碳纖維增強復合材料在海上平臺鋼結構修復中的應用

楊寶山，吳 敏，譚 勇，張曉虎，劉法謙*

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司海洋采油廠，山東 東營 257237；2.中山大學 化學工程與技術學院，廣東 珠海 519082)

目前，在役的海上平臺中均存在大量的鋼結構，由于海洋環(huán)境惡劣，平臺鋼結構在荷載、臺風、高低溫交變、腐蝕、氧化或構件老化等多種人為或自然因素的影響下，不可避免地存在各種各樣的缺陷和損傷, 尤其是長期服役的海上平臺鋼結構更為突出。鋼結構的這種缺陷導致海上平臺穩(wěn)定性與承載能力降低，嚴重威脅海上平臺運營安全[1]。如果將這些鋼結構全部更換，不僅造成大量的浪費，還會造成停工停產。傳統(tǒng)的維修方法如焊接[2]、鉚接[3]、螺栓連接[4]等雖然可以改善鋼結構的力學性能，但容易引入新的缺陷點，比如產生新的損傷或者進一步造成應力集中，且海洋環(huán)境的施工條件更制約了這些方法的使用[5]。因此，經濟、高效的海上平臺鋼結構修復技術成為亟待解決的工程技術問題。

近年來，碳纖維增強復合材料(CFRP)用于工程結構的修復引起了越來越多的關注[6]。目前，利用CFRP修復混凝土工程結構已經技術成熟，并廣泛應用于混凝土柱、板、梁、橋墩等結構的加固中[7]。國內外對CFRP 黏結修復鋼結構也有了較多的研究和應用。在修復時，使用碳纖維布和環(huán)氧樹脂等高強度高黏結性的樹脂材料黏貼于被修復結構表面，由于CFRP可設計性、力學性能及耐腐蝕性能較強、整體成形容易，修復后可以使鋼結構承受的部分載荷通過結構膠傳遞到和鋼結構緊密粘接的碳纖維布上，降低鋼結構損傷部位的應力水平，減緩裂紋的擴張速度，從而延長被修復工程結構的使用壽命[8]。然而目前的研究均局限于普通鋼結構的修復研究，并未涉及到真實海上平臺鋼結構的修復。因此，將新型的CFRP加固技術引入到海上使用環(huán)境，對鋼結構進行修復加固, 將是海上平臺工程鋼結構加固修復的一次技術進步。

作者利用CFRP對海上平臺鋼結構進行修復，提出了鋼結構的修復方案和修復工藝，并在勝利油田KD47和KD34B海上平臺對修復工藝進行了驗證。

1 實驗

1.1 原料

高強一級碳纖維布：面密度為300 g/m2，拉伸強度3 846 MPa，彈性模量227.6 GPa，極限拉伸率1.7%，厚度0.167 mm，平紋，山東海盛海洋工程集團有限公司產；TS環(huán)氧樹脂浸漬膠：拉伸強度55.58 MPa，拉伸模量2 814.63 GPa，斷裂伸長率1.98%，拉伸剪切強度(鋼-鋼)16.70 MPa，玻璃化轉變溫度85.5 ℃，卡本科技集團股份有限公司產；Q235鋼：10 mm，天津鋼鐵集團有限公司產。

1.2 鋼結構修復方案設計

在目前的研究中，絕大部分工作主要集中于在實驗室內研究碳纖維布與鋼結構發(fā)生黏結的過程、破壞機理，或者研究碳纖維布的黏結寬度和黏結長度等參數(shù)對黏結性能的影響。而在工業(yè)應用中，碳纖維布的加固層數(shù)、鋼結構表面粗糙度及樹脂固化時間等參數(shù)均對最終的加固性能產生重要影響。本方案的目的是通過真實的海上平臺實驗，分別驗證碳纖維布加固量(加固層數(shù))、鋼結構表面除銹等級及浸漬膠固化時間對CFRP修復平臺鋼結構的性能影響。

