碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)中的應(yīng)用

楊寶山，吳 敏，譚 勇，張曉虎，劉法謙*

(1.中國(guó)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(yíng) 257237；2.中山大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082)

目前，在役的海上平臺(tái)中均存在大量的鋼結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境惡劣，平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)在荷載、臺(tái)風(fēng)、高低溫交變、腐蝕、氧化或構(gòu)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(zhǎng)期服役的海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)更為突出。鋼結(jié)構(gòu)的這種缺陷導(dǎo)致海上平臺(tái)穩(wěn)定性與承載能力降低，嚴(yán)重威脅海上平臺(tái)運(yùn)營(yíng)安全[1]。如果將這些鋼結(jié)構(gòu)全部更換，不僅造成大量的浪費(fèi)，還會(huì)造成停工停產(chǎn)。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(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，但容易引入新的缺陷點(diǎn)，比如產(chǎn)生新的損傷或者進(jìn)一步造成應(yīng)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(jīng)濟(jì)、高效的海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)成為亟待解決的工程技術(shù)問(wèn)題。

近年來(lái)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)用于工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)引起了越來(lái)越多的關(guān)注[6]。目前，利用CFRP修復(fù)混凝土工程結(jié)構(gòu)已經(jīng)技術(shù)成熟，并廣泛應(yīng)用于混凝土柱、板、梁、橋墩等結(jié)構(gòu)的加固中[7]。國(guó)內(nèi)外對(duì)CFRP 黏結(jié)修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)也有了較多的研究和應(yīng)用。在修復(fù)時(shí)，使用碳纖維布和環(huán)氧樹(shù)脂等高強(qiáng)度高黏結(jié)性的樹(shù)脂材料黏貼于被修復(fù)結(jié)構(gòu)表面，由于CFRP可設(shè)計(jì)性、力學(xué)性能及耐腐蝕性能較強(qiáng)、整體成形容易，修復(fù)后可以使鋼結(jié)構(gòu)承受的部分載荷通過(guò)結(jié)構(gòu)膠傳遞到和鋼結(jié)構(gòu)緊密粘接的碳纖維布上，降低鋼結(jié)構(gòu)損傷部位的應(yīng)力水平，減緩裂紋的擴(kuò)張速度，從而延長(zhǎng)被修復(fù)工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[8]。然而目前的研究均局限于普通鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)研究，并未涉及到真實(shí)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)。因此，將新型的CFRP加固技術(shù)引入到海上使用環(huán)境，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固, 將是海上平臺(tái)工程鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的一次技術(shù)進(jìn)步。

作者利用CFRP對(duì)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，提出了鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)方案和修復(fù)工藝，并在勝利油田KD47和KD34B海上平臺(tái)對(duì)修復(fù)工藝進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

高強(qiáng)一級(jí)碳纖維布：面密度為300 g/m2，拉伸強(qiáng)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(tuán)有限公司產(chǎn)；TS環(huán)氧樹(shù)脂浸漬膠：拉伸強(qiáng)度55.58 MPa，拉伸模量2 814.63 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率1.98%，拉伸剪切強(qiáng)度(鋼-鋼)16.70 MPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度85.5 ℃，卡本科技集團(tuán)股份有限公司產(chǎn)；Q235鋼：10 mm，天津鋼鐵集團(tuán)有限公司產(chǎn)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方案設(shè)計(jì)

在目前的研究中，絕大部分工作主要集中于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生黏結(jié)的過(guò)程、破壞機(jī)理，或者研究碳纖維布的黏結(jié)寬度和黏結(jié)長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)黏結(jié)性能的影響。而在工業(yè)應(yīng)用中，碳纖維布的加固層數(shù)、鋼結(jié)構(gòu)表面粗糙度及樹(shù)脂固化時(shí)間等參數(shù)均對(duì)最終的加固性能產(chǎn)生重要影響。本方案的目的是通過(guò)真實(shí)的海上平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，分別驗(yàn)證碳纖維布加固量(加固層數(shù))、鋼結(jié)構(gòu)表面除銹等級(jí)及浸漬膠固化時(shí)間對(duì)CFRP修復(fù)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的性能影響。

