CN113324838A - 三轴试验装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三轴试验装置和系统，三轴试验装置包括：试验盒、加热装置、保温介质、声发射检测装置、多个压载板以及多个压头；试验盒形成有多个开口，每个开口设置有一个压头，且压头能够在开口向试验盒内移动；每个压头均连接压载板，并能够随压头移动；多个压载板两两相对设置，并在相对设置的压载板之间形成试样容纳空间；加热装置用于试样加热恒温，试验盒内填充保温介质用于高温试样保温减少散热，声发射检测装置设置于试验盒内。该方案将压载板两两相对设置，通过液压压载缸从三个方向施加作用力形成高围压条件，该装置解决了模拟深部高温高压环境的岩石试验问题。
Description
技术领域
本发明涉及岩土试验设备技术领域，具体而言，涉及一种三轴试验装置和系统。
背景技术
真三轴试验系统通常应用于岩土的受力分析试验中。随着工程技术的不断发展，水利水电、地热开发及石油天然气开采等传统岩土工程的复杂程度逐年提高，与此同时，国家也推出一些更具国家战略意义、更有挑战性的特殊工程(如高温干热岩开发、放射性核废料地质封存、二氧化碳地质封存等)，特别是针对深层地热超热岩开发研究更需要解决模拟深部高温高压环境的岩石试验问题。国内外现有的真三轴试验系统通常只能进行假三轴试验或简单的常规三轴试验，难以实现试验样品尺寸较大、试验温度要求较高的真三轴高温岩石试验。
发明内容
本发明的目的是提供一种三轴试验装置和系统，以解决现有技术对较大尺寸试样进行有效力学试验时难以模拟地下深部高温高压环境的问题。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种三轴试验装置，包括：试验盒、加热装置、保温介质、声发射检测装置、多个压载板以及多个压头；
所述试验盒形成有多个开口，每个所述开口设置有所述压头，且所述压头能够在所述开口向所述试验盒内移动；
每个所述压头均连接一所述压载板，且所述压载板能够随所对应的压头移动；多个所述压载板两两相对设置，并在相对设置的压载板之间形成试样容纳空间；
所述加热装置位于所述试样容纳空间内，用于加热试样，所述保温介质填充于所述试验盒内，所述声发射检测装置设置于所述试验盒内，用于检测所述试样在应力应变过程中产生的声信号。
可选地，所述压载板包括层叠设置的第一层压载板和第二层压载板；
所述第一层压载板与所述试样的尺寸相适应，每个所述第二层压载板连接于所对应的第一层压载板和所对应的压头之间。
可选地，每个所述压头均设置有水冷系统，用于吸收从所述试验盒传递出的热量。
可选地，所述加热装置包括加热压载板和嵌在所述加热压载板表面的加热管，所述加热压载板连接在所述压载板上，所述加热管位于靠近所述压载板的一侧。
可选地，所述加热装置至少两个，至少两个所述加热装置分别设置在不同的压载板上。
可选地，所述加热装置还包括设置在所述加热压载板上的温度检测部件，所述温度检测部件用于检测所述试样的温度。
可选地，部分所述压载板开设有容纳孔，部分所述压载板开设有容纳孔，所述容纳孔的开口方向朝向所述试样容纳空间，所述声发射检测装置设置于所述容纳孔内，且所述声发射检测装置能够始终与所述试样接触。
可选地，所述声发射检测装置包括波导杆和声信号探头，所述声信号探头位于所述容纳孔内部，所述波导杆与所述声信号探头连接，并能够从所述容纳孔的开口伸出与所述试样接触。
可选地，所述声发射检测装置还包括弹性件，所述弹性件位于所述容纳孔内，并向所述波导杆施加弹性力，以使所述波导杆在试验中能够始终与所述试样接触。
可选地，至少两个所述压载板设置有所述容纳孔，且在相应的容纳孔内分别设置声发射检测装置。
可选地，所述试验盒内还设置有压裂管线压载板，所述压裂管线压载板与其中一所述压载板连接，用于向所述试样的水力致裂孔内注入液体并密封。
本发明另一方面提高一种三轴试验系统，包括：架体、多个液压压载缸以及本发明提供的三轴试验装置；
所述架体的中部形成有加载空间，多个所述液压压载缸分别设置于所述加载空间周围的所述架体上，用于向所对应的压头施加压力，所述三轴试验装置能够进入加载空间内。
可选地，所述三轴试验系统还包括移动架，所述架体上形成有移动轨道，所述三轴试验装置设置于所述移动架上，所述移动架能够沿所述移动轨道移动，以推动所述三轴试验盒装置进入所述加载空间或从所述加载空间中移除。
