JP5769107B2 - Test method for fracture strength of gas hydrate pellets - Google Patents
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この発明は、例えば、海底下等に存在している天然ガスハイドレートを輸送や貯蔵等に適した状態に生成するガスハイドレート生成プラントでガスハイドレートペレットを成形するに際して、ガスハイドレートの性質を把握するため行う破壊強度の試験方法に関する。 The present invention provides, for example, properties of gas hydrate when molding gas hydrate pellets in a gas hydrate production plant that produces natural gas hydrate present under the seabed in a state suitable for transportation and storage. The present invention relates to a test method for breaking strength performed to grasp the above.
シベリアやカナダ、アラスカ等の凍土地帯や大陸周辺部における水深500m以下の海底下には、主成分がメタンである天然ガスハイドレート(NGH)が存在している。このNGHは、メタン等のガス分子と水分子とから構成される低温高圧下で安定した水状固体物質あるいは包接水和物であり、二酸化炭素や大気汚染物質の排出量が少ないクリーンエネルギとして着目されている。 Natural gas hydrate (NGH), the main component of which is methane, exists under the seabed at a depth of 500 m or less in frozen land zones such as Siberia, Canada, and Alaska and in the continental area. This NGH is a water-like solid substance or clathrate hydrate that is composed of gas molecules such as methane and water molecules and is stable under low temperature and high pressure, and as clean energy that emits less carbon dioxide and air pollutants. It is attracting attention.
天然ガスは液化された後、貯蔵されてエネルギとして利用されているが、その製造や貯蔵は−162℃の極低温において行われている。これに対して天然ガスハイドレートは、−20℃で分解せずに安定した性質を示し、固体として扱うことができる等の利点を備えている。このような性質から、世界中に存在している採算面等の理由から未開発の中小ガス田におけるガス資源を有効に利用することができる手段として、あるいは大ガス田からの近距離、小口輸送の場合等に天然ガスをハイドレート化して輸送、貯蔵し、さらに再ガス化して利用する天然ガスハイドレート方式(NGH方式)が期待されている。 Natural gas, after being liquefied, is stored and used as energy, but its production and storage are performed at an extremely low temperature of -162 ° C. On the other hand, natural gas hydrate has the advantage that it exhibits stable properties without being decomposed at −20 ° C. and can be handled as a solid. Because of these characteristics, it is possible to effectively use gas resources in undeveloped small and medium gas fields for reasons such as profitability existing all over the world, or short distance from small gas fields, small-scale transportation. In such a case, a natural gas hydrate system (NGH system) is expected in which natural gas is hydrated for transportation, storage, and regasification.
NGH方式では、中小ガス田等のNGH出荷基地において、輸送や貯蔵に適したNGHを生成し、輸送船や車両等によって所望のNGH受入基地まで輸送され、NGH受入基地では輸送されたNGHを貯蔵し、必要に応じてNGHガス化装置によってエネルギ源として利用することになる。図6は、前記NGH出荷基地に利用されるガスハイドレートの生成プラントの構成の一例を説明する概略のブロック図である。採掘された原料ガスGは高圧反応容器である生成器21において水Wと十分に混合されてハイドレート化され、低濃度のガスハイドレート(GH)スラリーが生成される。生成されたGHスラリーは供給ポンプ22によって脱水器23に供給され、脱水されて高濃度のGHスラリーが生成される。このとき、脱水器23へは該脱水器23の最下部に供給される。供給されたGHスラリーは脱水器23を上昇する際に、脱水器23の途中に設けた水切り部(微細孔やスリット等によりハイドレート粒子と水を分離する部分)で脱水されて、脱水器23の上端部から取り出される。取り出されたガスハイドレートは、パウダー状となったGHパウダーとして取り出される。このGHパウダーがペレット成形器24に供給されて造粒され、輸送や貯蔵等にとって適宜な大きさのGHペレットが形成される。次いで、常圧下においても分解しない温度まで冷却器25により冷却された後、脱圧装置26に供給される。すなわち、前記生成器21から冷却器25に至るまでは、ガスハイドレートの生成条件である常温高圧下において処理がなされ、冷却器25と脱圧装置26とにより、常圧下でも分解しない温度に処理される。その後、形成されたGHペレットは貯蔵槽に給送されて貯蔵される。
In the NGH system, NGH suitable for transportation and storage is generated at NGH shipping bases such as small and medium gas fields, and transported to the desired NGH receiving base by transport ships and vehicles, etc., and the transported NGH is stored at the NGH receiving base. If necessary, it will be used as an energy source by the NGH gasifier. FIG. 6 is a schematic block diagram illustrating an example of the configuration of a gas hydrate generation plant used in the NGH shipping base. The mined source gas G is sufficiently mixed with water W in the
ところで、本願出願人は、貯蔵性に優れたペレットを低コストで製造できるガスハイドレートペレットの製造方法及び製造装置を提案している(特許文献1参照)。このガスハイドレートペレットの製造方法は、ガスハイドレートをその生成条件下において圧縮成形手段により脱水するとともに、前記ガスハイドレートの粒子間におけるガスハイドレート原料ガスと水とをガスハイドレートに形成させ、ペレットに成形するようにしたものである。また、前記圧縮成形手段に、外周面に複数のペレットの成形型を有し、互いに逆方向に回転する一対のロールからなるブリケッティングロールが用いられている。 By the way, the applicant of the present application has proposed a manufacturing method and manufacturing apparatus for gas hydrate pellets that can manufacture pellets excellent in storability at low cost (see Patent Document 1). This method for producing gas hydrate pellets comprises dehydrating gas hydrate by compression molding means under its production conditions, and forming gas hydrate raw material gas and water between the gas hydrate particles into gas hydrate. , Which is molded into pellets. The compression molding means uses a briquetting roll having a plurality of pellet molding dies on the outer peripheral surface and comprising a pair of rolls rotating in opposite directions.
