海洋探測裝備收放纜力學性能研究綜述

摘要：收放纜是維系海底探測裝備與船舶的唯一紐帶，具備電力、信息傳輸以及承重等功能，被廣泛用于各類收放系統。收放纜的安全可靠性是其核心功能要求，因此開展收放纜力學性能試驗是整個收放纜研究的基礎。從海洋絞車以及收放纜的種類、失效形式出發，系統總結了收放纜力學性能試驗研究動態，展望其未來研究方向。對海洋絞車以及收放纜進行了功能分類并詳細分析了收放纜失效的形式以及原因；闡述了收放纜服役環境工況及其力學性能要求與試驗研究現狀；探討海洋探測裝備收放纜的力學性能研究方向，從極端服役環境對合成纖維收放纜力學性能影響及其機制、多重載荷耦合作用下合成纖維收放纜破壞行為及其機理、收放纜力學性能技術與綜合模擬裝置等方面進行了展望。

關鍵詞：海洋探測裝備；收放纜；失效形式；力學性能；試驗研究

中圖分類號：T132.33

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2024.09.001

A Review of Mechanics Property Studies of Retracting and Releasing

Cables for Marine Exploration Equipment

WAN Buyan PENG Fenfei JIN Yongping LIU Deshun PENG Youduo

1.National-Local Joint Engineering Laboratory of Marine Mineral Resources Exploration Equipment

and Safety Technology，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan，411201

2.Hunan Provincial Key Laboratory of Marine Resources Exploration Technology and Equipment，

Hunan University of Science and Technology，Xiangtan，Hunan， 411201

3.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，

Xiangtan，Hunan，411201

Abstract： The retracting and releasing cables were the only link between the submarine exploration equipment and the ship， had the functions of power， information transmission and load-bearing， and were widely used in all kinds of launch and recovery systems. The safety and reliability of retracting-releasing cables were of the core functional requirements. Therefore， conducting experiments on mechanics properties of retracting-releasing cables was the foundation of retracting-releasing cable research. Starting from the types and failure modes of ocean winches and retracting-releasing cables， the state of experimental studies of the mechanics properties of retracting-releasing cables was systematically summarized， and an outlook on future research directions was provided. Firstly， the functions of ocean winches and retracting-releasing cables were categorized， followed by a detailed analysis of the forms and reasons for their failures. Secondly， the operating conditions， mechanics performance requirements of retracting-releasing cables， and experimental research’s current status were described. Lastly， the research directions for the mechanics properties of retracting-releasing cables in ocean detection equipment were discussed， including the impact and mechanism of extreme operating environments on mechanics properties of synthetic retracting-releasing cables， the behavior and mechanism of synthetic retracting-releasing cable damage under multiple load couplings， and the technology and integrated simulation devices for retracting-releasing cable mechanics properties.

Key words： marine exploration equipment； retracting and releasing cable； failure mode； mechanics property； experimental research

0 引言

海洋覆蓋了地球表面超過70%的面積，不但蘊藏了豐富的油氣、生物以及礦石資源，而且蘊藏了豐富的關于地球起源、生物進化和人類社會演變等方面的物質信息。海洋探測與地質取樣是開展海洋科學研究、開發海洋資源、建設海洋工程的前提，已成為世界各國爭相競爭的重要領域。隨著人類認識海洋、開發海洋的愿望越來越強烈，需求越來越緊迫，我國海洋強國建設戰略得到了更深入的實施，海洋探測技術與裝備得到了迅猛發展，如“海馬號”ROV（remotely operated vehicle）、“奮斗者號”載人深潛器、“海牛號”海底鉆機等多種海洋資源環境探測裝備或系統研發與應用，海洋探測逐漸從近海向深海擴展，甚至可達萬米深淵［1-2］。

海洋探測裝備在入海開展探測作業時，都需進行裝備的下放與回收作業。海洋探測裝備搭載母船至指定作業海域，從母船下放到海中或者海底，探測完成后再從海中或者海底回收到母船。探測裝備下放與回收作業一般依靠絞車完成，絞車與探測裝備之間通過纜繩連接，纜繩儲存在絞車滾筒上，隨著絞車正反轉動實現探測裝備的收放。顯然，收放纜繩受探測設備及復雜海況環境所引發的多種動載荷的影響，而且眾多海洋探測設備的電力和信號也需通過收放纜進行傳輸，因此，收放纜成為絞車系統中的關鍵核心組件，直接影響海洋探測作業的安全可靠性。鑒于收放纜僅具備有限的斷裂能力，隨著海水深度的增加，纜繩的收放距離與自身質量也隨之增大，這將限制探測設備的承載質量［3］。一般而言，當工作海深超過6000 m時，常規的鋼絲繩纜已不再適用，必須轉而采用高強度、低密度的非金屬纖維纜進行收放作業［4］。

