CN101710048A - 一种三轴压力下岩样加热装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种三轴压力下岩样加热装置及方法，装置由三轴压力室炉体，轴压头、围压头、上下压头，传压、发热、绝缘隔热材料，热电偶、推移小车底座、三轴压力机、温控柜构成；推移小车底座上设置三轴压力室炉体，轴压头、围压头、上下压头和岩样体与三轴压力室炉体内壁所围成的空间内装有固体颗粒传压、热电偶以及发热、绝缘隔热材料，三轴压力室炉体外周布有水冷却铜管；利用三轴压力机对轴压头和围压套加压，调节温控柜输出电流大小，实现改变电热合金片发热量的大小，热量穿过云母纸传递到岩样中，热电偶实时测量电热合金片周围温度，通过温控柜显示并记录，对比显示温度与实验拟定温度，调节电流大小，实现岩样温度可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩样加热装置及方法，尤其是一种适用于岩石三轴试验的岩样加热装置及方法，属于岩石力学工程领域。
背景技术
随着人类社会的发展和科学技术的飞速进步，诸如煤炭地下气化、高温岩体地热开发、深部油气开采、废料处置等与温度有关的工程问题越来越多，迫切需要了解深部岩体在温度、应力和流体共同作用下的耦合特性，而这些问题的解决离不开实验技术的发展和进步，离不开试验机技术的发展。例如：石油钻井的深度已达到8000m，高温岩体地热资源开采深度在5000m以上，金属矿山开采深度达到3000m，煤炭地下气化与井下火灾温度在1000℃以上。国内外现有的高温高压试验机，尽管试验的温度和压力都很高，但所测试件多为φ20×40mm，非常小，且功能单一，仅可以进行变形特性和弹性波等地球物理方面的研究，根本无法提供与人类工程活动相关的岩体性态。
美国MTSMTS8504600KW试验机，能实验尺寸为Φ50x100mm的试样，采用液压油加载围压，油温控制在-20℃≤T≤200℃范围之内，一般在200吨至300吨之间，但仍存在加载温度低，压力小的缺点。中国科学院工程地质力学重点实验室岩石力学试验室TAW-2000电液伺服试验机具有轴压、围岩、孔隙水压和温度独立闭环控制系统，主机采用美国MTS三轴主机结构，刚度大于10GN/m，轴压2000kN，围压100MPa，孔隙水压60MPa，温度-50～200℃，试件直径25mm～100mm，最小采样时间间隔为1ms。可进行单轴、三轴应力应变全过程试验，恒速、变速、循环加卸载及多种波形控制试验，孔隙水和高低温特性试验等。
目前，国内外岩石力学实验室研究主要以Φ50x100mm的小岩石试样为主，压力试验机刚度小，实际操作中存在破断后回弹的现象，同时在三轴试验中，采用液体施加围压，不具备高温、高压耦合的条件。岩石力学工程要求对岩体力学有更深入的研究和认识，从宏观上解决实际工程中遇到的问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对已有技术中存在有问题，提供一种结构简单，方法简便，易操作，可对大直径岩样进行三轴力学性能试验装置及方法。
技术方案：
本发明的岩样加热装置，包括推移小车底座，推移小车底座上设置由内外两层厚壁圆筒预应力缩套为一体的三轴压力室体炉体，推移小车底座的中部开有与内厚壁圆筒相同直径的通孔，通孔内设有围压套，围压套内设有轴压头，轴压头上设有支撑在岩样体下端的下压头，岩样体上端设有上压头；内厚壁圆筒的内壁上附着有隔热层；上压头和轴压头的外圆周上附着有上下连通的电热合金片，岩样体的外圆周上附着有绝缘隔热层；轴压头和下压头与内厚壁圆筒所围成的空间内装有下叶腊石粉，岩样体与内厚壁圆筒所围成的空间内装有工业盐，并装有多个热电偶；上压头与内厚壁圆筒所围成的空间内装有上叶腊石粉；内厚壁圆筒上部设有带有铜电极的盖板，盖板上设有将热电偶引线导出的锥塞，外厚壁圆筒的外圆周上布有水冷却铜管。
所述的绝缘隔热层由设在电热合金片内外的内云母纸层和外云母纸层构成；所述的隔热层为云母纸；所述上压头和下压头外圆周上的电热合金片外部设有将其箍紧的铜套；所述内厚壁圆筒、外厚壁圆筒采用H13钢铸造；所述的热电偶铠装有瓷管。
本发明的岩样加热方法：
a、将加工好的岩样安装到上下压头之间，在其外部包裹好绝缘隔热层，然后按轴压头、下压头、岩样体、上压头与厚壁圆筒内壁所围成的空间分段顺序充填下叶腊石粉、工业盐和上叶腊石粉，并在工业盐段安装多个热电偶，盖上盖板，完成岩样的安装；
b、将装好岩样的加热装置推移至加压装置中，并将盖板上的铜电极和热电偶引线与温控柜相连；
