黃 輝 路四方 張 祥 賈 彬 盧永剛

(1.西南科技大學(xué), 四川綿陽 621010； 2.中國工程物理研究院, 四川綿陽 621900)

目前我國為了滿足東部地區(qū)對油氣資源的需求，輸油氣管道正處于興建時期。由于自然環(huán)境等因素，鋼管線不可避免地會產(chǎn)生腐蝕缺陷[1]。并且隨著我們城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，輸油氣管道逐漸被建筑物包圍且并未設(shè)置相應(yīng)的安全距離，如果輸油氣管道發(fā)生泄露爆炸，將會給人民財產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。碳纖維復(fù)材具有抗拉強(qiáng)度高、施工方便無明火、約束鋼管表面裂紋發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)[2]，可廣泛用于修復(fù)含缺陷鋼管線，國內(nèi)外大量學(xué)者對此展開了研究。

Toutanji等建立了纖維復(fù)合材料加固鋼管的應(yīng)力計算模型[3]；楊勇新等通過有限元對纖維復(fù)合材料加固金屬管線進(jìn)行應(yīng)力分析，得到了鋼管在預(yù)應(yīng)力作用下的計算式[4]；魏曉斌等通過鋼管的靜水內(nèi)壓試驗(yàn)，分析鋼管表面的環(huán)向應(yīng)力，得出外包纖維布能夠大幅提高壓力管道的承載能力[5]；張偉超等通過鋼管的內(nèi)壓試驗(yàn)，研究了內(nèi)壓與加固厚度的關(guān)系，得到了不同深度缺陷鋼管的加固厚度[6]；王德寶等通過內(nèi)爆炸撕裂圓形鋼管試驗(yàn)，分析了內(nèi)爆荷載作用下鋼管的動力響應(yīng)，得到爆炸沖擊波將鋼管撕裂而不是內(nèi)爆彈殼體飛片[7]；陳虎等通過金屬殼體內(nèi)爆加載試驗(yàn)，研究了不同條件下碎片質(zhì)量分布的規(guī)律，得到了壁厚的變化對殼體的破碎參數(shù)影響不大[8]。文獻(xiàn)[9-10]開展了不同軸向及環(huán)向FRP布搭接長度下的FRP/鋼復(fù)合管內(nèi)壓試驗(yàn)，獲得了該類試件的典型受力特征及最終破壞模式。

上述研究工作主要集中在FRP加固鋼管試件的內(nèi)壓試驗(yàn)及未加固鋼管的爆炸撕裂研究方面，關(guān)于內(nèi)爆炸荷載下FRP加固鋼管的研究成果尚不多見。鑒于此，開展CFRP加固鋼管的內(nèi)爆炸試驗(yàn)及理論研究工作，以期深入了解內(nèi)爆荷載下CFRP加固鋼管的受力破壞機(jī)理。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)共設(shè)計了8根CFRP加固鋼管試件，所用鋼管長度均為1 000 mm，外徑為325 mm，壁厚為6 mm，鋼材牌號為Q235，鋼管兩端分別采用橢圓形封頭和法蘭盤形成封閉空間，雷管導(dǎo)線通過穿線孔引出。碳纖維布采用環(huán)氧樹脂膠粘貼在鋼管表面[11]，形成CFRP加固層，乳化炸藥選用巖石2號乳化炸藥，通過雷管進(jìn)行起爆(圖1)，碳纖維布和環(huán)氧樹脂膠的力學(xué)性能參數(shù)見表1。本研究以碳纖維布層數(shù)和乳化炸藥量為變量，具體試驗(yàn)工況如表2所示。