海洋探測裝備收放纜作業過程受力狀態復雜，不僅要承受探測裝備重量和復雜海況所引發的動載荷，還需要承受與絞車滾筒、滑輪相互作用所導致的彎曲、擠壓和摩擦磨損，以及纏繞于滾筒上纜繩之間的疊壓、摩擦磨損等；收放纜作業環境嚴苛，既有海洋中常見的風、浪、流環境影響，還有海水溫度、海水腐蝕以及太陽光照、大氣環境影響。所以，確保收放纜物理力學性能對海洋探測裝備安全收放至關重要，應用和研發相關技術與裝置來開展纜繩物理力學性能研究就成為了重要的研究方向。本文首先從海洋探測裝備常用的絞車出發，對收放纜類型、結構特點和常見的失效形式進行了分析；然后，從拉伸、疲勞以及摩擦磨損三個方面，系統總結并歸納了收放纜服役工況、力學性能要求及其研究工作進展；最后，結合海洋探測技術發展需求，探討了絞車收放纜力學性能研究的發展方向。

1 海洋絞車收放纜及其失效形式

1.1 絞車及其收放纜

海洋探測裝備所用絞車品種繁多，如圖1所示。就收放裝備而言，通常可分為地質絞車、ROV絞車以及地震炮纜絞車［5］；就所配備纜繩而言，有同軸纜絞車和光電纜（臍帶纜）絞車；就收放方式而言，可分為牽引絞車和直排絞車。牽引絞車與直排絞車兩者之間區別明顯，前者依靠摩擦原理，通過牽引輪提供收放裝備的牽引力，儲纜滾筒并不提供牽引力；后者既要儲存纜繩，又要提供收放裝備的牽引力，絞車結構更加緊湊。由于牽引與儲纜功能合一，直排絞車容易出現排纜故障，因此直排絞車適用的工作海深一般不超過6000 m。這兩種結構的絞車均可與各種收放纜配套使用，區別在于牽引絞車纜繩需要經過兩個摩擦輪才能到達儲纜所用的滾筒，纜繩主要是在摩擦輪上受力、彎曲和摩擦；而直排絞車僅具備單一的滾筒無摩擦輪，纜繩的受力和彎曲均發生在滾筒上，主要涉及的是纜繩之間的擠壓與摩擦。

收放纜雖然品種繁多（圖2），但是其結構無一例外地由承載、電力、通信三個功能單元組成。從收放纜功能角度來看，連接和承載裝備是收放纜不可或缺的基本功能。同軸纜、光電復合纜兩者都可以承載這個基本功能，同軸纜還具備傳輸電力的功能，光電復合纜既具備傳輸電力功能又具備雙向傳輸信號的功能。收放纜外部為承載層，具備極強的負載能力、耐摩擦磨損、疲勞壽命長、抗海水腐蝕性能優等特點；而在收放纜內部則是電纜單元和光纖通信單元，單元之間還通過充填材料來固定纜繩結構。因承載層還具有保護電纜、光纖單元的功能，通常采用鎧裝工藝對其進行加工和表面處理，對于非金屬收放纜甚至還會在其外部加上耐磨防護套。必須指出的是，收放纜只有承載層受力，其他單元和結構體并不承受力且對承載受力影響較小可以忽略不計。因此，一般會根據承載層使用的材料將收放纜分為金屬纜與非金屬或合成纖維纜，后續討論主要集中在承載層的材料、制作、物理力學性能方面。

金屬收放纜采用高強度鋼絲捻制，又稱為鋼絲繩。金屬收放纜一般制作工藝流程為：原材料經過拉拔形成鋼絲，多根鋼絲經捻制形成繩股，多根繩股經過一定的捻制工藝捻成鋼絲繩［6］。非金屬收放纜常用的材料是高性能合成纖維材料，包括芳綸纖維如凱夫拉（Kevlar）、高模量聚乙烯（high molecular weight polyethylene，HMPE）纖維如迪尼瑪（Dyneema）、超高分子量聚乙烯（ultra-high molecular weight polyethylene，UHMWPE）等。滌綸、錦綸、乙綸、丙綸等合成纖維材料常用于海洋系泊工程等，并不用于重要的海洋探測裝備的收放作業［7］。收放纜常用材料性能如表1所示，從單位質量的材料強度（比強度）來看，表1中的合成纖維材料較鋼絲材料強度高得多且具有良好的抗腐蝕性等特點。

合成纖維纜繩編織成形工藝比鋼絲繩捻制成形工藝更為復雜多樣，即使纖維材料相同，編織成形工藝不同也會對纜繩力學性能產生不同影響。編織工藝結構主要包括1/1編織結構、2/2 編織結構和3/3 編織結構，如圖3所示。其中，1/1編織結構的紗線交織點數多，紗線排列較緊密；3/3編織結構的紗線交織點數少，浮線長且排列較稀疏；2/2編織結構介于兩者之間，因紗線排列均勻而在編織繩中應用較廣泛。在生產時，編織繩采用12個線軸，每個線軸為一股纜繩，因此也叫作12股編織繩，編織時由各繩股順時針或逆時針交織編織形成［8］。

1.2 收放纜失效形式

海洋探測裝備在入海開展探測作業時都需進行裝備的下放與回收作業，如圖4所示。在下放與回收過程中，海底裝備的瞬時離底、坐底，收放纜隨絞車滾筒收放、母船的升沉、搖蕩運動，均會導致收放纜承受一系列靜載荷、動載荷乃至瞬間沖擊載荷，頻繁反復的載荷作用，將極大地影響收放纜壽命甚至可能導致收放纜失效。因此，又可以將收放纜主要失效形式分為拉伸過載破斷、疲勞損傷、摩擦磨損等。對于拉伸過載破斷而言，主要是收放纜除承受搭載的探測裝備重力外還受到母船升沉運動等引起的動載荷，實際安全系數降低，導致過載，嚴重縮短使用壽命甚至直接斷裂。對于疲勞損傷失效而言，首先是微動疲勞，微動疲勞是導致金屬材料疲勞裂紋早期萌生以及擴展的主要原因；其次，收放作業過程中，受到風、浪、流影響，船舶發生搖蕩、升沉運動使得海底裝備、絞車、滑輪等在運行過程中產生振動，從而導致疲勞失效；最后，收放纜在收放過程中經絞車滾筒、滑輪上的多次重復彎曲導致收放纜易產生拉伸、扭轉以及彎曲疲勞。

