海中吊り上げ

甲板から海底までの間、ペイロードには浮力、スラミング、抗力、付加質量という4つの流体力が作用します。それぞれが吊り索荷重にどう影響し、どの程度の大きさになるか、なぜ最終アプローチが着底を左右するのか、そして水深がヒーブ補償装置にどう影響するのかを解説します。

執筆： Peter Wang、COO · 2025年12月 · 2026年9月更新 · 読了目安13分

概要

水中のペイロードには4つの力が作用します。浮力は見かけの重量を変え、スラミングは入水時に衝撃を与えます。抗力は水に対する速度の2乗に、付加質量による力は加速度に応じて大きくなります。
計算例では、15 × 10 mの板を1.57 m/sで動かすと、定常流の係数では約216 kN（22 t）、また波浪帯の値では約474 kN（48 t）となります。これは DNV-RP-N103の値です。一方、10 × 10 × 20 mの角柱には1.23 m/s²で約908 kN（93 t）の付加質量による力が生じます。
対象の吊り上げに合わせて選定したヒーブ補償装置は、水に対するペイロードの相対速度と加速度のうちクレーンの動きに由来する分を抑え、両方の力を低減するとともに、着底までワイヤの張力を保ちます。
水没と水深の増加はヒーブ補償装置の作動点を移動させます。浮力と水圧は装置を内側へ押し、ガスの放出で補正します。下降中の冷却は外側へ押すため、ガスの追加が必要です。RIGEL、CYGNUS、ANTARESはいずれも定格水深3,000 mで、再センタリング方法が異なります。RIGELは甲板上で設定し、CYGNUSはガスを放出でき、ANTARESは放出と追加の両方ができます。

海中吊り上げは甲板からスプラッシュゾーンを通り、水柱を下降して海底に至ります。水の密度は空気の約800倍で、ペイロードに4つの異なる形で力を及ぼします。どの力が支配的になるかは、スプラッシュゾーンから水柱、着底へと進むにつれて変わります。

区別すべき4つの力

力	何に応じて変化するか	重要となる場所	作用
浮力	排水体積、 $\rho_w V g$	入水時から作用し、水面通過中に急変する	見かけの重量を減らし変動させるため、ワイヤが緩むリスクがある
スラミング	入水時の衝突速度の2乗	スプラッシュゾーン	ペイロードと玉掛け具に短く鋭い荷重ピークを生む
抗力	相対速度の2乗、 $\tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z^{2}$	波浪や潮流の中を下降する間	運動に抵抗する。例の板では22～48 t
付加質量	相対加速度、 $\rho_w C_A V_R\, \ddot z$	あらゆる振動。海底付近で増大する	振動のたびに慣性を加える。例の角柱では約93 t

スプラッシュゾーンでは、スラミング、急変する浮力、波の水粒子速度が数mの移動範囲に重なります。スプラッシュゾーン通過で詳しく説明し、 DNV-RP-N103 に方法が示されています。以下の2つの計算例は異なる物体を対象とするため、結果は1つのペイロードに作用する2つの力ではなく、合算しません。

抗力

抗力はペイロードの海底に対する速度ではなく、周囲の水に対する速度の2乗に応じて大きくなります。クレーンとウインチの動き、および水自体の粒子速度が、この相対速度 $\dot z$ :

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、 $A_\perp$ は流れを受ける面積です。 DNV-RP-N103 には形状ごとの両者が表に示されています。表の係数は定常流の値です。波浪帯の振動流では同RPは通常2～3倍高い係数を用い、CFDや模型試験がない典型的な海中構造物について $C_D \ge 2.5$ を示しています。

計算例：15 × 10 mの板

4 mの波、周期8 sの中で、板を水平に保って下降させます。正弦波の振幅を $\zeta = H/2 = 2\ \text{m}$ . とします。概算評価の入力として、水に対する最大相対速度を波の動きから直接求めます。

\dot z_{\max} = \zeta\, \omega = 2 \cdot \frac{2\pi}{8} \approx 1.57\ \text{m/s}

流れに垂直な板の係数は

C_D = 1.1 + 0.02 \left( \frac{15}{10} + \frac{10}{15} \right) \approx 1.14

となり、 $A_\perp = 150\ \text{m}^2$ および $\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3$ :