在本方案中，一方面對有缺陷的海上平臺鋼結構(存在減薄或凹坑缺陷)使用CFRP進行加固，利用拉拔強度對其性能進行評估，選擇在勝利油田KD47平臺進行實驗(見表1方案1～4)；另一方面，使用現(xiàn)有的Q235鋼結構進行人工拼接，再用CFRP進行修復固定，利用拉伸強度和剪切強度評估其修復性能，選擇在勝利油田KD34B平臺進行模擬實驗(見表1方案5～8)。

該設計方案擬驗證碳纖維布加固量、鋼結構除銹等級及固化時間對修復性能的影響，主要研究以下因素：(1)浸漬膠固化時間對海上平臺鋼結構修復加固的影響(方案1 VS方案2)；(2)除銹等級對海上平臺鋼結構修復加固的影響(方案1 VS方案3)；(3)碳纖維布加固量與浸漬膠固化時間對海上平臺鋼結構修復加固的影響(方案3 VS方案4)；(4)浸漬膠固化時間對裂紋鋼結構修復加固的影響(方案5 VS方案6)；(5)除銹等級與碳纖維布加固量對裂紋鋼結構修復加固的影響(方案5 VS方案7)；(6)碳纖維布加固量與樹脂固化劑固化時間對裂紋鋼結構修復加固的影響(方案7 VS方案8)。

1.3 修復施工流程

CFRP修復平臺鋼結構施工流程見圖1。

圖1 CFRP修復平臺鋼結構施工流程

平臺除銹：以石英砂為磨料，空壓機氣壓控制在(6.0～6.5)×105Pa，對鋼結構表面進行噴砂除銹，使鋼結構表面所有的油脂、污垢、氧化皮、銹、腐蝕物、舊漆和雜質徹底清除，并依據(jù)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》規(guī)定，對鋼結構表面銹蝕等級進行評定，確保鋼結構噴涂除銹標準達到Sa2.5級。

混合浸漬膠：環(huán)氧浸漬膠的A、B組分按質量比2:1稱量后放入容器內，用攪拌器攪拌均勻。黏貼碳纖維布時，碳纖維布單層黏貼膠用量不低于1.3 kg/m2，多層黏貼時從第二層起膠用量適當減小(可減少0.1～0.2 kg/m2)。

碳纖維加固：用鋁壓輥反復滾壓，使浸漬膠充分浸透碳纖維布，以清除碳纖維布和樹脂之間的氣泡，確保沒有空鼓現(xiàn)象出現(xiàn)，保證修復層表面光滑無褶皺，無膠液流掛。

固化養(yǎng)護：補強作業(yè)區(qū)域的防護修復施工完成后，使樹脂在干燥環(huán)境中進一步固化，并保證固化期間不受干擾。固化時間根據(jù)方案要求確定，分別為12 h或24 h，平均固化溫度為12 ℃，相對濕度為82%。

1.4 分析與測試

拉拔強度：根據(jù)GB/T 5210—2006《拉開法附著力試驗》對方案1～4的試件利用拉拔儀進行拉拔強度測試。

落錘沖擊試驗：采用破壞率為50%時的落下高度來表示試樣的抗沖擊能力，根據(jù)ASTM D7136/D7136M—2015《測量纖維增強聚合物基復合材料耐落錘沖擊事件破壞性的標準試驗方法》進行落錘沖擊試驗，所用沖擊球質量為 6 kg，設計自由下落高度為30 cm。

拉伸強度及剪切強度：對方案5～8的試件，測試CFRP修復裂紋后鋼結構的力學性能，其中拉伸強度按照GB/T 1447—2005《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》進行測試，剪切強度按照GB/T 1450.1—2005《纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法》進行測試。拉伸及剪切試驗在材料萬能試驗機上進行，將準備好的試件安裝在試驗機的夾具內，使試件中心線和鉗口里的中心線吻合，連續(xù)緩慢加載，加載速率為0.5 kN/s，試件的應變即電阻應變片的數(shù)值每隔2 s通過 DH3816 靜態(tài)應變儀自動采集。在試驗過程中隨時觀察記錄碳纖維布的剝離開展情況，最后記錄試驗的極限破壞荷載及其破壞形態(tài)。

