CN114252389B - 一种井壁压力腐蚀试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种井壁压力腐蚀试验系统，包括承压装置、围压加压装置和渗透水压加压装置，围压加压装置和渗透水压加压装置分别为承压装置提供围压加压和渗透水压加压，并维持承压装置围压和渗透水压的稳定。本发明通过液压千斤顶将轴压加压到活塞上再传递到试样上完成轴压加压，通过手动泵配上蓄能器将围压加压到液压油上再传递到试样上完成围压加压，通过水泵组配上蓄能器将渗透水压加压到腐蚀溶液上再传递到试样上完成渗水压加压，改善了以往缺少多因素耦合下进行腐蚀溶液腐蚀试样研究装置的窘境，完成了多因素耦合下对试样进行腐蚀溶液腐蚀研究的装置系统设计。

Description

一种井壁压力腐蚀试验系统

技术领域

本发明涉及岩土力学试验设备技术领域，特别是涉及一种井壁压力腐蚀试验系统。

背景技术

近年来，随着我国对深部地下资源需求不断增加，地下结构的埋深越来越大，随着深度增大，混凝土结构所处环境愈加恶劣，受到地下水腐蚀灾害日益严重。尤其针对混凝土井壁外缘，其腐蚀属于高压力环境下的物理、化学、应力多场耦合腐蚀，这种灾害随着井壁混凝土结构埋深增大而日趋严重，须引起足够重视，开展深入研究。

混凝土是当代最主要的土木工程建筑材料之一，广泛应用于地上、地下建筑工程。但是由于受到诸多因素的影响，大量的钢筋混凝土结构并不能达到预定的服役年限而提前出现失效。这其中有的是由于结构设计的抗力不足导致的，有的则是由于使用荷载的不利变化而造成的，但更多的是由于受到腐蚀溶液的腐蚀作用导致建筑物的耐久性、稳定性下降致使其远未达到设计服役年限就出现了失效。这种类型的工程实例屡见不鲜，例如山东莱芜矿山竖井建成投入使用不足五年，井内渗水处，含盐夹层腐蚀最为严重，砂石分离，用手指可挖进5～10cm。河南永城矿区顺和煤矿副井服役不到5年，井筒内缘便出现大面积鼓包、粉化脱落的腐蚀溶液腐蚀现象，腐蚀深度最大可达150mm，几乎占井壁厚度的1/4。安徽罗河铁矿副井在2015年9月的例行检查中，发现副井井筒内出现开裂破坏，井壁表面有混凝土泥化、剥层、井壁渗水、淋水等混凝土腐蚀现象，并且在标高－420m附近有两处较严重的井壁麻面和混凝土掉块现象。经调查，渗出水中的SO42-浓度过高是造成井壁破坏的主要原因。内蒙古马泰壕煤矿副井建成后短时间内井壁出现内表面掉皮、粉化脱落现象，深入井壁约80-150mm，该区域地下水中SO42-含量均超过了1500mg/L，属于典型的SO42-侵蚀破坏。由此可见，混凝土的腐蚀溶液腐蚀破坏仍是危害性最大、最普遍的破坏类型，尤其是对深埋地下工程，同时受到高水压高地压的双重作用，所以应当对混凝土井壁的腐蚀问题给予重视。

目前，针对多压力耦合下井壁混凝土的腐蚀溶液腐蚀研究较少，尤其是关于酸根离子在轴压-渗透水压-围压耦合下的传输规律尚未有人研究，本发明旨在设计一种试样在轴压—渗水压—围压三轴应力条件下受腐蚀溶液长期腐蚀的试验装置系统，为开展深埋混凝土结构试验研究、安全评估、耐久性防护提供装置基础。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种井壁压力腐蚀试验系统，具体涉及一种试样在轴压—渗水压—围压三轴应力条件下受腐蚀溶液长期加压腐蚀的装置系统。该井壁压力腐蚀试验系统，加压效果良好，装置整体密封性能好，采用三轴加压条件下对试样进行腐蚀试验研究，改善了以往仅在单轴压或单渗水压条件下进行试样腐蚀试验研究的窘境，并且装置系统构造设计简单，体积小、重量轻，操作方便、易于上手。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种井壁压力腐蚀试验系统，包括承压装置、围压加压装置和渗透水压加压装置，

所述承压装置包括活塞、上法兰、压头、多孔透水钢板、承压筒和底座，所述承压筒的顶部和底部分别固定连接有所述上法兰和底座，试样放置于所述承压筒的内腔中，所述试样的顶部和底部分别设置有所述多孔透水钢板和压头，与所述活塞底部相连接的压头用于向所述多孔透水钢板施压，所述活塞的顶部设置有液压千斤顶；