對于摩擦磨損失效而言，主要包含收放纜的表面磨損以及內部磨損。外表面摩擦一般發生在收放纜外層的繩股與絞車的滾筒、滑輪，收放纜自身收放纏繞過程中相互磨損以及磨粒磨損。而內部磨損則是任意兩鋼絲或纖維間受到軸向拉伸力，其形變不同步，將會產生相對滑移導致材料表面相互摩擦產生磨損，因其相對滑移量極為細微，所以也將這種磨損稱為微動磨損［9］。此外，最值得關注的失效形式是蠕變效應導致的失效，蠕變主要與所受載荷水平、溫度以及時間效應有關［10］。2003年，日本“KAIKO”ROV在收放過程中因ROV臍帶纜故障導致丟失，事故原因不明［11］。

此外，收放纜失效形式還與承載層所使用的材料性質相關聯。腐蝕失效是金屬收放纜常見的失效形式［12］，可分為純腐蝕失效和腐蝕疲勞。從純腐蝕失效來說，金屬材料在高溫潮濕、含鹽海風以及海水等腐蝕性介質環境作用下易發生電化學腐蝕。金屬收放纜在捻制過程中會浸潤在潤滑脂中，且在使用過程中也會在外表面涂抹一層潤滑脂，具有一定的保護作用，但當潤滑脂層被破壞后容易發生局部腐蝕。腐蝕在一定程度上會降低金屬收放纜的抗拉強度以及彎曲韌性，且對扭轉韌性的傷害最大，也會引發析氫反應導致鋼絲產生氫脆效應。從腐蝕疲勞來說，金屬收放纜處在腐蝕環境以及交變載荷作用下極易產生腐蝕疲勞，鋼絲表面將會產生凹坑、縫隙等疲勞裂紋源，導致應力集中，使得其破壞程度遠遠超過純腐蝕失效或疲勞損傷失效造成的影響，極大地縮短了金屬收放纜的使用壽命。

熱損傷是合成纖維材料的非金屬收放纜常見的失效形式，也是合成纖維材料自身特性、應力水平、收放纜直徑、收放纜彎曲頻率綜合影響的結果。非金屬收放纜在絞車滾筒、滑輪上彎曲、摩擦所產生的熱量會導致纖維材料產生熱熔現象，使得由纖維編織/捻制而成的收放纜的纖維黏合在一起形成不易彎曲的剛性纖維束段，進而降低非金屬收放纜的整體強度。應力水平主要通過摩擦以及形變熱效應發揮作用。彎曲頻率的變化會導致收放纜內部產熱，隨時間增加最終傳遞到整個收放纜。收放纜直徑會增加繩股間的相對位移，由此產生更多的摩擦熱［13］。

2 收放纜力學性能研究進展

纜繩是較為常見的機械傳動承載件，因為其方便布局而廣泛應用于機械工程、海洋工程、橋梁與結構工程。纜繩自身物理力學性能是其設計、制造、維護等全壽命周期的核心指標，也受服役環境工況的直接影響，這給收放纜在作業過程的安全性和可靠性帶來極大挑戰，因此，不同服役環境工況（尤其是在海洋探測裝備領域）的收放纜力學性能變化情況越來越受到關注［4］。收放纜作為海洋探測裝備入海作業的關鍵工具，作業過程受力復雜、服役環境嚴苛、失效形式多樣，分析研究收放纜物理力學機理很多。這里主要從收放纜服役環境工況下的蠕變、拉伸、超動態、疲勞、摩擦磨損以及有限元仿真六個方面來梳理研究纜繩力學性能發展動態。其中，蠕變、拉伸、超動態力學性能又與應變率息息相關，加載應變率將決定材料的變形和失效模式，并影響結構整體的力學行為［14］，因此，又可將蠕變、拉伸、超動態性能從不同應變率范圍的角度來闡述，如圖5所示，可以為海洋探測裝備收放纜力學性能研究與發展提供參考依據。

2.1 蠕變性能

蠕變是指在應力作用保持不變的條件下固體材料和結構應變隨時間延長而增大的現象。海洋探測裝備作業過程中，依靠收放纜進行下放、作業狀態的維持以及回收，此種狀態可能會維持幾小時甚至幾十小時的時間，勢必會產生蠕變效應。不同結構收放纜的蠕變效應可能會有所不同，但相關研究尚未見文獻報道。復雜多變的海洋環境，尤其是溫度變化（包括空氣溫度、水下作業溫度）對收放纜的蠕變效應也有影響。因此，為了減小收放纜的蠕變效應帶來的不利影響，應著重考慮不同海深下的收放纜材料屬性、纜繩結構以及環境溫度下的收放纜選型。袁行飛等［15］開展了常溫（25 ℃）下近海及海面吊裝類不同直徑大小的鋼絲繩蠕變試驗，結果表明：蠕變在初始階段（0～80 h）發展迅速，隨后減緩直至接近恒定（gt;80 h）;蠕變與所受應力有關，鋼絲應力小于某臨界值時蠕變量非常小。

