УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ Российский патент 2025 года по МПК G01N3/18 G01N3/60 G01N33/38 

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и предназначено для исследования процессов образования и изменения собственных внутренних напряжений в формирующимся цементном камне в условиях изменения окружающей температуры от отрицательных до положительных значений.

Известна экспериментальная установка УОНДА-1420 (Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. - М.: Химия. -1990. - 256 с.) для определения внутренних структурных и температурных усадочных напряжений, а также трещиностойкости, которая включает в себя испытательную машину из прямоугольной сварной из швеллера рамы, двух тяг на шарнирах, соединенных с захватами испытуемого образца, кварцевого стержня, динамометра, ходового винта, грузовой гайки, электрического привода из редуктора, электромагнитной муфты, мотора - вариатора и электрической цепи с контактами, холодильной установки с жидким азотом, электронагревательной установки, пульта измерения температуры, усилий, деформаций.

Недостатками данной установки являются сложность конструкции, обусловленная наличием горизонтально расположенной системы «тяга - образец - тяга - динамометр - ходовой винт - грузовая гайка», регулировка которой обеспечивается наличием подпружиненных подвесок и винтов, для работы установки необходим электрический привод, состоящий из редуктора, электромагнитной муфты, мотора-вариатора и электрической цепи с контактами, необходимость использования холодильной установки с жидким азотом для охлаждения испытуемого образца и электропечи для его нагрева.

Известно устройство для измерения внутренних напряжений (авторское свидетельство SU № 627308, опубл. 10.05.1978), возникающих в конструкциях при изменении влажности или температуры материала, которое представляет собой основание в виде двух штанг с резьбой, расположенных соосно и соединенных гайкой, два захвата, размещенных на свободных концах штанг и выполнены в виде винта, скользящей втулки, на которой закреплен упругий элемент с тензорезисторами, фигурной гайки, внутри которой размещена втулка, и цанговым зажимом, соединяющим фигурную гайку с соответствующим зажимом.

Недостатками данной установки являются тензорезисторы установленные на круглом упругом элементе, который через винтовую пару связан с исследуемым образцом шурупами, а не на самом исследуемом образце, при измерениях не учитывается термическое расширение элементов конструкции устройства, исследование образца возможно только при положительных температурах.

Известна экспериментальная установка для определения теплостойкости и внутренних напряжений в полимерах с использованием компьютерных технологий (А.Ю. Крутов, С.А. Иванов, Тамбовский государственный технический университет, Сборник статей магистрантов. -2006.-Вып.5.-С.86-89) которая включает в себя основание, зажим для образца, тягу, упругий элемент с тензодатчиками, нагреватель, термопару с задатчиком температуры, аналогово-цифровой преобразователь, ПЭВМ.

Недостатками данной установки являются тензодатчики, установленые не на самом исследуемом образце, а на упругом элементе, не учитывается термическое расширение зажима для образца и тяги, не учитываются упругие характеристики упругого элемента, соединенного через тягу с зажимом образца, исследование образца возможно только при положительных температурах.

Известна установка для измерения собственных напряжений (давления расширения) методом механической компенсации деформаций материала ("Методические рекомендации по определению собственных напряжений в цементном камне и бетоне", секция коррозии и спецбетонов НТС НИИЖБ Госстроя СССР от 1 ноября 1984 г., рис.1), в состав которой входит основание, шарнирно закреплённый двуплечий рычаг с конечными выключателями, релейные индикаторы, шток с пуансоном, груз с противовесом, электродвигатель, вращающийся подъёмный столик для образца.

Недостатками данного устройства являются необходимость наличия груза массой 10-11 кг и противовеса такой же массы, необходимость строго вертикального положения установки, исследование цементных образцов возможно только при положительных температурах, погрешность при измерении до 7%.

Известно устройство для определения внутренних напряжений и трещиностойкости материалов (патент RU № 2315962, опубл. 27.01.2008), принятая за прототип, для проведения испытаний материалов на трещиностойкость при действии структурных и температурных усадочных напряжений и старения, которое представляет собой форму, состоящую из связанных между собой болтами двух поперечных металлических пластин и двух боковых металлических пластин, двух захватов для испытуемого образца, тензодатчиков с регистрирующей системой сигналов, термопары с регистрирующим прибором.

Недостатками данной установки являются тензодатчики установленые не на самом исследуемом образце, а на боковых металлических пластинах, которые связаны болтами с двумя поперечными металлическими пластинами, которые в свою очередь связаны болтами с захватами образца цементного камня, захваты и боковые металлические пластины выполнены из материалов с различным термическим коэффициентом линейного расширения, не учитывается термическое расширение болтов, которыми крепятся поперечные металлические пластины к боковым металлическим пластинам с тензодатчиками и к захватам образца.

Техническим результатом является повышение точности измерения собственных внутренних напряжений цементного образца.

Технический результат достигается тем, что содержит вертикальную пластину, которая выполнена в форме прямоугольника, установленную в центре горизонтального основания, в котором выполнены отверстия, в которые вертикально установлены и закреплены резьбовые шпильки, на резьбовой конец которой установлена прижимная гайка, тензодатчики одним концом закреплены сверху на вертикальной пластине, а – другим через отверстия, которые выполнены в боковых частях тензодатчики закреплены на резьбовой шпильки прижимной гайкой, при этом вертикальная пластина, горизонтальное основание, шпильки и прижимные гайки выполнены из не подверженного температурной деформации материала «Инвар».

