一种含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及材料的物理性质测试的技术领域，特别涉及含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置。


背景技术：

2.甲烷水合物(俗称可燃冰)是甲烷等气体分子在一定压力和温度条件下，被吸入到笼形水分子团结构的空隙中，形成一种类冰状、非化学计量的笼状结晶化合物，广泛分布于大陆边缘陆坡区海底沉积物和永久冻土带中，具有燃烧值高、能量大和清洁无污染等特点。
3.目前针对含甲烷水合物沉积物力学性质的相关研究尚处于起步与探索阶段，多数实验室采用三轴试验来模拟在实际的岩土环境中甲烷水合物沉积物的力学特性。三轴试验是实验室土壤测试中最常用的测试方法之一，但是应用于甲烷水合物沉积物的测试中，主要存在以下缺陷：一是甲烷水合物沉积物一般稳定地存在于深海沉积物区以及陆域永冻带，导致试验样品的获取难度大、成本高；二是目前的三轴试验装置只能施加周围压力和轴向压力，并不能施加其它方式的力，由此导致甲烷水合物沉积物的力学研究范围较局限，制约着其本构模型的发展。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中，甲烷水合物沉积物的力学试验装置存在的样品获取成本高、力学研究范围较局限的技术问题，本实用新型的技术方案如下：
5.一方面，本实用新型提供了一种含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置，包括承压仓、恒温箱、供气系统、拉伸系统及数据采集系统。
6.所述承压仓内部设置哑铃形的试样框架，用于夹持待测试的试样，所述试样框架由活动部及固定部拼接而成，所述固定部固定于所述承压仓的内部，所述承压仓还开设有连通外部的活塞孔，所述活塞孔内插接有拉伸活塞，所述活动部与所述拉伸活塞连接，并由所述拉伸活塞的带动下以远离所述固定部的方向移动。
7.所述恒温箱设置于所述承压仓的外部。
8.所述供气系统包括甲烷气瓶、气体增压泵及真空泵，所述甲烷气瓶与所述气体增压泵连接，所述气体增压泵及所述真空泵分别与所述承压仓连接。
9.所述拉伸系统包括加载泵、液压加载缸及加载活塞，所述加载泵与所述液压加载缸连接，以驱动所述液压加载缸内的所述加载活塞动作。
10.所述数据采集系统，包括处理器以及与所述处理器电性连接的拉力传感器、位移传感器、温度传感器和压力传感器一，所述拉力传感器连接于所述加载活塞与所述拉伸活塞之间，所述位移传感器设置于所述拉伸活塞上，所述温度传感器及所述压力传感器一设置于所述承压仓上。
11.本实用新型中的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置，通过设置承压仓及恒温箱，可模拟甲烷水合物沉积物在海底形成时所需的低温及高压环境，通过供气系统将甲烷注入
含有一定含水率的土样中，使得在一定的气体压力与温度条件下甲烷与水结合形成甲烷水合物赋存于土样孔隙中，实现了在实验室中快速准确地模拟海洋环境中原位含甲烷水合物土的制样，进而降低了甲烷水合物沉积物试验样品的获取难度和成本；通过设置拉伸系统及数据采集系统，可根据不同地质工况进行拉伸试验，从而获得拉伸强度、模量以及断面收缩率等多种力学指标。本实用新型中的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置，其工作原理符合现场原位水合物形成模式和开采工况条件，结构相对简单，造价低廉，可以为大多数科研与勘察设计单位装备。
12.在一种可能的设计中，所述承压仓包括仓盖板及仓体，所述仓盖板可拆卸地盖合于所述仓体的仓口，所述仓体的底部固定于试验平台。
13.在一种可能的设计中，所述供气系统还包括空压机，所述空压机与所述气体增压泵连接，为所述气体增压泵提供驱动气源。
14.在一种可能的设计中，所述承压仓的内部还设置行走小车，所述行走小车包括支撑台及滑轮，所述支撑台上放置所述试样框架。
15.在一种可能的设计中，所述供气系统还包括气体缓冲罐、调压阀、气体流量控制器及单向阀，所述气体缓冲罐连接于所述气体增压泵与所述承压仓之间，所述调压阀、所述气体流量控制器及所述单向阀连接于所述气体缓冲罐与所述承压仓之间。
16.在一种可能的设计中，所述缓冲罐还设置安全阀及压力传感器二，所述压力传感器二与所述处理器电性连接。
17.在一种可能的设计中，本实用新型中的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置还包括：气体回收装置，与所述承压仓连接。
