CN100588945C - 卤水流场侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卤水侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置，包括容器、球头圆柱形压头、夹具上颚、夹具下颚、循环泵，在不锈钢框架预留的两条缝隙中涂抹玻璃胶，在缝隙中插入有机玻璃板，对称的滤网夹槽焊接在容器上，在对称的滤网夹槽中插入滤网，容器底部的泄流孔用螺栓塞加橡皮垫密封，球阀与容器相连，通过透明塑料软管把容器上的球阀与循环泵连接。岩石试样劈裂夹具放在容器中，由夹具上颚和夹具下颚两部分组成，两部分呈弧形，夹具上颚与球头圆柱形压头相连。本发明结构简单，操作方便，模拟地下储气(油)库造腔过程中卤水及流场共同作用于溶腔的实际工况，使得室内试验测得的参数更加真实可靠。
Description
技术领域
本发明涉及岩石力学与工程试验技术领域，更具体涉及一种物理流场及化学腐蚀场耦合作用下的岩石力学试验加载装置。适用于考虑稳定流场侵蚀情况下的岩石抗拉强度的测试试验，尤其适用于卤水流场侵蚀过程中泥岩及盐岩抗拉强度的测试。
背景技术
在深部地下盐岩溶腔储气(油)库的水溶造腔过程中，腔体的不溶夹层主要是泥岩，腔体的围岩则主要由泥岩和盐岩共同组成。研究表明，水对这两种岩石力学性质的影响是十分明显的。
因此，在进行室内试验的过程中，如何有效地模拟出储气(油)库水溶造腔过程的实际工况，将直接影响到由试验得到的参数的可信度，从而影响到依据这些参数设计和施工的地下储气(油)库的稳定性。
储气(油)库造腔过程中泥岩夹层的垮塌以拉剪破坏最为常见，由试验测得可靠的泥岩抗拉强度就显得尤为重要。但是，目前测定岩石抗拉强度的巴西劈裂试验大多都是在空气中进行的，并未考虑在物理流场及化学腐蚀场的耦合作用下岩石的力学性质；同时，巴西劈裂的试样夹持装置，存在着不能自动调节的缺陷，经常会导致试验数据具有很大的离散性，并且安装试样的过程也较为繁琐。
发明内容
本发明的目的是在于提供了一种卤水流场侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置。该装置结构简单，操作方便，可以模拟地下储气(油)库造腔过程中卤水及其流场共同作用于溶腔的实际工况，从而使得室内试验测得的参数更加真实可靠。
为了实现上述任务目的，本发明采用以下技术方案：
装置由容器、球头圆柱形压头、夹具上颚、夹具下颚和循环泵构成。
各部分主要构件的加工方式如下：
卤水(主要成分为NaCl)，对于一般的金属具有较强的腐蚀性，因此，本装置所有的部件及焊接材料均采用耐卤水腐蚀材料。容器采用不锈钢板焊接而成，透明观察窗采用有机玻璃材料，滤网采用不锈钢材料，也可以采用具有足够强度的塑料滤网；巴西劈裂的试样夹持装置用不锈钢锻造后切削成型；阀门与螺栓均采用铜质金属。
容器的形状为上表面开口的长方体，由不锈钢框架和两块有机玻璃板组成。不锈钢框架底部的不锈钢板有足够的厚度(建议4mm左右)，以保证容器底部在试验加载过程中具有足够的抗压性。在不锈钢框架的焊接过程中，前后两侧预留两个足够宽的夹缝用于安放有机玻璃板。左右两端的滤网夹持槽也需要焊接，槽的宽度视滤网的厚度而定，应保证滤网插入后的稳定性，不宜太宽。加工过程还应该预留出安装球阀的孔，以及用于排放溶液的泄流孔。