所述围压加压装置包括手动泵、蓄能器一、三通阀门和两个压力表，两个压力表分别为压力表二和压力表三，油箱中的液压油通过管路依次经所述手动泵和蓄能器一进行加压，在手动泵和蓄能器一之间依次串接有阀门一和单向阀一，加压后的液压油经所述蓄能器一的出油端、阀门二、压力表二和三通阀门的右侧、下侧阀门后与所述底座上的液压油进口通道相连，所述上法兰上开设有液压油出口通道，所述液压油出口通道处安装有阀门三，从上法兰流出的液压油流经所述液压油出口通道、阀门三、压力表三和三通阀门后重新回流并参与围压加压中的液压油加压循环；

所述渗透水压加压装置包括水泵组和蓄能器二，抗腐蚀水箱中的腐蚀溶液流过滤芯二，然后经水泵组加压泵送顺次流经阀门五、单向阀门二、压力表四、阀门七后进入所述蓄能器二中，经所述蓄能器二加压稳压后的腐蚀溶液流经压力表五后从所述底座上的腐蚀溶液进口通道处流入，流过下部的压头、多孔透水钢板内部的溶液流通通道进入透水石圆筒中不断蓄积，同时对试样侧面进行腐蚀，直至腐蚀溶液蓄满，并通过承压装置上部的多孔透水钢板、上部的压头、活塞，最后从活塞上的腐蚀溶液出口通道流出，腐蚀溶液出口通道连接有压力表六。

优选地，所述承压筒的内腔中设置有透水石圆筒，所述试样放置于所述透水石圆筒中，所述透水石圆筒与液压油通过隔离膜隔离。

优选地，所述活塞的上部放置有一个荷重传感器。

优选地，所述液压千斤顶的一侧设置有用于控制液压千斤顶所施加压力的加压手柄。

优选地，所述渗透水压加压装置还包括有真空器，在腐蚀溶液流出口处配备有真空器，当腐蚀溶液不易流出时，使用所述真空器对腐蚀溶液进行抽取，并采用空的抗腐蚀水箱收集腐蚀过后的废液。

本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：

本发明提供的井壁压力腐蚀试验系统，通过杠杆将轴压加压到活塞上再传递到试样上完成轴压加压，通过手动泵配上蓄能器将围压加压到液压油上再传递到试样上完成围压加压，通过水泵组配上蓄能器将渗透水压加压到腐蚀溶液上再传递到试样上完成渗水压加压，改善了以往缺少多因素耦合下进行腐蚀溶液腐蚀试样研究装置的窘境，完成了多因素耦合下对试样进行腐蚀溶液腐蚀研究的装置系统设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为井壁压力腐蚀试验系统的整体结构组成图；

图中，1内六角螺杆；2密封圈；3扩孔凹槽；4单向阀；5腐蚀溶液出口通道；6液压油出口通道；7钢板加劲肋；8加压手柄；9液压千斤顶；10活塞；11上法兰；12透水石圆筒；13隔离膜；14试样；15压头；16多孔透水钢板；17承压筒；18底座；19腐蚀溶液进口通道；20液压油进口通道；21抗腐蚀水箱；22滤芯二；23水泵组；24阀门五；25单向阀门二；26真空器；27阀门六；28压力表四；29阀门七；30蓄能器二；31压力表五；32压力表六；33油箱；34滤芯一；35手动泵；36溢流阀；37阀门一；38单向阀门一；39压力表一；40蓄能器一；41阀门二；42压力表二；43三通阀门；44压力表三；45阀门三；46阀门四。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供一种井壁压力腐蚀试验系统，包括承压装置、围压加压装置和渗透水压加压装置。

具体地，承压装置由活塞10、上法兰11、压头15、多孔透水钢板16、承压筒17和底座18组成。

1)轴压加压是通过控制液压千斤顶9右侧的加压手柄8对试样14施加压力。压力通过活塞10、上部的压头15和上部的多孔透水钢板16进行力的传递后对试样14进行加压。加压时，将承压装置放置在液压千斤顶9下合适位置、合适高度后，在活塞10上部放置一个荷重传感器，用于测量所加轴压值是否符合需求。最后控制液压千斤顶9上右侧的加压手柄8进行对正固定并施加压力。(竖向加载)

于本实施例中，透水石圆筒12与与液压油通过隔离膜13隔离，隔离膜13的作用在于将流通在承压筒17空腔中的液压油与在透水石圆筒12中流通的腐蚀溶液隔离开，避免液压油与腐蚀溶液混合，影响腐蚀溶液腐蚀试样的试验结果。

