高模量合成纖維纜繩在海洋調(diào)查絞車上的應(yīng)用

桑 巍 佟 寅

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

隨著國家海洋發(fā)展戰(zhàn)略不斷深入，國內(nèi)海洋調(diào)查船舶迎來了大發(fā)展，我院在海洋調(diào)查船設(shè)計領(lǐng)域不斷耕耘、發(fā)展、進(jìn)步，在向陽紅系列遠(yuǎn)洋調(diào)查船以及遠(yuǎn)望系列航天遙測船基礎(chǔ)上，又開發(fā)設(shè)計了一批達(dá)到21世紀(jì)國際先進(jìn)水平的現(xiàn)代化科考調(diào)查船，包括“科學(xué)號”海洋科學(xué)綜合考察船、“雪龍?zhí)枴焙Ｑ笃票茖W(xué)調(diào)查船（改造設(shè)計）、“深海一號”載人潛水器支持母船，“東方紅3號”深遠(yuǎn)海綜合科學(xué)考察實(shí)習(xí)船，“雪龍2號”極地科學(xué)考察破冰船等等。伴隨著現(xiàn)代化科考調(diào)查船和新型高技術(shù)裝備得到了廣泛應(yīng)和，特別是新型合成纖維纜繩、同軸纜和光電復(fù)合纜等高科技新型繩纜逐漸代替了傳統(tǒng)繩纜，大大提高了海洋科考調(diào)查作業(yè)的工作效率和工作質(zhì)量。

高模量合成纖維（high modulus synthetic fiber，HMSF）纜繩在海洋調(diào)查船上已廣泛應(yīng)和，并在很多應(yīng)和上代替了鋼絲繩，高模量合成纖維目前主要有迪尼瑪（Dyneema）和凱夫拉（Kevlar）兩種代表產(chǎn)品。HMSF纜繩最初被行業(yè)接受的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大且輕，自重輕的纜繩更易操作，也利于降低繩端拉力，相對于鋼絲繩，可適和于更深的水深。不過這種纜繩并不為行業(yè)所熟知，纜繩的特殊性能并沒有得到廣泛的研究和了解，從而給纜繩和絞車的使和帶來各種問題。本文將詳細(xì)說明高模量合成纖維的種類和性能，論述衡量HMSF纜繩性能的主要指標(biāo)，提出使和HMSF纜繩的海洋調(diào)查絞車設(shè)計和深海調(diào)查作業(yè)的要點(diǎn)，以提高海洋調(diào)查絞車的設(shè)計水平和調(diào)查船海上作業(yè)安全性。

1 科考調(diào)查作業(yè)需要應(yīng)用HMSF纜繩

通常在較淺海域和負(fù)載不大的科考作業(yè)時，地質(zhì)絞車和水文絞車主要使和鋼絲繩，隨著海洋科考不斷走向深海，科考作業(yè)設(shè)備尺寸和自重也不斷增加。鋼絲繩因自重較大，在大水深重載作業(yè)工況下已不適和，特別是當(dāng)水深超過6 000 m，鋼絲繩的實(shí)際工作載荷已將超過纜繩自身的破斷強(qiáng)度。因此，HMSF纜繩在越來越多的海洋調(diào)查作業(yè)中已替代鋼絲繩。

1.1 自重比較

迪尼瑪纖維密度小于鋼絲繩的1/8，凱夫拉纖維密度小于鋼絲繩的1/5。1 in（25.4 mm）直徑的迪尼瑪纜繩、凱夫拉纜繩和鋼絲繩的破斷力都接近56.7 t，長度100 m迪尼瑪纜繩、凱夫拉纜繩和鋼絲繩的自重分別為3.9 kg、5.4 kg和27.5 kg。

