夕暮れ時、重量物用クレーンワイヤでスプラッシュゾーンを通過し、フレームから水が流れ落ちる海底モジュール

パッシブヒーブ補償

フックと荷重の間に配置するガススプリングとダンパー、外部電源は不要。

パッシブヒーブ補償の基礎

パッシブヒーブ補償装置が、外部電源を使わず、ガススプリングと油圧減衰によってクレーンフックからペイロードへ伝わる動きを低減する仕組みを解説します。装置内部の構成、動揺比の読み方、減衰の選択、およびRIGEL、ANTARES、CYGNUSの相違点を取り上げます。

執筆： Tord Martinsen、CEO · 2025年十月 · 査読： 2026年八月 · 所要時間15分

実際の用途： この物理原理を当社のパッシブ製品群に適用しています： RIGEL Basic PHC および ANTARES Adaptive PHC.

パッシブヒーブ補償（PHC）は、洋上作業でクレーンフックから吊り下げたペイロードへ伝わる鉛直動揺を低減する技術です。波浪による動きを吸収するガススプリングと油圧ダンパーのシステムを使用し、外部電源なしで作動します。

船舶が波によって上下すると、クレーンフックも追従します。補償がなければペイロードにも同じ動きが生じ、スプラッシュゾーン通過、海底着底、その他の重要作業で危険な動的荷重が発生します。パッシブヒーブ補償装置は緩衝器として機能し、この動きの多くを吸収します。

システムを比較しますか？ パッシブヒーブ補償装置（RIGEL、CYGNUS、ANTARES）の容量範囲、減衰制御、およびDNV-RP-N202に基づく各装置のサイジング方法を比較します。

パッシブヒーブ補償装置の作動原理

PHCは三つの主要構成要素からなります：

ガススプリング — 加圧窒素ガスがペイロード重量を支持するばね力を発生
油圧シリンダー — 制御されたオリフィスを通って流れる作動油を収容
減衰弁 — 作動油の流れを絞って減衰を与え、波浪エネルギーを散逸

装置内部：シリンダーとガスアキュムレーター

「ヒーブ補償シリンダー」を検索しても、装置の半分しか分かりません。作動シリンダーは吊索内で引張状態になりますが、ばねはシリンダー内にはありません。ばねは、シリンダーに接続された別体のガスアキュムレーター内にあります：

装置はワイヤ内に吊られ、ロッドが荷重側に向きます。作動ピストン上部のシリンダー内は真空です。ピストン下部のロッド側室には作動油が満たされ、減衰絞りを介してアキュムレーターに接続されており、その内部では窒素が作動油の上にあります。フックと荷重の間隔が広がると装置が伸長し、ロッド側の作動油が絞りを通ってアキュムレーターへ押し出され、窒素が圧縮されてワイヤ張力が増加します。この圧力・容積曲線が ガススプリング です。絞りが減衰を担い、絞りを通過する作動油内で波浪エネルギーが熱として系外へ放出されます。

製品群の違いは、アキュムレーターのガス側にあります： ANTARES は充填弁とガスボトルを追加し、揚重工程間でばねを再調整できます。 CYGNUS には基準位置設定用の放出弁があります。上記の構造はパッシブ製品群すべてに共通します。

主な用途

スプラッシュゾーン通過 — ペイロードが波浪域を通過する際の動的荷重を低減
海底着底 — 着底速度を制御して正確に設置
共振回避 — 特定の波周期における動揺の増幅を防止
張力管理 — 設定されたストロークと運用範囲内で、緊張したケーブルまたはライザーの張力変動を低減
衝撃吸収 — 衝撃荷重からペイロードとクレーンを保護

PHCの性能要因

パッシブヒーブ補償装置の効率は、剛性（ばね定数）、減衰調整、ストローク長、およびペイロード重量との適合性に左右されます。

要点

装置選定のためにお読みですか？

以下では導出を示します。補償装置を自らサイジングする場合には確認する価値があります。ハードウェアを選定する場合、実際に三つのパッシブ製品群を区別する要素は次のとおりです。

最もシンプル

通常のスプラッシュゾーン通過

単一の補償作業に対応する標準的な装置です。減衰は甲板上で設定し、揚重中は変更しません。

SWL: 55 – 1 000 t
ストローク: 1.0 – 6.0 m
減衰: 手動、甲板上で設定

最大の容量範囲

重量物および大水深での着底

大型海底構造物と大水深着底に対応します。小型装置から最重量級の揚重まで、製品群で最も広いSWL範囲を備えます。

SWL: 12.5 – 10 000 t
ストローク: 1.0 – 6.0 m
減衰: 手動、甲板上で設定

最も適応性が高い

作業中に条件が変化する揚重

作業中に荷重が変化する多段階の海底揚重向けです。自動減衰制御とクイックリフト機能を備え、バッテリー駆動でアンビリカルは不要です。

SWL: 30 – 4 000 t
ストローク: 2.5 – 8.0 m
減衰: 自動

電源と認証を含む横並びの比較： RIGEL、ANTARES、CYGNUSの概要。特定のペイロード、ストローク、海象条件に装置を適合させるには、製品選定ツール.