在本方案中，一方面對(duì)有缺陷的海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)(存在減薄或凹坑缺陷)使用CFRP進(jìn)行加固，利用拉拔強(qiáng)度對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，選擇在勝利油田KD47平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1方案1～4)；另一方面，使用現(xiàn)有的Q235鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工拼接，再用CFRP進(jìn)行修復(fù)固定，利用拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度評(píng)估其修復(fù)性能，選擇在勝利油田KD34B平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)表1方案5～8)。

該設(shè)計(jì)方案擬驗(yàn)證碳纖維布加固量、鋼結(jié)構(gòu)除銹等級(jí)及固化時(shí)間對(duì)修復(fù)性能的影響，主要研究以下因素：(1)浸漬膠固化時(shí)間對(duì)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案1 VS方案2)；(2)除銹等級(jí)對(duì)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)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(shí)間對(duì)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案3 VS方案4)；(4)浸漬膠固化時(shí)間對(duì)裂紋鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案5 VS方案6)；(5)除銹等級(jí)與碳纖維布加固量對(duì)裂紋鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案5 VS方案7)；(6)碳纖維布加固量與樹(shù)脂固化劑固化時(shí)間對(duì)裂紋鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案7 VS方案8)。

1.3 修復(fù)施工流程

CFRP修復(fù)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)施工流程見(jiàn)圖1。

圖1 CFRP修復(fù)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)施工流程

平臺(tái)除銹：以石英砂為磨料，空壓機(jī)氣壓控制在(6.0～6.5)×105Pa，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行噴砂除銹，使鋼結(jié)構(gòu)表面所有的油脂、污垢、氧化皮、銹、腐蝕物、舊漆和雜質(zhì)徹底清除，并依據(jù)《涂裝前鋼材表面銹蝕等級(jí)和除銹等級(jí)》規(guī)定，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面銹蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，確保鋼結(jié)構(gòu)噴涂除銹標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到Sa2.5級(jí)。

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

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

固化養(yǎng)護(hù)：補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)區(qū)域的防護(hù)修復(fù)施工完成后，使樹(shù)脂在干燥環(huán)境中進(jìn)一步固化，并保證固化期間不受干擾。固化時(shí)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(duì)濕度為82%。

1.4 分析與測(cè)試

拉拔強(qiáng)度：根據(jù)GB/T 5210—2006《拉開(kāi)法附著力試驗(yàn)》對(duì)方案1～4的試件利用拉拔儀進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測(cè)試。

落錘沖擊試驗(yàn)：采用破壞率為50%時(shí)的落下高度來(lái)表示試樣的抗沖擊能力，根據(jù)ASTM D7136/D7136M—2015《測(cè)量纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料耐落錘沖擊事件破壞性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，所用沖擊球質(zhì)量為 6 kg，設(shè)計(jì)自由下落高度為30 cm。

拉伸強(qiáng)度及剪切強(qiáng)度：對(duì)方案5～8的試件，測(cè)試CFRP修復(fù)裂紋后鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，其中拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1447—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，剪切強(qiáng)度按照GB/T 1450.1—2005《纖維增強(qiáng)塑料層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。拉伸及剪切試驗(yàn)在材料萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將準(zhǔn)備好的試件安裝在試驗(yàn)機(jī)的夾具內(nèi)，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(yīng)變即電阻應(yīng)變片的數(shù)值每隔2 s通過(guò) DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀自動(dòng)采集。在試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)觀察記錄碳纖維布的剝離開(kāi)展情況，最后記錄試驗(yàn)的極限破壞荷載及其破壞形態(tài)。

2 結(jié)果與討論

2.1 加固條件對(duì)KD47平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)拉拔強(qiáng)度的影響

采用方案1～4在KD47海上平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)周期為5 d，平均施工溫度為12 ℃，相對(duì)濕度為82%。采用方案1～4對(duì)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)加固完成后，對(duì)試件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，結(jié)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(jiān)固，落錘沖擊后結(jié)構(gòu)膠層破壞，但表層纖維未破壞。