2)围压加压是通过手动泵35配上蓄能器一40给装置中的液压油施加围压直至达到目标值。液压油通过手动泵35进行低精度加压达到目标压力值附近，再通过蓄能器一40对液压油进行高精度的加压(蓄能器一40也可以稳定水压)后将带有压力的液压油通过底座18上的液压油进口通道20不断注入到承压装置空腔中。然后通过观察上法兰11上的液压油出口通道6处安装的阀门三45是否有液压油流出来判断承压筒17的空腔中是否注满液压油。当液压油注满后，关闭三通阀门43与压力表三44连接一侧的阀门，通过压力表三44测试流出液压油的压力，观察其示数是否与压力表二42一致，进而判断蓄能器一40的稳压效果，同时观察所施加的压力是否满足要求，不足时，控制蓄能器一40继续加压直至满足设计要求即可。当液压油的压力稳定后，三通阀门43全部打开，使得从上法兰11上的液压油出口通道6处流出的液压油参与整体的油循环加压，提高液压油的使用次数，同时又可以保证围压的稳定。(围压加压)

3)渗透水压加压是通过水泵组23配上蓄能器二30使得在承压装置中流动的腐蚀溶液所受压力值达到目标值并对试样进行腐蚀。腐蚀溶液通过由多个潜水泵组合而成的水泵组23低精度加压达到目标压力值附近后泵送至蓄能器二30中，同样通过蓄能器二30对水压进行高精度加压稳压后向承压装置中的腐蚀溶液流通通道中注入，直至注满。然后通过观察上法兰11上的腐蚀溶液出口通道5处安装的压力表六32示数检测所施加的压力是否满足要求，并且检查蓄能器二30对水压的稳压是否能达到效果。当压力不足时，控制蓄能器二30继续加压直至满足设计要求即可。(渗水压加压)

本发明主要是通过液压千斤顶9加压使得试样14竖向受压，再通过液压泵配上蓄能器对试样14施加渗水压和围压，进而使得试样14处于三轴应力条件下并保持稳压状态，流入的腐蚀溶液长期腐蚀试样以模拟矿井井筒实际受地下水腐蚀的受力地层环境条件。

具体加压与流通路径为：

1)腐蚀溶液的流通路径：抗腐蚀水箱21中的腐蚀溶液流过滤芯二22，然后受由多个潜水泵组合而成的水泵组23加压泵送，流经阀门五24、单向阀门二25、压力表四28、阀门七29，进入蓄能器二30中。通过蓄能器二30对带有压力的腐蚀溶液进行精确加压稳压使得带有一定压力的腐蚀溶液流经压力表五31后从承压装置底座18上的腐蚀溶液进口通道19处流入，流过下部的压头15、多孔透水钢板16内部的溶液流通通道进入透水石圆筒12中不断蓄积，同时对试样14侧面进行腐蚀，直至腐蚀溶液蓄满，并通过承压装置上部的多孔透水钢板16、上部的压头15、活塞10，最后从活塞10上的腐蚀溶液出口通道5流出。可以通过观察压力表五31与压力表六32两者的示数判断蓄能器二30的对水压的稳压效果是否符合需求。同时在腐蚀溶液流出口处配备有真空器26，当腐蚀溶液流动缓慢或者因其他原因不易流出时，使用真空器26抽取，并采用空的抗腐蚀水箱收集腐蚀过后的废液。(渗水压加压)

2)液压油的流通路径：油箱33中储存的液压油通过滤芯一34进入手动泵35中，手动泵35对液压油进行加压，流经阀门一37、单向阀门一38、压力表一39，进入蓄能器一40中。通过蓄能器一40对带有压力的液压油进行精确加压稳压使得带有一定压力的液压油流经阀门二41、压力表二42后，液压油从三通阀门43的右侧、下侧阀门进出后从承压装置底座18上的液压油进口通道20处流入，在承压筒17的空腔中不断蓄积直至蓄满后从上法兰11上的液压油出口通道6处流出，流经阀门三45、压力表三44，与围压加压装置连接形成油循环加压。(围压加压)

针对已有的试验装置只能在单压力因素条件下进行腐蚀溶液腐蚀混凝土试样试验研究的技术缺陷，本发明提供了一种可模拟矿井井筒受腐蚀溶液腐蚀的实际受力地层环境条件的试验装置，即使得试样处于轴压—渗水压—围压三轴应力条件下保持稳压状态并受腐蚀溶液长期腐蚀的试验装置。本发明相对以往已有试验装置的创新点：

1、本发明中围压和渗水压的加压稳压是通过蓄能器、水泵组23、手动泵35的组合解决的，水泵组23和手动泵35提供大量程的压力，再通过蓄能器来对液体压力进行精确的加压稳压。蓄能器的原理是装置内部构造分为两部分，一部分放置气囊、一部分用于存储液压油。蓄能器工作时通过控制气囊中的气压来改变液体压力。蓄能器装置体积小不占过多的场地面积，解决了以往进行腐蚀试验时需要大型的伺服加压稳压装置过多占用场地、并且装置加工成本过大、电耗过高等难题。

