¿Cómo funciona la compensación pasiva de heave?

Un compensador pasivo de heave es esencialmente un resorte de gas. Consiste en un cilindro hidráulico conectado a uno o más acumuladores de gas cargados con nitrógeno. El peso de la carga comprime el gas a una presión de trabajo, y el pistón se estabiliza en una posición de equilibrio a mitad del recorrido.

Cuando el buque se mueve hacia arriba, la punta de la grúa sube pero el gas se expande, permitiendo que el pistón se extienda y mantenga la carga estacionaria. Cuando el buque baja, el gas se comprime y el pistón se retrae. La carga, con una inercia significativa, se mueve apenas.

El principal desafío de ingeniería es lograr una rigidez casi nula en el punto de trabajo. Si el resorte de gas es demasiado rígido, transmite el movimiento del buque a la carga. Si es demasiado blando, el sistema se desplaza hacia el final del recorrido. Los ingenieros dimensionan el volumen de gas y la presión de precarga para que la tasa de resorte coincida estrechamente con el peso de la carga, creando un resorte blando efectivo que aísla el heave. Para las matemáticas detalladas, consulte nuestra página sobre fundamentos de la compensación pasiva de heave.

Un resorte de gas puro sin amortiguamiento oscilaría incontrolablemente cerca de su frecuencia natural. Los compensadores pasivos de heave incluyen válvulas de amortiguamiento hidráulicas — típicamente basadas en orificio — que resisten el flujo de aceite entre el cilindro y los acumuladores.

El amortiguamiento sirve dos funciones críticas:

• Control de resonancia — Si el período de onda se acerca al período natural del sistema, la respuesta se amplificaría sin amortiguamiento. La resistencia hidráulica limita esta amplificación a niveles seguros.
• Control de aterrizaje — Durante el aterrizaje submarino, el amortiguamiento aumentado reduce la velocidad de descenso de la carga para un aterrizaje controlado.

El nivel de amortiguamiento es un compromiso: demasiado poco y la resonancia se vuelve peligrosa; demasiado y el sistema se vuelve rígido, reduciendo la eficiencia de la compensación en períodos de onda típicos.

Un sistema PHC bien diseñado típicamente logra 70–90% de eficiencia de compensación, lo que significa que el movimiento residual de la carga es solo el 10–30% del movimiento de la punta de la grúa. La eficiencia depende de varios factores:

• Período de onda — PHC funciona mejor cuando el período de onda es corto en relación con el período natural del sistema. En períodos muy largos, el sistema tiende a seguir el buque.
• Volumen de gas — Los volúmenes de gas más grandes producen muelles más suaves y mejor eficiencia, pero aumentan el tamaño y costo del sistema.
• Nivel de amortiguamiento — Un amortiguamiento más alto mejora la seguridad de resonancia pero reduce la eficiencia fuera de la resonancia.
• Coincidencia de carga — El sistema funciona mejor cuando la carga real coincide con la carga de diseño. Si las condiciones cambian, un PHC básico no puede adaptarse.

Esta última limitación es lo que impulsa el interés en compensación pasiva de heave adaptativa, donde el resorte de gas se ajusta automáticamente para mantener un rendimiento óptimo a medida que cambian las condiciones.

Los compensadores pasivos de heave se utilizan en una amplia gama de operaciones offshore:

• Levantamientos submarinos e instalación
• Cruce de zona de salpicadura
• Tensionamiento de tuberías ascendentes, cables y cordones umbilicales
• Absorción de impacto de grúa para instalación de turbinas eólicas

Norwegian Dynamics ofrece soluciones PHC que van desde la económica RIGEL para tareas de levantamiento directo, hasta el sistema adaptativo ANTARES para operaciones exigentes que requieren un rendimiento consistentemente alto en condiciones variables.