Grunnleggende om passiv hivkompensering
Forstå utstyret, og les deretter responsmodellen.
Passiv hivkompensering (PHC) er en teknikk som brukes i offshoreoperasjoner for å redusere den vertikale bevegelsen som overføres fra krankroken til en hengende nyttelast. Den fungerer uten ekstern energitilførsel ved hjelp av et system med gassfjær og hydraulisk demper som absorberer bølgeindusert bevegelse.
Når et fartøy beveger seg opp og ned med bølgene, følger krankroken med. Uten kompensering utsettes nyttelasten for samme bevegelse, noe som skaper farlige dynamiske laster ved passering av skvalpesonen, undervannslandinger og andre kritiske operasjoner. En passiv hivkompensator fungerer som en buffer og absorberer mye av bevegelsen.
NDs passive produktserie bygger på denne fysikken: RIGEL, CYGNUS og den adaptive ANTARES. Sammenlign kapasitetsområder, dempingskontroll og dimensjonering etter DNV-RP-N202. For sensorstyrt kompensering, se aktiv hivkompensering.
Hvordan fungerer en passiv hivkompensator?
En PHC har tre hoveddeler:
- Arbeidssylinder: vakuum over stempelet og olje på stangsiden, med stangen ned mot lasten
- Gassakkumulator: nitrogen over olje; den komprimerte gassen er fjæren som bærer nyttelasten
- Dempestruping: i oljeledningen mellom sylinderen og akkumulatoren; olje som presses gjennom den, omdanner bølgeenergi til varme
Inne i enheten: sylinder og gassakkumulator
Et søk etter «hivkompenseringssylinder» viser bare halve maskinen. Arbeidssylinderen henger i strekk i løftewiren, men fjæren sitter ikke i selve sylinderen. Den sitter i en separat gassakkumulator som er koblet til sylinderen:
Enheten henger i wiren, med stangen ned mot lasten. Over arbeidsstempelet er sylinderen evakuert. Under stempelet er kammeret på stangsiden fylt med olje og koblet via en dempestruping til akkumulatoren, der nitrogen ligger over oljen. Når krok og last beveger seg fra hverandre, forlenges enheten: Olje på stangsiden fortrenges gjennom strupingen og inn i akkumulatoren, nitrogenet komprimeres, og wirestrekket øker. Denne trykk-volum-kurven er gassfjæren. Strupingen gir dempingen: Bølgeenergi forlater systemet som varme i oljen som presses gjennom den.
Forskjellene mellom produktfamiliene ligger på akkumulatorens gasside: ANTARES har en fylleventil og gassflasker slik at fjæren kan justeres mellom fasene i et løft; CYGNUS har en tappeventil for innstilling av referanseposisjon. Geometrien over er felles for hele den passive produktfamilien.
Viktige bruksområder
- Passering av skvalpesonen: reduserer dynamiske laster når nyttelasten passerer gjennom bølgesonen
- Undervannslandinger: styrer landingshastigheten for presis plassering
- Unngå resonans: hindrer forsterkning av bevegelsen ved visse bølgeperioder
- Strekkraftstyring: reduserer variasjoner i strekkraften i en stram kabel eller et stigerør innenfor innstilt slaglengde og arbeidsområde
- Støtdemping: beskytter nyttelasten og kranen mot støtlaster
Faktorer som påvirker PHC-ytelsen
Ytelsen til en passiv hivkompensator avhenger av fire forhold:
- Stivhet: bestemmes av gassvolumet; et høyere forhold mellom gass og olje, R, og lengre slaglengde gir en mykere fjær og en lengre egenperiode.
- Demping: strupingen i oljeledningen må være tilstrekkelig til å kontrollere resonans uten å gjøre responsen stivere.
- Slaglengde: må dekke den relative bevegelsen mellom krok og nyttelast med margin, ellers når enheten endestoppene.
- Tilpasning til nyttelast: gassens forladning må balansere vekten av nyttelasten (neddykket vekt under vann), slik at enheten ligger nær midten av slaglengden.
Responsmodell: hvor mye av krokens bevegelse overføres
Hiv er vertikal bevegelse. Her betyr det krankrokens vertikale bevegelse forårsaket av bølger. En passiv hivkompensator kan modelleres som et system med fjær, masse og demper som reduserer den bølgeinduserte bevegelsen under den. Den forenklede skissen nedenfor viser situasjonen.
