一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置及方法

摘要

本发明涉及一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置及方法，包括第一微观操作系统、第二微观操作系统、可视化反应装置、拍照/录像系统、低温恒温控制系统、温度采集仪；第一微观操作系统包括高精度第一三维操控平台、第一操作臂，第一三维操控平台包括第一XY操作平台、第一Z操作平台；可视化反应装置用于生成水合物颗粒；拍照/录像系统用于获取可视化反应装置内水合物颗粒的位移；低温恒温控制系统用于为可视化反应装置提供稳定的工作温度；温度采集仪用于实时测量可视化反应装置内的工作温度。本发明提供了气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的测试方法，可较好的完成气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的测试与分析。

说明书

技术领域

本发明涉及水合物颗粒间微观粘附力的实验装置及方法，尤其涉及一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置及方法。

背景技术

气体水合物是一种笼形结构的水分子固体晶体。水分子组成的结构空穴被一些小分子填充，这些小分子起着稳定晶格的作用。小分子包括相对分子质量小的碳氢化合物，例如甲烷，乙烷，丙烷，以及氢气和二氧化碳。深水、超深水区域具有高压、低温的环境特点，在此条件下，油气集输管道中的轻烃组分(如：甲烷、乙烷等)极易与水生成天然气水合物，严重影响管道的正常传输。

在水合物管道堵塞机制探索进程中，大型环路测试对管道堵塞模式的宏观探索与定性认知发挥了关键作用，然而，阐释水合物管道堵塞模式内在的控制机理，实现关键过程的定量描述，依靠宏观测试难以实现。基于此，以水合物聚集过程中涉及的关键作用力为出发点，通过系统的实验探索与理论分析，可从本质上阐明水合物聚集的控制机理，实现定量描述与评价，这对油气集输管道中水合物生成的风险评估和防治策略的制定意义重大。但是，目前以水合物的微观受力特性系统探索管道内水合物堵塞机理的研究非常有限，多个关键力学参数的实验测试与理论研究仍处于初始探索阶段，尤其是针对输气管道的研究，更是鲜有相关的报道。

气体水合物的生成需满足低温高压的条件，现有技术中主要采用高压微机械力测量装置进行气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的测量。整个系统包括：高压反应槽，由测试单元和微机械力操作单元两部分组成，测试单元耐10MPa高压，设有进气口和排气口；供压系统，通过进气口为反应槽提供高压；温度控制系统，控制反应槽内气体温度；数据采集与处理系统，采集供压系统、反应槽、温度控制系统的各项数据并进行分析。整套装置存在以下问题：1、实验在低温高压下进行，危险系数高，对装置安全性能要求较高；2、装置复杂、实验条件不易控制，可操作性低；2、设备较为昂贵，不能普遍的应用于气相体系水合物颗粒间微观粘附力的研究。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置；

本发明还提供了一种测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的方法；

术语解释：

1、水合物颗粒间微观粘附力，是指水合物颗粒接触后，水合物颗粒附着于另一水合物颗粒表面的力。

2、玻璃纤维弹性系数，是指是玻璃纤维所受的应力与应变的比值。

本发明的技术方案为：

一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置，包括第一微观操作系统、第二微观操作系统、可视化反应装置、拍照/录像系统、低温恒温控制系统、温度采集仪；

所述第一微观操作系统包括高精度第一三维操控平台及夹持在所述第一三维操控平台上的第一操作臂，所述第一三维操控平台包括第一XY操作平台(型号LY-125-LM-50)、第一Z操作平台(型号LZ125-2)，两者的接触面通过螺栓连接固定；

所述第二微观操作系统包括高精度第二三维操控平台及夹持在所述第二三维操控平台上的第二操作臂，所述第二三维操控平台包括第二XY操作平台(型号LY-125-RM-50)、第二Z操作平台(型号LZ125-2)；

所述第一XY操作平台、所述第二XY操作平台用于使水合物颗粒在X、Y方向上精确移动；所述第一Z操作平台、所述第二Z操作平台用于使水合物颗粒在Z方向上精确移动；所述的X、Y方向指水平面上相互垂直的两个方向，所述的Z方向指竖直方向；所述第一操作臂、所述第二操作臂用于悬挂水合物颗粒；

所述可视化反应装置用于生成水合物颗粒；所述拍照/录像系统用于获取所述可视化反应装置内水合物颗粒的位移；所述低温恒温控制系统用于为所述可视化反应装置提供稳定的工作温度；所述温度采集仪用于实时测量所述可视化反应装置的工作温度。

根据本发明优选的，所述可视化反应装置包括温控循环槽、循环液进口、循环液出口、操作单元、双层玻璃视窗，所述低温恒温控制系统分别通过所述循环液进口、所述循环液出口贯通连接所述温控循环槽，所述温控循环槽内设置有操作单元，所述操作单元侧面与所述拍照/录像系统对应位置处设有所述双层玻璃视窗。

