一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置

1.本实用新型涉及抗拉强度测试技术领域，具体涉及一种水泥石抗拉强度测试的装置。


背景技术：

2.天然气与煤炭、石油等能源相比较具有使用安全、热值高、洁净等优势。地下储气库建设是根据不同的储气库特性，将天然气进行压缩储存的技术方式，地下储气库的主要功能是用气调峰和安全供气、战略储备、提高管线利用系数节省投资、降低输气成本等。城市燃气市场需求随季节和昼夜波动较大，仅依靠输气管网系统均衡输气对流量小范围调节，难以解决用气大幅度波动的矛盾。采用地下储气库将用气低峰输气系统中富余的气量储存起来，在用气高峰时采出以补充管道供气量不足，解决用气调峰问题。当出现气源中断、输气系统停输时，可用地下储气库作为气源保证连续供气，起到调峰和安全供气双重作用。储气库注采井在注气与采气、环空带压与泄压等过程反复承受加载卸载、这种载荷具有循环载荷的特征，对其中的水泥环造成不同程度的损害。在储气库的套管内注水泥，其作用是防止出现流体窜流而保证长期层间封隔，必须在整个油气井寿命期间及报废之后都能实现有效的层间封隔。当套管内压增大减小时，水泥环会受到轴向拉伸应力作用，若水泥环的抗拉强度小于水泥环受到的轴向拉伸应力，水泥环将发生拉伸破坏，造成水泥环封隔失效。因此准确测量水泥石的抗拉强度是保证水泥环封隔完整性的关键。
3.抗拉强度是指材料对载荷所产生的的拉应力的抵抗能力，对于水泥石材料，其抗拉强度小于抗压强度，而且水泥石的破坏多为拉伸破坏，因此抗拉强度是水泥石的一项重要力学指标。目前，水泥石的抗拉强度测量方法借鉴了岩石抗拉强度测试的方法，包括单轴拉伸法、巴西劈裂法、轴向压裂法，其中主要采用了巴西劈裂法。国外许多学者对巴西劈裂实验进行了大量研究，研究表明巴西劈裂法测试抗拉强度受加载应力集中、垫条、试件几何尺寸、试件形状以及厚径比等众多因素的影响，导致抗拉强度测值不稳定。因此，部分学者对巴西劈裂法测试抗拉强度提出了质疑，喻勇认为劈裂试验中会受加载点应力集中的影响，导致试件必然会从加载点起裂，从而测试结果存在非常大的误差；张少华、窦庆峰等对比了拉伸法和劈裂法对岩石抗拉强度的影响规律，认为拉伸法是测量岩石抗拉强度的最佳方法。证实了拉伸法较劈裂法优越，但受限于岩石试件加工等问题，拉伸法测量岩石抗拉强度没有被推广。但水泥石不同于岩石，可以通过特殊的养护模具得到需要的水泥石试件，解决试件加工和试件夹持等问题。陈登红的一种岩石抗拉强度测试装置及试验方法(专利公开号： cn108693035a)通过新型轴向拉伸法，避免了拉伸过程中拉伸容易偏心的问题，但存在以下问题：通过夹具夹持的方式容易在接触的位置产生应力集中现象，使结果出现误差；李彦荣的一种软岩和土体的直接拉伸抗拉强度测试装置及方法(专利公开号：cn108844817a)通过直接拉伸法直接将样品安装固定在拉杆装置上，确保拉应力沿同一直线，规避了偏心力问题，但通过对空心圆柱状样品的中心点施加拉应力，容易在样品中心点处产生应力集中，拉伸过程中拉力方向很难始终保持不变，容易产生多条其他方向的裂纹，
使结果出现误差。张兴国的一种水泥石抗拉强度测试装置及方法(专利公开号：cn112345355a)通过固定夹具和受力套筒均作用于模具上，避免了水泥石在拉伸测试中应力集中的问题，但其需要多个重叠模具，水泥石试件养护困难，夹具大小需要与水泥石完全吻合才能保证施加的应力均匀作用在水泥石上，否则无法避免应力集中的问题，实验成本较高。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型提供一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置,结构简单，操作便捷，水泥石容易脱模、模具便于拆卸、避免了产生偏心力和应力集中等问题。
5.本实用新型采用下述的技术方案：
6.一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置，包括：处于同一条中轴线从上到下依次连接的顶盖、上浆筒、下浆筒、底盖，所述上浆筒与下浆筒之间设置有垫片，所述垫片中间设置有通孔，所述上浆筒连接垫片处的内径比连接顶盖处的内径小，所述下浆筒连接垫片处的内径比连接底盖处的内径小，上浆筒与下浆筒腔体的截面为梯形。