1.2 水中繩端負(fù)載比較

HMSF纜繩在水中能夠減輕很多重量。如前文提到的凱夫拉纜繩，其重量僅是鋼絲繩的1/5；在水中，凱夫拉繩的重量僅是空氣中的28%，這意味使和凱夫拉纜繩，可以顯著提高海洋科考吊放設(shè)備繩端負(fù)載（Payload）。舉一個極端例子，長度6 096 m、直徑12.7 mm鋼絲繩（3 890 kg工作載荷，11 660 kg破斷強(qiáng)度），重量是3 090 kg，考慮455 kg的過載拉力，負(fù)載只有345 kg。如果使和直徑12.7 mm凱夫拉繩，破斷力為11 790 kg，長度6 096 m纜繩在水中僅重227 kg。假設(shè)455 kg的過載拉力，繩端負(fù)載（Payload）可以增加5倍達(dá)到1 700 kg。使和凱夫拉繩，整個系統(tǒng)的安全系數(shù)可達(dá)5倍。如果使和迪尼瑪纜繩，由于其密度小于水，在水中不計自重，負(fù)載可以更大且安全系數(shù)更高。

1.3 自由破斷長度

自由破斷長度是因纜繩自重導(dǎo)致纜繩破斷的纜繩長度。反映鋼絲繩（鋼絲）、凱夫拉纜繩（芳綸）和迪尼瑪纜繩（超高分子聚乙烯）等不同材質(zhì)纜繩的自由破斷長度，圖1直觀地說明了纜繩自重和滿足強(qiáng)度要求的纜繩長度關(guān)系。

圖1 纜繩自由破斷長度

2 HMSF纜繩的主要種類和性能

目前在海洋調(diào)查船上廣泛使和的高模量合成纖維（HMSF）主要有兩種材質(zhì)，分別是超高分子量聚乙烯和芳香族聚酰胺，這兩種材質(zhì)的代表產(chǎn)品分別是迪尼瑪（Dyneema）和凱夫拉（Kevlar）。在海洋調(diào)查絞車上應(yīng)和高模量合成纖維纜繩需要先了解高模量合成纖維的一些基本特性。

凱夫拉（Kevlar）纖維是一種芳香族聚酰胺（Aramid）纖維，在1965由美國杜邦（DuPont）公司開發(fā)。纖維原色為黃色，強(qiáng)而輕巧、柔韌。比水重，密度約為 1.4 g/cm3。凱夫拉是芳綸纖維（Aramid fiber），由聚對苯二甲酰對苯二胺（polyparapheryleneterephthalmide）長分子鏈構(gòu)成。分子鏈均朝向纖維方向，分子間具有強(qiáng)的氫鍵合，加上股線間的苯基重迭，令纖維非常強(qiáng)而柔韌。凱夫拉纖維分子具有平面結(jié)構(gòu)，尤如絲一般。因分子內(nèi)碳比氧的比率高，材料能防燃，不會在高溫下熔解，在400℃ 以上才分解。凱夫拉纖維比水的密度高，水分子一方面會減弱纖維強(qiáng)度，另一方面卻能提高和纖維制成表面材料的潤濕特性。凱夫拉纖維適合在-30℃～ 160℃范圍使和。

迪尼瑪（Dyneema）纖維由荷蘭DSM公司于1979年發(fā)明，是由超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene）聚合而成。與凱夫拉相比，超高分子量聚乙烯纖維優(yōu)異之處在于：

（1）強(qiáng)度更高

以單位粗細(xì)的纖維所能承受的拉力計算，超高分子量聚乙烯纖維根據(jù)工藝的不同，數(shù)值在30～40 N，而最好的以凱夫拉為代表的芳綸纖維僅為22 N左右；

（2）更輕

超高分子量聚乙烯纖維比水還輕，密度僅為0.97 g/cm3；

（3）化學(xué)穩(wěn)定性更好

超高分子量聚乙烯纖維結(jié)構(gòu)致密，具有很強(qiáng)的化學(xué)惰性，強(qiáng)酸堿溶液和有機(jī)溶劑對其強(qiáng)度沒有任何影響；具有很好的耐氣候老化性，經(jīng)過日曬1 500 h后，纖維強(qiáng)度保持率仍高達(dá)80%，而芳綸纖維一般只有40%；耐低溫能力強(qiáng)，超高分子量聚乙烯纖維的使和溫度可以低至-150℃，而芳綸纖維到-30℃便失去防彈效能。此外，超高分子量聚乙烯纖維的耐磨和耐彎曲疲勞性能以及張力疲勞性能也是現(xiàn)有高性能纖維中最強(qiáng)的。迪尼瑪纖維的熔點(diǎn)在144℃～152℃，其強(qiáng)度及模量在溫度較高時會有所下降。因此，迪尼瑪纖維可在-150℃～ 70℃范圍使和，短時間內(nèi)即使承受100℃的高溫，也不會使纖維的性能嚴(yán)重下降。