F_D = \tfrac{1}{2} \cdot 1{,}025 \cdot 1.14 \cdot 150 \cdot 1.57^{2}

F_D \approx 216\ \text{kN} \approx 22\ \text{t}

これは定常流の係数による値です。 DNV-RP-N103の波浪帯における2.5以上の値を使うと、同じ板の抗力は約474 kN（48 t）となり、2倍を超えます。

図1. 定常流の係数を用いた例の板の抗力 (

C_D = 1.14

A_\perp = 150\ \text{m}^2

\rho_w = 1{,}025\ \text{kg/m}^3

) と水に対する相対速度の関係です。力は速度の2乗に応じて増えるため、相対速度を半分にすると抗力は4分の1になります。特定の吊り上げで補償装置が速度をどれだけ減らすかは、装置固有の性能ではなく吊り上げモデルの結果です。

形状別の定常流抗力係数（DNV-RP-N103)

形状	$C_D$	$A_\perp$
球	$0.5$	$\pi r^2$
水平円柱	$1.2$	$2 r L$
垂直円柱	$1.1$ （ $L/2r = 0.5$ , $0.9$ から $1$ まで、 $4$ , $1.0$ （ $8$	$\pi r^2$
面を流れに向けた立方体	$1.05$	$a^2$
先端を流れに向けた円錐	角度により約 $0.5$ , 、角度によって変動	$\pi r^2$
流れに垂直な長方形板	$1.1 + 0.02\,(L/W + W/L)$	$L W$

付加質量

水中で加速するペイロードは、周囲の水の一部も加速させる必要があります。この水はペイロードの加速時にも減速時にも追加の質量として働き、静的重量に慣性力が加わります。

m_A = \rho_w\, C_A\, V_R

ここで $C_A$ は付加質量係数、 $V_R$ は基準体積で、どちらも形状別の値が DNV-RP-N103に示されています。海底付近では閉塞効果により付加質量が増えます。まさに着底する場所です。

計算例：10 × 10 × 20 mの角柱

同じ4 m、8 sの波の中で、長軸方向に動く正方形断面の角柱を考えます。最大加速度は

\ddot z_{\max} = \zeta\, \omega^{2} = 2 \cdot \left( \frac{2\pi}{8} \right)^{2} \approx 1.23\ \text{m/s}^2

このとき $L/W = 2$ の係数は $C_A = 0.36$ , で、 $V_R = W^2 L = 2{,}000\ \text{m}^3$ . したがって

F = 1{,}025 \cdot 0.36 \cdot 2{,}000 \cdot 1.23

F \approx 908\ \text{kN} \approx 93\ \text{t}

形状別の付加質量係数（DNV-RP-N103)

形状	$C_A$	$V_R$
球	$0.5$ , 全方向で	$\tfrac{4}{3}\pi r^3$
軸に直交する方向に動く円柱（水平に降ろす管やスプール）	$0.62$ （ $L/2r = 1.2$ , から、 $1.00$ 長い円柱では	$\pi r^2 L$
流れに垂直な長方形板	$0.58$ （ $L/W = 1$ , から、 $1.00$ 長い板では	$\tfrac{\pi}{4} W^2 L$
流れに垂直な円板	$2/\pi$	$\tfrac{4\pi}{3} r^3$
長軸方向に動く正方形断面の角柱	$0.68$ , $0.36$ , $0.19$ , $0.08$ （ $L/W = 1, 2, 4, 10$	$W^2 L$

計算例の前提

相対速度と加速度は、指定した波高と周期の正弦波から直接求めており、船舶応答モデルによる値ではありません。実際の吊り上げでは、船体運動、クレーン先端の応答、ウインチ指令、ワイヤの動力学、補償装置の状態、水自体の粒子運動を連成モデルに入れて求めます。
抗力と付加質量による力のピークは同時には起きません。正弦波では速度と加速度のピークは周期の4分の1だけずれます。組み合わせたピークは時刻歴解析の結果から求めます。
係数は無限流体中の値で、自由表面や海底の影響は補正していません。
両方の例で浮力とスラミングは含めていません。スプラッシュゾーンでは通常、これらが支配的です。

甲板から海底まで、1回の吊り上げ

ANTARESでは、1回の吊り上げで4つのモードを使います。

甲板上：ロック。 ロッドをロックした状態で玉掛けして吊り上げ、高さを抑えます。
スプラッシュゾーン。 舷側を越え波浪帯を通過します。スラミングとスナップ荷重を確認し、通過時は装置の剛性と減衰を高めます。
下降：海中。 水柱では装置を柔らかく設定します。抗力と付加質量による力は、局所的な相対運動に応じて変わります。
着底。 バルブを開きEQ機能を解除して、海底に穏やかに着底させます。

RIGELとCYGNUSは、吊り上げに合わせて甲板上で選んだ単一の減衰設定で運用します。どの装置でも、パッシブ方式が荷重を波から遮断できるのは、波の周期が系の固有周期より十分短い場合だけで、固有周期付近では運動が増幅します。ワイヤを繰り出すにつれ吊り下げ系は柔らかくなり、固有周期が長くなるため、ある水深で波の周期帯に入る可能性があります。吊り上げモデルでは下降中の共振を確認します。

甲板から海底までのANTARESによるアダプティブパッシブヒーブ補償をCONSTELLATIONでモデル化。こうした吊り上げの海況全体にわたる評価は運用可能性のスクリーニング.