18.在一种可能的设计中，所述液压加载缸的内部由所述加载活塞分隔为左腔及右腔，所述左腔及所述右腔分别与所述加载泵连接；所述加载泵与所述右腔之间还设置压力传感器三，所述压力传感器三与所述处理器电性连接。
19.另一方面，本实用新型还提供了一种含甲烷水合物沉积物的拉伸试验方法，所述试验方法基于上述的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置，包括以下步骤：
20.步骤一，土样成形，将土样按设定密度采用千斤顶压模成样，压制后连同模具放入冰箱进行冰冻后取出土样；
21.步骤二，土样安装，将成形的土样安装于仓体中的试样框架内，将仓盖板盖合；
22.步骤三，抽真空，开启真空泵，对承压仓及其连接管路进行抽真空，排除内部的杂质；
23.步骤四，施加气体，开启甲烷气瓶及气体增压泵，调节调压阀将压力调至设定压力值6mpa～10mpa后，关闭甲烷气瓶及气体增压泵，同时关闭承压仓的进气口；
24.步骤五，检查气密性，启动数据采集系统和开启恒温箱，温度设定为18℃～20℃，维持承压仓内部温度稳定，通过温度传感器和压力传感器的监测数据变化判定承压仓的气密性；
25.步骤六，合成含水合物试样，将恒温箱的温度设定为
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2℃～2℃，使承压仓内部温度降低，从而降低土样温度，达到水合物合成条件，在土样中开始形成水合物；
26.步骤七，判断水合物合成完成，当压力传感器一显示的压力值在3mpa～6mpa的范围内保持稳定不变，温度传感器显示的温度值在
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2℃～2℃的范围内保持恒定时，承压仓内
部土样中的水合物合成完成，试样制备完成；
27.步骤八，拉伸试验，开启加载泵使加载活塞带动拉伸活塞和活动部移动，活动部对试样进行拉伸，拉力传感器采集加载活塞对拉伸活塞的作用力，位移传感器采集拉伸活塞的横向应变位移数据；
28.步骤九，收集气体、拆样，拉伸试验完成后，关闭加载泵，提升恒温箱温度至20℃，试样的水合物分解，释放的甲烷通过气体回收装置进行收集，并根据收集量计算试样的水合物饱和度，最后从试样框架内拆除试样。
29.在一种可能的设计中，所述步骤一中，土样的设定密度为1.5g/cm3～2.5g/cm3，含水率为2％～40％。
30.本实用新型提供的试验方法，在实验室内较好的再现了甲烷水合物生成环境，模拟自然状态下水合物的生长习性，并进行拉伸强度测试，为探清含甲烷水合物沉积物力学行为规律和完善相应的本构模型提供了技术保证与支持，对我国甲烷水合物商业开采也有积极的推动作用。
附图说明
31.图1是本实用新型的一个实施例提供的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置的示意图；
32.图2是本实用新型的一个实施例提供的拉伸系统和承压仓的示意图；
33.图3是图2中承压仓未装配仓盖板时的俯视图；
34.图4是本实用新型的一个实施例提供的试样的示意图。
35.附图标记：10、承压仓；11、试样框架；111、活动部；112、固定部；12、活塞孔；13、拉伸活塞；14、支撑台；15、滑轮；16、仓盖板；161、进气口；162、测温孔；163、出气口；17、仓体；20、恒温箱；31、甲烷气瓶；32、气体增压泵；33、真空泵；34、气体缓冲罐；341、安全阀；342、压力传感器二；35、调压阀；36、气体流量控制器；37、单向阀；38、空压机；41、加载泵；42、液压加载缸；43、加载活塞；44、压力传感器三；51、处理器；52、拉力传感器；53、位移传感器；54、温度传感器；55、压力传感器一；60、气体回收装置；70、试样；80、电磁阀十；81、电磁阀一；82、电磁阀二；83、电磁阀三；84、电磁阀四；85、电磁阀五；86、电磁阀六；87、电磁阀七；88、电磁阀八；89、电磁阀九；90、试验平台。
具体实施方式
36.下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“侧”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于安装的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新
