碳纤维复材加固钢管的抗内爆性能*

黄 辉 路四方 张 祥 贾 彬 卢永刚

(1.西南科技大学, 四川绵阳 621010； 2.中国工程物理研究院, 四川绵阳 621900)

目前我国为了满足东部地区对油气资源的需求，输油气管道正处于兴建时期。由于自然环境等因素，钢管线不可避免地会产生腐蚀缺陷[1]。并且随着我们城镇化进程的加快，输油气管道逐渐被建筑物包围且并未设置相应的安全距离，如果输油气管道发生泄露爆炸，将会给人民财产带来严重损失。碳纤维复材具有抗拉强度高、施工方便无明火、约束钢管表面裂纹发展等优点[2]，可广泛用于修复含缺陷钢管线，国内外大量学者对此展开了研究。

Toutanji等建立了纤维复合材料加固钢管的应力计算模型[3]；杨勇新等通过有限元对纤维复合材料加固金属管线进行应力分析，得到了钢管在预应力作用下的计算式[4]；魏晓斌等通过钢管的静水内压试验，分析钢管表面的环向应力，得出外包纤维布能够大幅提高压力管道的承载能力[5]；张伟超等通过钢管的内压试验，研究了内压与加固厚度的关系，得到了不同深度缺陷钢管的加固厚度[6]；王德宝等通过内爆炸撕裂圆形钢管试验，分析了内爆荷载作用下钢管的动力响应，得到爆炸冲击波将钢管撕裂而不是内爆弹壳体飞片[7]；陈虎等通过金属壳体内爆加载试验，研究了不同条件下碎片质量分布的规律，得到了壁厚的变化对壳体的破碎参数影响不大[8]。文献[9-10]开展了不同轴向及环向FRP布搭接长度下的FRP/钢复合管内压试验，获得了该类试件的典型受力特征及最终破坏模式。

上述研究工作主要集中在FRP加固钢管试件的内压试验及未加固钢管的爆炸撕裂研究方面，关于内爆炸荷载下FRP加固钢管的研究成果尚不多见。鉴于此，开展CFRP加固钢管的内爆炸试验及理论研究工作，以期深入了解内爆荷载下CFRP加固钢管的受力破坏机理。

1 试验研究

1.1 试验概况

试验共设计了8根CFRP加固钢管试件，所用钢管长度均为1 000 mm，外径为325 mm，壁厚为6 mm，钢材牌号为Q235，钢管两端分别采用椭圆形封头和法兰盘形成封闭空间，雷管导线通过穿线孔引出。碳纤维布采用环氧树脂胶粘贴在钢管表面[11]，形成CFRP加固层，乳化炸药选用岩石2号乳化炸药，通过雷管进行起爆(图1)，碳纤维布和环氧树脂胶的力学性能参数见表1。本研究以碳纤维布层数和乳化炸药量为变量，具体试验工况如表2所示。

a—乳化炸药； b—乳化炸药在钢管中的布置。

表1 材料力学性能参数

表2 试验工况

1.2 试验加载及数据采集

图2 钢管试件尺寸与测点布置 mm

2 试验结果和分析

2.1 不同炸药量对限爆环破坏分析

为了研究不同剂量的乳化炸药对限爆环的破坏情况，分别进行了200，400 g乳化炸药量作用下20层纤维布的内爆炸试验。

由图3a可知，当炸药量为200 g时，CFRP加固层表面出现裂纹但未完全贯穿，沿轴向发展7.23 cm，裂纹随着裂纹发展速度的降低呈现出由直线逐渐变为锯齿状。钢管表面裂纹两端长度均有发展，开裂长度分别为2，2.5 cm，宽度发展为1.6 cm，CFRP加固层的表面轴向开裂长度近似为钢管开裂长度的3倍。在内爆炸荷载作用下，钢管变形为环向膨胀并产生轴向裂纹。由图3b可知，当炸药量为400 g时，CFRP加固层表面出现3条裂纹且完全贯穿，将加固层分为3段圆弧，并伴随部分为贯穿轴向裂纹。碳纤维布之间未发生层裂，纤维布与钢管之间发生剥离。其中2条轴向裂纹为锯齿状，1条裂纹在发展过程中出现分叉，沿着环向发展8.1 cm，然后转为轴向发展并贯穿加固层。钢管表面裂纹均发展至端部，在端部沿着焊缝环向发展，钢管中部呈现张开状态，张开距离为50.2 cm。

a—P-4试件； b—P-5试件。

根据CFRP加固层的破坏结果，随着炸药量的增加，作用在CFRP加固层表面的爆炸冲击荷载增大，加固层中的环向应力逐渐增加，当达到复材的极限抗拉强度时，CFRP加固层表面产生轴向裂纹，继续增大炸药量，裂纹贯穿加固层且逐渐呈现出碎片化。在内爆炸荷载作用下，钢管变形主要产生环向膨胀且表面裂纹轴向发展。由于胶层开裂，引起纤维布拉应力骤增而拉裂，进而引起钢管破坏，因此CFRP加固层在爆炸荷载作用下可以很好地对钢管产生约束作用。

