一種變容氣箱的製作方法

2023-12-08 07:58:31 2

專利名稱：一種變容氣箱的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種變容氣箱，更具體涉及一種變容壓力脈衝法測量巖石流體滲 透係數實驗裝置中的變容容器；尤其適用於對低滲、難滲巖石(如泥巖、巖鹽等) 流體滲透係數在大範圍內變化的快速精確測量。
背景技術：
滲透性是孔隙和裂隙介質的一種重要性質。近年來，由於油氣地下儲存、壓 縮空氣蓄能工程的安全性評價需要研究巖鹽、泥巖等在循環荷載作用下變形破壞 過程中的滲透性變化。這對滲透係數測量裝置提出很高的要求1、能夠測量低
滲透係數(低至l(T22m2); 2、量程要足夠大，因為破壞變形時，材料滲透係數 變化幅度可達6個量級(如10-22-10-17m2); 3、快速測量(小於lh)，因為材料 的時間效應明顯;4、能夠施加孔隙壓力，再現工程圍巖孔隙壓力條件(達20MPa)。
室內低滲透測量方法主要有定容脈衝法(傳統壓力脈衝法)、恆流泵法和壓 力振蕩法。其中定容脈衝法和恆流泵法的局限是量程小，如果要擴大量程，慣用
方法是延長測量時間。然而，測量時間的延長，會導致誤差增大，同時測量結果 受材料蠕變的影響；壓力振蕩法的局限是裝置對頻率的依存性大，精度較低，技 術不成熟，造價很高。
而自1968年壓力脈衝法首次由Brace提出至今，此方法只在理論及計算方 法上有所改進，在試驗方法及裝置上並沒有實質性改進。作者於2007年將基於 流體綜合壓縮性可變的變容水量容器(專利號200720077599.2)應用於壓力 脈衝法試驗裝置中，即為變容壓力脈衝法及其試驗裝置，使得傳統壓力脈衝法 及試驗裝置得到了實質性改進，且後繼亦進行了多次完善設計，成功開發了測
4試裝置。變容壓力脈衝法及試驗裝置優點在於測量量程大、測量速度快。原變 容脈衝法裝置在測量時間、量程和孔隙壓力上能夠滿足巖鹽、泥巖的測量要求， 但還不能滿足低滲透係數測量的要求。本發明專利所發明的一種變容氣箱用來 替代原變容脈衝法裝置中的變容容器，可以滿足低滲透測量要求。

發明內容
本發明的目的就是為了克服原變容脈衝法裝置中變容容器不能測量低滲透 係數的缺點和不足，本發明的目的是在於提供了一種變容氣箱，是一種替代採用 變容壓力脈衝法測量巖石流體滲透係數實驗裝置中的變容容器。變容氣箱結構簡 單、讀數方便、穩定性好、可操作性強、測量效率及精度高，各零部件經久耐用， 不易耗損，經濟性強、實用性強，具有廣泛的應用前景。
為了實現上述目的，本發明採用以下技術措施-
本發明由氣箱部分、活塞部分和讀數部分組成。氣箱部分包括進/出氣口、 外筒、內襯、氣腔、蓋板、鎖緊裝置和螺栓；活塞部分包括活塞頭、密封圈、軸 承、後蓋、螺栓、活塞軸、高精度絲杆、底座和旋鈕；讀數部分包括支撐套筒、 固定套筒、銷釘和微分筒。 一種變容氣箱，其特徵在於進/出氣口設置在外筒 前端，外筒內壁貼有內襯，內襯與活塞頭及密封圈圍成封閉氣腔，蓋板通過螺栓 蓋在外筒開口端，蓋板後側面設置鎖緊裝置；所述的活塞部分的前半部分放置在 氣箱內，包括活塞頭、密封圈、軸承、後蓋、螺栓和活塞軸前半部分，互相連接 形成整體放置在氣箱部分內，其中，密封圈嵌置在活塞頭圓板側面凹槽內，活塞 軸前半部分插入軸承，並隨軸承一起插入活塞頭後端，後蓋通過螺栓蓋在活塞頭 末端，活塞部分的後半部分放置在氣箱外，套在讀數部分內，包括活塞軸後半部 分的高精度絲杆、底座和旋鈕，其中，高精度絲杆末端插入底座的前端，讀數部 分套在活塞軸和底座外，支撐套筒套在活塞軸外，前端插入蓋板後端，固定套筒 套在支撐套筒外，微分筒套在高精度絲杆外，前端套在固定套筒上，後端套在底 座上，讀數部分的主尺刻度設置在固定套筒水平基線的上下，微分刻度設置在微 分筒的前端。
