
수동 히브 보상의 기본 원리
장치의 구조를 이해한 다음 응답 모델을 살펴보세요.
수동 히브 보상(PHC)은 해양 작업에서 크레인 훅의 수직 운동이 매달린 페이로드로 전달되는 정도를 줄이는 기술입니다. 가스 스프링과 유압 댐퍼로 파랑에 따른 운동을 흡수하며, 외부 동력 없이 작동합니다.
선박이 파도에 따라 위아래로 움직이면 크레인 훅도 따라 움직입니다. 보상이 없으면 페이로드에도 같은 운동이 전달되어 스플래시 존 통과, 해저 착저 및 기타 중요한 작업 중 위험한 동적 하중이 발생합니다. 수동 히브 보상 장치는 완충 역할을 하며 이 운동의 상당 부분을 흡수합니다.
ND의 수동형 제품군인 RIGEL, CYGNUS, 적응형 ANTARES는 이 물리 원리를 바탕으로 합니다. DNV-RP-N202에 따른 용량 범위, 감쇠 제어 및 크기 선정 방식을 비교하세요. 센서 제어식 보상에 대해서는 능동 히브 보상.
수동 히브 보상 장치는 어떻게 작동하나요?
PHC는 다음 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다:
- 작동 실린더: 피스톤 위쪽은 진공이고 로드 측은 오일로 채워져 있으며, 로드는 아래쪽 하중으로 이어집니다
- 가스 축압기: 오일 위쪽에 질소가 있으며, 압축된 가스가 페이로드를 지탱하는 스프링 역할을 합니다
- 감쇠 제한부: 실린더와 축압기 사이의 오일 라인에 있으며, 통과하는 오일이 파랑 에너지를 소산합니다
장치 내부: 실린더와 가스 축압기
“히브 보상 실린더”를 검색하면 장치의 절반만 보게 됩니다. 작동 실린더는 리프팅 와이어에 인장 상태로 매달려 있지만, 스프링은 실린더 안에 있지 않습니다. 스프링 역할을 하는 부분은 실린더에 연결된 별도의 가스 축압기 안에 있습니다:
장치는 와이어에 매달리고 로드는 아래쪽 하중으로 이어집니다. 작동 피스톤 위쪽의 실린더 내부는 진공입니다. 피스톤 아래쪽 로드 측 챔버는 오일로 채워져 있으며, 감쇠 제한부를 거쳐 축압기와 연결됩니다. 축압기에서는 질소가 오일 위에 있습니다. 훅과 하중 사이가 벌어지면 장치가 늘어납니다. 로드 측 오일이 제한부를 통해 축압기로 밀려 들어가고, 질소가 압축되면서 와이어 장력이 증가합니다. 이 압력-체적 곡선이 바로 가스 스프링입니다. 제한부는 감쇠 역할을 합니다. 오일이 이곳을 통과하면서 파랑 에너지가 열로 바뀌어 계에서 빠져나갑니다.
제품군 간 차이는 축압기의 가스 측에 있습니다. ANTARES 제품군에는 충전 밸브와 가스 병이 추가되어 리프팅 단계 사이에 스프링 특성을 다시 조정할 수 있으며, CYGNUS 제품군에는 기준 위치 설정을 위한 배출 밸브가 있습니다. 위 구조는 수동형 제품군 전체에 공통입니다.
주요 적용 분야
- 스플래시 존 통과: 페이로드가 파랑 구역을 통과할 때 동적 하중 감소
- 해저 착저: 정확한 위치에 놓을 수 있도록 착저 속도 제어
- 공진 방지: 특정 파랑 주기에서 운동 증폭 방지
- 장력 관리: 설정된 스트로크와 운용 가능 범위 안에서 팽팽한 케이블이나 라이저의 장력 변동 감소
- 충격 흡수: 충격 하중으로부터 페이로드와 크레인 보호
PHC 성능에 영향을 주는 요소
수동 히브 보상 장치의 효율은 다음 네 가지에 따라 달라집니다:
- 강성: 가스 체적으로 결정되며, 가스 대 오일 비율 R이 높고 스트로크가 길수록 스프링이 더 유연해지고 고유 주기가 길어집니다.
- 감쇠: 오일 라인의 제한부로 결정되며, 응답을 지나치게 강하게 만들지 않으면서 공진을 제어할 만큼 충분해야 합니다.
- 스트로크: 훅과 페이로드 사이의 상대 운동을 여유 있게 수용해야 하며, 그렇지 않으면 장치가 스트로크 상한이나 하한에 도달합니다.