一方、GHペレットの成形装置には前記ブリケッティングロールに限らず種々の形式の成形装置があるが、これらの装置を計画・設計するためには、生成されるGHについての性質、特に貯蔵時や輸送時の効率化が良好となるよう、形成されたペレットの性質等を把握して、その性質等に適した仕様により成形装置を設計する必要がある。ペレットの把握したい性質のうちに、内部摩擦力の大きさがある。すなわち、ペレットの破壊に対する強度を把握するためのパラメータの一つであり、この内部摩擦力を取得するためには、GHペレットの三軸圧縮試験を行う必要がある。この三軸圧縮試験により、供試体の破壊時の軸圧縮力および供試体の断面積とから主応力差(軸方向応力σα−側方向応力σr)を求める。この測定を少なくとも3つ以上のそれぞれ異なった側方向応力について行い、それらの結果から得られる主応力差の最大値である圧縮強さ(σα−σr)maxをσ軸上にとって、図5に示すように、これらを直径とするモールの応力円を描く。これらのモールの応力円の共通接線を描けば、その縦軸の切片が粘着力、勾配がせん断抵抗角として求められる。 On the other hand, there are various types of GH pellet forming equipment, not limited to the above briquetting rolls, but in order to plan and design these equipment, the properties of the generated GH, especially during storage. and so that the efficiency of transportation is good, and what kind, etc. of the formed pellets, it is necessary to design the molding apparatus according to the specifications suitable for the nature and the like. Among the properties that the pellets want to grasp is the size of the internal friction force. That is, it is one of the parameters for grasping the strength against the fracture of the pellet, and in order to acquire this internal friction force, it is necessary to perform a triaxial compression test of the GH pellet. By this triaxial compression test, the main stress difference (axial stress σα−side stress σr) is determined from the axial compression force at the time of fracture of the specimen and the cross-sectional area of the specimen. This measurement is performed for at least three or more different lateral stresses, and the compressive strength (σα−σr) max, which is the maximum value of the principal stress difference obtained from the results, is set on the σ axis, as shown in FIG. In the same way, draw a stress circle of Mole with these as diameters. If the common tangent of the stress circle of these moldings is drawn, the intercept of the vertical axis can be obtained as the adhesive force and the gradient as the shear resistance angle.
三軸圧縮試験としては、例えば非特許文献1に記載されている「土の圧密排水(CD)三軸圧縮試験方法」その他が地盤工学会基準として規定されているものがある。GHペレットについても、この地盤工学会基準に沿った試験を行うことが、定性的・客観的なデータを取得できるので好ましい。また、この種の土質試験の方法としては、例えば、特許文献2に開示されている土木工事材料の土質試験方法等がある。
As the triaxial compression test, for example, “Soil Consolidation Drainage (CD) Triaxial Compression Test Method” described in Non-Patent Document 1 and others are defined as the Geotechnical Society Standards. As for GH pellets, it is preferable to conduct tests in accordance with the Geotechnical Society standards because qualitative and objective data can be obtained. Further, as this kind of soil test method, for example, there is a soil test method for civil engineering materials disclosed in
この三軸圧縮試験のための三軸圧縮試験機は、供試体を収容するゴムスリーブを圧力円筒容器からなる三軸圧力室内に収容させ、載荷ピストンにより供試体の軸方向に荷重を付加して軸方向応力を、三軸圧力室内に充填した水等の加圧液を加圧することによってゴムスリーブの周囲から荷重を付加して側方向応力を付与する構造とされている。 The triaxial compression tester for this triaxial compression test is configured such that a rubber sleeve that accommodates a specimen is accommodated in a triaxial pressure chamber composed of a pressure cylindrical container, and a load is applied in the axial direction of the specimen by a loading piston. the axial stress, there is a structure to impart lateral stress by adding a load from the surrounding rubber sleeve by pressurizing the pressurized liquid such as water filled in the triaxial pressure chamber.
ところで、非特許文献1の三軸圧縮試験方法では、供試体には土砂が用いられるものであるため、三軸圧力室には加圧液に水を供給して試験を行うことができるが、供試体がGHである場合には、常圧下でGHを安定させるためには、約−20℃まで冷却する必要があるから、三軸圧力室に充填された水が凍結してしまう。このため、三軸圧力室には水に代えて不凍液等による冷媒が充填される。また、GHには生成の際の未反応の水が随伴されているから、この水が混在した状態で試験を行っても定性的な評価に資することができず、随伴された水を排除して試験を行うことが必要となる。 By the way, in the triaxial compression test method of Non-Patent Document 1, since earth and sand are used for the specimen, the triaxial pressure chamber can be tested by supplying water to the pressurized liquid, When the specimen is GH, in order to stabilize GH under normal pressure, it is necessary to cool to about −20 ° C., so the water filled in the triaxial pressure chamber is frozen. For this reason, the triaxial pressure chamber is filled with a refrigerant such as an antifreeze liquid instead of water. In addition, since GH is accompanied by unreacted water at the time of production, even if the test is performed in a state where this water is mixed, it cannot contribute to qualitative evaluation, and the accompanying water is excluded. Testing is required.