活塞部分的前半部分放置在氣箱裡面，後半部分在氣箱外面，讀數部分套在 活塞部分後半部分外面。氣箱部分的進/出氣口設置在外筒的前端軸心處，外筒內壁緊貼有內襯，內襯裡面放置活塞部分的前半部分，這前半部分包括活塞頭、 密封圈、軸承、後蓋和活塞軸前半部分，密封圈嵌置在活塞頭圓盤側邊的凹槽內， 密封圈外緣緊壓著內襯，由活塞頭、密封圈和內襯圍成的密閉空間就是氣腔。活 塞部分前半部分的活塞軸前端插入軸承內，並與軸承一起嵌入活塞頭後端，蓋上 後蓋閉合，這樣，活塞前半部分形成一個整體，可以在氣箱裡面向前或向後推進， 向前推進到最前端時，氣腔最小，向後推進到氣箱末端，氣腔最大，氣箱末端有 蓋板蓋住。活塞前半部分在氣箱裡面推進是依靠活塞後半部分的螺旋旋轉推進 的。活塞部分後半部分包括高精度絲杆、底座和旋鈕。其中，高精度絲杆為活塞 軸後半部分，其末端插入底座前端面，旋鈕插入底座後端面，這樣，活塞後半部 分形成一個整體，通過旋轉旋鈕，帶動底座和高精度絲杆旋轉，高精度絲杆螺旋 外絲與讀數部分的支撐套筒內絲咬合，藉由支撐套筒內絲向前或向後推進，從而 推動活塞前半部分的滑動。支撐套筒套住活塞軸，固定套筒套住支撐套筒，並用 銷釘固定，微分筒套在高精度絲杆外面，前端面套在固定套筒上，可以繞著固定 套筒旋轉，後端面套在底座上，隨底座一起旋轉。通過讀數部分的主尺刻度結合 微分刻度來讀取氣腔量度，主尺刻度設置在固定套筒水平基線上下，微分刻度設 置在微分筒前端。
外筒內設置內襯，內襯是用高滑動性材料製成，是為減小活塞頭上密封圈在 氣箱內滑動的阻力，降低密封圈與內襯的摩擦耗損；活塞頭通過活塞軸旋轉來推 進，活塞軸前端插入軸承，通過軸承來推進活塞頭，是為平穩均衡推進活塞頭， 避免活塞頭在推進過程中出現傾斜，造成計量誤差；活塞軸後半部分為一高精度 螺旋絲杆，每旋轉一圈，活塞螺杆向前或向後推進0.5mm;轉動旋鈕，帶動底座 旋轉；底座旋轉帶動微分筒和活塞軸一起轉動，活塞軸後半部分設計成高精度絲 杆，高精度絲杆外絲與支撐套筒內絲咬合，通過螺旋旋轉推動活塞軸平動；活塞 頭在氣箱內的位置調節好後，鎖定鎖緊裝置，固定活塞軸，使得活塞的前半部分 不得隨意晃動，以防造成氣腔計量誤差。氣腔內充入氣體作為滲透介質。
通過以上方案及措施設計的變容氣箱，既保留了原變容容器大量程、測時快、 高孔隙壓等優勢，又有效解決了原變容容器不能測量低滲透性試件的問題，效果 顯著。
本發明工作原理利用氣體的壓縮係數比水的壓縮係數大得多的特點，本發明設計的變容氣箱 用來替代原變容脈衝法實驗裝置中的變容容器，採用氣體(如氮氣N》作為滲透 介質，以滿足測量更低滲透係數的要求；本發明的活塞部分利用螺旋推進的原理， 即通過高精度絲杆的外絲與支撐裝置的內絲旋轉，推進活塞軸，從而推進活塞頭 在氣箱內部沿內襯向前或向後滑動，以精確調節氣腔大小；本發明的高精度絲杆 利用螺旋測微的原理，即高精度絲杆每旋轉一圈，活塞軸本身向前或向後推 0.5腿，以此類推，最小可推進0.01誦，最大可推進到滿量程，這也是氣腔大小 的變化範圍。