為了對鋼船和海上石油生產船產生的腐蝕進行修復，StrengthBond Offshore項目對層壓/粘接的復合材料補片進行了250多次試樣測試和115次數字模擬（圖片來源：Getty Images，JIP StrengthBond Offshore）

在大型海事應用中，擴大復合材料的應用是實現船舶輕量化的重要途徑。Bureau Veritas Marine & Offshore（法國南特）船級社的復合材料部門負責人Stéphane Paboeuf認為，該行業需要一種新的方法來修復腐蝕的鋼結構。該船級社為船舶和海上設施的設計、建造和維護制定并應用技術標準，包括海上石油鉆井平臺和浮式生產儲油卸油船（FPSO）——用于加工、儲存和卸載海底油藏中的石油和天然氣。

來源：compositesworld

“今天，傳統的方法是使用新的焊接鋼梁和板來修剪并更新腐蝕。”Paboeuf解釋說，“但要做到這一點，就必須清空、惰化并清潔儲罐及其相鄰結構，同時停止生產，以消除焊接過程產生爆炸的風險。”

由于腐蝕，老化的鋼制船舶和 FPSO 船舶在運行中面臨復雜的維修問題，最常見的維修需要停機，以便使用焊槍切割并焊接新的鋼結構（圖片來源：彭博社通過 InsuranceJournal.com（上圖）和 Getty Images獲得）

Paboeuf表示，層壓復合材料補片或粘接一塊板來恢復結構的完整性，已作為一種更具成本效益和時間效率的解決方案被提出。“這非常有趣，因為這是一種非侵入性的解決方案，我們可以在不停止生產的情況下直接應用于結構的甲板。”他解釋說，一家名為 Cold Pad（法國巴黎）的公司，在2018年應用這項技術修復了 FPSO上的船中甲板。據Cold Pad介紹，采用其專利的ColdShield 技術，以及與 Bureau Veritas和TotalEnergies合作，該公司完成了世界上第一個為鋼船體進行復合材料粘接加固的疲勞S-N曲線。

“因此，我們確實有一些像這樣得到批準/認證可用于船舶和海上結構應用的解決方案。但是，無論是設計還是鑒定，都沒有真正的標準。”Paboeuf說道，“雖然在船舶應用之外，管道和柱通常是采用碳纖維和玻璃纖維增強聚合物（CFRP，GFRP）進行纏繞修復，但對于作為這些海事應用主結構的寬平板，尚沒有標準化的修復方法。這就是為什么我們于2019年決定啟動行業聯合項目JIP StrengthBond Offshore。”

由 Cold Pad 完成的粘接補片修復（上圖）提供了一種“冷”的非侵入式修復方法，但缺乏認證標準。為了解決這一問題，在JIP StrengthBond Offshore項目中對復合材料補片修復（下圖）進行了測試（圖片來源：必維國際檢驗集團、JIP StrengthBond Offshore）

StrengthBond Offshore項目

正如其項目網頁上所解釋的那樣，必維國際檢驗集團（以下簡稱必維）正在開展幾個研究項目來解決老化和耐久性問題，包括 Qualify、Real Tide、RAMSSES 和 FIBRESHIP。在StrengthBond Offshore項目中，必維與由行業合作伙伴組成的聯盟合作，旨在鑒定粘接復合材料補片修復的質量。

“為此，我們需要開發一種強大的方法來分析此類修復的強度，這需要數字工具來評估和驗證設計。我們還必須定義必要的測試和制造協議。”Paboeuf介紹說。這些目標確實在為期4年的項目中實現了。“我們實施了250多次試樣測試和 115 次數字模擬，并交付了30份技術報告。在項目期間，我們發表了14篇科技論文，并在歐洲的不同會議上發表了這些論文。在項目期間，我們還發表了一篇關于粘接修復強度的博士論文。”

StrengthBond Offshore項目已完成金字塔的測試工作（圖片來源：JIP StrengthBond Offshore）

“主要結果是，為鑒定和認證用于鋼結構的復合材料補片修復提供項目指南。”他繼續說道，“我們在 StrengthBond Offshore 項目期間開發和使用的應用就說明了這一點。最大的挑戰是確定數字仿真的參數——哪些參數是必需的以及如何確定這些參數。這就是我們測試這么多試樣的原因。”測試還導致了一種新型試樣的開發：等效界面試樣。我們將在下面以及在該項目的下一階段更詳細地討論這個問題?，F在，我們必須定義需要哪種老化測試來預測這些復合材料補片修復的長期行為。”

大面積修復、碳纖維、修復工藝

盡管復合材料修復已在飛機、船舶、建筑和基礎設施應用領域使用了幾十年，但在大型海上裝置中的應用一直受到限制。在此，復合材料不是粘接到復合材料基體上，而是粘接到鋼上。此外，StrengthBond Offshore項目需要解決的一個關鍵問題是，這些復合材料補片修復還相當大，正如 Paboeuf 所介紹的那樣：“用于飛機的粘接復合材料修復通常是局部修復，比如只有幾厘米，而我們考慮的大型修復可能是 40平方米，這會影響到船舶的船體或甲板的強度。我們發現，一些得到批準/認證可用于鋼制船舶的復合材料補片修復，它們的規模更接近典型的飛機修復——所以只是維持局部負載，而不是全部負載。但在StrengthBond Offshore項目中，我們研究了全局載荷，這需要更復雜的分析來模擬和預測失效。”

