CN105403468A - 一种蠕变试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蠕变试验机，包括油缸装置和测试装置，油缸装置包括缸体、活塞、活塞杆和第一单向阀；测试装置包括支撑壳、第一接头、第二接头、第二单向阀、第三单向阀、夹持装置和第一超声波探测器，夹持装置包括上下对称设置的两限位机构，两限位机构的所有调节杆共同配合夹住待测样品，以使待测样品浸在所述支撑壳内的石油中；第一超声波探测器和所述第二超声波探测器安装在支撑壳上，分别用于测量夹持装置支撑的待测样品在竖直方向的形变和水平方向的形变。本发明能向测试装置的内部充入石油并保压，使待测样品发生形变，再通过两个超声波探测器测量待测样品的竖直和水平形变，从而得到待测样品的形变，其操作简单，使用方便。

Description

一种蠕变试验机

技术领域

本发明属于蠕变试验机领域。

背景技术

在机械工程领域，蠕变是固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。固体材料在长期承受低于材料的屈服应力的情况下，可能会发生蠕变，这种现象能在任何温度下发生，但是在固体材料长时间受高温及温度接近其熔点时更加严重。

通过对材料施加压力，初始应变出现，可以得到应力应变模量。材料会开始随着时间的推移而变形，甚至因为屈服而失效。在初级阶段蠕变率降低的非常快，之后会达到稳态蠕变阶段，蠕变率快速增加并发生断裂。在第二阶段，应力基本维持恒定。上述发生于随时间负载的现象被称为蠕变。第三阶段被称为三重蠕变阶段，蠕变增加更加迅速，并持续到材料完全断裂。

蠕变测试机是一种用于测试岩石长期机械性能的机器，使用过程中通常都会出现多阶段的应力。在不同阶段的应力都需要严格保持恒定，以确保测试的可信度，测试一般都会持续数月之久。

在测试时，圆柱状岩石待测样品常常会因为限制不足(缺乏横向支撑)而失效，因此，轴向应力的最大值被认为是待测样品的完全强度。测试过程中轴向和径向应变都可以被控制，以测量待测样品的弹性常数(包括泊松系数和杨氏模量)。

通常情况下单轴蠕变测试会被分为两种类型，即拉伸试验和挤压试验。这两者的相似点在于都是沿轴向施力，不同点在于拉伸机是作用拉力，而挤压机是造成压缩形变，这两者都适用于金属和易伸展材料。

现有的两轴蠕变测试机可以从四个方向提供轴向力。一般来说，测试使用立方待测样品。

在三轴抗压试验中，一个柱状岩心的样本在一个固定的压力下受载直至失效。因而，轴向应力的极值被认为是限制性抗压强度，轴向和径向应力也应在测试中被控制。通过三轴岩石测试我们能得到用于测量蠕变率的必要数据。已经有一些方法和机器被研发出来并得到了应用，但有着不同的局限性和缺陷。这些机器被称为三维试验机、三轴试验机、多轴试验机、准确三轴试验机等等。

在这方面值得注意的是，这些提到的机器都不能在所有的环境下都适用。例如，假设在一个由岩盐形成的地下加压石油库，而且油缸装置已经被平衡。问题是如何测量油缸装置壁的蠕变。这时有两个力会造成应力和蠕变：由于渣产出量(上方的土壤和岩石层)造成的外部力，和由流体的压力造成的内部力。但是设计者和工程师会因为相比之下微不足道而省略掉这第二部分，但还是会使用一个探针来测量流体的压力(流体静压力)。假定有一种方法可以对待测样品的各个部分施加相同的一种压力。在另一种情况下，假定测量在流体压力作用下的岩盐的蠕变。

提到的方法有以下缺点：1)不能在蠕变测试试验中分析作用于待测样品的流体的作用；2)采用机械方法测量应变，如应变仪或线性位移传感器，这些测量设备都难以在液体内部或高压下稳定工作。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种蠕变试验机，能向测试装置的内部充入石油并保压，使待测样品发生形变，再通过两个超声波探测器测量待测样品的竖直和水平形变，从而得到待测样品的形变，其操作简单，使用方便。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种蠕变试验机，包括油缸装置和测试装置，其特征在于，