本發明用於替代原變容脈衝法實驗裝置中的變容容器，可以通過控 制系統壓力來控制氣腔的壓力，從而可以精確控制氣腔內氣體的體積和壓力，也 就可以精確控制氣腔的壓縮性，可以根據被測試件的需要調節氣腔壓縮性；本發 明設計的變容氣箱內氣腔的大小是通過讀取微分筒前端面左側固定套筒上的主 尺讀數結合微分筒前端面圓周上的微分讀數來計量的。具體地說，通過進/出氣 口進氣，控制一定的壓力條件下，轉動旋鈕推出活塞頭，此時氣腔增大，氣腔的 壓縮性提高；反之，壓力不變條件下，反方向轉動旋鈕推進活塞頭，則氣腔減小， 氣腔的壓縮性降低，以此來達到變容的目的；本發明的量程取決於氣箱容積的大 小，可根據實驗目的和用途設計氣箱容積，此處設計為1000ml，則氣腔的壓縮 性在一定壓力條件下可在6個量級範圍內調節。
整個過程實現了在不影響試驗整體性、時效性和操作連續性條件下，氣腔壓 縮性可根據試驗需求隨意調整，直至合適大小。
本發明具有以下優點和積極效果
1) 本發明釆用氣體作為滲透介質，氣體的壓縮性比水大得多，可以滿足測 量更低滲透係數的要求。
2) 在試驗過程中，可實時調整改變氣腔的大小，從而改變氣腔的壓縮性， 可以滿足變容的要求。
3) 本發明的氣箱部分容積設計為1000ml，也就是氣腔體積最大為1000ml， 隨著活塞頭在氣箱內推進推出，氣腔體積可以在0-1000ml範圍內精確 調節和控制，精度在0.01ml，因此氣腔壓縮性在一定壓力條件下可以在 6個量級範圍內精確調節和控制，可以滿足大量程測量的要求。
4) 本發明的讀數部分通過固定套筒上的刻度結合微分筒上的刻度，精度在
7O.Olmm，可以實時讀數，省時方便，精度高，誤差小。
5) 裝置的零配件材料不易耗損，經濟性高，降低了試驗成本和複雜性，提 高了試驗可操作性。
6) 試驗原理成熟、裝置結構簡單、螺旋絲杆精度高、效率高、穩定性好、 易於裝配和操作、實驗過程中無需拆卸。
7) 能根據不同巖石試件滲透係數測量需要，實現整個試驗過程中只用一套 變容氣箱，從而有效地節省了人力、物力和財力。
總之，本發明用於替代原變容脈衝法實驗裝置中的變容容器，實現了低滲透 測量(低至10—22m2)、大量程測量(ltTW-lO—'W)、快速測量(一次測量時間不 超過lh)、試件滲透係數測量重複性高(小於5%)、高孔隙壓條件(20MPa)，克 服了原有變容容器不能測低滲透性試件的不足，提供一種新型變容氣箱。實現研 究循環荷載下低滲透巖石(如巖鹽、泥巖)在變形破壞過程中的大範圍滲透係數 變化規律提供技術保障。


圖1為一種變容氣箱結構示意圖(a.右視立面圖)； 圖2為一種變容氣箱結構示意圖(b.右視剖面圖)
圖3為氣箱部分結構示意圖4為內襯結構示意圖；(a.右視圖)
圖5為內襯結構示意圖；(b.後視圖) 圖6為活塞部分結構示意圖7為讀數部分結構示意圖。
其中
IO—氣箱部分，
11一進/出氣口， 12—外筒，13—內襯，14一氣腔，15_蓋板， 16—鎖緊裝置，17—螺栓； 20—活塞部分，21—活塞頭，22—密封圈，23—軸承，24—後蓋，25—螺栓， 26—螺杆軸，27—高精度絲杆，28—底座，29—旋鈕； 30——讀數部分，
31—支撐套筒，32—固定套筒，33—銷釘，34—微分筒。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施示例對本發明進一步說明 一、各部件的結構