さらに、三軸圧力室に供給された冷媒が供試体であるGHペレットを収容しているゴムスリーブ内に滲入してしまっては、冷媒がGHペレットと反応してGHペレットを分解させてしまうおそれがあるから、冷媒を供試体に接触させないようにする必要がある。 Furthermore, if the refrigerant supplied to the triaxial pressure chamber infiltrates into the rubber sleeve containing the GH pellet as the specimen, the refrigerant may react with the GH pellet and decompose the GH pellet. Therefore, it is necessary to prevent the refrigerant from coming into contact with the specimen.
そこで、この発明は、GHペレットの破壊強度を把握するために三軸圧縮試験を行うに際して、確実にデータを測定できるようにしたGHペレットの破壊強度の試験方法を提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a method for testing the breaking strength of GH pellets, which can reliably measure data when performing a triaxial compression test to grasp the breaking strength of GH pellets.
前記目的を達成するための技術的手段として、この発明に係るガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法は、供試体をゴム製のゴムスリーブに収容させ、該ゴムスリーブを圧力円筒容器からなる三軸圧力室に収容させ、供試体には載荷ピストンで軸方向に荷重を付加し、三軸圧力室内の加圧液の圧力を上昇させて側方向からの荷重を付加する三軸圧縮試験機を用いたガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法において、前記ゴムスリーブにガスハイドレートペレットを収容させ、前記三軸圧力室にガスハイドレートを常圧下でも分解させない温度まで冷却する冷媒を充填し、前記ゴムスリーブ内の内圧と三軸圧力室の内圧とを、ガスハイドレートが常温でも分解しない圧力まで昇圧させ、前記三軸圧縮試験機を、前記冷媒温度が常温に昇温するまで放置し、前記載荷ピストンを作動させて適宜大きさの軸方向荷重をガスハイドレートペレットに付加する垂直方向応力付与工程と、前記三軸圧力室の加圧液の圧力を適宜な大きさまで上昇させて側方向荷重をガスハイドレートペレットに付加する水平方向応力付与工程と、を交互に行って三主応力方向荷重を所望の大きさに到達させ、三主応力方向荷重が所望の大きさにある状態で、前記載荷ピストンで軸方向荷重を付加してガスハイドレートの破壊強度を測定することを特徴としている。 As a technical means for achieving the above object, according to the test method for fracture strength of gas hydrate pellets according to the present invention, a specimen is accommodated in a rubber sleeve made of rubber, and the rubber sleeve is made of a pressure cylindrical container. is accommodated in the axial pressure chamber, the specimen added to the load in the axial direction by loading the piston, a triaxial compression test machine for adding a load from increasing the pressure of the pressurized liquid triaxial pressure chamber side direction In the test method for the fracture strength of the gas hydrate pellets used, the rubber sleeve accommodates the gas hydrate pellets, and the triaxial pressure chamber is filled with a refrigerant that cools the gas hydrate to a temperature that does not decompose even under normal pressure, The internal pressure of the rubber sleeve and the internal pressure of the triaxial pressure chamber are increased to a pressure at which the gas hydrate does not decompose even at room temperature, and the triaxial compression tester And left to warm to temperature, and the vertical stress applying step of the axial load of the appropriate size by operating the loading piston is added to the gas hydrate pellets, the pressure of the pressurized liquid of the triaxial pressure chamber raised to an appropriate size and allowed to reach and horizontal stress applying step of adding a lateral load to the gas hydrate pellets, three principal stress direction load performed alternately into a desired size, the three principal stress direction load is in a state in desired size, it is characterized by measuring the breaking strength of the gas hydrate by adding an axial load in the loading piston.
GH生成プラントによって生成されたGHで形成したペレットを前記ゴムスリーブに収容される。このとき、形成されたGHペレットの形状・寸法は、ゴムスリーブに収容させるのに必要十分なものとし、このGHペレットを供する前記三軸圧縮試験機に要求される形状・寸法である。 Pellets formed with GH produced by a GH production plant are accommodated in the rubber sleeve. At this time, the shape and dimensions of the formed GH pellets are necessary and sufficient to be accommodated in the rubber sleeve, and are the shapes and dimensions required for the triaxial compression tester that provides the GH pellets.