温控循环槽通过循环液进口、循环液出口输入输出循环液体，利用循环制冷的原理为操作单元提供稳定的工作温度；通过双层玻璃视窗，拍照/录像系统获取操作单元内水合物颗粒的位移；周围环境空气湿润，反应温度较低，可视化反应装置的视窗温度低于室温，表面容易蒙上一层水雾，采用双层玻璃视窗可解决该水雾问题。

根据本发明优选的，所述装置还包括环戊烷微量补给装置，所述环戊烷微量补给装置贯通连接所述操作单元。

操作单元内装有环戊烷，由于环戊烷具有较强的挥发性，为了维持操作单元内液量的恒定，配置了环戊烷微量补给装置，利用虹吸原理，解决了由于环戊烷挥发引起的液面下降问题。

根据本发明优选的，所述操作单元的长为3-4cm，所述操作单元的宽为3-4cm，所述操作单元的高为7-8cm；

较深的操作单元利于操作单元内气体保持较低的温度，又可使底部液面附近空间保持较高的环戊烷蒸汽浓度。

根据本发明优选的，所述第一操作臂包括第一金属臂、第一不锈钢细管和第一玻璃纤维，所述第一金属臂一端夹持在第一三维操控平台上，所述第一金属臂另一端焊接所述第一不锈钢细管，所述第一不锈钢细管末端连接所述第一玻璃纤维。第一玻璃纤维用于悬挂水合物颗粒。

所述第二操作臂包括第二金属臂、第二不锈钢细管和第二玻璃纤维，所述第二金属臂一端夹持在第二三维操控平台上，所述第二金属臂另一端焊接所述第二不锈钢细管，所述第二不锈钢细管末端连接所述第二玻璃纤维。第二玻璃纤维用于悬挂水合物颗粒。

根据本发明优选的，第一不锈钢细管的外径为0.5-0.8mm，此外径范围不锈钢细管易便于连接第一玻璃纤维；第一玻璃纤维的直径为30-50um，水合物颗粒间的粘附力较小，直径30-50um的第一玻璃纤维在此粘附力的作用下产生的形变通过体视显微镜易获取。第二不锈钢细管的外径为0.5-0.8mm，第二玻璃纤维的直径为50-100um；此直径范围第二玻璃纤维的弹性系数较30-50um的第一玻璃纤维的弹性系数大，可确保水合物颗粒接触和分离过程中，只有直径30-50um的第一玻璃纤维发生明显形变，便于测量水合物颗粒的位移。

根据本发明优选的，所述拍照/录像系统包括体视显微镜、电脑，所述电脑连接所述体视显微镜，所述体视显微镜透过所述双层玻璃视窗获取操作单元内水合物颗粒的位移；并根据玻璃纤维的弹性系数，利用胡克定律进行粘附力的测量、分析。

根据本发明优选的，所述装置还包括可视化隔离罩，所述第一微观操作系统、所述第二微观操作系统、所述可视化反应装置、所述体视显微镜、所述温度采集仪、所述环戊烷微量补给装置均设置在所述可视化隔离罩内，所述可视化隔离罩上设有操作窗。

可视化隔离罩将微观操作系统、可视化反应装置、体视显微镜、温度采集仪、环戊烷微量补给装置与外界环境隔离，减少空气流动，降低环戊烷挥发速率；有效防止外界灰尘与水汽进入操作环境，保持操作环境相对干净与干燥；可视化隔离罩设有操作窗，方便实验操作，操作结束后将操作窗关闭。

根据本发明优选的，所述温度采集仪包括数字温度计和探针，所述数字温度计连接所述探针，所述探针的探头延伸至所述操作单元内，实时测量操作单元中液面附近气相体系的温度。

根据本发明优选的，所述低温恒温控制系统为低温恒温槽，所述低温恒温槽通过橡胶管线分别连接所述循环液进口、所述循环液出口。

根据本发明优选的，所述可视化隔离罩的材质为透明有机玻璃；所述温控循环槽的材质为不锈钢；所述双层玻璃视窗的材质为高透无色玻璃。

可视化隔离罩的材质为透明有机玻璃，透明有机玻璃材质可方便观察其内部的实验状态；双层玻璃视窗采用高透玻璃材质，实现操作可视化，温控循环槽采用不锈钢材质，便于控制操作单元内的温度和增加装置强度。

采用上述装置测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的方法，包括：

A、确定玻璃纤维弹性系数

B、制造气相体系中水合物颗粒；包括：

(1)将20-30ml环戊烷溶液(浓度96％)注入所述操作单元；

(2)调节所述低温恒温槽，使所述操作单元内环戊烷液面上方气相体系温度达到(-3)-(-2)℃；

(3)在所述第一玻璃纤维末端制造一液滴，液滴的直径为d，600um<d<700um；

(4)将液滴放入液氮中20-30s，制造第一冰粒；

(5)将所述第一操作臂夹持在所述第一三维操控平台上，操作所述第一三维操控平台，将第一冰粒置于操作单元内环戊烷液面上方3-5mm处；

(6)在所述第二玻璃纤维中间制造一液滴，液滴的直径为d，600um<d<700um；玻璃纤维中间位置弹性系数大，确保水合物颗粒接触和分离过程中第二玻璃纤维不发生明显形变；