c、启动加压装置对轴压头和围压套缓慢施加压力，达到约2.5MPa时，启动温控柜输出电流，缓慢升高输出电流，使电热合金片开始发热，发热量逐渐增大直至热量穿过云母纸传递到岩样体中；
d、通过温控柜显示和记录热电偶实时测量得到的电热合金片周围的温度值，对比实测温度与试验设定温度之间的差异，调节温控柜输出电流，以改变电热合金片发热量的大小，实现岩样体加热温度的控制；
e、当实测温度达到约300℃时，开启和冷却水增压泵，使冷却水流经炉体外壁的铜管，实现强制热对流，降低炉体温度，以保证炉体内在高温时仍能保持良好的工作状态。
所述的缓慢施加的压力约为0.005mm/s；所述缓慢升高输出的电流约为10A/10min。
有益效果：本发明解决了长期以来小岩样、低温的、液体施加围压的实验条件；装置采用Φ200x400mm的大岩石试样，是普通岩石试样的64倍，同时允许岩石试样有大的裂隙，可以模拟构造面对岩体强度的影响；采用固体颗粒工业盐来施加围压，允许高温、高压耦合场，最高温度可以达到600℃，试件最大轴向压力318MPa，最大侧向固体传压压力250MPa，最大孔隙压压力250MPa；高温三轴压力室具有高精度的温度稳定控制功能，温度控制灵敏度不大于±0.3％；
可以研究高温高压下，或常温下，岩体变形特性、强度特性、固流热耦合特性、流变特性、渗透特性、热传导特性；研究热与应力复合作用下，固体矿物(煤、油母页岩等)相变、熔融、传热传质，液化、气化，化学反应等特性与规律；研究高温高压下，岩体变形与钻机具的相互作用，水力压裂规律等。
设备主要用于探索深部采矿、煤炭地下直接液化与气化、地热开采、煤层气开采、深部油气开采、废料处置、矿山安全、建筑安全等极为广泛的工程领域的深刻的科学规律与自然现象，为能源与资源开发提供原创性的思路与研究方向。
附图说明
图1是本发明的岩样加热装置结构示意图。
图2是本发明图1中局部I放大图。
图3是本发明图1中局部II放大图。
图中：1-热电偶引线，2-锥塞，3-盖板，4-上压头，5-上叶腊石粉，6-工业盐，7-岩石试样，8-冷却铜管，9-推移小车底座，10-下叶腊石粉，11-下压头，12-轴压头，13-围压套，14-内厚壁圆筒，15-外厚壁圆筒，16-铜套，17-内云母纸层，18-电热合金片，19-外云母纸层，20-热电偶，21-瓷管，22-云母纸。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：
本发明的岩样加热装置，主要由推移小车底座9、设在推移小车底座9上的三轴压力室炉体、三轴压力室炉体内设置的固定岩样体7的上下压头和围压材料构成，三轴压力室炉体由内厚壁圆筒14和外厚壁圆筒15采用H13钢铸造而成，为两直径不同的厚壁圆筒，内厚壁圆筒14的内径
外径
外厚壁圆筒15的内径为
外径
高度皆约为1000mm，内层厚壁圆筒精加工后内壁进行渗氮处理，之后两圆筒预应力缩套装配；推移小车底座9的中部开有与内厚壁圆筒14相同直径的通孔，通孔内设有围压套13，围压套13内设有轴压头12，轴压头12上设有支撑在岩样体7下端的下压头11，岩样体7上端设有上压头4；内厚壁圆筒14的内壁上附着有云母纸隔热层22；上压头4和下压头12的外圆周上附着有上下连通的电热合金片18，电热合金片18外部设有将其箍紧的铜套16。岩样体7的外圆周上附着有绝缘隔热层，绝缘隔热层由设在电热合金片18内外的内云母纸层17和外云母纸层19构成。轴压头12和下压头11与内厚壁圆筒14所围成的空间内装有下叶腊石粉10，岩样体7与内厚壁圆筒14所围成的空间内装有工业盐6并装有多个热电偶20，每个热电偶20除触头外均铠装有瓷管21，以保证绝缘效果。上压头4与内厚壁圆筒14所围成的空间内装有上叶腊石粉5；内厚壁圆筒14上部设有用H13钢制成的盖板3，盖板3设有铜电极，并设有将热电偶引线1导出的锥塞2，为了防止实验过程中铸钢温度过高，超过设计温度300℃，在紧贴外厚壁圆筒15的外圆柱体周向缠绕冷却用的铜管8。铜管8的直径为
进水出水间隔安装，冷却水经增压泵后进入铜管8，所产生的高温水由回水口进入冷却水水箱。
