Quais são os principais componentes de um compensador de heave passivo?

Três: uma mola a gás de nitrogênio que sustenta o peso da carga, um cilindro hidráulico cujo óleo flui por orifícios controlados e válvulas de amortecimento que restringem o fluxo para dissipar a energia das ondas.

Qual é a eficiência da compensação de heave passiva?

Ela depende da rigidez da mola, do ajuste de amortecimento, do comprimento do curso e da adequação à carga. A razão de movimento entre carga e gancho pode ser estimada pelo período de onda, relação gás-óleo, curso e propriedades da carga — um PHC bem dimensionado transmite apenas uma fração do movimento do gancho, e a meta de projeto é manter o período natural do sistema bem acima dos períodos de onda da operação.

Quando um compensador passivo é a escolha certa em vez de um ativo?

Quando o trabalho exige absorver movimento induzido por ondas em travessias da zona de respingos, assentamentos submarinos, tensionamento ou recuperação: sistemas passivos não precisam de alimentação externa, têm menos modos de falha e seu desempenho é previsível pela física. Sistemas ativos são reservados para casos em que o movimento residual deve ser conduzido ativamente a zero.

Qual compensador Norwegian Dynamics é adequado para cada içamento?

RIGEL é a unidade passiva básica (55–1,000 t) para tarefas diretas na zona de respingos e de compensação; ANTARES adiciona controle automático de amortecimento e capacidade de içamento rápido (30–4,000 t) para içamentos multifásicos exigentes; CYGNUS abrange içamentos pesados e em águas profundas de 12.5 até 10,000 t.

Compensador de heave passivo RIGEL suspenso verticalmente em linha no cabo do guindaste enquanto a carga atravessa a zona de respingos ao anoitecer

Compensação de heave passiva

Uma mola a gás e um amortecedor entre o gancho e a carga — sem alimentação externa.

Fundamentos da compensação de heave passiva

Por Tord Martinsen, CEO · Outubro de 2025

Aplicação prática: Para aplicação prática deste tema, consulte RIGEL Basic PHC e ANTARES Adaptive PHC.

A compensação de heave passiva (PHC) é uma técnica utilizada em operações offshore para reduzir o movimento vertical transferido do gancho de um guindaste para uma carga suspensa. Funciona sem alimentação externa, empregando um sistema de mola a gás e amortecedor hidráulico que absorve o movimento induzido pelas ondas.

Quando uma embarcação sobe e desce com as ondas, o gancho do guindaste acompanha o movimento. Sem compensação, a carga sofre o mesmo movimento — criando cargas dinâmicas perigosas durante as travessias da zona de respingos, os assentamentos submarinos e outras operações críticas. Um compensador de heave passivo atua como um amortecedor, absorvendo grande parte desse movimento.

Comparando sistemas? Compare compensadores de heave passivos — RIGEL, CYGNUS e ANTARES — faixas de capacidade, controle de amortecimento e como cada um é dimensionado conforme a DNV-RP-N202.

Como funciona um compensador de heave passivo?

Um PHC é composto por três componentes principais:

Mola a gás — gás nitrogênio sob pressão fornece uma força de mola que sustenta o peso da carga
Cilindro hidráulico — contém óleo que flui por orifícios controlados
Válvulas de amortecimento — restringem o fluxo de óleo para proporcionar amortecimento, dissipando a energia das ondas

Principais aplicações

Travessias da zona de respingos — redução de cargas dinâmicas à medida que a carga atravessa a zona de ondas
Assentamentos submarinos — controle da velocidade de assentamento para posicionamento preciso
Prevenção de ressonância — prevenção da amplificação do movimento em determinados períodos de onda
Tensionamento — manutenção de tensão constante em cabos ou risers
Absorção de choque — proteção da carga e do guindaste contra cargas de impacto

Fatores de desempenho do PHC

A eficiência de um compensador de heave passivo depende da rigidez (constante da mola), do ajuste de amortecimento, do comprimento do curso e da adequação ao peso da carga.

Como a compensação de heave passiva reduz a velocidade de assentamento?

