非金属铠装CTD电缆多层卷绕变形的定量评估方法及其在深海作业安全中的应用

为解决非金属铠装电缆在多层卷绕过程中因截面不稳定导致的永久变形问题，研究人员通过激光轮廓扫描(LPS)和循环压缩实验，定量评估了电缆截面变形和卷绕包高度变化。研究发现电缆截面面积减少至初始值的90%，且永久变形贡献了总变形的60%。通过非线性弹性模量模拟，更准确地再现了电缆变形行为，为深海作业电缆安全设计提供了重要依据。

　　

在深海探索日益重要的今天，科学考察船上的多层卷筒系统承担着部署和回收遥控潜水器(ROV)、温盐深仪(CTD)等关键设备的任务。然而，传统金属铠装电缆的自重问题限制了其在超长距离作业中的应用。高模量聚乙烯(HMPE)纤维凭借其优异的强度重量比和耐腐蚀性，成为替代金属的理想材料。但HMPE纤维铠装电缆在多层卷绕时面临一个独特挑战：其承载层的特殊结构使得电缆截面在多层堆叠压力下变得不稳定，导致永久变形。这种变形不仅影响机械载荷分布，还可能导致卷绕间隙、跳圈等问题，直接威胁深海作业安全。

大连海事大学的研究人员针对这一难题，开展了一项创新性研究。他们设计了一套专门的多层卷绕实验台架，对直径9.53mm的非金属铠装CTD电缆进行了系列实验。这种电缆的最小破断力(MBF)为35kN，安全工作载荷(SWL)为10kN。通过激光轮廓扫描技术，研究人员精确测量了不同工况下电缆截面的变形演化。同时，他们还通过循环压缩实验确定了电缆的横向弹性模量。

研究采用了三项关键技术：1) 使用多组激光轮廓扫描仪(LPS)实时监测电缆截面变形；2) 通过峰值载荷2t的循环压缩实验测定非线性弹性模量；3) 建立二维轴对称有限元模型(FEA)模拟不同弹性模量设置下的卷绕包变形。实验样本包括10米长的电缆用于压缩实验，900米长的电缆用于多层卷绕实验。

电缆截面变形特征
扫描结果显示，在张力卷绕后，电缆截面面积减少至初始值的约90%，并伴随明显的椭圆形化。这种永久变形对卷绕高度的累积贡献达到总变形的60%。研究人员首次确定了永久变形随载荷增加达到上限的张力范围，这一极限可视为电缆充分磨合后的稳定截面尺寸。

卷绕包高度数值模型
通过建立数值模型，研究人员量化了永久变形和弹性变形对卷绕包高度的各自贡献。模型显示，电缆尺寸稳定性的累积效应对卷绕包总变形起主导作用。

横向弹性模量测定
循环压缩实验揭示了电缆的非线性弹性行为。通过非线性最小二乘拟合和线性回归方法，研究人员获得了更精确的横向弹性模量表达式。与采用恒定弹性模量的模拟相比，非线性弹性设置能更准确地再现电缆的实际变形特性。

有限元分析验证
研究人员建立了包含卷筒和完整卷绕包的二维轴对称模型。模拟结果与实验数据的对比表明，考虑非线性弹性行为的FEA方法与实际变形性能更为吻合。

这项研究首次系统量化了非金属铠装电缆在多层卷绕中的永久变形特征，建立了考虑非线性弹性行为的精确模拟方法。研究确定的永久变形极限为电缆磨合工艺提供了重要参考，而非线性弹性模量的准确表征则为卷筒设计和安全评估提供了理论基础。这些成果不仅解决了非金属铠装电缆在深海应用中的关键技术难题，也为相关国际标准(DNVGL指南)的修订提供了科学依据。

值得注意的是，研究发现合成纤维绳索对卷筒法兰的侧向扩张作用明显强于钢丝绳，这提示现有安全系数可能低估了非金属铠装电缆的实际影响。这一发现对深海装备设计具有重要指导意义。通过将永久变形和弹性变形分离量化，该研究为优化卷绕参数、提高作业可靠性开辟了新途径。