Kroken beveger seg som \zeta \cos(\omega t) og PHC har stivhet k. Vannet har tetthet \rho_w; nyttelasten har tetthet \rho, masse m og areal A_\perp vinkelrett på hivbevegelsen.
Fordi eksempelet forutsetter en neddykket nyttelast, må oppdrift, hydrodynamisk motstand og tilleggsmasse tas med. Disse tre effektene endrer responsen på ulike måter (oppdrift forskyver likevektslasten, tilleggsmasse endrer den effektive tregheten, og motstand tapper energi), og hver av dem kan hjelpe eller forverre forholdene avhengig av tilfelle og frekvens.
Tilleggsmasse
m_A = \rho_w C_A V_RDer C_A er tilleggsmassekoeffisienten (finnes i DNV-RP-N103) og V_R er referansevolumet.
Hydrodynamisk motstand
F_D = \tfrac{1}{2}\rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|Der C_D er motstandskoeffisienten og \dot z er nyttelastens vertikale hastighet.
Oppdrift
F_B = \rho_w V gDer V er volumet som nyttelasten fortrenger, og g er tyngdeakselerasjonen.
Gassfjærens stivhet
For en innledende vurdering settes gassfjærens stivhet til en sekantverdi: kraftforskjellen fra likevektsposisjon til full slaglengde delt på endringen i slaglengde:
k = \frac{p_1 A_0 – p_0 A_0}{\Delta S}Der p_0 er likevektstrykket, p_1 trykket ved full slaglengde, \Delta S = 0.5\,S slaglengden fra likevekt til full slaglengde, og A_0 det effektive arealet (ringarealet på stangsiden) til arbeidsstempelet. En sekantverdi er en forenkling for innledende vurdering: stivheten ved små bevegelser rundt likevekt er annerledes, så alt som bygger på denne verdien nedenfor, er et ekvivalent lineært anslag og ikke en eksakt egenskap.
Vi antar følgende:
- Den fulle slaglengden er S, og ved likevekt er vi midt i slaglengden.
- Gassen komprimeres adiabatisk: I løpet av en bølgeperiode rekker den ikke å utveksle varme.
- Likevektskraften skal være lik tyngdekraften minus oppdriften.
Ut fra disse antakelsene får vi:
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 er gassens stivhetseksponent: 1.4 for en ideell gass, men for nitrogen ved kompensatorens fylltrykk omtrent 1.6 ved 10 MPa, 2.0 ved 20 MPa og 2.4 ved 30 MPa, fordi nitrogen er en reell gass (se hvordan unngå resonans).
Vi kan videre anta at likevektsvolumet kan defineres som:
V_{\mathrm{eq}} = (R – 0.5) \, A_0 \, SDer R er forholdet mellom gass og olje, som bestemmes av akkumulator- og sylinderkonfigurasjonen i hvert enkelt tilfelle. En høyere verdi for R gir en mykere fjær.
Da får vi følgende uttrykk for PHC-stivheten k:
k = \frac{2 (\rho – \rho_w) \, V \, g}{S}\left[\left( \frac{R – 0.5}{R – 1} \right)^\gamma – 1\right]Dette kan vi skrive om til:
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]Strømningsmotstand
Væskestrøm gjennom en innsnevring uttrykkes vanligvis slik:
Q = A_f \, \alpha \, \sqrt{\frac{2 \, \Delta p}{\rho_{\text{oil}}}}Der:
- Q er volumstrømmen,
- A_f er det minste strømningsarealet,
- \alpha er utløpskoeffisienten, og
- \Delta p er trykktapet.
På dette grunnlaget kan vi finne kraften som skyldes hydraulisk strømningsmotstand:
F_h = A_0 \, \Delta p = A_0 \, \frac{\rho_{\text{oil}}}{2}\left( \frac{A_0 \, \dot{S}}{A_f \, \alpha} \right)^2Merk også at fortegnet til den hydrauliske kraften avhenger av om stempelstangen går ut eller inn.
Kraftens størrelse kan dessuten være forskjellig dersom det finnes tilbakeslagsventiler.
Det vanskelige er \alpha. Den avhenger av mange variabler og er vanskelig å beregne, så den bestemmes med CFD eller målinger.
Tetningsfriksjon
Tetningsfriksjon er vanskelig å modellere. Den avhenger blant annet av:
- Væsketrykk
- Forspenning i det elastiske elementet
- Tetningsmateriale
- Hastigheten til stempelet eller stempelstangen
- Overflateruhet
- Væsketype
- Tetningsbredde
- Tetningskonfigurasjon
En fullstendig modell for tetningsfriksjon ligger utenfor denne innføringen. I praksis varierer friksjonen med alle faktorene ovenfor.