水深不超過1000 m的HMPE纖維纜主要考慮溫度及載荷。連宇順等［10］開展了10～70 ℃常溫下HMPE纖維纜的蠕變試驗，基于圖6所示裝置得到了數據，提出了同時考慮載荷和溫度與高強度聚乙烯紗線蠕變率關系的經驗公式。試驗數據也表明，隨著載荷的增大，蠕變第三階段所歷經的時間越短，纜繩的蠕變壽命越短;HMPE 纜繩試樣的蠕變壽命和其所承受的載荷水平在雙對數坐標系下成線性關系。

關于水深在1000～6000 m級鋼絲鎧裝收放纜，未見文獻對整體蠕變效應進行探討，均停留在對單根鋼絲的研究。但單根鋼絲并不能完全表征整根鋼絲鎧裝收放纜的蠕變效應，原因在于鎧裝鋼絲是由多層鋼絲以一定角度絞合而成，鎧裝鋼絲纜絞合結構、絞合角度會對蠕變產生一定的影響。

水深在6000 m級以上，受收放纜自重的影響，必須采用非金屬（如芳綸或超高分子聚乙烯）材料鎧裝。鎧裝一般采用以下兩種方式：一種是由纖維直接編織而成，另一種是由纖維混紡后膠裝再絞合而成。非金屬材料的拉伸蠕變力學性能會隨溫度的變化而變化，可能也會導致由非金屬材料鎧裝的收放纜拉伸蠕變性能受溫度及壓力的綜合影響，但目前未見類似研究的文獻。

2.2 拉伸性能

收放纜不僅需要承受海底探測裝備自身重力所引發的靜載荷，而且海底探測裝備收放過程都受風、浪、流復雜海洋環境影響，即使母船帶有動力定位但仍將產生升沉、縱搖、橫搖等運動，隨之產生復雜運動而在收放系統中產生周期性動載荷。因此，收放纜應具備足夠的抗拉強度以及一定的拉伸剛度，能應對靜載荷與周期性動載荷，避免頻繁載荷作用下收放纜的破斷，保證海底探測裝備的安全性。對編織類收放纜應選擇合適的編織結構以及編織角，保證收放纜整體均勻受力，避免編織結構受力不均，在作業過程中獲得接近于理想狀態下的載荷破斷能力；鎧裝類收放纜應按照作業環境工況選擇合適的螺旋升角進行絞合，且應避免拉伸過程中鎧裝收放端部以及鎧裝各結構層間的應力集中效應。收放纜的拉伸力學性能可以通過萬能拉伸試驗機獲取。

王臻等［16］進行了應變率范圍為10-1～101 s-1的編織繩動態拉伸試驗，結果表明，隨拉伸應變率的增大，編織繩的斷裂強力和彈性模量均增大，而斷裂應變和韌性均減小。李學楠［17］在試驗機基礎上增加水循環裝置對合成纖維纜進行了拉伸，發現水環境下合成纖維纜的壽命比干環境更長。對于水深小于100 m范圍內的鎧裝電纜，陳大勇等［18］研究了不同拉伸載荷作用下鎧裝電纜各結構層之間的力學性能的關系，著重分析了鎧裝鋼絲應力承載比例及應力分布。對于1000～3000 m水深范圍內的鎧裝電纜，王文超等［19］發現伸長率會隨拉伸力的增大而增大，拉伸端鎧裝鋼絲會產生沿自身方向的旋轉和應力釋放，端部會產生較大的變形波動和應力集中效應。相較于其他結構，內墊層和外被層應變變形較大，最大應變值比內部線芯大1～2個數量級，可對內部線芯起到良好的緩沖保護作用。CHANG等［20］研究了4000 m水深下金屬鎧裝電纜的拉伸力學性能，結果表明，隨著軸向力的增大，大螺旋角的鎧裝有更明顯的扭矩增大趨勢，當螺旋角較小時，電纜具有較好的抗拉剛度。DENG等［21］研究了4000 m級以上非金屬鎧裝臍帶電纜的力學性能，并與3000 m級的鋼管臍帶電纜進行了比較，認為螺旋纏繞角對結構剛度影響較大，2°～6°可作為臍帶電纜的合適纏繞角。非金屬鎧裝臍帶電纜比金屬鋼管臍帶電纜有更高的抗拉強度，能適用于更深的水域。

2.3 超動態性能

收放纜受到的載荷既有海底探測裝備重力靜載荷，又有上文所述動載荷；既有由絞車母船端引發的動載荷，又有從海底探測裝備端引發的動載荷。其中一些作用時間極短的沖擊動載荷導致纜繩應變速率達到了102～104 s-1高應變率狀態，這時纜繩及其材料高應變率力學性能不同于常規靜、動態力學性能，需要用沖擊試驗裝置才能獲得。霍普金森拉桿（SHTB）［22］是一種測量材料高應變率（102～104 s-1）拉伸力學性能的裝置，如圖7所示。

