一种碳纤维布加固修复起重机械受损钢管结构的方法

摘要

本发明公开了一种碳纤维布加固修复起重机械受损钢管结构的方法，首先判断出现裂纹待修复的钢管是长管还是短管；根据长短管的受损情况，判断是否能够采用碳纤维布加固方式进行修复；选择碳纤维布的粘贴方式和粘贴层数；对出现裂纹待修复的钢管表面进行喷砂处理，使得钢管表面形成均匀的凹坑；使用乙醇擦拭待修复的钢管表面，并晾干后，在钢管表面涂抹一层浸渍胶；同时，在碳纤维布的表面涂抹一层浸渍胶；将碳纤维布沿环向缠绕在钢管上，待包裹完毕后沿纤维方向按压碳纤维布，使之完整贴合在钢管上；等到浸渍胶凝固后将贴合有碳纤维布的钢管放入加压袋中加压固定，室温中放置24h固化。

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料技术领域，具体是一种碳纤维布加固修复起重机械受损钢管结构的方法

背景技术

起重机械作为移动物料的机电设备，广泛应用于建筑业、制造业、交通运输业等大中型工程领域，在国民经济的生产建设中起着极大的作用。我国是起重机械制造及使用大国，保有量和年产量位居世界第一，使用量和使用频率庞大使得每年有许多起重机械面临报废的问题。起重机械结构特殊，作业工况异常复杂，工作时金属与物料间易因碰撞而产生裂纹，或者因结构承受交变载荷而产生疲劳损伤裂纹，给起重机械承载结构带来安全隐患。如不及时处理，一旦起重机械发生断裂倒塌等事故，将会造成较大人员伤亡和巨大的经济损失。以塔式起重机为例，在近六年的486起塔机事故中，由于结构破坏造成的塔机坍塌130起，由于结构缺陷造成的失稳倾翻153起，占事故总体比例达58％。

然而，一旦出现裂纹缺陷就对损伤结构进行报废是不现实的。起重机械多为大型结构件，损伤部位占整体比例小，直接更换则产生极大的资源浪费。频繁更换周期长，在一定程度上延缓了工程进度。安装和拆卸阶段结构件连接薄弱，人员集中且安全系数低，易造成更多的伤亡事故。因此相比于更换结构件，对其损伤部位进行加固更经济安全。

传统的对受损钢结构加固的方式主要有焊接、钻止裂孔、铆接钢板等。焊接会产生残余热应力，使缺陷处应力分布更为复杂。钻止裂孔和铆接钢板都是在原有结构上钻孔，会增加新的应力集中而导致裂纹二次扩展，且附加钢板使结构增重，不符合轻量化的设计理念。

复合材料胶粘加固技术作为再制造领域里的关键技术，广泛应用于金属梁结构、混凝土结构的加固和修复。胶粘纤维增强复合材料作为一种新的加固方式，其可靠性已得到广泛证明。与其他传统的加固方法相比，胶粘加固技术具有显著的优势：1)强度高且加固效果好。复合材料力学性能优异，抗拉强度比较高。损伤结构-胶粘剂-复合材料三者为一体的胶粘加固结构能够承受更高载荷，延展性能也同时被优化。2)疲劳性能优越。复合材料本身疲劳性能好，疲劳极限较金属材料更高，可以抵抗多种工况的动载荷和交变疲劳载荷，抗疲劳性能较传统方法得到提高，因此具有更长的工作寿命周期和结构可靠性。3)卓越的可设计性。可通过获取损伤结构的裂纹参数、载荷类型和实际工况进行设计方案制定，选择不同参数与力学性能的复合材料和胶粘剂，来定制使用的加固工艺。采用最优化的加固方案来提高胶粘加固结构的承载能力，以恢复构件的力学性能。4)加固作业周期短。胶粘加固所需材料便于携带，施工过程简单，在较短时间内即可完成加固修复。5)防腐蚀和耐久性强。复合材料耐酸碱、抗水、抗油，能够抵抗化学介质侵入，因此可以抵抗起重机械工作环境的腐蚀危害，增强胶粘加固结构的耐久性。6)加固后结构增重小。复合材料密度较小，但力学性能优越，有较高的比强度和比刚度，复合材料能够以更小的尺寸和更轻的质量获得与传统金属材料同等的加固效果。目前，复合材料胶粘加固技术在航空航天，土木工程领域的研究已相对成熟，但应用在起重机械上的案例稀少，研究不足，复合材料加固技术在起重机械领域上还留有空缺。

