(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210530444.0 (22)申请日 2022.05.16 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 沈佳轶　梁英杰　陈家旺　高巧玲　 王欣怡　陈前　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 郑海峰 (51)Int.Cl. G01N 3/24(2006.01) G01N 3/02(2006.01) (54)发明名称 一种保压岩心十字板剪切装置及剪切强度 测试方法 (57)摘要 本发明公开了一种保压岩心十字板剪切装 置及及剪切强度测试方法， 装置包括样品保压系 统、 测试系统、 控制系统、 数据采集系统； 样品保 压系统通过球阀保证保压状态， 达到测试前后保 压稳定的目的， 测试系统通过十字板开展剪切试 验测试样品剪切强度， 控制系统实现伸缩杆的伸 缩与扭矩施加器工作， 保证十字板进入样品和开 展工作， 数据采集系统实时通过扭矩传感器、 HX711模块、 单片机、 RS485通信串口采集、 输送和 处理数据， 并保存在PC端。 本发明可以在船上开 展测试的保压岩心剪切测试装置。 对研究海底滑 坡产生机理、 实现可燃冰的安全开采和确保海底 工程施工安全 有很强的指导作用。 权利要求书2页 说明书5页 附图2页 CN 115235916 A 2022.10.25 CN 115235916 A 1.一种保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于包括样品保压系统、 测试系统、 控制系 统、 数据采集系统； 所述的样品保压系统包括保压筒(1)、 测试孔(2)、 测试管(3)、 球阀(4)、 第一连接器、 推 送装置(18)、 第一压强维持器(19)、 第二压强维持器(20)， 所述测试管(3)垂直布置在保压 筒(1)的侧面， 测试管(3)通过测试孔(2)与保压筒(1)相连； 所述的球阀(4)布置在测试管 (3)中部， 所述的第一连接器布置在测试管(3)远离保压筒的一端， 所述的推送装置(18)布 置在保压筒(1)的一端， 用以控制样 品在保压筒(1)内部向前运动， 所述的第一压强维持器 (19)布置在保压筒(1)的另一端， 用以调节保压筒内部压强， 所述的第二压强维持器(20)布 置在测试 管(3)内靠 近第一连接器的一端， 用以保证 球阀两端压强一 致； 所述的测试系统包括仪器管(6)、 十字板(7)， 所述的仪器管(6)通过第一连接器与测试 管(3)相连接， 所述的十字板(7)布置在仪器管(6)内部连接第一连接器的一端， 所述的十字 板(7)通过第二连接器与数据采集系统的扭矩传感器(8)的一端相连接； 所述的控制系统包括伸缩杆(9)、 扭矩施加器(10)、 电机(11)、 PC端(17)， 所述的伸缩杆 (9)的一端通过第三连接器与扭矩传感器(8)的另 一端相连接， 所述的电机(11)通过电线 (12)与PC端(17)相连接， 伸缩杆(9)布置在仪器管(6)内部， 扭矩施加器(10)布置在伸缩杆 (9)与电机(11)之间， 扭矩施加器(10)能够控制伸缩 杆旋转以施加扭矩， 电机(11)能够控制 伸缩杆的伸长与缩短； 所述的数据采集系统包括扭矩传感器(8)、 HX711模块(14)、 单片机(15)、 RS485通信串 口(16)， 扭矩传感器(8)的信号经电线(12)穿过第三连接器上开设的通线孔(13)传输给 HX711模块(14)， 所述的HX711模块(14)通过电线(12)与 单片机(15)相连接， 所述的单片机 (15)通过电线(12)与RS485通信串口(16)相连接， 所述的RS485通信串口(16)通过电线(12) 与PC端(17)相连接 。 2.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述十字板发生位移之 前， 球阀关闭， 保证样品处于保压状态， 在十字板开始 位移之后， 球阀打开， 保证十字板顺利 穿过进入样品。 3.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 通线孔为密封设计， 保 证试验过程中样品始终处于保压状态。 4.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述的仪器管与测试管 通过第一连接器可拆卸 连接， 第一连接器为法兰结构， 第一连接器的内径与仪器管内径一 致， 密封面选用榫槽面， 以保证高压环境下正常发挥连接和密封作用。 5.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述的十字板与 扭矩传 感器通过第二连接器可拆卸连接， 第二连接器为法兰结构， 第二连接器位于仪器管内部， 其 外径仪器管内径的0.8倍， 密封面选用榫槽面， 以保证高压环境下正常发挥连接和密封作 用。 6.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述的扭矩传感器通过 第三连接器与伸缩杆可拆卸连接， 第三连接器为法兰结构， 第三连接器位于仪器管内部， 其 外径仪器管内径的0.8倍， 密封面选用榫槽面， 以保证高压环境下正常发挥连接和密封作 用。 7.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述的电机仅控制伸缩权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115235916 A 2杆的伸缩， 伸缩杆的旋转由扭矩 施加器单独控制。 8.如权利要求1所述的保压岩心十字板剪切装置， 其特征在于： 所述的扭矩传感器与 HX711模块相连将扭矩大小转化为电信号输送给单片机， 所述的单片机接收电信号之后运 行预设代码 计算出电压值、 扭矩大小以及抗剪强度值， 所述的RS48 5通信串口将 计算结果输 送给PC端保存。 9.一种基于权利要求1所述实验装置的天然气水合物保压岩心剪切强度测试方法， 其 特征在于包括如下步骤： a、 将数据采集系统、 测试系统、 控制系统进行 连接； b、 将保压筒平置 于水平平台上； c、 关闭球阀， 开启第一压强维持器和第二压强维持器， 将保压筒内压强调至预设值， 并 保持球阀两端压强一 致； d、 打开球阀， 开启数据采集系统与控制系统， 准备开展十 字板剪切测试； e、 启动电机， 控制伸缩杆将十字板依次穿过第一连接器和球 阀， 并推入保压筒内直至 插入样品内预设深度； f、 控制扭矩施加器， 以一定速度均匀施加扭矩至十字板扭转90 °或180°， 此时剪切完 成； g、 通过数据采集系统实时记录 十字板剪切过程和剪切完成之后的数据； h、 启动电机， 控制伸缩杆将十字板拉出保压筒， 此时即完成了样品一处位置的剪切测 试； 启动推送装置， 将样品往前推送预设距离， 重复e、 f、 g、 h步骤， 直至完成天然气水合物 保压岩心剪切强度测试任务。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115235916 A 3