CFRP扣压式止屈器界面粘结行为对止屈性能的影响分析：基于非线性有限元模型的参数优化与性能预测

为解决深海管道屈曲传播引发的安全隐患问题，研究人员通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了碳纤维增强复合材料(CFRP)止屈器的界面粘结行为对其止屈性能的影响机制。研究建立了考虑三维粘结滑移的非线性有限元模型，揭示了CFRP止屈器在扁平化失效模式下的应力传递规律，提出了包含12个关键参数的交叉压力(PX)预测公式，其预测误差小于8%。该研究为深海管道安全设计提供了重要的理论依据和技术支撑。

　　

深海油气管道在巨大水压作用下，一旦发生局部屈曲，可能引发灾难性的"屈曲传播"现象——这种自持性破坏会以每秒数百米的速度蔓延数公里，导致整条管道失效。更严峻的是，维持屈曲传播所需的水压(P_P)远低于完好管道的抗压强度(P_CO)，这使得传统设计不得不采用保守方案，造成巨大经济浪费。虽然金属止屈器能有效阻止屈曲传播，但其笨重易腐蚀的特性严重制约了应用。

针对这一工程难题，杭州城市大学土木工程学院的研究团队创新性地提出采用碳纤维增强复合材料(CFRP)止屈器。这种轻质高强、耐腐蚀的新型结构由多层粘结剂和CFRP布缠绕而成，能显著提升管道局部环向刚度。在《Marine Structures》发表的最新研究中，Wang Xipeng等学者通过系统的实验测试和数值模拟，深入探究了界面粘结行为对CFRP止屈器性能的影响规律。

研究采用三大关键技术方法：(1)通过液压舱试验获取22组小尺度不锈钢管试件的失效压力和破坏模式；(2)设计三类界面粘结试验测定径向、轴向和环向的粘结强度与滑移量；(3)建立考虑粘结滑移的全耦合非线性有限元模型，采用表面内聚力模型模拟界面失效，并利用体积控制加载法再现屈曲传播全过程。

界面粘结性能表征

通过双搭接剪切试验等测试发现，Araldite 420-A/B粘结剂的环向粘结强度(18.66 MPa)是轴向(11.37 MPa)的1.6倍，而径向粘结性能最弱(3.82 MPa)。表面喷砂处理可显著提升界面粗糙度，使粘结滑移量增加40%。

失效模式分析

数值模拟成功再现了扁平化和U型两种失效模式。在扁平化模式中，CFRP约束不足导致管道呈现双轴对称塌陷，对应P_X/P_P比值为1.2-2.5；而U型模式则表现为单侧屈曲穿透，需要消耗更多能量(体积变化δV/V₀达0.36)。

参数敏感性研究

通过115组参数化分析发现：管径厚度比(D/t)和CFRP层数(N)影响最为显著，P_X/P_P分别与(D/t)^0.95和N^1.15成正比；粘结剂厚度比(t_a/t_c)每增加1倍，止屈效率提升35%；而环向粘结强度(τ_c)的影响(指数0.20)远大于轴向粘结强度(τ_a)(指数0.04)。

工程预测公式

建立的半经验公式能准确预测扁平化模式的止屈性能，其多重相关系数(R²)达0.9825。验证试验显示，预测值与实测值的误差控制在14%以内。研究同时发现CFRP止屈器存在效率上限，当D/t>40时，即使增加CFRP厚度也无法使止屈效率(η)达到100%。

这项研究首次系统量化了界面粘结参数对CFRP止屈器性能的影响，为深海管道安全设计提供了重要工具。提出的设计方法已成功应用于东海某深水油气田开发项目，相比传统金属止屈器减重达60%。未来研究可结合机器学习方法，进一步优化U型失效模式的预测精度。