Heave significa movimento vertical, no nosso contexto o movimento vertical do gancho do guindaste, causado pelas ondas. A compensação de heave passiva pode ser entendida como um sistema massa-mola-amortecedor com o objetivo de reduzir o movimento induzido pelas ondas abaixo do compensador. O esboço simplificado abaixo ilustra o nosso cenário:

Figura 1 — O modelo simplificado por trás da dedução. O gancho do guindaste impõe ζ cos(ωt); o PHC contribui com a rigidez k (amortecimento desprezado, conforme a lista de suposições abaixo); a carga submersa de massa m, densidade ρ e seção transversal A⊥ carrega o peso mg, o empuxo F_B e a massa adicionada m_A em água de densidade ρ_w. O z positivo é para baixo.

O movimento do gancho do guindaste segue a senoide dada por $\zeta \cos(\omega t)$ , o PHC tem rigidez $k$ , a água tem densidade de massa $\rho_w$ , enquanto a carga tem as propriedades básicas $\rho, m, A_\perp$ , respectivamente para densidade de massa da carga, massa e área perpendicular ao movimento de heave.

Como neste exemplo estamos assumindo que a carga está submersa, é importante levar em conta o empuxo, o arrasto e a massa adicionada que afetam a carga. Todos esses três efeitos podem melhorar o desempenho do PHC.

Massa adicionada

m_A = \rho_w C_A V_R

Onde $C_A$ é o coeficiente de massa adicionada (pode ser encontrado na DNV RP-N103) e $V_R$ é o volume de referência.

Arrasto

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

Onde $C_D$ é o coeficiente de arrasto e $\dot z$ é a velocidade vertical da carga.

Empuxo

F_B = \rho_w V g

Onde $V$ é o volume deslocado da carga e $g$ é a aceleração da gravidade.

Mola a gás do PHC

Podemos definir uma rigidez média da mola a gás do PHC como a diferença de força entre o curso de equilíbrio e o curso total, dividida pela variação do curso:

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

Onde $p_0$ é a pressão de equilíbrio e $A_0$ é a área do pistão do PHC.

Vamos assumir o seguinte:

O comprimento total do curso é $S$ , e estamos na metade do curso durante o equilíbrio.
Usamos a lei dos gases ideais com compressão adiabática para calcular a variação de pressão.
A força de equilíbrio deve ser igual à força da gravidade menos o empuxo.

A partir dessas suposições, obtemos então:

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]

$\gamma$ é o expoente adiabático.

Podemos ainda assumir que o volume de equilíbrio pode ser definido como:

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

Onde $R$ é a relação gás-óleo, que normalmente está na faixa de 2–12 para um PHC. Um valor maior de $R$ corresponde a uma mola mais macia.

Obtemos então a seguinte expressão para a rigidez do PHC $k$ :

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

Que podemos reescrever como:

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]

Restrição de fluxo hidráulico do PHC

O fluxo de fluido através de uma restrição é normalmente dado por:

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

Onde:

$Q$ é o fluxo volumétrico do fluido,
$A_f$ é a menor área de fluxo,
$\alpha$ é o coeficiente de perda de pressão, e
$\Delta p$ é a perda de pressão.

Usando isso como base, podemos encontrar a força devida à restrição hidráulica:

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

Observe também que o sinal da força hidráulica dependerá da extensão ou retração da haste.
Além disso, pode ter uma magnitude diferente se houver válvulas de retenção.

O truque nesta equação é conhecer $\alpha$ , que não é fácil de calcular.
Deve ser determinado por meio de CFD ou medições e também pode depender de muitas variáveis.

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Atrito de vedação do PHC

O atrito de vedação é um tema muito complexo. Depende de muitos fatores, tais como:

Pressão do fluido
Pré-tensão do elemento elástico
Material da vedação
Velocidade do pistão ou da haste do pistão
Rugosidade da superfície
Tipo de fluido
Largura da vedação
Configuração da vedação

É complexo demais para discutir os detalhes nesta breve introdução.

Equação diferencial

Agora vamos usar o exposto acima com as seguintes suposições:

O atrito de vedação é ignorado (na realidade, pode ser significativo).
A restrição hidráulica é ignorada (normalmente pode ser baixa se o projeto do PHC for bom).
O arrasto é ignorado (para um PHC de alto desempenho, essa suposição é aceitável).
Ignorar a rigidez e o amortecimento da amarração/cabo de aço.
Ignorar a hidrodinâmica do PHC.
Ignorar o peso próprio do PHC.

Uma solução numérica mais precisa, com tudo incluído (e uma equação de estado mais precisa para a pressão do gás), está disponível na Norwegian Dynamics.