2.2 不同纤维布层数对限爆环破坏分析

为研究碳纤维布层数的变化对加固层破坏模式的影响，分别进行了400 g乳化炸药量下2，10，30，50层碳纤维布加固钢管的内爆炸试验。

由图4a可知，在400 g乳化炸药的内爆荷载下，当碳纤维布层数为2层时，CFRP加固层完全破坏，限爆环表面出现多条贯穿裂纹，且多条裂纹发生分叉，将限爆环分割为多个碎片，限爆环与钢管之间完全剥离。因此环氧树脂胶与钢管之间的界面为薄弱环节，钢管张开最大位置位于中部。当纤维布缠绕10层时，钢管表面裂纹发展至端部，碳纤维复材限爆环出现一条贯穿裂纹，裂纹轴向发展10.2 cm，然后变为斜向发展长度为13.2 cm，出现分叉继续轴向发展，形成贯穿裂纹，如图4b所示。出现斜向发展是因为纤维布与钢管之间存在气泡，未能完全粘贴，碳纤维复材限爆环其他位置未出现裂纹，钢管张开最大位置处于中部。由于加固层的约束作用，爆轰产物从右端泄出将钢管撕裂，导致钢管最大张开位置逐渐向右端移动，钢管环向膨胀最大位置与张开最大位置产生错位。

在400 g乳化炸药的内爆作用下，当缠绕30层纤维布时，钢管表面裂纹发展至端部，CFRP加固层表面出现一条参差不齐的贯穿裂纹，呈现出纤维丝束断裂的现象，由于限爆环沿轴向受力不均匀，相邻纤维丝束之间环向应力大小不同，导致出现多条环向裂缝,限爆环整体与钢管发生剥离，如图4c所示。当纤维布缠绕50层时，钢管表面裂纹为贯穿裂纹，限爆环未发生贯穿裂纹，裂纹呈锯齿状轴向发展6.2 cm，继续向两侧环向分别发展41.1，22.8 cm，且有部分环向裂纹，CFRP加固层开裂部分与钢管发生剥离，余下部分完好，如图4d所示。

图6示出机组背压随负荷增加而单调增大，随空冷岛散热面积的增加而单调降低。在设计值散热面积、散热面积增加16.7%、33.3%、50%、66.7%时，全负荷平均背压分别为19.9、16.0、13.5、11.8和10.6 kPa。随散热面积增加，机组背压的等差差值分别为4.4、3.1、2.2和1.7 g/kWh。表明随散热面积均匀增加，机组背压降低的边际效应逐渐变弱。

a—P-2试件； b—P-3试件； c—P-6试件； d—P-7试件。

当炸药量为400 g时，钢管右端裂纹均发展到端部，然后沿焊缝环向发展，钢管左端随着碳纤维布层数的增加，表面裂纹发展长度逐渐减小。随着碳纤维复材限爆环层数的增加，对钢管的约束效果逐渐增加。由前述试验现象可知，50层纤维布可较好地约束钢管表面轴向裂纹的发展。由于CFRP加固层与钢管之间的界面为薄弱环节，加固层发生破坏时与钢管发生剥离，表面产生轴向裂纹；试验时使用单向碳纤维布，轴向约束能力较差，导致CFRP加固层表面产生较多的环向裂纹。

2.3 CFRP加固层对钢管的约束效果

钢管在内爆炸荷载作用下，产生环向膨胀变形，CFRP加固层对钢管产生环向约束作用。为了研究CFRP加固层的约束效果，在钢管未加固区及加固区表面分别粘贴了应变片，选取50层碳纤维布加固钢管的实测试验数据，如图5所示。由图可知，未加固钢管表面的应变峰值为3.578×10-3，CFRP加固区域钢管表面的应变峰值为0.629×10-3。在爆炸荷载下，由于CFRP加固层对钢管产生约束作用，导致加固区内钢管表面的应变显著小于未加固区域钢管表面的应变。

图5 P-7试件未加固区域与加固区域的实测应变曲线

3 内爆炸荷载下CFRP加固钢管的受力分析

考虑试验属于近场爆炸[12]，当球状乳化炸药在钢管内部发生爆炸时，作用到钢管管壁的荷载包含爆炸冲击波、冲量和温度[13]，由于温度的传播速度远小于爆炸冲击波和冲量，温度对钢管破坏的影响可以忽略[14]。钢管在内爆荷载下产生环向应力，当环向应力大于钢材极限抗拉强度，钢管发生破坏，CFRP加固层提供环向约束，降低钢管表面的环向应力，实现限爆效果。

