浮式海洋平台CFRP系泊缆使用寿命评估

《Applied Ocean Research》：Service life assessment of CFRP mooring lines for floating offshore platforms

　　

摘要：海洋平台需求的日益增长对经典系泊系统的力学性能与可持续性提出了严峻挑战，促使研究人员探索采用碳纤维增强聚合物（CFRP）作为系泊材料的可行性。可靠的使用寿命预测模型对于维持CFRP系泊系统的结构完整性至关重要。本文致力于开发一种用于预测CFRP系泊缆使用寿命的概率模型，该模型考虑了疲劳损伤累积与海水吸收引起的性能退化。该模型的基本假设是：CFRP单胞的疲劳寿命服从Weibull分布，且单胞与系泊缆的疲劳强度满足串并联模型。通过基于水动力分析的动态载荷估计，进一步考虑了与多种海况相关的使用寿命不确定性。该模型的另一个特点是，可将结构健康监测（SHM）数据作为输入来估计累积损伤，从而在服役期内预测剩余使用寿命。此外，该模型被用于评估一座全尺度在役海洋平台的CFRP系泊设计。结果表明，在设计目标环境条件下，所设计的CFRP系泊缆的预测使用寿命超过了30年设计使用寿命。

# CFRP系泊缆使用寿命评估模型及其在浮式平台上的应用解读

## 1. 研究背景与问题

随着海洋资源开发不断向深海和偏远海域推进，浮式海洋平台（如浮式风力发电平台、浮式钻井平台和浮式生产平台）的需求日益增长，这对系泊系统提出了更高要求。传统系泊材料，如锚链、钢丝绳和合成纤维缆，均存在固有缺陷：锚链和钢丝绳自重过大，在深水条件下会显著消耗平台浮力，且钢链易腐蚀、锚泊半径大；合成纤维缆虽然重量轻、刚度适宜，但存在显著蠕变、易松弛和耐磨性差等问题。因此，亟需开发先进的系泊材料。

碳纤维增强聚合物（CFRP）系泊缆具有轻质、高强度、抗疲劳和耐腐蚀等优点，被认为能够满足重大海洋工程结构对系泊系统的需求，可提供更长的使用寿命和更低的维护成本。然而，CFRP作为系泊缆仍面临海水浸泡引起的基体解离效应以及动/静载荷耦合作用等挑战。腐蚀性离子在聚合物基体中的扩散渗透与复杂载荷条件可导致CFRP材料内部产生协同损伤演化，进而造成性能退化和使用寿命缩短。尽管已有概念研究和原型试验证明了CFRP系泊缆在张力腿平台（TLP）和移动式海上钻井装置（MODU）上的可行性，但迄今尚无全尺度在役海洋平台采用CFRP系泊缆的真实工程应用报道。

阻碍CFRP系泊缆应用的关键原因之一是缺乏可靠的使用寿命评估模型。传统钢制系泊构件的疲劳评估方法（如T-N曲线、S-N曲线结合Miner准则）不适用于CFRP系泊缆，原因在于：CFRP的退化机制与钢材完全不同，海水吸收会引起环氧树脂溶胀、局部应变失配和微裂纹，同时脆性特征要求更高的安全系数，难以直接获得全尺寸缆索的S-N曲线。已有针对斜拉桥CFRP缆索的寿命评估模型也不能直接用于系泊缆，因为系泊缆承受更严酷的海水浸泡和极端风暴环境，其外载谱也与桥梁缆索显著不同。为此，研究人员开发了一种针对CFRP系泊缆的概率型使用寿命预测模型。

## 2. 主要关键技术方法

研究人员建立了基于可靠性理论的概率寿命预测模型。模型假定CFRP单胞疲劳强度服从Weibull分布，并通过串并联模型（串联模型考虑长度效应，并联模型考虑多股 tendons 的载荷重分配）建立从单胞到整缆的多尺度关系。水分吸收过程采用Fick扩散定律描述，通过人工海水浸泡实验确定扩散系数和饱和吸水率。利用最大似然估计和最小二乘法标定Weibull模型参数。采用雨流计数法处理监测或模拟得到的缆力时程以计算累积损伤。使用Ansys Aqua软件进行频域和时域水动力分析获取系泊力，并采用Monte Carlo模拟生成材料和环境随机样本以得到使用寿命的概率分布。样本来源：CFRP tendons由中复碳芯电缆科技有限公司制造，基体为Huntsman公司的Araldite CY 5192-1树脂和Aradur HY 5196-2固化剂，T700碳纤维体积分数为72%。

