un valor mayor de R corresponde a un resorte más blando.
Obtenemos entonces la siguiente expresión para la rigidez del PHC k:
k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S}\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]Que podemos reescribir como:
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]Restricción del flujo hidráulico del PHC
El flujo de fluido a través de una restricción se expresa habitualmente como:
Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho}}Donde:
- Q es el caudal volumétrico del fluido,
- A_f es el área de paso más pequeña,
- \alpha es el coeficiente de pérdida de presión, y
- \Delta p es la pérdida de presión.
Tomando esto como base, podemos hallar la fuerza debida a la restricción hidráulica:
F_h = A_0 \, \Delta p= A_0 \, \frac{\rho}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2Obsérvese también que el signo de la fuerza hidráulica dependerá de si el vástago se extiende o se retrae.
Además, puede tener una magnitud distinta si hay válvulas antirretorno presentes.
La dificultad de esta ecuación está en conocer \alpha, que no es fácil de calcular.
Debe determinarse mediante CFD o mediciones, y además puede depender de muchas variables.
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Fricción de juntas del PHC
La fricción de las juntas es un tema muy complejo. Depende de numerosos factores, entre ellos:
- Presión del fluido
- Pretensión del elemento elástico
- Material de la junta
- Velocidad del pistón o del vástago
- Rugosidad superficial
- Tipo de fluido
- Anchura de la junta
- Configuración de la junta
Un modelo completo de fricción de juntas queda fuera del alcance de esta introducción; el punto práctico es que la fricción varía con cada uno de los factores anteriores.
Ecuación diferencial
Utilicemos ahora lo anterior con las siguientes hipótesis:
- Se ignora la fricción de las juntas (en la realidad puede ser importante).
- Aquí se ignora la restricción hidráulica para mantener el modelo ilustrativo — en la unidad real, esa restricción es el amortiguamiento de diseño, y es precisamente lo que limita el pico de resonancia y controla la respuesta de aterrizaje.
- Se ignora el arrastre (para un PHC de alto rendimiento, esta hipótesis es aceptable).
- Se ignora la rigidez y el amortiguamiento del aparejo/cable de izado.
- Se ignora la hidrodinámica del PHC.
- Se ignora el peso propio del PHC.
Una solución numérica más precisa, con todo incluido (y una ecuación de estado más exacta para la presión del gas), está disponible en Norwegian Dynamics.
Podemos aplicar la segunda ley de Newton a la masa de la carga útil para determinar cómo se mueve respecto al gancho de la grúa.
Supongamos que la dirección positiva es hacia abajo:
Esto tiene una solución en estado estacionario dada por:
z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)Lo que queremos conocer es la relación entre el movimiento de la carga útil y el movimiento del gancho.
\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}A continuación, podemos sustituir \omega por \frac{2 \pi}{T_P}, donde T_P es el periodo de ola, y sustituir k por nuestra expresión anterior:
\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}A partir de esta relación podemos definir la eficiencia de la compensación pasiva de heave. Si la relación es 0, la carga útil no se mueve en absoluto; por debajo de 1, el compensador está aislando la carga útil; por encima de 1, el movimiento se amplifica. La resonancia es la condición específica en la que el denominador del modelo no amortiguado se anula; la amplificación cerca de ese periodo es la señal de alerta. La calculadora siguiente evalúa esa expresión de verificación no amortiguada y de frecuencia única, con la rigidez secante indicada arriba. Viene precargada con los valores del ejemplo resuelto — sustitúyalos por los de su caso. No permite dimensionar una unidad: el amortiguamiento, el arrastre, el mar irregular, los límites de carrera y presión, la velocidad de aterrizaje y las cargas estructurales quedan fuera de este modelo, y proceden de una verificación de izado en CONSTELLATION.
Calculadora de eficiencia de la compensación pasiva de heave
Constantes fijas de verificación: densidad del agua de mar ρw = 1 030 kg/m³, exponente adiabático γ = 1.4 y g = 9.81 m/s².
También podemos definir el periodo natural del PHC como:
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)}}Ejemplo resuelto: interpretación de la relación de movimiento
Tomemos un caso como el de la calculadora: una carga útil de 100 t de acero (ρ = 7 850 kg/m³) con 20 t de masa añadida, sobre un PHC con 6 m de carrera y relación gas-aceite R = 12, en un oleaje de periodo Tp = 8 s (γ = 1.4):
- Blandura del resorte. El corchete del resorte de gas ((R − 0.5)/(R − 1))γ − 1 ≈ 0.064 — un R alto y una carrera larga producen un resorte blando.
- Periodo natural. Tn ≈ 16 s, cómodamente por encima del oleaje de 8 s — el sistema opera en su rango de aislamiento.
- Relación de movimiento. La expresión anterior da ≈ 0.33: la carga útil experimenta aproximadamente un tercio del movimiento del gancho — se elimina aproximadamente dos tercios del movimiento inducido por el oleaje.