通过设置保温介质、压载板以及试验盒的结合，提高了整体的保温效果，在加热装置的加热作用下，能够使得内部能够达到的较高的温度，接近实际地下岩层的真实温度，由此可见，该装置解决了针对较大尺寸试样模拟深部高温高压环境的岩石试验问题。
附图说明
图1是本发明一实施方式中三轴试验装置的剖面示意图；
图2是本发明一实施方式中加热装置的爆炸示意图；
图3是图1中三轴试验装置的局部剖切示意图；
图4是本发明一实施方式中三轴试验系统的剖面示意图；
图5是本发明一实施方式中对岩石加热控制原理图；
图6是本发明一实施方式中对岩石的压力控制原理图；
图7是本发明一实施方式中岩石声信号的传递示意图。
附图标记：
1-试样；2-压裂管线压载板；3-导线；
10-试验盒；
20-加热装置；21-加热压载板；22-加热管；
30-保温介质；
40-压载板；41-第一层压载板；42-第二层压载板；
50-压头；
60-波导杆；61-声信号探头；62-弹性件；
70-架体；71-加载空间；72-移动轨道；
80-液压压载缸；81-压力传感器；82-位移传感器；
90-移动架。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本实施方式提供一种三轴试验装置，包括：试验盒10、加热装置20、保温介质30、声发射检测装置、多个压载板40以及多个压头50；试验盒10形成有多个开口，每个开口设置有一个压头50，且压头50能够在开口向试验盒10内移动；每个压头50均连接一压载板40，且所述压载板40能够随所对应的压头50移动；多个压载板40两两相对设置，并在相对设置的压载板40之间形成试样容纳空间；加热装置20位于试样容纳空间内，用于加热试样1，保温介质30填充于试验盒10内，声发射检测装置设置于试验盒10内，用于检测样品在应力应变过程中产生的声信号。
其中，试样1可以是待检测的岩石，压载板40两两相对，从而形成三个方向(三轴)作用力的施加，而且所要检测的试样1的尺寸不受限制，而且压载板40具有保温的功能，采用抗高温高压隔热材料制作，以减少加热装置20的热量从试验盒10内散失。试验时对压头50施加预定的压力即可实现对试样1的挤压，同时采用加热装置20对试样1加热，从而模拟地下高温高压的环境。通过设置保温介质30、压载板40以及试验盒10的结合，提高了整体的保温效果，在加热装置20的加热作用下，能够使得内部能够达到的较高的温度(200℃以上)，接近实际地下岩层的真实温度，而且整个装置可以按照等比例缩小或者增大，从而使待检测的试样1的尺寸不受限制，由此可见，该装置解决了针对较大尺寸试样模拟深部高温高压环境的岩石试验问题。将支撑深层高温钻井和压裂建库等技术的基础实验研究，为后期的开发工作提供基础数据和理论依据。
本方案中，保温介质30能够有效的对岩石进行保温，而且配合抗压隔热的压载板40，进一步稳定了试验盒10内的温度，减少内部温度损失，从而对于尺寸较大的岩石也能够有效的进行力学试验。
较佳地，压载板40包括层叠设置的第一层压载板41和第二层压载板42；第一层压载板41与试样的尺寸相适应，每个第二层压载板42连接于所对应的第一层压载板41和所对应的压头50之间。第二层压载板42的尺寸大于第一层压载板41的尺寸，第一层压载板41可以直接作用在试样1上，部分第一层压载板41内侧还设置有加热装置20，设置加热装置20的第一层压载板41，能够对试样1加热，这时候是加热装置20直接与试样1接触。对于压载板40的形式，还可以设置三层或者更多层，本领域技术人员只需根据实际需求在本实施方式的指导思想下进行合理设置即可。
其中，每个压头50均设置有水冷系统，用于吸收从试验盒10传递出的热量。具体地，压头50内部形成有容水腔，容水腔具有进水口和出水口，在试验的过程中，持续地向所述容水腔内通入冷却水，从而达到对压头50降温的作用。
在一个具体的实施例中，参阅图2，加热装置20包括加热压载板21和嵌在加热压载板21表面的加热管22，加热压载板21连接在压载板40上，加热管22位于靠近压载板40的一侧，具体地，加热管22位于靠近第一层压载板41的一侧。加热压载板21上形成有弯曲的凹槽，加热管22的形状与所形成的凹槽的形状相匹配，并位于所述凹槽中，加热管22接通外部电源，从而发热，并将热量传递给加热压载板21，加热压载板21再将热量传递给试样1，通过设置加热压载板21和加热管22可以使热量更均匀地传递给试样1。加热管22连接导线3，导线3从保温介质30中引出来，并穿过试验盒10与外部电源连接。
