CN116818505B - 一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法 - Google Patents

一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法，包括机架、压力系统、工控机控制系统，机架上设置压力系统和加热系统，加热系统包括加热箱，加热箱设置在压力平台上，加热箱体内设置有一对可移动加热板、温度传感器、工业CT发射器和射线接收器；加热箱相对两侧设置有一对可移动加热板，加热箱内部一侧面上设置有工业CT发射器，加热箱体相对的另一侧壁上设置有射线接收器；当待测试件放入加热箱进行加热时，开始加热，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面，同时启动压力系统，对待测试件进行压力检测，便于提高高温待测试件的压力测量的准确性。

Description

一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法
技术领域
本发明属于压力试验机领域，具体涉及一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法。
背景技术
低渗透储层油气资源储量丰度低、开采难度大，且易受损害，绝大多数油气井必须实施压裂增产措施后方能见产能。水力压裂技术是低渗透、特低渗透油田改造的重要措施；岩石的断裂韧性是判断裂缝是否进入失稳状态的一个指标，是水力压裂设计和数值模拟中的一个重要参数。因为地核中高温的作用，地下温度将随深度不断加深而升高，温度变化对岩石的断裂韧性具有较大的影响。
常规的岩石承压能力测量通常在常温下进行，无法有效反映岩石在高温状态下的承压能力，此外，即使将待测试件加热至高温状态，由于缺少对岩石内部温度的有效测量，导致测试人员无法判断待测试件内部温度是否均匀分布，当待测试件内部温度分布不均匀时，待测试件内部承压能力进一步降低，无法有效反映待测试件在特定温度下的真实承压能力。在施工过程中工作人员无法获得准确的岩石承压能力需依据自身经验进行估算，容易造成事故。
发明内容
本发明提出一种恒应力压力试验机实时控制系统及工作方法，目的在于克服现有压力试验机的上述缺陷，使之可以有效测量高温状态下待测试件的压力性能，提高测试的准确性。
一种恒应力压力试验机实时控制系统，包括机架、压力系统、工控机控制系统，机架包括试验机底座，试验机底座上设置有压力箱，压力箱底部设置有压力平台，台面上设置有夹持件，用于将待测试件固定在压力平台上，防止待测试件侧滑；压力箱上部设置有压力系统、加热系统，加热系统包括加热箱，加热箱设置在压力平台上，加热箱体内设置有一对可移动加热板、温度传感器、工业CT发射器和射线接收器；加热箱相对两侧设置有一对可移动加热板，通过调整可移动加热板，使可移动加热板与待测试件表面贴合，提高加热效率；加热箱内部一侧面上设置有工业CT发射器，加热箱体相对的另一侧壁上设置有射线接收器；当待测试件放入加热箱进行加热时，可移动加热板移动至待测试件两侧，并与待测试件表面进行贴合，开始加热，当待测试件表面温度达到设定温度时，降低加热功率，使待测试件表面温度控制在设定温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将接收到的辐射能量I接收传输至工控机控制系统，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面，同时启动压力系统，对待测试件进行压力检测。
进一步地，压力系统为液压系统，包括液压控制器、液压泵、储油箱、管路、送油阀、回油阀、活塞和活塞杆，活塞杆端部设置有压力传感器和压块，压块用于对待测试件提供压力，压力传感器用于采集压块上的压力信息；储油箱与液压泵连接，液压泵通过送油阀与活塞连通，活塞通过回油阀与储油箱连接，液压控制器控制液压泵、送油阀、回油阀进行工作，储油箱设置在试验机底座内。
进一步地，压力箱侧壁上沿竖直方向设置有垂直轨道，垂直轨道上设置有滑动安装架，加热箱通过第一伸缩组件安装在滑动安装架上，第一伸缩组件为中空结构，加热箱中的电源线和信号线设置在伸缩组件的空腔内；所述可移动加热板包括第二伸缩组件、安装块和加热板，第二伸缩组件安装在加热箱相对的内壁上，加热板通过安装块与第二伸缩组件固定连接。
进一步地，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到待测试件单位厚度衰减系数ωt
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度的参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
进一步地，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取方法如下：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算参照试件单位厚度衰减系数ωt参照，当参照试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的试件单位厚度衰减系数ωt参照即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照单位厚度衰减系数ωT。
进一步地，参照试件和待测试件的厚度小于8cm。
本发明还提出一种恒应力压力试验机实时控制系统的工作方法，包括以下步骤：