- 페이로드에 맞춘 설정: 장치가 스트로크 중간 부근에 놓이도록 가스 사전 충전 압력으로 페이로드 중량(해저에서는 수중 중량)의 균형을 맞춰야 합니다.
응답 모델: 후크 운동이 얼마나 전달되는가
히브는 수직 운동이며, 여기서는 파도로 인한 크레인 후크의 수직 운동을 뜻합니다. 수동 히브 보상 장치는 그 아래로 전달되는 파랑 유발 운동을 줄이는 스프링·질량·감쇠기 계로 모델링할 수 있습니다. 아래의 단순화된 개략도는 이 상황을 보여 줍니다.
후크는 \zeta \cos(\omega t) 에 따라 움직이고 PHC의 강성은 k입니다. 물의 밀도는 \rho_w이고 페이로드의 밀도는 \rho, 질량은 m 이며, 히브 운동에 수직인 면적은 A_\perp 입니다.
이 예에서는 해저 페이로드를 가정하므로 부력, 항력, 부가 질량을 고려해야 합니다. 이 세 효과는 응답에 서로 다르게 작용합니다(부력은 평형 하중을 바꾸고, 부가 질량은 유효 관성을 바꾸며, 항력은 에너지를 소산합니다). 각각은 조건과 주파수에 따라 유리하거나 불리할 수 있습니다.
부가 질량
m_A = \rho_w C_A V_R여기서 C_A 는 부가 질량 계수(참조: DNV-RP-N103)이고 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 은 페이로드가 밀어낸 물의 체적이고 g 는 중력 가속도입니다.
가스 스프링 강성
예비 검토에서는 가스 스프링 강성을 할선값으로 취합니다. 평형 스트로크에서 전체 스트로크까지의 힘 차이를 스트로크 변화량으로 나눈 값입니다:
k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}여기서 p_0 은 평형 압력, p_1 은 전체 스트로크에서의 압력, \Delta S = 0.5\,S 은 평형 위치에서 전체 스트로크까지의 스트로크이며, A_0 은 작동 피스톤의 유효 면적(로드 측 환형 면적)입니다. 할선값은 예비 검토를 위한 단순화입니다. 평형 위치에서 미소 운동에 대한 강성은 이 값과 다르므로, 아래에서 이를 바탕으로 구한 모든 값은 정확한 물성이 아니라 등가 선형 추정값입니다.
다음과 같이 가정합니다:
- 전체 스트로크 길이는 S이고 평형 상태에서는 스트로크 중간 위치에 있습니다.
- 기체는 단열 압축됩니다. 파랑 주기 동안에는 열을 교환할 시간이 없습니다.
- 평형 힘은 중력에서 부력을 뺀 힘과 같아야 합니다.
이 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 은 기체의 강성 지수입니다. 이상 기체의 경우 1.4이지만, 질소는 실제 기체이므로 보상 장치의 충전 압력에서 약 1.6(10 MPa), 2.0(20 MPa), 2.4(30 MPa)입니다(참조: 공진 회피).
평형 체적을 다음과 같이 정의할 수도 있습니다:
V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, S여기서 R 는 기체 대 오일 비율이며, 이는 해당 사례의 축압기 및 실린더 구성에 따라 정해집니다. R 값이 클수록 스프링이 더 부드럽습니다.
따라서 PHC 강성은 다음과 같이 표현됩니다. k:
k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S}\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]이를 다시 쓰면:
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]유동 저항
좁은 유로를 통과하는 유체 유량은 일반적으로 다음과 같이 주어집니다:
Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho_{\text{oil}}}}여기서:
- Q 는 유체의 체적 유량,
- A_f 는 최소 유동 단면적,
- \alpha 는 유량 계수이며,
- \Delta p 는 압력 손실입니다.
이를 바탕으로 유압 유동 저항에 의한 힘을 구할 수 있습니다:
F_h = A_0 \, \Delta p = A_0 \, \frac{\rho_{\text{oil}}}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2또한 유압력의 방향은 로드가 신장하는지 수축하는지에 따라 달라집니다.
체크 밸브가 있으면 힘의 크기도 달라질 수 있습니다.
어려운 부분은 \alpha. 이 값은 여러 변수에 좌우되어 계산하기 어려우므로 CFD 또는 측정으로 구합니다.