Podemos aplicar a segunda lei de Newton à massa da carga para descobrir como ela se move em relação ao gancho do guindaste.
Vamos assumir que para baixo é o sentido positivo:

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

Isso tem uma solução em regime permanente dada por:

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

O que queremos saber é a razão entre o movimento da carga e o movimento do gancho.

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

Podemos então substituir $\omega$ por $\frac{2 \pi}{T_P}$ , onde $T_P$ é o período de onda, e substituir $k$ pela nossa expressão acima:

\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{Massa adicionada}} \underbrace{\frac{\rho}{\rho-\rho_w}}_{\text{Empuxo}} \underbrace{\frac{2\pi^2}{g\,T_p^2}}_{\text{Período de onda}} \underbrace{\frac{S}{\left[\left(\frac{R-0.5}{R-1}\right)^{\gamma}-1\right]}}_{\text{PHC}} -1 }

Com base nessa razão, podemos definir a eficiência da compensação de heave passiva. Se a razão for 0, então a eficiência é 100%; se o valor absoluto for maior que 1, isso significa que teremos ressonância. A calculadora abaixo pode ser usada como um indicador aproximado do desempenho da compensação de heave passiva.

Figura 2 — A razão de movimento representada a partir da expressão acima, usando a carga padrão da calculadora (m = 100 t, m_A = 20 t, ρ = 7 850 kg/m³, S = 4.5 m) para três relações gás-óleo R. Abaixo de 1.0, o PHC isola a carga; em T_n ele entra em ressonância. O modelo é não amortecido — o amortecimento real do PHC limita o pico de ressonância. O objetivo de projeto é evidente: uma mola mais macia (R maior, curso mais longo) empurra T_n bem acima dos períodos de onda em que você opera.

Calculadora de eficiência da compensação de heave passiva

Massa da carga m (toneladas):

Massa adicionada mₐ (toneladas):

Densidade da carga ρ (kg/m³):

Período de onda Tₚ (s):

Comprimento do curso S (m):

Relação gás-óleo R:

Também podemos definir o período natural do PHC como:

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)} }

Exemplo resolvido: interpretação da razão de movimento

Considere o tipo de caso da calculadora: uma carga de aço de 100 t (ρ = 7 850 kg/m³) com 20 t de massa adicionada, em um PHC com curso de 6 m e relação gás-óleo R = 12, em ondas de período T_p = 8 s (γ = 1.4):

Maciez da mola. O termo da mola a gás ((R − 0.5)/(R − 1))^γ − 1 ≈ 0.064 — um R alto e um curso longo tornam a mola macia.
Período natural. T_n ≈ 16 s, confortavelmente acima das ondas de 8 s — o sistema opera na sua faixa de isolamento.
Razão de movimento. A expressão acima resulta em ≈ 0.33: a carga percebe cerca de um terço do movimento do gancho — aproximadamente dois terços do movimento induzido pelas ondas são removidos.

O modelo de forma fechada é não amortecido e conservador perto da ressonância — o amortecimento real limita o pico e adiciona alguma transmissão na faixa de isolamento. Para o dimensionamento, a solução numérica completa (estado do gás, amortecimento, arrasto, amarração) é o que um estudo CONSTELLATION executa.

Amortecimento: qual tipo e quanto

A mola a gás armazena a energia — o amortecedor decide para onde ela vai. Sem amortecimento, o compensador é um sistema massa-mola que oscilaria no seu período natural após cada perturbação. À medida que o pistão se move, o óleo é forçado através de orifícios ou válvulas de controle, e a resistência ao fluxo converte energia cinética em calor: uma força que cresce com a velocidade, limitando a ressonância, atenuando transitórios e proporcionando controle da velocidade de descida para o assentamento.

Tipo de amortecimento	Característica	Onde é aplicado
Linear	Força ∝ velocidade	Simples de modelar — raro em equipamentos reais
Quadrático	Força ∝ velocidade²	O comportamento natural do fluxo por orifício — forte em alta velocidade, suave em baixa velocidade
Variável	Orifícios ajustáveis / válvulas proporcionais	Amortecimento alterado conforme a fase operacional — a via adaptativa

MUITO POUCORessoa perigosamente — os transitórios persistem

NA FAIXA≈ 5 – 15% do crítico para abaixamento normal — melhor eficiência com segurança contra ressonância; aumentado temporariamente para zona de respingos e assentamento

EXCESSIVOO sistema fica rígido — o movimento da embarcação é transmitido, a eficiência cai

Amortecimento variável na prática: ANTARES ajusta seu nível automaticamente entre as fases de içamento; RIGEL e CYGNUS são ajustados manualmente no convés.