S1，将待测试件放到压力平台上，采用夹持件固定；
S2，控制加热箱移动到待测试件上方，罩住待测试件，控制可移动加热板移动到待测试件相对两侧，对待测试件进行加热；
S3，温度传感器检测待测试件表面温度，当待测试件表面温度达到预设温度时，调整加热功率，使待测试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将辐射能量传输至工控机控制系统；
S4，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面；控制加热箱离开待测试件；
S5，关闭回油阀，打开送油阀，启动液压泵，使液压油从储油箱进入活塞，从而推动活塞杆向下加压，压力传感器采集活塞杆端部的压力值，并传输至工控机控制系统，工控机控制系统记录并存储当前时刻的压力值；
S6，当压力传感器检测到压力值明显小于上一时刻的压力值时，认为待测试件破碎，记录上一时刻的压力值为待测试件在相应温度下的最大承受压力，停止加压，关闭液压泵，关闭送油阀，打开回油阀，使压力系统进行复位。
进一步地，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到待测试件单位厚度衰减系数ωt
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
进一步地，在进行待测试件压力测试之前，还包括不同温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取步骤：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算参照试件单位厚度衰减系数ωt参照，当参照试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的参照试件单位厚度衰减系数ωt参照即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照试件单位厚度衰减系数ωT。
本发明通过设置滑动安装架及可移动加热箱的配合安装，便于对待测试件进行加热，无需对待测试件进行移动，当加热完成时，快速移开加热箱即可进行压力测试，提高工作效率。采用液压系统作为压力系统，通过液压泵、送油阀、回油阀的设计，便于压力平稳加载，防止加载太快变成冲击试验，加载太慢变成塑性试验。
本发明采用基于辐射吸收原理，结合CT技术，利用介质对X射线在不同温度下的不同的吸收损耗特性，当确定待测试件表面温度时，通过测量待测试件在该温度下的单位厚度衰减系数，判断待测试件是否均匀加热，避免待测试件受热不均匀导致的测量不准，甚至出现较大偏差，提高测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的恒应力压力试验机实时控制系统整体连接示意图；
图2为本发明的恒应力压力试验机实时控制系统的工作流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合具体实施例作进一步的详细说明。
实施例1:
针对无法获知高温待测试件最大承受压力的技术问题，本发明提供一种恒应力压力试验机实时控制系统，包括机架、压力系统、工控机控制系统，机架包括试验机底座，试验机底座上设置有压力箱，压力箱底部设置有压力平台，台面上设置有夹持件，用于将待测试件固定在压力平台上，防止待测试件侧滑；压力箱上部设置有压力系统、加热系统。
压力系统可采用电动伸缩杆、气动伸缩杆或液压伸缩杆等结构形式，本实施例的压力系统采用液压系统，液压系统包括液压控制器、液压泵、储油箱、管路、送油阀、回油阀、活塞和活塞杆，活塞杆端部设置有压力传感器和压块，用于对待测试件提供压力。储油箱与液压泵连接，液压泵通过送油阀与活塞连通，活塞通过回油阀与储油箱连接，液压控制器控制液压泵、送油阀、回油阀进行工作，储油箱设置在试验机底座内。
加热系统包括加热箱，加热箱设置在压力平台上，加热箱体内设置有一对可移动加热板、温度传感器、工业CT发射器和射线接收器；加热箱相对两侧设置有一对可移动加热板，通过调整可移动加热板，使可移动加热板与待测试件表面贴合，提高加热效率；加热箱内部一侧面上设置有工业CT发射器，加热箱体相对的另一侧壁上设置有射线接收器；当待测试件放入加热箱进行加热时，可移动加热板移动至待测试件两侧，并与待测试件表面进行贴合，开始加热，当待测试件表面温度达到设定温度时，降低加热功率，使待测试件表面温度控制在设定温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将接收到的辐射能量I接收传输至工控机控制系统，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面，同时启动压力系统，对待测试件进行压力检测。
压力箱侧壁上沿竖直方向设置的垂直轨道，垂直轨道上设置有滑动安装架，加热箱通过第一伸缩组件安装在滑动安装架上，第一伸缩组件为中空结构，加热箱中的电源线和信号线设置在伸缩组件的空腔内；所述可移动加热板包括第二伸缩组件、安装块和加热板，第二伸缩组件安装在加热箱相对的内壁上，加热板通过安装块与第二伸缩组件固定连接。
基于辐射吸收原理，结合计算机断层扫描技术（CT技术），当CT发射器发出的X射线经过介质时，不同介质会对X射线中能量进行不同程度的吸收、反射和透射，导致X射线快速衰减，例如对于岩石介质，当岩石厚度大于15cm时，出射的X射线会严重衰减，达到难以识别的程度，因此，采用CT技术对岩石介质进行测量时，岩石厚度通常不超过8cm，本实施例中，待测试件采用5cm*5cm*5cm的立方体，便于进行温度测量。