采用SHTB裝置進行高應變率下合成纖維材料的拉伸，發現不同合成纖維的應變率敏感性存在明顯差別：①纖維材料對應變率不敏感。陳思穎等［23］對多種纖維束進行了動態拉伸，發現纖維束的拉伸強度與應變率無關（玻璃纖維除外）。②纖維材料對應變率具有高敏感性。LIM等［22］研究表明，單根高性能纖維對應變率敏感，應變率增加，其拉伸性能也會提高。石景富等［24］發現UHMWPE纖維的拉伸模量、強度隨應變率的增加而增大。WANG等［25］研究表明，在極低的加載速率下，UHMWPE紗線對應變率具有較高的敏感性，隨著應變率的增加，拉伸強度顯著增加，而破壞應變和韌性顯著降低。特別需要指出的是，即使是應變率敏感的合成纖維在力學性能趨勢上也存在差異。王庭輝等［26］發現五種測試材料均存在動態抗拉強度隨應變率增加而增加的趨勢，但聚對苯撐苯并二惡唑（PBO）材料和Kevlar材料的失效應變隨應變速率增加有減小趨勢，UHMWPE的失效應變隨應變率增加有增大趨勢。

上述文獻均集中在高應變率下材料層面的力學性能研究，獲得了材料屬性的物理力學性能，目前尚未有文獻直接關于高應變率下纜繩級的沖擊試驗研究，當然，也有一些文獻采用材料層面的力學性能來表征整體結構纜繩的力學性能，但可能存在一定誤差。

金屬/非金屬材料收放纜均會受到環境效應對力學性能的影響，但二者側重點又有所不同。海洋環境的腐蝕對金屬材料收放纜影響較大。袁修秀［27］研究了鋼絲繩在海水腐蝕中的力學性能并提出了腐蝕環境下鋼絲繩的滯回應力-應變模型。任路駿［28］進行了慢應變率下的拉伸試驗，研究了深海3000 m工況下不同壓力對鋼的腐蝕行為。關于非金屬材料收放纜對海洋濕度/溫度的影響（即環境效應），鄭有婧等［29］研究發現冷熱交替/快速溫變對芳綸材料拉伸性能的影響小于相同的溫度和時長下的高溫暴露。車轍等［30］發現吸濕率增大和溫度升高會降低芳綸材料的拉伸強度。

上述研究表明，材料在不同應變率下表現出不同的力學性能［31］，而且環境效應（溫度、濕度、腐蝕甚至海深壓力［28］）對其力學性能有不同的影響。但目前尚未有不同應變率下受環境效應影響的收放纜結構層面的相關研究。

2.4 疲勞性能

收放纜從儲存到下放再到在位作業主要有三種工況。①儲存工況：收放纜在卷盤上纏繞會受彎曲載荷的作用；在絞車卷筒的收放纜還會受纜體自重產生的擠壓載荷。②下放工況：海底探測裝備在下放過程中，卷曲在絞車卷筒上的收放纜通過A型架上的滑輪，滑輪上收放纜受彎曲載荷；另外，由于母船的運動與海洋載荷及自重的共同作用，會受到拉伸載荷與彎曲載荷。③作業工況：收放纜在位工作過程中會受水壓作用，且由于自重與波浪的作用，收放纜頂部與母船連接處滑輪會受到較大拉伸載荷與彎曲載荷以及微幅振動，產生疲勞失效；作業過程中還由于海流的作用，沿軸向的拉伸載荷對頂部連接處造成影響，使局部曲率增大，加快收放纜的疲勞破壞，如圖8所示。

收放纜從儲運到在位工作的過程中，與頂部A型架的滑輪連接處由于海洋環境荷載和母船運動的影響，往往會出現上下升沉與往復擺動的情況，因此拉彎荷載是其主要承受的荷載形式。在其擺動過程中，由于纜體自重等影響，鎧裝承重層間存在接觸摩擦，會加快鋼絲或纖維鎧裝層的疲勞失效。這種疲勞失效又因收放纜鎧裝層材質的不同有所區別：微動疲勞是金屬類鎧裝層疲勞裂紋早期萌生以及擴展的主要原因，將會導致纜過早破壞。彎曲載荷與層間摩擦的作用也會使得纜內單元產生熱量累積損傷，產生疲勞失效，這對非金屬類鎧裝收放纜的影響較大。

隨著海洋探測裝備下放深度的增加，下放過程中海洋環境載荷、母船運動以及海底裝備動載荷均會導致金屬鎧裝收放纜承重層材料早期裂紋的擴展；而金屬鎧裝收放纜長時間處于海洋潮濕、高溫、鹽分環境下會加速承重層腐蝕，進而加劇疲勞裂紋的進展。二者的綜合作用更容易導致金屬鎧裝收放纜承重層間發生疲勞失效，因此，有必要對收放纜的承重層材料性能的疲勞參數以及海洋環境的影響進行分析。文獻［32-33］研究了腐蝕環境、微動疲勞參數（接觸載荷、疲勞載荷、鋼絲直徑和交叉角度、微動振幅）等對鋼絲試樣的微動疲勞行為。WATERHOUSE等［34］研究了不同鍍層鋼絲間的微動疲勞行為。通常是從材料角度來研究微動疲勞，適用于絲線、纖維等標準試樣，而對于整根收放纜的彎曲疲勞，常用的研究方法是采用滑輪或滾筒配合電機對收放纜加載進行循環彎曲疲勞試驗，模擬收放纜在絞車以及滑輪上反復收放過程。此類裝置包括BoS疲勞裝置、多滑輪疲勞裝置、旋轉彎曲、臍帶纜臥式彎曲疲勞機［35］等。海底探測裝備的下放與回收主要依靠絞車、收放纜和滑輪三者間的配合，利用摩擦原理進行牽引收放，因此，在收放時絞車滾筒結構、滑輪材料參數乃至收放纜內部結構參數均會影響收放纜疲勞性能。ZHANG等［36］研究了不同滑輪材料、鋼絲繩預斷絲不同分布、變張力等因素影響下鋼絲繩的疲勞行為。吳潘［37］以臍帶纜的懸掛點處的疲勞為例，研究內部構件的螺旋角對臍帶纜疲勞壽命的影響。

