RIGEL passieve heave-compensator die verticaal in lijn aan de kraandraad hangt terwijl de last bij schemering de splash zone kruist
Passieve heave-compensatie

Een gasveer en een demper tussen de haak en de last — geen externe voeding.

Basis van passieve heave-compensatie

Door Tord Martinsen, CEO · oktober 2025

Praktische toepassing: Voor praktische toepassing van dit onderwerp, zie RIGEL Basic PHC en ANTARES Adaptive PHC.

Passieve heave-compensatie (PHC) is een techniek die bij offshore-operaties wordt gebruikt om de verticale beweging die van een kraanhaak naar een hangende last wordt overgedragen te verminderen. Het werkt zonder externe voeding door gebruik te maken van een gasveer- en hydraulisch dempersysteem dat golfgeïnduceerde beweging absorbeert.

Wanneer een vaartuig met de golven op en neer beweegt, volgt de kraanhaak. Zonder compensatie ondergaat de last dezelfde beweging — waardoor gevaarlijke dynamische belastingen ontstaan tijdens het kruisen van de splash zone, subsea-landingen en andere kritieke operaties. Een passieve heave-compensator werkt als een buffer die veel van deze beweging absorbeert.

Systemen vergelijken? Vergelijk passieve heave-compensatoren — RIGEL, CYGNUS en ANTARES — capaciteitsbereiken, dempingsregeling en hoe elke wordt gedimensioneerd volgens DNV-RP-N202.

Hoe werkt een passieve heave-compensator?

Een PHC bestaat uit drie hoofdcomponenten:

  1. Gasveer — stikstofgas onder druk levert een veerkracht die het lastgewicht ondersteunt
  2. Hydraulische cilinder — bevat olie die door geregelde openingen stroomt
  3. Dempingskleppen — beperken de oliestroom om demping te leveren en de golfenergie te dissiperen

Belangrijkste toepassingen

  • Splash zone-kruisingen — het verminderen van dynamische belastingen wanneer de last door de golfzone gaat
  • Subsea-landingen — het regelen van de landingssnelheid voor nauwkeurige plaatsing
  • Resonantievermijding — het voorkomen van versterking van beweging bij bepaalde golfperioden
  • Spanning houden — het handhaven van constante spanning in kabels of risers
  • Schokabsorptie — het beschermen van de last en de kraan tegen stootbelastingen

PHC-prestatiefactoren

Het rendement van een passieve heave-compensator hangt af van de stijfheid (veerconstante), de afstemming van de demping, de slaglengte en de afstemming op het lastgewicht.

Hoe werkt passieve heave-compensatie voor het verminderen van de landingssnelheid?

Heave betekent verticale beweging, in onze context de verticale beweging van de kraanhaak, veroorzaakt door golven. Passieve heave-compensatie kan worden opgevat als een veer-massa-dempersysteem met als doel de golfgeïnduceerde beweging onder de compensator te verminderen. De onderstaande vereenvoudigde schets illustreert ons scenario:

Vereenvoudigd model van een passieve heave-compensator: kraanhaak die sinusvormige beweging oplegt, PHC-veerstijfheid k met verwaarloosde demping, ondergedompelde last met gewicht, opdrijvende kracht, weerstand en toegevoegde massa in water
Figuur 1 — Het vereenvoudigde model achter de afleiding. De kraanhaak legt ζ cos(ωt) op; de PHC draagt stijfheid k bij (demping verwaarloosd, volgens de aannamelijst hieronder); de ondergedompelde last met massa m, dichtheid ρ en dwarsdoorsnede A⊥ draagt gewicht mg, opdrijvende kracht FB en toegevoegde massa mA in water met dichtheid ρw. Positieve z is naar beneden.

De beweging van de kraanhaak volgt de sinusoïde gegeven door \zeta \cos(\omega t), de PHC heeft stijfheid k, het water heeft massadichtheid \rho_w, terwijl de last basiseigenschappen \rho, m, A_\perp heeft, respectievelijk voor de massadichtheid, massa en het oppervlak loodrecht op de heave-beweging van de last.

Aangezien we in dit voorbeeld aannemen dat de last zich subsea bevindt, is het belangrijk om rekening te houden met de opdrijvende kracht, weerstand en toegevoegde massa die op de last inwerken. Al deze drie effecten kunnen de prestaties van de PHC verbeteren.