此外，温度越高，介质对X射线的吸收损耗增大，X射线穿透力进一步减弱，在加热过程中，待测试件内部衰减系数增大，当待测试件整体温度恒定保持在一特定值时，待测试件衰减系数将保持在一平稳范围，衰减系数曲线呈现出先升高后平稳的趋势，平稳时的衰减系数即表示待测试件内部温度均达到了与表面温度一致的温度，此时对待测试件进行该温度下的压力测试最为合理，结果更加接近真实情况，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到待测试件单位厚度衰减系数ωt
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
进一步地，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取方法如下：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算参照试件单位厚度衰减系数ωt参照，当参照试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的参照试件单位厚度衰减系数ωt参照即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照试件单位厚度衰减系数ωT。
实施例2:
本发明还提出一种恒应力压力试验机实时控制系统的工作方法，包括以下步骤：
S1，将待测试件放到压力平台上，采用夹持件固定；
S2，控制加热箱移动到待测试件上方，罩住待测试件，控制可移动加热板移动到待测试件相对两侧，对待测试件进行加热；
S3，温度传感器检测待测试件表面温度，当待测试件表面温度达到预设温度时，调整加热功率，使待测试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将辐射能量传输至工控机控制系统；
S4，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面；控制加热箱离开待测试件；
S5，关闭回油阀，打开送油阀，启动液压泵，使液压油从储油箱进入活塞，从而推动活塞杆向下加压，压力传感器采集活塞杆端部的压力值，并传输至工控机控制系统，工控机控制系统记录并存储当前时刻的压力值；
S6，当压力传感器检测到压力值明显小于上一时刻的压力值时，认为待测试件破碎，记录上一时刻的压力值为待测试件在相应温度下的最大承受压力，停止加压，关闭液压泵，关闭送油阀，打开回油阀，使压力系统进行复位。
进一步地，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到试件单位厚度衰减系数ωt
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
进一步地，在进行待测试件压力测试之前，还包括不同温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取步骤：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算试件单位厚度衰减系数ωt参照，当试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的试件单位厚度衰减系数ωt参照即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照单位厚度衰减系数ωT。
本发明通过设置滑动安装架及可移动加热箱的配合安装，便于对待测试件进行加热，无需对待测试件进行移动，当加热完成时，快速移开加热箱即可进行压力测试，提高工作效率。采用液压系统作为压力系统，通过液压泵、送油阀、回油阀的设计，便于压力平稳加载，防止加载太快变成冲击试验，加载太慢变成塑性试验。
本发明采用基于辐射吸收原理，结合CT技术，利用介质对X射线在不同温度下的不同的吸收损耗特性，当确定待测试件表面温度时，通过测量待测试件在该温度下的单位厚度衰减系数，判断待测试件是否均匀加热，避免待测试件受热不均匀导致的测量不准，甚至出现较大偏差，提高测量的准确性。
以上实施例详细说明了本发明的技术特征、原理和作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，不代表本发明的限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的实施例，仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种恒应力压力试验机实时控制系统，包括机架、压力系统、工控机控制系统，其特征在于，机架包括试验机底座，试验机底座上设置有压力箱，压力箱底部设置有压力平台，台面上设置有夹持件，用于将待测试件固定在压力平台上，防止待测试件侧滑；压力箱上部设置有压力系统、加热系统，加热系统包括加热箱，加热箱设置在压力平台上，加热箱体内设置有一对可移动加热板、温度传感器、工业CT发射器和射线接收器；加热箱相对两侧设置有一对可移动加热板，通过调整可移动加热板，使可移动加热板与待测试件表面贴合，提高加热效率；加热箱内部一侧面上设置有工业CT发射器，加热箱体相对的另一侧壁上设置有射线接收器；当待测试件放入加热箱进行加热时，可移动加热板移动至待测试件两侧，并与待测试件表面进行贴合，开始加热，当待测试件表面温度达到设定温度时，降低加热功率，使待测试件表面温度控制在设定温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将接收到的辐射能量I接收传输至工控机控制系统，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面，同时启动压力系统，对待测试件进行压力检测。
