Grunnleggende om passiv hiv-kompensering

Av Tord Martinsen, CEO · Oktober 2025

Passiv hiv-kompensering (PHC) er en teknikk som brukes i offshore-operasjoner for å redusere den vertikale bevegelsen som overføres fra en krankrok til en hengende last. Den fungerer uten ekstern kraft ved å bruke et gassfjær- og hydraulisk dempersystem som absorberer bølgeindusert bevegelse.

Når et fartøy beveger seg opp og ned med bølgene, følger krankroken etter. Uten kompensering opplever lasten den samme bevegelsen — noe som skaper farlige dynamiske laster under passering av sjøsprøytsonen, undervannslandinger og andre kritiske operasjoner. En passiv hiv-kompensator fungerer som en buffer som absorberer mye av denne bevegelsen.

Hvordan fungerer en passiv hiv-kompensator?

En PHC består av tre hovedkomponenter:

  1. Gassfjær — nitrogengass under trykk gir en fjærkraft som bærer lastvekten
  2. Hydraulisk sylinder — inneholder olje som strømmer gjennom kontrollerte blender
  3. Dempningsventiler — begrenser oljestrømmen for å gi demping og dissiperer bølgeenergien

Hovedbruksområder

  • Passering av sjøsprøytsonen — reduksjon av dynamiske laster når lasten passerer gjennom bølgesonen
  • Undervannslandinger — kontroll av landingshastigheten for presis plassering
  • Resonansunngåelse — forhindring av bevegelsesforsterkning ved visse bølgeperioder
  • Strekking — opprettholdelse av konstant strekk i kabler eller stigerør
  • Støtdemping — beskyttelse av lasten og kranen mot støtbelastninger

PHC-ytelsesfaktorer

Effektiviteten til en passiv hiv-kompensator avhenger av stivhet (fjærkonstant), dempningsinnstilling, slaglengde og tilpasning av lastvekt.

Hvordan fungerer passiv hiv-kompensering for reduksjon av landingshastighet?

Hiv betyr vertikal bevegelse, i vår sammenheng vertikal bevegelse av krankroken, forårsaket av bølger. Passiv hiv-kompensering kan tenkes på som et fjær-masse-demper-system med mål om å redusere bølgeindusert bevegelse under kompensatoren. Den forenklede skissen nedenfor illustrerer vårt scenario:

Passive heave compensation concept illustration

Krankrokbevegelsen følger sinuskurven gitt ved \zeta \cos(\omega t), PHC-en har stivhet k, vannet har massetettheten \rho_w, mens lasten har grunnleggende egenskaper \rho, m, A_\perp, henholdsvis for lastens massetetthet, masse og areal vinkelrett på hivbevegelsen.

Siden vi i dette eksempelet antar at lasten er under vann, er det viktig å ta hensyn til oppdrift, motstand og tilleggsmasse som påvirker lasten. Alle disse tre effektene kan forbedre ytelsen til PHC-en.

Tilleggsmasse

m_A = \rho_w C_A V_R

Der C_A er tilleggsmassekoeffisienten (kan finnes i DNV RP-N103) og V_R er referansevolumet.

Motstand

F_D = \rho_w C_D A_\perp \dot z |\dot z|

Der C_D er motstandskoeffisienten og \dot z er lastens vertikale hastighet.

Oppdrift

F_B = \rho_w V g

Der V er det fortrengte volumet av lasten og g er tyngdeakselerasjonen.

PHC-gassfjær

Vi kan definere en gjennomsnittlig stivhet av PHC-gassfjæren som forskjellen i kraft fra likevektsslaget til fullt slag delt på slagendringen:

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

Der p_0 er likevektstrykket og A_0 er stempelarealet til PHC-en.

La oss anta følgende:

  1. Den fulle slaglengden er S, og vi er ved midtslag under likevekt.
  2. Vi bruker idealgassloven med adiabatisk kompresjon for å beregne trykkendringen.
  3. Likevektskraften skal være lik tyngdekraften minus oppdriften.

Fra disse antagelsene 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 den adiabatiske eksponenten.

Vi kan videre anta at likevektsvolumet kan defineres som:

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

Der R er gass-til-olje-forholdet, som typisk er i området 2–12 for en PHC. En større verdi av R tilsvarer en mykere fjær.