GHペレットをゴムスリーブに供給する際には、大気圧(常圧)中において行われるから、GHペレットが分解しないよう、約−20℃の低温雰囲気中に置く必要がある。このため、前記三軸圧力室の加圧液として不凍液等の冷媒を用いてゴムスリーブ内を冷却する。この状態では、GHペレットに随伴された生成時の未反応の水が凍結して氷の状態で混在している。このため、この状態にあるGHペレットについて試験を行うことはできない。そこで、氷を解凍させてGHペレットから排除する必要が生じる。氷を解凍させるためには、GHペレットを常温まで温度を上昇させることになるため、GHを高圧下に置くことを要する。すなわち、三軸圧力室の加圧液を昇圧させてGHペレットの側方向応力を大きくさせ、ゴムスリーブ内に間隙水を加えてその水圧を大きくすることで、GHペレットを高圧下に置く。このとき、GHの生成圧力(約5.4MPa)まで昇圧すればよいが、破壊強度の試験を行うことになるため、生成圧力よりも大きく、例えば、三軸圧力室とゴムスリーブ内部の圧力をいずれも7MPaとする。あるいは、試験を行う際には、側方向応力を上昇させる必要があるから、例えば、三軸圧力室を7.5MPaとし、ゴムスリーブ内の間隙水の圧力である7MPaに対して0.5MPa大きく設定する。 When the GH pellet is supplied to the rubber sleeve, it is carried out at atmospheric pressure (normal pressure), so it is necessary to place the GH pellet in a low temperature atmosphere of about −20 ° C. so that the GH pellet does not decompose. For this reason, the inside of the rubber sleeve is cooled using a refrigerant such as an antifreeze liquid as the pressurized liquid in the triaxial pressure chamber. In this state, unreacted water at the time of production accompanying the GH pellet is frozen and mixed in an ice state. For this reason, it is not possible to test a GH pellet in this state. Therefore, it is necessary to thaw the ice and remove it from the GH pellet. In order to thaw ice, it is necessary to place GH under high pressure because the temperature of the GH pellet is raised to room temperature. That is, the pressurized liquid in the triaxial pressure chamber is pressurized to increase the lateral stress of the GH pellet, and pore water is added to the rubber sleeve to increase the water pressure, thereby placing the GH pellet under high pressure. At this time, it is sufficient to increase the pressure to the GH generation pressure (about 5.4 MPa). However, since the fracture strength test is performed, the pressure is higher than the generation pressure, for example, the pressure inside the triaxial pressure chamber and the rubber sleeve Is 7MPa. Alternatively, when performing the test, it is necessary to increase the lateral stress. For example, the triaxial pressure chamber is set to 7.5 MPa, and the pressure is set to 0.5 MPa larger than 7 MPa that is the pressure of water in the rubber sleeve. .
次いで、三軸圧力室内の冷媒の温度を常温、例えば試験室の室温まで上昇させる。このためには、三軸圧縮試験機を放置して冷媒温度の上昇を待つ。 Next, the temperature of the refrigerant in the triaxial pressure chamber is raised to room temperature, for example, room temperature of the test chamber. For this purpose, the triaxial compression tester is left to wait for the refrigerant temperature to rise.
冷媒の温度が常温まで上昇した状態では、GHペレットに混在していた氷が解凍された状態となる。この状態で、前記載荷ピストンを作動させてGHペレットに適宜な大きさの軸方向応力を付与する垂直方向応力付与工程が実行される。このときの「適宜な大きさ」の載荷幅である軸方向応力の大きさは、後述するように、側方向応力を試験値まで到達させるまでの段階の回数に応じて選定されるもので、例えば、段階の回数が10回であれば、載荷幅も段階的に10回に分けて付与すれば所望の大きさの軸方向応力となるものとする。なお、三軸圧力試験機では、三軸圧力室の内圧が上昇すると、ゴムスリーブ内の間隙水の圧力も均衡する値となるように制御されている。 In a state where the temperature of the refrigerant has risen to room temperature, the ice mixed in the GH pellet is thawed. In this state, a vertical stress applying step is performed in which the load piston is operated to apply an appropriate amount of axial stress to the GH pellet. The magnitude of the axial stress which is the loading width of “appropriate size” at this time is selected according to the number of stages until the side stress reaches the test value, as will be described later. For example, if the number of steps is 10, the loading stress is divided into 10 steps and the axial stress of a desired magnitude is obtained. In the triaxial pressure tester, when the internal pressure of the triaxial pressure chamber increases, the pressure of the pore water in the rubber sleeve is controlled to be a balanced value.
適宜な載荷幅で軸方向応力を付与したならば、三軸圧力室の加圧液の圧力を上昇させて、GHペレットの側方向応力を、それまでの値よりも適宜に大きくする水平方向応力付与工程が実行される。この場合の「適宜に大きくする」昇圧幅は、試験を実施すべき側方向応力の大きさ(試験値)に到達させるまでに段階的に昇圧させるのに、昇圧途中でGHペレットが不用意に破壊することがなく、かつ、極力少ない回数で所望の側方向応力まで上昇させることができる大きさとする。なお、所望の大きさの側方向応力まで上昇させる段階的な回数を多くする、すなわち昇圧幅を小さくするとGHペレットが不用意に破壊される機会が少なくなって好ましいが、昇圧させるまでに要する時間がかかり、試験時間を長くしてしまうことにもなる。また、昇圧幅は、試験に供すべきGHの生成状態等に応じて異なるものであり、当該GHにとって適宜となる昇圧幅とするものである。 If an axial stress is applied with an appropriate loading width, a horizontal stress that increases the pressure of the pressurized liquid in the triaxial pressure chamber to increase the lateral stress of the GH pellets to an appropriate value above the previous value. An application process is performed. In this case, the “appropriately increased” boost width is increased stepwise before reaching the magnitude of the lateral stress to be tested (test value). The size is such that it can be increased to a desired lateral stress without breaking and with as few times as possible. Increasing the number of stepwise increases to the desired amount of side stress, that is, reducing the pressure increase width is preferable because it reduces the chance that the GH pellet is inadvertently destroyed, but the time required for pressure increase This increases the test time. Further, the boosting width varies depending on the generation state of GH to be subjected to the test, and the boosting width is appropriate for the GH.