Toegevoegde massa

m_A = \rho_w C_A V_R

Waarbij C_A de toegevoegde-massacoëfficiënt is (te vinden in DNV RP-N103) en V_R het referentievolume is.

Weerstand

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

Waarbij C_D de weerstandscoëfficiënt is en \dot z de verticale snelheid van de last is.

Opdrijvende kracht

F_B = \rho_w V g

Waarbij V het verplaatste volume van de last is en g de valversnelling is.

PHC-gasveer

We kunnen een gemiddelde stijfheid van de PHC-gasveer definiëren als het krachtverschil van de evenwichtsslag tot de volledige slag gedeeld door de slagverandering:

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

Waarbij p_0 de evenwichtsdruk is en A_0 het zuigeroppervlak van de PHC is.

Laten we het volgende aannemen:

  1. De volledige slaglengte is S, en we bevinden ons bij evenwicht op halve slag.
  2. We gebruiken de ideale gaswet met adiabatische compressie om de drukverandering te berekenen.
  3. De evenwichtskracht moet gelijk zijn aan de zwaartekracht minus de opdrijvende kracht.

Uit deze aannamen verkrijgen we dan:

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 is de adiabatische exponent.

We zouden verder kunnen aannemen dat het evenwichtsvolume gedefinieerd kan worden als:

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

Waarbij R de gas-olieverhouding is, die voor een PHC doorgaans in het bereik 2–12 ligt. Een grotere waarde van R komt overeen met een zachtere veer.

We krijgen dan de volgende uitdrukking voor de PHC-stijfheid k:

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

Die we kunnen herschrijven als:

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]

Hydraulische stromingsbeperking van de PHC

De vloeistofstroom door een beperking wordt doorgaans gegeven als:

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

Waarbij:

  1. Q de volumetrische vloeistofstroom is,
  2. A_f het kleinste stromingsoppervlak is,
  3. \alpha de drukverliescoëfficiënt is, en
  4. \Delta p het drukverlies is.

Op basis hiervan kunnen we de kracht ten gevolge van de hydraulische beperking vinden:

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

Merk ook op dat het teken van de hydraulische kracht afhangt van het uitschuiven of intrekken van de stang.
Verder kan de grootte anders zijn als er terugslagkleppen aanwezig zijn.

De kunst bij deze vergelijking is om \alpha te kennen, wat niet eenvoudig te berekenen is.
Het moet worden gevonden met CFD of metingen en kan ook veel variabelen hebben.

—

Afdichtingswrijving van de PHC

Afdichtingswrijving is een zeer ingewikkeld onderwerp. Het hangt af van vele factoren zoals:

  1. Druk van de vloeistof
  2. Voorspanning van het elastische element
  3. Afdichtingsmateriaal
  4. Snelheid van de zuiger of zuigerstang
  5. Oppervlakteruwheid
  6. Type vloeistof
  7. Breedte van de afdichting
  8. Afdichtingsconfiguratie

Het is te ingewikkeld om details te bespreken in deze korte introductie.

Differentiaalvergelijking

Laten we het bovenstaande nu gebruiken met de volgende aannamen:

  1. Afdichtingswrijving wordt genegeerd (in werkelijkheid kan deze aanzienlijk zijn).
  2. Hydraulische beperking wordt genegeerd (meestal kan deze laag zijn als het PHC-ontwerp goed is).
  3. Weerstand wordt genegeerd (voor een goed presterende PHC is deze aanname acceptabel).
  4. Negeer de stijfheid en demping van de tuigage/staalkabel.
  5. Negeer de hydrodynamica van de PHC.
  6. Negeer het eigen gewicht van de PHC.

Een nauwkeurigere numerieke oplossing waarin alles is meegenomen (en een preciezere toestandsvergelijking voor de gasdruk) is verkrijgbaar bij Norwegian Dynamics.

We kunnen de tweede wet van Newton toepassen op de lastmassa om te bepalen hoe deze beweegt ten opzichte van de kraanhaak.
Laten we aannemen dat naar beneden de positieve richting is:

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

Dit heeft een stationaire oplossing gegeven als:

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

Wat we willen weten is de verhouding tussen de beweging van de last en de beweging van de haak.

