深海绞车系统突破万米，国产缆绳告别断线风险
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近日, 科考船“海洋地质二号”在南海海域, 其上一套崭新的绞车系统迎来重要时刻, 随着缆绳一米一米沉入深海, 控制室里所有人都屏住了呼吸。
“11228.7米！”, 技术人员报出这个数字之际, 大连海事大学教授李文华那颗悬了多年的心, 终于落了地。他身为“深海和极地关键技术与装备”项目的首席科学家, 带领团队历经数年进行攻关的全海深光电缆绞车系统“海威”, 完成了最为关键的验证。
回首这十年攻关历程, 绳缆处于首要位置。它是那连接万米深海与甲板操控的“生命线”, 若没有自主可控的缆绳, 哪怕是再先进的潜水器, 也恰似断了线的风筝。在2016年的时候, 团队朝着13000米非金属铠装轻质缆展开攻关, 先后攻克了轻量化、大容量、超长传输这三大难题, 达成了我国深海科考核心装备从自主可控走向全球领先的跨越。
破解绳缆自重困局
李文华打了一个形象的比方, 来阐述绞车究竟有多重要，绞车是深海设备往返海底的唯一通道, 缆绳是承载载荷的核心“桥面”, 其性能直接决定全海深科考成败, 然而传统深海绞车采用金属铠装钢缆, 自重过大, 堪称这一领域最关键的技术瓶颈。
随着下潜深度不断加大, 钢缆的自重将会迅猛地增大。李文华讲道, 要是想突破深度方面的限制, 达成轻量化, 其关键之处就在于对缆绳材料进行革新。
为此, 团队开启了一段漫长不已且艰难异常的材料选型之路, 先后对比了碳纤维, 超高强度聚乙烯纤维, LCP纤维, 芳纶纤维等多款候选材料, 还逐一开展了强度相关测试, 模量方面测试, 密度方面测试, 耐磨性方面测试等多维度测试, 然而却屡屡遭遇碰壁情况出现。不能少呀。
强度达到要求后却抵抗不了长期蠕变致使扛不住, 能够抗蠕变了然而又显得太过沉重, 重量变轻了却承受不住反复疲劳带来的影响。李文华回想, 那段时期, 团队成员整日沉浸在实验室之中, 不断反复对比数据、精心优化测试方案, 经过数月的筛选, 才终于把目光定位到芳纶纤维上。这种材料的密度仅仅是钢的五分之一, 可是强度却远远超过钢材, 能够使缆绳的自重急剧减少三分之二, 是综合性能最为优良的非金属承力纤维材料。但新材料的不足之处同样显著, 成为了攻关道路上的阻碍。
芳纶纤维的摩擦系数是比较大的, 多股层间出现磨损的话, 就会致使强度有所下降, 并且非金属材料在缠绕受力之际, 其形变要远远大于钢缆, 李文华直言, 这两大难题对万米级缆绳的实海作业造成了直接制约。
为攻克这两大瓶颈, 李文华牵头组建产学研联合体, 联合江苏亨通华海协同攻坚, 联合南通力威机械协同攻坚, 联合浙江四兄绳业协同攻坚。团队通过添加芳纶层间隔离层提升缆绳承力芳纶层间抗磨损性能, 团队通过优化编织结构提升缆绳承力芳纶层间抗磨损性能, 团队将缆绳承力芳纶层间的抗磨损性能提升了一个数量级。团队同时建立张力—形变模型保障超长距离收放受力均匀, 团队同时重新设计排缆工艺保障超长距离收放受力均匀。
经历材料选型之后, 再开展工艺验证, 团队的摸索充满曲折, 每一步前行之时, 都好似如临深渊、如履薄冰那般谨慎。李文华陈述道, 团队多次进行强度测试, 反复开展形变测试, 不断进行疲劳测试, 单单1000米级的试验缆, 就完成了三四轮测试, 而且每一轮测试, 耗费资金数十万元。13000米全长的缆绳, 造价高达数百万元, 一旦出现报废情况, 将会直接对项目经费造成冲击, 所以必须借助小样本反复进行验证, 才能确保万无一失。
所幸, 这不是一个团队独自的拼搏奋斗。李文华讲道, 产学研联合体, 在无数个深夜的钻研攻克里, 顽强地用轻质纤维缆替换了沉重钢缆, 成功打破了深海装备自重过大的难题。
攻克超长缠绕难题
材料难关好不容易才度过, 然而, 更为棘手的问题紧接着就出现在眼前: 有一条长度为13000米的非金属铠装光电缆, 它需要如同蛇那般, 一圈挨着一圈地盘绕在绞车滚筒之上, 并且一层还要压着一层, 总共盘了16层, 这可真是件麻烦事儿啊！
李文华称, 每层中间不得存在间隙, 要是有间隙, 压上一层后形变便会传递使得整盘缆报废了, 这不仅属机械问题, 更是一道复杂繁琐、需用到数学及算法的难题, 16层缠绕表明任何一层出现细微偏差, 这都会被后续数十层逐层放大, 最终致使整盘缆绳呈现乱层、遭受挤压进而损坏。
