CN105300807B - 一种高温真三轴岩石实验机 - Google Patents

Abstract

一种高温真三轴岩石实验机，属于岩石力学实验设备，解决现有实验机加热温度低，岩石试件小的技术问题。本发明包括：机架、轴向加载油缸、保温外壳、主机、隔热板、电源开关、压力‑温度‑位移控制和测量系统、压力源，所述轴向加载油缸安装在机架顶部横梁上，主机放置在机架平台上，并与轴向加载油缸连接，主机与机架平台之间设置隔热板。由于主机的压力室底部及岩石试件腔周围布置电加热管，压力室通过金属热传导和流体对流加热岩石试件，加热速度快；加载油缸通过冷却装置连接在压力室上，隔绝了热量，压力室温度达到400℃以上；保温壳体仅包裹压力室，加载油缸位于保温壳体外部，试件腔可根据标准试件设计，完成大岩石试件的高温力学实验。

Description

一种高温真三轴岩石实验机

技术领域

本发明属于岩石力学的实验设备，具体涉及一种高温岩石真三轴实验机。

背景技术

岩石力学实验是研究岩石各种力学特性的重要手段，是支撑岩石力学发展的基础。按照加载方式将岩石实验机分为真三轴实验机与假三轴实验机，真三轴实验机可给岩石试件施加三个方向互不相等的压应力，可以模拟岩石在地层中真实的受力状态。假三轴实验机仅能提供两个互不相等的压力，其中两个压力相等方向的压力称为围压压力，与围压压力不等，且与之垂直的压力称为轴向压力，假三轴实验机可以模拟特殊条件下岩石在地层中的受力状态。由于假三轴实验机结构简单，操作方便，在岩石力学实验中应用极为广泛。按照实验时的温度，岩石实验机又分为常温实验机和高温实验机。在地表岩层中，岩体的温度与环境温度相同，因此研究地表岩层岩石的力学特性，采用常温实验机。但随着地层深度的增加，岩层温度上升，因此研究地层深部岩石的力学特性时，必须采用高温实验机才能还原岩层的真实状态。

目前最为广泛使用的高温真三轴岩石实验机，是由美国GCTS公司生产的RPX-150型真三轴实验机。该实验机由两大部件组成，一是装载岩石试件的高压容器及其压力控制和测量系统，二是包裹高压容器的高温加热炉及其温度控制和监测系统。由于真三轴实验机三向独立加载，加之现有高温真三轴岩石实验机采用加热炉式结构(高压容器放入加热炉中)，为了实现给岩石试件施加较大的荷载，不使设备体积更加庞大，只好采用很小尺寸的岩石试件(一般为25mm的立方体或直径为25mm的圆柱体)。现有技术的岩石试件仅为岩石力学标准试件的一半，实验结果很难反应大岩石试件的高温力学特性。另外，由于现有高温真三轴岩石实验机三个方向采用耐高温的氟橡胶进行密封，实验温度一般不得高于200℃，因此，现有实验机不能完成更高温度条件下大岩石试件的力学实验。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术的缺点，提供一种高温真三轴岩石实验机，解决现有实验机加热温度低，岩石试件尺寸小，不能完成大岩石试件在更高温度(200℃以上)条件下，进行力学实验的技术问题。

本发明是通过下面的技术方案实现的：

一种高温真三轴岩石实验机，包括：机架、轴向加载油缸、保温外壳、主机、隔热板、电源开关、压力-温度-位移控制和测量系统、压力源，所述轴向加载油缸安装在所述机架的顶部横梁上，所述主机放置在所述机架的平台上，并与所述轴向加载油缸连接，所述主机与所述机架平台之间设置所述隔热板；所述主机包括：轴向加载杆、轴向冷却器、轴向加载定位套、压力室、水平加载油缸、水平冷却器、水平压杆，所述轴向加载杆的上部与所述轴向加载油缸的活塞杆连接，所述轴向加载杆的杆体与所述轴向加载定位套滑动配合，所述轴向加载定位套的上端与所述轴向加载杆的杆体接触处设置轴向加载杆密封组件，位于所述轴向加载杆密封组件的下方、所述轴向加载定位套的上部、在所述轴向加载定位套的外围，套装所述轴向冷却器，所述轴向加载定位套通过螺栓与所述压力室连接；所述压力室的中心部位设置岩石试件腔，所述岩石试件腔内放置由铜套包裹、叠放在一起的岩石试件及刚性垫块，所述轴向加载杆的下端插入所述铜套内，与所述岩石试件紧密接触；所述压力室的水平方向上对称加工两个与所述岩石试件腔相通并垂直的水平孔，两个所述水平压杆分别放置在两个水平孔内，两个所述水平压杆的一端分别伸入所述岩石试件腔内，两个所述水平压杆的另一端伸出水平孔外分别与两个所述水平加载油缸的活塞连接，两个伸出水平孔外的所述水平压杆与所述压力室侧端分别设置水平压杆密封组件；所述压力室与两个所述水平加载油缸之间分别安装所述水平冷却器；所述轴向加载油缸和所述水平加载油缸通过油管分别与所述压力源接，所述压力室的中部与所述岩石试件腔相通布置注油孔，所述注油孔通过油管与所述压力源连接，所述岩石试件腔上部布置排气孔，所述排气孔与截止阀连接，所述压力源与所述压力-温度-位移控制和测量系统导线连接；所述压力室底部及所述岩石试件腔周围布置若干个电加热管；所述压力室周围包裹所述保温外壳。

