DYNEEMA? HMPE缆绳在浮动海上风电张力腿平台中的数值实现与可行性研究，以及粘弹性的影响

《Ocean Engineering》：Numerical implementation and feasibility of DYNEEMA? HMPE tendons for floating offshore wind tension leg platforms and the effect of viscoelasticity

Dyneema? HMPE绳索在漂浮式风电张力腿平台（TLP）中的可行性研究，通过OrcaFlex时间域模拟分析其3T（时间-温度-张力）依赖的粘弹性特性，并与钢绞线（SSW）性能对比，结果显示HMPE在刚度、强度及耐久性方面满足TLP需求。

　　本研究旨在探讨使用超高分子量聚乙烯（HMPE）材料制造的平行缠绕索（PWT）作为浮动海上风电平台（FOWT）中张力腿平台（TLP）的系泊系统可行性。这项研究由Bluewater Energy Services B.V.（BES）和Dyneema?的制造商Avient Protective Materials（APM）共同开展。通过OrcaFlex软件进行时域模拟，研究团队评估了HMPE材料在复杂海洋环境下的性能表现，并将其与传统使用的钢丝绳（SSW）进行了对比。研究的核心在于准确建模HMPE的粘弹性行为，这涉及时间、温度和张力（3T）的综合影响。

海上风电作为可再生能源的重要组成部分，其发展受到各国可持续发展目标的推动。目前，大多数海上风电装置采用固定式基础结构，但随着水深增加至超过60米，固定式结构面临技术与经济上的挑战。因此，浮动海上风电技术成为一种新兴解决方案，其关键在于如何实现平台的稳定。TLP作为一种重要的浮动平台类型，依赖于系泊系统的刚度来维持平台的动态平衡，使其自然周期远离波浪谱的峰值，从而减少波浪引起的振动和加速度。此外，TLP的系泊系统需要承受较高的峰值载荷，以防止索线松弛，这使得系泊材料必须具备足够的破断强度。由于平台的稳定性高度依赖于系泊系统的刚度，因此材料的蠕变特性成为影响其长期性能的关键因素。

在传统材料中，钢丝绳因其高刚度和高强度，以及几乎可以忽略的蠕变特性，被广泛应用于TLP的系泊系统。然而，钢丝绳的重量较大，导致直径也相对较大，这在实际应用中可能带来操作、存储和运输方面的不便。相比之下，合成材料如聚酯绳虽然具有轻质和高强度的优势，但其在刚度方面表现不足，通常需要增加索线数量或使用更大直径的绳索才能满足TLP的刚度需求。这种限制促使行业探索更具性能优势的替代材料，其中高模量纤维如芳纶、聚苯并双氧唑（PBO）和HMPE因其在较小尺寸下即可实现所需的刚度而受到关注。

HMPE纤维，如Dyneema?或Spectra?，因其高比强度和比刚度，被引入到合成绳索中，作为钢丝绳和聚酯绳的替代材料。这种材料不仅具有更轻的重量，还能提供更高的强度和刚度，从而减少索线直径，提升操作效率。此外，HMPE纤维在长期使用中表现出良好的抗疲劳性能、抗紫外线辐射和化学稳定性，使其适用于（半）永久性载荷环境，如海洋和海上平台的系泊系统。在海上浮动风电领域，这种材料的潜力尤为突出，因为它能够适应复杂的海洋环境，并满足长期运行的需求。

然而，HMPE纤维的粘弹性特性是其应用的一大挑战。与传统的弹性材料不同，HMPE在长时间载荷作用下会表现出蠕变现象，即在恒定张力下，材料的变形随时间增加而逐渐累积。这种现象在标准HMPE纤维中尤为明显，其分子结构的低内聚能密度和结构不规则性是导致蠕变的根本原因。由于蠕变可能影响系泊系统的长期性能，因此行业内部已经开展多项研究，试图通过化学改性（如分支或交联）来提高HMPE的抗蠕变能力。目前，Dyneema? DM20作为一款具有优异抗蠕变性能的HMPE纤维，已经被用于永久系泊系统的应用。