本发明的岩样加热方法：将加工好的岩样7安装到上下压头4、11之间，在其外部包裹好绝缘隔热层；按轴压头12、下压头11、岩样体7、上压头4与充填厚壁圆筒14所围成的空间分段顺序充填下叶腊石粉10、工业盐6和上叶腊石粉5，并在工业盐6段安装多个热电偶20；各个部件端面之间对齐，岩样体7与上下压头之间涂抹岩石凝胶，盖上盖板3，完成岩样的安装，将安装好岩样的加热装置推移至加压装置中，并将盖板3上的铜电极和热电偶引线1与温控柜相连；启动加压装置对轴压头12和围压套13缓慢施加压力，缓慢施加的压力约为0.005mm/s。达到约2.5MPa时，启动温控柜输出电流，控制电流大小，缓慢升高输出电流，缓慢升高输出的电流约为10A/10min，使电热合金片18开始发热，发热量逐渐增大直至热量穿过云母纸传递到岩样体7中；通过温控柜显示和记录热电偶20实时测量电热合金片18周围的温度值，对比实测温度与试验设定温度之间的差异，调节温控柜输出电流，以改变电热合金片18发热量的大小，实现岩样体7加热温度的控制；当温度表显示快达到实验温度时，停止加热，待温度稳定后缓慢周节，若温度超过实验温度，则降低3～5安培，反之，升高3～5安培，遵守少量多次的原则，直到岩样体7温度达到实验拟定最高温度600℃；当温控柜显示温度超过300℃之后，打开冷却水开关，冷却水流经炉体外壁的铜管8，实现强制热对流，降低炉体温度，以保证炉体内在600℃高温时仍能保持良好的工作状态。
Claims (10)
1.一种三轴压力下岩样加热装置，其特征在于：它包括推移小车底座(9)，推移小车底座(9)上设有由内外两层厚壁圆筒(14、15)预应力缩套为一体的三轴压力室炉体，推移小车底座(9)的中部开有与内厚壁圆筒(14)相同直径的通孔，通孔内设有围压套(13)，围压套(13)内设有轴压头(12)，轴压头(12)上设有支撑在岩样体(7)下端的下压头(11)，岩样体(7)上端设有上压头(4)；内厚壁圆筒(14)的内壁上附着有隔热层(22)；上压头(4)和轴压头(12)的外圆周上附着有上下连通的电热合金片(18)，岩样体(7)的外圆周上附着有绝缘隔热层；轴压头(12)和下压头(11)与内厚壁圆筒(14)所围成的空间内装有下叶腊石粉(10)，岩样体(7)与内厚壁圆筒(14)所围成的空间内装有工业盐(6)，并装有多个热电偶(20)；上压头(4)与内厚壁圆筒(14)所围成的空间内装有上叶腊石粉(5)；内厚壁圆筒(14)上部设有带铜电极的盖板(3)，盖板(3)上设有将热电偶引线(1)导出的锥塞(2)，外厚壁圆筒(15)的外圆周上布有水冷却铜管(8)。
2.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述的绝缘隔热层由设在电热合金片(18)内外的内云母纸层(17)和外云母纸层(19)构成。
3.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述的隔热层(22)为云母纸。
4.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述的发热层(22)为电热合金片。
5.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述上压头(4)和下压头(11)外圆周上的电热合金片(18)外部设有将其箍紧的铜套(16)。
6.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述内厚壁圆筒(14)、外厚壁圆筒(15)采用H13钢铸造。
7.根据权利要求1所述的岩样加热装置，其特征在于：所述的热电偶(20)铠装有瓷管(21)。
8.一种如权利要求1所述装置的岩样加热方法，其特征在于：
a、将加工好的岩样(7)安装到上下压头(4、11)之间，在其外部包裹好绝缘隔热层，然后按轴压头(12)、下压头(11)、岩样体(7)、上压头(4)与厚壁圆筒(14)内壁所围成的空间分段顺序充填下叶腊石粉(10)、工业盐(6)和上叶腊石粉(5)，并在工业盐(6)段安装多个热电偶(20)，盖上盖板(3)，完成岩样的安装；
b、将装好岩样的加热装置推移至三轴压力机中，并将盖板(3)上的铜电极和热电偶引线(1)与温控柜相连；
c、启动三轴压力机对轴压头(12)和围压套(13)缓慢施加压力，达到约2.5MPa时，启动温控柜输出电流，缓慢升高输出电流，使电热合金片(18)开始发热，发热量逐渐增大直至热量穿过云母纸传递到岩样体(7)中；
d、通过温控柜显示和记录热电偶(20)实时测量得到岩石试样(7)周围的温度值，对比实测温度与试验设定温度之间的差异，调节温控柜输出电流，以改变电热合金片(18)发热量的大小，实现岩样体(7)加热温度的控制；
e、当实测温度达到300℃时，开启和冷却水增压泵，使冷却水流经炉体外壁的铜管(8)，实现强制热对流，降低炉体温度，以保证炉体内在高温时仍能保持良好的工作状态。
9.根据权利要求8所述的岩样加热方法，其特征在于：所述的缓慢施加的压力约为0.005mm/s。
10.根据权利要求8所述的岩样加热方法，其特征在于：所述缓慢升高输出的电流约为10A/10min。
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