进一步，所述电加热管共20根分为四组，通过导线分别与所述电源开关连接，所述电源开关与所述压力-温度-位移控制和测量系统连接。

进一步，所述水平冷却器一端通过螺栓连接在所述压力室侧面，所述水平冷却器另一端通过螺栓连接在所述水平加载油缸的外壳上。

进一步，所述水平冷却器设有进水口和岀水口，所述水平冷却器与所述压力室之间构成水循环冷却空间。

进一步，所述轴向冷却器设有进水口和岀水口，所述轴向冷却器与所述轴向加载定位套之间构成水循环冷却空间。

进一步，所述岩石试件腔底部有一个与所述刚性垫块外形相同的定位槽。

进一步，两个伸入所述岩石试件腔内的所述水平压杆头部设有压头。

进一步，所述轴向加载杆设有温度传感器放置孔，温度传感器放置孔为盲孔，盲孔端接近岩石试件。

本发明与现有技术相比，由于压力室底部及岩石试件腔周围布置若干个电加热管，将压力室与加热装置设计为一体，热量通过金属的热传导和流体的对流加热岩石试件，加热速度快，加热均匀；由于加载油缸通过冷却装置间接连接在压力室上，隔绝了热量从压力室传导到油缸上，大大地提高了压力室的温度，根据加热管功率的不同，压力室的设计温度可以达到400℃以上；由于保温壳体仅包裹压力室，所有加载油缸位于保温壳体外部，因此试件腔可以根据标准试件尺寸(50mm×50mm×50mm或50mm×50mm×100mm)设计，可以完成大岩石试件的高温力学实验。

附图说明

图1是高温真三轴岩石实验机的整体结构示意图；

图2是高温真三轴岩石实验机的主机结构示意图(主视图)；

图3是图2的侧视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护范围。

如图1、2、3所示，一种高温真三轴岩石实验机，包括：机架1、轴向加载油缸2、保温外壳3、主机4、隔热板5、电源开关6、压力-温度-位移控制和测量系统7、压力源8，所述轴向加载油缸2安装在所述机架1的顶部横梁上，所述主机4放置在所述机架1的平台上，并与所述轴向加载油缸2连接，所述主机4与所述机架1平台之间设置所述隔热板5。

所述主机4包括：轴向加载杆41、轴向冷却器42、轴向加载定位套43、压力室44、水平加载油缸45、水平冷却器46、水平压杆47。

所述轴向加载杆41的上部与所述轴向加载油缸2的活塞杆连接，所述轴向加载杆41的杆体与所述轴向加载定位套43滑动配合，所述轴向加载定位套43的上端与所述轴向加载杆41的杆体接触处设置轴向加载杆密封组件48。由于轴向加载杆与定位套之间的间隙，依靠轴向加载杆密封组件进行密封，密封组件既能保证加载杆滑动，又能防止高压流体从加载杆与定位套之间的间隙泄漏。

位于所述轴向加载杆密封组件48的下方、所述轴向加载定位套43的上部、在所述轴向加载定位套43的外围，套装所述轴向冷却器42；所述轴向冷却器42设有进水口421和岀水口422，所述轴向冷却器42与所述轴向加载定位套43之间构成水循环冷却空间。轴向冷却器42可防止压力室内的热量沿加载杆传导到轴向加载油缸和轴向加载杆密封组件上，损坏密封组件。

所述轴向加载定位套43通过螺栓与所述压力室44连接。

所述压力室44的中心部位设置岩石试件腔441，所述岩石试件腔441内放置由铜套10包裹、叠放在一起的岩石试件11及刚性垫块12，所述轴向加载杆41的下端插入所述铜套10内，与所述岩石试件11紧密接触；所述岩石试件腔441底部有一个与所述刚性垫块12外形相同的定位槽。由于岩石试件装在特制的铜套内，铜套下端由刚性垫块密封，铜套上端套在轴向加载杆上；试件腔底部有定位槽，在轴向压紧的条件下，定位槽既能保证试件中心定位，又能与刚性垫块挤紧铜套，防止铜套外侧的流体渗入。

