为了对钢船和海上石油生产船产生的腐蚀进行修复，StrengthBond Offshore项目对层压/粘接的复合材料补片进行了250多次试样测试和115次数字模拟（图片来源：Getty Images，JIP StrengthBond Offshore）

在大型海事应用中，扩大复合材料的应用是实现船舶轻量化的重要途径。Bureau Veritas Marine & Offshore（法国南特）船级社的复合材料部门负责人Stéphane Paboeuf认为，该行业需要一种新的方法来修复腐蚀的钢结构。该船级社为船舶和海上设施的设计、建造和维护制定并应用技术标准，包括海上石油钻井平台和浮式生产储油卸油船（FPSO）——用于加工、储存和卸载海底油藏中的石油和天然气。

来源：compositesworld

“今天，传统的方法是使用新的焊接钢梁和板来修剪并更新腐蚀。”Paboeuf解释说，“但要做到这一点，就必须清空、惰化并清洁储罐及其相邻结构，同时停止生产，以消除焊接过程产生爆炸的风险。”

由于腐蚀，老化的钢制船舶和 FPSO 船舶在运行中面临复杂的维修问题，最常见的维修需要停机，以便使用焊枪切割并焊接新的钢结构（图片来源：彭博社通过 InsuranceJournal.com（上图）和 Getty Images获得）

Paboeuf表示，层压复合材料补片或粘接一块板来恢复结构的完整性，已作为一种更具成本效益和时间效率的解决方案被提出。“这非常有趣，因为这是一种非侵入性的解决方案，我们可以在不停止生产的情况下直接应用于结构的甲板。”他解释说，一家名为 Cold Pad（法国巴黎）的公司，在2018年应用这项技术修复了 FPSO上的船中甲板。据Cold Pad介绍，采用其专利的ColdShield 技术，以及与 Bureau Veritas和TotalEnergies合作，该公司完成了世界上第一个为钢船体进行复合材料粘接加固的疲劳S-N曲线。

“因此，我们确实有一些像这样得到批准/认证可用于船舶和海上结构应用的解决方案。但是，无论是设计还是鉴定，都没有真正的标准。”Paboeuf说道，“虽然在船舶应用之外，管道和柱通常是采用碳纤维和玻璃纤维增强聚合物（CFRP，GFRP）进行缠绕修复，但对于作为这些海事应用主结构的宽平板，尚没有标准化的修复方法。这就是为什么我们于2019年决定启动行业联合项目JIP StrengthBond Offshore。”

由 Cold Pad 完成的粘接补片修复（上图）提供了一种“冷”的非侵入式修复方法，但缺乏认证标准。为了解决这一问题，在JIP StrengthBond Offshore项目中对复合材料补片修复（下图）进行了测试（图片来源：必维国际检验集团、JIP StrengthBond Offshore）

StrengthBond Offshore项目

正如其项目网页上所解释的那样，必维国际检验集团（以下简称必维）正在开展几个研究项目来解决老化和耐久性问题，包括 Qualify、Real Tide、RAMSSES 和 FIBRESHIP。在StrengthBond Offshore项目中，必维与由行业合作伙伴组成的联盟合作，旨在鉴定粘接复合材料补片修复的质量。

“为此，我们需要开发一种强大的方法来分析此类修复的强度，这需要数字工具来评估和验证设计。我们还必须定义必要的测试和制造协议。”Paboeuf介绍说。这些目标确实在为期4年的项目中实现了。“我们实施了250多次试样测试和 115 次数字模拟，并交付了30份技术报告。在项目期间，我们发表了14篇科技论文，并在欧洲的不同会议上发表了这些论文。在项目期间，我们还发表了一篇关于粘接修复强度的博士论文。”

StrengthBond Offshore项目已完成金字塔的测试工作（图片来源：JIP StrengthBond Offshore）

“主要结果是，为鉴定和认证用于钢结构的复合材料补片修复提供项目指南。”他继续说道，“我们在 StrengthBond Offshore 项目期间开发和使用的应用就说明了这一点。最大的挑战是确定数字仿真的参数——哪些参数是必需的以及如何确定这些参数。这就是我们测试这么多试样的原因。”测试还导致了一种新型试样的开发：等效界面试样。我们将在下面以及在该项目的下一阶段更详细地讨论这个问题。现在，我们必须定义需要哪种老化测试来预测这些复合材料补片修复的长期行为。”

大面积修复、碳纤维、修复工艺

尽管复合材料修复已在飞机、船舶、建筑和基础设施应用领域使用了几十年，但在大型海上装置中的应用一直受到限制。在此，复合材料不是粘接到复合材料基体上，而是粘接到钢上。此外，StrengthBond Offshore项目需要解决的一个关键问题是，这些复合材料补片修复还相当大，正如 Paboeuf 所介绍的那样：“用于飞机的粘接复合材料修复通常是局部修复，比如只有几厘米，而我们考虑的大型修复可能是 40平方米，这会影响到船舶的船体或甲板的强度。我们发现，一些得到批准/认证可用于钢制船舶的复合材料补片修复，它们的规模更接近典型的飞机修复——所以只是维持局部负载，而不是全部负载。但在StrengthBond Offshore项目中，我们研究了全局载荷，这需要更复杂的分析来模拟和预测失效。”