用于劈裂岩石试件的夹具，是该装置的另外一个要点。巴西劈裂试验中，能否保证试样受到均匀分布的条形荷载对于试验的成功与否是十分重要的，为了使该夹具能够自动调节，采取了一些有效的措施。依据国际岩石力学与工程学会的推荐试验方法，试验过程中采用圆柱形试样，依据试样的特点，申请人设计了弧形夹具。弧形夹具可以有效地改善岩石试件受压区的应力状态，可以最大限度地避免受压面局部塑型区的出现及扩展。弧形夹具的弧所在的圆的直径为试样直径的1.5倍左右，弧面在加工完成后应具有较高的光滑度，以减小受压面水平向的摩擦阻力给试验带来的不利影响。夹具由上下两部分组成，分别称为夹具上颚与夹具下颚。夹具上颚和夹具下颚呈弧形状，加工过程中，夹具上颚的销孔穿透，下颚销孔不穿透，应保证上下颚完全接触后导向销刚好不会漏出上颚的上表面，这样做的好处是在没有圆柱形压头的情况下夹具可以直接放在试验机的加载平台上使用，使得夹具具有多用途的优点。导向销与销孔之间应留有一定的空隙，以保证试样放入夹具后，夹具的上部可以在小范围内自动调整。夹具上部的球头圆柱压头应单独加工，压头下部的定位销外径应与夹具上颚的预留销孔相配。这种球头的设计，可以有效地减小夹具的加工误差以及试验机加载压头的不平行给试验结果带来的不利影响。
循环泵的耐腐蚀性，也是该装置需要解决的一个重要问题。经过反复的对比研究，选择了MP型塑料磁力循环泵。磁力驱动循环泵运转是在连轴上和叶轮上分别装配有磁性材料而互相吸引耦合，主动磁铁固定在电动机上，从动磁铁固定在叶轮上，电动机转动时通过磁力带动叶片旋转。磁力驱动循环泵采用无轴封设计，无需配以传统机械轴承，因而是完全密封的，避免了液体泄漏引起的泵体的腐蚀。
各个构件的连接关系及其作用为：
容器由不锈钢框架和和有机玻璃板组成，不锈钢框架由不锈钢板焊接而成，不锈钢框架加工完成后，在不锈钢框架预留的两条缝隙中涂抹普通玻璃胶，然后在涂抹玻璃胶的缝隙中插入有机玻璃板，保证有机玻璃板与不锈钢板之间具有良好的密封性，防止卤水渗漏。四个对称的滤网夹槽焊接在容器的不锈钢侧壁上，对滤网起夹持固定作用。在对称的滤网夹槽中插入滤网(对称的滤网插在滤网夹槽中)，作用是使容器内的流场均匀化，同时可以防止岩石残渣进入循环泵。
容器底部的泄流孔用螺栓塞加橡皮垫密封。球阀与容器之间分别通过紧固螺栓相连，紧固螺栓与容器之间加橡皮垫密封，防止卤水渗漏。通过透明塑料软管把容器侧面上的球阀与循环泵连接在一起，循环泵为稳定流场的形成提供动力，球阀用于调节容器内流场的流速，透明塑料软管透明的作用是给循环泵加水时便于观察。容器内的卤水通过球阀和透明塑料软管被吸入循环泵，然后经过透明塑料软管和球阀进入容器，利用滤网的分流作用在容器中形成稳定的流场。
岩石试样劈裂夹具的作用是给岩石试样施加荷载，劈裂夹具它由夹具上颚、夹具下颚以及导向销组成。将夹具下颚放在容器的中部，在夹具下颚的两个销孔中插入导向销，将夹具上颚的导向销销孔是贯通的，将导向销分别插入导向销销孔与夹具下颚进行组合，导向销的作用是确保劈裂夹具上颚在垂直方向移动并且岩石试样被劈裂后夹具仍然会保持自身的稳定。将球头圆柱形压头的定位销插入夹具上颚的压头定位销销孔，使两者连接在一起。球头圆柱形压头将压力试验机的荷载传递到岩石试样劈裂夹具上，它还可以通过球头的自我调节消除压力试验机压板不平带来的试验误差。
本发明主要有以下几个优点：
1.结构简单，成本低廉。不需要复杂的机械加工，也未使用贵重零部件；
2.安装简便，适用范围广。本装置可以很方便地安装到绝大多数的压力试验机的加载系统中。岩石试验劈裂夹具的上下压块采用弧形设计，有利于试样安装后装置的自动调节；
3.良好的可观察性。试验人员可以透过两侧的有机玻璃板观察到容器内部的岩石试样，便于试件的安装，也便于观察试验过程中试件的破坏形态；
4.抗化学腐蚀。容器采用不锈钢制造，螺栓及阀门都采用铜质金属，循环泵采用的是耐腐蚀塑料磁力泵；
5.流场均匀稳定。容器两端插入的小孔径滤网，可以有效地使流场均匀化，避免了高速流体对试样的直接冲击，还能避免不溶岩石颗粒进入循环泵；