为了充分利用HMPE纤维的性能，研究团队采用了一种特殊的制造工艺——平行缠绕索（PWT）。与传统的编织或捻合绳索不同，PWT通过将纤维连续缠绕在端部终端上，避免了任何中断或接头，从而提高了纤维的对齐度。这种制造方式使得PWT的刚度和强度能够更接近于原始纤维的性能，同时允许根据具体需求调整纤维数量和索线长度。这种技术为HMPE在TLP系泊系统中的应用提供了新的可能性，因为它能够在保持材料性能的同时，实现更灵活的设计和制造。

在评估HMPE PWT的可行性时，研究团队采用了多种环境载荷条件，包括疲劳极限状态（FLS）和极限状态（ULS）。这些载荷条件模拟了海洋环境中可能遇到的各种动态和静态应力，从而全面评估系泊系统的性能表现。为了确保模拟结果的准确性，研究团队特别关注了如何正确建模HMPE的粘弹性行为。为此，APM开发了一种称为Dyneema? 3T响应模型（D3TRM）的本构模型，该模型能够描述HMPE在不同温度、张力和时间条件下的变形特性。通过将D3TRM作为外部函数集成到OrcaFlex软件中，研究团队能够在时域模拟中准确捕捉HMPE的非线性响应，从而更真实地反映其在实际应用中的行为。

在具体研究过程中，研究团队采用了BES的TLP概念作为案例分析的基础。该平台由三个浮筒臂组成，每个臂连接两条系泊索，同时通过一根穿透水面的立柱与风力发电机塔连接。平台的主要性能参数包括其稳定性、载荷承载能力和动态响应等。为了评估HMPE PWT在TLP中的应用，研究团队不仅关注系泊索本身的性能，还综合考虑了整个平台和风力发电机的运行情况。例如，研究团队分析了在极端环境条件下，如风暴后的恢复过程，系泊系统如何维持平台的稳定性，以及如何应对风力发电机的动态载荷。

此外，研究团队还探讨了如何通过调整材料的线密度和直径来优化系泊索的刚度。然而，由于HMPE的刚度具有3T依赖性，即其刚度会随着温度、频率和平均张力的变化而变化，因此在设计过程中需要特别注意这些参数的影响。为了确保系泊系统的长期性能，研究团队还对材料的蠕变行为进行了深入分析，并结合实际运行数据，验证了D3TRM模型在不同环境条件下的适用性。这些分析结果表明，通过合理设计和优化，HMPE PWT能够在满足TLP刚度需求的同时，提供比传统材料更优越的性能。

本研究的结论表明，使用HMPE制造的PWT作为TLP的系泊系统是可行的。Dyneema? DM20的粘弹性行为能够被D3TRM模型准确描述，使得研究团队能够在时域模拟中全面评估其在不同环境条件下的性能表现。通过与钢丝绳的对比分析，研究团队发现HMPE PWT在保持高刚度和高强度的同时，能够显著降低重量和直径，从而提升整体系统的操作性和经济性。此外，研究还指出，HMPE材料的粘弹性特性在设计过程中需要被充分考虑，以确保系泊系统的长期稳定性和可靠性。

研究团队的成果为海上浮动风电技术的发展提供了新的思路和解决方案。通过引入HMPE PWT，不仅能够降低系泊系统的重量和成本，还能够提高其在复杂海洋环境中的适应能力。这为未来的海上风电项目，尤其是在深水区域，提供了更具竞争力的系泊材料选择。同时，研究团队的工作也为其他类型的浮动平台和海洋工程结构的系泊系统设计提供了参考，展示了HMPE材料在海洋工程领域的广阔前景。

在整个研究过程中，研究团队还强调了与其他机构和专家的合作。FibreMax公司提供了关于PWT制造工艺的专业支持，而Dyneema?的Matthias Arras则在疲劳计算方面提供了关键帮助。Bluewater Energy Services的Reza Karimi也对研究的可行性分析起到了重要作用。这些合作确保了研究的全面性和准确性，使得最终的结论更具说服力和实用性。

总的来说，本研究通过详细的时域模拟和性能分析，证明了HMPE PWT在浮动海上风电平台中的应用潜力。随着海上风电技术的不断发展，对系泊系统材料的需求也在不断变化。HMPE材料因其轻质、高强度和良好的粘弹性行为，成为未来海上风电系泊系统的重要候选材料之一。通过进一步的研究和优化，HMPE PWT有望在海上风电领域发挥更大的作用，为实现可持续的海洋能源开发提供有力支持。