수동형 히브 보상

후크와 하중 사이의 가스 스프링 및 댐퍼 — 외부 전원 불필요.

수동형 히브 보상의 기초

Q: 효율은 어느 정도입니까?

적절히 사이징된 PHC는 후크 운동의 일부만 전달합니다 — 위 계산 예제에서는 Tp = 8 s에서 약 3분의 1입니다. 설계 목표는 시스템 고유 주기를 작업의 파주기보다 충분히 높게 유지하는 것이며, 이 페이지의 계산기가 첫 지표를 제공합니다.

작성자 Tord Martinsen, CEO · 2025년 시월

실제 적용: 이 주제의 실제 적용 사례는 RIGEL Basic PHC 및 ANTARES Adaptive PHC를 참조하십시오.

수동형 히브 보상 (PHC)은 크레인 후크에서 매달린 페이로드로 전달되는 수직 운동을 줄이기 위해 해양 작업에서 사용되는 기법입니다. 파랑에 의해 유발되는 운동을 흡수하는 가스 스프링 및 유압 댐퍼 시스템을 사용하여 외부 전원 없이 작동합니다.

선박이 파랑을 따라 상하로 움직이면 크레인 후크도 이를 따릅니다. 보상이 없으면 페이로드는 동일한 운동을 겪으며 — 비말대 통과, 해저 착저 및 기타 중요한 작업 중 위험한 동적 하중을 발생시킵니다. 수동형 히브 보상기는 완충 장치 역할을 하여 이 운동의 상당 부분을 흡수합니다.

시스템을 비교 중이신가요? 수동형 히브 보상기 비교 — RIGEL, CYGNUS 및 ANTARES — 용량 대역, 감쇠 제어 및 각 제품이 DNV-RP-N202에 맞춰 사이징되는 방식.

수동형 히브 보상기는 어떻게 작동합니까?

PHC는 세 가지 주요 구성품으로 이루어집니다:

가스 스프링 — 가압된 질소 가스가 페이로드 무게를 지지하는 스프링 힘을 제공
유압 실린더 — 제어된 오리피스를 통해 흐르는 오일을 포함
감쇠 밸브 — 오일 유동을 제한하여 감쇠를 제공하고 파랑 에너지를 소산

주요 적용 분야

비말대 통과 — 페이로드가 파랑 구역을 통과할 때 동적 하중 감소
해저 착저 — 정밀한 배치를 위한 착저 속도 제어
공진 회피 — 특정 파주기에서 운동 증폭 방지
장력 유지 — 케이블이나 라이저의 일정한 장력 유지
충격 흡수 — 충격 하중으로부터 페이로드와 크레인 보호

PHC 성능 요인

수동형 히브 보상기의 효율은 강성(스프링 상수), 감쇠 튜닝, 스트로크 길이 및 페이로드 무게 정합에 따라 달라집니다.

수동형 히브 보상은 착저속도를 어떻게 줄입니까?

히브(Heave)는 수직 운동을 의미하며, 본 맥락에서는 파랑에 의해 유발되는 크레인 후크의 수직 운동을 뜻합니다. 수동형 히브 보상은 보상기 하부의 파랑 유발 운동을 줄이는 것을 목적으로 하는 스프링-질량-댐퍼 시스템으로 볼 수 있습니다. 아래의 단순화된 스케치가 이 시나리오를 보여줍니다:

그림 1 — 유도의 배경이 되는 단순화 모델. 크레인 후크는 ζ cos(ωt)를 부여하고, PHC는 강성 k를 기여하며(아래 가정 목록에 따라 감쇠는 무시), 질량 m, 밀도 ρ 및 단면적 A⊥를 갖는 수중 페이로드는 밀도 ρ_w의 물속에서 무게 mg, 부력 F_B 및 부가질량 m_A를 받습니다. 양의 z는 아래 방향입니다.

크레인 후크 운동은 $\zeta \cos(\omega t)$ 로 주어지는 정현파를 따르며, PHC 는 강성 $k$ 를 가지고, 물은 질량 밀도 $\rho_w$ 를 가지며, 페이로드는 각각 페이로드 질량 밀도, 질량 및 히브 운동에 수직인 면적에 해당하는 기본 물성 $\rho, m, A_\perp$ 를 가집니다.