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

We kunnen dan \omega vervangen door \frac{2 \pi}{T_P}, waarbij T_P de golfperiode is, en k vervangen door onze bovenstaande uitdrukking:

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

Op basis van deze verhouding kunnen we het rendement van de passieve heave-compensatie definiëren. Als de verhouding 0 is, dan is het rendement 100%, als de absolute waarde groter is dan 1, dan betekent dit dat we resonantie krijgen. De onderstaande calculator kan worden gebruikt als een ruwe indicator van de prestaties van passieve heave-compensatie.

Bewegingsverhouding last-tot-haak versus golfperiode voor gas-olieverhoudingen 4, 8 en 12: isolatie onder verhouding 1, resonantiepieken bij de natuurlijke periode, zachtere veren duwen de natuurlijke periode naar langere golfperioden
Figuur 2 — De bewegingsverhouding uitgezet met de bovenstaande uitdrukking, met de standaardlast van de calculator (m = 100 t, mA = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, S = 4.5 m) voor drie gas-olieverhoudingen R. Onder 1.0 isoleert de PHC de last; bij Tn treedt resonantie op. Het model is ongedempt — echte PHC-demping begrenst de resonantiepiek. Het ontwerpdoel is zichtbaar: een zachtere veer (hogere R, langere slag) duwt Tn ruim boven de golfperioden waarin u opereert.

Rendementscalculator passieve heave-compensatie













We kunnen de natuurlijke periode van de PHC ook definiëren als:

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)} }

Uitgewerkt voorbeeld: de bewegingsverhouding lezen

Neem het soort geval van de calculator: een 100 t stalen last (ρ = 7 850 kg/m³) met 20 t toegevoegde massa, op een PHC met 6 m slag en gas-olieverhouding R = 12, in golven met periode Tp = 8 s (γ = 1.4):

  1. Veerzachtheid. De gasveerterm ((R − 0.5)/(R − 1))γ − 1 ≈ 0.064 — een hoge R en lange slag maken een zachte veer.
  2. Natuurlijke periode. Tn ≈ 16 s, ruim boven de golven van 8 s — het systeem werkt in zijn isolatiebereik.
  3. Bewegingsverhouding. De bovenstaande uitdrukking geeft ≈ 0.33: de last ondervindt ongeveer een derde van de beweging van de haak — ruwweg tweederde van de golfgeïnduceerde beweging wordt weggenomen.

Het analytische model is ongedempt en conservatief nabij resonantie — echte demping begrenst de piek en voegt enige overdracht toe in het isolatiebereik. Voor de dimensionering is de volledige numerieke oplossing (gastoestand, demping, weerstand, tuigage) wat een CONSTELLATION-studie uitvoert.

Demping: welk type, en hoeveel

De gasveer slaat de energie op — de demper bepaalt waar deze heen gaat. Ongedempt is de compensator een veer-massasysteem dat na elke verstoring bij zijn natuurlijke periode zou naslingeren. Terwijl de zuiger beweegt, wordt olie door openingen of regelkleppen geperst en zet de stromingsweerstand kinetische energie om in warmte: een kracht die toeneemt met de snelheid, die resonantie begrenst, transiënten laat uitdempen en snelheidsregeling bij de afdaling voor de landing geeft.

DempingstypeKarakteristiekWaar je het tegenkomt
LineairKracht ∝ snelheidEenvoudig te modelleren — zeldzaam in echte hardware
KwadratischKracht ∝ snelheid²Het natuurlijke gedrag van openingsstroming — sterk bij snelheid, mild bij traagheid
VariabelVerstelbare openingen / proportionele kleppenDemping gewijzigd per operationele fase — de adaptieve route
TE WEINIGResoneert gevaarlijk — transiënten blijven maar naslingeren
IN DE BAND≈ 5 – 15% van kritisch voor normaal neerlaten — beste rendement met resonantieveiligheid; tijdelijk verhoogd voor splash zone en landing
TE VEELHet systeem wordt stijf — vaartuigbeweging wordt doorgegeven, het rendement daalt

Variabele demping in de praktijk: ANTARES past zijn niveau automatisch aan tussen hijsfasen; RIGEL en CYGNUS worden handmatig op dek ingesteld.

Andere subsea-toepassingen

Passieve heave-compensatie-eenheden kunnen ook andere voordelen bieden voor subsea-installaties:

  1. Het vermogen om de draadspanning gedurende de landingsfase te handhaven, wat plotselinge slagzij van het vaartuig voorkomt.
  2. Beperking van piekbelastingen in het geval van het opnieuw optillen van de last.
  3. Het bieden van spanning tijdens subsea-berging om overbelasting te voorkomen wanneer bevestigd aan de zeebodem.

