新聞科研進展
在鹽巖層中建設(shè)鹽穴儲氣庫與壓縮空氣儲能電站是我國地下儲能領(lǐng)域重點發(fā)展方向。在鹽穴儲氣庫和壓氣儲能電站運行過程中，隨著注采作業(yè)的進行，鹽穴內(nèi)部壓力呈現(xiàn)周期性升降變化，導(dǎo)致圍巖長期承受循環(huán)載荷作用（圖1）。當前巖石蠕變試驗機主要可分為電液伺服蠕變試驗機和重力加載蠕變試驗機。前者在開展長期蠕變試驗時，易受到斷電和電子元器件損壞等影響導(dǎo)致試驗中斷或失敗，后者一般只能實現(xiàn)恒定的單軸加載，難以提供連續(xù)變化的三軸循環(huán)荷載，兩種類型的蠕變試驗機在開展低頻率循環(huán)加載蠕變試驗時都有明顯的局限性。因此，研發(fā)新型蠕變試驗系統(tǒng)已迫在眉睫。
圖1 儲能鹽穴注氣和采氣過程示意圖
對此，武漢巖土所油氣中心科研團隊研發(fā)了巖石超低頻循環(huán)荷載蠕變試驗系統(tǒng)（圖2），該系統(tǒng)由五個主要部分組成：荷載發(fā)生系統(tǒng)、三軸壓力室、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、計算機和自動補排油系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)采用重力驅(qū)動式“動靜結(jié)合”加載技術(shù)。通過固定砝碼實現(xiàn)恒定靜載，可移動砝碼生成循環(huán)動載，有效突破了傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)和重力加載方式在長周期循環(huán)試驗中的技術(shù)限制。此試驗系統(tǒng)具有控制性能好、自動化程度高、試驗精度高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，最大的優(yōu)點是在開展長期的蠕變試驗中具有極高的穩(wěn)定性，同時支持自定義循環(huán)荷載的波形和循環(huán)周期。
圖2 巖石超低頻循環(huán)荷載蠕變試驗系統(tǒng)
該系統(tǒng)具有以下功能和特點：
1. 動（循環(huán)）靜（恒定）結(jié)合加載
本系統(tǒng)采用創(chuàng)新的動靜結(jié)合加載機制，支持恒溫恒壓蠕變試驗、循環(huán)軸壓蠕變試驗、循環(huán)圍壓蠕變試驗和循環(huán)溫度蠕變試驗。系統(tǒng)通過優(yōu)化循環(huán)控制效能，集成多種標準荷載波形（如正弦波、三角波等），并支持用戶自定義波形配置，可充分滿足工程實踐與基礎(chǔ)理論研究的多樣化需求。
2. 高精度大變形監(jiān)測系統(tǒng)
配備大量程位移傳感系統(tǒng)，軸向位移測量范圍達75 mm，分辨率優(yōu)于0.2% F.S。環(huán)向位移采用4通道LVDT串聯(lián)測量技術(shù)，單通道量程25 mm，環(huán)向總測量范圍擴展至100 mm，可精準捕獲軟巖類材料的大變形特征。
3. 系統(tǒng)可靠性與長期穩(wěn)定性
基于砝碼重力加載原理，徹底規(guī)避傳統(tǒng)電液伺服系統(tǒng)在長期試驗中因斷電、電子元件故障或控制軟件異常導(dǎo)致的載荷失效風(fēng)險。低功耗系統(tǒng)設(shè)計配合工業(yè)級不間斷電源（UPS），可確保在72小時斷電工況下試驗數(shù)據(jù)連續(xù)性與完整性，系統(tǒng)平均無故障時間超過5000小時。
圖3 (a)循環(huán)周期為1天和7天的低頻循環(huán)荷載蠕變試驗應(yīng)力曲線; (b) 循環(huán)載荷蠕變試驗中試樣的蠕變曲線
利用該試驗系統(tǒng)開展了周期為1天和7天的低頻循環(huán)荷載蠕變試驗，對加載能力、加載穩(wěn)定性和溫控穩(wěn)定性進行了驗證。該試驗系統(tǒng)已在江蘇淮安鹽穴儲氣庫、河南平頂山鹽穴儲氣庫等儲能工程中成功應(yīng)用，準確、高效地提供了相關(guān)參數(shù)，有力支撐了相關(guān)工程的設(shè)計、施工、運行。
圖4 多級循環(huán)加載蠕變試驗中的應(yīng)力路徑與軸向應(yīng)變曲線
研究成果發(fā)表于一區(qū)TOP期刊Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，并申請發(fā)明專利2項。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目（52374069）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目（52122403）和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會項目（Y2023089）等項目資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674775525000356
（作者：李銀平 董志凱 施錫林）