处于攻坚最为紧张的阶段时, 李文华于车间通宵进行排缆工作。“每修理一次槽、修改一回结构就会把一周时间给耽搁掉, 不停地尝试、反复改进, 一个月的时间就这样没了。”李文华讲道, 伺服排缆器的每一回往返, 都得进行精确计算以及实测验证, 丝毫误差都不容许存在。这项技术并非一次就达成成功的状态, 而是经由无数次失败才将其推导出来的。
娄兴建是南通力威机械有限公司总经理, 他说, 为了使缆绳在万米长跑期间不会出现紊乱情况, 不会遭受损伤, 不会发生卡滞, 团队针对滚筒与排缆机构展开了数十轮优化, 这里面的关键之处在于研发一套自适应排缆算法, 系统要根据实时反馈回来的缆绳位置、在张力方面发生的变化以及已经排布的层数, 对伺服电机的运动轨迹进行动态调整。
假设排缆所处理的是“怎样盘绕”, 那么形变控制所回应的便是“怎样保持稳定”。和钢缆不一样, 纤维材料在受力之后会出现显著的拉伸以及回缩现象。这种弹性在短距离范围之内能够被忽略不计, 然而放大到万米的尺度时, 就变成了必须要精确构建模型的核心变量。缆绳在绞车上的张力分布情况, 层间压力的传递状况, 纤维丝的排列方向, 每一个因素都对最终性能有着直接的影响。
形变控制环节里, 团队耗费诸多时间于实验室模拟深海工况, 他们再三测量纤维缆在各异下张力时的伸长率, 以及回缩率, 还有层间摩擦特性, 把实测数据带回数学模型修正, 直到模型能够精准预测万米长度缆绳行为, 江苏亨通华海科技股份有限公司技术总监, 也就是沈韦韦感慨连每一根芳纶丝排列方向, 每一层缠绕的张力, 都反复计算与验证了数十次。
在2024年的时候, “海威”最终达成了陆上测试, 16层的缆绳在滚筒之上呈现出整齐排列的状态, 并且每一层都是严丝合缝的。
决胜深海极地大考
李文华心里明白, 若海试没能顺利完成, 那所有的成果都不会被认可。因为, 在这其中, 实验室没办法完完全全地模拟出深海的实际工况, 只有真实的海况才是最终极的考验句号。
2024年, 于南海举行海试, 他亲身登上船只, 把长度为13000米的缆绳与缆控水下机器人（ROV）相连, 进而展开海底观察取样作业, 历经一次次通宵坚守, 团队最终顺利达成两次具备高难度的海底观察、标志物投放以及取样的示范应用。在设备成功被回收的那一瞬间, 所有人一直紧绷着的神经终于得以放松。“此次实战证实了该系统针对深海拖曳以及ROV作业所具备的卓越支撑能力, 还为后续的深海探索奠定了坚实的基础。”李文华讲道。
更艰难的考验是深海拖曳, 于超4000米水深的海域, “海威”进行两次拖曳, 每次都持续三天两夜, 拖体张力从预估的2吨急剧飙升至4吨以上, 海况恶劣, 船体剧烈摇摆, “拖曳作业不能停, 一停就会勾住海底, 海上修设备比车间难上十倍”, 团队咬牙坚持, 最终, 放缆长度超过11000米, 长度最大值为11228.7米, 国产绞车成功挺过了考验。
真正令李文华心有余悸的, 是在2025年, 跟随“雪龙2”号奔赴北极。当时气温低至零下6摄氏度, 甲板出现结冰现象, 在进行破冰作业时, 整艘船剧烈震动。他忧心监控设备会失灵, 于是用泡沫板垫在关键部件下方以起到减震作用。最为惊险的时刻, 是在9级大风的情况下, 船舶发生漂移致使拖体出现偏移, 缆绳的弯曲半径险些超出标准, 并且船舷两边有两块大浮标快速漂移过来, 他果断采取行动, 先放出缆绳200米后随即收回, 倘若缆绳被浮冰割断, 那么三个月的航次就付诸东流了。在他身处北极的80多天里, 他既独自开展操作维护工作, 又拍摄视频、记录数据。
现今, 中国变成全球独一无二拥有全然自主知识产权全海深光电缆绞车系统的国度。缆长为13000米, 工作水深达11000米, 成本相比进口低三分之一。“以往我们只能去接受国外定价, 我们研发成功以后, 他们就降低价格甚至退出市场。”李文华谈及, “唯有自己做成功, 才能够掌控主动权。”。
历经十年进行攻关, 有一本被翻得出现卷边的笔记本, 它记录下了从一开始对相关领域毫无所知直到实现全球领跑的一整个过程, 并且见证呈现出了该团队秉持的“要做就做最难的”这样一种的初心以及坚持守护的状态。
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