[發明專利]一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置及其方法

在審

• 申請號: 202010101061.2
• 申請日: 2020-02-19
• 公開（公告）號: CN111272562A
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發明（設計）人: 蔡婷婷;馮增朝;姜玉龍;趙東;蘇曉玉
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01F17/00
• 代理公司: 山西五維專利事務所(有限公司) 14105
• 代理人: 雷立康

1.一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置，其特征在于：包括三軸試驗釜、軸向位移傳感器(9)、磁致式液位計(11)、圍壓控制端口(13)、氣體加載系統(14)、液體加載系統(15)、數據采集處理系統(12)和五個控制閥，所述三軸試驗釜由試驗釜外腔體(1)、試驗釜內缸體、傳壓缸體(2)、上墊塊(3-1)、下墊塊(3-2)、橡膠套(5)、底部接觸墊塊(7)、封蓋(16)和加熱裝置(10)組成，所述上墊塊(3-1)和下墊塊(3-2)分別設置在橡膠套(5)內腔的上下兩端，所述試驗釜內缸體由上蓋(8-1)、缸體(8-2)、下蓋(8-3)和底座(8-4)構成，所述封蓋(16)裝在上蓋(8-1)內腔下部設置的凹槽中并位于缸體(8-2)頂面上，所述上蓋(8-1)通過內螺紋與缸體(8-2)外表面的上部連接，所述傳壓缸體(2)裝在上蓋(8-1)內腔中且傳壓缸體(2)的傳壓軸穿過上蓋(8-1)頂部中心設置的軸孔與軸向位移傳感器(9)連接，所述傳壓缸體(2)的下部穿過封蓋(16)中心設置的圓孔且其底面與上墊塊(3-1)的上端面相接觸，所述橡膠套(5)及上墊塊(3-1)、下墊塊(3-2)裝在傳壓缸體(2)與底部接觸墊塊(7)之間，所述底部接觸墊塊(7)與底座(8-4)中心設置的螺孔連接，所述下墊塊(3-2)的下端面與底部接觸墊塊(7)的上端面相接觸，所述底座(8-4)的上部通過外螺紋與缸體內腔的下部連接，所述橡膠套(5)的外表面與缸體(8-2)、底座(8-4)和封蓋(16)形成圍壓腔(6)，所述下蓋(8-3)通過內螺紋與缸體(8-2)外表面的下部連接并使底座(8-4)的底部位于其中心設置的孔中，所述試驗釜內缸體裝在試驗釜外腔體(1)中，所述加熱裝置(10)包裹在試驗釜外腔體(1)的外面；所述磁致式液位計(11)的出液口通過管道和第一控制閥(F1)與圍壓腔(6)連接，所述磁致式液位計(11)的進液口通過管道和第二控制閥(F2)與圍壓控制端口(13)的出液口連接，所述磁致式液位計(11)的進氣口通過管道和第三控制閥(F3)與圍壓控制端口(13)的出氣口連接，所述磁致式液位計(11)的數據采集端與數據采集處理系統(12)連接；所述圍壓控制端口(13)的進氣口通過管道和第四控制閥門(F4)與氣體加載系統(14)連接，所述圍壓控制端口(13)的進液口通過管道和第五控制閥門(F5)與液體加載系統(15)連接。

2.根據權利要求1所述的一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置，其特征在于：所述磁致式液位計(11)由磁致伸縮位移傳感器(11-1)、浮子(11-2)和液位計外殼(11-3)組成，所述浮子(11-2)套在磁致伸縮位移傳感器(11-1)上并漂浮于液面上方，并能沿傳感器測桿隨液位的變化而上下移動，所述浮子(11-2)和磁致伸縮位移傳感器(11-1)裝在液位計外殼(11-3)的內腔中，所述液位計外殼(11-3)的底部設有進液口和出液口，所述液位計外殼(11-3)的上部設有進氣口。

3.根據權利要求2所述的一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置，其特征在于：所述磁致式液位計(11)內環形液面的截面積為33.755mm²；所述磁致式液位計(11)高度量程400mm，高度分辨率為0.01mm，對應的體積測量分辨率為0.33755mm³；體積變形測量量程為13502mm³，能實現磁致式液位計(11)內液體體積變形的精確測量。

4.根據權利要求2所述的一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置，其特征在于：所述液位計外殼(11-3)為厚壁、高強度的不銹鋼管。

5.一種采用權利要求1～4任一項所述的一種測量巖石高溫蠕變體積變形的裝置的測量方法，其特征在于，測量步驟為：

1)將巖石試樣(4)裝在三軸試驗釜的橡膠套(5)內，把三軸試驗釜、軸向位移傳感器(9)、磁致式液位計(11)、圍壓控制端口(13)、氣體加載系統(14)、液體加載系統(15)、數據采集處理系統(12)和五個控制閥連接好；

2)首先關閉第三控制閥(F3)、第四控制閥(F4)，打開第一控制閥(F1)、第二控制閥(F2)和第五控制閥(F5)，液體加載系統(15)通過圍壓控制端口(13)的出液口向磁致式液位計(11)和三軸試驗釜圍壓腔(6)注入液體；然后關閉第二控制閥(F2)和第五控制閥(F5)，圍壓控制端口(13)切換至氣體加載，打開第三控制閥(F3)和第四控制閥(F4)，向磁致式液位計(11)注入氣體進行加載；重復多次上述氣、液加載步驟，使圍壓腔(6)加載至試樣目標圍壓，且保證磁致式液位計(11)內的浮子(11-2)液面高度處在20-30mm量程范圍內；

3)施加軸壓，將巖石試樣(4)加載至室溫下靜水壓力狀態；將系統溫度設定為目標溫度，待磁致式液位計(11)中氣液界面穩定，整個試驗系統穩定在目標溫度下的靜水壓力狀態后，改變巖石試樣(4)的軸向應力并保持恒定，進行目標溫度和壓力下的蠕變試驗；

4)在數據采集處理系統(12)里錄入試樣的軸向初始位移和液位計內液面初始高度，設置數據記錄間隔，進行自動數據記錄；

5)依據記錄數據，通過下述公式計算巖石試樣(4)的高溫蠕變體積變形及體積應變；巖石試樣(4)體積變化量的計算為：

ΔV_試樣＝V_液+V_墊塊＝Δh·S_截+πr²·Δl

式中：V_液-磁致式液位計(11)內液體體積變化量，通過V_液＝Δh·S_截計算獲得，Δh-浮子(11-2)上下移動的液面高度變化；S_截-磁致式液位計(11)內環形液面的截面積；V_墊塊-上墊塊(3-1)向下移動而占據的空間體積，通過V_墊塊＝πr²·Δl計算獲得，r-上墊塊截面半徑，即巖石試樣截面半徑；Δl-上墊塊向下移動的位移，即巖石試樣在軸向方向上的壓縮位移；

巖石試樣(4)的體積應變計算為：

e_V＝ΔV_試樣/V₀

式中：V₀為巖石試樣(4)的初始體積，通過試樣的初始直徑r₀和初始高度l₀計算得到。