El modelo de forma cerrada no está amortiguado y es conservador cerca de la resonancia — el amortiguamiento real limita el pico y añade algo de transmisión en el rango de aislamiento. Para el dimensionamiento, la solución numérica completa (estado del gas, amortiguamiento, arrastre, aparejo) es lo que ejecuta un estudio de CONSTELLATION .
Amortiguamiento: de qué tipo, y cuánto
El resorte de gas almacena la energía — el amortiguador decide adónde va. Sin amortiguamiento, el compensador es un sistema resorte-masa que oscilaría en su periodo natural tras cada perturbación. A medida que el pistón se mueve, el aceite es forzado a través de orificios o válvulas de control, y la resistencia al flujo convierte la energía cinética en calor: una fuerza que crece con la velocidad, limitando la resonancia, amortiguando los transitorios y proporcionando control de la velocidad de descenso para el aterrizaje.
| Tipo de amortiguamiento | Característica | Dónde se encuentra |
|---|---|---|
| Lineal | Fuerza ∝ velocidad | Sencillo de modelar — poco frecuente en hardware real |
| Cuadrático | Fuerza ∝ velocidad² | El comportamiento natural del flujo por orificio — intenso a alta velocidad, suave a baja velocidad |
| Variable | Orificios ajustables / válvulas proporcionales | Amortiguamiento modificado según la fase operativa — la vía adaptativa |
Amortiguamiento variable en la práctica: ANTARES ajusta su nivel automáticamente entre fases del izado; RIGEL y CYGNUS se ajustan manualmente en cubierta.
Otros usos subsea
Las unidades de compensación pasiva de heave también pueden aportar otros beneficios en instalaciones subsea:
- Capacidad de mantener la tensión del cable durante toda la fase de aterrizaje, lo que evita una escora repentina del buque.
- Mitigación de las cargas pico en caso de reizado de la carga útil.
- Proporciona tensado durante la recuperación subsea para evitar la sobrecarga cuando está fijada al fondo marino.
Cómo elegir el PHC adecuado
Norwegian Dynamics ofrece tres líneas de producto de compensadores pasivos de heave:
- ANTARES PHC adaptativo — compensador pasivo adaptativo de heave avanzado, con control automático de amortiguamiento, múltiples modos de operación y clasificación de profundidad hasta 3000 m. Ideal para operaciones que requieren alto rendimiento y flexibilidad.
- RIGEL PHC básico — compensador pasivo de heave sencillo, fiable y de bajo coste. Ideal para cruces sencillos de la zona de salpicadura y tareas de compensación básicas.
- CYGNUS PHC — compensador pasivo de heave para izados pesados y en aguas profundas, con capacidades desde 12.5 hasta 10,000 toneladas. Ideal para grandes estructuras subsea y aterrizajes en aguas profundas.
→ ¿Necesita ayuda para elegir? Consulte nuestra Guía de selección de compensadores de heave o contacte con nuestros ingenieros.
RIGEL, ANTARES o CYGNUS — de un vistazo
| Propiedad |  Propiedad |  Propiedad |  Propiedad |
|---|---|---|---|
| Tipo | Pasivo | Pasivo adaptativo | Pasivo |
| Amortiguación | Manual, ajustada en cubierta | Control de amortiguación automático | Manual, ajustada en cubierta |
| Rango de SWL | 55 – 1 000 t | 30 – 4 000 t | 12.5 – 10 000 t |
| Carrera | 1.0 – 6.0 m | 2.5 – 8.0 m | 1.0 – 6.0 m |
| Alimentación | Sin alimentación externa | Batería — sin umbilical | Batería — sin umbilical |
| Punto fuerte | Unidad más simple y ligera | Capacidad de izado rápido | Rango de capacidad para cargas pesadas y aguas profundas |
| Certificación | Diseñado y clasificado · DNV-ST-0378 (aprobación de tipo en curso) | Diseñado y clasificado · DNV-ST-0378 | Diseñado y clasificado · DNV-ST-0378 |
| Ideal para | Cruces sencillos de la zona de salpicadura y compensación básica | Izados exigentes multifase que requieren amortiguación automática | Izados subsea pesados y en aguas profundas |
Orientación preliminar: la guía de compensación pasiva frente a activa de heave resuelve la elección pregunta a pregunta.
Compensación pasiva de heave — preguntas frecuentes
¿Qué es la compensación pasiva de heave?
¿Cuáles son los componentes principales de un compensador pasivo de heave?
¿Qué eficiencia tiene la compensación pasiva de heave?
¿Cuándo es un compensador pasivo la opción correcta frente a uno activo?
¿Qué compensador de Norwegian Dynamics se ajusta a cada izado?
¿Está seleccionando un compensador pasivo para su próximo izado?
Dimensionamos los PHC según el rango operativo — Hs, Tp, carga útil, profundidad del agua. Envíe el caso y le responderemos con un producto recomendado.
