基于CFRP修复海洋管线的强度衰减规律及失效机理研究

The marine pipelines repaired by CFRP (carbon fiber reinforced composite material) have many advantages such as convenient operation, light weight, corrosion resistance. However, its strength will be reduced under the environmental and loading conditions, which restricts its wide application underwater. In this project, firstly, the strength attenuation law of CFRP and adhesive materials in the marine environment and various loads will be studied, including the nonlinear interference among various parameters, and the mathematical model of the strength attenuation law. Then, the constitutive relations of CFRP and the adhesive materials are revised, and the theoretical model is constructed. Based on the analysis of interface, a kind of new interface element is designed, which could show the attenuation character at the interface, and then the numerical model is constructed to study the strength attenuation of marine pipelines repaired by CFRP. Finally, the failure modes and the failure criterion of marine pipelines repaired by CFRP are studied through the experimental systems, and the prediction model of the ultimate loads is constructed under different environmental conditions, loads and service time. This project will provide theoretical supports for the application of the CFRP in repairing the marine pipelines.

CFRP（碳纤维增强复合材料）修复海洋管线具有操作方便、质量轻、耐腐蚀等优点，但是由于其强度在环境及载荷的持续作用下会发生不同程度的衰减，影响CFRP在水下的应用。本项目首先研究CFRP及粘结剂材料在海洋各种环境及载荷下的强度衰减规律，以及环境、载荷各参数之间的非线性干涉，建立材料衰减规律的数学模型；接着对材料的本构关系进行修正，建立CFRP修复海洋管线的理论模型，并基于界面性能的分析提出一种含衰减特性的界面单元，建立CFRP修复海洋管线的数值模型，研究基于CFRP修复海洋管线的结构强度的衰减规律；最后通过实验系统研究基于CFRP修复的海洋管线的失效模式及对应的失效准则，建立不同环境、载荷条件以及服役时间下的极限载荷的预测模型，为CFRP在海洋管线修复中的应用提供理论支持。

海洋管线长期受载荷作用以及恶劣环境的影响，极易产生腐蚀、裂纹等缺陷。CFRP（碳纤维增强复合材料）凭借其强度高、质量轻、耐腐蚀等优点可应用于含缺陷管线的修复作业，能够很大程度的提高含缺陷管线的承载能力和抗疲劳性能。但是，CFRP修复海洋管线的结构的极限承载力会随着温度、海水浸泡、静载荷和循环载荷的长时间加载而发生一定的衰减，从而影响修复效果。针对以上问题，本项目开展了以下研究：.1) 探究了CFRP及粘结剂在不同温度与不同载荷长时间作用后的强度衰减规律，给出了弹性模量、强度极限等力学参数随温度、载荷与时间的变化规律。搭建了CFRP修复含缺陷海洋管道的耐久性试验装置，研究了修复后的管道长时间在不同温度、拉伸载荷、弯曲载荷、疲劳载荷、不同温度海水浸泡下后的极限载荷衰减规律。.2) 研究了不同耐久性条件下的CFRP修复管道失效模式，包括纤维断裂、界面脱粘、管道屈服等，建立了CFRP修复含缺陷海洋管道的数值分析模型，模拟了修复后海洋管道在不同载荷下的失效过程与失效模式，并通过耐久性系数建立了不同耐久性条件下CFRP修复海洋管道的数值模型。.3) 建立了CFRP修复含缺陷海洋管道的极限载荷衰减规律模型，研究了修复后管道极限载荷的衰减与CFRP材料本身强度的衰减以及CFRP-钢界面强度的衰减之间的关系，明确了极限载荷与耐久性条件（温度、载荷、时间等）的关系，建立了修复后管道极限载荷的预测模型。. 通过项目开展，不仅掌握了碳纤维修复海洋管线的耐久性规律与机理，还掌握了碳纤维修复海洋结构的工艺与技术，通过与相关公司的交流，项目的成果正在逐步得到工程应用，目前在海洋平台、FPSO等已经得到应用，相信未来将得到更加广泛的应用。