[发明专利]一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置

摘要

一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，属于岩土工程领域。该装置包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、压力控制系统、温度控制系统和计算机数据采集系统。压力控制系统提供天然气水合物沉积物试样试验所需孔隙压力、试样传输过程中试样上方压力、维持天然气水合物沉积物围压；温度控制系统内液压油的温度和试样保温保压转盘内试样的温度；试样制备和转移系统用于原位生成水合物沉积物试样、保存试样和向三轴仪主机内输送试样；计算机数据采集系统采集、处理数据。本发明实现了水合物沉积物低温高压三轴试验的简便化和快速化，能同时原位生成并保存多个试样，短时间内获得多个力学特性实验数据，利于实验结果的对比和分析。

主权项

1.一种轮转式水合物沉积物试样制备及力学特性试验装置，其特征在于，该试验装置包括三轴仪主机、试样制备和转移系统、温度控制系统、压力控制系统和计算机数据采集系统；所述三轴仪主机包括三轴仪框架、底盘(4)、压力室(8)、提升丝杠(6)、负荷传感器(7)、橡皮膜(9)、试样下压头(10)和轴向加载系统；所述底盘(4)位于三轴仪主机的底部，底盘(4)的中心设有通孔，用于试样输送；所述压力室(8)是底面无遮挡、顶面设有开口的空体结构，其通过密封圈密封固定在底盘(4)上；压力室(8)与底盘(4)之间通过两侧固定在三轴仪框架上的提升丝杠(6)实现压紧固定；压力室(8)内部自上而下依次设置负荷传感器(7)、橡皮膜(9)和试样下压头(10)，负荷传感器(7)、橡皮膜(9)和试样下压头(10)相互之间紧密接触；所述轴向加载系统包括伺服电机A(1a)和加载丝杠(5)；所述伺服电机A(1a)位于三轴仪主机顶部、三轴仪框架外部；加载丝杠(5)上端固定在伺服电机A(1a)的输出端，并依次穿过三轴仪框架和压力室(8)顶面的开口、与压力室(8)内部的负荷传感器(7)相接触，加载丝杠(5)与压力室(8)顶面的开口之间通过密封圈密封；伺服电机A(1a)带动加载丝杠(5)上下运动，为试样提供轴向压力；所述底盘(4)内部设置通道H和通道I，通道H的出口端高于通道I的出口端，通道H的出口对应于橡皮膜(9)外部的空腔，通道I的出口对应于试样下压头(10)；所述通道H和通道I用于连接压力控制系统，分别向压力室(8)送油加压和向试样施加孔压；所述压力室(8)的顶部设置排气口J，用于向压力室(8)送液压油时排出压力室(8)内的空气；所述试样制备和转移系统位于三轴仪主机下方，试样制备和转移系统包括框架、伺服电机B(1b)、伺服电机C(1c)、试样保温保压转盘(2)、球阀(3)、高精度丝杆(11)和试样保存釜(12)；所述高精度丝杠(11)下端固定在伺服电机B(1b)的输出端，并依次穿过试样保温保压转盘(2)、试样保存釜(12)、球阀(3)、框架和底盘(4)的中心通孔，与试样下压头(10)下表面接触；所述试样保温保压转盘(2)内部安装多个试样保存釜(12)，其用于保存试样；所述球阀(3)与试样保存釜(12)相连，用于控制试样保存釜(12)和三轴仪主机的连通；所述伺服电机C(1c)通过固定在框架上的丝杆带动试样保温保压转盘(2)转动，使试样的位置对准三轴仪主机底盘(4)的中心通孔处，伺服电机B(1b)再通过高精度丝杠(11)将试样推送至三轴仪主机内；所述温度控制系统包括水浴A(13a)、水浴B(13b)和连通管道；所述水浴A(13a)与压力室(8)通过管道E和管道F相连通，水浴A(13a)通过向压力室(8)循环输送冷却液来控制压力室(8)内液压油的温度；所述水浴B(13b)与试样保温保压转盘(2)通过管道C和管道D相连通，水浴B(13b)通过向试样保温保压转盘(2)循环输送冷却液来控制试样温度；所述压力控制系统包括围压控制系统和孔压控制系统；其中，围压控制系统包括油箱(18)、油泵(15)、针阀b(14b)和柱塞泵A(17a)，所述柱塞泵A(17a)经通道H与三轴仪主机连通，油泵(15)将油箱(18)内的液压油通过针阀b(14b)控制经柱塞泵A(17a)注入到压力室(8)中，为试验提供液压油并保持围压；所述孔压控制系统包括柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)、甲烷气瓶(20)、水箱(23)和若干阀门；所述甲烷气瓶(20)经减压阀(19)后分别与柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)相连，并分别通过针阀控制；所述柱塞泵B(17b)、柱塞泵C(17c)分别通过针阀控制与水箱(23)相连；当试样原位生成水合物时，甲烷气瓶(20)中的甲烷气体经减压阀(19)和柱塞泵C(17c)沿管道B输入试样保存釜(12)中，为试样原位生成水合物提供气体原料；当向三轴仪主机输送试样时，甲烷气瓶(20)中的甲烷气体经减压阀(19)和柱塞泵B(17b)沿管道I输入压力室(8)中，并与液压油通过橡皮膜(9)隔开，同时控制柱塞泵A(17a)使液压油压力与甲烷气体压力达到平衡，当液压油压力和甲烷气体压力达到试样保存釜(12)内试样所处压力时，关闭减压阀(19)和甲烷气瓶(20)；当试样输送完成后，通过柱塞泵B(17b)来控制试样孔压；所述计算机数据采集系统包括压力传感器、数据采集模块(21)和工控计算机(22)；所述压力传感器包括压力传感器A(16a)、压力传感器B(16b)和压力传感器C(16c)；其中，压力传感器A(16a)测试压力室(8)中液压油的压力，压力传感器B(16b)测量压力室(8)中甲烷气体的压力，压力传感器C(16c)测试试样压力；所述数据采集模块(21)与三轴仪主机、温度控制系统、压力控制系统连接，并将采集到的各类数据经处理后传输到工控计算机(22)，工控计算机(22)进行处理、显示并储存天然气水合物沉积物试样的力学特性。