一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置及测试方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种多功能的低渗介质气体渗透率测试装置，该装置包括试验装置和气体注入装置。试验装置包括顶盖，底座和主体。通过将顶盖和底座的小圆柱体完全嵌入主体并紧固以形成渗透室。同时可以进行不同反压下稳态法和瞬态法下的低渗试样气体渗透试验。本发明专利技术还提供了上述试验装置的测试方法。工作时，通过对试样上下端施加气压，可以获得不同气体压力、不同干密度对低渗介质气体滑脱效应的影响。可以从反压端气体压力变化和流量变化两方面鉴别气体突破压力大小。可以获得不同上下端压差变化过程中的试样排水情况和饱和度的演化规律。本发明专利技术装置简便易操作，功能齐全，可有效地获得低渗介质的气体渗透特性。

A Multifunctional Gas Permeability Testing Device for Low Permeability Media and Its Testing Method

【技术实现步骤摘要】
一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置及测试方法
本专利技术涉及环境岩土工程
，具体地，涉及一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置及测试方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，工程实践中，低渗介质条件下，岩土体气体渗透行为越来越受到岩土界的关注。在CO2地质封存储库、卫生填埋场、压缩气体储能、曝气法修复等工程建设中，均存在低渗介质中气体渗透问题。例如：业已得到广泛认同的高放射性废弃物的深地质处置工程，根据其概念设计，是要在地下500-1000米深处的完整岩层中建造处置库，并由内层的废物处置罐、中层的缓冲/回填材料和外层的既有岩层等共同构成多重屏障，以防止库内核素的可能泄露。其中，缓冲/回填材料多采用膨润土及其与砂的混合物。经研究发现，深地质处置库运营过程中，废物容器及缓冲/回填材料会因地下水饱和而处于缺氧或无氧环境，从而由于重金属的无氧腐蚀、水的辐解、微生物活动等，导致废弃物容器与缓冲/回填材料接触面附近产生大量的H2、CO2、CH4和H2S等多种气体。当气体生成速率逐渐增大，以至于难以全部溶解于地下水中扩散时，废物容器表面及近场气体将逐渐积聚并导致气压逐渐升高。在高气压的作用下，缓冲/回填材料中可能形成裂缝，导致工程屏障功能降低甚至完全丧失，气体大量释放，从而威胁到处置库的长期运行安全。因此深入了解缓冲/回填材料的气体渗透和气体突破特性对工程建设安全和理论研究具有重大的意义。因此，研究气体在低渗介质中的非线性渗流特性演化规律(渗透稳定时间、突破压力大小、滑脱效应等)和离散渗流特性(排水情况、饱和度的演化规律等)可以为工程稳定性分析和长期安全评价提供关键参数，对工程建设设计及长期安全评价具有重大意义。同时，对于低渗介质，气体渗透率的测定将受到测试方法的显著影响，如精度、测试时间。因此，深入了解、对比不同测试方法的区别，找出背后的原因也显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题而专利技术了一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置及测试方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现。本专利技术提供了一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，包括试验装置和气体注入装置，所述试验装置包括顶盖、底座、主体和二片透水石；所述主体为一空心圆柱体，其内径记为L1，高度记为h1；所述顶盖和底座的形状完全相同，由直径不同的二个同轴圆柱体构成，记小同轴圆柱体的高度为h2，直径为L2，2h2＜h1，L2＝L1-△L，间隙△L为0.5mm-1.5mm；记小同轴圆柱体与大同轴圆柱体的非接触面为下底面，下底面的中心位置开有通道口B，顶盖和底座的大同轴圆柱体外壁开有通道口A，通道口A与通道口B之间开有通道；二片透水石分别镶嵌在顶盖和底座的下底面上；将顶盖和底座的二个小同轴圆柱体从上下二个方向嵌入主体的内腔，形成封闭的渗透室；所述气体注入装置包括空气储气罐、不锈钢钢管、气体缓冲罐、两通接头A、减压阀A、压力传感器A、二通球阀A、减压阀B、压力传感器B、二通球阀B、两通接头B、三通球阀和压力体积控制器；气体缓冲罐的一端通过不锈钢管与空气储存罐连接，另一端通过二通接头A将气体分成两个支流进行分流，一路经减压阀A、压力传感器A以及二通球阀A与底座上的通道口A相连；另一路经减压阀B、压力传感器B、二通球阀B到达两通接头B；所述两通接头B的一端与顶盖上的通道口A相连，另一端经三通球阀与压力体积控制器相连。优选地，所述透水石为304不锈钢材质，孔隙为55μm且误差小于5.0μm。优选地，所述顶盖、底座与主体嵌入的底面上均镶有密封圈。优选地，所述顶盖和底座上的大同轴圆柱体的直径与主体外径相同。