図2. CONSTELLATIONによる同じ吊り上げの数値結果：ANTARES（250 t、ストローク4.5 m）でマニホールドを甲板から海底へ降ろしたときのペイロード水深とワイヤ張力。H_s は3.0 m、T_p は8 s、水深は150 mです。帯は各8 sの波周期における張力の最小値から最大値を示します。空中で吊り索にかかる荷重は約189 tで、下降中は水中重量の168 t付近に落ち着きます。スプラッシュゾーンでもスリングは緩まず（DAF 1.13）、マニホールドは0.11 m/sで着底します。海底が荷重を受ける前の着底時DAFは1.00です。

この規模の力、たとえば静的重量に加わる93 tの慣性力があるため、重量物の海中吊り上げでは、対象に合わせて選定したパッシブヒーブ補償装置を使うことが多くあります。水に対するペイロードの相対速度と加速度のうちクレーン由来の分を抑え、抗力と付加質量による力を下げます。水自体の粒子運動は残ります。ワイヤが下降中ずっと張力を保つかは、その案件の吊り上げモデルで確認します。当社の製品では3機種とも定格水深は3,000 mです。 CYGNUS は最大10,000 tの重量物吊り上げ、 RIGEL は55 tからの標準的な吊り上げ、 ANTARES はスプラッシュゾーン、水柱、着底で異なる設定が必要な吊り上げに対応します。

着底：最終アプローチ

着底時のエネルギーは接近速度の2乗に応じて大きくなり、接触荷重のピークは地盤と構造物がそのエネルギーをどれだけ吸収するかで決まります。補償がなければ、接近速度にはウインチ速度に船体のヒーブが加わります。強い衝突や跳ね返りを伴う着底は、マニホールド、ツリー、テンプレートの精密な面やシールの損傷、マッドマットの座屈や過度の貫入、その後の接続に支障が出る位置ずれにつながります。

海況に合わせて選定したヒーブ補償装置を使うと、船体のヒーブが荷重に伝わる割合が大きく下がり、接近速度はウインチ速度に近づきます。当社では着底速度0.5 m/sを基準に着底をスクリーニングします。これは DNV-RP-N103に基づき当社が適用する許容限界です。パッシブ方式は荷重に伝わる船体運動を低減しますが、消し去るわけではありません。実際の到達速度は海況に依存するため、案件ごとに確認します。

アプローチ。 通常の補償状態で海底の数m上まで降ろします。
最終下降。 ANTARESでは着底モードに切り替え、制御した速度でワイヤを繰り出します。
着底。 0.1–0.5 m/sで接触させ、残留ヒーブを吸収して荷重の跳ね返りを防ぎます。
荷重移管。 ワイヤ張力を徐々に解放します。海底が重量を受ける間、補償装置がスナップ荷重を抑えます。

穏やかな着底のため、ANTARESの着底モードではバルブを開き、EQ機能を解除します。正確な下降速度の維持が必要な場合は、アクティブ方式で制御します。穏やかな着底を支える運動の物理についてはパッシブヒーブ補償.

水深がヒーブ補償装置に及ぼす影響

荷重が水中に入ると、ペイロードの浮力、ガスの冷却、ロッドにかかる水圧という3つの作用で補償装置の作動点がずれます。4つ目の漏水は設計によって防ぎます。RIGEL、CYGNUS、ANTARESはいずれも定格水深3,000 mですが、再センタリングの方法が異なります。CYGNUSとANTARESは平衡（EQ）機能を使います。CYGNUSではガスを放出し、ANTARESではさらに追加もできます。RIGELにはEQ機能がなく、その吊り上げに合わせて甲板上でガス充填量を設定します。