7.优选的，所述上浆筒下端设置有外凹台，所述下浆筒上端设置有内凹台，所述外凹台与内凹台的形状吻合，方便装置安装时对齐。
8.优选的，所述垫片设置的通孔为圆形通孔，可根据实验需要设置通孔直径。
9.优选的，所述上浆筒与下浆筒的内腔形状为圆锥台，使水泥石不会从浆筒脱落。
10.优选的，所述顶盖上表面的中心与底盖下表面的中心分别设置有拉环，方便对装置施加拉力。
11.优选的，所述底盖的拉环连接有拉力传感器，测试水泥石断裂时的拉力大小。
12.优选的，所述顶盖设置有气孔，用于排气。
13.优选的，所述上浆筒内壁、下浆筒内壁、垫片表面、顶盖与上浆筒连接面、顶盖的下表面、底盖与下浆筒的连接面、底盖的上表面涂有薄密封脂，便于密封和脱模。
14.本实用新型的有益效果是：
15.1、本实用新型通过单轴拉伸法直观地测量水泥石的抗拉强度，避免了巴西劈裂法和轴向压裂法中应力换算和理论假设带来的误差；
16.2、操作方便简单，上下浆筒易于对齐，受到的拉力与水泥石处于同一条中轴线避免了单轴拉伸法中容易出现的偏心应力现象。
17.3、上下浆筒的内腔均呈圆锥台形，使装置上下受到拉力时，浆筒侧壁对水泥石越拉越紧从而使水泥石从垫片处断裂，避免了应力集中现象，同时避免水泥石的脱落。
18.4、水泥石制备方便并且容易脱模，断裂面大小即为垫片通孔的大小，方便后续实验与数据计算。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本实用新型的一些实施例，而非对本实用新型的限制。
20.图1为本实用新型结构示意图；
21.图2为本实用新型上半部分结构示意图；
22.图3为本实用新型下半部分局部结构示意图。
23.图中：
24.1-顶盖、2-上浆筒、3-垫片、4-水泥石、5-下浆筒、6-底盖、7-拉力传感器、8-拉环、9-外凹台、10-内凹台。
具体实施方式
25.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
26.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
27.如图1所示，一种拉伸法测水泥石抗拉强度装置，包括：处于同一条中轴线从上到下依次连接的顶盖1、上浆筒2、下浆筒5、底盖6，所述上浆筒2与下浆筒5之间设置有垫片3，所述垫片中间设置有通孔。所述上浆筒2连接垫片 3处的内径比连接顶盖1处的内径小，所述下浆筒5连接垫片3处的内径比连接底盖6处的内径小，当对装置施加拉力时，浆筒侧壁对水泥石4产生压力。
28.所述下浆筒5顶部内壁设置有凹陷，所述上浆筒2下端设置有外凹台9，所述下浆筒5上端设置有内凹台10，所述外凹台9与内凹台10的形状吻合。方便安装装置时上浆筒2与下浆筒5对齐。安装时将所述垫片3安放在下浆筒5内的台阶上，然后将上浆筒2置于垫片3上方并压紧，防止上浆筒2、下浆筒5与垫片3连接处水泥浆渗漏。
29.所述垫片3设置的通孔为圆形通孔，通孔的直径可随实验要求进行设置，通孔面积及为水泥石4断裂面大小，方便实验数据的计算。
30.所述上浆筒2与下浆筒5的内腔形状为圆锥台，对装置上下施加拉力时，上下浆筒的圆锥台侧面拉紧水泥石，对水泥石4施加压力使其从垫片3通孔处断裂的同时避免了水泥石4的脱落。
31.所述顶盖1上表面中心与底盖6下表面中心分别设置有拉环8。方便后续实验对装置施加拉力。
32.所述底盖6的拉环8连接有拉力传感器7，可测试出水泥石4断裂瞬间的最大拉力。
33.所述顶盖1设置有气孔，气孔作用在排气并且防止水泥膨胀过大。
34.所述上浆筒2内壁、下浆筒5内壁、垫片3表面、顶盖1与上浆筒2连接面、顶盖1的下表面、底盖6与下浆筒5的连接面、底盖6的上表面涂有薄密封脂，便于装置的密封和测试结束后水泥石4的脱模与装置拆卸。
35.实验方法
36.将装满水泥浆的连接顶盖底盖的上下浆筒垫片放入初始温度为24～30℃的高温高压养护釜中，模拟地层温度压力条件养护至设计凝期后，将其取出，待冷却后将拉杆和拉
力传感器上的钢丝绳，分别连接在顶盖的拉环和底盖的拉环上，再将连接顶盖的拉杆和拉力传感器上的拉杆分别夹在电子万能实验机的上夹具和下夹具中，拉力传感器接通拉力数据显示器，启动计算机拉力测试软件，待拉力数显仪表显示归零后，启动电子万能实验机，测试水泥石试件分离瞬间的最大拉力。
37.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。