所述油缸装置包括缸体、活塞、活塞杆和第一单向阀，其中，所述活塞位于所述缸体内并能上下移动，所述活塞杆竖直设置，所述活塞杆的下端固定连接在所述活塞上并且所述活塞杆的上端伸出所述缸体，所述活塞将所述缸体分隔为有杆腔和无杆腔并且所述有杆腔位于所述无杆腔的上方，所述第一单向阀用于向所述缸体的无杆腔内导入石油；

所述测试装置包括支撑壳、第一接头、第二接头、第二单向阀、第三单向阀、夹持装置、第一超声波探测器和第二超声波探测器，其中，所述第一接头和第二接头均安装在所述支撑壳上，所述第二单向阀和第三单向阀均安装在所述缸体的侧壁上，并且所述第二单向阀通过第一连接管与所述第一接头连接，以用于将所述无杆腔内的石油导入所述支撑壳内从而对待测样品施加压力，所述第三单向阀通过第二连接管与所述第二接头连接，以用于将所述支撑壳内的石油导入所述缸体内，所述第二连接管上安装有通断阀；

所述夹持装置位于所述支撑壳内，其包括上下对称设置的两限位机构，其中，每个限位机构均包括支撑座和设置在支撑座上的多个限位座，并且每个支撑座均固定在所述支撑壳上；

每个限位座均包括筒体、压缩弹簧和调节杆，其中，所述筒体固定安装在所述支撑座上并且其侧壁设置有第一通孔，以用于使石油进入所述筒体内，进而使筒体内外的油压一致，所述压缩弹簧设置在所述筒体内并且其纵向与所述筒体的纵向一致，所述调节杆的一端伸入所述筒体内并抵靠在所述压缩弹簧上，以用于使所述压缩弹簧产生形变；

两限位机构的所有调节杆共同配合夹住待测样品，以限制待测样品的位置；

所述第一超声波探测器和所述第二超声波探测器均安装在所述支撑壳上，分别用于获得待测样品在竖直方向的形变和水平方向的形变。

优选地，所述支撑壳包括壳体和两个盖体，所述两个盖体分别螺纹连接在所述壳体的上端和下端并分别抵靠在一对应位置处的支撑座上，以固定所述支撑座。

优选地，每个调节杆均相对于水平面倾斜设置。

优选地，所述每根调节杆露出筒体的一端均固定连接有压块，每个压块均包括端面抵靠部和侧面抵靠部，在上的限位机构的所有压块的端面抵靠部和在下的限位机构的所有压块的端面抵靠部共同配合夹持住待测样品，从而限制待测样品的上下位置，在上的限位机构的所有压块的侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品的侧面，在下的限位机构的所有压块的侧面抵靠部侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品的侧面，以限制待测样品的水平位置。

优选地，所述夹持装置还包括橡胶套，以用于套住所述待测样品，所有的调节杆共同配合夹住所述橡胶套，从而夹住所述待测样品。

优选地，所述测试装置的数量为两个，并且其中一个测试装置的橡胶套的侧壁上设置有第二通孔，以用于使石油进入橡胶套内使待测样品产生形变，另一个测试装置的橡胶套将待测样品与石油分隔开。

优选地，所述缸体上设置有双向阀，以用于向所述缸体的有杆腔内输入石油或者使有杆腔内的石油流出。

优选地，所述支撑壳内设置有压力传感器和温度计，分别用于测量所述支撑壳内的油压和温度。

优选地，所述支撑壳包括外壳体和内绝热壳体，所述第一接头和第二接头用于将石油导入所述内绝热壳体内从而与待测样品接触，所述内绝热壳体套接在所述外壳体的内壁上，以用于维持其内部石油的温度。