이 예제에서 페이로드가 해저에 있다고 가정하므로, 페이로드에 영향을 미치는 부력, 항력 및 부가질량을 고려하는 것이 중요합니다. 이 세 가지 효과는 모두 PHC의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

부가질량

m_A = \rho_w C_A V_R

여기서 $C_A$ 는 부가질량 계수(DNV RP-N103에서 확인 가능)이고 $V_R$ 은 기준 부피입니다.

항력

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

여기서 $C_D$ 는 항력 계수이고 $\dot z$ 는 페이로드 수직 속도입니다.

부력

F_B = \rho_w V g

여기서 $V$ 는 페이로드의 배제 부피이고 $g$ 는 중력 가속도입니다.

PHC 가스 스프링

PHC 가스 스프링의 평균 강성은 평형 스트로크에서 전체 스트로크까지의 힘 차이를 스트로크 변화로 나눈 값으로 정의할 수 있습니다:

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

여기서 $p_0$ 는 평형 압력이고 $A_0$ 는 PHC의 피스톤 면적입니다.

다음을 가정합니다:

전체 스트로크 길이는 $S$ 이며, 평형 상태에서는 스트로크 중간에 있습니다.
압력 변화를 계산하기 위해 단열 압축을 적용한 이상 기체 법칙을 사용합니다.
평형 힘은 중력에서 부력을 뺀 힘과 같아야 합니다.

이러한 가정으로부터 다음을 얻습니다:

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]

$\gamma$ 는 단열 지수입니다.

평형 부피를 다음과 같이 정의한다고 추가로 가정할 수 있습니다:

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

여기서 $R$ 은 가스-오일비로, PHC의 경우 일반적으로 2–12 범위입니다. $R$ 값이 클수록 스프링이 더 부드러워집니다.

그러면 PHC 강성 $k$ 에 대한 다음 식을 얻습니다:

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

이는 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다:

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]

PHC의 유압 유동 제한

제한부를 통과하는 유체 유동은 일반적으로 다음과 같이 주어집니다:

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

여기서:

$Q$ 는 유체 체적 유량,
$A_f$ 는 최소 유동 면적,
$\alpha$ 는 압력 손실 계수, 그리고
$\Delta p$ 는 압력 손실입니다.

이를 기반으로 유압 제한에 의한 힘을 구할 수 있습니다:

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

또한 유압력의 부호는 로드의 신장 또는 수축에 따라 달라진다는 점에 유의하십시오.
나아가 체크 밸브가 있는 경우 크기가 달라질 수 있습니다.

이 식의 핵심은 $\alpha$ 를 아는 것인데, 이는 계산하기 쉽지 않습니다.
CFD나 측정을 통해 구해야 하며 변수도 많을 수 있습니다.

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PHC의 씰 마찰

씰 마찰은 매우 복잡한 주제입니다. 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다:

유체의 압력
탄성 요소의 예압
씰 재질
피스톤 또는 피스톤 로드의 속도
표면 거칠기
유체 종류
씰 폭
씰 구성

이 간략한 소개에서 세부 사항을 논의하기에는 너무 복잡합니다.

미분 방정식

이제 위 내용을 다음 가정과 함께 사용합니다:

씰 마찰은 무시합니다(실제로는 상당할 수 있습니다).
유압 제한은 무시합니다(일반적으로 PHC 설계가 우수하면 낮을 수 있습니다).
항력은 무시합니다(고성능 PHC의 경우 이 가정은 타당합니다).
리깅/와이어 로프의 강성과 감쇠는 무시합니다.
PHC의 유체역학은 무시합니다.
PHC의 자중은 무시합니다.

모든 요소를 포함한 더 정확한 수치 해(및 가스 압력에 대한 더 정밀한 상태 방정식)는 Norwegian Dynamics에서 제공받을 수 있습니다.

페이로드 질량에 뉴턴의 제2법칙을 적용하여 크레인 후크에 대한 상대적 운동을 알아낼 수 있습니다.
아래 방향을 양의 방향으로 가정합니다:

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

이는 다음과 같은 정상 상태 해를 가집니다:

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

우리가 알고자 하는 것은 페이로드 운동과 후크 운동 사이의 비입니다.

