CN109975168A - 一种缓冲材料气体渗透系数测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高放废物处置技术领域，具体涉及一种缓冲材料气体渗透系数测试方法；本发明的目的是，提供一种可测试加载气压2000kPa范围条件下缓冲材料的气体渗透系数，为处置库稳定性分析和长期安全评价提供关键参数，为高放废物地质处置库的设计及长期安全评价提供技术支撑的缓冲材料气体渗透系数测试方法；包括以下步骤：步骤1、试样制备；步骤2、试样安装；步骤3、围压加载；步骤4、气密性检查；步骤5、气压加载；步骤6、数据处理；该测试方法可提供高围压16000kPa和高气压(2000kPa)条件，采用合理的气压围压比(1:3)，既可有效避免试样外壁气体“滑流”行为，又可规避大围压对试样内部孔隙结构破坏造成的测试干扰，测量结果更准确、真实。
Description
技术领域
本发明属于高放废物处置技术领域，具体涉及一种缓冲材料气体渗透系数测试方法。
背景技术
安全处置高放废物已被提到保证核能工业可持续发展、保护人民健康、保护环境的高度来认识。高放废物的安全处置，在科学技术方面是一个重大难题。其难点在于如何使高放废物与人类生存环境充分、彻底、可靠地隔离，且隔离时间达上万年甚至几百万年。经过多年的研究和实践，目前普遍接受的可行方案是深部地质处置，即把高放废物埋在距离地表深500～1000m的地质体中，使之永久与人类的生存环境隔离，埋藏高放废物的地下工程称为“高放废物处置库”。
高放废物处置库缓冲材料是置于高放废物包装体与围岩之间的一道重要材料，也是高放废物地质处置库工程屏障的组成部分，起着机械屏障作用，能阻止外界气体与废物罐接触，以保证处置库处于缺氧的还原环境。
在高放废物地质处置库中，废物罐的腐蚀、水和有机物受核辐射、微生物的变质等可以产生大量的气体。气体的产生会引起压力梯度增加而加快水的迁移和核素的移动，局部气体累积也可能会产生极大的气压而击穿缓冲材料，破坏工程屏障的整体性，影响整个处置库系统的安全性能。因此，测试不同加载气压范围条件下的气体渗透系数，可以为处置库稳定性分析和长期安全评价提供关键参数，对高放废物地质处置库的设计及长期安全评价具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是，提供一种可测试不同加载气压范围条件下缓冲材料的气体渗透系数，为处置库稳定性分析和长期安全评价提供关键参数，为高放废物地质处置库的设计及长期安全评价提供技术支撑的缓冲材料气体渗透系数测试方法。
本发明的技术方案是：
一种缓冲材料气体渗透系数测试方法其实现基于一种现有的三轴仪，包括以下步骤：
步骤1、试样制备
(1.1)按预定的干密度为1.6～2.0g/cm3和直径50mm、高度100mm等参数，计算并称量相应质量的膨润土，倒入压实模具；
(1.2)采用单轴静力压制方式制备试样，将其制备成圆柱形，测量并记录试样13的直径和高度等参数；
步骤2、试样安装
(2.1)将试样13用高性能密封橡胶套装好后，固定在压力室7内的底座11上，在试样的上、下端分别布设高渗透性金属烧结网12；并检查安装的试样是否处于密封状态；
(2.2)在上端的高渗透性金属烧结网12的顶部设置加载上压头14，并连接加载上压头14上的排气管线接头15，封装好压力室7，固定加载框架10并使其与轴向加载压头9刚好接触；
步骤3、围压加载
(3.1)打开压力室7的进水阀门16和通气孔8，启动水泵，从水槽4向压力室7注水，直至加满，关闭进水阀门16，关闭水泵，关闭通气孔9；
(3.2)打开围压进水阀门17，打开围压加载器2，加载围压并使其稳定在预定值Pc，稳定时间不少于30min；
步骤4、气密性检查
打开气压加载器3，加载气压至预定值P0，且P0＝1/3Pc，设定气压加载器3，维持加载气压值不变，打开进气阀门18，观察气压变化曲线，待气压值小幅度减小出现缓慢增加后，完成装置气密性检查；步骤5、气压加载
在气密性良好的条件下，加载气压至预定值P0，维持气压加载器3气体体积V0不变，打开出气阀门19，进行测量；
步骤6、数据处理
(6.1)测量气压随时间的变化，P1和P2分别为气压变化过程中t1和t2时刻试样的加载气压值，记录并保存试验数据；
(6.2)利用公式(1)计算气体渗透系数
公式中kg为气体渗透系数，m2；μg为气体粘滞系数，Pa·s；A试样横截面积，m2；V0为气体体积，m3；pa为平均气压，H为试样高度，m；patm为大气压，Pa；Δp为气压降，Δp＝P1-P2，Pa；Δt为时间间隔，Δt＝t2-t1，s。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法，包括试样制备、试样安装、气密性检查、围压及气压加载和数据处理等全过程，试验方法操作简单，测试周期短；