上述のように、載荷ピストンによる軸方向応力の増加させる垂直方向応力付与工程と三軸圧力室の昇圧による側方向応力を増加させる水平方向応力付与工程とを適宜な回数繰り返して、側方向応力を所望の大きさとする。このとき、側方向応力と軸方向応力の差を、側方向応力の試験値とする。例えば、前述のように、初期には軸方向応力と側方向応力とが7.0MPaと7.5MPaであれば、その差の0.5MPaが側方向応力としてGHに付与されていることとなる。側方向応力の試験値は、この差とすればよい。すなわち、側方向応力の試験値として3.0MPaとする場合には、前記垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを交互に行って、側方向応力と軸方向応力との差が3.0MPaとなるようにする。 As described above, the vertical stress applying step for increasing the axial stress by the loading piston and the horizontal stress applying step for increasing the side stress due to the pressure increase in the triaxial pressure chamber are repeated an appropriate number of times, so that the side stress is increased. Set to the desired size. At this time, the difference between the lateral stress and the axial stress is taken as the test value for the lateral stress. For example, as described above, if the axial stress and the lateral stress are 7.0 MPa and 7.5 MPa in the initial stage, the difference of 0.5 MPa is applied to GH as the lateral stress. The test value of the lateral stress may be this difference. That is, when the test value of the side stress is 3.0 MPa, the vertical stress applying step and the horizontal stress applying step are alternately performed, and the difference between the side stress and the axial stress is 3.0 MPa. To be.
所望の側方向応力が得られたならば、載荷ピストンを作動させて軸方向応力を付与して、破壊強度の測定を行う。 Once the desired lateral stress is obtained, the loading piston is actuated to apply axial stress and measure the fracture strength.
このように、前記垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを交互に行って、複数の値の側方向応力における破壊強度の測定を行えば、それぞれについてのモールの応力円を描くことができ、それらの共通接線を描いて、粘着力とせん断抵抗角とが求められることになる。 Thus, if the vertical stress applying step and the horizontal stress applying step are alternately performed and the fracture strength is measured in a plurality of values of the side stress, the stress circle of the molding can be drawn for each. The common tangent line is drawn, and the adhesive force and the shear resistance angle are required.
また、請求項2の発明に係るガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法は、前記垂直方向応力付与工程における静止土圧係数を、0.5を下限とし、前記水平方向応力付与工程における静止土圧係数を、1.0を上限とすることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for testing the fracture strength of a gas hydrate pellet, wherein the static earth pressure coefficient in the vertical direction stress applying step is 0.5, and the static earth pressure coefficient in the horizontal direction stress applying step is 0.5. Is characterized by an upper limit of 1.0.
なお、静止土圧係数(Κ0)は、軸方向応力をsv'とし、水平方向応力をsh'とすると、式1に示すように、これらの応力の比である。
Κ0 = sh'/sv' [式1]
The static earth pressure coefficient (Κ 0 ) is a ratio of these stresses as shown in Equation 1, where sv ′ is the axial stress and sh ′ is the horizontal stress.
Κ 0 = sh '/ sv' [Formula 1]
すなわち、静止土圧係数(Κ0)が、0.5<Κ0<1.0の範囲で前記垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを実施するようにしたものである。 That is, the vertical stress applying step and the horizontal stress applying step are performed in a range where the static earth pressure coefficient (Κ 0 ) is in the range of 0.5 <Κ 0 <1.0.
前記静止土圧係数(Κ0)が0.5以上であれば、測定に係る供試体であるGHが弾性域にあるとされている値であり、これ以下となるように軸方向応力を付与した場合には、GHが不用意に破壊されてしまって、所望の測定を行えなくなることが考えられる。また、静止土圧係数(Κ0)が1.0以上となると、水平方向応力の増加量が大きくなりすぎて、ガスハイドレートが破壊されるおそれが高くなる。 If the static earth pressure coefficient (Κ 0 ) is 0.5 or more, it is the value that GH, which is the specimen to be measured, is in the elastic region, and when axial stress is applied so as to be less than this value In some cases, GH is inadvertently destroyed, making it impossible to perform a desired measurement. Further, when the static earth pressure coefficient ( 0 ) is 1.0 or more, the amount of increase in the horizontal stress becomes too large, and there is a high possibility that the gas hydrate is destroyed.
この発明に係るGHペレットの破壊強度の試験方法によれば、GHペレットの破壊強度を把握することができるので、生成されたGHの性質を確実に把握することができて、そのペレット成形器の計画・設計に資することができ、保存や輸送等にとって高効率のGHペレットを成形することができて、GHの利用効率を向上させることができる。 According to the method for testing the breaking strength of GH pellets according to the present invention, the breaking strength of GH pellets can be grasped, so the properties of the generated GH can be reliably grasped, and the pellet molding machine It can contribute to planning and design, can form GH pellets that are highly efficient for storage and transportation, etc., and can improve the utilization efficiency of GH.
以下、図示した好ましい実施の形態に基づいて、この発明に係るガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法を具体的に説明する。最初に、三軸圧縮試験機について構造と動作の概略を説明する。 Hereinafter, based on the preferred embodiments shown in the drawings, a method for testing the breaking strength of gas hydrate pellets according to the present invention will be specifically described. First, an outline of the structure and operation of the triaxial compression tester will be described.