圖2 平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)加固后落錘沖擊試驗(yàn)示意

由于無(wú)法判斷內(nèi)部碳纖維層間是否分層，且難以定量判斷CFRP與鋼結(jié)構(gòu)之間的修復(fù)質(zhì)量，因此對(duì)方案1～4的試件進(jìn)行拉拔強(qiáng)度測(cè)試，每個(gè)試件測(cè)試3次取平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 方案1～4試件的拉拔強(qiáng)度

由表2可知：方案1與方案2對(duì)比，在鋼結(jié)構(gòu)除銹等級(jí)和碳纖維布加固量一致的情況下，固化時(shí)間越長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)的拉拔強(qiáng)度越大，表明CFRP加固能力越強(qiáng)；從拉拔強(qiáng)度變化可知，方案2相比方案1拉拔強(qiáng)度提升0.2～0.4 MPa，提升僅3.9%，可見(jiàn)試件固化達(dá)到12 h后，固化基本完成，拉拔強(qiáng)度基本穩(wěn)定；方案1與方案3對(duì)比，在固化時(shí)間和碳纖維加固量一致的情況下，除銹等級(jí)為Sa2.5的試件的拉拔強(qiáng)度明顯大于除銹等級(jí)為Sa2的試件，拉拔強(qiáng)度提升1.11 MPa，提升幅度達(dá)15.5%，且方案3的拉拔強(qiáng)度穩(wěn)定在8 MPa以上，大于鋼結(jié)構(gòu)面漆拉拔要求的5 MPa；方案3的復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)能力也遠(yuǎn)大于方案1和方案2，原因在于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕會(huì)造成微裂縫和孔洞，從而使鋼結(jié)構(gòu)的有效截面積減少，導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，腐蝕越嚴(yán)重則試件破壞越快，經(jīng)過(guò)噴砂除銹后可以消除這些不利因素，且除銹等級(jí)越高，性能越好；而對(duì)于采用2層碳纖維加固的方案4，即使除銹等級(jí)達(dá)Sa2.5，固化時(shí)間達(dá)24 h，試件平均拉拔強(qiáng)度仍只有4.57 MPa(低于鋼結(jié)構(gòu)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(jí)Sa2.5)的55%，這說(shuō)明碳纖維布加固量對(duì)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(tái)甲板性能無(wú)法滿足要求。

根據(jù)上述分析，碳纖維布加固量對(duì)加固效果的影響最大，除銹等級(jí)的影響次之；而對(duì)于固化時(shí)間來(lái)講，固化12 h后，鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)能力已基本穩(wěn)定，所以在考慮時(shí)間的前提下，利用碳纖維布加固海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，最佳加固條件為除銹等級(jí)Sa2.5、加固3層碳纖維布、固化時(shí)間12 h。

2.2 修復(fù)條件對(duì)KD34B平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的影響

2.2.1修復(fù)條件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的影響

對(duì)方案5～8的鋼結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，每個(gè)方案進(jìn)行3組試驗(yàn)，取平均值作為最終測(cè)試結(jié)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(dāng)鋼結(jié)構(gòu)除銹等級(jí)和碳纖維布加固量一致，固化時(shí)間不同時(shí)，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(qiáng)度變化規(guī)律一致且大致重合，說(shuō)明浸漬膠固化時(shí)間對(duì)CFRP補(bǔ)強(qiáng)能力影響較小，2種方案的試件的拉伸強(qiáng)度都大于40 MPa，其中方案6(固化24 h)的拉伸強(qiáng)度在40～46 MPa，較方案5(固化12 h)的拉伸強(qiáng)度提高6%～10%；對(duì)比方案7和方案8，碳纖維布加固量越多，試件進(jìn)入初期的塑性變形時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力越大，特別是采用3層碳纖維布加固時(shí)，應(yīng)力曲線在較小的變形率達(dá)到一個(gè)“峰值”，之后逐漸減小，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到“峰值”時(shí)，CFRP發(fā)生剝離脫落，方案7試件拉伸強(qiáng)度最大值達(dá)到57 MPa，而方案8采用2層碳纖維布加固，試件拉伸強(qiáng)度為38～39 MPa，且略低于40 MPa。