パッシブヒーブ補償はどのように着底速度を低減するか

ここでいうヒーブとは、波浪によって生じるクレーンフックの鉛直動揺です。パッシブヒーブ補償は、補償装置下部の波浪起因動揺を低減することを目的とした、ばね・質量・ダンパー系と考えることができます。以下の簡略図にこの状況を示します：

図1 — 導出に用いる簡略モデル。クレーンフックはζ cos(ωt)を入力し、PHCは剛性kを与えます（以下の仮定に従い減衰は無視）。質量m、密度ρ、断面積A⊥の水中ペイロードには、重量mg、浮力F_B および付加質量m_A が密度ρの水中で作用します_w。zの正方向は下向きです。

クレーンフックの動揺は次の正弦波に従います： $\zeta \cos(\omega t)$ 、 PHC の剛性は $k$ 、水の質量密度は $\rho_w$ 、ペイロードの基本特性は $\rho, m, A_\perp$ であり、それぞれペイロードの質量密度、質量、ヒーブ方向に垂直な面積を表します。

この例ではペイロードが水中にあると仮定しているため、ペイロードに作用する浮力、抗力、付加質量を考慮することが重要です。これら三つの効果は応答を異なる形で変えます（浮力は平衡荷重をずらし、付加質量は有効慣性を変え、抗力はエネルギーを散逸させます）。事例と周波数によって、それぞれ有利にも不利にも働きます。

付加質量

m_A = \rho_w C_A V_R

ここで $C_A$ は付加質量係数（ DNV RP-N103を参照）で、 $V_R$ は基準容積です。

抗力

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

ここで $C_D$ は抗力係数、 $\dot z$ はペイロードの鉛直速度です。

浮力

F_B = \rho_w V g

ここで $V$ はペイロードの排水容積、 $g$ は重力加速度です。

PHCのガススプリング

PHCのガススプリングについて、スクリーニング用の剛性を割線値として定義できます。平衡ストロークから全ストロークまでの力の差をストローク変化量で除した値です：

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

ここで $p_0$ は平衡圧力、 $A_0$ は PHCのピストン面積です。割線値はスクリーニング用の簡略値です。平衡点での微小動揺剛性は異なるため、以下の結果はすべて厳密な特性値ではなく等価線形推定値です。

次を仮定します：

全ストローク長は $S$ で、平衡時にはストローク中央にあります。
断熱圧縮を伴う理想気体の法則を用いて圧力変化を計算します。
平衡力は重力から浮力を差し引いた力に等しいものとします。

これらの仮定から、次式が得られます：

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]

$\gamma$ は断熱指数です。

さらに、平衡容積を次のように定義できると仮定します：

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

ここで $R$ はガス対作動油比で、案件固有のアキュムレーターとシリンダー構成によって決まります。 $R$ の値が大きいほど、ばねは柔らかくなります。

これにより、PHC剛性について次式が得られます： $k$ :

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

これは次のように書き換えられます：

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]

PHCの油圧流量絞り

絞りを通過する流体流量は通常、次式で表されます：

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

ここで：

$Q$ は流体の体積流量、
$A_f$ は最小流路面積、
$\alpha$ は圧力損失係数、
$\Delta p$ は圧力損失です。

これを基に、油圧絞りによる力を求められます：

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

また、油圧力の方向はロッドの伸長時と収縮時で異なることに注意してください。
さらに、逆止弁がある場合は大きさも異なることがあります。

この式で難しいのは $\alpha$ の値を把握することで、容易には算出できません。
CFDまたは計測によって求める必要があり、多数の変数に左右される場合もあります。

—

PHCのシール摩擦

シール摩擦は非常に複雑であり、次のような多くの要因に左右されます：

流体圧力
弾性要素の予張力
シール材質
ピストンまたはピストンロッドの速度
表面粗さ
流体の種類
シール幅
シール構成

完全なシール摩擦モデルは本解説の範囲外です。実務上の要点は、摩擦が上記の各要因によって変化することです。

微分方程式

ここで、上記を次の仮定とともに使用します：

シール摩擦は無視します（実際には大きくなる場合があります）。
モデルを説明的なものに保つため、ここでは油圧絞りを無視します。実機ではこの絞りが設計上の減衰であり、共振ピークを抑え、着底応答を制御します。
抗力は無視します（高性能PHCでは妥当な仮定です）。
艤装／ワイヤロープの剛性と減衰を無視します。
PHCの流体力学的影響を無視します。
PHCの自重を無視します。

すべての要素（およびガス圧力のより精密な状態方程式）を含む、より正確な数値解は Norwegian Dynamics.

