Vertikal im Kranseil angeordneter passiver Seegangskompensator RIGEL, während die Nutzlast bei Dämmerung die Spritzwasserzone durchquert
Passiv Seegangskompensation

Eine Gasfeder und ein Dämpfer zwischen Haken und Last — keine externe Stromversorgung.

Grundlagen der passiven Seegangskompensation

Von Tord Martinsen, CEO · Oktober 2025

Praktische Anwendung: Zur praktischen Anwendung dieses Themas siehe RIGEL Basis-PHC and ANTARES Adaptiv-PHC.

Passiv Seegangskompensation (PHC) wird bei Offshore-Einsätzen eingesetzt, um die von einem Kranhaken auf eine hängende Nutzlast übertragene vertikale Bewegung zu reduzieren. Sie arbeitet ohne externe Stromversorgung mit einem Gasfeder- und Hydraulikdämpfersystem, das welleninduzierte Bewegung aufnimmt.

Wenn sich ein Schiff mit den Wellen auf und ab bewegt, folgt der Kranhaken. Ohne Kompensation erfährt die Nutzlast dieselbe Bewegung — dadurch entstehen gefährliche dynamische Lasten bei Spritzwasserzonen-Durchquerungen, Subsea-Aufsetzvorgängen und anderen kritischen Einsätzen. Ein passiver Seegangskompensator wirkt als Puffer und nimmt einen großen Teil dieser Bewegung auf.

Systeme vergleichen? Passiv Seegangskompensatoren vergleichen — RIGEL, CYGNUS und ANTARES — Tragfähigkeitsbereiche, Dämpfungsregelung und Auslegung nach DNV-RP-N202.

Wie funktioniert ein passiver Seegangskompensator?

Ein PHC besteht aus drei Hauptkomponenten:

  1. Gasfeder — unter Druck stehendes Stickstoffgas erzeugt eine Federkraft, die das Gewicht der Nutzlast trägt
  2. Hydraulikzylinder — enthält Öl, das durch kontrollierte Drosselöffnungen strömt
  3. Dämpfungsventile — begrenzen den Ölstrom zur Dämpfung und bauen die Wellenenergie ab

Wichtige Anwendungen

  • Spritzwasserzonen-Durchquerungen — Verringerung dynamischer Lasten beim Durchgang der Nutzlast durch die Wellenzone
  • Subsea-Aufsetzvorgänge — Regelung der Aufsetzgeschwindigkeit für eine präzise Positionierung
  • Resonanzvermeidung — Vermeidung einer Bewegungsverstärkung bei bestimmten Wellenperioden
  • Spannhaltung — Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung in Kabeln oder Risern
  • Stoßdämpfung — Schutz von Nutzlast und Kran vor Stoßlasten

PHC-Leistungsfaktoren

Die Effizienz eines passiven Seegangskompensators hängt von Steifigkeit (Federrate), Dämpfungseinstellung, Hublänge und der Abstimmung auf das Nutzlastgewicht ab.

Wie reduziert passive Seegangskompensation die Aufsetzgeschwindigkeit?

Heave bedeutet vertikale Bewegung, in unserem Kontext die durch Wellen verursachte vertikale Bewegung des Kranhakens. Passiv Seegangskompensation kann als Feder-Masse-Dämpfer-System betrachtet werden, dessen Ziel die Verringerung der welleninduzierten Bewegung unterhalb des Kompensators ist. Die folgende vereinfachte Skizze zeigt unser Szenario: 

Vereinfachtes Modell eines passiven Seegangskompensators: Kranhaken mit sinusförmiger Bewegung, PHC-Federsteifigkeit k bei vernachlässigter Dämpfung, eingetauchte Nutzlast mit Gewicht, Auftrieb, Widerstand und Zusatzmasse im Wasser
Abbildung 1 — Das vereinfachte Modell hinter der Herleitung. Der Kranhaken gibt ζ cos(ωt) vor; das PHC liefert die Steifigkeit k (Dämpfung gemäß der folgenden Annahmen vernachlässigt); die eingetauchte Nutzlast mit Masse m, Dichte ρ und Querschnitt A⊥ erfährt Gewicht mg, Auftrieb FB und Zusatzmasse mA im Wasser mit Dichte ρw. Positives z zeigt nach unten.