図2には、非特許文献1による試験方法の実施に供させる三軸圧縮試験機1の概略構造を示してある。この三軸圧縮試験機1は、圧力円筒により形成された三軸圧力室2とこの三軸圧力室2内に配されたゴム製の円筒からなるゴムスリーブ3が配されており、破壊試験に供される供試体Sはこのゴムスリーブ3に収容される。ゴムスリーブ3内に収容される供試体Sは載置板4aを介在させてペデスタル4上に載置され、供試体Sの上部には押下板5aを介在させて載荷ピストン5が配され、この載荷ピストン5が図示しない圧縮装置により摺動するピストンロッド5bによって供試体Sを圧縮するようにしてある。
FIG. 2 shows a schematic structure of a triaxial compression tester 1 used for carrying out the test method according to Non-Patent Document 1. This triaxial compression tester 1 is provided with a
前記三軸圧力室2には供試体Sに側方向応力を付与する加圧液が充填されており、圧縮機6により圧力が調整されるようにしてある。なお、土質の試験の場合には、加圧液には水が用いられている。三軸圧力室2の内圧は、圧力計7等によって取得される。また、前記圧縮機6の吐出口には、前記ゴムスリーブ3内に連通させて背圧管6aが接続されており、ゴムスリーブ3内を加圧することができるようにしてある。なお、背圧は背圧管6aに配された背圧計6b等で測定される。
The
土質についての試験の場合には前記供試体Sが土砂等であるため、加圧されることにより含有された水分が搾り出されるから、ゴムスリーブ3内に滲出した水を排出する排出管8等が連通させてある。なお、前記載置板4aや押下板5aには滲出水等が通過できるように、焼結金属等による多孔板が用いられており、ゴムスリーブ3の内圧を急激に低下させることなく滲出水等を排出できるようにしてある。また、前記背圧管6aと排出管8とは一部を共通にして、適宜な位置に切替バルブ9を介在させてある。
In the case of the soil test, since the specimen S is earth and sand, the contained moisture is squeezed out by being pressurized, so that the
また、前記載荷ピストン5が押下することによって供試体Sに付与される軸方向応力は、荷重計10aや変位計10b等により測定されるようにしてある。
Further, the axial stress applied to the specimen S when the
前述した三軸圧縮試験機1を用いてGHペレットを供試体Sとした、三軸圧縮試験による破壊強度の試験方法を説明する。 A description will be given of a fracture strength test method by a triaxial compression test using the above-described triaxial compression tester 1 and using a GH pellet as a specimen S.
GHペレットは、GH生成プラント等で生成されたGHをペレタイザー等のペレット成形器によって、前記ゴムスリーブ3に収容可能な形状・寸法に成形する。ゴムスリーブ3が円筒形であるから、GHペレットもほぼ円筒形となる。GHペレットは常圧下では約−20℃に冷却した状態でなければ、分解されて不安定な状態にある。三軸圧縮試験機は試験室等の常温雰囲気中にあるから、GHを冷却する必要がある。また、−20℃まで冷却するため、三軸圧力室2に加圧液として水を充填する場合には凍結してしまうから、加圧液としては約−20℃まで冷却した不凍液等の冷媒を充填しておく。
The GH pellets are formed into a shape and size that can be accommodated in the
次に、この発明に係るGHペレットの破壊強度の試験方法を説明する。 Next, a test method for the breaking strength of the GH pellet according to the present invention will be described.
三軸圧力室2に約−20℃に冷却した不凍液等の冷媒を充填した状態で、円筒形に成形された供試体としてのGHペレットを収容させる。このGHペレットには、生成の際にメタンガスと反応させるために供給された水のうちの未反応の水が凍結した状態で混在している。この氷が存在する状態で行った試験では、定性的でなく客観性が担保された値とならないおそれがあるから、この氷を排除する必要があり、GHペレットを常温まで昇温させる必要がある。GHペレットを常温雰囲気下に置く場合には、高圧の状態として、分解しないようにする必要がある。このため、前記三軸圧力室2とゴムスリーブ3の内部の圧力を上昇させる。すなわち、前記圧縮機3を作動させて三軸圧力室2の内圧を上昇させると共に、適宜な切替バルブ9を開閉させることによって背圧管6aをゴムスリーブ3内と連通させて、ゴムスリーブ3内に間隙水を供給して加圧する。また、GHの生成圧力が約5.4MPaであるから、それ以上に昇圧すればよく、例えば、三軸圧力室2の内圧を7.5MPaに、ゴムスリーブ3の内圧を7.0MPaとして、僅かに三軸圧力室2の内圧を大きくすることにより、GHペレットに水平方向応力を予め付与することができる。なお、圧力差を設けずに等しい圧力下に置いても構わない。
In the state where the
GHを高圧下に置いた状態で、三軸圧縮室2内の冷媒が常温となるまで待機する。三軸圧力室2内の冷媒が常温となると、GHも常温まで上昇し、内部に混在している氷が解凍されて水となる。この水は、ゴムスリーブ3内の圧力を維持した状態で排出管8から排出する。
With GH placed under high pressure, it waits until the refrigerant in the
三軸圧力室2とゴムスリーブ3内が常温まで上昇した状態を、図1(a)に示してある。土質の場合の三軸圧縮試験では、三軸圧力室2の内圧を上昇させて、供試体Sに側方向応力を付与し、所望の大きさの側方向応力となった状態で、前記載荷ピストン5で軸方向応力を付与することで破壊試験を行う。この方式をそのままGHで実施しようと、側方向応力を所望の大きさまで一度で上昇させると、その途中において、図1(d)に示すように、GHが縮径して、ゴムスリーブ3が載荷ピストン5から脱落してしまい、GHペレットが三軸圧力室2内の冷媒に接触してしまった。この冷媒にはアルコール系の不凍液が用いられるため、GHペレットを分解させてしまい、三軸圧縮試験を行えなくなってしまった。
FIG. 1A shows a state where the