Bevegelsesligning
La oss nå bruke dette med følgende forutsetninger:
- Vi ser bort fra tetningsfriksjon (i virkeligheten kan den være betydelig).
- Vi ser bort fra hydraulisk strømningsmotstand her for å gjøre modellen illustrativ: I den virkelige enheten utgjør denne motstanden den tilsiktede dempingen, som begrenser resonanstoppen og styrer responsen ved landing.
- Vi ser bort fra strømningsmotstand i vannet (rimelig når PHC isolerer godt, fordi nyttelasten da beveger seg langsomt gjennom vannet).
- Vi ser bort fra stivhet og demping i rigging og ståltau.
- Vi ser bort fra hydrodynamikken til PHC.
- Vi ser bort fra egenvekten til PHC.
En mer nøyaktig numerisk løsning som tar med alle forholdene (og en mer presis tilstandsligning for gasstrykket), er tilgjengelig fra Norwegian Dynamics.
Vi kan bruke Newtons andre lov på nyttelastens masse for å finne hvordan den beveger seg i forhold til krankroken.
La oss anta at positiv retning er nedover:
Denne har følgende løsning i stasjonær tilstand:
z(t) = \frac{k \, \zeta}{(m + m_A)\, \omega^2 – k} \, \cos(\omega t)Det vi vil vite, er forholdet mellom nyttelastens bevegelse og krokens bevegelse.
\frac{z(t)}{\zeta \, \cos(\omega t)} = \frac{k}{(m + m_A)\, \omega^2 – k}Vi kan så erstatte \omega med \frac{2 \pi}{T_p}, der T_p er bølgeperioden, og erstatte k med uttrykket vårt ovenfor:
\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{Tilleggsmasse}}\;\underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Oppdrift}} \\ &\quad\times\underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Bølgeperiode}}\;\underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}}\end{aligned}Ut fra dette forholdet kan vi definere virkningsgraden for passiv hivkompensering. Hvis forholdet er 0, beveger nyttelasten seg ikke i det hele tatt. Under 1 isolerer kompensatoren nyttelasten, mens over 1 forsterkes bevegelsen. Resonans er tilstanden der nevneren i den udempede modellen går mot null. Forsterkning nær denne perioden er et varselsignal. Kalkulatoren nedenfor beregner dette udempede uttrykket for én frekvens med sekantstivheten ovenfor som en innledende vurdering. Verdiene fra regneeksemplet er fylt inn; erstatt dem med verdiene for ditt tilfelle. Kalkulatoren kan ikke dimensjonere en enhet: Demping, strømningsmotstand i vann, uregelmessig sjø, grenser for slaglengde og trykk, landingshastighet og konstruksjonslaster ligger utenfor denne modellen og vurderes i en løfteanalyse i CONSTELLATION.
Kalkulator for virkningsgrad ved passiv hivkompensering
Faste konstanter for innledende vurdering: sjøvannets tetthet ρw = 1,030 kg/m³ og g = 9.81 m/s². Gasseksponenten γ er nitrogenets reelle stivhetseksponent ved ladetrykket du velger. For en ideell gass ville den vært 1.4.
Vi kan også definere egenperioden til PHC som:
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)}}Regneeksempel: slik leser du bevegelsesforholdet
Ta tilfellet som er forhåndsutfylt i kalkulatoren: en nyttelast av stål på 100 t (ρ = 7,850 kg/m³) med 20 t i tilleggsmasse, på en PHC med 6 m slaglengde og gass/olje-forhold R = 16, i bølger med periode Tp = 8 s, med nitrogenet ladet til omtrent 20 MPa (γ = 1.97, den reelle stivhetseksponenten der):
- Myk gassfjær. Uttrykket for gassfjæren \left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1 \approx 0.067. Høy R og lang slaglengde gir en myk fjær.
- Egenperiode. T_n \approx 16\ \text{s}, godt over bølgeperioden på 8 s, slik at systemet arbeider i isolasjonsområdet.
- Bevegelsesforhold. Uttrykket over gir ≈ 0.34: Nyttelasten får omtrent en tredel av krokens bevegelse, slik at omtrent to tredeler av den bølgeinduserte bevegelsen fjernes.
- Gasseksponent. Med 1.4 for ideell gass i stedet for nitrogenets reelle eksponent, kan R = 12 se ut til å gi samme 16 s. Med den reelle eksponenten blir det 13.5 s, og nyttelasten beholder omtrent halvparten av krokens bevegelse (0.54, ikke 0.33).