所述压力室44的水平方向上对称加工两个与所述岩石试件腔441相通并垂直的水平孔，两个所述水平压杆47分别放置在两个水平孔内，两个所述水平压杆47的一端分别伸入所述岩石试件腔441内，两个所述水平压杆47的另一端伸出水平孔外分别与两个所述水平加载油缸45的活塞连接，保证水平压杆与油缸活塞运动一致；两个伸出水平孔外的所述水平压杆47与所述压力室44侧端分别设置水平压杆密封组件49。由于水平压杆安装在压力室两侧的孔内，可以在孔内滑动，水平压杆与孔之间的间隙依靠水平加载杆密封组件进行密封，密封组件既能保证加载杆滑动，又能防止高压流体从加载杆与孔壁之间的间隙泄漏。

两个伸入所述岩石试件腔441内的所述水平压杆47头部设有压头471。

所述压力室44与两个所述水平加载油缸45之间分别安装所述水平冷却器46；所述水平冷却器46一端通过螺栓连接在所述压力室44侧面，所述水平冷却器46另一端通过螺栓连接在所述水平加载油缸45的外壳上；所述水平冷却器46设有进水口461和岀水口462，所述水平冷却器46与所述压力室44之间构成水循环冷却空间。循环水从进水口461注入，从岀水口462排出，对水平压杆47及水平压杆密封组件49进行冷却，可防止压力室内的热量沿加载杆传导到水平加载油缸和水平加载杆密封组件上，损坏密封组件。

所述轴向加载油缸2和所述水平加载油缸45通过油管分别与所述压力源8连接，所述压力源8与所述压力-温度-位移控制和测量系统7导线连接。轴向加载油缸2提供轴向压力，水平加载油缸45提供水平方向压力，压力的大小由压力-温度-位移控制和测量系统7控制压力源(8)的输出实现。

所述压力室44的中部与所述岩石试件腔441相通布置注油孔442，所述注油孔442通过油管与所述压力源8连接，所述岩石试件腔441上部布置排气孔443，所述排气孔443与截止阀9连接。

所述压力室44底部及所述岩石试件腔441周围布置若干个电加热管40；所述电加热管40共20根，分为四组，通过导线分别与所述电源开关6连接，所述电源开关6与所述压力-温度-位移控制和测量系统7连接。压力室采用电加热管进行加热，温度由压力-温度-位移控制和测量系统7控制电源开关6的功率输出实现。

所述压力室44周围包裹所述保温外壳3。

所述轴向加载杆41中加工有放置温度传感器的盲孔411，盲孔底端接近岩石试件11，可以准确测量试件腔内的温度。

所述轴向加载油缸2和所述水平加载油缸45带有位移传感器，通过测量油缸活塞的运动量，计算岩石试件的变形量，实现岩石试件变形的测量。

为了进行岩石的渗流实验，可在轴向加载杆和刚性垫块上加工小直径的通孔，刚性垫块的孔与压力室底部的渗流孔位置一致并通过压力室底部的渗流孔与压力室外部连接。实验时，可从轴向加载杆的通孔注入流体，通过试件渗流，由压力室的渗流孔排出。

本发明的使用方法：

首先将岩石试件11及刚性垫块12叠放，外面包裹铜套10，将轴向加载杆41头部插入铜套，要求铜套与刚性垫块、岩石试件、轴向加载杆紧密接触，将轴向加载定位套43以及装好的岩石试件由上自下装入压力室44，拧紧轴向加载定位套与压力室的连接螺栓，使压力室成为密封空间。轴向加载杆41施加一定预紧力，将铜套10与岩石试件腔441内的定位槽压紧。然后从注油孔442注入导热油，同时，从排气孔443排出试件腔内的空气，直至导热油流出，关闭连接排气孔的截止阀9。增加导热油的压力，在岩石试件周围形成压力。给水平加载油缸45加压，油缸活塞推动水平压杆47及压头471，给岩石试件11的一对侧面施加附加压力，与导热油压力叠加，形成大于导热油压力的压应力。这时，岩石试件11两个水平方向的压力不同；增加轴向加载油缸2的压力，油缸活塞推动轴向加载杆41，给岩石试件11施加轴向应力。压力源8根据压力-温度-位移控制和测量系统7设定值，对三个方向的加载油缸提供不同的压力，实现岩石的三轴加载。根据温度控制要求，由压力-温度-位移控制和测量系统7控制电源开关6，实现加热和保温功能。加热过程中，向轴向冷却器42及水平冷却器46注入循环水，对高温真三轴岩石实验机进行冷却，保护加载油缸和密封组件。