作用	補償装置への影響	対処方法
浮力	水中ではペイロードの正味重量が減るため、装置の平衡位置が内側へ移動し、最悪の場合は完全に収縮する	ガスを放出して中央に戻す。CYGNUSではガスが冷却した後に行う。CYGNUSとANTARESはどちらも対応できる
冷却	下降中にガスが冷えて圧力が下がる。変化の大半は水温躍層を通る際に急速に起きる。失われるストローク量はガス体積、予荷重、下降条件に依存する	搭載ボトルからガスを追加する。ANTARESは対応できるが、ガスの放出しかできないCYGNUSは対応できない
水圧	約10 mごとに1 barの水圧がロッドに作用し、押し込みます。180 mmのロッドを用いた250 tの吊り上げでは、水深1,000 mで水がロッドを約26 tの力で押し込み、荷重が224 tに減ったかのようになります。全ストロークで押しのける油量の約3倍のガス体積を持つ装置では、平衡位置がストローク中央から約6分の1の位置まで移ります	水深が増すにつれガスを放出する。CYGNUSとANTARESはどちらも対応できる
漏水	水の侵入による性能低下と腐食	設計、試験、保守で対処する。2つのシール面に二重シールを設け、FATで外圧試験を行い、漏れを封じ込める区画を備え、計画的にシールを交換する

水圧の例：密度1,025 kg/m³の海水では、水深1,000 mで約10 MPa、180 mmのロッドには約256 kNが作用します。

これらの作用は一部相殺されます。冷却の大半は水温躍層で起きますが、水圧による変位は水深とともに増え続けます。CYGNUSはガスが冷えるまで放出を待ち、その間、平衡位置が中央からずれても耐えられるストロークがあれば、一方向のガス放出で深海の吊り上げに対応できます。ANTARESは搭載ボトルからガスを追加できるため、下降の各段階で中央に戻せます。RIGELは甲板上で設定したガス充填量のまま下降するので、正味の変位がストローク内に収まることを吊り上げモデルで確認します。

よくある質問

海中吊り上げは空中での吊り上げよりなぜ難しいのですか？

水は4つの形で作用します。浮力は見かけの重量を変え、スラミングは入水時に衝撃を与えます。抗力は相対速度の2乗に応じて運動に抵抗し、付加質量による力は加速時にペイロードの見かけの質量を増やします。支配的な力はスプラッシュゾーン、水柱、着底の各段階で変わります。

海中吊り上げで抗力はどの程度になりますか？

計算例では、15 × 10 mの板が水に対し1.57 m/sで動くと、定常流の抗力係数では約216 kN（22 t）、また波浪帯の係数では約474 kN（48 t）の抗力が生じます。これは DNV-RP-N103の波浪帯における係数2.5を使った値です。抗力は速度の2乗に応じて増えるため、相対速度を半分にすると力は4分の1になります。

付加質量とは何で、どの程度の大きさですか？

ペイロードが自身とともに加速させる必要がある水の質量です。計算例の10 × 10 × 20 mの角柱には、周期8 sの波で約908 kN（93 t）の慣性力が加わります。海底付近では閉塞効果により付加質量が増えます。

スプラッシュゾーンではどの力が支配的ですか？

波の水粒子速度に加え、スラミングと急変する浮力です。数mの移動範囲に集中するこれらの作用が、吊り上げの他のどの段階よりも補償装置の選定を左右することが多くあります。

ヒーブ補償は海中吊り上げをどのように守りますか？

対象に合わせて選定した補償装置は、水に対するペイロードの相対速度と加速度のうちクレーン由来の分を抑え、抗力と付加質量による力を低減します。また、ワイヤの張力を保ち、緩みから急激な張力が生じる事象を抑えます。パッシブ方式が荷重を遮断できるのは、固有周期より十分短い周期の波に対してだけなので、吊り上げモデルではワイヤの繰り出しに伴う共振を確認します。当社の製品はすべて定格水深3,000 mで、重量物吊り上げにはCYGNUS、標準的な吊り上げにはRIGEL、スプラッシュゾーン、水柱、着底で異なる設定が必要な吊り上げにはANTARESが対応します。

深海にはどのヒーブ補償装置が適していますか？

RIGEL、CYGNUS、ANTARESはいずれも定格水深3,000 mです。違いは水深の変化に伴う再センタリング方法にあります。浮力と水圧は補償装置を内側へ押し、ガスの放出で補正します。下降中の冷却は外側へ押すため、ガスの追加が必要です。これらの作用は一部相殺されます。冷却の大半は水温躍層で起き、水圧による変位は水深とともに増え続けます。RIGELは甲板上で設定したガス充填量のまま下降するため、正味の変位がストローク内に収まることを吊り上げモデルで確認します。CYGNUSはガスを放出でき、ガスが冷えるまで放出を待てば深海での吊り上げに対応します。ANTARESは搭載ボトルからガスも追加できるため、各段階で中央に戻せます。