型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
39.还需说明的是，本实用新型实施例中以同一附图标记表示同一组成部分或同一零部件，对于本实用新型实施例中相同的零部件，图中可能仅以其中一个零件或部件为例标注了附图标记，应理解的是，对于其他相同的零件或部件，附图标记同样适用。
40.以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
41.目前缺乏一套完善的测试含甲烷水合物沉积物抗拉强度的装置及其方法。已知的测试抗拉强度的装置大都是根据常规拉伸试验仪进行相应的改装，一定程度上并不能满足模拟海底甲烷水合物沉积物的工况。此外，含甲烷水合物沉积物抗拉强度的数据缺乏，制约着含甲烷水合物沉积物本构模型的发展。本实用新型在实验室内较好的再现了甲烷水合物生成环境，模拟自然状态下水合物的生长习性，并进行拉伸强度测试，为探清含甲烷水合物沉积物力学行为规律和完善相应的本构模型提供了技术保证与支持，对我国甲烷水合物商业开采也有积极的推动作用。
42.如图1
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3所示，本实用新型的一个实施例提供了一种含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置，包括承压仓10、恒温箱20、供气系统、拉伸系统及数据采集系统，恒温箱20为承压仓10提供低温环境以模拟海底环境状态，供气系统向承压仓10内注入甲烷使其与水在土样的孔隙内结合，进而形成试样70
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甲烷水合物沉积物，拉伸系统对试样70执行拉伸动作，在拉伸过程中数据采集系统对试验数据进行采集。其中，各部件的具体设计如下。
43.承压仓10为长方体机构，其内部设置哑铃形的试样70框架11，用于夹持待测试的试样70，试样70框架11由两个具有对称性的框形部拼接组成，分别为活动部111与固定部112。固定部112固定于承压仓10的内部，在拉伸系统执行拉伸动作时，固定部112始终保持静止状态以将试样70的一端固定住；承压仓10还开设有连通外部的活塞孔12，活塞孔12内插接有拉伸活塞13，活动部111与拉伸活塞13连接，拉伸活塞13可沿着活塞孔12的孔壁轴向移动，进而带动活动部111一起联动，由此对试样70的另一端进行拉伸。
44.恒温箱20设置于承压仓10的外部，可对承压仓10进行温度调节，以模拟海底的低温环境，在进行甲烷水合物沉积物生成阶段，恒温箱20需要给承压仓10提供
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2℃～2℃的低温环境，并且一直保持至拉伸试验结束，待需要结束试验且使甲烷从土样中分解出时，恒温箱20需要给承压仓10提供18℃～20℃的温度环境。
45.供气系统包括甲烷气瓶31、气体增压泵32及真空泵33，甲烷气瓶31与气体增压泵32连接，气体增压泵32及真空泵33分别与承压仓10连接。气体增压泵32将甲烷气瓶31内的甲烷泵入承压仓10内，使承压仓10内的甲烷气体达到6mpa
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10mpa，以模拟海底的高压环境，在将甲烷泵入承压仓10之前，需要用真空泵33对管路、承压仓10内的杂质进行排空处理，以避免杂质影响试验数据。
46.拉伸系统包括加载泵41、液压加载缸42及加载活塞43，加载泵41与液压加载缸42连接，以驱动液压加载缸42内的加载活塞43动作。加载活塞43将液压加载缸42的内部分为左腔和右腔，加载泵41分别与左腔和右腔连接，加载泵41在往右腔内泵入液体时，可推动加载活塞43向左移动，加载活塞43带动拉力传感器52、拉伸活塞13、活动部111一起联动，由此
拉伸系统对试样70执行拉伸动作。