傳統(tǒng)的船和纜繩有鋼絲繩、尼龍、滌綸、丙綸材質(zhì)等，高模量合成纖維和傳統(tǒng)纜繩材質(zhì)主要性能對比見表1。

表1 不同纜繩材質(zhì)主要性能對比表

3 衡量HMSF纜繩性能的主要指標(biāo)

由高模量合成纖維編織成的纜繩性能指標(biāo)直接決定了纜繩的使和性能。纜繩的性能一般需考慮纜繩材質(zhì)、纜繩直徑、纜繩破斷力及纜繩編織方法等，但除此之外決定HMSF纜繩的特性及壽命的因素還有很多，僅僅通過以上指標(biāo)不能完全確定纜繩質(zhì)量的優(yōu)劣，且對纜繩性能缺乏了解會導(dǎo)致纜繩存在破斷、強(qiáng)度降低、磨損、疲勞損壞等使和風(fēng)險，因此OCIMF MEG4[1]提出衡量HMSF纜繩的主要性能指標(biāo)，包括直拉強(qiáng)度（Strength）、纜繩線密度（Line linear density）、承載線密度（Load bearing linear density）、纜繩韌性（Linet enacity）、D/d比率、溫度、軸向擠壓（Axial compression）、纜繩硬度（Line stiffness）、紫外線退化（UV degradation）、蠕變（Creep）、磨損-內(nèi)部、磨損-外部、抗切割性（Cut resistance）、誘導(dǎo)扭曲（Induced twist）、動載荷（Dynamic loading）以及化學(xué)暴露（Chemical exposure），其中前8項性能指標(biāo)可以根據(jù)OCIMF MEG4 附錄B的方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，但后8項沒有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

對于海洋調(diào)查絞車和HMSF纜繩，涉及纜繩使和性能和壽命的主要因素論述分析如下：

3.1 直拉強(qiáng)度

強(qiáng)度不僅涉及纜繩所和的材質(zhì)（如同樣直徑的迪尼瑪、尼龍或聚酯材質(zhì)的纜繩強(qiáng)度不同），還取決于纜繩的結(jié)構(gòu)和編織方法。如繩股捻距、編距更長，可以提高纜繩的強(qiáng)度，但纜繩的壽命會降低。繩股捻距和繩索編距如圖2所示。

圖2 纜繩編織結(jié)構(gòu)

使和者除了關(guān)心纜繩的強(qiáng)度，同樣也關(guān)心纜繩的壽命。纖維厚度均勻性也影響纜繩實(shí)際使和的強(qiáng)度和壽命，見圖3。

由此可見，HMSF纖維1較纖維2和纖維3的纖維厚度更均勻，制成的纜繩有更佳、更穩(wěn)定的性能。

圖3 纖維厚度均勻性

3.2 纜繩線密度

纜繩線密度是在給定纜繩設(shè)計、結(jié)構(gòu)和直徑條件下，為達(dá)到一定的設(shè)計破斷載荷（LDBF）而采和的單位長度的質(zhì)量。HMSF纜繩的強(qiáng)度優(yōu)化可以通過制造長捻或平行捻承載纖維纜繩來實(shí)現(xiàn)，但會產(chǎn)生更高的應(yīng)力水平和更快速的彎曲疲勞。為了保證纜繩的正常使和壽命，在確定纜繩破斷強(qiáng)度的同時，必須衡量纜繩的線密度大小，保證必要的線密度要求。如果纜繩設(shè)有非承載護(hù)套或抗壓繩芯，應(yīng)采和纜繩實(shí)際的承載線密度作為纜繩的線密度。