非金屬鎧裝收放纜因承重層材料屬性的影響，對環境溫度、濕度更加敏感，且在收放過程中收放纜反復彎曲纏繞、頻繁伸長，均會加重纜類承重層間單絲-單絲的摩擦，進而導致熱量積累，加劇疲勞效應，導致非金屬鎧裝收放纜產生熱損傷。因此，研究收放過程中的非金屬鎧裝收放纜疲勞性能分析具有十分重要的意義。寧方剛等［38］從應力水平、彎曲頻率以及直徑比三個方面研究了纖維編織繩彎曲行為，并分析了溫度產生的原因并討論了編織繩熱損傷存在的形態及主要因素。李水嬌等［39］自制循環水裝置配合標準試驗機對纖維纜進行了干、濕兩種狀態下的疲勞試驗，結果表明，在水環境中纖維纜抗疲勞特性有所增強。

2.5 摩擦磨損性能

收放纜本質為包含著電纜、光纜所組成的大型的集束型線纜，主要用于給海底探測裝備供電及調控。如2.4節所述，收放纜從存儲在絞車卷筒上到作業的過程中，其疲勞失效是極為重要的失效模式，主要發生在母船與收放纜的頂部連接處以及收放纜與海底探測裝備的連接處，如圖9所示。

收放纜在位工作時，它與A型架滑輪連接處以及海底探測裝備連接處均會因母船運動和海洋環境的動力影響，出現往復的擺動情況，由于承重層的內外層單絲為螺旋纏繞結構并且層間沒有黏結，使得單絲在收放纜承受由波浪海流等因素造成的交變荷載時，承重層內外層單絲之間會產生相對滑移，從而產生摩擦和磨損，使其容易產生疲勞破壞，從而影響收放纜的使用壽命。其次，收放纜需與絞車系統配合進行海底探測裝備的下放與回收，在作業過程中，收放纜頻繁地張緊與松弛、在絞車卷筒或滑輪上反復纏繞摩擦都可能造成收放纜外表面的摩擦損傷，而海水腐蝕、摩擦發熱等又會加劇摩擦損傷，最終導致收放纜力學性能下降甚至失效。

收放纜承重層內單絲與單絲間的摩擦磨損主要來源于承重層間單絲與單絲間的相對滑移，如圖10所示。黃鎮［40］發現在滑動速率相同時，鍍鋅鋼絲的摩擦因數和磨損率較高，鋼絲的磨損表面呈黏著磨損和塑性變形的特征。鍍鋅鋼絲和未鍍鋅鋼絲的磨損率均隨滑動速率的增大而減小，且鍍鋅鋼絲的磨損率受滑動速率的影響較大。王旭頡［41］探究了不同鎧裝鋼絲纏繞角度下的摩擦因數變化規律，發現摩擦因數不是固定值，會隨往復摩擦次數、鋼絲間交叉角度發生變化，對已達到相對穩定的摩擦因數的影響不明顯。ZHANG等［42］對不同腐蝕介質下鋼絲的小振幅小載荷振蕩運動微動磨損進行了研究。焦亞男等［43］探究了一定夾角接觸的纖維束或纖維間摩擦頻率對纖維束摩擦行為的影響。LIU等［44］分別在室溫和液氮環境下開展了UHMWPE摩擦磨損試驗，發現該材料在低溫環境下的磨損量遠大于室溫下的磨損量。

收放纜表面磨損包括兩種類型，一種是收放纜與收放纜間的摩擦磨損，另一種是收放纜與滑輪/滾筒間的摩擦磨損，如圖11所示。①收放纜與收放纜間的摩擦磨損。主要集中在收放纜在海洋絞車上纏繞處，其原理與內部磨損中的單絲間對磨較為類似，區別在于整根收放纜的摩擦磨損更加真實，所受影響因素更多。趙興寧［45］通過正交試驗發現在纏繞過渡階段，張緊力對鋼絲繩摩擦因數的影響最大，繩速次之，而圍包角影響最小。彭玉興等［46-47］對鋼絲繩間接觸引發的外部摩擦磨損開展了大量研究，分析了不同滑動參數、振動工況、不同溫度、潤滑條件下對鋼絲繩-鋼絲繩滑動摩擦磨損特征機理的影響規律。②收放纜與滑輪/滾筒間的摩擦磨損。ZHANG等［48］借助摩擦磨損裝置，模擬卷繞牽引過程，對纜繩本體進行摩擦磨損研究，對比不同輪徑下內、外磨損程度，驗證了外部磨損、內部磨損理論分析的合理性。