このため、図1(b)に示すように、前記載荷ピストン5を作動させてGHに適宜な大きさの軸方向荷重を付加して軸方向応力を付与する垂直方向応力付与工程を行って、僅かに軸方向応力を増加させる。このとき、GHペレットは軸方向の荷重により僅かに拡径すると考えられる。次いで、図1(c)に示すように、三軸圧力室2の冷媒の圧力を僅かに上昇させてGHペレットに側方向荷重を付加する水平方向応力付与工程を行う。このときに付加された側方向荷重によって、拡径したGHペレットが元の径に復元されると考えられ、このため、ゴムスリーブ3が載荷ピストン5から脱落することがない。
Therefore, as shown in FIG. 1 (b), performing the vertical stress applying step of applying an axial stress by adding an axial load of appropriate size said the
前記垂直応力付与工程においては、静止土圧係数(Κ0)が0.5を下回らないように、すなわち、0.5を下限として軸方向荷重を付加し、前記水平方向応力付与工程においては、静止土圧係数(Κ0)が1.0を上回らないように、すなわち、1.0を上限として三軸圧力室2内の圧力を上昇させて側方向荷重を付加する。
Wherein the vertical stress applying step, so as not to fall below the stationary earth pressure coefficient (Kappa0) is 0.5, i.e., 0.5 is added an axial load to the lower limit, in the horizontal direction stress applying step, a stationary earth pressure coefficient ( The side load is applied by increasing the pressure in the
換言すれば、静止土圧係数(Κ0)が、0.5<Κ0<1.0の範囲で前記垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを行って、三主応力方向応力が所望の大きさとなるまで、これら垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを交互に行うことを繰り返すようにしたものである。このとき、垂直方向応力と水平方向応力とは僅かずつで増加させることになる。
なお、静止土圧係数(Κ0)は、軸方向応力をsv'とし、水平方向応力をsh'とすると、式1に示すように、これらの応力の比である。
Κ0 = sh'/sv' [式1]
In other words, when the static earth pressure coefficient (Κ 0 ) is within the range of 0.5 <Κ 0 <1.0, the vertical stress applying step and the horizontal stress applying step are performed, and the three principal stress direction stresses are set to a desired magnitude. Until it becomes, it repeats performing these vertical direction stress provision process and horizontal direction stress provision process alternately. At this time, the vertical stress and the horizontal stress are increased little by little.
The static earth pressure coefficient (Κ 0 ) is a ratio of these stresses as shown in Equation 1, where sv ′ is the axial stress and sh ′ is the horizontal stress.
Κ 0 = sh '/ sv' [Formula 1]
そして、水平方向応力が所望の大きさとなったならば、前記載荷ピストン5を作動させて、GHペレットの破壊強度を測定する。なお、水平方向応力の値は、例えば前記圧力計7の指示により測定し、軸方向応力の値は、例えば前記荷重計10aや変位計10bの指示より測定する。
When the horizontal stress becomes a desired magnitude, the
以上の操作を異なる値の水平方向応力について行うことにより、GHペレットの破壊時の軸圧縮力および断面積とから主応力差、軸方向応力すなわち垂直方向応力σαと、側方向応力すなわち水平方向応力σrとの差(σα−σr)を求めて、主応力差の最大値である圧縮強さ(σα−σr)maxをσ軸上にとって、図5に示すように、これらを直径とするモールの応力円を描く。これらのモールの応力円の共通接線を描けば、その縦軸の切片が粘着力、勾配がせん断抵抗角として求められる。 By performing the above operations for different values of horizontal stress, the main stress difference, axial stress, ie, vertical stress σ α , and lateral stress, ie, horizontal direction, are determined from the axial compression force and cross-sectional area at the time of fracture of the GH pellet. The difference (σ α −σ r ) from the stress σ r is obtained, and the compressive strength (σ α −σ r ) max, which is the maximum value of the main stress difference, is set on the σ axis, as shown in FIG. Draw a stress circle with a diameter of. If the common tangent of the stress circle of these moldings is drawn, the intercept of the vertical axis can be obtained as the adhesive force and the gradient as the shear resistance angle.
