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可燃冰低溫高壓三軸測(cè)試系統(tǒng)是英國GDS公司較新科研成果，可燃冰三軸儀是一款低溫高壓三軸儀系統(tǒng)，專門用于可燃冰和凍土的研究，是技術(shù)先進(jìn)的天然氣水合物三軸儀，同時(shí)也可以用于常規(guī)土體三軸試驗(yàn)。

可燃冰是天然氣水合物的俗稱，是近20年來在海洋和凍土帶發(fā)現(xiàn)的新型潔凈能源，可以作為傳統(tǒng)能源如石油、碳等的替代品。據(jù)估算，世界上可燃冰所含有機(jī)碳的總資源量相當(dāng)于全球已知煤、石油和天然氣的2倍。

但是業(yè)界對(duì)于可燃冰的開采技術(shù)的掌握尚未成熟，如果在可燃冰開采過程中出現(xiàn)意外，天然氣水合物被擾動(dòng)并且釋放到大氣中將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題，所以必須提前對(duì)可燃冰進(jìn)行深入的科學(xué)研究。室內(nèi)巖土試驗(yàn)室進(jìn)行可燃冰研究的專用設(shè)備就是可燃冰低溫高壓三軸儀。

 

英國GDS公司很早就介入了可燃冰三軸測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，在多年前就給英國南安普敦大學(xué)提供了專門用于可燃冰研究的低溫、高壓共振柱測(cè)試系統(tǒng)。除此以外，GDS也可以提供各種技術(shù)規(guī)格的可燃冰動(dòng)靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)。

下圖是GDS公司給英國南安普頓大學(xué)生產(chǎn)的低溫高壓共振柱，帶有扭剪和軸向共振功能。

可燃冰三軸試驗(yàn)基本要求：

可燃冰測(cè)試需要高壓、低溫環(huán)境；多相反壓試驗(yàn)需要甲烷或者二氧化碳、氬氣和水等輔助材料；需要在實(shí)驗(yàn)室制備或深海鉆取樣本；并需要配備低溫試樣準(zhǔn)備工作區(qū)。

GDS公司提供的可燃冰低溫高壓三軸試驗(yàn)系統(tǒng)性價(jià)比高，精度高，設(shè)備性能較高。

可燃冰低溫高壓三軸儀系統(tǒng)構(gòu)成：

（1）主機(jī)：

一套250kN虛擬無限剛度VIS軸向加載系統(tǒng)，帶有IEEE數(shù)據(jù)傳輸接口用于和個(gè)人電腦連接，閉環(huán)回路反饋控制軸向力和壓力板位移，軸向應(yīng)力或者軸向位移可以長時(shí)間恒定，力值分辨率為萬分之± 1，位移分辨率為0.1微米。包括250kN荷重傳感器。

（2）三軸壓力室：
對(duì)于可燃冰測(cè)試，推薦采用不銹鋼高壓三軸壓力室，可以用于測(cè)試最大直徑100mm的試樣，最大壓力可達(dá)64MPa甚至是128MPa，包括5個(gè)液路連接頭和閥門。

（3）壓力/體積控制器：
GDS將會(huì)提供兩套高級(jí)壓力/體積控制器用于施加圍壓和反壓，最大工作壓力34MPa，帶有自動(dòng)壓力和體積的溢出保護(hù)。體積精度為：測(cè)量值的0.1%；壓力精度：量程的0.1%；體積變化測(cè)量和顯示為1立方毫米（0.001CC），壓力顯示到8kPa。反壓媒介可以為一氧化碳、甲烷和水等材料的混合體。

（4）試樣底座和試樣帽：
一整套試樣底座和頂帽用于安裝在100mm三軸壓力室內(nèi)，可用于各種排水和不排水實(shí)驗(yàn)，試樣尺寸為50mm和70。

（5）8通道GDS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：
16位，帶RS232接口，可以給每個(gè)傳感器提供+/- 5 V激勵(lì)電壓供應(yīng)。