(2)本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法，可提供高围压(16000kPa)和高气压(2000kPa)条件，采用合理的气压围压比(1:3)，既可有效避免试样外壁气体“滑流”行为，又可规避大围压对试样内部孔隙结构破坏造成的测试干扰，测量结果更准确、真实。
附图说明
图1为本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法的试验装置布置三轴仪示意图；
图2为本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法的试样封装区布置图；
图3为本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法的加载基座部位布置图；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
如图1～3所示，本发明提供的一种缓冲材料气体渗透系数测试方法的测试装置三轴仪包括：数据采集系统1、围压加载器2、气压加载器3、水槽4、加载基座部位5、试样封装区6、压力室7、通气孔8、轴向加载压头9、加载框架10、底座11、金属烧结网12、试样13、上压头14、排气管线接头15、进水阀门16、围压进水阀门17、进气阀门18、出气阀门19。
一种缓冲材料气体渗透系数测试方法其实现基于一种现有的三轴仪，包括以下步骤：
步骤1、试样制备
(1.1)按预定的干密度为1.6～2.0g/cm3和直径50mm、高度100mm等参数，计算并称量相应质量的膨润土，倒入压实模具；
(1.2)采用单轴静力压制方式制备试样，将其制备成圆柱形，测量并记录试样13的直径和高度等参数；
步骤2、试样安装
(2.1)将试样13用高性能密封橡胶套装好后，固定在压力室7内的底座11上，在试样的上、下端分别布设高渗透性金属烧结网12；并检查安装的试样是否处于密封状态；
(2.2)在上端的高渗透性金属烧结网12的顶部设置加载上压头14，并连接加载上压头14上的排气管线接头15，封装好压力室7，固定加载框架10并使其与轴向加载压头9刚好接触；
步骤3、围压加载
(3.1)打开压力室7的进水阀门16和通气孔8，启动水泵，从水槽4向压力室7注水，直至加满，关闭进水阀门16，关闭水泵，关闭通气孔9；
(3.2)打开围压进水阀门17，打开围压加载器2，加载围压并使其稳定在预定值Pc，稳定时间不少于30min；步骤4、气密性检查
打开气压加载器3，加载气压至预定值P0，且P0＝1/3Pc，设定气压加载器3，维持加载气压值不变，打开进气阀门18，观察气压变化曲线，待气压值小幅度减小出现缓慢增加后，完成装置气密性检查；步骤5、气压加载
在气密性良好的条件下，加载气压至预定值P0，维持气压加载器3气体体积V0不变，打开出气阀门19，进行测量；
步骤6、数据处理
(6.1)测量气压随时间的变化，P1和P2分别为气压变化过程中t1和t2时刻试样的加载气压值，记录并保存试验数据；
(6.2)利用公式(1)计算气体渗透系数
公式中kg为气体渗透系数，m2；μg为气体粘滞系数，Pa·s；A试样横截面积，m2；V0为气体体积，m3；pa为平均气压，H为试样高度，m；patm为大气压，Pa；Δp为气压降，Δp＝P1-P2，Pa；Δt为时间间隔，Δt＝t2-t1，s。
实施例
实施例一：
步骤1、样品制备
(1)按干密度为1.6g/cm3和直径50mm和高度100mm等参数，计算并称量相应质量的膨润土，倒入压实模具；
(2)采用单轴静力压制方式制备试样，将其制备成圆柱形，测量并记录试样13的直径和高度等参数；
步骤2、试样安装
(3)将试样13用高性能密封橡胶套装好后，固定在压力室7内的底座11上，在试样的上、下顶分别布设高渗透性金属烧结网12；并检查安装的试样是否处于密封状态；
(4)在上顶的高渗透性金属烧结网12的顶部设置加载上压头14，并连接加载上压头14上的排气管线接头15，封装好压力室7，固定加载框架10并使其与轴向加载压头9刚好接触；
步骤3、围压加载
(5)打开压力室7进水阀门16和通气孔8，启动水泵，从水槽4向压力室7注水，直至加满，关闭进水阀门16，关闭水泵，关闭通气孔9；