发明内容

本发明的目的在于对起重机械的裂纹损伤钢管结构进行修复加固，并针对金属管环向变形和弯曲变形的两种变形方式，以及不同的厚径比、长径比等提供最合适的碳纤维布胶粘方法，将碳纤维布胶粘修复技术运用于起重机械金属圆管结构的效果最大化，促进碳纤维复合材料在起重机械再制造领域的应用。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种碳纤维布加固修复起重机械受损钢管结构的方法，包括如下步骤：

(1)判断出现裂纹待修复的钢管是长管还是短管；

(2)根据长短管的受损情况，判断是否能够采用碳纤维布加固方式进行修复；

(3)选择碳纤维布的粘贴方式和粘贴层数；

(4)对出现裂纹待修复的钢管表面进行喷砂处理，使得钢管表面形成均匀的凹坑；

(5)使用乙醇擦拭待修复的钢管表面，并晾干后，在钢管表面涂抹一层浸渍胶；同时，在碳纤维布的表面涂抹一层浸渍胶；

(6)将碳纤维布沿环向缠绕在钢管上，待包裹完毕后沿纤维方向按压碳纤维布，使之完整贴合在钢管上；

(7)等到浸渍胶凝固后将贴合有碳纤维布的钢管放入加压袋中加压固定，室温中放置24h固化。

具体地，步骤(1)中，待修复的钢管受压变形方式是环向变形，即钢管轴线不发生弯折或弯曲等偏离，而管壁发生变形，在钢管端部发生象腿式屈曲变形时，则为短管；若受压变形方式为轴向变形，即钢管轴线发生弯折或弯曲等偏离时，则为长管。

具体地，步骤(2)中，若待修复的钢管为短管，则要求其裂纹长度不超过管长的50％或者钢管厚径比不超过0.05；若待修复的钢管为长管，则要求其厚径比不超过0.05，长径比不低于6，以及裂纹长度不大于钢管30％。否者，不适合采用碳纤维布加固方式进行修复。

具体地，步骤(3)中，若待修复的钢管为短管，若钢管裂纹长度少于钢管长度的25％且钢管厚径比小于0.03时，需要粘贴两层碳纤维布，其余情况只需胶粘一层，胶粘时选择按碳纤维布主纤维方向进行全包裹式环向胶粘；

若待修复的钢管为长管，按照碳纤维布主纤维方向全包裹式环向胶粘一层碳纤维布，且钢管端部附近沿环向缠绕一圈碳纤维布。

具体地，步骤(4)中，采用喷砂方法将钢管表面粗糙度Ra处理至3μm，表面形成均匀的凹坑。

具体地，步骤(5)中，所述的浸渍胶选用碳纤维浸渍胶，其含有A、B双组分高强度环氧胶。

优选地，所述浸渍胶的受拉弹性模量不低于2.4GPa，抗拉强度不低于38MPa，伸长率不低于1.5％，抗弯强度不低于50Mpa，层间剪切强度不低于70MPa。

优选地，步骤(5)中，所述的碳纤维布的受拉弹性模量不低于230GPa，抗拉强度不低于3400MPa，伸长率不低于1.6％，抗弯强度不低于700Mpa，层间剪切强度不低于45MPa。