図3には、本願発明の手順で水平方向応力sh'[MPa]を付加した場合のGHペレットの周歪Εpr[%]の変化を示している。このとき、前記静止土圧係数(Κ0)は上限が0.7となるとし、0.5<Κ0<0.7の範囲で前記垂直方向応力付与工程と水平方向応力付与工程とを実施するようにした。また、図4には、 本願発明の手順によらずに水平方向応力sh'[MPa]を付加した場合のGHペレットの周歪Εpr[%]の変化を示している。 FIG. 3 shows a change in the circumferential strain Εpr [%] of the GH pellet when the horizontal direction stress sh ′ [MPa] is applied in the procedure of the present invention. At this time, the upper limit of the static earth pressure coefficient (Κ0) is 0.7, and the vertical stress applying step and the horizontal stress applying step are performed in the range of 0.5 <Κ0 <0.7. Further, FIG. 4 shows a change in the circumferential strain Εpr [%] of the GH pellet when the horizontal stress sh ′ [MPa] is applied regardless of the procedure of the present invention.
図4に示すように、本願発明の手順によらない場合には、すなわち、水平方向応力sh'を継続して付与する場合には、0.6〜0.7[MPa]から1.0[MPa]まで周歪Εprが約5.0%で一定に推移するが、1.0[MPa]を越えた状態で急激に周歪Εprが10[%]を越えてしまって試験続行が不可能となった。 As shown in FIG. 4, when the procedure of the present invention is not used, that is, when the horizontal stress sh ′ is continuously applied, the circumferential strain Εpr is from 0.6 to 0.7 [MPa] to 1.0 [MPa]. However, the circumferential strain Εpr suddenly exceeded 10 [%] while exceeding 1.0 [MPa], and the test could not be continued.
一方、本願発明の手順による場合には、水平方向応力sh'が3.0[MPa]まで上昇した時点であっても、周歪Εprが2.0[%]であって、試験を続行することができた。 On the other hand, in the case of the procedure of the present invention, even when the horizontal stress sh ′ increased to 3.0 [MPa], the circumferential strain Εpr was 2.0 [%] and the test could be continued. .
この発明に係るGHペレットの破壊強度の試験方法によれば、GHペレットの破壊強度を極力正確に測定でき、従って、内部摩擦力を求めることが可能となって、より貯蔵や輸送に優れたGHペレットの成形に寄与する。 According to the method for testing the breaking strength of GH pellets according to the present invention, the breaking strength of GH pellets can be measured as accurately as possible, and therefore it is possible to determine the internal friction force, which is superior in storage and transportation. Contributes to the formation of pellets.
S 供試体
1 三軸圧縮試験機
2 三軸圧力室
3 ゴムスリーブ
5 載荷ピストン
6 圧縮機
6a 背圧管
7 圧力計
8 排水管
9 切替バルブ
10a 荷重計
10b 変位計
S Specimen 1
6a Back pressure pipe 7
10a load cell
10b Displacement meter
Claims (2)
前記ゴムスリーブにガスハイドレートペレットを収容させ、
前記三軸圧力室にガスハイドレートを常圧下でも分解させない温度まで冷却する冷媒を充填し、
前記ゴムスリーブ内の内圧と三軸圧力室の内圧とを、ガスハイドレートが常温でも分解しない圧力まで昇圧させ、
前記三軸圧縮試験機を、前記冷媒温度が常温に昇温するまで放置し、
前記載荷ピストンを作動させて適宜大きさの軸方向荷重をガスハイドレートペレットに付加する垂直方向応力付与工程と、前記三軸圧力室の加圧液の圧力を適宜な大きさまで上昇させて側方向荷重をガスハイドレートペレットに付加する水平方向応力付与工程と、を交互に行って三主応力方向荷重を所望の大きさに到達させ、
三主応力方向荷重が所望の大きさにある状態で、前記載荷ピストンで軸方向荷重を付加してガスハイドレートの破壊強度を測定することを特徴とするガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法。 The specimen is accommodated in a rubber rubber sleeve, and the rubber sleeve is accommodated in a triaxial pressure chamber composed of a pressure cylindrical container. A load is applied to the specimen in the axial direction by a loading piston, and the specimen is added in the triaxial pressure chamber. In the test method of fracture strength of gas hydrate pellets using a triaxial compression tester that increases the pressure of the pressurized liquid and adds a load from the side direction,
Gas hydrate pellets are housed in the rubber sleeve,
The triaxial pressure chamber is filled with a refrigerant that cools the gas hydrate to a temperature that does not decompose even under normal pressure,
Increasing the internal pressure of the rubber sleeve and the internal pressure of the triaxial pressure chamber to a pressure at which the gas hydrate does not decompose even at room temperature,
The triaxial compression tester is allowed to stand until the refrigerant temperature rises to room temperature,
The vertical stress applying step of the axial load of the appropriate size by operating the loading piston is added to the gas hydrate pellets, the triaxial an elevated by laterally the pressure of the pressurized liquid in the pressure chamber to the appropriate size and horizontal stress applying step of a load added to the gas hydrate pellets, three principal stress direction load performed alternately to reach the desired size,
While three principal stress direction load is in the desired size, the method of testing breaking strength of the gas hydrate pellets, characterized in that to measure the breaking strength of the gas hydrate by adding an axial load in the loading piston .
前記水平方向応力付与工程における静止土圧係数を、1.0を上限とすることを特徴とする請求項1に記載のガスハイドレートペレットの破壊強度の試験方法。 The static earth pressure coefficient in the vertical stress application step, with 0.5 as the lower limit,
The test method for the fracture strength of a gas hydrate pellet according to claim 1, wherein the static earth pressure coefficient in the horizontal stress applying step is 1.0 as an upper limit.
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