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

그런 다음 $\omega$ 를 $\frac{2 \pi}{T_P}$ 로 바꿀 수 있는데, 여기서 $T_P$ 는 파주기이며, $k$ 를 위의 식으로 대체합니다:

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

이 비를 기반으로 수동형 히브 보상 효율을 정의할 수 있습니다. 비가 0이면 효율은 100%이고, 절대값이 1보다 크면 공진이 발생함을 의미합니다. 아래 계산기는 수동형 히브 보상 성능의 대략적인 지표로 사용할 수 있습니다.

그림 2 — 위 식에서 도출한 운동비를, 계산기의 기본 페이로드(m = 100 t, m_A = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, S = 4.5 m)로 세 가지 가스-오일비 R에 대해 도시한 것. 1.0 미만에서는 PHC가 페이로드를 절연하고, T_n에서는 공진합니다. 이 모델은 감쇠가 없으며 — 실제 PHC 감쇠는 공진 피크를 제한합니다. 설계 목표가 드러납니다: 더 부드러운 스프링(더 높은 R, 더 긴 스트로크)은 T_n을 작업하는 파주기보다 훨씬 높게 밀어 올립니다.

수동형 히브 보상 효율 계산기

페이로드 질량 m (tonnes):

부가질량 mₐ (tonnes):

페이로드 밀도 ρ (kg/m³):

파주기 Tₚ (s):

스트로크 길이 S (m):

가스-오일비 R:

PHC의 고유 주기를 다음과 같이 정의할 수도 있습니다:

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)} }

계산 예제: 운동비 해석

계산기의 예시 사례를 살펴봅니다: 100 t 강재 페이로드(ρ = 7 850 kg/m³)에 20 t 부가질량, 6 m 스트로크 및 가스-오일비 R = 12의 PHC, 주기 T_p = 8 s (γ = 1.4)의 파랑 조건:

스프링 유연성. 가스 스프링 항 ((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — 높은 R과 긴 스트로크는 부드러운 스프링을 만듭니다.
고유 주기. T_n ≈ 16 s로, 8 s 파랑보다 충분히 높음 — 시스템이 절연 영역에서 작동합니다.
운동비. 위 식에서 ≈ 0.33이 나옵니다: 페이로드는 후크 운동의 약 3분의 1을 받으며 — 파랑 유발 운동의 약 3분의 2가 제거됩니다.

폐쇄형 모델은 감쇠가 없으며 공진 부근에서 보수적입니다 — 실제 감쇠는 피크를 제한하고 절연 영역에서 약간의 전달을 추가합니다. 사이징을 위해서는 전체 수치 해(가스 상태, 감쇠, 항력, 리깅)를 사용하며, 이는 CONSTELLATION 스터디가 실행하는 것입니다.

감쇠: 종류와 수준

가스 스프링은 에너지를 저장하고 — 댐퍼는 그 에너지가 어디로 갈지 결정합니다. 감쇠가 없으면 보상기는 스프링-질량 시스템으로, 모든 교란 후 고유 주기로 진동합니다. 피스톤이 스트로크하면 오일이 오리피스나 제어 밸브를 통해 밀려나가고 유동 저항이 운동 에너지를 열로 변환합니다: 속도에 따라 증가하는 힘으로, 공진을 제한하고 과도 응답을 안정시키며 착저를 위한 하강 속도 제어를 제공합니다.

감쇠 유형	특성	적용 사례
선형	힘 ∝ 속도	모델링이 간단 — 실제 하드웨어에서는 드묾
2차	힘 ∝ 속도²	오리피스 유동의 자연스러운 거동 — 고속에서 강하고 저속에서 완만함
가변	조절식 오리피스 / 비례 밸브	작업 단계별로 감쇠 변경 — 적응형 방식

너무 적음위험하게 공진 — 과도 응답이 계속 진동

적정 범위정상 하강 시 임계 감쇠의 ≈ 5 – 15% — 공진 안전성과 함께 최고 효율; 비말대 및 착저를 위해 일시적으로 상향

너무 많음시스템이 뻣뻣해짐 — 선박 운동이 전달되고 효율이 저하됨

실제 가변 감쇠: ANTARES는 인양 단계 사이에서 자동으로 수준을 조정하며, RIGEL과 CYGNUS는 갑판에서 수동으로 설정됩니다.