2 結果與討論

2.1 加固條件對KD47平臺鋼結構拉拔強度的影響

采用方案1～4在KD47海上平臺進行實驗，實驗周期為5 d，平均施工溫度為12 ℃，相對濕度為82%。采用方案1～4對平臺鋼結構加固完成后，對試件進行落錘沖擊試驗，結果如圖2所示(圖中邊緣織物凸起的紋理為碳纖維層的邊緣)，浸漬膠固化12 h后，碳纖維層表面非常堅固，落錘沖擊后結構膠層破壞，但表層纖維未破壞。

圖2 平臺鋼結構加固后落錘沖擊試驗示意

由于無法判斷內部碳纖維層間是否分層，且難以定量判斷CFRP與鋼結構之間的修復質量，因此對方案1～4的試件進行拉拔強度測試，每個試件測試3次取平均值，結果如表2所示。

表2 方案1～4試件的拉拔強度

由表2可知：方案1與方案2對比，在鋼結構除銹等級和碳纖維布加固量一致的情況下，固化時間越長，鋼結構的拉拔強度越大，表明CFRP加固能力越強；從拉拔強度變化可知，方案2相比方案1拉拔強度提升0.2～0.4 MPa，提升僅3.9%，可見試件固化達到12 h后，固化基本完成，拉拔強度基本穩(wěn)定；方案1與方案3對比，在固化時間和碳纖維加固量一致的情況下，除銹等級為Sa2.5的試件的拉拔強度明顯大于除銹等級為Sa2的試件，拉拔強度提升1.11 MPa，提升幅度達15.5%，且方案3的拉拔強度穩(wěn)定在8 MPa以上，大于鋼結構面漆拉拔要求的5 MPa；方案3的復合材料補強能力也遠大于方案1和方案2，原因在于鋼結構的腐蝕會造成微裂縫和孔洞，從而使鋼結構的有效截面積減少，導致應力集中現(xiàn)象，腐蝕越嚴重則試件破壞越快，經過噴砂除銹后可以消除這些不利因素，且除銹等級越高，性能越好；而對于采用2層碳纖維加固的方案4，即使除銹等級達Sa2.5，固化時間達24 h，試件平均拉拔強度仍只有4.57 MPa(低于鋼結構面漆拉拔要求的5 MPa)，僅為方案3試件(3層碳纖維布加固，除銹等級Sa2.5)的55%，這說明碳纖維布加固量對試件性能影響最大，3層碳纖維布加固方案明顯好于2層碳纖維布加固方案。2層碳纖維布加固的平臺甲板性能無法滿足要求。

根據(jù)上述分析，碳纖維布加固量對加固效果的影響最大，除銹等級的影響次之；而對于固化時間來講，固化12 h后，鋼結構補強能力已基本穩(wěn)定，所以在考慮時間的前提下，利用碳纖維布加固海上平臺鋼結構時，最佳加固條件為除銹等級Sa2.5、加固3層碳纖維布、固化時間12 h。

2.2 修復條件對KD34B平臺鋼結構拉伸強度和剪切強度的影響

2.2.1修復條件對鋼結構拉伸強度的影響

對方案5～8的鋼結構試件進行拉伸強度測試，每個方案進行3組試驗，取平均值作為最終測試結果。試件的變形可分為兩部分：彈性變形階段和塑性變形階段。

由圖3可知：當鋼結構除銹等級和碳纖維布加固量一致，固化時間不同時，方案5和方案6的試件在初期彈性變形階段與末期塑性變形階段的拉伸強度變化規(guī)律一致且大致重合，說明浸漬膠固化時間對CFRP補強能力影響較小，2種方案的試件的拉伸強度都大于40 MPa，其中方案6(固化24 h)的拉伸強度在40～46 MPa，較方案5(固化12 h)的拉伸強度提高6%～10%；對比方案7和方案8，碳纖維布加固量越多，試件進入初期的塑性變形時所對應的應力越大，特別是采用3層碳纖維布加固時，應力曲線在較小的變形率達到一個“峰值”，之后逐漸減小，結合現(xiàn)場觀察，當應力達到“峰值”時，CFRP發(fā)生剝離脫落，方案7試件拉伸強度最大值達到57 MPa，而方案8采用2層碳纖維布加固，試件拉伸強度為38～39 MPa，且略低于40 MPa。

