후크와 하중 사이의 가스 스프링 및 댐퍼, 외부 동력 불필요.
수동 히브 보상의 기본 원리
가스 스프링과 유압 감쇠를 이용해 크레인 후크에서 페이로드로 전달되는 운동을 외부 동력 없이 줄이는 수동 히브 보상 장치의 원리를 설명합니다. 장치 내부 구성, 운동비 해석, 감쇠 선택, RIGEL, ANTARES 및 CYGNUS의 차이를 다룹니다.
작성자 Tord Martinsen, CEO · · 검토 · 읽는 데 15분
실무 적용: 이 물리 원리는 당사의 수동 제품군 설계의 기반입니다. 제품 보기: RIGEL Basic PHC 및 ANTARES Adaptive PHC.
수동 히브 보상(PHC)은 해양 작업에서 크레인 후크의 수직 운동이 매달린 페이로드에 전달되는 정도를 줄이는 기술입니다. 파랑 유발 운동을 흡수하는 가스 스프링과 유압 댐퍼 시스템을 사용하며 외부 동력 없이 작동합니다.
선박이 파도에 따라 상하로 움직이면 크레인 후크도 따라 움직입니다. 보상이 없으면 페이로드에도 동일한 운동이 발생하여 스플래시 존 통과, 해저 착저 및 기타 중요 작업 중 위험한 동적 하중이 생깁니다. 수동 히브 보상 장치는 완충 장치로 작용하여 이 운동의 상당 부분을 흡수합니다.
시스템을 비교하고 있습니까? 수동 히브 보상 장치 (RIGEL, CYGNUS 및 ANTARES)의 용량 범위, 감쇠 제어 및 DNV-RP-N202에 따른 각 장치의 용량 산정 방식을 비교합니다.
수동 히브 보상 장치는 어떻게 작동합니까?
PHC는 세 가지 주요 구성품으로 이루어집니다:
- 가스 스프링 — 가압 질소가 페이로드 중량을 지지하는 스프링 힘을 제공합니다
- 유압 실린더 — 제어 오리피스를 통해 흐르는 오일이 들어 있습니다
- 감쇠 밸브 — 오일 유량을 제한하여 감쇠를 제공하고 파랑 에너지를 소산합니다
장치 내부: 실린더와 가스 어큐뮬레이터
“히브 보상 실린더”를 검색하면 장치의 절반만 보게 됩니다. 작업 실린더는 인양 와이어에서 인장 상태로 매달리지만, 스프링은 실린더 내부에 있지 않습니다. 스프링은 실린더에 연결된 별도의 가스 어큐뮬레이터에 있습니다:
장치는 와이어에 매달리고 로드는 하중 쪽을 향합니다. 작업 피스톤 위쪽 실린더는 진공 상태입니다. 피스톤 아래쪽의 로드측 챔버는 오일로 채워져 있으며 감쇠 제한부를 통해 어큐뮬레이터에 연결되고, 그곳에서 질소가 오일 위에 위치합니다. 후크와 하중 사이의 거리가 늘어나면 장치가 신장됩니다. 로드측 오일은 제한부를 통해 어큐뮬레이터로 밀려 들어가고 질소가 압축되며 와이어 장력이 증가합니다. 이 압력–체적 곡선 이 가스 스프링입니다. 제한부가 감쇠 기능을 담당하며, 이를 통과하며 압축되는 오일에서 파랑 에너지가 열로 소산됩니다.
제품군의 차이는 어큐뮬레이터 가스측에 있습니다: ANTARES 에는 충전 밸브와 가스 병이 추가되어 인양 단계 사이에 스프링을 다시 조정할 수 있습니다. CYGNUS 에는 기준 위치 설정용 배출 밸브가 있습니다. 위의 구조는 전체 수동 제품군에 공통으로 적용됩니다.
주요 적용 분야
- 스플래시 존 통과 — 페이로드가 파랑 구간을 통과할 때 동적 하중 감소
- 해저 착저 — 정밀 배치를 위한 착저 속도 제어
- 공진 회피 — 특정 파 주기에서 운동 증폭 방지
- 장력 관리 — 설정된 스트로크와 운용 가능 범위 내에서 팽팽한 케이블 또는 라이저의 장력 변동 감소
- 충격 흡수 — 충격 하중으로부터 페이로드와 크레인 보호
PHC 성능 요인
수동 히브 보상 장치의 효율은 강성(스프링 상수), 감쇠 조정, 스트로크 길이 및 페이로드 중량 정합에 따라 달라집니다.