Die Kranhakenbewegung folgt der Sinusfunktion \zeta \cos(\omega t), das PHC hat die Steifigkeit k, das Wasser hat die Massendichte \rho_w, während die Nutzlast die Grundeigenschaften \rho, m, A_\perp für Nutzlastdichte, Masse bzw. Fläche senkrecht zur Hubbewegung aufweist.

Da wir in diesem Beispiel von einer Subsea-Nutzlast ausgehen, müssen Auftrieb, Widerstand und Zusatzmasse berücksichtigt werden. Alle drei Effekte können die Leistung des PHC.

Zusatzmasse

m_A = \rho_w C_A V_R

Dabei C_A der Zusatzmassenbeiwert ist (zu finden in DNV RP-N103) und V_R das Referenzvolumen ist.

Widerstand

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

Dabei C_D der Widerstandsbeiwert ist und \dot z die vertikale Geschwindigkeit der Nutzlast ist.

Auftrieb

F_B = \rho_w V g

Dabei V das verdrängte Volumen der Nutzlast ist und g die Erdbeschleunigung ist.

PHC-Gasfeder

Die mittlere Steifigkeit der PHC-Gasfeder lässt sich als Kraftdifferenz vom Gleichgewichtshub bis zum vollen Hub geteilt durch die Hubänderung definieren:

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

Dabei p_0 der Gleichgewichtsdruck ist und A_0 die Kolbenfläche des PHC.

Nehmen wir Folgendes an:

  1. Die volle Hublänge beträgt S, und im Gleichgewicht befinden wir uns in der Hubmitte.
  2. Zur Berechnung der Druckänderung verwenden wir das ideale Gasgesetz mit adiabatischer Kompression.
  3. Die Gleichgewichtskraft soll der Gewichtskraft minus Auftrieb entsprechen.

Aus diesen Annahmen ergibt sich:

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 ist der Adiabatenexponent.

Weiter können wir annehmen, dass das Gleichgewichtsvolumen wie folgt definiert ist:

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

Dabei R das Gas-zu-Öl-Verhältnis ist, das bei einem PHC typischerweise im Bereich 2–12 liegt. Ein größerer Wert von R entspricht einer weicheren Feder.

Damit erhalten wir den folgenden Ausdruck für die PHC-Steifigkeit k:

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

Dieser lässt sich umschreiben 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 Durchflussdrosselung des PHC

Der Fluidstrom durch eine Drosselung wird üblicherweise beschrieben durch:

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

Dabei:

  1. Q der volumetrische Fluidstrom ist,
  2. A_f die kleinste Durchflussfläche ist,
  3. \alpha der Druckverlustbeiwert ist und
  4. \Delta p der Druckverlust ist.

Auf dieser Grundlage lässt sich die Kraft infolge der hydraulischen Drosselung bestimmen:

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

Beachten Sie auch, dass das Vorzeichen der Hydraulikkraft von Ausfahren oder Einfahren der Kolbenstange abhängt.
Bei vorhandenen Rückschlagventilen kann ihr Betrag zudem unterschiedlich sein.

Entscheidend bei dieser Gleichung ist die Kenntnis von \alpha, was nicht einfach zu berechnen ist.
Sie sollte mithilfe von CFD oder Messungen ermittelt werden und kann zudem von vielen Variabeln abhängen.