6.流场的流速可调节。可以根据实际工况的流速，调节容器两端的铜质球阀，或者更换不同孔径的滤网，从而获得与实际工况相似的流场速度；
7.具有同步工作的能力。试件在卤水流动浸泡的同时，可以同步加载和多方位观测；
8.多用途。关闭阀门可以进行静态卤水侵蚀条件下的试验，开启阀门则可进行动态卤水侵蚀条件下的试验。容器内部的岩石试验劈裂夹具既可以放在卤水中使用，又可以直接放在试验机的加载平台上使用。容器也可以用于其他需要稳定流场或侵蚀条件的试验；
9.具有自动调节能力。岩石试样劈裂夹具的设计使其具有自我调节能力；它顶部的球头，可以大大减小试样的加工误差给实验结果带来的影响，也可以有效减小试验机上下压板的制造误差给试验结果造成的不利影响。
附图说明
图1为一种卤水流场侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图中：1-容器，2A、2B-有机玻璃板，3A、3B-滤网，4-球头圆柱形压头，5-压头定位销销孔，6-夹具上颚，7-夹具下颚，8A、8B-导向销销孔，9A、9B-导向销，10A、10B-紧固螺栓，11A、11B-球阀，12-螺栓塞，13A、13B-透明塑料软管，14-循环泵(MP-15型塑料磁力循环泵)，15-滤网夹槽，16-岩石试样。
具体实施方式
下面结合附图进一步描述本发明的具体实施方式。
本发明由容器(1)、球头圆柱形压头(4)、夹具上颚(6)、夹具下颚(7)、循环泵(14)、岩石试样(16)构成。下面结合附图对本发明各个部件的连接方式及其作用阐述如下：
容器(1)由不锈钢框架和和有机玻璃板(2A、2B)组成，用于盛放卤水。不锈钢框架由不锈钢板焊接而成，容器(1)的不锈钢框架加工完成后，在不锈钢框架预留的两条缝隙中涂抹玻璃胶，然后在涂抹玻璃胶的缝隙中插入有机玻璃板(2A、2B)，保证有机玻璃板(2A、2B)与不锈钢板之间具有良好的密封性，防止卤水渗漏，有机玻璃板(2A、2B)是试验的观察窗口。四个对称的滤网夹槽(15)焊接在容器(1)的不锈钢内壁上，对滤网(3A、3B)起夹持固定作用。在对称的滤网夹槽(15)中插入滤网(3A、3B)，作用是使容器(1)内的流场均匀化，同时可以防止岩石残渣进入循环泵(14)。
容器(1)底部的泄流孔用螺栓塞(12)加橡皮垫密封，打开螺栓塞(12)可以将容器(1)中的卤水放出。球阀(11A、11B)与容器(1)之间分别通过紧固螺栓(10A、10B)相连，紧固螺栓(10A、10B)与容器(1)之间加橡皮垫密封，防止卤水渗漏。通过透明塑料软管(13A、13B)把容器(1)上的球阀与循环泵(14)连接在一起，循环泵(14)为稳定流场的形成提供动力，球阀(11A、11B)用于调节容器(1)内流场的流速，透明塑料软管(13A、13B)透明的作用是给循环泵(14)加水时便于观察。容器(1)内的卤水通过球阀(11B)和透明塑料软管(13B)被吸入循环泵(14)，然后经过透明塑料软管(13A)和球阀(11A)进入容器(1)，利用滤网(3A、3B)的分流作用在容器(1)中形成稳定的流场。
岩石试样劈裂夹具的作用是给岩石试样(16)施加荷载，劈裂夹具它由夹具上颚(6)、夹具下颚(7)以及导向销(9A、9B)组成。将夹具下颚(7)放在容器(1)的中部，在夹具下颚(7)的两个销孔中分别插入导向销(9A、9B)，将夹具上颚(6)的导向销销孔(8A、8B)是贯通的，将导向销(9A、9B)分别插入导向销销孔(8A、8B)与夹具下颚(7)进行组合，导向销(9A、9B)的作用是确保劈裂夹具上颚(6)在垂直方向移动并且岩石试样(16)被劈裂后夹具仍然会保持自身的稳定。将球头圆柱形压头(4)的定位销插入夹具上颚(6)的压头定位销销孔(5)，使两者连接在一起。球头圆柱形压头(4)将压力试验机的荷载传递到岩石试样劈裂夹具上，它可以减小试样的加工误差给实验结果带来的影响，它还可以通过球头的自我调节消除岩石试样劈裂夹具的加工误差以及压力试验机压板不平带来的试验误差。