Den analytiske modellen er udempet og konservativ nær resonans: Reell demping begrenser toppen og gir noe mer overført bevegelse i isolasjonsområdet. Ved dimensjonering er det den fullstendige numeriske løsningen (gasstilstand, demping, hydrodynamisk motstand, rigging) som en CONSTELLATION-studie beregner.
Demping: type og nivå
Gassfjæren lagrer energien: Demperen avgjør hvor den blir av. Uten demping er kompensatoren et masse-fjær-system som ville fortsette å svinge med egenperioden etter hver forstyrrelse. Når stempelet beveger seg gjennom slaglengden, presses olje gjennom strupeåpninger eller reguleringsventiler. Strømningsmotstanden omdanner bevegelsesenergi til varme og gir en kraft som øker med hastigheten. Dette begrenser resonans, demper overgangssvingninger og gir kontroll over senkehastigheten ved landing.
| Dempingstype | Karakteristikk | Hvor den brukes |
|---|---|---|
| Lineær | F \propto v | Enkel å modellere: sjelden i faktisk utstyr |
| Kvadratisk | F \propto v^2 | Naturlig virkemåte ved strømning gjennom strupeåpninger: kraftig ved høy hastighet, skånsom ved lav hastighet |
| Variabel | Justerbare strupeåpninger / proporsjonalventiler | Dempingen endres mellom operasjonsfaser: den adaptive løsningen |
Variabel demping i praksis: ANTARES justerer dempingsnivået automatisk mellom løftefasene; RIGEL og CYGNUS stilles inn manuelt på dekk.
Andre bruksområder under vann
Passive hivkompensatorer kan også gi andre fordeler ved undervannsinstallasjoner:
- Mulighet til å holde strekk i vaieren gjennom hele landingsfasen, noe som hindrer at fartøyet plutselig krenger.
- Reduserte topplaster dersom nyttelasten løftes på nytt.
- Opprettholde strekk under henting fra havbunnen for å unngå overbelastning når lasten sitter fast i havbunnen.
Velg riktig PHC
Norwegian Dynamics har tre passive produktserier: RIGEL, grunnenheten; CYGNUS, med det bredeste kapasitetsområdet, opptil 10,000 t for de tyngste og dypeste løftene; og ANTARES, den adaptive passive enheten med automatisk dempingsregulering.
→ Trenger du hjelp til å velge? Se vår veiledning for valg av hivkompensator eller kontakt ingeniørene våre.
RIGEL, ANTARES eller CYGNUS: kort oversikt
| Egenskap |  |  |  |
|---|---|---|---|
| Type | Passiv | Adaptiv passiv | Passiv |
| Demping | Manuell, stilles inn på dekk | Automatisk dempingsregulering | Manuell, stilles inn på dekk |
| SWL-område | 55 – 1,000 t | 30 – 4,000 t | 12.5 – 10,000 t |
| Slaglengde | 1.0 – 6.0 m | 2.5 – 8.0 m | 1.0 – 6.0 m |
| Strømforsyning | Ingen | Batteri: uten umbilikalkabel | Batteri: uten umbilikalkabel |
| Særtrekk | Enkleste og letteste enhet | Mulighet for hurtigløft | Kapasitet for tunge løft på dypt vann |
| Sertifisering | Konstruert og klasset · DNV-ST-0378 (typegodkjenning pågår) | Konstruert og klasset · DNV-ST-0378 | Konstruert og klasset · DNV-ST-0378 |
| Best egnet for | Enkle passeringer av skvalpesonen og grunnleggende hivkompensering | Krevende løft i flere faser som trenger automatisk demping | Tunge undervannsløft på dypt vann |
En første veiledning: veiledningen om passiv kontra aktiv hivkompensering går gjennom valget spørsmål for spørsmål.
Passiv hivkompensering: vanlige spørsmål
Hva er passiv hivkompensering?
Hva er hovedkomponentene i en passiv hivkompensator?
Hvor effektiv er passiv hivkompensering?
Når er en passiv kompensator et bedre valg enn en aktiv?
Hvilken kompensator fra Norwegian Dynamics passer til hvilket løft?
Skal du velge en passiv kompensator til neste løft?
Vi dimensjonerer PHC-er ut fra operasjonsområdet: Hs, Tp, nyttelast og vanndybde. Send oss løftescenariet, så kommer vi tilbake med et produktforslag.