—

Dichtungsreibung des PHC

Dichtungsreibung ist ein sehr komplexes Thema. Sie hängt von vielen Faktoren ab, etwa:

  1. Fluiddruck
  2. Vorspannung des elastischen Elements
  3. Dichtungsmaterial
  4. Geschwindigkeit von Kolben oder Kolbenstange
  5. Oberflächenrauheit
  6. Fluidtyp
  7. Dichtungsbreite
  8. Dichtungskonfiguration

Für diese kurze Einführung ist eine detaillierte Betrachtung zu komplex.

Differentialgleichung

Wenden wir das Obige unter folgenden Annahmen an:

  1. Dichtungsreibung wird vernachlässigt (in der Praxis kann sie erheblich sein).
  2. Hydraulische Drosselung wird vernachlässigt (bei guter PHC-Auslegung ist sie meist gering).
  3. Widerstand wird vernachlässigt (bei einem leistungsfähigen PHC ist diese Annahme vertretbar).
  4. Steifigkeit und Dämpfung von Anschlagmitteln/Drahtseil werden vernachlässigt.
  5. Hydrodynamik des PHC wird vernachlässigt.
  6. Eigengewicht des PHC wird vernachlässigt.

Eine genauere numerische Lösung mit allen Einflüssen (und einer präziseren Zustandsgleichung für den Gasdruck) ist bei Norwegian Dynamics.

Wir können Newton’s zweites Gesetz auf die Nutzlastmasse anwenden, um ihre Bewegung relativ zum Kranhaken zu bestimmen.
Nehmen wir an, dass die positive Richtung nach unten zeigt:

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

Daraus ergibt sich folgende stationäre Lösung:

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

Gesucht ist das Verhältnis zwischen Nutzlastbewegung und Hakenbewegung. 

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

Wir können dann \omega durch \frac{2 \pi}{T_P} ersetzen, wobei T_P die Wellenperiode ist, und k durch den obigen Ausdruck ersetzen:

\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{Zusatzmasse}} \underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Auftrieb}} \underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Wellenperiode}} \underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}} -1 }

Auf Grundlage dieses Verhältnisses können wir die Effizienz der passiven Seegangskompensation definieren. Ist das Verhältnis 0, beträgt die Effizienz 100%; ist der Absolutwert größer als 1, tritt Resonanz auf. Der folgende Rechner dient als grober Indikator für die Leistung der passiven Seegangskompensation.

Verhältnis von Nutzlast- zu Hakenbewegung über der Wellenperiode für Gas-zu-Öl-Verhältnisse 4, 8 und 12: Isolation unterhalb von 1, Resonanzspitzen bei der Eigenperiode, weichere Federn verschieben die Eigenperiode zu längeren Wellenperioden
Abbildung 2 — Das aus dem obigen Ausdruck berechnete Bewegungsverhältnis für die Standardnutzlast des Rechners (m = 100 t, mA = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, S = 4.5 m) und drei Gas-zu-Öl-Verhältnisse R. Unterhalb von 1.0 isoliert das PHC die Nutzlast; bei Tn tritt Resonanz auf. Das Modell ist ungedämpft — reale PHC-Dämpfung begrenzt die Resonanzspitze. Das Auslegungsziel wird deutlich: Eine weichere Feder (höheres R, längerer Hub) verschiebt Tn deutlich über die Wellenperioden Ihres Einsatzes.

Effizienzrechner für passive Seegangskompensation













Die Eigenperiode des PHC lässt sich auch wie folgt definieren:

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)} }

Rechenbeispiel: Bewegungsverhältnis ablesen

Betrachten wir einen Fall wie im Rechner: eine 100 t schwere Nutzlast aus Stahl (ρ = 7 850 kg/m³) mit 20 t Zusatzmasse, an einem PHC mit 6 m Hub und Gas-zu-Öl-Verhältnis R = 12, bei Wellen mit der Periode Tp = 8 s (γ = 1.4):

  1. Federweichheit. Der Gasfederterm ((R − 0.5)/(R − 1))γ − 1 ≈ 0.064 — ein hohes R und ein langer Hub ergeben eine weiche Feder.
  2. Eigenperiode. Tn ≈ 16 s, deutlich über den Wellen von 8 s — das System arbeitet in seinem Isolationsbereich.
  3. Bewegungsverhältnis. Der obige Ausdruck ergibt ≈ 0.33: Die Nutzlast erfährt etwa ein Drittel der Hakenbewegung — rund zwei Drittel der welleninduzierten Bewegung werden entfernt.