Устройство поясняется следующей фигурой:

фиг. 1 – общий вид устройства;

фиг. 2 – 3D модель устройства в комплекте с образцами цементного камня;

фиг. 3 – схема работы устройства, где:

1 – вертикальная пластина;

2 – горизонтальное основание;

3 – тензодатчик;

4 – термодатчики;

5 – образец цементного камня;

6 – резьбовая шпилька;

7 – прижимная гайка;

8 – регистратор сигналов;

9 – компьютер;

10 – кабели.

Устройство для измерения собственных внутренних напряжений при формировании цементного камня в условиях изменения окружающей температуры включает вертикальную пластину 1 (фиг. 1-3), которая выполнена в форме прямоугольника и толщиной не менее 20 мм, установленную в центре горизонтального основания 2, которое выполнено в форме прямоугольника и толщиной не менее 20 мм. Резьбовые шпильки вертикально установлены и закреплены в отверстия, которые выполнены в горизонтальном основании 2. На резьбовой конец шпильки 6 установлена прижимная гайка 7. Тензодатчики 3 одним концом закреплены сверху на вертикальной пластине 1, а – другим через отверстия, которые выполнены в боковых частях тензодатчики 3 закреплены на резьбовой шпильки 6 прижимной гайкой 7. Прямоугольная вертикальная пластина 1, прямоугольное горизонтальное основание 2, шпильки 6 и прижимные гайки 7 изготовлены из не подверженного температурной деформации материала «Инвар». Термодатчики 4 выполнены с возможностью установки на образец цементного камня 5. Выходы тензодатчиков 2 и термодатчиков 4 соединены через кабели с входом регистратора сигналов 8, выход которого соединён со входом компьютера 9. Кабели закреплены вдоль боковой поверхности вертикальной пластины 1 и на горизонтальном основании 2.

Устройство работает следующим образом. Из цементного раствора заданной рецептуры с известным сроком ожидаемого затвердевания цемента готовится образец цементного камня 5 размером 40мм×40мм×160мм со сроком схватывания цемента равным половине срока ожидаемого затвердевания цемента. Образец цементного камня 5 закрепляется в устройство измерения таким образом, чтобы горизонтальное основание 2 и тензодатчики 3 плотно, но без усилия, прилегали к торцам образца цементного камня 5. Сбоку на образец цементного камня 5 устанавливается термодатчик 4. Подключается регистратор сигналов 8 и компьютер 9. Вращением прижимной гайки 7 на заворот по резьбе шпильки 6 тензодатчик 3 прижимается к образцу цементного камня 5. В тензодатчике 3 возникает определённое внутреннее напряжение, которое принимается за нулевое значение системы начального давления. При охлаждении образца цементного камня 5 он сжимается, уменьшая давление на тензодатчик 3, и установленное внутреннее напряжение в тензодатчике 3 уменьшается на величину сжимающего усилия. И наоборот - при отогреве образца цементного камня 5 происходит его линейное расширение и он начинает давить на тензодатчик 3. Это приводит к увеличению внутреннего напряжения в тензодатчике 3 на величину усилия расширения. Изменения внутреннего напряжения в тензодатчике 3, обусловленные линейным сжатием или расширением образца цементного камня 5 при его охлаждении или отогреве фиксируются регистратором сигналов 8 с дальнейшей их обработкой на компьютере 9. Информация с термодатчиков 4 передается на вход регистратора сигналов 8, с выхода которого информация передается на вход компьютера 9, где в программном продукте проводится обработка полученных данных.

Конструкция устройства, в котором детали выполнены из материала «Инвар», который не подвергается температурной деформации и обеспечен плотный контакт тензодатчиков и термодатчиков непосредственно с испытуемым образцом цементного камня позволяет обеспечить высокую точность измерений собственных внутренних напряжений исследуемого образца цементного камня при изменении окружающей температуры.

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин и предназначено для исследования процессов образования и изменения собственных внутренних напряжений в формирующимся цементном камне в условиях изменения окружающей температуры от отрицательных до положительных значений. Заявленное устройство включает в себя основание с горизонтальной металлической формой, тензодатчики, термопару, регистратор сигналов, а также дополнительно содержит вертикальную пластину, которая выполнена в форме прямоугольника, установленную в центре горизонтального основания, в котором выполнены отверстия, в которые вертикально установлены и закреплены резьбовые шпильки, на резьбовой конец которой установлена прижимная гайка, тензодатчики одним концом закреплены сверху на вертикальной пластине, а другим - через отверстия, которые выполнены в боковых частях, тензодатчики закреплены на резьбовой шпильки прижимной гайкой, при этом вертикальная пластина, горизонтальное основание, шпильки и прижимные гайки выполнены из не подверженного температурной деформации материала «Инвар». Технический результат - повышение точности измерения собственных внутренних напряжений цементного образца. 3 ил.

Устройство для измерения собственных внутренних напряжений при формировании цементного камня в условиях изменения окружающей температуры, включающее основание с горизонтальной металлической формой, тензодатчики, термопару, регистратор сигналов, отличающееся тем, что содержит вертикальную пластину, которая выполнена в форме прямоугольника, установленную в центре горизонтального основания, в котором выполнены отверстия, в которые вертикально установлены и закреплены резьбовые шпильки, на резьбовой конец которой установлена прижимная гайка, тензодатчики одним концом закреплены сверху на вертикальной пластине, а другим - через отверстия, которые выполнены в боковых частях тензодатчики, закреплены на резьбовой шпильки прижимной гайкой, при этом вертикальная пластина, горизонтальное основание, шпильки и прижимные гайки выполнены из не подверженного температурной деформации материала «Инвар».