씰 마찰
씰 마찰은 모델링하기 어렵습니다. 다음을 비롯한 여러 요인에 좌우됩니다:
- 유체 압력
- 탄성 요소의 초기 장력
- 씰 재질
- 피스톤 또는 피스톤 로드의 속도
- 표면 거칠기
- 유체 종류
- 씰 폭
- 씰 구성
씰 마찰의 완전한 모델은 이 입문 글의 범위를 벗어납니다. 실무에서 중요한 점은 위의 모든 요인에 따라 마찰이 달라진다는 것입니다.
운동 방정식
이제 위 내용을 다음 가정에 적용해 보겠습니다:
- 씰 마찰은 무시합니다(실제로는 상당할 수 있습니다).
- 여기서는 모델의 원리를 보여주기 위해 유압 유동 저항을 무시합니다. 실제 장치에서는 이 저항이 설계된 감쇠를 제공하며, 공진 피크를 제한하고 착저 응답을 제어합니다.
- 항력은 무시합니다(PHC가 페이로드를 잘 격리하면 페이로드가 수중에서 느리게 움직이므로 타당한 가정입니다).
- 리깅과 와이어 로프의 강성 및 감쇠를 무시합니다.
- PHC의 유체역학적 효과를 무시합니다.
- PHC의 자중을 무시합니다.
모든 요소와 기체 압력에 대한 더 정밀한 상태 방정식을 포함한, 더 정확한 수치 해석은 Norwegian Dynamics.
페이로드 질량에 뉴턴의 두 번째 법칙을 적용하면 크레인 후크에 대한 상대 운동을 구할 수 있습니다.
아래쪽을 양의 방향으로 가정합니다:
이 식의 정상 상태 해는 다음과 같습니다:
z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)우리가 구하려는 것은 페이로드 운동과 후크 운동의 비율입니다.
\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}그러면 \omega 를 \frac{2 \pi}{T_p}로 바꿀 수 있습니다. 여기서 T_p 는 파 주기이며, k 를 위에서 구한 식으로 대체합니다:
\begin{aligned}\frac{z(t)}{\zeta\cos\left(\frac{2\pi t}{T_p}\right)} &= \frac{1}{\lambda-1}, \qquad \lambda = \left(\frac{T_n}{T_p}\right)^2 \\ \lambda &= \underbrace{\frac{m+m_A}{m}}_{\text{부가 질량}}\;\underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{부력}} \\ &\quad\times\underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{파 주기}}\;\underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}}\end{aligned}이 비율을 바탕으로 수동 히브 보상 효율을 정의할 수 있습니다. 비율이 0이면 페이로드는 전혀 움직이지 않습니다. 1보다 작으면 히브 보상 장치가 페이로드의 운동을 격리하고, 1보다 크면 운동이 증폭됩니다. 공진은 감쇠를 무시한 모델에서 분모가 영이 되는 특정 조건이며, 해당 주기 부근의 운동 증폭은 주의가 필요하다는 신호입니다. 아래 계산기는 위의 할선 강성을 사용해, 감쇠가 없는 단일 주파수의 예비 검토식을 계산합니다. 계산 예의 값이 미리 입력되어 있으므로 해당 사례의 값으로 바꿔 입력하십시오. 이 계산기만으로 장치의 사양을 결정할 수는 없습니다. 감쇠, 항력, 불규칙파, 스트로크 및 압력 한계, 착저 속도와 구조 하중은 이 모델에 포함되지 않으며, CONSTELLATION의 양중 예비 검토에서 다룹니다.
수동 히브 보상 효율 계산기
예비 검토에 사용되는 고정 상수: 해수 밀도 ρw = 1,030 kg/m³, g = 9.81 m/s². 기체 지수 γ는 선택한 충전 압력에서 질소의 실제 강성 지수이며, 이상 기체라면 1.4입니다.
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} – 1\right)}}계산 예: 운동비 해석
계산기에 미리 입력된 사례를 살펴보겠습니다: 100 t 강철 페이로드(ρ = 7,850 kg/m³)에 20 t 의 부가 질량이 있고, PHC의 6 m 스트로크와 기체 대 오일 비율은 R = 16, 주기가 Tp = 8 s인 파랑에서, 질소를 약 20 MPa로 충전했을 때(γ = 1.97, 이 조건에서의 실제 강성 지수):
- 스프링의 유연성. 가스 스프링 항 \left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1 \approx 0.067. R이 크고 스트로크가 길수록 스프링은 유연해집니다.