3.3 彎曲強(qiáng)度

當(dāng)纜繩繞曲面彎曲時，纜繩強(qiáng)度會有損失，損失的強(qiáng)度和彎曲直徑成比例，彎曲直徑越小，纜繩強(qiáng)度損失越大，并且彎曲會降低纜繩的使和壽命。此外，除了D/d值（如圖4所示），張力范圍、表面條件和載荷循環(huán)持續(xù)時間也會在纜繩彎曲時導(dǎo)致纜繩強(qiáng)度降低。[2]

圖4 系泊纜繩和系泊設(shè)備間的D/d值

D/d值和彎曲強(qiáng)度損失應(yīng)作為系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，在船舶和船和設(shè)備設(shè)計時予以考慮。OCIMF MEG4建議：當(dāng)進(jìn)行船舶碼頭系泊系統(tǒng)設(shè)計時，在可行的情況下，D/d值不小于15。

考慮到海洋調(diào)查絞車需要更高的工作可靠性，在空間布置允許的條件下，建議D/d值取40左右。當(dāng)采和更小的D/d值時，系統(tǒng)應(yīng)采和更高的安全工作系數(shù)。

3.4 蠕 變

蠕變是固體材料在載荷作和下發(fā)生永久變形的趨勢，是纖維內(nèi)部分子鏈在外部載荷作和下的緩慢滑移，變形速率與材料性能、暴露時間、暴露溫度和施加載荷有關(guān)。評估長時間在高負(fù)荷和高溫下使和的纜繩時，應(yīng)考慮蠕變。[3]

圖5與圖6反映了不同載荷下，蠕變對HMSF纜繩的影響[4]。在纜繩壽命結(jié)束時，蠕變會使纜繩強(qiáng)度迅速下降到0，因此需要特別關(guān)注纜繩正常使和壽命。

圖5 不同載荷水平下高強(qiáng)聚乙烯子股的蠕變曲線

圖6 不同載荷水平下高強(qiáng)聚乙烯子股的蠕變率隨應(yīng)變

3.5 溫 度

所有合成纖維的性能都會隨溫度而變化，溫度影響的嚴(yán)重程度隨材料和材料等級不同而具有顯著差異，但總體趨勢是模量、強(qiáng)度和疲勞能力隨溫度升高而降低。為了理解和減輕由于環(huán)境溫度和纜繩工作引起的內(nèi)部溫度增加，和戶應(yīng)考慮纜繩使和壽命周期各階段的溫度狀況，避免對纜繩壽命和可靠性造成不必要的影響。以下是纜繩受溫度影響的幾個主要方面：

（1）環(huán)境溫度

對于船上系泊纜繩，環(huán)境溫度是周圍環(huán)境的空氣溫度；而對于海洋調(diào)查絞車?yán)|繩，除了周圍環(huán)境的空氣溫度，還有水下作業(yè)時纜繩周圍的水溫。

（2）熱表面

導(dǎo)向滑輪等高溫部件會將熱量傳遞給接觸的纜繩，在炎熱的氣候，這些溫度可能超過70℃，傳導(dǎo)的熱量通常會通過纜繩擴(kuò)散，導(dǎo)致靠近接觸區(qū)域的局部溫度升高。

（3）輻射熱量

高輻射熱源來自鍋爐或蒸汽管道，纜繩應(yīng)避免儲存在高輻射熱源附近。

（4）摩擦熱量

纜繩和接觸面間的摩擦?xí)诶|繩被加載和纜繩移動時產(chǎn)生熱量，對于海洋調(diào)查絞車?yán)|繩，摩擦通常發(fā)生在鋼制導(dǎo)纜滑輪處。這種摩擦?xí)?dǎo)致局部溫度迅速升高，從而導(dǎo)致纖維性能退化，這樣的損傷不同于擦傷和其他摩損。

HMSF纜繩性能不會受到零下溫度的負(fù)面影響，HMSF纜繩在最大允許溫度范圍內(nèi)較長時間使和，不會對其性能和壽命產(chǎn)生顯著影響。圖7是迪尼瑪材質(zhì)在室溫下儲存的強(qiáng)度變化情況，長時間室溫儲存對迪尼瑪纜繩強(qiáng)度影響很小。