2.6 收放纜力學性能有限元仿真

收放纜在近海或海面上的真實力學性能試驗可以通過海試獲取，但隨著收放纜適用海深的不斷加深，試驗的難度及成本將會成幾何倍數增加。其次，由于收放纜多層螺旋纏繞鎧裝結構的特點，在風、浪、流環境作用下，收放纜鎧裝層與層間的接觸、摩擦、彎曲，扭轉、拉伸等相互作用導致其力學性能呈現明顯非線性［49］。理論計算是基于各種的假設前提，而鎧裝層之間的多種相互作用影響導致其力學性能計算不精準。通過有限元模擬不同海深環境并建立精細的有限元三維模型，能夠考慮絲與絲之間、多層單絲層之間的復雜力學因素并對結構進行精準的力學性能模擬。

對于水深小于100 m的工況，陳大勇等［18］采用數值模擬軟件建立臍帶纜的有限元模型，模擬分析不同載荷下各結構層（纏繞方式、螺旋升角）的力學性能，著重分析了鎧裝鋼絲應力承載比例及應力分布。針對臍帶纜內部螺旋層，應用Darboux標架建立螺旋結構空間坐標系，推導彎曲載荷下螺旋結構的局部變形和滑移。考慮螺旋構件間的接觸和摩擦作用，建立螺旋結構的受力平衡偏微分方程，并研究螺旋角和摩擦因數對螺旋結構滑移的影響。施興華等［50］搭建了母船-臍帶纜-ROV水動力模型，模擬了近海海況下ROV的運行，探究ROV 在不同運動模式下臍帶纜受到的水動力特性。金永平等［51］分析了深海海底鉆機在不同海況下，最大水深1000 m位置處，深海海底鉆機擺動狀況、升沉運動以及鎧裝臍帶纜張力的動態響應統計規律和鎧裝臍帶纜的張力響應。QUAN等［52］建立了深度大于3000 m水深的深海ROV臍帶纜平面模型，考慮了大位移的幾何非線性和軸向的影響。謝焜等［53-54］構建了精細化鎧裝臍帶纜三維幾何模型，模擬鎧裝臍帶纜在6000 m水深下的受力情況，如圖12所示。值得一提的是，鄧禹等［55］從理論模型和數值仿真兩方面分析碳纖維臍帶纜和芳綸編織臍帶纜相較于鋼管臍帶纜和鎧裝鋼絲臍帶纜的力學性能和輕量化程度，在數值仿真中，分析了纜長和纏繞角度對不同臍帶纜拉伸、彎曲和扭轉剛度的影響。

3 海洋收放纜研究展望

相對于陸地、天空，人類對深海的研究與開發尚處于初級階段，深海乃至深淵仍然是我們知之甚少的地區，深海環境存在豐富的生物資源、礦產資源以及油氣資源、空間資源等，尚未被人類研究與利用［56］。然而，想要獲取這些豐富的資源分布情況需要海洋探測裝備，而海洋探測裝備入海作業的收放過程離不開安全、可靠的收放纜及其絞車，所謂命懸一線，就是收放纜對探測裝備的重要性的真實寫照。然而，就海洋地質與環境科學研究來說，地球兩端的寒冷極地、大洋中脊或弧后盆地的高溫海底煙囪、地球最深處馬里亞納海溝，都需要科學家使用海洋探測裝備去探究，收放纜作業環境極端嚴苛。就海洋地質資源開發利用來說，在陸地礦產資源日趨枯竭的今天，世界各國越來越重視深海礦產資源的開發和利用，需要將集礦車、鉆孔機等各種施工作業裝備下放到海底礦區，收放纜更加多樣以便適應不同海深、裝備質量與功能要求。所以，隨著海洋地質科學研究從深海走向深淵，海洋地質資源（特別是一些深海礦產資源）引起的競爭加劇，收放纜及深海絞車技術與裝備將有更廣闊的應用前景。當前我國重要的海洋探測裝備的收放作業實際上嚴重依賴于國外的收放纜與海洋絞車，因此，加強絞車收放纜科學研究、促進我國收放纜與海洋絞車產業走進高端、邁向世界市場具有重要性和緊迫性。

眾所周知，收放纜的安全可靠性是其核心功能要求，而開展收放纜力學性能試驗是整個收放纜研究的基礎。有關纜繩力學性能研究的文獻眾多，但是由于收放纜的受力及環境的特殊性，仍然有一些問題有待深入研究。