1、 內襯13
根據圖1、圖2、圖4和圖5所示，可知內襯13設置在氣箱部分10的外 筒12裡面，緊貼在外筒12內壁，完全貼合，沒有縫隙。所述的內襯13與活塞 頭21圓板面及側邊的密封圈22圍成密閉的空間氣腔14。內襯13為一種高滑動 性、不粘、耐磨損、耐壓、耐熱、耐蝕材料製成的如圖2所示的圓筒形構件。所 述的內襯13為高滑動性耐壓材料製成的圓筒型襯砌。內襯13釆用通用壓力容器 形成方法製成(本領域的普通技術人員均能製備)。
2、 氣箱部分IO
如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示進/出氣口 11設置在外筒12的前端， 試驗系統中所用的作為滲透介質的氣體就是通過進/出氣口 11注入或排出氣腔 14的，從而改變氣腔14的體積，也就是調節氣腔14的壓縮性大小。緊貼著外 筒12內壁的是內襯13，是為減小活塞部分20在其內的滑動阻力。內襯13與活 塞前半部分所包圍的密閉空間就是氣腔14，這裡，氣腔最大值設計為1000ml氣 體，讀數部分最小刻度為0.01ml，因此氣腔14可在6個量級範圍內調節。在一 定的壓力條件下，活塞部分20向前推進時，氣腔14則會減少，即氣腔14壓縮 性會減小；反之，活塞部分20向外推出時，氣腔14會增加，即氣腔14壓縮性 會增加。外筒12末端用蓋板15蓋上，蓋板15通過螺栓17連接固定在外筒12 上。蓋板15也是採用通用壓力容器形成方法製作成的如圖示形狀的部件。所述 的活塞部分20的前半部分包括活塞頭21、密封圈22、軸承23、後蓋24、螺栓 25和活塞軸26前半部分，互相連接形成整體放置在氣箱部分10內。所述的鎖
9緊裝置16設置在蓋板15後端的側面，鎖緊裝置16設置在蓋板15後端側面，當 氣腔14大小調節好時，鎖定鎖緊裝置16,也就鎖定了活塞軸26，這樣氣腔14 的體積大小就固定了，如果要重新調節氣腔14的大小，只需打開鎖緊裝置16，
轉動活塞部分20。
3、 活塞部分20
根據圖l、圖2、圖3和圖6可知活塞部分20的前半部分放置在氣箱部分 IO內部，後半部分放置在氣箱部分10外面，但套在讀數部分30裡面。所述的 活塞部分20的前半部分包括活塞頭21、密封圈22、軸承23、後蓋24、螺栓25 和活塞軸26前半部分，互相連接形成整體放置在氣箱部分10內。其中，密封圈 22箍在活塞頭21圓板側邊凹槽內，外緣壓著氣箱部分10的內襯13，是為密閉 氣腔14，防止氣腔14內氣體洩漏，另外，活塞頭21也是通過密封圈22沿著內 襯13內壁向前或向後推進的；活塞軸26前端插入軸承23內，並與軸承23—起 插入活塞頭21，蓋上後蓋24,擰緊螺栓25，軸承23是為減小活塞軸26的旋轉 阻力，同時，軸承23平穩推進活塞頭21，使活塞頭21及密封圈22整體平動， 以免活塞頭21前端面傾斜，影響氣腔14大小的計量。活塞部分20的後半部分 包括活塞軸26的後半部分，即高精度絲杆27，還有底座28和旋鈕29，其中， 高精度絲杆27插入底座28前端面，旋鈕29插入底座28後端面。所述的活塞軸 26前端插入軸承23內，並與軸承23 —起插入活塞頭21後端。所述的旋鈕29 插入底座28後端，活塞軸26插入底座28前端。轉動旋鈕29，帶動底座28旋 轉，同時帶動活塞軸26旋轉，高精度絲杆27外絲與支撐套筒31內絲咬合旋轉 推進，使得活塞軸26向前或向後推進，活塞軸26帶動軸承23旋轉推進，軸承 23推進帶動活塞頭21向前或向後推進。高精度絲杆27螺距為0. 5mm，即每旋轉 一周，與之一體的活塞軸26、軸承23及活塞頭21將推進0. 5腿。以上活塞頭 21、後蓋24、活塞軸26、底座28及旋鈕29都是用通用壓力構件製作方法製成 的如圖所示形狀的構件。