针对主结构的大面积修复，为了获得足够的刚度，在StrengthBond Offshore项目中使用的补片主要由碳纤维层构成。“如果我们使用玻璃纤维，需要的厚度会更大，但我们确实在碳纤维和钢之间使用了一些玻璃纤维层，目的是防止电偶腐蚀。”Paboeuf 说道。

对修复的设计是在没有粘合剂的补片中使用环氧树脂，同时使用真空辅助树脂灌注和真空袋手糊这两种不同的制造工艺来对补片修复进行测试。环氧树脂还在80℃下进行后固化，总循环时间为16小时。“当我们比较两种不同的制造工艺时，我们看到了或多或少的相同强度，没有受到制造工艺带来的影响。”他解释道，“而且我们开发的方法更加通用，这使得该工艺可以适应多种类型的树脂和织物。要鉴定这些材料，还涉及必须进行哪些类型的测试。”

补片设计，长短嵌接修复

复合材料修复的目标是，恢复钢结构因腐蚀而失去的刚度。对于20毫米厚的板材，需要恢复的钢厚度损失被评估为大约7毫米。在这些条件下，粘接补片的设计导致了一种由单向层构成的复合材料叠层。在下图中，灰色、蓝色和黑色的层代表碳纤维层，而绿色的玻璃纤维层则为防止电偶腐蚀提供了隔离，橙色的层代表钢基材。

为了研究嵌接角度以及由此产生的应力集中对粘接修复强度带来的影响，提出了在补片边缘进行长短嵌接的方法。与短嵌接相比，长嵌接的修复补片，其强度要高出38%。

粘接的修复补片叠层，其中蓝色和灰色层是碳纤维，绿色层是用于隔离电流的玻璃纤维，橙色是钢基材。右上角显示的是测试的长短嵌接角度

等效界面测试试样

粘接的FRP补片对设计带来了很大的约束。“补片端被放置在一个全应力区，承受拉伸和弯曲，这会在加固边缘产生高应力。”Paboeuf 解释说。

因此，设计师和工程师们面临着由钢和复合材料接头的属性带来的一些难题，包括复合材料与钢材性能之间的差异，以及补片边缘的异常。Paboeuf 解释说，内聚定律决定了这种粘接补片修复的失败。因此，有必要对粘接复合材料补片内的多个界面进行表征，包括：GFRP与钢的界面、GFRP 层到层的界面、CFRP 到 GFRP 的界面以及承受拉伸和弯曲载荷的 CFRP 层到层的界面。

长嵌接补片（上图）和用于物理测试的水刀切割试样（下图）中的光纤位置（图片来源：JIP StrengthBond Offshore）

每个界面的不同韧性，通常是使用标准化测试来进行评估，如端部缺口弯曲（ASTM D7905）测试或双悬臂梁（ASTM D5528）测试，以及基于线弹性断裂力学的简单理论。但是，StrengthBond Offshore 团队希望限制试样测试的数量。因此，根据刚才提到的现有的ASTM 标准以及混合模式弯曲测试（ASTM D6671）标准，设计了一种包含所有不同界面的新型试样。

“我们将其命名为等效界面试样，并将其用于所有的测试。”Paboeuf 说道，“所有这些测试还使用有限元分析（FEA）进行模拟。使用等效界面试样，使我们能够确定复合材料补片修复边缘的韧性，以及为我们在有限元分析中使用的内聚定律确定参数。然后，我们对使用这种内聚定律的模拟结果与我们对大型试样进行的物理测试结果进行了比较，发现拉伸测试结果的差异为3%，这是一个非常好的结果，尤其是对于粘接接头的模拟。对于弯曲测试，差异较大，这需要进一步的工作。”

大型试样的拉伸和三点弯曲测试（图片来源：JIP StrengthBond Offshore）

StrengthBond Offshore 项目的结果

如上所述，到项目结束时，已经完成了250多次试样测试和115次数字模拟，包括对大型试样的疲劳测试，取决于施加的载荷，测试循环在5万至500万次。

下图显示了不同振幅力的结果，其中橙色方块代表测试结果（断裂时），蓝色箭头表示未断裂的测试。根据这些测量值，疲劳曲线绘制为黑色直线，并与左下角绿色的参考FPSO装置的疲劳曲线进行比较。这表明，复合材料补片的使用寿命远大于作为参考的船的使用寿命。

复合材料修复疲劳测试结果（图片来源：JIP StrengthBond Offshore）

图中的垂直蓝线表示20年的目标使用寿命，相当于6300万次循环。因此，这些疲劳测试结果预测出在实际载荷条件下以及在无外部损伤的情况下，粘接补片的使用寿命大大超过船舶的使用寿命。高安全度（理论寿命与实验寿命之间的差异）为粘接补片在实际条件下的行为提供了非常好的信心。