針對主結構的大面積修復，為了獲得足夠的剛度，在StrengthBond Offshore項目中使用的補片主要由碳纖維層構成。“如果我們使用玻璃纖維，需要的厚度會更大，但我們確實在碳纖維和鋼之間使用了一些玻璃纖維層，目的是防止電偶腐蝕。”Paboeuf 說道。

對修復的設計是在沒有粘合劑的補片中使用環氧樹脂，同時使用真空輔助樹脂灌注和真空袋手糊這兩種不同的制造工藝來對補片修復進行測試。環氧樹脂還在80℃下進行后固化，總循環時間為16小時。“當我們比較兩種不同的制造工藝時，我們看到了或多或少的相同強度，沒有受到制造工藝帶來的影響。”他解釋道，“而且我們開發的方法更加通用，這使得該工藝可以適應多種類型的樹脂和織物。要鑒定這些材料，還涉及必須進行哪些類型的測試。”

補片設計，長短嵌接修復

復合材料修復的目標是，恢復鋼結構因腐蝕而失去的剛度。對于20毫米厚的板材，需要恢復的鋼厚度損失被評估為大約7毫米。在這些條件下，粘接補片的設計導致了一種由單向層構成的復合材料疊層。在下圖中，灰色、藍色和黑色的層代表碳纖維層，而綠色的玻璃纖維層則為防止電偶腐蝕提供了隔離，橙色的層代表鋼基材。

為了研究嵌接角度以及由此產生的應力集中對粘接修復強度帶來的影響，提出了在補片邊緣進行長短嵌接的方法。與短嵌接相比，長嵌接的修復補片，其強度要高出38%。

粘接的修復補片疊層，其中藍色和灰色層是碳纖維，綠色層是用于隔離電流的玻璃纖維，橙色是鋼基材。右上角顯示的是測試的長短嵌接角度

等效界面測試試樣

粘接的FRP補片對設計帶來了很大的約束。“補片端被放置在一個全應力區，承受拉伸和彎曲，這會在加固邊緣產生高應力。”Paboeuf 解釋說。

因此，設計師和工程師們面臨著由鋼和復合材料接頭的屬性帶來的一些難題，包括復合材料與鋼材性能之間的差異，以及補片邊緣的異常。Paboeuf 解釋說，內聚定律決定了這種粘接補片修復的失敗。因此，有必要對粘接復合材料補片內的多個界面進行表征，包括：GFRP與鋼的界面、GFRP 層到層的界面、CFRP 到 GFRP 的界面以及承受拉伸和彎曲載荷的 CFRP 層到層的界面。

長嵌接補片（上圖）和用于物理測試的水刀切割試樣（下圖）中的光纖位置（圖片來源：JIP StrengthBond Offshore）

每個界面的不同韌性，通常是使用標準化測試來進行評估，如端部缺口彎曲（ASTM D7905）測試或雙懸臂梁（ASTM D5528）測試，以及基于線彈性斷裂力學的簡單理論。但是，StrengthBond Offshore 團隊希望限制試樣測試的數量。因此，根據剛才提到的現有的ASTM 標準以及混合模式彎曲測試（ASTM D6671）標準，設計了一種包含所有不同界面的新型試樣。

“我們將其命名為等效界面試樣，并將其用于所有的測試。”Paboeuf 說道，“所有這些測試還使用有限元分析（FEA）進行模擬。使用等效界面試樣，使我們能夠確定復合材料補片修復邊緣的韌性，以及為我們在有限元分析中使用的內聚定律確定參數。然后，我們對使用這種內聚定律的模擬結果與我們對大型試樣進行的物理測試結果進行了比較，發現拉伸測試結果的差異為3%，這是一個非常好的結果，尤其是對于粘接接頭的模擬。對于彎曲測試，差異較大，這需要進一步的工作。”

大型試樣的拉伸和三點彎曲測試（圖片來源：JIP StrengthBond Offshore）

StrengthBond Offshore 項目的結果

如上所述，到項目結束時，已經完成了250多次試樣測試和115次數字模擬，包括對大型試樣的疲勞測試，取決于施加的載荷，測試循環在5萬至500萬次。

下圖顯示了不同振幅力的結果，其中橙色方塊代表測試結果（斷裂時），藍色箭頭表示未斷裂的測試。根據這些測量值，疲勞曲線繪制為黑色直線，并與左下角綠色的參考FPSO裝置的疲勞曲線進行比較。這表明，復合材料補片的使用壽命遠大于作為參考的船的使用壽命。

復合材料修復疲勞測試結果（圖片來源：JIP StrengthBond Offshore）

圖中的垂直藍線表示20年的目標使用壽命，相當于6300萬次循環。因此，這些疲勞測試結果預測出在實際載荷條件下以及在無外部損傷的情況下，粘接補片的使用壽命大大超過船舶的使用壽命。高安全度（理論壽命與實驗壽命之間的差異）為粘接補片在實際條件下的行為提供了非常好的信心。