47.数据采集系统，包括处理器51以及与处理器51电性连接的拉力传感器52、位移传感器53、温度传感器54和压力传感器一55，拉力传感器52连接于加载活塞43与拉伸活塞13之间，位移传感器53设置于拉伸活塞13上，温度传感器54及压力传感器设置于承压仓10上。拉力传感器52连接于加载活塞43与拉伸活塞13之间，当加载泵41驱动加载活塞43向左移动时，通过拉力传感器52监测拉伸活塞13所受到的拉力，通过位移传感器53监测拉伸活塞13的位移量，由于拉伸活塞13、活动部111以及试样70均为联动关系，所以拉力传感器52和位移传感器53也就同步监测了试样70所受的拉力以及应变位移数据。温度传感器54和压力传感器一55均设置在承压仓10上，对承压仓10内的温度及气体压力进行监测，其中，温度传感器54可以设置在承压仓10的内部，也可以设置在测温孔162内，其中测温孔162开设在仓盖板16上。位移传感器53、温度传感器54、压力传感器一55、拉力传感器52均通过普通信号线与处理器51相连，处理器51又与计算机通过信号线相连，通过计算机总体实现数据的实时控制和采集。
48.本装置通过向不同初始含水量的试样70中注入甲烷后降温制得不同水合物含量的试样70。形成试样70后可以在一定温压条件下对试样70进行拉伸试验确定其力学参数。在装置的基础上，形成了一套测试含甲烷水合物沉积物的拉伸力学参数的方法，该方法测得力学参数较为贴近自然状态。
49.在本实用新型的一个优选实施例中，为了能够便捷的开闭合承压仓10，以便于将压制后的土样放置于试样70框架11内，将承压仓10设计为可开合的结构，具体地，承压仓10包括仓盖板16及仓体17，仓体17呈长方体结构，顶部为仓口，仓盖板16可拆卸地盖合于仓体17的仓口，仓体17的底部固定于试验平台90。其中，仓盖板16与仓体17可通过螺栓进行连接，连接处还进行密封处理，比如垫设密封圈，仓体17也通过螺栓固定于试验平台90上，恒温箱20将承压仓10和试验平台90一并罩住，对承压仓10和试验平台90一并进行温度调节。其中，仓盖板16还开设有进气口161，与供气系统连接，以进甲烷。
50.在本实用新型的一个优选实施例中，由于甲烷为可燃气体，在对其进行增压过程中，有更为严格的防爆要求，因此，供气系统还包括空压机38，空压机38与气体增压泵32连接，为气体增压泵32提供驱动气源。其中，空压机38可以设计在远离甲烷气瓶31、气体增压泵32的地方，空压机38产生的高压空气经过长管路供给至气体增压泵32，作为气体增压泵32的驱动气源，以使气体增压泵32工作。
51.在本实用新型的一个优选实施例中，在进行拉伸试验时，试样70通过试样70框架11水平放置在承压仓10内，为了防止试样70垮塌，试样70底部需要有个支撑结构，同时，在对试样70进行拉伸时，试样70与支撑结构之间又会产生摩擦力，进而影响试验数据，因此，需要一个行走小车，在对试样70进行支撑的同时，还能够随着试样70移动，将摩擦力降至最低。具体地，承压仓10的内部还设置行走小车，行走小车包括支撑台14及滑轮15，支撑台14上放置试样70框架11。
52.在本实用新型的一个优选实施例中，为了使供气系统稳定安全的运行，供气系统还包括气体缓冲罐34、调压阀35、气体流量控制器36及单向阀37，气体缓冲罐34连接于气体增压泵32与承压仓10之间，调压阀35、气体流量控制器36及单向阀37连接于气体缓冲罐34与承压仓10之间。
53.其中，缓冲罐主要用于各种系统中缓冲系统的压力波动，使系统工作更平稳，缓冲罐的缓冲性能主要通过压缩罐内的气体来实现，在本实施例中，气体缓冲罐34用于缓冲气体增压泵32与承压仓10之间的气压波动，使进入承压仓10内的甲烷压力稳定；调压阀35用于调节进入承压仓10内的甲烷压力；气体流量控制器36用于控制甲烷的气体流量，进一步控制承压仓10内的甲烷进气量；单向阀37用于防止承压仓10内的甲烷回流。
54.在本实用新型的一个优选实施例中，为了提高气体缓冲罐34的安全性，防止缓冲管内的气体压力过高出现爆炸的危险，气体缓冲罐34还设置安全阀341及压力传感器二342，压力传感器二342与处理器51电性连接，安全阀341有压力阈值，当气体缓冲罐34内的气压过高时，安全阀341自动开启以泄压，压力传感器二342向处理器51发送气体缓冲罐34内的压力信息，对气体缓冲罐34的气压情况实时监控，如果超过设定预制，处理器51向外发送报警信息。
55.在本实用新型的一个优选实施例中，由于甲烷为可燃气体，为了确保安全性，在试验完毕之后将其进行回收集中处理，同时也为计算试样70的饱和度提供参数。具体地，本实施例中的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置还包括：气体回收装置60，与承压仓10连接。气体回收装置60通过管路与承压仓10连通，具体可通过在仓盖板16开设出气口163，然后出气口163再与气体回收装置60进行连接。气体回收装置60是一种有刻度的容器，收集分解气体，同时也为估算饱和度提供参数。