进一步，加热装置20至少两个，至少两个加热装置20分别设置在不同的压载板40上。也就是说在试验的过程中可以对试样1的不同方位进行加热，从而模拟地下高温环境。
进一步，为了更好的控制加热温度，加热装置20还包括设置在加热压载板21上的温度检测部件，温度检测部件用于检测试样的温度。从而合理的控制加热管22的加热功率。温度检测部件可以是温度传感器等能够有效检测试样1温度的部件。
参阅图3，部分压载板40开设有容纳孔，容纳孔的开口方向朝向试样容纳空间，声发射检测装置设置于容纳孔内，且声发射检测装置能够始终与试样接触。将声发射检测装置设置于压载板40的容纳孔内可以保证声发射检测装置的稳定，有利于信号的监测。
具体地，声发射检测装置包括波导杆60和声信号探头61，声信号探头61位于容纳孔内部，波导杆60与声信号探头61连接，并能够从容纳孔的开口伸出与试样接触。
较佳地，声发射检测装置还包括弹性件62，弹性件62位于容纳孔内，并向波导杆60施加弹性力，以使波导杆60在试验中能够始终与试样接触。在本实施例中，弹性件62为弹簧，并位于容纳孔的底部，声信号探头61位于弹性件62和波导杆60之间，通过弹簧压力使波导杆60与岩石样品紧密接触。
在进行高温岩石试验时，当试样1温度超过170℃时将超过声信号探头61的耐温上限，因此现有设置无法对超过170℃的试样进行有效检测，本实施方式为保证试验信号，将声发射检测装置设置在压载板40的容纳孔内，并通过波导杆60直接与试样1接触，由于波导杆60的耐高温度远远大于声信号探头61，因此能够不受高温的限制而进行有效的检测，波导杆60将信号传递给声信号探头61，保证信号的有效检测。为保证隔热效果，所述波导杆60与容纳孔的间隙不大于0.5mm，本方案波导杆60长度290-310mm，例如可以是295mm、300mm等。
进一步，在至少相对的两个压载板40设置有至少两个容纳孔，且在相应的容纳孔内分别设置声发射检测装置。如图3所示，设置了四个声发射检测装置。多个声发射检测装置的设置能够更准确地对试样进行检测，提高试验监测准确度。
对于不同的试验，所采用的试样1也不同，例如有的试样1上需要开设水力致裂孔，因此需要向水力致裂孔内注入水，为此，在另一个实施例中，试验盒10内还设置有压裂管线压载板2，压裂管线压载板2与其中一压载板40连接，用于向试样1的水力致裂孔内注入液体并密封。试验时压裂管线压载板2与岩石紧紧压在一起，以避免水力致裂孔内的水流出。
参阅图4，本实施方式进一步提供一种三轴试验系统，包括：架体70、多个液压压载缸80以及本实施方式提供的三轴试验装置；架体70的中部形成有加载空间71，多个液压压载缸80分别设置于加载空间71周围的架体70上，用于向所对应的压头50施加压力，所述三轴试验装置能够进入加载空间71内。
在一个较佳的实施例中，三轴试验系统还包括移动架90，架体70上形成有移动轨道72，三轴试验装置设置于移动架90上，移动架90能够沿移动轨道72移动，以推动三轴试验装置进入加载空间71或从加载空间71中移除。这种设置便于试样的更换和加装，有利于试验的快速进行。
在本实施方式中，加热装置20的加热温度控制、液压压载缸80的压力控制均有计算机控制，压力传感器81、位移传感器82以及温度检测部件的检测数据均可传输到计算机进行参考。
具体地，对于岩石的加热控制如图5所示，计算机通过下位机向电加热控制器下达控制指令，电加热控制器控制加热管22发热，进一步通过加热压载板21传递至岩石。温度传感器可以设置两个，分别检测岩石温度和加热装置20的温度，并将检测的数据反馈至下位机。
对于岩石的压力控制如图6所示，计算机通过下位机向液压压载缸80的液压伺服阀下达控制指令，液压伺服阀控制液压压载缸80启动对岩石施加压力，压力传感器和位移传感器检测液压压载缸的压力参数和位移参数，并反馈至下位机。