Vi får da 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]

Som vi kan 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]

Hydraulisk strømningsbegrensning i PHC

Væskestrøm gjennom en begrensning er typisk gitt som:

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

Der:

  1. Q er væskens volumstrøm,
  2. A_f er det minste strømningsarealet,
  3. \alpha er trykktapskoeffisienten, og
  4. \Delta p er trykktapet.

Med dette som utgangspunkt kan vi finne kraften på grunn av hydraulisk begrensning:

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

Merk også at fortegnet til den hydrauliske kraften vil avhenge av forlengelse eller tilbaketrekking av stangen.
Videre kan den ha en annen størrelse hvis tilbakeslagsventiler er til stede.

Utfordringen med denne ligningen er å kjenne \alpha, som ikke er lett å beregne.
Den bør finnes ved hjelp av CFD eller målinger og kan også ha mange variabler.

—

Pakningsfriksjon i PHC

Pakningsfriksjon er et svært komplisert emne. Det avhenger av mange faktorer som:

  1. Trykk av væsken
  2. Forspenning av elastisk element
  3. Pakningsmateriale
  4. Hastighet på stempel eller stempelstang
  5. Overflateruhet
  6. Væsketype
  7. Bredde på pakningen
  8. Pakningskonfigurasjon

Det er for komplisert å diskutere detaljer i denne korte introduksjonen.

Differensialligning

La oss nå bruke det ovenstående med følgende antakelser:

  1. Pakningsfriksjon ignoreres (i virkeligheten kan den være betydelig).
  2. Hydraulisk begrensning ignoreres (vanligvis kan den være lav hvis PHC-designet er godt).
  3. Motstand ignoreres (for en høytytende PHC er denne antakelsen OK).
  4. Ignorer stivhet og demping av rigg/ståltau.
  5. Ignorer hydrodynamikk av PHC.
  6. Ignorer egenvekt av PHC.

En mer nøyaktig numerisk løsning med alt inkludert (og en mer presis tilstandsligning for gasstrykket) er tilgjengelig fra Norwegian Dynamics.

Vi kan anvende Newtons andre lov på lastmassen for å finne ut hvordan den beveger seg i forhold til krankroken.
La oss anta at nedover er den positive retningen:

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

Denne har en stasjonær løsning gitt som:

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

Det vi ønsker å vite er forholdet mellom lastbevegelsen og krokbevegelsen.

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

Vi kan deretter endre \omega til \frac{2 \pi}{T_P}, der T_P er bølgeperioden, og erstatte k med uttrykket vårt ovenfor:

\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{Added mass}} \underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Buoyancy}} \underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Wave period}} \underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}} -1 }

Basert på dette forholdet kan vi definere effektiviteten til passiv hiv-kompensering. Hvis forholdet er 0 er effektiviteten 100 %, hvis absoluttverdien er større enn 1 betyr det at vi vil ha resonans. Kalkulatoren nedenfor kan brukes som en grov indikator på ytelsen til passiv hiv-kompensering.

Passive Heave Compensation Efficiency Calculator













Vi kan også definere egenperioden til PHC-en 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)} }

Andre undervannsbruksområder

Passive hiv-kompensasjonsenheter kan også gi andre fordeler for undervannsinstallasjoner:

  1. Evne til å opprettholde wirestrekk gjennom hele landingsfasen, noe som forhindrer plutselig slagside på fartøyet.
  2. Reduksjon av topplaster ved gjenløfting av lasten.
  3. Gi strekk under undervannshenting for å forhindre overbelastning når festet til havbunnen.

Velge riktig PHC

Norwegian Dynamics tilbyr to produktlinjer for passive hiv-kompensatorer:

  • ANTARES Adaptive PHC — avansert adaptiv passiv hiv-kompensator med elektronisk justerbar demping, flere driftsmoduser og dybdevurderinger til 3000 m. Best for operasjoner som krever høy ytelse og fleksibilitet.
  • RIGEL Basic PHC — enkel, pålitelig, rimelig passiv hiv-kompensator. Best for enkle passeringer av sjøsprøytsonen og grunnleggende kompensasjonsoppgaver.

→ Trenger hjelp til å velge? Se vår guide for valg av hiv-kompensator eller kontakt våre ingeniører.

Relatert lesning

Relaterte artikler

ND-løsningRIGEL →Passiv hiv-kompensator — bevist pålitelighet for standardoperasjoner.
ND-løsningANTARES →Adaptivt passivt system for krevende forhold.
← Tilbake til kunnskapssenteret