수동 히브 보상은 착저 속도를 어떻게 줄입니까?
여기서 히브는 파도로 인해 발생하는 크레인 후크의 수직 운동을 의미합니다. 수동 히브 보상은 보상 장치 아래로 전달되는 파랑 유발 운동을 줄이는 것을 목적으로 하는 스프링-질량-댐퍼 시스템으로 볼 수 있습니다. 아래의 단순화된 그림은 이 상황을 보여 줍니다:
크레인 후크 운동은 다음 정현파를 따릅니다: zeta cos(omega t), PHC 의 강성은 k, 물의 질량 밀도는 rho_w, 페이로드의 기본 물성은 rho, m, A_perp이며, 각각 페이로드의 질량 밀도, 질량 및 히브 운동에 수직인 면적을 나타냅니다.
이 예에서는 페이로드가 수중에 있다고 가정하므로 페이로드에 영향을 미치는 부력, 항력 및 부가 질량을 고려해야 합니다. 이 세 효과는 서로 다른 방식으로 응답을 바꿉니다. 부력은 평형 하중을 이동시키고, 부가 질량은 유효 관성을 바꾸며, 항력은 에너지를 소산합니다. 각 효과는 조건과 주파수에 따라 유리하거나 불리할 수 있습니다.
부가 질량
m_A = rho_w C_A V_R여기서 C_A 는 부가 질량 계수이며 다음 문서에서 확인할 수 있습니다: DNV RP-N103), V_R 은 기준 체적입니다.
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 페이로드의 수직 속도입니다.
부력
F_B = rho_w V g여기서 V 는 페이로드의 배수 체적이고 g 는 중력 가속도입니다.
PHC 가스 스프링
PHC 가스 스프링의 검토용 강성을 할선값으로 정의할 수 있습니다. 평형 스트로크와 최대 스트로크 사이의 힘 차이를 스트로크 변화량으로 나눈 값입니다:
k = frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{Delta S}여기서 p_0 는 평형 압력이고 A_0 는 PHC의 피스톤 면적입니다. 할선값은 검토를 위한 단순화입니다. 평형점의 미소 운동 강성은 다르므로 아래의 모든 결과는 정확한 물성이 아니라 등가 선형 추정치입니다.
다음을 가정합니다:
- 전체 스트로크 길이는 S이며 평형 상태에서는 스트로크 중앙에 있습니다.
- 단열 압축을 적용한 이상 기체 법칙으로 압력 변화를 계산합니다.
- 평형력은 중력에서 부력을 뺀 힘과 같아야 합니다.
이 가정으로부터 다음 식을 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 – 1right]gamma 는 단열 지수입니다.
또한 평형 체적을 다음과 같이 정의할 수 있습니다:
V_{mathrm{eq}} = (R – 0.5) , A_0 , S여기서 R 는 가스-오일 비이며, 개별 조건에 맞춘 어큐뮬레이터 및 실린더 구성으로 정해집니다. R 값이 클수록 스프링이 부드러워집니다.
그러면 PHC 강성에 대한 다음 식을 얻습니다: k:
k = frac{2 (rho – rho_w) , V , g}{S}left[left( frac{R – 0.5}{R – 1} right)^gamma – 1right]이를 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 – 1right]PHC의 유압 유동 제한
제한부를 통과하는 유체 유량은 일반적으로 다음과 같이 주어집니다:
Q = A_f , alpha , sqrt{frac{2 , Delta p}{rho}}여기서:
- Q 는 유체 체적 유량,
- A_f 는 최소 유로 면적,
- alpha 는 압력 손실 계수,
- Delta p 는 압력 손실입니다.
이를 바탕으로 유압 제한으로 인한 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)^2또한 유압력의 방향은 로드의 신장 또는 수축에 따라 달라집니다.
체크 밸브가 있으면 힘의 크기도 달라질 수 있습니다.
이 식에서 어려운 점은 alpha값을 구하는 것으로 계산이 쉽지 않습니다.
CFD 또는 측정으로 산정해야 하며 여러 변수의 영향을 받을 수 있습니다.
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PHC 씰 마찰
씰 마찰은 매우 복잡한 주제이며 다음을 비롯한 여러 요인에 따라 달라집니다:
- 유체 압력
- 탄성 요소의 초기 장력
- 씰 재질
- 피스톤 또는 피스톤 로드 속도
- 표면 거칠기
- 유체 종류
- 씰 폭
- 씰 구성
완전한 씰 마찰 모델은 이 개요의 범위를 벗어납니다. 실무적으로 중요한 점은 마찰이 위의 모든 요인에 따라 변한다는 것입니다.
