CN103616290A - 一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载*** - Google Patents

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沈治涛
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Abstract

一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，属于天然气水合物沉积物机械特性测量技术领域。其特征是该***由三轴压力室、热交换器、轴向加载活塞、液压油源、液压作动器、伺服阀、伺服驱动器、伺服控制器、D/A接口、数据采集模块、工控机、荷载传感器、位移传感器、应变传感器、低温控制***、内围压加载***、***压加载***连接构成，其中内围压加载***、***压加载***和低温控制***能够实现压力和温度的快速和准确控制，以满足海底水合物进行实验室原位生成实验要求。本发明的效果和益处是：本***能够对天然气水合物沉积物进行动力特性实验，能够为海底天然气水合物的安全开采提供了重要的动力学参数；而且***造价相对较低。

Description

一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***
技术领域
本发明属于天然气水合物沉积物机械特性测量技术领域，涉及一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***。
背景技术
天然气水合物作为一种储量具大的清洁能源，它有望成为未来重要的替代能源，其安全开采已经成为天然气开采中一大研究热点。但是，天然气水合物开采过程中水合物的分解不但会使含天然气沉积层的抗剪强度和承载能力降低，而且会影响海底结构物等工程的安全性。天然气水合物的分解将使得沉积物孔隙中的含气量增加，从而产生过高的孔隙压力，降低沉积物的胶结强度，分解带将成为一块巨大的不稳定带，若是坡度较大的海床面会形成一个向下的滑动面，此时一旦受地震、海平面的升降、海浪等动力荷载因素的触发，甚至仅依靠沉积层自身的重量，都可引起海底滑坡与沉积层坍塌等地质灾害。因此，研究天然气水合物沉积物在水合物分解前后或分解过程中的动力特性对水合物的安全开采具有重大的意义。
三轴动加载装置是研究土体动力特性的主要设备，但是由于天然气水合物受其生成与分解条件及稳定性的影响，因此要求必须对三轴仪做一些必要的改进，采用液压伺服动加载***以满足实验要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***。为分析含天然气水合物沉积物动力特性，测定水合物沉积物在分解前后或分解过程中，受地震等动力荷载时的动强度、动模量、动应力应变关系，这些数据为研究海底及冻土地区天然气水合物的及安全开采及海底结构物的稳定性提供实验依据。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：它主要包括三轴压力室、热交换器、轴向加载活塞、液压油源、液压作动器、伺服阀、伺服驱动器、伺服控制器、D/A接口、数据采集模块、工控机、荷载传感器、位移传感器、应变传感器、低温控制***、内围压加载***、***压加载***；所述三轴压力室是外罩筒、内罩筒、导轨、小车、底座组成，这种结构型式可以保证轴向加载的稳定性、控制的精确性、测量的准确性和操作的简便性；所述液压油源是由电机、液压泵、油箱、滤油器、控制阀等组成，是液压传动与伺服控制***中重要的组成部分；所述伺服阀是伺服***中将电信号输入转换为功率较大的压力或流量压力信号输出的执行元件；所述伺服控制器具有分辨率高、控制精度高、无漂移、故障率低、控制方式的无冲击转换和故障自诊断等特点；所述低温控制***采用恒温槽来提供冷源，通过低温循环液调节三轴压力室内水合物沉积物试样的温度；所述内围压加载***和所述***压加载***分别给三轴压力室内的水合物沉积物试样提供内***压。所述动加载***能够施加的最大轴向试验力为600kN，轴向试验力的精度为±0.5%；围压伺服加载***能够施加的最大围压为30MPa，围压的精度为±0.5%；温度控制范围为243—298K，温度控制精度为±0.1℃，能够模拟海底及冻土地域的压力和温度；所述动加载***的参数为：轴向激振频率：0-10Hz；加载波形为正弦波、三角波、方波、直流波、梯形波及其它们的任意组合；动态负荷示值波动度：平均负荷波动度：优于±0.5%，负荷振幅波动度：优于±2%，已经涵盖了水合物沉积层波浪荷载、地震荷载的频率特点与波形特点；所述伺服阀采用美国moog进口伺服阀D633，它为高性能直动式伺服阀，其直动式设计避免了先导级的泄漏损失，且动态响应与***工作压力无关；所述液压控制***具有很好的耐久性，避免了振荡，能够取得更高的压力，相比传统的步进马达，更加耐用，响应更快；所述伺服控制器为德国进口伺服控制器，给***提供精确的压力、温度和体积控制，***采用数字伺服控制，来保证***必要的测试要求；所述伺服油源中的电机采用松下伺服电机，它具有自动调整、高速高响应、低振动等优点；所述伺服驱动器采用日本松下伺服驱动器，它具有共振抑制和控制功能:可弥补机械的刚性不足,从而实现高速定位；具有全闭环控制功能:通过外接高精度的光栅尺,构成全闭环控制,进一步提高***精度；
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述液压作动器两端分别与所述伺服阀、所述液压油源直接相连。
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞两端分别与所述液压作动器、所述水合物沉积物试样相连。
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述伺服控制器与所述伺服阀通过所述伺服驱动器相连。
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述工控机与所述伺服控制器通过所述D/A接口相连。
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞与所述三轴压力室之间设有密封环。
所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞伸入三轴压力室中，所述位移传感器直接通过导杆与所述轴向加载活塞并联连接。
本发明的效果和益处是：
1）能够采用所述天然气水合物沉积物动力特性的动加载***对海底及冻土地域沉积物中天然气水合物沉积物进行动力特性实验；
2）所述低温控制***能够实现温度的快速和准确控制，满足海底水合物进行实验室原位生成实验要求，同时液压伺服***受温度变化影响较小；
3）***造价相对较低。
附图说明
附图是一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***图。
图中：1轴向加载活塞；2外罩筒；3内罩筒4热交换器；5水合物沉积物试样；6卡环；7底座；8液压作动器；9伺服阀；10伺服驱动器；11伺服控制器；12D/A接口；13工控机；14数据采集模块；15荷载传感器；16位移传感器；17应变传感器；18低温控制***；19内围压加载***；20***压加载***；21液压油源。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如附图所示的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***图，其工作过程为：
（1）将制出的水合物沉积物试样5装入三轴压力室中。
（2）控制水合物沉积物试样5的反应温度，实验开始前首先用冷库进行温控，提供合适的环境温度，制冷温度范围是–20℃～室温；然后用低温控制***18进行控温，精确控制三轴试样室中的水合物沉积物试样5的温度。
（3）施加内***压，通过内围压加载***19和***压加载***20可向三轴仪内提供所需的内***压，0Mpa～30Mpa之间。
（4）通过工控机13设置荷载、位移、应变这3个实验参数,作为控制参量;荷载传感器15、位移传感器16；应变传感器17则通过数据采集模块14接受工控机13的参数设置。
（5）同时工控机13通过D/A接口12对伺服控制器11发出控制信号,然后伺服控制器11通过伺服驱动器10带动伺服阀9驱动液压作动器8，从而按给定信号动作，液压油源21则向液压作动器8提供液压油源。
（6）液压作动器8通过给定信号带动轴向加载活塞1对水合物沉积物试样5进行压缩实验。
（7）计算机数据采集***工作过程为：对水合物沉积物试样5进行压缩实验过程中荷载传感器15、位移传感器16、应变传感器17接受到的这些模拟信号被传输到数据采集模块14中进行数据处理得到数字信号，数字信号传入工控机13后由MCGS软件进行数据显示和储存。