a—乳化炸藥； b—乳化炸藥在鋼管中的布置。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

表2 試驗(yàn)工況

1.2 試驗(yàn)加載及數(shù)據(jù)采集

圖2 鋼管試件尺寸與測點(diǎn)布置 mm

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 不同炸藥量對限爆環(huán)破壞分析

為了研究不同劑量的乳化炸藥對限爆環(huán)的破壞情況，分別進(jìn)行了200，400 g乳化炸藥量作用下20層纖維布的內(nèi)爆炸試驗(yàn)。

由圖3a可知，當(dāng)炸藥量為200 g時，CFRP加固層表面出現(xiàn)裂紋但未完全貫穿，沿軸向發(fā)展7.23 cm，裂紋隨著裂紋發(fā)展速度的降低呈現(xiàn)出由直線逐漸變?yōu)殇忼X狀。鋼管表面裂紋兩端長度均有發(fā)展，開裂長度分別為2，2.5 cm，寬度發(fā)展為1.6 cm，CFRP加固層的表面軸向開裂長度近似為鋼管開裂長度的3倍。在內(nèi)爆炸荷載作用下，鋼管變形為環(huán)向膨脹并產(chǎn)生軸向裂紋。由圖3b可知，當(dāng)炸藥量為400 g時，CFRP加固層表面出現(xiàn)3條裂紋且完全貫穿，將加固層分為3段圓弧，并伴隨部分為貫穿軸向裂紋。碳纖維布之間未發(fā)生層裂，纖維布與鋼管之間發(fā)生剝離。其中2條軸向裂紋為鋸齒狀，1條裂紋在發(fā)展過程中出現(xiàn)分叉，沿著環(huán)向發(fā)展8.1 cm，然后轉(zhuǎn)為軸向發(fā)展并貫穿加固層。鋼管表面裂紋均發(fā)展至端部，在端部沿著焊縫環(huán)向發(fā)展，鋼管中部呈現(xiàn)張開狀態(tài)，張開距離為50.2 cm。

a—P-4試件； b—P-5試件。

根據(jù)CFRP加固層的破壞結(jié)果，隨著炸藥量的增加，作用在CFRP加固層表面的爆炸沖擊荷載增大，加固層中的環(huán)向應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)達(dá)到復(fù)材的極限抗拉強(qiáng)度時，CFRP加固層表面產(chǎn)生軸向裂紋，繼續(xù)增大炸藥量，裂紋貫穿加固層且逐漸呈現(xiàn)出碎片化。在內(nèi)爆炸荷載作用下，鋼管變形主要產(chǎn)生環(huán)向膨脹且表面裂紋軸向發(fā)展。由于膠層開裂，引起纖維布拉應(yīng)力驟增而拉裂，進(jìn)而引起鋼管破壞，因此CFRP加固層在爆炸荷載作用下可以很好地對鋼管產(chǎn)生約束作用。

2.2 不同纖維布層數(shù)對限爆環(huán)破壞分析

為研究碳纖維布層數(shù)的變化對加固層破壞模式的影響，分別進(jìn)行了400 g乳化炸藥量下2，10，30，50層碳纖維布加固鋼管的內(nèi)爆炸試驗(yàn)。

由圖4a可知，在400 g乳化炸藥的內(nèi)爆荷載下，當(dāng)碳纖維布層數(shù)為2層時，CFRP加固層完全破壞，限爆環(huán)表面出現(xiàn)多條貫穿裂紋，且多條裂紋發(fā)生分叉，將限爆環(huán)分割為多個碎片，限爆環(huán)與鋼管之間完全剝離。因此環(huán)氧樹脂膠與鋼管之間的界面為薄弱環(huán)節(jié)，鋼管張開最大位置位于中部。當(dāng)纖維布纏繞10層時，鋼管表面裂紋發(fā)展至端部，碳纖維復(fù)材限爆環(huán)出現(xiàn)一條貫穿裂紋，裂紋軸向發(fā)展10.2 cm，然后變?yōu)樾毕虬l(fā)展長度為13.2 cm，出現(xiàn)分叉繼續(xù)軸向發(fā)展，形成貫穿裂紋，如圖4b所示。出現(xiàn)斜向發(fā)展是因?yàn)槔w維布與鋼管之間存在氣泡，未能完全粘貼，碳纖維復(fù)材限爆環(huán)其他位置未出現(xiàn)裂紋，鋼管張開最大位置處于中部。由于加固層的約束作用，爆轟產(chǎn)物從右端泄出將鋼管撕裂，導(dǎo)致鋼管最大張開位置逐漸向右端移動，鋼管環(huán)向膨脹最大位置與張開最大位置產(chǎn)生錯位。

在400 g乳化炸藥的內(nèi)爆作用下，當(dāng)纏繞30層纖維布時，鋼管表面裂紋發(fā)展至端部，CFRP加固層表面出現(xiàn)一條參差不齊的貫穿裂紋，呈現(xiàn)出纖維絲束斷裂的現(xiàn)象，由于限爆環(huán)沿軸向受力不均勻，相鄰纖維絲束之間環(huán)向應(yīng)力大小不同，導(dǎo)致出現(xiàn)多條環(huán)向裂縫,限爆環(huán)整體與鋼管發(fā)生剝離，如圖4c所示。當(dāng)纖維布纏繞50層時，鋼管表面裂紋為貫穿裂紋，限爆環(huán)未發(fā)生貫穿裂紋，裂紋呈鋸齒狀軸向發(fā)展6.2 cm，繼續(xù)向兩側(cè)環(huán)向分別發(fā)展41.1，22.8 cm，且有部分環(huán)向裂紋，CFRP加固層開裂部分與鋼管發(fā)生剝離，余下部分完好，如圖4d所示。

