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(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519082)

目前，在役的海上平臺中均存在大量的鋼結(jié)構(gòu)，由于海洋環(huán)境惡劣，平臺鋼結(jié)構(gòu)在荷載、臺風(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, 尤其是長期服役的海上平臺鋼結(jié)構(gòu)更為突出。鋼結(jié)構(gòu)的這種缺陷導(dǎo)致海上平臺穩(wěn)定性與承載能力降低，嚴(yán)重威脅海上平臺運營安全[1]。如果將這些鋼結(jié)構(gòu)全部更換，不僅造成大量的浪費，還會造成停工停產(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，比如產(chǎn)生新的損傷或者進一步造成應(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、高效的海上平臺鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)成為亟待解決的工程技術(shù)問題。

近年來，碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)用于工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)引起了越來越多的關(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]。國內(nèi)外對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，使用碳纖維布和環(huán)氧樹脂等高強度高黏結(jié)性的樹脂材料黏貼于被修復(fù)結(jié)構(gòu)表面，由于CFRP可設(shè)計性、力學(xué)性能及耐腐蝕性能較強、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，減緩裂紋的擴張速度，從而延長被修復(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，并未涉及到真實海上平臺鋼結(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，對鋼結(jié)構(gòu)進行修復(fù)加固, 將是海上平臺工程鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)的一次技術(shù)進步。

作者利用CFRP對海上平臺鋼結(jié)構(gòu)進行修復(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海上平臺對修復(fù)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(chǎn)；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(zhuǎn)變溫度85.5 ℃，卡本科技集團股份有限公司產(chǎn)；Q235鋼：10 mm，天津鋼鐵集團有限公司產(chǎn)。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)方案設(shè)計

在目前的研究中，絕大部分工作主要集中于在實驗室內(nèi)研究碳纖維布與鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生黏結(jié)的過程、破壞機理，或者研究碳纖維布的黏結(jié)寬度和黏結(jié)長度等參數(shù)對黏結(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)表面粗糙度及樹脂固化時間等參數(shù)均對最終的加固性能產(chǎn)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(jié)構(gòu)表面除銹等級及浸漬膠固化時間對CFRP修復(fù)平臺鋼結(jié)構(gòu)的性能影響。

在本方案中，一方面對有缺陷的海上平臺鋼結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)進行人工拼接，再用CFRP進行修復(fù)固定，利用拉伸強度和剪切強度評估其修復(fù)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(shè)計方案擬驗證碳纖維布加固量、鋼結(jié)構(gòu)除銹等級及固化時間對修復(fù)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(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案1 VS方案2)；(2)除銹等級對海上平臺鋼結(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間對海上平臺鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案3 VS方案4)；(4)浸漬膠固化時間對裂紋鋼結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的影響(方案5 VS方案6)；(5)除銹等級與碳纖維布加固量對裂紋鋼結(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脂固化劑固化時間對裂紋鋼結(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)平臺鋼結(jié)構(gòu)施工流程見圖1。

圖1 CFRP修復(fù)平臺鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)表面進行噴砂除銹，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和除銹等級》規(guī)定，對鋼結(jié)構(gòu)表面銹蝕等級進行評定，確保鋼結(jié)構(gòu)噴涂除銹標(biāo)準(zhǔn)達到Sa2.5級。

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，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(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脂之間的氣泡，確保沒有空鼓現(xiàn)象出現(xiàn)，保證修復(fù)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(fù)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(fù)合材料耐落錘沖擊事件破壞性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》進行落錘沖擊試驗，所用沖擊球質(zhì)量為 6 kg，設(shè)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(fù)裂紋后鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(zhǔn)備好的試件安裝在試驗機的夾具內(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 DH3816 靜態(tài)應(yīng)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(jié)果與討論

2.1 加固條件對KD47平臺鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)加固完成后，對試件進行落錘沖擊試驗，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 平臺鋼結(jié)構(gòu)加固后落錘沖擊試驗示意

由于無法判斷內(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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)面漆拉拔要求的5 MPa；方案3的復(fù)合材料補強能力也遠大于方案1和方案2，原因在于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕會造成微裂縫和孔洞，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(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)條件對KD34B平臺鋼結(jié)構(gòu)拉伸強度和剪切強度的影響

2.2.1修復(fù)條件對鋼結(jié)構(gòu)拉伸強度的影響

對方案5～8的鋼結(jié)構(gòu)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(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(yīng)的應(yīng)力越大，特別是采用3層碳纖維布加固時，應(yīng)力曲線在較小的變形率達到一個“峰值”，之后逐漸減小，結(jié)合現(xiàn)場觀察，當(dāng)應(yīng)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(fù)條件對平臺鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)試件拉伸強度在40～46 MPa；當(dāng)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(jié)果一致，鋼結(jié)構(gòu)除銹等級Sa2.5補強效果要遠遠好于除銹等級Sa2的鋼結(jié)構(gòu)。

實驗中還發(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)條件對平臺鋼結(jié)構(gòu)剪切強度的影響

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)力達到11 MPa時發(fā)生形變，而方案8的試件在剪切應(yīng)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(fù)加固試件的剪切強度遠大于2層碳纖維布修復(fù)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(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)力集中程度相對減弱。

圖4 修復(fù)條件對平臺鋼結(jié)構(gòu)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(jié)果一致，碳纖維布加固量對加固修復(fù)效果的影響最大，除銹等級的影響次之，固化12 h后鋼結(jié)構(gòu)補強能力已基本穩(wěn)定。因此，利用碳纖維布加固修復(fù)海上平臺鋼結(jié)構(gòu)時，最佳修復(fù)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(jié)論

a.對有缺陷的KD47海上平臺鋼結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)補強能力已基本穩(wěn)定。CFRP加固修復(fù)后的海上平臺鋼結(jié)構(gòu)拉拔強度大于鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)鋼結(jié)構(gòu)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(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(fù)效果。