56.在本实用新型的一个优选实施例中，液压加载缸42的内部由加载活塞43分隔为左腔及右腔，左腔及右腔分别与加载泵41连接；加载泵41与右腔之间还设置压力传感器三44，压力传感器三44与处理器51电性连接，压力传感器三44对右腔内的液压进行监测，测量加载泵41的压力值。
57.液压加载缸42的左腔通过三通管连接加载泵41，三通管上设置电磁阀五85、电磁阀六86，电磁阀五85控制排液，电磁阀六86控制进液；相应地，液压加载缸42的右腔也通过三通管连接加载泵41，三通管上设置电磁阀七87、电磁阀八88，电磁阀八88控制排液，电磁阀七87控制进液。
58.其中，选择恒压、应力式、应变式等模式加载，开启加载泵41对试样70进行拉伸试验。
59.特别说明的是，甲烷气瓶31、气体增压泵32、气体缓冲罐34、调压阀35、单向阀37、承压仓10彼此之间的连接管路上依次设置电磁阀一81、电磁阀二82、电磁阀三83、电磁阀四84，真空泵33与承压仓10的连接管路上设置电磁阀十80，加载泵41与液压加载缸42的左腔及右腔的连接管路上设置电磁阀六86、电磁阀七87，左腔和右腔的出气管路上设置电磁阀五85、电磁阀八88，承压仓10与气体回收装置60的连接管路上设置电磁阀九89。气体流量控制器36、电磁阀一81至电磁阀十80均与处理器51电性连接，然后通过计算机对各个管路的开闭合情况进行实时控制。
60.本实用新型还提供了一种含甲烷水合物沉积物的拉伸试验方法，该试验方法基于上述的含甲烷水合物沉积物拉伸试验装置。
61.在本实用新型的一个优选实施例中，试验方法包括以下步骤：
62.步骤一，土样成形，将土样按设定密度采用千斤顶压模成样，压模形状为哑铃形，压制后连同模具放入冰箱进行冰冻后取出土样；其中，设定密度是模拟海底甲烷水合物稳
定层土壤密度，数值为1.5～2.5g/cm3，含水率为2％～40％。
63.步骤二，土样安装，将成形的土样安装于仓体17中的试样70框架11内，活动部111与固定部112分别固定土样的两端，将仓盖板16与仓体17通过螺栓连接，连接处通过密封圈密封。
64.步骤三，抽真空，关闭电磁阀四84和电磁阀九89，开启真空泵33和电磁阀十80，对承压仓10及其连接管路进行抽真空，排除内部的杂质。
65.步骤四，施加气体，开启甲烷气瓶31、气体增压泵32、电磁阀一81至电磁阀四84，调节调压阀35将压力调至设定压力值6mpa～10mpa后，关闭甲烷气瓶31、气体增压泵32、电磁阀一81至电磁阀三83，同时关闭承压仓10的进气口161，即关闭电磁阀四84。
66.步骤五，检查气密性，启动数据采集系统和开启恒温箱20，设定温度值为18℃～20℃后，控制承压仓10内部温度；监测并记录温度传感器54和压力传感器55的数据变化，判定承压仓10的气密性。
67.步骤六，合成含水合物试样，将恒温箱20的温度设定为
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2℃～2℃，使承压仓10内部温度降低，从而降低土样温度，达到水合物合成条件，在土样中开始形成水合物
68.步骤七，判断水合物合成完成，当压力传感器一55显示的压力值在3mpa～6mpa保持稳定不变，温度传感器54显示的温度值在
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2℃～2℃保持恒定时，承压仓10内部土样中的水合物合成完成，试样70制备完成。
69.步骤八，拉伸试验，开启加载泵41使加载活塞43带动拉伸活塞13和活动部111移动，活动部111对试样70进行拉伸，拉力传感器52采集加载活塞43对拉伸活塞13的作用力，位移传感器53采集拉伸活塞13的横向应变位移数据。其中，还可选择恒压、应力式、应变式等模式加载，开启加载泵41对试样70进行拉伸试验。
70.步骤九，收集气体、拆样，拉伸试验完成后，关闭加载泵41，提升恒温箱20温度至20℃，试样70的水合物分解，释放的甲烷通过气体回收装置60收集，并根据收集量计算水合物的饱和度，最后从试样70框架11内拆除试样70。
71.如图4所示，在本实用新型的一个优选实施例中，试样70为哑铃形，长l1为240mm，哑铃两端的球中心距l2为150mm，球直径d为90mm，哑铃中部的l3为50mm，l4为50mm。也就是说，试样70在进行拉伸试验时，试样70的尺寸均为该标准值。
72.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。