本专利技术还提供了一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置的测试方法，将需要进行测试的试样干密度范围均分为F份，得到F种预设试样干密度和F个预定试样，对F个预定试样逐个进行注水饱和试验、稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，其中任一个预定试样的具体测试步骤均如下：步骤1，试样装填将预定试样的预设试样干密度记为ρd，计算填满渗透室所需预定试样质量ms，然后将预定试样倒入嵌有底座的渗透室中，且在预定试样顶部和底部均垫有滤纸，再将顶盖完全嵌入主体中并紧固，完成预定试样的装填；步骤2，注水饱和试验将试验装置15与压力体积控制器14连接，并将压力体积控制器加满蒸馏水后，对渗透室中的预定试样进行恒定压力P的注水饱和试验，同时记录蒸馏水注入水量Vw随时间的变化；当预定试样已达到饱和状态，注水饱和试验结束；步骤3，接入气体注入装置将试验装置与气体注入装置进行连接；接入前，将压力体积控制器中蒸馏水排空，并检查气体注入装置，确保各个阀门均处于断开状态；步骤4，开始气体渗透试验打开空气储存罐的阀门，使气体经不锈钢钢管进入气体缓冲罐，进行气体渗透试验；所述气体渗透试验包括稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，稳态法气体渗透试验按照步骤5执行，瞬态法气体渗透试验按照步骤6执行；步骤5，稳态法气体渗透试验步骤5.1，设定稳态法目标压力P1，稳态法初始压力P0，且P0＞P1≥0，所述目标压力P1为稳态法试验中的反压端压力，由压力体积控制器控制；所述稳态法初始压力P0为气体注入压力；压力单位均为kPa；步骤5.2，关闭减压阀B和二通球阀B，打开三通球阀使压力体积控制器与试验装置之间连通；调节压力体积控制器至步骤5.1设定的稳态法目标压力P1，并将气体体积调至0；调节减压阀A至步骤5.1设定的稳态法初始压力P0；步骤5.3，打开二通球阀A，对预定试样进行气体渗透试验，并记录气体体积Va随时间t的变化；所述气体体积Va是指在时间t内气体渗透预定试样并进入压力体积控制器的气体体积；步骤5.4，检验是否满足设定的试验终止条件，如果满足终止条件之一，计算预定试样的气体渗透率K，并结束稳态法气体渗透试验，进入步骤7；所述试验终止条件为以下两种：①渗透预定试样的气体充满压力体积控制器；②试验过程中，当渗透气体流量Qa趋于恒定值d，且在5min的时间内，气体流量Qa与d的差值均不超过0.01ml/min；气体流量Qa计算公式如下：|Qa-d|≤0.01，其中，气体流量Qa的单位为ml/min，Δv1为Δt1时间内流进压力体积控制器的气体体积，单位为ml，d为气体流量的恒定值；所述预定试样的气体渗透率K的计算公式如下：其中，μ为气体的粘滞系数，单位为Pa·s；P′为大气压(101.3kPa)；L为预定试样高度，单位为m；A为预定试样横截面积，单位m2；步骤6，瞬态法气体渗透试验步骤6.1，设定瞬态法反压端压力P3，瞬态法初始压力P2，且P2＞P3≥0，所述瞬态法反压端压力由减压阀B控制；所述瞬态法初始压力P2为气体注入压力，由减压阀A控制；压力单位均为kPa；步骤6.2，断开三通球阀，使试验装置上下端形成闭合回路；打开减压阀A和减压阀B，分别调整至步骤6.1设定的瞬态法初始压力P2和瞬态法反压端压力P3；步骤6.3，再打开二通球阀A和二通球阀B后，待气压稳定后断开减压阀A和减压阀B；同时记录瞬态法初始压力P2和瞬态法反压端压力P3的变化情况；步骤6.4，检验是否满足设定的试验终止条件，如果满足终止条件，计算预定试样的气体渗透率K，并结束瞬态法气体渗透试验，进入步骤7；所述试验终止条件为：试验时，P2与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，包括试验装置(15)和气体注入装置，其特征在于，所述试验装置(15)包括顶盖(18)、底座(23)、主体(21)和二片透水石(20)；所述主体(21)为一空心圆柱体，其内径记为L1，高度记为h1；所述顶盖(18)和底座(23)的形状完全相同，由直径不同的二个同轴圆柱体构成，记小同轴圆柱体的高度为h2，直径为L2，2h2＜h1，L2＝L1‑△L，间隙△L为0.5mm‑1.5mm；记小同轴圆柱体与大同轴圆柱体的非接触面为下底面(26)，下底面(26)的中心位置开有通道口B(25)，顶盖(18)和底座(23)的大同轴圆柱体外壁开有通道口A(24)，通道口A(24)与通道口B(25)之间开有通道(17)；二片透水石(20)分别镶嵌在顶盖(18)和底座(23)的下底面(26)上；将顶盖(18)和底座(23)的二个小同轴圆柱体从上下二个方向嵌入主体(21)的内腔，形成封闭的渗透室(22)；所述气体注入装置包括空气储气罐(1)、不锈钢钢管(3)、气体缓冲罐(4)、两通接头A(5)、减压阀A(6)、压力传感器A(7)、二通球阀A(8)、减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)、两通接头B(12)、三通球阀(13)和压力体积控制器(14)；气体缓冲罐(4)的一端通过不锈钢管(3)与空气储存罐(1)连接，另一端通过二通接头A(5)将气体分成两个支流进行分流，一路经减压阀A(6)、压力传感器A(7)以及二通球阀A(8)与底座(23)上的通道口A(24)相连；另一路经减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)到达两通接头B(12)；所述两通接头B(12)的一端与顶盖(18)上的通道口A(24)相连，另一端经三通球阀(13)与压力体积控制器(14)相连。...