圖3 修復條件對平臺鋼結構拉伸強度的影響

從圖3還可知：在除銹等級為Sa2時，方案6的鋼結構試件拉伸強度在40～46 MPa；當除銹等級為Sa2.5時，方案7試件拉伸強度大于50 MPa。拉伸實驗數(shù)據(jù)與海上拉拔試驗得到的結果一致，鋼結構除銹等級Sa2.5補強效果要遠遠好于除銹等級Sa2的鋼結構。

實驗中還發(fā)現(xiàn)，碳纖維布與鋼結構的破壞出現(xiàn)了兩種表現(xiàn)形式即鋼結構與碳纖維布之間的剝離破壞、各碳纖維布層間產生的剝離破壞，其中大多為碳纖維布層間剝離破壞，說明應力集中主要存在于碳纖維布之間的膠層中，因此膠黏劑在加固鋼結構中也非常重要[11]。

2.2.2 修復條件對平臺鋼結構剪切強度的影響

由圖4可以看出，在CFRP修復加固后，方案5～7的鋼結構試件均在剪切應力達到11 MPa時發(fā)生形變，而方案8的試件在剪切應力達到9.2 MPa時發(fā)生明顯位移變化，說明3層碳纖維布修復加固試件的剪切強度遠大于2層碳纖維布修復加固試件的剪切強度，其主要原因在于CFRP的受力機理是由各CFRP單絲通過浸漬樹脂共同受力，CFRP單絲的強度及彈性模量不會因施工及受力原因而改變，而CFRP各絲之間能否共同受力卻與黏貼質量密切相關，與黏貼2層碳纖維布的試件相比，3層碳纖維布的整體黏結性更好，更易使各單絲之間協(xié)同受力，此外，根據(jù)圣維南原理[12]，在近力端局部范圍內有應力集中，黏貼3層碳纖維布的試件由于CFRP的截面增大使應力集中程度相對減弱。

圖4 修復條件對平臺鋼結構剪切強度的影響

綜上所述，KD34B平臺模擬實驗和KD47平臺實驗結果一致，碳纖維布加固量對加固修復效果的影響最大，除銹等級的影響次之，固化12 h后鋼結構補強能力已基本穩(wěn)定。因此，利用碳纖維布加固修復海上平臺鋼結構時，最佳修復條件為除銹等級Sa2.5、加固碳纖維布3層、固化時間12 h。

3 結論

a.對有缺陷的KD47海上平臺鋼結構(存在減薄或凹坑缺陷)使用CFRP進行加固，碳纖維布加固量對鋼結構拉拔強度的影響最大，其次是除銹等級和固化時間。固化時間在12 h后，鋼結構補強能力已基本穩(wěn)定。CFRP加固修復后的海上平臺鋼結構拉拔強度大于鋼結構面漆拉拔要求的5 MPa，滿足平臺加固性能要求。

b.使用Q235鋼結構進行人工拼接，在KD34B平臺進行模擬實驗，碳纖維布加固量對鋼結構拉伸強度和剪切強度的影響大于除銹等級和固化時間。3層碳纖維布加固條件下，修復鋼結構拉伸強度均大于40 MPa，剪切強度均大于10 MPa，滿足施工方案對拉伸強度、剪切強度的要求。

c.根據(jù)KD47平臺實驗和KD34B平臺模擬實驗結果，推薦海洋工程領域中鋼結構的修復工藝：鋼結構噴砂除銹等級為Sa2.5，采用3層碳纖維布加固，固化時間12 h，可達到良好的加固修復效果。