关于全尺寸HMPE绳索准静态和动态刚度的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental investigation on the quasi-static and dynamic stiffness of full-scale HMPE ropes

基于新实验技术系统研究HMPE绳准静态与动态刚度特性，发现动态刚度与平均载荷正相关，与载荷幅值负相关，且随加载周期延长呈适度下降趋势，首次量化提出加载周期影响修正公式，为海洋工程绳索设计提供理论依据。

　　在当今的海洋工程和深海油气勘探领域，对系泊系统在极端环境下的可靠性要求越来越高。这促使海洋工程界积极寻找更优质的系泊绳材料。高模量聚乙烯（HMPE）绳相较于具有相同断裂强度的涤纶和尼龙绳，展现出更高的刚度、更轻的自重、更小的直径以及更便捷的运输和安装特性。因此，HMPE绳能够有效解决传统材料在某些方面的不足。然而，HMPE绳也存在一定的问题，如蠕变和蠕变断裂，这限制了其在长期使用中的可靠性。为了解决这些问题，DSM Dyneema开发了一种新型的高强度聚乙烯纤维，称为DM20。研究表明，DM20 HMPE绳在蠕变和疲劳性能方面优于传统HMPE纤维，使其在高温和高负载差环境中具有显著的应用潜力，特别是在深海系泊系统中。此外，DM20纤维还支持基于耐久性的绳索设计，从而实现更安全和更经济的系泊系统。

自2011年Petrobras首次将HMPE绳用于半潜式钻井平台（MODU）的系泊系统以来，HMPE绳的应用范围不断扩大，尤其是在超深水区域。在这些环境中，HMPE绳展现出明显的优势，被广泛应用于高性能场景，如浮式生产储油船（FPSO）和深海海上高海拔风能系泊系统，同时在海洋和弹道防护领域也逐渐受到重视。然而，其在复杂海洋环境中的机械性能表现，例如动态刚度、耐磨性和受损后的残余强度，仍缺乏深入研究。这些特性不仅直接影响系泊系统的安全性和使用寿命，也对设计优化和材料性能提出了新的挑战。

为应对这些挑战，近年来的研究从多个角度探讨了HMPE绳的性能，为其在深海系泊系统中的应用提供了关键支持。例如，Lian等人（2018）提出了一个蠕变速率相似性准则和一个经验表达式，为系泊工程应用提供了重要参考。Bain等人（2020）分析了不同尺度下HMPE绳的加载历史对性能的影响，揭示了床压效应与绳索编织角变化之间的密切关系，并定义了一种高效的床压程序。Ning等人（2021）发现HMPE纤维在重复的纤维间摩擦下容易断裂，提出了使用复合涂层以增强纤维间摩擦性能，并分析了纤维断裂的机理。Lin等人（2022）研究了直径为24毫米的HMPE绳的疲劳特性。Obdrup等人（2022）引入了一种非破坏性检测方法，准确区分健康与受损的HMPE绳，为绳索的运行和维护开辟了新的途径。Ye等人（2023）通过全尺寸卷绕实验研究了24毫米尺寸稳定的HMPE绳在多层绞盘系统中的性能，提出了一个新颖的卷绕模型以估算变形并优化卷绕适应性。Lian等人（2023）实验评估了HMPE纤维吊索的蠕变和载荷伸长特性，提出了床压程序以稳定吊索长度，并在Sewol渡轮打捞项目中进行了验证。da Cruza等人（2024）通过机械表征验证了HMPE纤维在机械强度、耐磨性和低伸长方面的优越性能，指出“低蠕变”HMPE纤维适用于超深水系泊系统。Lian等人（2015）提出了一个蠕变断裂模型，用于描述HMPE绳中蠕变的耦合行为，为深水系泊系统的长期可靠性研究提供了参考。Chen等人（2024）对HMPE绳进行了准静态拉伸实验，以研究其机械性能和本构关系，并引入了一种预加载方法以消除非弹性变形。Del Vecchio等人（2024）测试了涤纶和HMPE绳，展示了它们的编织外套和土壤侵入防护系统在防止紫外线辐射和阻止海洋生物侵入承载纤维方面的有效性，支持其作为系泊应用中顶部链的替代品。Pasternak等人（2024）表明，HMPE绳在Serpentina FPSO的长期系泊应用中表现出色，测试结果表明，HMPE绳的强度在七年之后仍然超过了最低断裂强度。Ye等人（2024）评估了HMPE绳在海上绞盘系统中的非线性应力，并通过实验验证展示了其与实际应用的一致性和实用价值。Lian等人（2025a）研究了HMPE绳系泊的海藻养殖系统，为HMPE系泊系统在海带养殖中的设计提供了有价值的见解。显然，HMPE绳在多个领域的卓越性能确保了其在长期系泊系统中的稳定性。Lian等人（2025b）通过实验研究和测试程序评估了HMPE绳在使用一段时间后的残余强度和动态刚度，并比较了人工切割和操作载荷造成的损伤。Lian等人（2025d）实验探讨了床压历史对HMPE绳机械性能的影响，并开发了一个经验公式以量化动态刚度。

综上所述，众多研究人员提出了各种HMPE绳动态刚度的经验公式，以更好地理解其行为，这些公式如表1所示。在这些公式中，参数定义如下：E为杨氏模量（kN/m2）；A为纤维绳的截面积值（m2）；MB S为纤维绳的最小断裂强度（kN）；EA/MB S为无量纲动态刚度；Lm为平均载荷，以最小断裂强度的百分比表示；La为载荷幅值，同样以最小断裂强度的百分比表示；T为加载周期（s）；εa为应变；N为加载循环次数；D为损伤程度。这些动态刚度的经验公式因纤维绳样品和实验加载情况的不同而有所变化，导致不同的表达形式。此外，ABS标准（ABS, 2021）强调了研究动态刚度的重要性，但仅包括涤纶绳的数据，没有提供HMPE绳的测试数据或推荐的刚度经验公式参数。