기타 해저 적용

수동형 히브 보상 유닛은 해저 설치에 다른 이점도 제공할 수 있습니다:

착저 단계 전반에 걸쳐 와이어 장력을 유지하여 선박의 급격한 횡경사를 방지하는 능력.
페이로드 재인양 시 피크 하중 완화.
해저에 고정된 상태에서 과부하를 방지하기 위해 해저 회수 중 장력 제공.

적합한 PHC 선택

Norwegian Dynamics는 세 가지 수동형 히브 보상기 제품 라인을 제공합니다:

ANTARES Adaptive PHC — 자동 감쇠 제어, 다중 작동 모드 및 3000m까지의 수심 등급을 갖춘 고급 적응형 수동형 히브 보상기. 높은 성능과 유연성이 필요한 작업에 최적.
RIGEL Basic PHC — 단순하고 신뢰성 있으며 저비용의 수동형 히브 보상기. 단순한 비말대 통과 및 기본 보상 작업에 최적.
CYGNUS PHC — 12.5톤에서 10,000톤까지의 용량을 갖춘 대하중 및 심해 인양용 수동형 히브 보상기. 대형 해저 구조물 및 심해 착저에 최적.

→ 선택에 도움이 필요하십니까? 당사의 히브 보상기 선정 가이드를 참조하시거나 엔지니어에게 문의하십시오.

RIGEL, ANTARES 또는 CYGNUS — 한눈에 보기

	RIGEL	ANTARES	CYGNUS
유형	수동형	적응형 수동형	수동형
감쇠	수동, 갑판에서 설정	자동 감쇠 제어	수동, 갑판에서 설정
SWL 범위	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
스트로크	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
전원	외부 전원 불필요	배터리 — 엄빌리컬 불필요	배터리 — 엄빌리컬 불필요
주요 특징	가장 단순하고 가벼운 유닛	신속 인양 기능	대하중/심해 용량 대역
인증	설계 및 선급 인증 · DNV-ST-0378 (형식 승인 진행 중)	설계 및 선급 인증 · DNV-ST-0378	설계 및 선급 인증 · DNV-ST-0378
적합 용도	단순한 비말대 통과 및 기본 보상	자동 감쇠가 필요한 까다로운 다단계 인양	대하중 및 심해 해저 인양

1차 지침 — 수동형 대 능동형 히브 보상 가이드가 선택 문제를 항목별로 안내합니다.

수동형 히브 보상 — 자주 묻는 질문

수동형 히브 보상이란 무엇입니까?

외부 전원 없이 크레인 후크에서 페이로드로 전달되는 수직 운동을 줄이는 방법: 질소 가스 스프링이 무게를 지지하고 유압 감쇠가 파랑 에너지를 소산시킵니다.

주요 구성품은 무엇입니까?

가스 스프링(가압 질소), 제어된 오리피스를 통해 오일이 흐르는 유압 실린더, 그리고 유동을 제한하여 에너지를 소산시키는 감쇠 밸브.

효율은 어느 정도입니까?

적절히 사이징된 PHC는 후크 운동의 일부만 전달합니다 — 위 계산 예제에서는 T_p = 8 s에서 약 3분의 1입니다. 설계 목표는 시스템 고유 주기를 작업의 파주기보다 충분히 높게 유지하는 것이며, 이 페이지의 계산기가 첫 지표를 제공합니다.

수동형과 능동형 중 어떻게 선택합니까?

수동형은 비말대, 착저, 장력 유지 및 회수 작업에서 단순성, 신뢰성 및 외부 전원 불필요 측면에서 우수합니다; 능동형은 잔류 운동을 0에 가깝게 구동해야 하는 경우에 사용됩니다. 능동형 대 수동형 비교에서 장단점을 다룹니다.

어떤 인양에 어떤 보상기가 적합합니까?

RIGEL은 단순한 수동형 보상에; ANTARES는 자동 감쇠 제어나 신속 인양이 중요할 때; CYGNUS는 최대 10 000 t의 대하중 및 심해 인양에 적합합니다. 위 표에서 항목별로 비교합니다.

이 시스템이 필요한 인양을 진행 중이신가요?

당사는 운영 범위 — Hs, Tp, 페이로드, 수심에 맞춰 PHC를 사이징합니다. 사례를 보내주시면 권장 제품을 회신해 드립니다.