一个典型的试验操作过程如下：
将循环泵(14)放在压力试验机旁的水平平台上，容器(1)连同其内部的岩石试样劈裂夹具放在压力试验机的加载平台上。调整容器(1)的位置，使带有有机玻璃板(2A、2B)的观察窗口面对试验员。
关闭球阀(11A、11B)，向容器(1)内倒入卤水，卤水的水平面以漫过岩石试样(16)为好，不宜过高，否则试验过程中卤水有可能溅出。打开球阀(11A、11B)，卤水通过透明塑料软管(13)灌入循环泵(14)，完成给循环泵(14)充水的操作。把浸泡好的岩石试样(16)放入夹具上颚(6)与夹具下颚(7)之间，使其在夹具上颚(6)与夹具下颚(7)的弧面内自动地调节稳定。对夹具下颚(7)稍作调整，保证导向销(9A、9B)与导向销销孔(8A、8B)之间可以自由滑动，必要时可以加入适量黄油润滑。
开启循环泵(14)，调整球阀(11A、11B)或者更换不同孔径的滤网(3A、3B)，确保容器(1)内的流场均匀，流速接近实际工况。调整球阀(11A、11B)以及更换滤网(3A、3B)时，应小心谨慎，防止卤水溅到试验机的加载平台上。检查确保设备运转正常、流场均匀之后，开启压力试验机，进行试验，压力试验机的压力通过球头圆柱形压头(4)及夹具上颚(6)与夹具下颚(7)施加到岩石试样(16)上。试验过程中，可以通过有机玻璃板(2A、2B)观察岩石试样(16)的实时破坏过程。
岩石试样(16)在夹具上颚(6)和夹具下颚(7)的挤压荷载下被劈裂，试验加载过程即为结束，停止压力试验机，停止循环泵(14)，取出岩石试样(16)，装入新试样开始下一个试验。
不需要模拟动态卤水流场时，则可以直接关闭循环泵(14)和球阀(11A、11B)，进行静态卤水侵蚀条件下的岩石力学试验。
当长时间不需要再进行类似的试验的情况下，可以打开泄流孔的螺栓塞(12)，将容器(1)中的卤水放出，并清理容器(1)内的岩石沉渣等。
Claims (2)
1.一种卤水侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置，它包括容器(1)、球头圆柱形压头(4)、夹具上颚(6)、夹具下颚(7)、循环泵(14)，其特征在于：容器(1)由不锈钢框架和有机玻璃板(2A、2B)组成，在不锈钢框架预留的两条缝隙中涂抹玻璃胶，在涂抹过玻璃胶的缝隙中插入有机玻璃板(2A、2B)，四个对称的滤网夹槽(15)焊接在容器(1)的不锈钢侧壁上，在对称的滤网夹槽(15)中插入滤网(3A、3B)，容器(1)底部的泄流孔用螺栓塞(12)加橡皮垫密封，球阀(11A、11B)与容器(1)之间分别通过紧固螺栓(10A、10B)相连，紧固螺栓(10A、10B)与容器(1)之间加橡皮垫密封，通过透明塑料软管(13A、13B)把容器(1)上的球阀(11A、11B)与循环泵(14)连接，夹具下颚(7)放在容器(1)中，在夹具下颚(7)的两个销孔中分别插入导向销(9A、9B)，将夹具上颚(6)的导向销销孔(8A、8B)贯通，将导向销(9A、9B)分别插入导向销销孔(8A、8B)与夹具下颚(7)进行组合，球头圆柱形压头(4)的定位销插入夹具上颚(6)的压头定位销销孔(5)，两者连接。
2.根据权利要求1所述的一种卤水侵蚀条件下的岩石力学试验加载装置，其特征在于：夹具上颚(6)和夹具下颚(7)呈弧形状。
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