## 3. 研究结果

### 3.1 概率疲劳强度模型与参数标定

研究人员建立了CFRP单胞疲劳强度的Weibull分布模型（式1），归一化应力Z考虑了最大应力、循环次数、吸水率和应力比的影响。通过吸水实验获得扩散系数D为5.9×10^-8 mm² s^-1，平衡吸水率w_e为0.362%。利用已有CFRP tendon疲劳实验数据（直径8 mm，T700纤维体积分数65%）标定了模型参数。Weibull概率图显示归一化应力Z呈线性分布，并通过了5%显著性水平的Lilliefors检验，表明Weibull分布能合理描述CFRP tendon疲劳强度的随机性。模型预测的10%、50%和90%存活概率曲线与实验数据总体吻合，且能覆盖0.01–0.9的较大应力比范围。

### 3.2 缆索尺度疲劳实验验证

研究人员将模型预测与37股4 mm直径CFRP缆索的疲劳实验结果进行了对比。当长度尺度参数n=1时，预测结果与实验更接近；而n=6（按缆长3000 mm与单胞长度比值确定）会低估疲劳强度。这表明采用n=1（即忽略长度效应）的预测更符合实验观测，而串并联模型中的长度效应假设偏保守。

### 3.3 CFRP系泊系统设计与验证

研究针对一座在役浅水施工平台（约100 m长、25 m宽，水深约30 m）设计了CFRP系泊替代方案。将原系泊系统中船艏的45 m尼龙缆替换为40 m长的CFRP缆，每根缆由37股直径5 mm的CFRP tendon组成，设计极限承载力为170 t。安装前进行了三级预张拉试验（20%–60%极限载荷）和X射线检测，并在selected tendons内埋入光纤布拉格光栅（FBG）传感器进行实时应变监测。验证试验表明FBG应变测量与荷载传感器测量结果总体一致，但不同tendon及同一tendon内不同测点的应变存在细微差异，说明缆内应变分布不均匀。

### 3.4 水动力分析与系泊力计算

研究人员采用单点系泊构型进行水动力分析，考虑风、浪、流同向的保守条件，使用JONSWAP谱（峰增强因子γ=2.0）模拟波浪，仅考虑有义波高H_s≤2.6 m的作业海况。通过Ansys Aqua软件进行频域和时域计算，采用准静态方法求解系泊力。结果表明，即使在极端环境条件（H_s=2.6 m，T_p=7.5 s）下，最大缆力约70 t，远低于设计极限承载力。两根缆的张力几乎相同，这是理想化对称数值设置的结果。

### 3.5 使用寿命评估与参数分析

使用寿命评估分为5个步骤：材料不确定性抽样、累积损伤评估（基于FBG监测数据和雨流计数）、未来环境载荷生成、寿命预测（以10% tendon失效为失效准则）、寿命概率分布拟合。对于实际安装的两根40 m长CFRP缆，取长度参数n=80，Monte Carlo抽样N₁=30、N₂=30共900个样本，预测最小使用寿命为62年，超过30年设计使用寿命。收敛性研究（N₁=40、N₂=40）得到最小使用寿命为75年，分布更集中。采用动态水动力分析时，由于考虑了惯性力、水动力阻尼和弯曲刚度等耗能机制，预测的峰值缆力更低，疲劳寿命更长。参数敏感性分析表明，缆长从40 m增至200 m可使平均寿命降低50%；平行tendon数量从37根减至31根可使寿命降低超过95%，因此tendon数量是系泊设计的关键参数。

## 4. 讨论与结论

讨论部分指出，当前模型预测结果偏保守，原因有二：一是采用n=l/l₀的长度效应假设相当于认为tendon强度由其最薄弱单胞决定，会低估疲劳强度；二是虽然海水吸收退化效应未纳入计算（因缺乏耦合实验数据），但拉-拉疲劳强度主要由碳纤维控制，而碳纤维强度受海水浸泡影响有限，因此这一忽略对结果影响较小。模型可通过融入更多工程应用数据（如服役监测数据、损伤检测结果和海洋环境响应分析）进一步改进。未来研究需探索其他退化模式，深化对marine环境下tendon间载荷重分配机制的理解，并考虑多向波浪谱、风浪流方向不一致以及非对称环境载荷等更真实的海洋环境条件。

研究结论：研究人员开发了一种用于预测CFRP系泊缆使用寿命的概率模型。该模型考虑了两个导致CFRP系泊缆长期失效的主要机制，即疲劳损伤累积和吸水引起的强度退化。使用概率模型的一个好处是能够考虑CFRP材料固有的疲劳强度分布特性以及与未来环境条件相关的不确定性。该模型的另一个特点是，可通过将结构健康监测数据作为输入来估计CFRP系泊缆内已有的累积损伤，使该模型适用于服役期内剩余使用寿命的评估。该模型进一步应用于一个验证项目中，将一座全尺寸在役海洋平台的部分原系泊缆替换为两根CFRP系泊缆。研究人员通过水动力分析估算了多种环境条件下的系泊力演变，并计算了CFRP系泊系统的概率使用寿命分布。结果表明，所设计的系泊系统能够在设计服役期内提供所需的恢复力。该研究成果发表于《Applied Ocean Research》，为CFRP系泊缆在真实海洋平台上的工程应用提供了寿命评估方法支撑。