（6）孔壓傳感器：
64Mpa，帶GDS數(shù)據(jù)接口的電子聯(lián)結(jié)頭，精度為全量程的0.15%。

（7）GDSLAB三軸測(cè)試軟件，包括以下模塊：

● 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵模塊和加密匙；

● 土樣飽和與固結(jié)模塊：包括B檢測(cè)，圍壓和反壓飽和蠕變，各向同性固結(jié)試驗(yàn)；

● 標(biāo)準(zhǔn)三軸試驗(yàn)?zāi)K：可測(cè)孔壓，包括U-U試驗(yàn)，C-U試驗(yàn)，C-D試驗(yàn)；

● 應(yīng)力路徑試驗(yàn)?zāi)K：線性應(yīng)力路徑 p-q，或s- t；

● K-0模塊：包括K-0固結(jié)和膨脹試驗(yàn)

● 高級(jí)加載模塊：（荷載控制，低頻循環(huán)加載，用戶可以自行設(shè)計(jì)應(yīng)力路徑），可以設(shè)置軸向荷載、軸向位移長時(shí)間恒定用于各種流變測(cè)試。

（8）高低溫溫控箱，以及低溫試樣準(zhǔn)備工作間：

天然氣水化物只存在低溫、高壓的環(huán)境中，所以整個(gè)測(cè)試過程中溫度控制是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。溫控箱最低溫度可以達(dá)到-40°C，控制精度可達(dá)0.5°C。

此外，試樣準(zhǔn)備也必須在低溫的環(huán)境中來置備，GDS也可以提供一個(gè)低溫環(huán)境用于試樣制備。

（9）試樣準(zhǔn)備其他附件：

這些附件需使用者自行準(zhǔn)備，包括：高壓甲烷氣瓶（可以在當(dāng)?shù)刈赓U，壓力需大于測(cè)試需要）、二氧化碳?xì)馄?、氬氣等測(cè)試消耗品需要在當(dāng)?shù)卣业焦?yīng)源實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)毓?yīng)。

ELCTTS是一套循環(huán)三軸系統(tǒng)，設(shè)計(jì)荷載從50kN到1500kN,加載頻率最高為5Hz,10Hz，20Hz。該系統(tǒng)的圍壓最大能到70MPa，由于使用了動(dòng)態(tài)壓力增強(qiáng)器，從而確保了圍壓可以得到準(zhǔn)確的控制。

可燃冰水合物動(dòng)三軸測(cè)試系統(tǒng)ELCTTS技術(shù)參數(shù)：

（1）軸向加載范圍：50～500kN，靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)可選

（2）圍壓范圍：16MPa或者32MPa，甚至更高至100MPa

（3）溫控范圍：-40℃至 65℃，分辨率0.01℃

可燃冰系統(tǒng)ELCTTS基于GDS新型液壓加載荷載架：

液壓荷載架系統(tǒng)用于土壤及巖石試驗(yàn)。荷載架在橫梁上安裝液壓動(dòng)態(tài)作動(dòng)器。這使系統(tǒng)能夠運(yùn)行動(dòng)態(tài)三軸應(yīng)力/應(yīng)變測(cè)試。不用做任何調(diào)整，該框架也能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)。該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)控制軸位移和軸應(yīng)力的能力，并且如果加上一個(gè)可選的動(dòng)態(tài)圍壓作動(dòng)器（徑向應(yīng)力），則可同步進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力路徑測(cè)試。

GDS荷載架剛度高并且設(shè)計(jì)確保在試樣剪切時(shí)反沖較小。剛度較小的荷載架，在試樣破壞臨界點(diǎn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有不良影響。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中在這一關(guān)鍵點(diǎn)時(shí)，如果設(shè)備在高荷載下會(huì)屈從，試樣破壞后架子會(huì)產(chǎn)生反沖，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果。GDS保證設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有高剛度特性，在最大荷載時(shí)形成硬脊，從而克服了這一難題。

使用大直徑三軸壓力室，確保系統(tǒng)可以針對(duì)大顆粒試樣，例如碎石，進(jìn)行試驗(yàn)。

技術(shù)參數(shù)：

用戶圖片：

內(nèi)蒙古大學(xué)ELCTTS 2016

吉林教科所 ELCTTS 2017

青島理工大學(xué)ELCTTS 2017