【技术特征摘要】
1.一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，包括试验装置(15)和气体注入装置，其特征在于，所述试验装置(15)包括顶盖(18)、底座(23)、主体(21)和二片透水石(20)；所述主体(21)为一空心圆柱体，其内径记为L1，高度记为h1；所述顶盖(18)和底座(23)的形状完全相同，由直径不同的二个同轴圆柱体构成，记小同轴圆柱体的高度为h2，直径为L2，2h2＜h1，L2＝L1-△L，间隙△L为0.5mm-1.5mm；记小同轴圆柱体与大同轴圆柱体的非接触面为下底面(26)，下底面(26)的中心位置开有通道口B(25)，顶盖(18)和底座(23)的大同轴圆柱体外壁开有通道口A(24)，通道口A(24)与通道口B(25)之间开有通道(17)；二片透水石(20)分别镶嵌在顶盖(18)和底座(23)的下底面(26)上；将顶盖(18)和底座(23)的二个小同轴圆柱体从上下二个方向嵌入主体(21)的内腔，形成封闭的渗透室(22)；所述气体注入装置包括空气储气罐(1)、不锈钢钢管(3)、气体缓冲罐(4)、两通接头A(5)、减压阀A(6)、压力传感器A(7)、二通球阀A(8)、减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)、两通接头B(12)、三通球阀(13)和压力体积控制器(14)；气体缓冲罐(4)的一端通过不锈钢管(3)与空气储存罐(1)连接，另一端通过二通接头A(5)将气体分成两个支流进行分流，一路经减压阀A(6)、压力传感器A(7)以及二通球阀A(8)与底座(23)上的通道口A(24)相连；另一路经减压阀B(9)、压力传感器B(10)、二通球阀B(11)到达两通接头B(12)；所述两通接头B(12)的一端与顶盖(18)上的通道口A(24)相连，另一端经三通球阀(13)与压力体积控制器(14)相连。2.根据权利要求1所述的一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，其特征在于，所述透水石(20)为304不锈钢材质，孔隙为55μm且误差小于5.0μm。3.根据权利要求1所述的一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，其特征在于，所述顶盖(18)、底座(23)与主体(21)嵌入的底面上均镶有密封圈(19)。4.根据权利要求1所述的一种多功能的低渗介质渗透性测试装置，其特征在于，所述顶盖(18)和底座(23)上的大同轴圆柱体的直径与主体(21)外径相同。5.根据权利要求1所述的一种多功能的低渗介质气体渗透性测试装置的测试方法，其特征在于，将需要进行测试的试样干密度范围均分为F份，得到F种预设试样干密度和F个预定试样，对F个预定试样逐个进行注水饱和试验、稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，其中任一个预定试样的具体测试步骤均如下：步骤1，试样装填将预定试样的预设试样干密度记为ρd，计算填满渗透室(22)所需预定试样质量ms，然后将预定试样倒入嵌有底座(23)的渗透室(22)中，且在预定试样顶部和底部均垫有滤纸，再将顶盖(18)完全嵌入主体(21)中并紧固，完成预定试样的装填；步骤2，注水饱和试验将试验装置(15)与压力体积控制器(14)连接，并将压力体积控制器(14)加满蒸馏水后，对渗透室(22)中的预定试样进行恒定压力P的注水饱和试验，同时记录蒸馏水注入水量Vw随时间的变化；当预定试样已达到饱和状态，注水饱和试验结束；步骤3，接入气体注入装置将试验装置(15)与气体注入装置进行连接；接入前，将压力体积控制器(14)中蒸馏水排空，并检查气体注入装置，确保各个阀门均处于断开状态；步骤4，开始气体渗透试验打开空气储存罐(1)的阀门，使气体经不锈钢钢管(3)进入气体缓冲罐(4)，进行气体渗透试验；所述气体渗透试验包括稳态法气体渗透试验和瞬态法气体渗透试验，稳态法气体渗透试验按照步骤5执行，瞬态法气...

【专利技术属性】
技术研发人员：查甫生，朱方华，许龙，康博，刘晶晶，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34