圖3 修復(fù)條件對(duì)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度的影響

從圖3還可知：在除銹等級(jí)為Sa2時(shí)，方案6的鋼結(jié)構(gòu)試件拉伸強(qiáng)度在40～46 MPa；當(dāng)除銹等級(jí)為Sa2.5時(shí)，方案7試件拉伸強(qiáng)度大于50 MPa。拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與海上拉拔試驗(yàn)得到的結(jié)果一致，鋼結(jié)構(gòu)除銹等級(jí)Sa2.5補(bǔ)強(qiáng)效果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于除銹等級(jí)Sa2的鋼結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)的破壞出現(xiàn)了兩種表現(xiàn)形式即鋼結(jié)構(gòu)與碳纖維布之間的剝離破壞、各碳纖維布層間產(chǎn)生的剝離破壞，其中大多為碳纖維布層間剝離破壞，說(shuō)明應(yīng)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(jié)構(gòu)中也非常重要[11]。

2.2.2 修復(fù)條件對(duì)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，在CFRP修復(fù)加固后，方案5～7的鋼結(jié)構(gòu)試件均在剪切應(yīng)力達(dá)到11 MPa時(shí)發(fā)生形變，而方案8的試件在剪切應(yīng)力達(dá)到9.2 MPa時(shí)發(fā)生明顯位移變化，說(shuō)明3層碳纖維布修復(fù)加固試件的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于2層碳纖維布修復(fù)加固試件的剪切強(qiáng)度，其主要原因在于CFRP的受力機(jī)理是由各CFRP單絲通過(guò)浸漬樹(shù)脂共同受力，CFRP單絲的強(qiáng)度及彈性模量不會(huì)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(zhì)量密切相關(guān)，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(jié)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(nèi)有應(yīng)力集中，黏貼3層碳纖維布的試件由于CFRP的截面增大使應(yīng)力集中程度相對(duì)減弱。

圖4 修復(fù)條件對(duì)平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度的影響

綜上所述，KD34B平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)和KD47平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，碳纖維布加固量對(duì)加固修復(fù)效果的影響最大，除銹等級(jí)的影響次之，固化12 h后鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)能力已基本穩(wěn)定。因此，利用碳纖維布加固修復(fù)海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，最佳修復(fù)條件為除銹等級(jí)Sa2.5、加固碳纖維布3層、固化時(shí)間12 h。

3 結(jié)論

a.對(duì)有缺陷的KD47海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)(存在減薄或凹坑缺陷)使用CFRP進(jìn)行加固，碳纖維布加固量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)拉拔強(qiáng)度的影響最大，其次是除銹等級(jí)和固化時(shí)間。固化時(shí)間在12 h后，鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)能力已基本穩(wěn)定。CFRP加固修復(fù)后的海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)拉拔強(qiáng)度大于鋼結(jié)構(gòu)面漆拉拔要求的5 MPa，滿足平臺(tái)加固性能要求。

b.使用Q235鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行人工拼接，在KD34B平臺(tái)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，碳纖維布加固量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度的影響大于除銹等級(jí)和固化時(shí)間。3層碳纖維布加固條件下，修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)拉伸強(qiáng)度均大于40 MPa，剪切強(qiáng)度均大于10 MPa，滿足施工方案對(duì)拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的要求。

c.根據(jù)KD47平臺(tái)實(shí)驗(yàn)和KD34B平臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推薦海洋工程領(lǐng)域中鋼結(jié)構(gòu)的修復(fù)工藝：鋼結(jié)構(gòu)噴砂除銹等級(jí)為Sa2.5，采用3層碳纖維布加固，固化時(shí)間12 h，可達(dá)到良好的加固修復(fù)效果。