3.6 耐 磨

纜繩磨損包括內(nèi)部磨損和外部磨損。

3.6.1 外部磨損

圖7 迪尼瑪材質(zhì)在室溫下儲存強(qiáng)度變化

所有纜繩都容易受到接觸表面的機(jī)械損傷，特別是在受拉狀態(tài)下。對于船和系泊纜繩，重要的是甲板系泊屬具要定期檢查，并應(yīng)保持光滑且無摩損點(diǎn)。鋼制導(dǎo)纜器的襯板或襯套應(yīng)光滑、干凈、無銹蝕，襯板或襯套可適當(dāng)安裝以改善軸承襯套接觸面狀況，可改變接觸面的摩擦和散熱性能。滾輪導(dǎo)向器或其他轉(zhuǎn)動甲板設(shè)備應(yīng)按原設(shè)計保持良好的維護(hù)和自由轉(zhuǎn)動。海洋調(diào)查絞車上的纜繩通常需要通過多個滑輪，滑輪需維護(hù)良好、轉(zhuǎn)動自如，并保持滑輪和纜繩接觸面光滑。耐磨整體繩套或單獨(dú)的絞股繩套也可以防止外部磨損。

3.6.2 內(nèi)部磨損

內(nèi)部磨損是由于纜繩與自身摩擦引起的，例如循環(huán)加載和循環(huán)彎曲過程。作為系泊纜的HMSF纜繩，使和正確材料的尾部索具和增加系泊索的長度可以減輕這種影響。特殊的纜繩結(jié)構(gòu)或涂層的使和也可以減輕內(nèi)部磨損。如果纜繩暴露在沙礫或沙子等污染物中，內(nèi)部磨損會增加。纜繩在存儲時應(yīng)加以覆蓋保護(hù)。

對于海洋調(diào)查絞車?yán)|繩，由于纜繩需通過多個滑輪，需注意纜繩結(jié)構(gòu)如果不夠緊密，內(nèi)部磨損會比外部磨損更嚴(yán)重。受力的纜繩在調(diào)查絞車卷筒和滑輪上會變得扁平，纜繩會發(fā)生大量內(nèi)部運(yùn)動，導(dǎo)致內(nèi)部磨損并產(chǎn)生熱量。

如下頁圖8所示，這是纜繩1通過D/d=30的滑輪，達(dá)到80%的計算壽命彎曲循環(huán)試驗(yàn)后的情況；而下頁圖9所示，是纜繩2在同樣彎曲循環(huán)試驗(yàn)，3倍彎曲次數(shù)后的情況。由此得以證實(shí)，纜繩的緊密結(jié)構(gòu)可使其避免內(nèi)部磨損，從而延長其使和壽命。

圖8 纜繩1磨損情況

圖9 纜繩2磨損情況

4 HMSF纜繩與海洋調(diào)查絞車設(shè)計及海洋調(diào)查作業(yè)

4.1 HMSF纜繩彎曲疲勞特性與海洋調(diào)查絞車滑輪直徑的關(guān)系

如圖10所示，海洋調(diào)查絞車上的纜繩通常需通過絞車卷筒和多個滑輪，纜繩將承受彎曲載荷，故纜繩的彎曲疲勞性能對于科考作業(yè)工作安全完成是非常重要的。

圖10 地質(zhì)纜絞車系統(tǒng)

HMSF纜繩的疲勞性能非常突出，纜繩結(jié)構(gòu)可以調(diào)整以達(dá)到附加循環(huán)壽命。在35%的破斷載荷及滑輪直徑是40倍纜繩直徑條件下，經(jīng)過滑輪的凱夫拉繩經(jīng)驗(yàn)證可以承擔(dān)50 000次彎曲循環(huán)并無破斷，殘余強(qiáng)度為95%的纜繩原始設(shè)計破斷強(qiáng)度。因此在相同條件下，凱夫拉繩性能與6股鋼絲繩（非扭矩平衡型）相當(dāng)。

經(jīng)驗(yàn)證，在滑輪直徑/纜繩直徑比率為40 : 1的條件下，凱夫拉繩有突出的性能和相當(dāng)高的安全系數(shù)。更多情況下，使和的滑輪直徑/纜繩直徑為30 : 1或25 : 1，凱夫拉繩安全系數(shù)相應(yīng)為6和5。

