Wie funktioniert die passive Heave-Kompensation?

Ein passiver Heave-Kompensator ist im Wesentlichen eine Gasfeder. Er besteht aus einem Hydraulikzylinder, der mit einem oder mehreren mit Stickstoff gefüllten Gasakkumulatoren verbunden ist. Das Gewicht der Last komprimiert das Gas auf einen Arbeitsdruck, und der Kolben stabilisiert sich in einer Mittelhub-Gleichgewichtsposition.

Wenn das Schiff nach oben rollt, steigt die Kranspitze an, aber das Gas dehnt sich aus, sodass sich der Kolben ausdehnen kann und die Last stationär bleibt. Wenn das Schiff abfällt, wird das Gas komprimiert und der Kolben zieht sich zurück. Die Last mit ihrer erheblichen Trägheit bewegt sich kaum.

Die Hauptengineeringherausforderung besteht darin, eine nahezu Nullsteifigkeit am Arbeitspunkt zu erreichen. Wenn die Gasfeder zu steif ist, überträgt sie die Schiffsbewegung auf die Last. Wenn sie zu weich ist, driftet das System zum Hubbegrenzer ab. Ingenieure dimensionieren das Gasvolumen und den Vorladdruck so, dass die Federrate eng dem Lastgewicht entspricht und so eine effektive weiche Feder entsteht, die den Heave isoliert. Für die detaillierte Mathematik siehe unsere Seite zu Grundlagen der passiven Heave-Kompensation.

Eine reine Gasfeder ohne Dämpfung würde in der Nähe ihrer Eigenfrequenz unkontrolliert schwingen. Passive Heave-Kompensatoren enthalten hydraulische Dämpfungsventile — typischerweise orifizbasiert —, die den Ölfluss zwischen Zylinder und Akkumulatoren widerstehen.

Die Dämpfung erfüllt zwei kritische Funktionen:

• Resonanzsteuerung — Wenn sich die Wellenperiode der Eigenperiode des Systems nähert, würde die Antwort ohne Dämpfung verstärkt. Der hydraulische Widerstand begrenzt diese Verstärkung auf sichere Werte.
• Landesteuerung — Während der Unterwasserlandung verlangsamt erhöhte Dämpfung die Absenkung der Last für eine kontrollierte Landung.

Die Dämpfungsstufe ist ein Kompromiss: Zu wenig und Resonanz wird gefährlich; zu viel und das System wird steif, wodurch die Kompensationseffizienz bei typischen Wellenperioden reduziert wird.

Ein gut konzipiertes PHC-System erreicht typischerweise 70–90% Kompensationseffizienz, was bedeutet, dass die Restbewegung der Last nur 10–30% der Kranbewegung beträgt. Die Effizienz hängt von mehreren Faktoren ab:

• Wellenperiode — PHC funktioniert am besten, wenn die Wellenperiode kurz im Verhältnis zur Eigenperiode des Systems ist. Bei sehr langen Perioden neigt das System dazu, dem Schiff zu folgen.
• Gasvolumen — Größere Gasvolumina ergeben weichere Federn und bessere Effizienz, erhöhen aber Größe und Kosten des Systems.
• Dämpfungsstufe — Höhere Dämpfung verbessert die Resonanzsicherheit, reduziert aber die Effizienz außerhalb der Resonanz.
• Lastabstimmung — Das System funktioniert am besten, wenn die tatsächliche Last der entworfenen Last entspricht. Wenn sich die Bedingungen ändern, kann eine grundlegende PHC nicht angepasst werden.

Diese letzte Einschränkung treibt das Interesse an adaptiver passiver Heave-Kompensation an, bei der die Gasfeder automatisch eingestellt wird, um optimale Leistung bei sich ändernden Bedingungen zu gewährleisten.

Passive Heave-Kompensatoren werden in einer breiten Palette von Offshore-Operationen eingesetzt:

• Unterwasserhebe und Montage
• Spritzwasserzonen-Überquerung
• Verspannung von Steigrohren, Kabeln und Nabelschnüren
• Kranen-Stoßdämpfung für die Windturbineninstallation

Norwegian Dynamics bietet PHC-Lösungen an, die vom kostengünstigen RIGEL für einfache Hebeaufgaben bis zum adaptiven System ANTARES für anspruchsvolle Operationen reichen, die über unterschiedliche Bedingungen hinweg konstant hohe Leistung erfordern.