Claims (7)

1.一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，包括三轴压力室、热交换器、轴向加载活塞、液压油源、液压作动器、伺服阀、伺服驱动器、伺服控制器、D/A接口、数据采集模块、工控机、荷载传感器、位移传感器、应变传感器、低温控制***、内围压加载***、***压加载***，其特征在于：所述三轴压力室是外罩筒、内罩筒、导轨、小车、底座组成；所述液压油源是由电机、液压泵、油箱、滤油器、控制阀组成；所述伺服阀是伺服***中将电信号输入转换为功率较大的压力或流量压力信号输出的执行元件；所述伺服控制器进行控制方式的无冲击转换和故障自动诊断；所述低温控制***采用恒温槽来提供冷源，通过低温循环液调节三轴压力室内水合物沉积物试样的温度；所述内围压加载***和所述***压加载***给三轴压力室内的水合物沉积物试样提供围压。
2.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述液压作动器两端分别与所述伺服阀、所述液压油源直接相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞两端分别与所述液压作动器、所述水合物沉积物试样相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述伺服控制器与所述伺服阀通过所述伺服驱动器相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述工控机与所述伺服控制器通过所述D/A接口相连。
6.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞与所述三轴压力室之间设有密封环。
7.根据权利要求1所述的一种用于测定天然气水合物沉积物动力特性的动加载***，其特征在于：所述轴向加载活塞伸入三轴压力室中，所述位移传感器直接通过导杆与所述轴向加载活塞并联连接。
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