4、 讀數部分30
如圖l、圖2、圖3和圖7所示支撐套筒31套在活塞軸26外面，前端插 入氣箱部分10的蓋板15後端，其內絲咬合高精度絲杆27外絲。固定套筒32 套在支撐套筒31外面，並用銷釘33固定在支撐套筒31上，主尺刻度設置在固定套筒32水平基線的上下，主尺精度為0. 5mm。微分筒34套在高精度絲杆27 外面，前端箍在固定套筒32上，後端箍在底座28上，並隨底座28旋轉，微分 刻度設置在微分筒34前端面圓周上，微分精度為0. Olmm。讀數部分30用來讀 取氣腔14體積的數值，數值的整數部分為微分筒34左端固定套筒32上所顯示 的刻度，數值的小數部分為微分筒34前端圓周上由主尺水平基線所對應的微分 刻度，將主尺刻度與微分刻度相加所得的數值，乘以氣腔截面面積即可得氣腔 14的體積大小。以上支撐套筒31、固定套筒32和微分筒34都是用普通壓力構 件製成方法所製成的如圖所示形狀的構件。
5、 密封圈22
如圖l、圖2和圖6所示所述的密封圈22嵌置於活塞頭21圓板側邊的凹 槽內，內襯13壓著密封圈22外緣。用於壓緊活塞頭21和內襯13，密封氣腔14， 同時減小活塞部分20在氣箱部分10內部的滑動阻力，亦減小材料和構件的耗損。 密封圈22為通用高彈性密封件。
6、 螺栓17、螺栓25和銷釘33
如圖1、圖2、圖3、圖6、圖7所示螺栓n、螺栓25和銷釘33均為常 用件。螺栓17用來連接蓋板15和外筒12，用於緊固密封氣箱部分10;螺栓25 用來連接後蓋24和活塞頭21，用於緊固密封軸承23;銷釘33用來卡緊固定套 筒32，使之固定不動。
二、 使用方法
根據被測試件材質，調整好氣腔14大小，待整個氣腔隨系統抽真空後，通 過進/出氣口 ll注入氣體(如氮氣N》至初始壓力，然後放置一段時間。由每一 時刻的氣腔14的體積和壓力，可以換算氣腔14的壓縮性。
三、 氣腔壓縮性的計量 氣腔壓縮性計量公式為
St'=CgXV8 (1)
VB=AXL (2)
其中
S^—氣腔壓縮性；&一某壓力下所對應的氣體壓縮係數；
、一氣腔體積；
A—氣腔橫截面面積；
L一氣腔長度，即讀數部分所讀取的刻度數值。
一種變容氣箱的氣腔橫截面面積A是已知的，氣腔在某一時刻的長度L是通過讀取該時刻主尺數值加上微分數值所得，氣體某一壓力下的壓縮係數Cg目前又現成可靠的數據可査用，氣體的壓力狀態由系統壓力可知。此時，將各數據代入以上公式可得到氣腔壓縮性S^。由此可見，通過調節氣箱內氣腔長度的大小，或者改變氣腔壓力，就可以改變氣腔壓縮性大小。
權利要求