圖6示出機(jī)組背壓隨負(fù)荷增加而單調(diào)增大，隨空冷島散熱面積的增加而單調(diào)降低。在設(shè)計值散熱面積、散熱面積增加16.7%、33.3%、50%、66.7%時，全負(fù)荷平均背壓分別為19.9、16.0、13.5、11.8和10.6 kPa。隨散熱面積增加，機(jī)組背壓的等差差值分別為4.4、3.1、2.2和1.7 g/kWh。表明隨散熱面積均勻增加，機(jī)組背壓降低的邊際效應(yīng)逐漸變?nèi)酢?/p>

a—P-2試件； b—P-3試件； c—P-6試件； d—P-7試件。

當(dāng)炸藥量為400 g時，鋼管右端裂紋均發(fā)展到端部，然后沿焊縫環(huán)向發(fā)展，鋼管左端隨著碳纖維布層數(shù)的增加，表面裂紋發(fā)展長度逐漸減小。隨著碳纖維復(fù)材限爆環(huán)層數(shù)的增加，對鋼管的約束效果逐漸增加。由前述試驗(yàn)現(xiàn)象可知，50層纖維布可較好地約束鋼管表面軸向裂紋的發(fā)展。由于CFRP加固層與鋼管之間的界面為薄弱環(huán)節(jié)，加固層發(fā)生破壞時與鋼管發(fā)生剝離，表面產(chǎn)生軸向裂紋；試驗(yàn)時使用單向碳纖維布，軸向約束能力較差，導(dǎo)致CFRP加固層表面產(chǎn)生較多的環(huán)向裂紋。

2.3 CFRP加固層對鋼管的約束效果

鋼管在內(nèi)爆炸荷載作用下，產(chǎn)生環(huán)向膨脹變形，CFRP加固層對鋼管產(chǎn)生環(huán)向約束作用。為了研究CFRP加固層的約束效果，在鋼管未加固區(qū)及加固區(qū)表面分別粘貼了應(yīng)變片，選取50層碳纖維布加固鋼管的實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5所示。由圖可知，未加固鋼管表面的應(yīng)變峰值為3.578×10-3，CFRP加固區(qū)域鋼管表面的應(yīng)變峰值為0.629×10-3。在爆炸荷載下，由于CFRP加固層對鋼管產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致加固區(qū)內(nèi)鋼管表面的應(yīng)變顯著小于未加固區(qū)域鋼管表面的應(yīng)變。

圖5 P-7試件未加固區(qū)域與加固區(qū)域的實(shí)測應(yīng)變曲線

3 內(nèi)爆炸荷載下CFRP加固鋼管的受力分析

考慮試驗(yàn)屬于近場爆炸[12]，當(dāng)球狀乳化炸藥在鋼管內(nèi)部發(fā)生爆炸時，作用到鋼管管壁的荷載包含爆炸沖擊波、沖量和溫度[13]，由于溫度的傳播速度遠(yuǎn)小于爆炸沖擊波和沖量，溫度對鋼管破壞的影響可以忽略[14]。鋼管在內(nèi)爆荷載下產(chǎn)生環(huán)向應(yīng)力，當(dāng)環(huán)向應(yīng)力大于鋼材極限抗拉強(qiáng)度，鋼管發(fā)生破壞，CFRP加固層提供環(huán)向約束，降低鋼管表面的環(huán)向應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)限爆效果。

3.1 超壓作用下鋼管的環(huán)向應(yīng)力分析

爆炸試驗(yàn)時球狀乳化炸藥位于鋼管中心，沖擊波沿鋼管截面徑向傳播且同時到達(dá)鋼管內(nèi)表面。截取單位長度的鋼管進(jìn)行分析可知：鋼管內(nèi)表面承受爆炸沖擊波引起的超壓峰值，鋼管外表面承受CFRP加固層提供的徑向壓應(yīng)力。因此，超壓作用下鋼管管壁的受力狀況可簡化為圖6所示的計算模型。該計算模型下沖擊波超壓引起的鋼管環(huán)向應(yīng)力σgφ1可采用拉梅公式[15]進(jìn)行表述，如式(1)所示。

σf1為CFRP加固層環(huán)向應(yīng)力；δ為鋼管壁厚。

(1)