有益效果：

复合材料胶粘加固技术在航空航天，土木工程领域的研究已相对成熟，但应用在起重机械上的案例稀少，本发明针对碳纤维布修复起重机械钢管结构做了系统的研究，探索出什么程度裂纹损伤的钢管结构值得进行胶粘修复，面对不同程度的裂纹损伤，不同类型的钢管应该采取怎样的胶粘方式从而使得其加固修复的效果最大化，填补复合材料加固技术在起重机械领域上的空缺，促进碳纤维复合材料在起重机械再制造领域的应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明受损短管修复示意图。

图2是本发明受损长管修复示意图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。

本发明利用碳纤维复合材料加固修复起重机械受损钢管主要包括如下步骤：

a、碳纤维布可以选用赛克欧SKO-I-300单向碳纤维布，浸渍胶选用SKO碳纤维浸渍胶，是A、B双组分高强度环氧胶，两者参数如表1和表2所示。

表1碳纤维布材料属性

表2浸渍胶各组分材料属性

b、判断是短管还是长管，通过往年该类受损钢管的变形数据来分析，若变形方式主要是环向变形，即钢管轴线不发生弯折或弯曲等偏离而管壁发生变形，通常在实际情况中多表现为在钢管端部发生象腿式屈曲变形时，则判定它是短管；若变形方式主要为弯曲或弯折等轴向变形，即钢管轴线发生弯折或弯曲等偏离时，则判定它是长管。

c、通过长短管各自不同的受损情况判断是否适合用胶粘碳纤维布的方法来进行修复加固，若待修复钢管为短管，那么当裂纹长度超过管长的50％或者钢管厚径比超过0.05时，不适合进行胶粘修复。

若待修复钢管为长管，当判断钢管为长管时，当厚径比超过0.05，长径比低于6及裂纹长度大于钢管30％时碳纤维布脱粘载荷及脱粘位移过低，胶粘碳纤维布的提升效果有限，因此不建议胶粘碳纤维布。

d、若判断可以进行修复则对胶粘表面进行喷砂处理，采用喷砂方法将钢板表面粗糙度Ra处理至3μm左右时，表面形成了均匀的凹坑，减轻胶层因表面不均而产生的应力集中，提高了浸渍胶与钢管表面的结合强度。

e、胶粘碳纤维布，对于短管，如图二所示，①为碳纤维布，②为裂纹，③为钢管，若钢管裂纹长度少于钢管长度的25％且钢管厚径比小于0.03时，则如图1(B)所示，建议粘贴两层碳纤维布，可最大限度的提升极限载荷，否则不建议胶粘两层以上，脱粘风险会随之增大。其余情况，如图1(A)所示，胶粘一层，因为随着钢管厚径比增大，以及钢管裂纹增大，虽然整体看来极限载荷增大，但碳纤维布的脱粘风险也随之增大，且由于短管的变形方式主要是环向变形，所以此时胶粘时选择按碳纤维布主纤维方向进行全包裹式环向胶粘。

对于长管，如图2所示，由于长管主要是弯曲变形，所以主要是按照碳纤维布主纤维方向全包裹式环向胶粘，并且由于碳纤维布在胶粘时由于胶层在钢管端部会提前失效，钢管端部附近沿环向缠绕一圈碳纤维布以约束端部屈曲变形。

浸渍胶A组分与B组分按照2：1的比例混合，搅拌均匀，将混合好的浸渍胶均匀的涂抹在碳纤维布上，使之获得良好的浸润效果。使用乙醇擦拭钢管表面并晾干后，在钢管表面涂抹一层浸渍胶。将碳纤维布沿环向缠绕在钢管上，待包裹完毕后沿纤维方向按压碳纤维布，使之完整贴合在钢管上。等到浸渍胶稍微凝固后将试件放入加压袋加压固定，室温中放置24h固化完成。

本发明提供了一种碳纤维布加固修复起重机械受损钢管结构的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。