Das geschlossene Modell ist ungedämpft und nahe der Resonanz konservativ — reale Dämpfung begrenzt die Spitze und bewirkt eine gewisse Übertragung im Isolationsbereich. Für die Auslegung verwendet eine CONSTELLATION-Studie die vollständige numerische Lösung (Gaszustand, Dämpfung, Widerstand, Anschlagmittel).

Dämpfung: Art und Umfang

Die Gasfeder speichert die Energie — der Dämpfer bestimmt, wohin sie gelangt. Ungedämpft wäre der Kompensator ein Feder-Masse-System, das nach jeder Störung mit seiner Eigenperiode schwingen würde. Beim Kolbenhub wird Öl durch Drosselöffnungen oder Regelventile gepresst; der Strömungswiderstand wandelt kinetische Energie in Wärme um: eine mit der Geschwindigkeit zunehmende Kraft, die resonance begrenzt, Einschwingvorgänge dämpft und die Absenkgeschwindigkeit beim Aufsetzen regelt.

DämpfungsartMerkmalTypischer Einsatz
LinearKraft ∝ GeschwindigkeitEinfach zu modellieren — in realer Hardware selten
QuadratischKraft ∝ Geschwindigkeit²Das natürliche Verhalten einer Drosselströmung — stark bei hoher, sanft bei niedriger Geschwindigkeit
VariabelEinstellbare Drosselöffnungen / ProportionalventileDämpfung je Betriebsphase verändert — der adaptive Weg
ZU WENIGGefährliche Resonanz — Einschwingvorgänge klingen lange nach
IM BEREICH≈ 5 – 15% des kritischen Werts für normales Absenken — beste Effizienz bei Resonanzsicherheit; für Spritzwasserzone und Aufsetzen vorübergehend erhöht
ZU VIELDas System wird steif — Schiffsbewegung wird übertragen, die Effizienz sinkt

Variabel Dämpfung in der Praxis: ANTARES passt ihr Niveau zwischen den Hubphasen automatisch an; RIGEL und CYGNUS werden manuell an Deck eingestellt.

Weitere Subsea-Anwendungen

Einheiten zur passiven Seegangskompensation können bei Subsea-Installationen weitere Vorteile bieten:

  1. Aufrechterhaltung der Seilspannung während der gesamten Aufsetzphase, wodurch plötzliches Krängen des Schiffs verhindert wird.
  2. Minderung von Spitzenlasten beim erneuten Anheben der Nutzlast.
  3. Spannhaltung bei der Subsea-Bergung, um eine Überlastung bei am Meeresboden befestigter Last zu verhindern.

Das richtige PHC auswählen

Norwegian Dynamics bietet drei Produktlinien passiver Seegangskompensatoren:

  • ANTARES Adaptiv-PHC — fortschrittlicher adaptiv-passiver Seegangskompensator mit automatischer Dämpfungsregelung, mehreren Betriebsmodi und Einsatztiefen bis 3000m. Optimal für Einsätze mit hohen Leistungs- und Flexibilitätsanforderungen.
  • RIGEL Basis-PHC — einfacher, zuverlässiger und kostengünstiger passiver Seegangskompensator. Optimal für einfache Spritzwasserzonen-Durchquerungen und grundlegende Kompensationsaufgaben.
  • CYGNUS PHC — passiver Seegangskompensator für schwere Hübe und Tiefwassereinsätze mit Tragfähigkeiten von 12.5 bis 10,000 Tonnen. Optimal für große Subsea-Strukturen und Tiefwasser-Aufsetzvorgänge.