优选地，所述支撑壳内设置有加热器，所述加热器为螺旋加热管，其固定安装在所述支撑壳的内壁上，以用于加热进入支撑壳内的石油。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明能通过油缸向测试装置的内部充入石油并保压，待测样品发生蠕变，再通过两个超声波探测器测量待测样品的竖直和水平形变，从而得到待测样品的体积变化量，其操作简单，使用方便。

2)本发明能通过外力使活塞杆和活塞向下移动，或者通过双向阀向缸体的无杆腔内输入石油，以使活塞杆和活塞向下移动，从而提高支撑壳内的油压，增压方式比较简单；

3)本发明的所有调节杆配合夹住待测样品，而调节杆伸出筒体的长度可以通过压缩弹簧的形变来进行调节，因此可以保证调节杆一直压在待测样品上，从而能有效限制待测样品的位置，待测样品的位置不会随意改变；

4)本发明采用了两个测试装置，两个测试装置的橡胶套的侧壁上，一个有孔，另一个没有孔，因此可以将有石油接触待测样品和没有石油接触待测样品时，待测样品的蠕变进行对比；

5)本发明采用了多个单向阀，使得石油只能朝一个方向流动，有效保证了支撑壳内石油的油压。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中测试装置撤去部分零件后的结构示意图；

图3是本发明中夹持装置撤去支撑座后夹持待测样品的结构示意图；

图4是本发明中油缸装置的结构示意图；

图5是本发明中夹持装置夹持待测样品的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图5，一种蠕变试验机，包括油缸装置1和测试装置22，所述油缸装置1包括缸体34、活塞、活塞杆4和第一单向阀2，其中，所述活塞位于所述缸体34内并能上下移动，所述活塞杆4竖直设置，所述活塞杆4的下端固定连接在所述活塞上并且所述活塞杆4的上端伸出所述缸体34，所述活塞将所述缸体34分隔为有杆腔6和无杆腔3并且所述有杆腔6位于所述无杆腔3的上方，所述第一单向阀2用于向所述缸体34的无杆腔3内导入石油；

所述测试装置22包括支撑壳13、第一接头11、第二接头12、第二单向阀7、第三单向阀10、夹持装置、第一超声波探测器17和第二超声波探测器14，其中，所述第一接头11和第二接头12均安装在所述支撑壳13上，所述第二单向阀7和第三单向阀10均安装在所述缸体34的侧壁上，并且所述第二单向阀7通过第一连接管8与所述第一接头11连接，以用于将所述无杆腔3内的石油导入所述支撑壳13内从而对待测样品施加压力，所述第三单向阀10通过第二连接管9与所述第二接头12连接，以用于将所述支撑壳13内的石油导入所述缸体34内，所述第二连接管9上安装有通断阀24；

参照图3、图5，所述夹持装置位于所述支撑壳13内，其包括上下对称设置的两限位机构35，其中，每个限位机构35均包括支撑座33和设置在支撑座33上的多个限位座36，并且每个支撑座33均固定在所述支撑壳13上；

每个限位座36均包括筒体28、压缩弹簧32和调节杆30，其中，所述筒体28固定安装在所述支撑座33上并且其侧壁设置有第一通孔27，以用于使石油进入所述筒体28内，进而使筒体28内外的油压一致，油压一致，压缩弹簧32才能正常地发挥其弹力；所述压缩弹簧32设置在所述筒体28内并且其纵向与所述筒体28的纵向一致，所述调节杆30的一端伸入所述筒体28内并抵靠在所述压缩弹簧32上，以用于使所述压缩弹簧32产生形变；

两限位机构35的所有调节杆30共同配合夹住待测样品25，以限制待测样品25的位置，防止待测样品25在支撑壳13内随意游走。

所述第一超声波探测器17和所述第二超声波探测器14均安装在所述支撑壳13上，分别用于获得夹持装置支撑的待测样品25在竖直方向的形变和水平方向的形变。第一超声波探测器17可以测量到待测样品25的竖直方向的距离并传送给计算机，由于待测样品25会发生形变，因此计算机可以通过竖直距离的差值来获得待测样品25在竖直方向的形变；同理，第二超声波探测器14可以测量到待测样品25的水平方向的距离并传送给计算机，由于待测样品25会发生形变，因此计算机可以通过水平距离的差值来获得待测样品25在水平方向的形变