（1）極端服役環境對合成纖維收放纜力學性能影響及其機制。鎧裝鋼絲收放纜在建筑與結構工程、海洋工程、軍工裝備等領域有著廣泛應用，關于服役環境對鎧裝鋼絲收放纜力學性能的影響也有了較為深入研究，其適應性和可靠性得到了實踐證實［57］。隨著海洋探測向極地、深淵擴展，高強度、低密度、耐腐蝕的新型合成纖維收放纜必然會得到廣泛應用。而且由于鎧裝鋼絲收放纜受到質量比強度的限制，合成纖維收放纜將是深海、深淵絞車收放用纜繩的必然選擇。極地最冷月氣溫在-30～-40 ℃，海底熱流區溫度高達100～400 ℃，即使在南海海面上日照也會高達100 ℃，大大超過一般材料的適應溫度。除開少數應用于軍工防護領域的合成纖維材料的試驗環境溫度較高以外，一般試驗沒有達到收放纜極端服役環境的要求，而相關研究文獻報道一些合成纖維材料對環境溫度非常敏感［58］。特別需要指出，隨著工作水深增加，海水壓力不斷增大，每1000 m增加10 MPa，最深處可達110 MPa，高壓海水環境對收放纜力學行為、纖維組織結構的影響尚待深入研究。所以，研究環境溫度對合成纖維收放纜力學性能的影響（特別是環境壓力對合成纖維收放纜力學行為的影響），從纖維組織結構、纜繩編織等層面揭示其影響機制，研究開發新型合成纖維材料和收放纜，這對高強度、低密度、耐腐蝕的新型合成纖維收放纜擴展應用領域具有重要意義。

（2）多重載荷耦合作用下合成纖維收放纜破壞行為及機理。從現有研究文獻來看，關于一些典型的合成纖維材料的蠕變、拉伸、疲勞和摩擦力學性能研究已有報道，但是這些研究工作局限于單一載荷和常規環境，不能很好地解釋實踐中合成纖維收放纜破壞失效形式。事實上，收放纜作業過程中，不僅僅受搭載的探測裝備重力，還受收放加速運動、海面風浪流、母船升沉等引發的動載荷，以及可能幾十小時到幾十天作業時間等蠕變影響。眾多研究表明，結構及其材料在不同應變率下表現出不同的力學性能，其中一些沖擊動載荷作用下應變率達到了102～104 s-1高應變率狀態。雖然在軍工領域針對某些高強度、低密度復合材料開展了沖擊動力學性能試驗研究［59］，但是在海工領域輕質纜及其纖維材料的沖擊動力學性能試驗研究罕見報道。這些領域的沖擊動力學性能研究都沒有考慮深海、深淵高壓環境［60］。據報道，日本丟失的“KAIKO”ROV拖曳輕質纜受到的載荷遠低于纜繩設計破斷力［15］，這意味著纜繩破斷力這個常規環境下單一載荷的靜態力學性能指標不適用于表征深海高壓環境下的纜繩力學性能。所以，有必要深入分析收放纜服役周期、作業過程的載荷和環境特性，探究多重載荷耦合作用下合成纖維收放纜力學行為和失效形式，揭示復雜環境合成纖維收放纜破壞機理，支撐海洋探測裝備安全可靠收放技術的發展。

（3）收放纜力學性能技術與綜合模擬裝置。現有的文獻報道已有關于收放纜材料的蠕變、拉伸、疲勞和摩擦力學性能技術與裝置研究，面向深海深淵作業要求，主要存在兩個方面問題。一方面是缺乏高壓海水環境的模擬。面向一般的服役場景，現有的材料蠕變、拉伸、疲勞力學性能聚焦于常壓環境，沒有考慮高壓環境。隨著深海裝備研發需要，已有一些關于高壓環境下的摩擦磨損裝置的報道，但局限于常規材料高壓環境下的摩擦磨損情況，未開展纖維或絲線高壓環境下的摩擦磨損情況研究［61］。高壓海水環境模擬裝置與一般的高壓釜主要區別在于試樣及其連接部件需要穿越其中，以便對試樣加載傳力。這就要求在高達120 MPa壓力環境下，運動密封結構既要保證泄漏量很小，又要對部件傳力、運動影響最小。另一方面是缺乏纜繩級別的實際工況下力學性能技術與裝置。目前文獻大多是關于絲線或纖維材料層次的研究，關于實際工況纜繩行為的研究甚少。纜繩力學性能不僅取決于構成纜繩的絲線或纖維材料，而且取決于纜繩尺寸、編織方法、加工工藝等。在實際作業中最需關注纜繩作為一個整體結構而非單種材料的力學性能、破壞行為、失效形式等。作業時收放纜中交流電纜產生的電磁場對其腐蝕和力學性能影響也應該引起關注。目前，國外纜繩疲勞機已有多個品種，但國內仍然處于模擬實際工況的纜繩疲勞裝置探索階段［35］。所以，研究和開發我國模擬實際工況的纜繩力學性能裝置與仿真程序，建立包括試樣尺寸與制作、夾具與連接方式、模擬環境等方面的技術標準，提升和檢測收放纜可靠性，為收放纜力學性能研究和我國海洋探測裝備收放纜和絞車產業提供技術和物質支撐，對推進海洋探測事業向極地、深淵發展和建設海洋強國具有重要意義。

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（編輯 王旻玥）

作者簡介：

萬步炎，男，1964年生，教授、博士研究生導師。主要研究方向為海洋資源勘探技術、海洋采礦技術與裝備、自動化儀器儀表、固體物料管道輸送技術（礦山充填技術）。E-mail：cimrwby@vip.sina.com。

金永平（通信作者），男，1984年生，教授、博士研究生導師。研究方向為海底作業機器人、海洋礦產資源探采裝備與技術深淵海底生物、沉積物取樣技術與裝備、機械系統動力學與控制。E-mail：jinyongping@hnust.edu.cn。

收稿日期：2023-10-08

基金項目：國家重點研發計劃（2022YFC2805901，2022YFC2805904）；國家自然科學基金（52275106）；湖南省創新型省份建設專項資金（2020GK1021）