因此，为解决现有ABS标准的不足，确保行业兼容性，本研究遵循ABS标准的测试框架，系统地研究了不同加载条件下（如蠕变恢复载荷、高载荷幅值或特定频率）HMPE绳的准静态和动态刚度特性，重点关注循环加载参数，包括平均载荷、载荷幅值和加载周期，以确保符合海洋工程的安全和监管要求。本研究采用了一种先进的实验设备，该设备能够提供最大20,000 kN的加载能力，由加载控制计算机、电源控制单元和加载框架系统组成，如图1所示。加载控制计算机配备了EVO测试控制软件和监控视频软件，均通过计算机操作，管理纤维绳的加载测试，如图1（a）所示。它支持对载荷-时间、应变-时间等曲线的实时可视化。

在进行一系列机械性能测试之前，对全尺寸HMPE绳进行床压过程是必要的。床压过程不仅压实绳中的股线，还减少结构伸长，从而稳定绳索样品的长度。此外，它还能提高绳索接头和中间部位的载荷传递效率，使绳索在测试中展现出真实的机械性能（API, 2014; ABS, 2021）。本研究在床压程序的基础上，进行了准静态刚度测试，以评估蠕变恢复和残余伸长等特性。同时，为了全面评估平均载荷、载荷幅值和加载周期对HMPE纤维绳动态刚度的影响，本研究进行了循环载荷增量测试、加载周期测试以及基于ABS（2021）标准的测试。这些实验案例共计35个，详见表4。实验加载周期（8–350秒）设计为覆盖典型的海洋波周期（10–40秒）和低频漂移周期（100–300秒），如观察到的那样。

实验结果表明，HMPE纤维绳的动态刚度受平均载荷、载荷幅值和加载周期的影响。具体而言，随着平均载荷的增加，动态刚度也会相应提升；而随着载荷幅值的增大，动态刚度则会下降；此外，随着加载周期的延长，动态刚度会适度降低。基于实验数据和分析结果，本研究首次量化了加载周期对动态刚度的影响，并提供了一个修正后的经验公式以提高准确性。这一研究为计算HMPE绳的动态刚度和设计HMPE系泊系统提供了宝贵的参考。

在现有研究的基础上，本研究进一步提出了一种经验公式，用于描述HMPE绳的动态刚度。该公式综合考虑了平均载荷、载荷幅值和加载周期这三个关键因素，并遵循ABS标准。该经验公式可表示为：

Krd = α + βLm + γLa + δlog10(T)

在该公式中，参数α反映了纤维绳的初始动态刚度，这与材料特性有关；β、γ和δ分别代表平均载荷、载荷幅值和加载周期对动态刚度的影响系数。该经验公式在实验数据的支持下，能够较为准确地预测HMPE绳在不同加载条件下的动态刚度变化。此外，该公式还考虑了床压过程对动态刚度的影响，以确保实验数据的可靠性。

本研究的实验结果为设计和优化HMPE系泊系统提供了新的视角。通过对HMPE绳在不同加载条件下的动态刚度进行系统研究，可以更好地理解其在复杂海洋环境中的机械行为，从而提高系泊系统的安全性和使用寿命。此外，该研究还揭示了HMPE绳在不同损伤程度下的动态刚度变化，为评估绳索在实际应用中的服务安全性提供了重要依据。这些发现不仅有助于改进HMPE绳的使用规范，也为未来的研究提供了方向。

在实际应用中，HMPE绳会受到长期环境载荷的影响，包括风、浪和洋流。动态刚度特性决定了绳索在这些环境载荷下的张力分布，直接影响系泊系统的响应。通过研究动态刚度，工程师可以预测绳索在复杂环境条件下的动态响应，从而优化系泊系统的结构设计。因此，HMPE绳的动态刚度研究对于海洋工程领域具有重要意义。

此外，本研究还发现，HMPE绳的动态刚度与温度密切相关。在高温环境下，动态刚度可能会有所下降，这提示在设计和使用HMPE绳时需要考虑环境温度的影响。因此，本研究引入了一种新型的温度监测方法，以更准确地评估动态刚度的变化，为未来的研究提供了新的思路。

本研究的实验结果不仅验证了现有理论模型的适用性，还为HMPE绳在实际应用中的性能评估提供了数据支持。通过实验研究，可以更全面地了解HMPE绳在不同载荷条件下的动态刚度特性，从而为工程实践提供指导。这些研究结果对于提高HMPE绳的使用效率和安全性具有重要意义。

在总结本研究的成果时，可以发现，HMPE绳在海洋工程中的应用前景广阔。其优越的机械性能和环境适应性使其成为深海系泊系统的理想选择。通过进一步研究HMPE绳的动态刚度特性，可以为未来的工程设计提供更科学的依据。此外，本研究还强调了实验方法在HMPE绳性能研究中的重要性，为相关领域的研究提供了新的方向。

总之，HMPE绳的动态刚度研究不仅有助于提高系泊系统的安全性，也为海洋工程领域提供了新的技术路径。通过实验研究和理论分析，可以更准确地预测HMPE绳在不同环境条件下的性能表现，从而优化其设计和使用。这些研究结果对于推动HMPE绳在深海工程中的应用具有重要意义。