から入手できます。ニュートンの運動方程式をペイロード質量に適用し、クレーンフックに対する相対運動を求めます。
下向きを正方向と仮定します：

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

定常解は次式で与えられます：

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

求めるのは、ペイロード動揺とフック動揺の比です。

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

次に、 $\omega$ を $\frac{2 \pi}{T_P}$ に置き換えます。ここで $T_P$ は波周期です。また、 $k$ を上記の式で置き換えます：

\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}

この比に基づいてパッシブヒーブ補償効率を定義できます。比が0ならペイロードは全く動かず、1未満なら補償装置がペイロードを絶縁し、1を超えると動揺が増幅されます。共振とは、非減衰モデルの分母がゼロになる特定の状態であり、その周期付近での増幅が警戒すべき兆候です。以下の計算ツールは、上記の割線剛性を用いて、非減衰・単一周波数のスクリーニング式を評価します。計算例の値があらかじめ入力されているため、対象案件の値に置き換えてください。このツールだけでは装置をサイジングできません。減衰、抗力、不規則波、ストロークと圧力の限界、着底速度、構造荷重は本モデルの範囲外であり、CONSTELLATIONの揚重スクリーニングで評価します。

図2 — 上式による動揺比の大きさ。計算例の入力値（m = 100 t、m_A = 20 t、ρ = 7 850 kg/m³、ρ_w = 1 030 kg/m³、S = 6 m、γ = 1.4）と、ガス対作動油比R = 4、8、12を使用しています。1.0未満ではPHCがペイロードを絶縁し、T_n で非減衰モデルが共振します。実際には減衰がピークを抑え、プロジェクト結果は案件ごとに異なります。

パッシブヒーブ補償効率計算ツール

固定スクリーニング定数：海水密度ρ_w = 1 030 kg/m³、断熱指数γ = 1.4、g = 9.81 m/s²。

ペイロード質量m（t）：

付加質量mₐ（t）：

ペイロード密度ρ（kg/m³）：

波周期Tₚ（s）：

ストローク長S（m）：

ガス対作動油比R：

値を入力し、「計算」を選択してください。

PHCの固有周期は次のようにも定義できます：

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)}}

計算例：動揺比の読み方

計算ツールと同様の事例を考えます： 100 t の鋼製ペイロード（ρ = 7 850 kg/m³）、付加質量 20 t 、PHCのストローク 6 m 、ガス対作動油比 R = 12、波周期 T_p = 8 s (γ = 1.4):

ばねの柔らかさ。 ガススプリング項((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — Rが大きくストロークが長いほど、ばねは柔らかくなります。
固有周期。 T_n ≈ 16 sであり、8 sの波周期を十分に上回ります。システムは絶縁領域で作動します。
動揺比。 上式から約 0.33となり、ペイロードの動揺はフック動揺の約三分の一です。すなわち、波浪起因動揺の約三分の二が除去されます。

閉形式モデルは非減衰であり、共振付近では保守的です。実際には減衰がピークを抑える一方、絶縁領域で伝達を一部増加させます。サイジングでは、完全な数値解（ガス状態、減衰、抗力、艤装）を CONSTELLATION解析で計算します。

減衰：種類と必要量

ガススプリングはエネルギーを蓄え、ダンパーはその散逸先を決めます。減衰がなければ、補償装置は外乱のたびに固有周期で振動し続けるばね・質量系になります。ピストンのストロークに伴い、作動油がオリフィスまたは制御弁を通過し、流動抵抗が運動エネルギーを熱に変換します。この速度とともに増加する力が共振を抑え、過渡振動を収束させ、着底時の降下速度を制御します。

パッシブヒーブ補償装置の減衰方式、その代表的な力則と適用箇所。
減衰方式	特性	適用箇所
線形	力 ∝ 速度	モデル化が容易 — 実機ではまれ
二次	力 ∝ 速度²	オリフィス流れの自然な挙動 — 高速時に強く、低速時に穏やか
可変	調整式オリフィス／比例弁	作業工程ごとに減衰を変更 — アダプティブ方式