→ Benötigen Sie Unterstützung bei der Auswahl? Sehen Sie unseren Auswahlleitfaden für Seegangskompensatoren oder kontaktieren Sie unsere Ingenieure.

RIGEL, ANTARES oder CYGNUS — auf einen Blick

RIGELANTARESCYGNUS
TypPassivAdaptiv-passivPassiv
DämpfungManuell, an Deck eingestelltAutomatische DämpfungsregelungManuell, an Deck eingestellt
SWL-Bereich55 – 1 000 t30 – 4 000 t12.5 – 10 000 t
Hub1.0 – 6.0 m2.5 – 8.0 m1.0 – 6.0 m
StromversorgungKeine externe StromversorgungBatterie — kein UmbilicalBatterie — kein Umbilical
BesonderheitEinfachste, leichteste EinheitSchnellhub-FähigkeitTragfähigkeitsbereich für schwere Lasten / Tiefwasser
ZertifizierungAusgelegt & klassifiziert · DNV-ST-0378 (DNV-Typgenehmigung in Bearbeitung)Ausgelegt & klassifiziert · DNV-ST-0378Ausgelegt & klassifiziert · DNV-ST-0378
Optimal fürEinfache Spritzwasserzonen-Durchquerungen und grundlegende KompensationAnspruchsvolle mehrphasige Hübe mit automatischer DämpfungSchwere Subsea-Hübe und Tiefwassereinsätze

Erste Orientierung — der Leitfaden zur passiven gegenüber aktiven Seegangskompensation führt Sie Frage für Frage durch die Auswahl.

Weiterführende Informationen

Passiv Seegangskompensation — häufige Fragen

Was ist passive Seegangskompensation?
Eine Methode zur Verringerung der vom Kranhaken auf die Nutzlast übertragenen vertikalen Bewegung ohne externe Stromversorgung: Eine Stickstoff-Gasfeder trägt das Gewicht, während hydraulische Dämpfung die Wellenenergie abbaut.
Was sind die Hauptkomponenten?
Eine Gasfeder (Stickstoff unter Druck), ein Hydraulikzylinder mit Ölstrom durch kontrollierte Drosselöffnungen sowie Dämpfungsventile, die den Durchfluss begrenzen und Energie abbauen.
Wie effizient ist sie?
Ein gut ausgelegtes PHC überträgt nur einen Teil der Hakenbewegung — im obigen Rechenbeispiel etwa ein Drittel bei Tp = 8 s. Das Auslegungsziel ist, die Eigenperiode des Systems deutlich über den Wellenperioden des Einsatzes zu halten; der Rechner auf dieser Seite liefert eine erste Einschätzung.
Passiv oder aktiv — wie wähle ich aus?
Passiv überzeugt bei Arbeiten in der Spritzwasserzone, beim Aufsetzen, bei Spannhaltung und Bergung durch Einfachheit, Zuverlässigkeit und keine externe Stromversorgung; aktiv ist Fällen vorbehalten, in denen die Restbewegung gegen null geregelt werden muss. Der Vergleich aktiv gegenüber passiv erläutert die Abwägungen.
Welcher Kompensator passt zu welchem Hub?
RIGEL für einfache passive Kompensation; ANTARES, wenn automatische Dämpfungsregelung oder Schnellhub wichtig sind; CYGNUS für schwere Hübe und Tiefwassereinsätze bis 10 000 t. Die obige Tabelle vergleicht sie Zeile für Zeile.

Arbeiten Sie an einem Hub, der dies benötigt?

Wir legen PHCs anhand des Betriebsbereichs aus — Hs, Tp, Nutzlast, Wassertiefe. Senden Sie uns den Fall, und wir empfehlen Ihnen ein Produkt.

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