(6)打开围压进水阀门17，打开围压加载器2，加载围压并使其稳定在预定值1500kPa，稳定时间30min；步骤4、气密性检查
(7)打开气压加载器3，加载气压530kPa，保持气压值不变，打开进气阀门18，观察气压变化曲线，检查装置气密性；
步骤5、气压加载
(8)在气密性良好的条件下，加载气压至预定值530kPa，维持气压加载器3气体体积800000～900000mm3不变，打开出气阀门19，进行测量；
步骤6、数据处理
(9)测量气压随时间的变化，505kPa和495kPa分别为气压变化过程中658s和733s时刻试样的加载气压值，记录并保存试验数据；
(10)利用公式(1)计算气体渗透系数
计算结果：气体渗透系数为5×10-16m2。
实施例二：
步骤1、样品制备
(1)按干密度为1.8g/cm3和直径50mm和高度100mm等参数，计算并称量相应质量的膨润土，倒入压实模具；
(2)采用单轴静力压制方式制备试样，将其制备成圆柱形，测量并记录试样13的直径和高度等参数；
步骤2、试样安装
(3)将试样13用高性能密封橡胶套装好后，固定在压力室7内的底座11上，在试样的上、下顶分别布设高渗透性金属烧结网12；并检查安装的试样是否处于密封状态；
(4)在上顶的高渗透性金属烧结网12的顶部设置加载上压头14，并连接加载上压头14上的排气管线接头15，封装好压力室7，固定加载框架10并使其与轴向加载压头9刚好接触；
步骤3、围压加载
(5)打开压力室7进水阀门16和通气孔8，启动水泵，从水槽4向压力室7注水，直至加满，关闭进水阀门16，关闭水泵，关闭通气孔9；
(6)打开围压进水阀门17，打开围压加载器2，加载围压并使其稳定在预定值3000kPa，稳定时间30min；
步骤4、气密性检查
(7)打开气压加载器3，加载气压1030kPa，保持气压值不变，打开进气阀门18，观察气压变化曲线，检查装置气密性；
步骤5、气压加载
(8)在气密性良好的条件下，加载气压至预定值1030kPa，维持气压加载器3气体体积800000～900000mm3不变，打开出气阀门19，进行测量；
步骤6、数据处理
(9)测量气压随时间的变化，1005kPa和995kPa分别为气压变化过程中2240s和3840s时刻试样的加载气压值，记录并保存试验数据；
(10)利用公式(1)计算气体渗透系数
计算结果：气体渗透系数为3×10-17m2。
Claims (1)
1.一种缓冲材料气体渗透系数测试方法其实现基于一种现有的三轴仪，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、试样制备
(1.1)按预定的干密度为1.6～2.0g/cm3和尺寸直径50mm、高度100mm等参数，计算并称量相应质量的膨润土，倒入压实模具；；
(1.2)采用单轴静力压制方式制备试样，将其制备成圆柱形，测量并记录试样13的直径和高度等参数；
步骤2、试样安装
(2.1)将试样13用高性能密封橡胶套装好后，固定在压力室7内的底座11上，在试样的上、下端分别布设高渗透性金属烧结网12；并检查安装的试样是否处于密封状态；
(2.2)在上端的高渗透性金属烧结网12的顶部设置加载上压头14，并连接加载上压头14上的排气管线接头15，封装好压力室7，固定加载框架10并使其与轴向加载压头9刚好接触；
步骤3、围压加载
(3.1)打开压力室7的进水阀门16和通气孔8，启动水泵，从水槽4向压力室7注水，直至加满，关闭进水阀门16，关闭水泵，关闭通气孔9；
(3.2)打开围压进水阀门17，打开围压加载器2，加载围压并使其稳定在预定值Pc，稳定时间不少于30min；
步骤4、气密性检查
打开气压加载器3，加载气压至预定值P0，且P0＝1/3Pc，设定气压加载器3，维持加载气压值不变，打开进气阀门18，观察气压变化曲线，待气压值小幅度减小出现缓慢增加后，完成装置气密性检查；
步骤5、气压加载
在气密性良好的条件下，加载气压至预定值P0，维持气压加载器3气体体积V0不变，打开出气阀门19，进行测量；
步骤6、数据处理
(6.1)测量气压随时间的变化，P1和P2分别为气压变化过程中t1和t2时刻试样的加载气压值，记录并保存试验数据；
(6.2)利用公式(1)计算气体渗透系数
公式中kg为气体渗透系数，m2；μg为气体粘滞系数，Pa·s；A试样横截面积，m2；V0为气体体积，m3；pa为平均气压，H为试样高度，m；patm为大气压，Pa；Δp为气压降，Δp＝P1-P2，Pa；Δt为时间间隔，Δt＝t2-t1，s。
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