過小危険な共振が発生し、過渡振動が長時間継続

適正範囲≈ 臨界減衰の5 – 15% を通常降下に関するNDのスクリーニングモデルで使用します。案件ごとに設定し、スプラッシュゾーン通過時と着底時には一時的に高めます。

過大システムが硬くなり、船体動揺が伝達されて効率が低下

実運用での可変減衰： ANTARES は揚重工程間で減衰レベルを自動調整し、RIGELとCYGNUSは甲板上で手動設定します。

その他の海底用途

パッシブヒーブ補償装置は、海底据付において次の利点もあります：

着底工程全体でワイヤ張力を維持し、船舶の急な傾斜を防止。
ペイロード再揚収時のピーク荷重を軽減。
海底に固定された状態での過負荷を防ぐため、海底回収中に張力を付与。

適切なPHCの選定

Norwegian Dynamicsは三つのパッシブヒーブ補償装置製品群を提供しています：

ANTARES Adaptive PHC — 自動減衰制御、複数の運転モード、最大水深3000mの定格を備えた高度なアダプティブパッシブヒーブ補償装置。高い性能と柔軟性を要する作業に適します。
RIGEL Basic PHC — シンプルで信頼性が高く、低コストのパッシブヒーブ補償装置。標準的なスプラッシュゾーン通過と基本的な補償作業に適します。
CYGNUS PHC — 12.5～10,000 tの容量を備え、重量物および大水深揚重に対応するパッシブヒーブ補償装置。大型海底構造物と大水深着底に適します。

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RIGEL、ANTARES、CYGNUSの概要

RIGEL、ANTARES、CYGNUSのパッシブヒーブ補償装置について、形式、減衰、SWL範囲、ストローク、電源、特長、認証、代表用途を比較します。
特性	特性	特性	特性
形式	パッシブ	アダプティブパッシブ	パッシブ
減衰	手動、甲板上で設定	自動減衰制御	手動、甲板上で設定
SWL範囲	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
ストローク	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
電源	外部電源不要	バッテリー — アンビリカル不要	バッテリー — アンビリカル不要
特長	最もシンプルで軽量な装置	クイックリフト機能	重量物／大水深向け容量範囲
認証	設計・船級承認 · DNV-ST-0378（型式承認手続中）	設計・船級承認 · DNV-ST-0378	設計・船級承認 · DNV-ST-0378
最適な用途	標準的なスプラッシュゾーン通過と基本的な補償	自動減衰を要する複雑な多工程揚重	重量物および大水深の海底揚重

初期選定の指針として、パッシブヒーブ補償とアクティブヒーブ補償の比較ガイドで設問ごとに選定手順を説明しています。

パッシブヒーブ補償 — よくある質問

パッシブヒーブ補償とは何ですか？

外部電源を使わず、クレーンフックからペイロードへ伝わる鉛直動揺を低減する方法です。窒素ガススプリングが重量を支持し、油圧減衰が波浪エネルギーを散逸させます。

パッシブヒーブ補償装置の主な構成要素は何ですか？

ガススプリング（加圧窒素）、制御されたオリフィスを通る作動油を収容する油圧シリンダー、および流れを絞ってエネルギーを散逸させる減衰弁です。

パッシブヒーブ補償の効率はどの程度ですか？

適切にサイジングされたPHCは、フック動揺の一部のみを伝達します。上記の計算例ではT_p = 8 sで約三分の一です。設計目標はシステムの固有周期を作業時の波周期より十分長くすることであり、このページの計算ツールで初期評価を行えます。

アクティブ方式よりパッシブ補償装置が適するのはどのような場合ですか？

スプラッシュゾーン、着底、張力付与、回収作業では、シンプルさ、信頼性、外部電源不要という点でパッシブ方式が優位です。残留動揺をゼロに近づける必要がある場合にはアクティブ方式を使用します。アクティブ方式とパッシブ方式の比較で両者のトレードオフを説明しています。

各揚重に適するNorwegian Dynamicsの補償装置はどれですか？

標準的なパッシブ補償にはRIGEL、自動減衰制御またはクイックリフトが重要な場合はANTARES、最大10 000 tの重量物・大水深揚重にはCYGNUSが適します。上表で項目ごとに比較しています。

次の揚重向けにパッシブ補償装置を選定しますか？

当社は運用可能範囲、すなわちHs、Tp、ペイロード、水深に基づいてPHCをサイジングします。案件情報をお送りいただければ、推奨製品をご回答します。

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