미분 방정식
이제 위 내용을 다음 가정과 함께 적용합니다:
- 씰 마찰은 무시합니다(실제로는 클 수 있음).
- 모델을 설명하기 위해 여기서는 유압 제한을 무시합니다. 실제 장치에서는 이 제한이 설계된 감쇠이며, 공진 피크를 제한하고 착저 응답을 제어합니다.
- 항력은 무시합니다(고성능 PHC의 경우 이 가정은 타당함).
- 리깅/와이어 로프의 강성과 감쇠를 무시합니다.
- PHC의 유체동역학을 무시합니다.
- PHC의 자체 중량을 무시합니다.
모든 요소와 더 정밀한 가스 압력 상태 방정식을 포함한 정확한 수치해석은 Norwegian Dynamics.
에서 제공합니다. 뉴턴의 제이법칙을 페이로드 질량에 적용하여 크레인 후크에 대한 상대 운동을 구할 수 있습니다.
아래쪽을 양의 방향으로 가정합니다:
정상 상태 해는 다음과 같습니다:
z(t) = frac{k , zeta}{(m + m_A), omega^2 – k} , cos(omega t)구하려는 값은 페이로드 운동과 후크 운동의 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 있습니다. 여기서 T_P 는 파 주기이며, k 를 위에서 구한 식으로 대체합니다:
frac{z(t)}{zeta cos!left(frac{2pi t}{T_p}right)}=frac{1}{displaystyleunderbrace{left(frac{m+m_A}{m}right)}_{text{Added mass}}underbrace{frac{rho}{rho-rho_w}}_{text{Buoyancy}}underbrace{frac{2pi^2}{g,T_p^2}}_{text{Wave period}}underbrace{frac{S}{left[left(frac{R-0.5}{R-1}right)^{gamma}-1right]}}_{text{PHC}}-1}이 비를 바탕으로 수동 히브 보상 효율을 정의할 수 있습니다. 비가 0이면 페이로드가 전혀 움직이지 않고, 1보다 작으면 보상 장치가 페이로드를 격리하며, 1보다 크면 운동이 증폭됩니다. 공진은 비감쇠 모델의 분모가 영이 되는 특정 조건이며, 해당 주기 부근의 증폭은 경고 신호입니다. 아래 계산기는 위의 할선 강성을 이용한 비감쇠 단일 주파수 검토식을 계산합니다. 계산 예의 값이 미리 입력되어 있으므로 실제 조건의 값으로 바꾸십시오. 이 계산기로 장치 용량을 산정할 수는 없습니다. 감쇠, 항력, 불규칙 해상 상태, 스트로크 및 압력 한계, 착저 속도와 구조 하중은 이 모델의 범위 밖이며 CONSTELLATION의 인양 검토에서 다룹니다.
수동 히브 보상 효율 계산기
고정 검토 상수: 해수 밀도 ρw = 1 030 kg/m³, 단열 지수 γ = 1.4 및 g = 9.81 m/s².
PHC의 고유 주기도 다음과 같이 정의할 수 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} – 1right)}}계산 예: 운동비 해석
계산기와 같은 조건을 사용합니다: 100 t 강재 페이로드(ρ = 7 850 kg/m³), 부가 질량 20 t , PHC 스트로크 6 m , 가스-오일 비 R = 12, 파 주기 Tp = 8 s (γ = 1.4):
- 스프링 연성. 가스 스프링 괄호항 ((R − 0.5)/(R − 1))γ − 1 ≈ 0.064 — R이 크고 스트로크가 길수록 스프링이 부드러워집니다.
- 고유 주기. Tn ≈ 16 s, 8 s 파보다 충분히 길어 시스템이 격리 범위에서 작동합니다.
- 운동비. 위 식에서 ≈ 0.33가 산출됩니다. 페이로드에는 후크 운동의 약 삼분의 일이 전달되므로 파랑 유발 운동의 약 삼분의 이가 제거됩니다.
폐형식 모델은 비감쇠 모델이며 공진 부근에서 보수적입니다. 실제 감쇠는 피크를 제한하고 격리 범위에서 일부 전달을 추가합니다. 용량 산정에는 가스 상태, 감쇠, 항력 및 리깅을 포함한 전체 수치해석이 필요하며, 이는 CONSTELLATION 검토 에서 수행합니다.