进一步，所述支撑壳13包括壳体和两个盖体，所述两个盖体分别螺纹连接在所述壳体的上端和下端并分别抵靠在一对应位置处的支撑座33上，以固定所述支撑座33，这样便于夹持装置放入支撑壳13内及试验完成后将夹持装置从支撑壳13内取出。

进一步，每个调节杆30均相对于水平面倾斜设置，这样可以对待测样品25施加竖直压力和水平压力，调节杆30能一直夹住测试待测样品25。

进一步，所述每根调节杆30露出筒体28的一端均固定连接有压块31，每个压块31均包括端面抵靠部和侧面抵靠部，在上的限位机构35的所有压块31的端面抵靠部和在下的限位机构35的所有压块31的端面抵靠部共同配合夹持住待测样品25，从而限制待测样品25的上下位置，在上的限位机构35的所有压块31的侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品25的侧面，在下的限位机构35的所有压块31的侧面抵靠部侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品25的侧面，以限制待测样品25的水平位置。

参照图3、图5，所述夹持装置还包括橡胶套26，以用于套住所述待测样品25，所有的调节杆30共同配合夹住所述橡胶套26，从而夹住所述待测样品25。优选地，所述测试装置22的数量为两个，并且其中一个测试装置22的橡胶套26的侧壁上设置有第二通孔29，以用于使石油进入橡胶套26内使待测样品25产生形变，另一个测试装置22的橡胶套26将待测样品25与石油分隔开。采用了两个测试装置22，两个测试装置22的橡胶套26的侧壁上，一个有孔，另一个没有孔，因此可以将有石油接触待测样品25和没有石油接触待测样品25时，待测样品25的蠕变进行对比。图3中的橡胶套26是有孔的，而图5中的橡胶套26上是没有孔的，待测样品放进橡胶套26后又被密封在里面。

作为一种优选，所述缸体34上设置有双向阀5，以用于向所述缸体34的有杆腔6内输入石油，从而驱动所述活塞向下移动而压缩所述缸体34和所述支撑壳13体内的石油，以提高所述支撑壳13体内的油压。而试验完成后，打开第二连接管9上的通断阀24，支撑壳13体内的石油将流动到缸体34的无杆腔3内，从而会推动活塞往上移动，那么有杆腔6内的石油就会从双向阀5内再流出去了。

作为另一种优选，要推动活塞向下移动，也可以借助外力，譬如采用液压泵带动活塞杆4和活塞向下移动。

进一步，所述支撑壳13体内设置有压力传感器和温度计，分别用于测量所述支撑壳13体内的油压和温度。

进一步，所述第一接头11采用单向阀，以用于将所述无杆腔3内的石油导入所述支撑壳13内；所述第二接头12采用单向阀，以用于将所述支撑壳13内的石油导入所述缸体34内。这样可以保证石油只会朝预定的方向流动，有助于保持支撑壳13体内的压力。

进一步，所述支撑壳13包括外壳体37和内绝热壳19体，所述第一接头11和第二接头12用于将石油导入所述内绝热壳体19内从而与待测样品25接触，所述内绝热壳体19套接在所述外壳体37的内壁上，以用于维持其内部石油的温度。

进一步，所述支撑壳13内设置有加热器20，所述加热器20为螺旋加热管，其固定安装在所述支撑壳13体的内壁上，以用于加热进入支撑壳13内的石油，这样加热效率比较高，而且加热也比较均匀，能加速待测样品25的蠕变。

外壳体37包住内绝热壳19体，在试验过程中测试装置22应是固定的，并且测试装置22的承受压力应减小。外壳体37包括上壳和下壳，上壳和下壳上分别设置有上螺纹15和下螺纹18，并且上壳上设置有开口，以便螺栓伸入上螺纹15和下螺纹18后将上壳和下壳螺纹连接在一起，这样上壳和下壳就是可拆卸的，方便绝热壳19的安装和拆卸。内绝热壳19体包括壳本体及设置在壳本体上的上盖体23和下盖体21，以便于放入和取出夹持装置。