3.1 超压作用下钢管的环向应力分析

爆炸试验时球状乳化炸药位于钢管中心，冲击波沿钢管截面径向传播且同时到达钢管内表面。截取单位长度的钢管进行分析可知：钢管内表面承受爆炸冲击波引起的超压峰值，钢管外表面承受CFRP加固层提供的径向压应力。因此，超压作用下钢管管壁的受力状况可简化为图6所示的计算模型。该计算模型下冲击波超压引起的钢管环向应力σgφ1可采用拉梅公式[15]进行表述，如式(1)所示。

σf1为CFRP加固层环向应力；δ为钢管壁厚。

(1)

式中：q1为爆炸冲击波超压峰值；q2为CFRP加固层提供的径向压应力；R为钢管外径；r为钢管内径；ρ为选取的管壁微单元到钢管截面圆心的距离。

3.2 冲量作用下钢管的环向应力分析

对于本试验条件，钢管内部的乳化炸药爆炸属于近场爆炸，此时还需考虑冲量对钢管受力破坏的影响。冲量对钢管的破坏作用主要体现在增大钢管的环向变形并在钢管表面产生附加应力。取单位长度的钢管并沿直径方向截取1/2管壁作为研究对象，则冲量作用下钢管的附加环向应力σgφ2计算模型如图7所示。由图7可知，管壁各处速度关于中轴对称，因此合速度方向向上，冲量作用引起的合力为：

图7 冲量荷载下钢管的计算模型

(2)

式中：M为单位长度钢管质量的1/4；θ为速度方向与水平面的夹角；v为钢管表面最大速度值；Δt为作用持续时间。

此外，管壁水平剖面所受合力为：

F2=σgφ2δ

(3)

基于管壁受力平衡(F1=F2)，同时根据式(2)、(3)可得冲量引起的钢管环向应力σgφ2的表达式为：

(4)

对于冲击波超压与冲量耦合作用下的钢管环向应力σ，可将超压作用和冲量作用下的环向应力进行叠加得到：

σ=σgφ1+σgφ2

(5)

将式(1)、(4)代入式(5)可得：

(6)

3.3 模型验证

基于上述分析可得钢管在内爆炸荷载作用及CFRP加固层耦合作用下的钢管表面环向应力计算如式(6)所示。若钢管中环向应力大于钢材动态抗拉强度，则钢管发生破坏，若小于钢管的动态抗拉强度则不会发生破坏。

(7a)

(7b)

(7c)

对于管壁的动量Mv，亦可通过甘露等提出的冲击波比冲量计算式[18]进行计算，如式(8)所示。

(8)

式中：ir为比冲量，Pa·ms/kg1/3；I为冲量，Pa·ms。

此外，对于CFRP加固层提供的径向约束应力q2，可基于计算所得的管壁动量并依据能量守恒定律反算作用于单位长度管壁截面上的力，计算过程中选取冲量作用持续时间为0.004 ms[16]。

为验证上述分析方法的有效性，选取50层碳纤维布加固钢管在400 g岩石乳化炸药内爆荷载下的试验工况进行验证。根据式(7)和式(8)可得到400 g乳化炸药下钢管内表面爆炸冲击波的超压峰值为11.95 MPa、冲量为1 867.88 Pa·ms及CFRP加固层与钢管界面间的压应力为6.77 MPa，将上述计算数值代入式(6)，得到钢管在爆炸荷载作用下的环向拉应力为152.74 MPa，小于Q235钢材的动态断裂抗拉强度值292 MPa[19]，钢管不会发生破坏，计算结果与50层碳纤维复材加固钢管的内爆试验结果吻合较好，验证了该计算模型的有效性。

4 结束语

1)随着炸药量的增加，钢管表面裂纹的开裂长度逐渐增大，CFRP加固层呈现碎片化破坏趋势；随缠绕碳纤维布层数的增加，CFRP加固层对钢管约束能力增强，能较好的阻止钢管轴向裂纹的发展。

2)通过分析钢管未加固区域和CFRP加固区域的环向应力可知，CFRP加固层可有效降低钢管表面的环向应力，对钢管表面裂纹的发展起到较好的约束效果。

3)通过对CFRP加固钢管在内爆炸冲击荷载作用下的受力分析，提出钢管管壁环向应力的计算式。通过将理论计算结果与CFRP加固钢管试验结果的比较，验证了计算模型的有效性。