감쇠: 종류와 크기
가스 스프링은 에너지를 저장하고 댐퍼는 에너지의 소산 경로를 정합니다. 감쇠가 없으면 보상 장치는 외란이 발생할 때마다 고유 주기로 진동하는 스프링-질량 시스템입니다. 피스톤이 스트로크하면서 오일이 오리피스 또는 제어 밸브를 통해 밀려가고 유동 저항이 운동 에너지를 열로 바꿉니다. 이 힘은 속도에 따라 증가하여 공진을 제한하고 과도 응답을 안정시키며 착저 시 하강 속도를 제어합니다.
| 감쇠 유형 | 특성 | 적용 위치 |
|---|---|---|
| 선형 | 힘 ∝ 속도 | 모델링이 간단하지만 실제 하드웨어에서는 드묾 |
| 이차 | 힘 ∝ 속도² | 오리피스 유동의 고유 특성으로, 고속에서는 강하고 저속에서는 완만함 |
| 가변 | 조절식 오리피스 / 비례 밸브 | 운용 단계별로 감쇠 변경, 적응형 방식 |
실제 가변 감쇠: ANTARES 는 인양 단계 사이에 감쇠 수준을 자동 조정하며, RIGEL과 CYGNUS는 갑판에서 수동으로 설정합니다.
기타 해저 용도
수동 히브 보상 장치는 해저 설치에서 다음과 같은 이점도 제공합니다:
- 착저 단계 전체에서 와이어 장력을 유지하여 선박의 갑작스러운 횡경사를 방지합니다.
- 페이로드 재인양 시 피크 하중을 완화합니다.
- 해저 인양 시 장력을 제공하여 해저면에 고정된 상태에서 과부하를 방지합니다.
적합한 PHC 선택
Norwegian Dynamics는 세 가지 수동 히브 보상 장치 제품군을 제공합니다:
- ANTARES Adaptive PHC — 자동 감쇠 제어, 다양한 운용 모드 및 수심 3000m 등급을 갖춘 고급 적응형 수동 히브 보상 장치입니다. 높은 성능과 유연성이 필요한 작업에 적합합니다.
- RIGEL Basic PHC — 단순하고 신뢰성이 높으며 비용이 낮은 수동 히브 보상 장치입니다. 일반적인 스플래시 존 통과와 기본 보상 작업에 적합합니다.
- CYGNUS PHC — 용량 12.5에서 10,000 tonnes의 중량물 및 심해 인양용 수동 히브 보상 장치입니다. 대형 해저 구조물과 심해 착저에 적합합니다.
→ 선정 지원이 필요합니까? 히브 보상 장치 선정 가이드 또는 엔지니어에게 문의.
RIGEL, ANTARES 또는 CYGNUS — 한눈에 보기
| 속성 |  속성 |  속성 |  속성 |
|---|---|---|---|
| 유형 | 수동 | 적응형 수동 | 수동 |
| 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 |
| 동력 | 외부 동력 없음 | 배터리 — 엄빌리컬 없음 | 배터리 — 엄빌리컬 없음 |
| 주요 특징 | 가장 단순하고 가벼운 장치 | 신속 인양 기능 | 중량물 / 심해 용량 범위 |
| 인증 | 설계 및 선급 승인 · DNV-ST-0378 (형식 승인 진행 중) | 설계 및 선급 승인 · DNV-ST-0378 | 설계 및 선급 승인 · DNV-ST-0378 |
| 적합한 용도 | 일반적인 스플래시 존 통과 및 기본 보상 | 자동 감쇠가 필요한 까다로운 다단계 인양 | 중량물 및 심해 해저 인양 |
초기 선정 지침은 수동 및 능동 히브 보상 비교 가이드 에서 질문별로 확인할 수 있습니다.
수동 히브 보상 — 자주 묻는 질문
수동 히브 보상이란 무엇입니까?
수동 히브 보상 장치의 주요 구성품은 무엇입니까?
수동 히브 보상의 효율은 어느 정도입니까?
수동 보상 장치는 언제 능동 방식보다 적합합니까?
인양 조건별로 어떤 Norwegian Dynamics 보상 장치가 적합합니까?
다음 인양 작업을 위한 수동 보상 장치를 선정하고 있습니까?
운용 가능 범위, 즉 Hs, Tp, 페이로드 및 수심을 기준으로 PHC 용량을 산정합니다. 작업 조건을 보내주시면 권장 제품을 안내해 드립니다.