对于声发射检测装置，声音信号的传递如图7所示，岩石受到挤压后，内部应力应变发出声信号通过波导杆60传递至声信号探头61，再经信号放大器传递至计算机。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种三轴试验装置，其特征在于，包括：试验盒(10)、加热装置(20)、保温介质(30)、声发射检测装置、多个压载板(40)以及多个压头(50)；
所述试验盒(10)形成有多个开口，每个所述开口设置有所述压头(50)，且所述压头(50)能够在所述开口位置向所述试验盒(10)内移动；
每个所述压头(50)均连接所述压载板(40)，且所述压载板(40)能够随所对应的压头(50)移动；多个所述压载板(40)两两相对设置，并在相对设置的压载板(40)之间形成试样容纳空间；
所述加热装置(20)位于所述试样容纳空间内，用于加热试样(1)，所述保温介质(30)填充于所述试验盒(10)内，所述声发射检测装置设置于所述试验盒(10)内，用于检测所述试样(1)在应力应变过程中产生的声信号。
2.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于，所述压载板(40)包括层叠设置的第一层压载板(41)和第二层压载板(42)；
所述第一层压载板(41)与所述试样(1)的尺寸相适应，每个所述第二层压载板(42)连接于所对应的第一层压载板(41)和所对应的压头(50)之间。
3.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于，每个所述压头(50)均设置有水冷系统，用于吸收从所述试验盒(10)传递出的热量。
4.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于，所述加热装置(20)包括加热压载板(21)和嵌在所述加热压载板(21)表面的加热管(22)，所述加热压载板(21)连接在所述压载板(40)上，所述加热管(22)位于靠近所述压载板(40)的一侧。
5.根据权利要求4所述的三轴试验装置，其特征在于，所述加热装置(20)还包括设置在所述加热压载板(21)上的温度检测部件，所述温度检测部件用于检测所述试样(1)的温度。
6.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于，部分所述压载板(40)开设有容纳孔，所述容纳孔的开口方向朝向所述试样容纳空间，所述声发射检测装置设置于所述容纳孔内，且所述声发射检测装置能够始终与所述试样(1)接触。
7.根据权利要求6所述的三轴试验装置，其特征在于，所述声发射检测装置包括波导杆(60)和声信号探头(61)，所述声信号探头(61)位于所述容纳孔内部，所述波导杆(60)与所述声信号探头(61)连接，并能够从所述容纳孔的开口伸出与所述试样(1)接触。
8.根据权利要求7所述的三轴试验装置，其特征在于，所述声发射检测装置还包括弹性件(62)，所述弹性件(62)位于所述容纳孔内，并向所述波导杆(60)施加弹性力，以使所述波导杆(60)在试验中能够始终与所述试样(1)接触。
9.根据权利要求6所述的三轴试验装置，其特征在于，至少两个所述压载板(40)设置有所述容纳孔，且在相应的容纳孔内分别设置声发射检测装置。
10.根据权利要求1所述的三轴试验装置，其特征在于，所述试验盒(10)内还设置有压裂管线压载板(2)，所述压裂管线压载板(2)与其中一所述压载板(40)连接，用于向所述试样(1)的水力致裂孔内注入液体并密封。
11.一种三轴试验系统，其特征在于，包括：架体(70)、多个液压压载缸(80)以及权利要求1-10任意一项所述的三轴试验装置；
所述架体(70)的中部形成有加载空间(71)，多个所述液压压载缸(80)分别设置于所述加载空间(71)周围的所述架体(70)上，用于向所对应的压头(50)施加压力，所述三轴试验装置能够进入加载空间(71)内。
12.根据权利要求11所述的三轴试验系统，其特征在于，所述三轴试验系统还包括移动架(90)，所述架体(70)上形成有移动轨道(72)，所述三轴试验装置设置于所述移动架(90)上，所述移动架(90)能够沿所述移动轨道(72)移动，以推动所述三轴试验装置进入所述加载空间(71)或从所述加载空间(71)中移除。
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