2.根据权利要求1所述的一种恒应力压力试验机实时控制系统，其特征在于，压力系统为液压系统，包括液压控制器、液压泵、储油箱、管路、送油阀、回油阀、活塞和活塞杆，活塞杆端部设置有压力传感器和压块，压块用于对待测试件提供压力，压力传感器用于采集压块上的压力信息；储油箱与液压泵连接，液压泵通过送油阀与活塞连通，活塞通过回油阀与储油箱连接，液压控制器控制液压泵、送油阀、回油阀进行工作，储油箱设置在试验机底座内。
3.根据权利要求1所述的一种恒应力压力试验机实时控制系统，其特征在于，压力箱侧壁上沿竖直方向设置的垂直轨道，垂直轨道上设置有滑动安装架，加热箱通过第一伸缩组件安装在滑动安装架上，第一伸缩组件为中空结构，加热箱中的电源线和信号线设置在伸缩组件的空腔内；所述可移动加热板包括第二伸缩组件、安装块和加热板，第二伸缩组件安装在加热箱相对的内壁上，加热板通过安装块与第二伸缩组件固定连接。
4.根据权利要求1所述的一种恒应力压力试验机实时控制系统，其特征在于，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到待测试件单位厚度衰减系数ωt
；
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
5.根据权利要求4所述的一种恒应力压力试验机实时控制系统，其特征在于，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取方法如下：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算参照试件单位厚度衰减系数ωt参照，当参照试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的参照试件单位厚度衰减系数ωt参照即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照试件单位厚度衰减系数ωT。
6.根据权利要求5所述的一种恒应力压力试验机实时控制系统，其特征在于，参照试件和待测试件的厚度小于8cm。
7.一种权利要求1-6任一项的恒应力压力试验机实时控制系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将待测试件放到压力平台上，采用夹持件固定；
S2，控制加热箱移动到待测试件上方，罩住待测试件，控制可移动加热板移动到待测试件相对两侧，对待测试件进行加热；
S3，温度传感器检测待测试件表面温度，当待测试件表面温度达到预设温度时，调整加热功率，使待测试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出的X射线经过待测试件后，由射线接收器接收辐射能量I接收，并将辐射能量传输至工控机控制系统；
S4，工控机控制系统基于接收到的辐射能量I接收，判断是否满足停止加热条件，当满足停止加热条件时，控制加热板停止加热，并控制加热板收缩，离开待测试件表面；控制加热箱离开待测试件；
S5，关闭回油阀，打开送油阀，启动液压泵，使液压油从储油箱进入活塞，从而推动活塞杆向下加压，压力传感器采集活塞杆端部的压力值，并传输至工控机控制系统，工控机控制系统记录并存储当前时刻的压力值；
S6，当压力传感器检测到压力值明显小于上一时刻的压力值时，认为待测试件破碎，记录上一时刻的压力值为待测试件在相应温度下的最大承受压力，停止加压，关闭液压泵，关闭送油阀，打开回油阀，使压力系统进行复位。
8.根据权利要求7所述的工作方法，其特征在于，工控机控制系统在接收到射线接收器接收到的辐射能量I接收后，根据初始辐射强度I0及待测试件厚度d可以得到待测试件单位厚度衰减系数ωt
；
停止加热条件为待测试件单位厚度衰减系数ωt与相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT相等，相应温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT为相应温度下单位厚度参照试件在温度均匀分布时的衰减系数。
9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，在进行待测试件压力测试之前，还包括不同温度下参照试件单位厚度衰减系数ωT获取步骤：
S01：选择规格已知材质相同的参照试件放入加热箱中，移动可移动加热板至参照试件两侧，与参照试件两侧面贴合；
S02，控制可移动加热板进行加热，当参照试件表面温度达到预设温度时，降低加热功率，使参照试件表面温度保持在预设温度，启动工业CT发射器，工业CT发射器发出初始能量为I0参照的X射线，射线接收器接收辐射能量I参照，获取参照试件厚度d参照，计算参照试件单位厚度衰减系数ωt参照，当参照试件单位厚度衰减系数ωt参照达到稳态一定时间后，认为此时得到的参照试件单位厚度衰减系数ωt参展即为所述相应温度下温度均匀分布时该材质的参照试件单位厚度衰减系数ωT。
10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，参照试件和待测试件的厚度小于8cm。
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