“我們還將這種方法和技術應用于全尺寸結構。”Paboeuf說道，“我們沒有在船上安裝補片，但我們展示了一個真實的應用案例，并在實驗室中對其進行了測試。我們最初確實計劃在項目期間完成船載安裝，但遺憾的是，我們沒有這方面的預算。盡管必維與Cold Pad 完成了之前的粘接修復安裝項目，但該項目粘接的是金屬補片，而不是復合材料補片。現在，我們想在海事裝置上安裝一個大型的復合材料層壓補片。”

值得一提的是，StrengthBond Offshore項目發布的粘接復合材料修復方法，包括修復設計和材料表征的最佳方法，以及表面處理制程。“這些表面處理主要是噴砂，然后是溶劑擦拭，這是粘接復合材料修復的標準。”Paboeuf說道，“我們測試了不同的表面處理方法，并選擇了最好的一種。在已發布的方法中，我們還討論了補片應用過程中的工藝控制和監測指南，包括真空袋和固化溫度細節。”他表示，后者取決于所使用的樹脂。

“多虧了我們在該項目中的開發工作，現在我們能夠充滿信心地預測這些大型粘接復合材料修復的失效和負載。”Paboeuf 說道，“此外，得益于我們開發的新的等效界面試樣，我們能夠將內聚定律用于數字仿真，從而能夠很好地預測失效。我們已經獲得了一種強大的方法來對鋼結構的粘接加固進行設計評估，這對于船級社能夠證明修復強度并驗證失效載荷和安全系數非常重要。”

下一階段：DuraBond Offshore項目

Paboeuf表示，該聯盟現在想要研究環境對層壓復合材料補片強度的影響。“在海事應用中，我們不能在粘接的主結構修復中使用雞眼鉚釘，這就是為什么我們必須確認長期行為，特別是因為我們知道我們會遇到高濕度、高溫，有時還會受到化學溶劑等的污染。因此，我們必須確認復合材料補片修復對‘由這種侵蝕并結合循環載荷引起的疲勞’所帶來的綜合影響具有怎樣的抵抗力。”

在DuraBond Offshore項目期間完成的計劃工作（圖片來源：JIP Durabond Offshore）

因此，新的JIP DuraBond項目是一項為期3年的計劃，于2024年11月啟動，合作伙伴大致相同。“InfraCore不會成為新項目的一部分，但現在FUZE Solutions（澳大利亞珀斯）加入了我們的行列，這是一家從事復合材料纏繞管道維修的公司。”Paboeuf說道，“對于想要參與這個項目的任何新公司，我們總是敞開大門。”

“在DuraBond項目中，我們將樣品放入水和碳氫化合物中，使它們暴露在高、低溫下，然后在老化后進行拉伸測試。”他繼續說道，“這些測試將包括靜態載荷和疲勞測試，以便我們可以評估環境對補片強度的影響，以此來調整安全系數并確認長期性能。我們還將再次與古斯塔夫·埃菲爾大學（法國布格內）合作完成這項測試，并與南特大學（法國南特）和巴西里約熱內盧聯邦大學展開合作。”他表示，后者對復合材料在油中的老化已擁有經驗。“但就像在StrengthBond Offshore 項目中一樣，我們將完成一個全面的測試計劃，并再次發布指南，以為這些修復得到批準/認證和更廣泛應用提供支持。”Paboeuf說道。

原文鏈接：

https://www.compositesworld.com/articles/developing-bonded-composite-repair-for-ships-offshore-units

 

第三屆船舶與復合材料新船型、新技術、新工藝、新模式產業化發展大會暨船廠工藝現場演示交流會邀請函

 

復材網將于2025年3月13-15日在廣東•廣州召開“第三屆船舶與復合材料新船型、新技術、新工藝、新模式產業化發展大會暨船廠工藝現場演示交流會”。會議期間，安排參觀廣東中威復合材料有限公司的真空灌注車間（主要是船體成型車間，講解40米級碳纖維船體一次性真空成型）、舾裝車間（主要進行船體的拼裝和整船的舾裝建造，還有碳纖維平板的制造）以及參觀亞洲最大的的40米級全碳纖維純電渡輪 ，提問交流，探討相關工藝技術問題。

 

中國造船工程學會首席專家，中國海事仲裁委員會仲裁員，中國修船定期協調會議（SPCC）執行主席李正建先生作《復合材料船舶修船工藝技術應用及案例分享》的報告，歡迎大家聆聽！

李正建

中國造船工程學會首席專家，中國海事仲裁委員會仲裁員，中國修船定期協調會議（SPCC）執行主席

報告題目：

復合材料船舶修船工藝技術應用及案例分享

 

報告大綱：

• 簡要概述修船是復合材料重要的應用場景；
• 探討復合材料在修船業的機遇與挑戰；
• 分享修船業對復合材料的需求案例。

展位正在招募中，有需要的朋友們歡迎與我們聯系，于珍 18653463667.