“我们还将这种方法和技术应用于全尺寸结构。”Paboeuf说道，“我们没有在船上安装补片，但我们展示了一个真实的应用案例，并在实验室中对其进行了测试。我们最初确实计划在项目期间完成船载安装，但遗憾的是，我们没有这方面的预算。尽管必维与Cold Pad 完成了之前的粘接修复安装项目，但该项目粘接的是金属补片，而不是复合材料补片。现在，我们想在海事装置上安装一个大型的复合材料层压补片。”

值得一提的是，StrengthBond Offshore项目发布的粘接复合材料修复方法，包括修复设计和材料表征的最佳方法，以及表面处理制程。“这些表面处理主要是喷砂，然后是溶剂擦拭，这是粘接复合材料修复的标准。”Paboeuf说道，“我们测试了不同的表面处理方法，并选择了最好的一种。在已发布的方法中，我们还讨论了补片应用过程中的工艺控制和监测指南，包括真空袋和固化温度细节。”他表示，后者取决于所使用的树脂。

“多亏了我们在该项目中的开发工作，现在我们能够充满信心地预测这些大型粘接复合材料修复的失效和负载。”Paboeuf 说道，“此外，得益于我们开发的新的等效界面试样，我们能够将内聚定律用于数字仿真，从而能够很好地预测失效。我们已经获得了一种强大的方法来对钢结构的粘接加固进行设计评估，这对于船级社能够证明修复强度并验证失效载荷和安全系数非常重要。”

下一阶段：DuraBond Offshore项目

Paboeuf表示，该联盟现在想要研究环境对层压复合材料补片强度的影响。“在海事应用中，我们不能在粘接的主结构修复中使用鸡眼铆钉，这就是为什么我们必须确认长期行为，特别是因为我们知道我们会遇到高湿度、高温，有时还会受到化学溶剂等的污染。因此，我们必须确认复合材料补片修复对‘由这种侵蚀并结合循环载荷引起的疲劳’所带来的综合影响具有怎样的抵抗力。”

在DuraBond Offshore项目期间完成的计划工作（图片来源：JIP Durabond Offshore）

因此，新的JIP DuraBond项目是一项为期3年的计划，于2024年11月启动，合作伙伴大致相同。“InfraCore不会成为新项目的一部分，但现在FUZE Solutions（澳大利亚珀斯）加入了我们的行列，这是一家从事复合材料缠绕管道维修的公司。”Paboeuf说道，“对于想要参与这个项目的任何新公司，我们总是敞开大门。”

“在DuraBond项目中，我们将样品放入水和碳氢化合物中，使它们暴露在高、低温下，然后在老化后进行拉伸测试。”他继续说道，“这些测试将包括静态载荷和疲劳测试，以便我们可以评估环境对补片强度的影响，以此来调整安全系数并确认长期性能。我们还将再次与古斯塔夫·埃菲尔大学（法国布格内）合作完成这项测试，并与南特大学（法国南特）和巴西里约热内卢联邦大学展开合作。”他表示，后者对复合材料在油中的老化已拥有经验。“但就像在StrengthBond Offshore 项目中一样，我们将完成一个全面的测试计划，并再次发布指南，以为这些修复得到批准/认证和更广泛应用提供支持。”Paboeuf说道。

原文链接：

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

 

第三届船舶与复合材料新船型、新技术、新工艺、新模式产业化发展大会暨船厂工艺现场演示交流会邀请函

 

复材网将于2025年3月13-15日在广东•广州召开“第三届船舶与复合材料新船型、新技术、新工艺、新模式产业化发展大会暨船厂工艺现场演示交流会”。会议期间，安排参观广东中威复合材料有限公司的真空灌注车间（主要是船体成型车间，讲解40米级碳纤维船体一次性真空成型）、舾装车间（主要进行船体的拼装和整船的舾装建造，还有碳纤维平板的制造）以及参观亚洲最大的的40米级全碳纤维纯电渡轮 ，提问交流，探讨相关工艺技术问题。

 

中国造船工程学会首席专家，中国海事仲裁委员会仲裁员，中国修船定期协调会议（SPCC）执行主席李正建先生作《复合材料船舶修船工艺技术应用及案例分享》的报告，欢迎大家聆听！

李正建

中国造船工程学会首席专家，中国海事仲裁委员会仲裁员，中国修船定期协调会议（SPCC）执行主席

报告题目：

复合材料船舶修船工艺技术应用及案例分享

 

报告大纲：

• 简要概述修船是复合材料重要的应用场景；
• 探讨复合材料在修船业的机遇与挑战；
• 分享修船业对复合材料的需求案例。

展位正在招募中，有需要的朋友们欢迎与我们联系，于珍 18653463667.