式中：q1為爆炸沖擊波超壓峰值；q2為CFRP加固層提供的徑向壓應(yīng)力；R為鋼管外徑；r為鋼管內(nèi)徑；ρ為選取的管壁微單元到鋼管截面圓心的距離。

3.2 沖量作用下鋼管的環(huán)向應(yīng)力分析

對于本試驗(yàn)條件，鋼管內(nèi)部的乳化炸藥爆炸屬于近場爆炸，此時還需考慮沖量對鋼管受力破壞的影響。沖量對鋼管的破壞作用主要體現(xiàn)在增大鋼管的環(huán)向變形并在鋼管表面產(chǎn)生附加應(yīng)力。取單位長度的鋼管并沿直徑方向截取1/2管壁作為研究對象，則沖量作用下鋼管的附加環(huán)向應(yīng)力σgφ2計算模型如圖7所示。由圖7可知，管壁各處速度關(guān)于中軸對稱，因此合速度方向向上，沖量作用引起的合力為：

圖7 沖量荷載下鋼管的計算模型

(2)

式中：M為單位長度鋼管質(zhì)量的1/4；θ為速度方向與水平面的夾角；v為鋼管表面最大速度值；Δt為作用持續(xù)時間。

此外，管壁水平剖面所受合力為：

F2=σgφ2δ

(3)

基于管壁受力平衡(F1=F2)，同時根據(jù)式(2)、(3)可得沖量引起的鋼管環(huán)向應(yīng)力σgφ2的表達(dá)式為：

(4)

對于沖擊波超壓與沖量耦合作用下的鋼管環(huán)向應(yīng)力σ，可將超壓作用和沖量作用下的環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行疊加得到：

σ=σgφ1+σgφ2

(5)

將式(1)、(4)代入式(5)可得：

(6)

3.3 模型驗(yàn)證

基于上述分析可得鋼管在內(nèi)爆炸荷載作用及CFRP加固層耦合作用下的鋼管表面環(huán)向應(yīng)力計算如式(6)所示。若鋼管中環(huán)向應(yīng)力大于鋼材動態(tài)抗拉強(qiáng)度，則鋼管發(fā)生破壞，若小于鋼管的動態(tài)抗拉強(qiáng)度則不會發(fā)生破壞。

(7a)

(7b)

(7c)

對于管壁的動量Mv，亦可通過甘露等提出的沖擊波比沖量計算式[18]進(jìn)行計算，如式(8)所示。

(8)

式中：ir為比沖量，Pa·ms/kg1/3；I為沖量，Pa·ms。

此外，對于CFRP加固層提供的徑向約束應(yīng)力q2，可基于計算所得的管壁動量并依據(jù)能量守恒定律反算作用于單位長度管壁截面上的力，計算過程中選取沖量作用持續(xù)時間為0.004 ms[16]。

為驗(yàn)證上述分析方法的有效性，選取50層碳纖維布加固鋼管在400 g巖石乳化炸藥內(nèi)爆荷載下的試驗(yàn)工況進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)式(7)和式(8)可得到400 g乳化炸藥下鋼管內(nèi)表面爆炸沖擊波的超壓峰值為11.95 MPa、沖量為1 867.88 Pa·ms及CFRP加固層與鋼管界面間的壓應(yīng)力為6.77 MPa，將上述計算數(shù)值代入式(6)，得到鋼管在爆炸荷載作用下的環(huán)向拉應(yīng)力為152.74 MPa，小于Q235鋼材的動態(tài)斷裂抗拉強(qiáng)度值292 MPa[19]，鋼管不會發(fā)生破壞，計算結(jié)果與50層碳纖維復(fù)材加固鋼管的內(nèi)爆試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該計算模型的有效性。

4 結(jié)束語

1)隨著炸藥量的增加，鋼管表面裂紋的開裂長度逐漸增大，CFRP加固層呈現(xiàn)碎片化破壞趨勢；隨纏繞碳纖維布層數(shù)的增加，CFRP加固層對鋼管約束能力增強(qiáng)，能較好的阻止鋼管軸向裂紋的發(fā)展。

2)通過分析鋼管未加固區(qū)域和CFRP加固區(qū)域的環(huán)向應(yīng)力可知，CFRP加固層可有效降低鋼管表面的環(huán)向應(yīng)力，對鋼管表面裂紋的發(fā)展起到較好的約束效果。

3)通過對CFRP加固鋼管在內(nèi)爆炸沖擊荷載作用下的受力分析，提出鋼管管壁環(huán)向應(yīng)力的計算式。通過將理論計算結(jié)果與CFRP加固鋼管試驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了計算模型的有效性。