2、水泵组23和手动泵35在泵送液体至承压装置中时，在水泵组23和手动泵35输出液体的管路位置处会安装一套阀门和单向阀(如阀门五24+单向阀门二25；阀门一37+单向阀门一38)的组合装置，用于防止液体回流，并且降低水泵组23和手动泵35的损耗。

3、在进行围压加压时，添加一个溢流阀36，溢流阀36在系统中起安全保护作用，用于保证压力管道、压力容器的安全使用。当系统压力超过规定值时，安全阀顶开，将系统中的一部分气体排入大气，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故。

4、在进行围压加压时，在压力表二42和压力表三44之间添加一个三通阀门43，通过操控三通阀门43达到分开测试流入承压装置中液压油的压力值和流出承压装置中液压油的压力值的目的，然后通过观察两个压力表二42、压力表三44的示数来判断蓄能器一40的稳压效果是否符合需求。同时可以通过操控三通阀门43使得从上法兰11上的液压油出口通道6流出的液压油流入液压油的加压管线中，形成油循环加压，提高液压油的使用次数，增强围压的加压稳压效果。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种井壁压力腐蚀试验系统，其特征在于：包括承压装置、围压加压装置和渗透水压加压装置，

所述承压装置包括活塞(10)、上法兰(11)、压头(15)、多孔透水钢板(16)、承压筒(17)和底座(18)，所述承压筒(17)的顶部和底部分别固定连接有所述上法兰(11)和底座(18)，承压筒(17)的内腔中设置有透水石圆筒(12)，试样(14)放置于所述承压筒(17)的内腔中，试样(14)放置于所述透水石圆筒(12)中，所述试样(14)的顶部和底部分别设置有所述多孔透水钢板(16)和压头(15)，与所述活塞(10)底部相连接的压头(15)用于向所述多孔透水钢板(16)施压，透水石圆筒(12)与液压油通过隔离膜(13)隔离，所述活塞(10)的顶部设置有液压千斤顶(9)；

所述围压加压装置包括手动泵(35)、蓄能器一(40)、三通阀门(43)和两个压力表，两个压力表分别为压力表二(42)和压力表三(44)，油箱(33)中的液压油通过管路依次经所述手动泵(35)和蓄能器一(40)进行加压，在手动泵(35)和蓄能器一(40)之间依次串接有阀门一(37)和单向阀一(38)，加压后的液压油经所述蓄能器一(40)的出油端、阀门二(41)、压力表二(42)和三通阀门(43)的右侧、下侧阀门后与所述底座(18)上的液压油进口通道(20)相连，所述上法兰(11)上开设有液压油出口通道(6)，所述液压油出口通道(6)处安装有阀门三(45)，从上法兰(11)流出的液压油流经所述液压油出口通道(6)、阀门三(45)、压力表三(44)和三通阀门(43)后重新回流并参与围压加压中的液压油加压循环；

所述渗透水压加压装置包括水泵组(23)和蓄能器二(30)，抗腐蚀水箱(21)中的腐蚀溶液流过滤芯二(22)，然后经水泵组(23)加压泵送顺次流经阀门五(24)、单向阀门二(25)、压力表四(28)、阀门七(29)后进入所述蓄能器二(30)中，经所述蓄能器二(30)加压稳压后的腐蚀溶液流经压力表五(31)后从所述底座(18)上的腐蚀溶液进口通道(19)处流入，流过下部的压头(15)、多孔透水钢板(16)内部的溶液流通通道进入透水石圆筒(12)中不断蓄积，同时对试样(14)侧面进行腐蚀，直至腐蚀溶液蓄满，并通过承压装置上部的多孔透水钢板(16)、上部的压头(15)、活塞(10)，最后从活塞(10)上的腐蚀溶液出口通道(5)流出，腐蚀溶液出口通道(5)连接有压力表六(32)；

所述渗透水压加压装置还包括有真空器(26)，在腐蚀溶液流出口处配备有真空器(26)，当腐蚀溶液不易流出时，使用所述真空器(26)对腐蚀溶液进行抽取，并采用空的抗腐蚀水箱收集腐蚀过后的废液。

2.根据权利要求1所述的井壁压力腐蚀试验系统，其特征在于：所述活塞(10)的上部放置有一个荷重传感器。

3.根据权利要求2所述的井壁压力腐蚀试验系统，其特征在于：所述液压千斤顶(9)的一侧设置有用于控制液压千斤顶所施加压力的加压手柄。