- 고유 주기. T_n \approx 16\ \text{s}, 이는 8 s 파랑의 주기보다 훨씬 길어 시스템이 진동 절연 영역에서 작동합니다.
- 운동 비. 위 식의 결과는 ≈ 0.34: 페이로드의 운동은 후크 운동의 약 삼분의 일이므로, 파랑으로 인한 운동의 약 삼분의 이가 제거됩니다.
- 가스 지수. 질소의 실제 지수 대신 이상기체 지수 1.4를 사용하면 R = 12에서도 동일한 16 s가 나오는 것처럼 보입니다. 실제 지수를 적용하면 13.5 s이며, 페이로드에는 후크 운동의 약 절반이 남습니다(0.54, 0.33이 아님).
폐형식 모델에는 감쇠가 포함되지 않으며 공진 부근에서 보수적인 결과를 냅니다. 실제 감쇠는 공진 피크를 제한하는 한편, 진동 절연 영역에서는 일부 운동을 전달합니다. 용량 선정에는 가스 상태, 감쇠, 항력, 리깅을 포함한 전체 수치해석이 필요하며, CONSTELLATION 해석에서 이를 수행합니다.
감쇠: 방식과 수준
가스 스프링은 에너지를 저장하고, 댐퍼는 그 에너지가 어디에서 소산되는지를 결정합니다. 감쇠가 없다면 히브 보상 장치는 질량-스프링 시스템으로 작동해 외란이 있을 때마다 고유 주기에 따라 계속 진동합니다. 피스톤이 스트로크를 따라 움직이면 오일이 오리피스나 제어 밸브를 통과하고, 유동 저항이 운동 에너지를 열로 바꿉니다. 이때 속도에 따라 커지는 힘이 공진을 억제하고 과도 진동을 가라앉히며, 착저 시 하강 속도를 제어합니다.
| 감쇠 방식 | 특성 | 적용 위치 |
|---|---|---|
| 선형 | F \propto v | 모델링은 쉽지만 실제 장비에서는 드묾 |
| 제곱형 | F \propto v^2 | 오리피스 유동의 자연스러운 거동: 빠를 때 강하고 느릴 때 약함 |
| 가변형 | 조절식 오리피스 / 비례 밸브 | 작업 단계별로 감쇠를 변경하는 적응형 방식 |
실무에서의 가변 감쇠: ANTARES는 인양 단계에 따라 감쇠 수준을 자동으로 조절하며, RIGEL과 CYGNUS는 갑판에서 수동으로 설정합니다.
그 밖의 해저 작업 용도
수동 히브 보상 장치는 해저 설치 작업에서 다음과 같은 이점도 제공합니다:
- 착저 단계 내내 와이어 장력을 유지해 선박이 갑자기 기울어지는 것을 방지합니다.
- 페이로드를 다시 들어 올릴 때 발생할 수 있는 최대 하중을 줄입니다.
- 해저에 고정된 상태에서 회수할 때 과부하를 방지하도록 장력을 제공합니다.
적합한 PHC 선택
Norwegian Dynamics는 세 가지 수동형 제품군을 제공합니다: RIGEL, 기본형 장치; CYGNUS, 가장 넓은 용량 범위를 갖추고 최대 10,000 t의 매우 무겁고 깊은 수심의 인양 작업에 적합한 제품; ANTARES, 자동 감쇠 제어 기능을 갖춘 적응형 수동 장치입니다.
→ 선택에 도움이 필요하신가요? 히브 보상 장치 선택 가이드를 보시거나 엔지니어에게 문의하세요.
RIGEL, ANTARES, CYGNUS: 한눈에 보기
초기 선택에는 수동 히브 보상과 능동 히브 보상 비교 가이드가 질문별로 선택 과정을 안내합니다.
수동 히브 보상: 자주 묻는 질문
수동 히브 보상이란 무엇인가요?
수동 히브 보상 장치의 주요 구성 요소는 무엇인가요?
수동 히브 보상은 얼마나 효율적인가요?
수동 보상 장치는 언제 능동 보상보다 적합한가요?
어떤 인양 작업에 어떤 Norwegian Dynamics 보상 장치가 적합한가요?
다음 인양 작업에 사용할 수동 보상 장치를 찾고 계신가요?
당사는 Hs, Tp, 페이로드, 수심 등 운용 범위에 맞춰 PHC 장치의 용량을 선정합니다. 작업 조건을 보내주시면 적합한 제품을 추천해 드리겠습니다.