在支撑壳13上有两组电源和两组超声波探测器，一组为水平朝向，一组为竖直朝向，分别用于测量两个方向上的应变。此前已确定了待测样品25的初始长度和半径，从而可以计算圆柱待测样品25的体积，超声波探测器采用正弦波探测。

本发明的测试装置22能承受压力并使石油的压力维持在200MPa以上，维持温度约为80℃，这样使得在待测样品25的各个面施加200MPa的压力，并可以使得待测样品25和橡胶套26在支撑壳13内保持平衡。

夹持装置的作用是将待测样品25和橡胶套26在试验过程中固定在支撑壳13的中间，并且在支撑壳13内充油的过程中不会出现滑动或其他运动。

本发明在测试过程中设计了两种不同的橡胶套26，分别为无孔橡胶套26和有孔橡胶套26，橡胶套26置于测试装置22内，用于包裹住待测样品25及防止待测样品25的偏移。无孔橡胶套26还能防止石油与待测样品2525接触。有孔橡胶套26上具有通孔，用于包住待测样品25，一方面进一步防止待测样品25偏移，另一方面可以使得石油与待测样品25接触，这样就可以比较两个测试装置22中，在两种不同环境下的结果。

本发明为了测量本次试验过程中待测样品25的应力，使用了超声技术。这种方法测量被侧点的瞬时位置，声源产生和传递纵波。声波在到达材料镜面边界后返回。一个超声波探测器置于支撑壳13的侧壁，每秒钟发出大约1000次声波以测量待测样品25厚度在水平方向的形变。另一个置于支撑壳13的底部16，以测量待测样品25厚度在竖直方向的形变。

本发明在测试待测样品25的蠕变时，其大致过程如下：

1)试验开始时通过第一单向阀2将油缸装置1内充满液体，石油不断地从第一单向阀2流入并进入缸体34的无杆腔3；

2)压缩油缸装置1内部的液体，可以有两种方式：a.石油通过缸体34上的双向阀5进入缸体34的有杆腔6内，有杆腔6内的石油会将压力施加于活塞4上，并向下推动活塞；b.一个外部的液压泵推动活塞杆4和活塞向下移动；

3)随着活塞的下移，缸体34内的石油会被压缩，并从第二单向阀7离开缸体34并进入测试装置22的绝热壳19内；

4)在测试装置22充满液体且油压已达到预定压力时停止，活塞停止运动。液压力可以通过在测试装置22内的压力传感器获得。

5)绝热壳19上的加热器20开始加热，将热量传递给石油，石油会进一步加热橡胶套26和待测样品25。温度可以从温度传感器的示数中读出，石油和橡胶套26以及待测样品25的温度在数秒后会与这一加热器20的温度达到一致。

6)设定的温度和压力会使得待测样品25发生蠕变，在这一测试的过程中比较重要的是待测样品25不能离开测试装置22的中央，这一要求是夹持装置来实现的。高温高压环境可以使得待测样品25产生很大的应力。在试验开始时压块31放在橡胶套26上并推动待测样品25，通过待测样品25的变形，压缩弹簧32可以施加弹力在调节杆30上，调节杆30通过压块31一直压在橡胶套26和待测样品25上，这样一来使待测样品25在试验过程中得以稳定在测试装置22的中央；

7)使用第一超声波探测器17和第二超声波探测器14测量待测样品25的形变；

8)在测试结束后应能取出待测样品25并查看测试装置22的情况，为了实现这一目的，测试装置22内的加压石油需要被排空，这时需要打开通断阀24，使石油能进入缸体34内并推动活塞向上移动，这样测试装置22内的油压就会降低，然后再打开支撑壳13上的一些盖子，使石油流出及取出待测样品25。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蠕变试验机，包括油缸装置和测试装置，其特征在于，