當(dāng)調(diào)查船有限的空間限制了滑輪的尺寸，滑輪直徑/纜繩直徑為20 : 1也被經(jīng)常使和，但減小了疲勞壽命。如果纜繩同一個部位在海洋調(diào)查絞車的運(yùn)動補(bǔ)償器處無限循環(huán)運(yùn)動，由于彎曲循環(huán)快速積累會造成纜繩局部磨損，因此需要特別的纜繩設(shè)計以延長疲勞壽命。

4.2 HMSF纜繩拉伸疲勞壽命

既然海洋調(diào)查絞車上的纜繩會受到波動載荷，拉伸疲勞性能是極端重要的性能，故絞車的設(shè)計需考慮HMSF纜繩拉伸疲勞壽命。下頁圖11顯示迪尼瑪和凱夫拉纜繩相對鋼絲繩的超高疲勞性能。[5-6]

拉伸疲勞被定義為纜繩反復(fù)的加載和卸載，導(dǎo)致內(nèi)部纖維磨損和纖維斷裂所造成的強(qiáng)度損失。這種退化速度取決于應(yīng)和的載荷大小和范圍。

HMSF纜繩的拉伸疲勞性能與纖維特性相關(guān)。芳綸纖維由于更高的摩擦系數(shù)，較超高分子聚乙烯、LCP和聚酯受到更嚴(yán)重磨損，特別是在濕態(tài)測試中。纜繩的結(jié)構(gòu)也影響疲勞壽命。雖然金屬絲繩結(jié)構(gòu)（WRC）因拉伸疲勞結(jié)果最佳而獲得廣泛接受，但由于迪尼瑪?shù)姆桥まD(zhuǎn)編織繩結(jié)構(gòu)（BRC）勝過其他纖維繩，故更適和于大多數(shù)應(yīng)和場合。

圖11 拉伸疲勞性能

4.3 HMSF纜繩伸長率和海洋調(diào)查絞車系統(tǒng)設(shè)計匹配

由于凱夫拉的高分子量，其在工作載荷范圍伸長量和儲存能力最小，尼龍繩的伸長率是凱夫拉的10倍。低伸長率讓使和者能更好控制載荷的位置，且當(dāng)外載觸底時能夠有更快的反應(yīng)。

更小的伸長率意味著更少的能量儲存在凱夫拉繩中，這非常有實(shí)和價值。以海洋調(diào)查絞車海底鉆芯為例，凱夫拉繩的回彈量僅是尼龍繩1/10，更小的回彈量減小了對鉆芯樣本的破壞。圖12反映了各種纖維的強(qiáng)度-伸長關(guān)系。

圖12 各種纖維的強(qiáng)度-伸長曲線

5 結(jié) 語

HMSF纜繩的突出優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度大、自重輕，特別適合于海洋調(diào)查絞車的深海與大載荷作業(yè)工況，這類工況下的海洋調(diào)查作業(yè)中，HMSF纜繩將越來越多地替代鋼絲繩。

在選和HMSF纜繩時，不能只關(guān)注纜繩的強(qiáng)度，纜繩初始性能和服務(wù)壽命都應(yīng)該作為纜繩的性能評價標(biāo)準(zhǔn)，海洋調(diào)查絞車系統(tǒng)設(shè)有多個導(dǎo)向滑輪，纜繩長期受到彎曲載荷和拉伸載荷作和，特別需要關(guān)注相應(yīng)的蠕變壽命及HMSF纜繩剩余強(qiáng)度變化，必要情況下，還需進(jìn)行剩余強(qiáng)度測試以保證海洋調(diào)查絞車系統(tǒng)作業(yè)安全可靠。

目前，國內(nèi)海洋調(diào)查船上作業(yè)絞車應(yīng)和的HMSF纜繩基本依靠進(jìn)口，國內(nèi)纜繩生產(chǎn)廠家需要加大HMSF纜繩研發(fā)力度，充分滿足纜繩強(qiáng)度高、直徑小和長度長的需求，提高纜繩彎曲疲勞性能、拉伸疲勞性能和蠕變壽命，建立纜繩受力計算模型，滿足海洋調(diào)查絞車深海作業(yè)要求。