1、一種變容氣箱，它由氣箱部分(10)、活塞部分(20)和讀數部分(30)組成，其特徵在於進/出氣口(11)設置在外筒(12)前端，外筒(12)內壁貼有內襯(13)，內襯(13)與活塞頭(21)及密封圈(22)圍成封閉氣腔(14)，蓋板(15)通過螺栓(17)蓋在外筒(12)開口端，蓋板(15)後側面設置鎖緊裝置(16)；所述的活塞部分(20)的前半部分放置在氣箱內，包括活塞頭(21)、密封圈(22)、軸承(23)、後蓋(24)、螺栓(25)和活塞軸(26)前半部分，互相連接形成整體放置在氣箱部分(10)內，其中，密封圈(22)嵌置在活塞頭(21)圓板側面凹槽內，活塞軸(26)前半部分插入軸承(23)，並隨軸承(23)一起插入活塞頭(21)後端，後蓋(24)通過螺栓(25)蓋在活塞頭(21)末端，活塞部分(20)的後半部分放置在氣箱外，套在讀數部分(30)內，包括活塞軸(26)後半部分的高精度絲杆(27)、底座(28)和旋鈕(29)，其中，高精度絲杆(27)末端插入底座(28)的前端，讀數部分(30)套在活塞軸(26)和底座(28)外，支撐套筒(32)套在活塞軸(26)外，前端插入蓋板(15)後端，固定套筒(33)套在支撐套筒(32)外，微分筒(34)套在高精度絲杆(27)外，前端套在固定套筒(33)上，後端套在底座(28)上，讀數部分(30)的主尺刻度設置在固定套筒(33)水平基線的上下，微分刻度設置在微分筒(34)的前端。
2、 根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的內襯(13) 為高滑動性耐壓材料製成的圓筒型襯砌。 、'
3、 根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的密封圈(22) 嵌置在活塞頭(21)圓板側邊的凹槽內，內襯(13)壓著密封圈(22)外緣。
4、 根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的內襯(13) 與活塞頭(21)圓板面及側邊的密封圈(22)圍成密閉的空間氣腔(14)。
5、 根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的活塞軸(26) 前端插入軸承(23)內，並與軸承(23) —起插入活塞頭(21)後端。
6、 根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的旋鈕(29) 插入底座(28)後端，活塞軸(26)插入底座(28)前端。
7、根據權利要求1所述的一種變容氣箱，其特徵在於所述的鎖緊裝置(16) 設置在蓋板(15)後端的側面。
全文摘要
本發明公開了一種變容氣箱，它由氣箱、活塞和讀數部分組成。進/出氣口設置在外筒前，外筒內壁貼有內襯，內襯和活塞頭圍成氣腔，蓋板通過螺栓連接外筒，鎖緊裝置設置在蓋板側。活塞部分的前半部分放置在氣箱內，活塞頭圓板側邊凹槽內嵌入密封圈，活塞軸前端插入軸承，並隨同軸承一起插入活塞頭後端中心處，封住活塞頭。高精度絲杆末端插入底座，旋鈕插入底座後端。支撐套筒套在活塞軸外，前端嵌入氣箱部分蓋板後端，固定套筒緊套在支撐套筒外，用銷釘固定在支撐套筒上，微分筒前端面緊貼固定套筒，後端面緊貼底座。本發明操作簡單、讀數方便、裝置穩定、氣腔壓縮性讀數精度高，測量範圍廣，測低滲透試件試驗速度快，提高了測量精度。
文檔編號G01N15/08GK101504349SQ20081023667
公開日2009年8月12日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者李小春, 穎 王, 寧 魏 申請人:中國科學院武漢巖土力學研究所