所述油缸装置包括缸体、活塞、活塞杆和第一单向阀，其中，所述活塞位于所述缸体内并能上下移动，所述活塞杆竖直设置，所述活塞杆的下端固定连接在所述活塞上并且所述活塞杆的上端伸出所述缸体，所述活塞将所述缸体分隔为有杆腔和无杆腔并且所述有杆腔位于所述无杆腔的上方，所述第一单向阀用于向所述缸体的无杆腔内导入石油；

所述测试装置包括支撑壳、第一接头、第二接头、第二单向阀、第三单向阀、夹持装置、第一超声波探测器和第二超声波探测器，其中，所述第一接头和第二接头均安装在所述支撑壳上，所述第二单向阀和第三单向阀均安装在所述缸体的侧壁上，并且所述第二单向阀通过第一连接管与所述第一接头连接，以用于将所述无杆腔内的石油导入所述支撑壳内从而对待测样品施加压力，所述第三单向阀通过第二连接管与所述第二接头连接，以用于将所述支撑壳内的石油导入所述缸体内，所述第二连接管上安装有通断阀；

所述夹持装置位于所述支撑壳内，其包括上下对称设置的两限位机构，其中，每个限位机构均包括支撑座和设置在支撑座上的多个限位座，并且每个支撑座均固定在所述支撑壳上；

每个限位座均包括筒体、压缩弹簧和调节杆，其中，所述筒体固定安装在所述支撑座上并且其侧壁设置有第一通孔，以用于使石油进入所述筒体内，进而使筒体内外的油压一致，所述压缩弹簧设置在所述筒体内并且其纵向与所述筒体的纵向一致，所述调节杆的一端伸入所述筒体内并抵靠在所述压缩弹簧上，以用于使所述压缩弹簧产生形变；

两限位机构的所有调节杆共同配合夹住待测样品，以限制待测样品的位置；

所述第一超声波探测器和所述第二超声波探测器均安装在所述支撑壳上，分别用于获得待测样品在竖直方向的形变和水平方向的形变。

2.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述支撑壳包括壳体和两个盖体，所述两个盖体分别螺纹连接在所述壳体的上端和下端并分别抵靠在一对应位置处的支撑座上，以固定所述支撑座。

3.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，每个调节杆均相对于水平面倾斜设置。

4.根据权利要求3所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述每根调节杆露出筒体的一端均固定连接有压块，每个压块均包括端面抵靠部和侧面抵靠部，在上的限位机构的所有压块的端面抵靠部和在下的限位机构的所有压块的端面抵靠部共同配合夹持住待测样品，从而限制待测样品的上下位置，在上的限位机构的所有压块的侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品的侧面，在下的限位机构的所有压块的侧面抵靠部侧面抵靠部共同配合夹持住待测样品的侧面，以限制待测样品的水平位置。

5.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述夹持装置还包括橡胶套，以用于套住所述待测样品，所有的调节杆共同配合夹住所述橡胶套，从而夹住所述待测样品。

6.根据权利要求5所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述测试装置的数量为两个，并且其中一个测试装置的橡胶套的侧壁上设置有第二通孔，以用于使石油进入橡胶套内使待测样品产生形变，另一个测试装置的橡胶套将待测样品与石油分隔开。

7.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述缸体上设置有双向阀，以用于向所述缸体的有杆腔内输入石油或者使有杆腔内的石油流出。

8.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述支撑壳内设置有压力传感器和温度计，分别用于测量所述支撑壳内的油压和温度。

9.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述支撑壳包括外壳体和内绝热壳体，所述第一接头和第二接头用于将石油导入所述内绝热壳体内从而与待测样品接触，所述内绝热壳体套接在所述外壳体的内壁上，以用于维持其内部石油的温度。

10.根据权利要求1所述的一种蠕变试验机，其特征在于，所述支撑壳内设置有加热器，所述加热器为螺旋加热管，其固定安装在所述支撑壳的内壁上，以用于加热进入支撑壳内的石油。