本发明由于采用压力室本体的传导加热，加热速度快；由于采用导热油对流加热岩石试件，加热均匀；由于保温壳仅包裹压力室，热散失少；由于加载油缸与高温的压力室由冷却器隔离，油缸可长时间工作。因此，本发明能够满足需要长时间才能完成的高温岩石流变实验。由于试件腔内能达到的温度仅决定于加热管的功率，与密封材料的性能没有关系，因此，本发明能够达到的试验温度，远远高于现有技术的200℃的限制。

本发明能够以多种形式实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的变化和改型都应为权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述高温真三轴岩石实验机包括：机架(1)、轴向加载油缸(2)、保温外壳(3)、主机(4)、隔热板(5)、电源开关(6)、压力-温度-位移控制和测量系统(7)、压力源(8)，所述轴向加载油缸(2)安装在所述机架(1)的顶部横梁上，所述主机(4)放置在所述机架(1)的平台上，并与所述轴向加载油缸(2)连接，所述主机(4)与所述机架(1)平台之间设置所述隔热板(5)；所述主机(4)包括：轴向加载杆(41)、轴向冷却器(42)、轴向加载定位套(43)、压力室(44)、水平加载油缸(45)、水平冷却器(46)、水平压杆(47)，所述轴向加载杆(41)的上部与所述轴向加载油缸(2)的活塞杆连接，所述轴向加载杆(41)的杆体与所述轴向加载定位套(43)滑动配合，所述轴向加载定位套(43)的上端与所述轴向加载杆(41)的杆体接触处设置轴向加载杆密封组件(48)，位于所述轴向加载杆密封组件(48)的下方、所述轴向加载定位套(43)的上部、在所述轴向加载定位套(43)的外围，套装所述轴向冷却器(42)，所述轴向加载定位套(43)通过螺栓与所述压力室(44)连接；所述压力室(44)的中心部位设置岩石试件腔(441)，所述岩石试件腔(441)内放置由铜套(10)包裹、叠放在一起的岩石试件(11)及刚性垫块(12)，所述轴向加载杆(41)的下端插入所述铜套(10)内，与所述岩石试件(11)紧密接触；所述压力室(44)的水平方向上对称加工两个与所述岩石试件腔(441)相通并垂直的水平孔，两个所述水平压杆(47)分别放置在两个水平孔内，两个所述水平压杆(47)的一端分别伸入所述岩石试件腔(441)内，两个所述水平压杆(47)的另一端伸出水平孔外分别与两个所述水平加载油缸(45)的活塞连接，两个伸出水平孔外的所述水平压杆(47)与所述压力室(44)侧端分别设置水平压杆密封组件(49)；所述压力室(44)与两个所述水平加载油缸(45)之间分别安装所述水平冷却器(46)；所述轴向加载油缸(2)和所述水平加载油缸(45)通过油管分别与所述压力源(8)连接，所述压力室(44)的中部与所述岩石试件腔(441)相通布置注油孔(442)，所述注油孔(442)通过油管与所述压力源(8)连接，所述岩石试件腔(441)上部布置排气孔(443)，所述排气孔(443)与截止阀(9)连接，所述压力源(8)与所述压力-温度-位移控制和测量系统(7)导线连接；所述压力室(44)底部及所述岩石试件腔(441)周围布置若干个电加热管(40)；所述压力室(44)周围包裹所述保温外壳(3)。

2.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述电加热管(40)共20根分为四组，通过导线分别与所述电源开关(6)连接，所述电源开关(6)与所述压力-温度-位移控制和测量系统(7)连接。

3.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述水平冷却器(46)一端通过螺栓连接在所述压力室(44)侧面，所述水平冷却器(46)另一端通过螺栓连接在所述水平加载油缸(45)的外壳上。

4.按照权利要求1或3所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述水平冷却器(46)设有进水口(461)和岀水口(462)，所述水平冷却器(46)与所述压力室(44)之间构成水循环冷却空间。

5.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述轴向冷却器(42)设有进水口(421)和岀水口(422)，所述轴向冷却器(42)与所述轴向加载定位套(43)之间构成水循环冷却空间。

6.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述岩石试件腔(441)底部有一个与所述刚性垫块(12)外形相同的定位槽。

7.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：两个伸入所述岩石试件腔(441)内的所述水平压杆(47)头部设有压头(471)。

8.按照权利要求1所述高温真三轴岩石实验机，其特征在于：所述轴向加载杆(41)设有温度传感器放置孔(411)，温度传感器放置孔(411)为盲孔，盲孔端接近岩石试件(11)。