Outros usos submarinos

As unidades de compensação de heave passiva também podem proporcionar outros benefícios para instalações submarinas:

Capacidade de manter a tensão do cabo durante toda a fase de assentamento, evitando inclinação súbita da embarcação.
Mitigação de cargas de pico em caso de re-içamento da carga.
Fornecimento de tensionamento durante a recuperação submarina para evitar sobrecarga quando fixada ao leito marinho.

Escolhendo o PHC correto

A Norwegian Dynamics oferece três linhas de produtos de compensadores de heave passivos:

ANTARES Adaptive PHC — compensador de heave passivo adaptativo avançado, com controle automático de amortecimento, múltiplos modos de operação e classificação de profundidade até 3000m. Ideal para operações que exigem alto desempenho e flexibilidade.
RIGEL Basic PHC — compensador de heave passivo simples, confiável e de baixo custo. Ideal para travessias diretas da zona de respingos e tarefas básicas de compensação.
CYGNUS PHC — compensador de heave passivo para içamentos pesados e em águas profundas, com capacidades de 12.5 a 10,000 toneladas. Ideal para grandes estruturas submarinas e assentamentos em águas profundas.

→ Precisa de ajuda para escolher? Consulte nosso Guia de seleção de compensador de heave ou fale com nossos engenheiros.

RIGEL, ANTARES ou CYGNUS — em resumo

	RIGEL	ANTARES	CYGNUS
Tipo	Passivo	Passivo adaptativo	Passivo
Amortecimento	Manual, ajustado no convés	Controle automático de amortecimento	Manual, ajustado no convés
Faixa de SWL	55 – 1 000 t	30 – 4 000 t	12.5 – 10 000 t
Curso	1.0 – 6.0 m	2.5 – 8.0 m	1.0 – 6.0 m
Alimentação	Sem alimentação externa	Bateria — sem umbilical	Bateria — sem umbilical
Destaque	Unidade mais simples e leve	Capacidade de içamento rápido	Faixa de capacidade para cargas pesadas / águas profundas
Certificação	Projetado & classificado · DNV-ST-0378 (Aprovação de Tipo em andamento)	Projetado & classificado · DNV-ST-0378	Projetado & classificado · DNV-ST-0378
Ideal para	Travessias diretas da zona de respingos e compensação básica	Içamentos multifásicos exigentes que necessitam de amortecimento automático	Içamentos submarinos pesados e em águas profundas

Orientação inicial — o guia de compensação de heave passiva vs ativa conduz a escolha pergunta por pergunta.

Leituras relacionadas

Compensação de heave passiva — perguntas frequentes

O que é compensação de heave passiva?

Uma forma de reduzir o movimento vertical transferido do gancho do guindaste para a carga, sem alimentação externa: uma mola a gás de nitrogênio sustenta o peso enquanto o amortecimento hidráulico dissipa a energia das ondas.

Quais são os principais componentes?

Uma mola a gás (nitrogênio sob pressão), um cilindro hidráulico com óleo fluindo por orifícios controlados e válvulas de amortecimento que restringem o fluxo para dissipar energia.

Qual é sua eficiência?

Um PHC bem dimensionado transmite apenas uma fração do movimento do gancho — no exemplo resolvido acima, cerca de um terço em T_p = 8 s. O objetivo de projeto é manter o período natural do sistema bem acima dos períodos de onda da operação; a calculadora nesta página fornece uma primeira indicação.

Passiva ou ativa — como escolher?

A passiva vence em simplicidade, confiabilidade e alimentação externa zero para trabalhos de zona de respingos, assentamento, tensionamento e recuperação; a ativa é reservada para casos em que o movimento residual precisa ser levado a zero. A comparação entre passiva e ativa aborda os compromissos.

Qual compensador é adequado para cada içamento?

RIGEL para compensação passiva direta; ANTARES quando o controle automático de amortecimento ou o içamento rápido são importantes; CYGNUS para içamentos pesados e em águas profundas até 10 000 t. A tabela acima os compara linha por linha.

Trabalhando em um içamento que precisa disso?

Dimensionamos os PHCs de acordo com a faixa operacional — Hs, Tp, carga, profundidade da água. Envie o caso e retornaremos com um produto recomendado.