De juiste PHC kiezen

Norwegian Dynamics biedt drie productlijnen van passieve heave-compensatoren:

  • ANTARES Adaptive PHC — geavanceerde adaptieve passieve heave-compensator met automatische dempingsregeling, meerdere bedrijfsmodi en dieptespecificaties tot 3000m. Het beste voor operaties die hoge prestaties en flexibiliteit vereisen.
  • RIGEL Basic PHC — eenvoudige, betrouwbare, voordelige passieve heave-compensator. Het beste voor eenvoudige splash zone-kruisingen en basiscompensatietaken.
  • CYGNUS PHC — passieve heave-compensator voor zware en diepwaterhijsen, met capaciteiten van 12.5 tot 10,000 ton. Het beste voor grote subsea-constructies en diepwaterlandingen.

→ Hulp nodig bij het kiezen? Zie onze Keuzegids heave-compensatoren of neem contact op met onze ingenieurs.

RIGEL, ANTARES of CYGNUS — in één oogopslag

RIGELANTARESCYGNUS
TypePassiefAdaptief passiefPassief
DempingHandmatig, op dek ingesteldAutomatische dempingsregelingHandmatig, op dek ingesteld
SWL-bereik55 – 1 000 t30 – 4 000 t12.5 – 10 000 t
Slag1.0 – 6.0 m2.5 – 8.0 m1.0 – 6.0 m
VoedingGeen externe voedingBatterij — geen umbilicalBatterij — geen umbilical
Valt op doorEenvoudigste, lichtste eenheidQuick-lift-vermogenZware / diepwatercapaciteitsklasse
CertificeringOntworpen & geclassificeerd · DNV-ST-0378 (typegoedkeuring in behandeling)Ontworpen & geclassificeerd · DNV-ST-0378Ontworpen & geclassificeerd · DNV-ST-0378
Het beste voorEenvoudige splash-zone-kruisingen en basiscompensatieVeeleisende meerfasige hijsen die automatische demping vereisenZware en diepwater subsea-hijsen

Eerste richtlijn — de gids passieve vs. actieve heave-compensatie doorloopt de keuze vraag voor vraag.

Verder lezen

Passieve heave-compensatie — veelgestelde vragen

Wat is passieve heave-compensatie?
Een manier om de verticale beweging die van de kraanhaak naar de last wordt overgedragen te verminderen, zonder externe voeding: een stikstofgasveer draagt het gewicht terwijl hydraulische demping de golfenergie dissipeert.
Wat zijn de belangrijkste componenten?
Een gasveer (stikstof onder druk), een hydraulische cilinder met olie die door geregelde openingen stroomt, en dempingskleppen die de stroom beperken om energie te dissiperen.
Hoe efficiënt is het?
Een goed gedimensioneerde PHC geeft slechts een fractie van de beweging van de haak door — in het uitgewerkte voorbeeld hierboven ongeveer een derde bij Tp = 8 s. Het ontwerpdoel is om de natuurlijke periode van het systeem ruim boven de golfperioden van de operatie te houden; de calculator op deze pagina geeft een eerste indicatie.
Passief of actief — hoe kies ik?
Passief wint op eenvoud, betrouwbaarheid en nul externe voeding voor splash-zone-, landings-, spannings- en bergingswerk; actief is voorbehouden aan gevallen waarin de resterende beweging naar nul moet worden gedreven. De vergelijking actief versus passief behandelt de afwegingen.
Welke compensator past bij welke hijs?
RIGEL voor eenvoudige passieve compensatie; ANTARES wanneer automatische dempingsregeling of quick lift van belang is; CYGNUS voor zware en diepwaterhijsen tot 10 000 t. De bovenstaande tabel vergelijkt ze regel voor regel.

Werkt u aan een hijs die dit nodig heeft?

Wij dimensioneren PHC’s op basis van het operationele bereik — Hs, Tp, last, waterdiepte. Stuur de casus en wij komen terug met een aanbevolen product.

Stuur uw hijscasus

Gerelateerde artikelen

ND-oplossingRIGELRIGEL →Passieve heave-compensator — bewezen betrouwbaarheid voor standaardoperaties.ND-oplossingANTARESANTARES →Adaptief passief systeem voor veeleisende omstandigheden.
← Terug naar Knowledge Hub