(7)将液滴放入液氮中20-30s，制造第二冰粒；

(8)将所述第二操作臂夹持在所述第二三维操控平台上，操作所述第二三维操控平台，将第二冰粒置于操作单元内环戊烷液面上方3-5mm处；

(9)调节所述低温恒温槽，每10min升高1℃，直至环戊烷溶液上方气相体系温度达到0℃，保持30min，等待第一冰粒、第二冰粒融化生成第一水合物颗粒、第二水合物颗粒；

C、测量气相体系中水合物颗粒间粘附力

(10)调节所述低温恒温槽，使所述操作单元内气相体系温度达到实验温度T₁，0℃<T₁<7.7℃；

(11)开启所述拍照/录像系统；

(12)操作所述第一三维操控平台、所述第二三维操控平台，使第一水合物颗粒、第二水合物颗粒处于同一竖直平面，即从操作单元的上面垂直往下看第一水合物颗粒、第二水合物颗粒重合；

(13)操作所述第二三维操控平台，缓慢移动(9±3um/s)第二水合物颗粒去接触第一水合物颗粒，并施加载荷△P，2uN＜△P＜8uN，使第一玻璃纤维变形，保持10s；

(14)操作所述第二三维操控平台，缓慢移动(9±3um/s)第二水合物颗粒，使第一水合物颗粒、第二水合物颗粒慢慢分离，利用所述体视显微镜记录两水合物颗粒恰好分离时第一玻璃纤维的末端形变位移△x₂，通过胡克定律求取水合物颗粒间的微观粘附力

根据本发明优选的，所述步骤A，包括：

a、将第一操作臂夹持在第一三维操控平台上，将小圆锥(材质为聚四氟乙烯，为玻璃纤维末端提供作用点)放置在精密电子天平的载物台上，打开精密电子天平，记录精密电子天平读数m₁；

b、操作第一三维操控平台，使第一玻璃纤维末端与精密电子天平载物台上的小圆锥顶点恰好接触；

c、操作第一Z操作平台，使第一操作臂慢慢下降300-500um，通过第一Z操作平台的操纵杆读出下降的位移△x₁，并记录精密电子天平读数m₂；

d、计算出玻璃纤维的弹性系数

e、重复步骤b-d30次及以上，求出玻璃纤维弹性系数的平均值。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用高精度第一三维操控平台、第二三维操作平台，允许操作单元中的水合物颗粒在x、y和z方向上精确移动，通过双层玻璃视窗获取操作单元内水合物颗粒的位移，根据玻璃纤维的弹性系数，利用胡克定律进行粘附力的测量、分析。

2、本发明利用虹吸原理设计了环戊烷实时补充系统，操作简单，造价低，解决了由于环戊烷挥发引起的液面下降问题，保持操作单元内环戊烷液量恒定。

3、本发明设计了气相体系操作单元，可使操作单元内气相保持较低的温度，又使底部液面附近空间保持较高的环戊烷蒸汽浓度，避免了环戊烷水合物颗粒在气相体系中分解。

4、本发明提供了气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的测试方法，可较好的完成气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的测试与分析。

5、本发明提供了玻璃纤维弹性系数的测量方法，操作简单，设备成本较低。

6、本发明采用环戊烷进行水合物颗粒间微观粘附力的研究，避免了气体水合物生成所需的高压低温条件，常压下即可完成实验，整套装置易搭建，系统造价较低，安全系数高。

附图说明

图1是一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置的结构连接图。

图2是本发明可视化隔离罩示意图。

图3是本发明一种测量玻璃纤维弹性系数的装置示意图。

图4是本发明一种测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的步骤示意图。

图5是本发明第一操作臂上玻璃纤维弹性系数32组测量值。

图6为1℃下气相体系中水合物颗粒生成30min后，获取的粘附力测量步骤实物图。

1、低温恒温槽，2、橡胶管线，3、第一三维操控平台，4、电脑，5、数据线，6、体式显微镜，7、第一操作臂，8、循环液进口，9、双层玻璃视窗，10、操作单元，11、温控循环槽，12、不锈钢细管，13、环戊烷微量补给装置，14、数字温度计，15、可视化隔离罩；16、操作窗；17、第一XY操作平台，18、第一Z操作平台，19、第一金属臂，20、第一不锈钢细管，21、第一玻璃纤维，22、小圆锥，23、精密电子天平，24、微量注射器，25、液滴，26、液氮，27、液氮槽，28、环戊烷。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置，如图1所示，包括第一微观操作系统、第二微观操作系统、可视化反应装置、拍照/录像系统、低温恒温控制系统、温度采集仪；

第一微观操作系统包括高精度第一三维操控平台3及夹持在第一三维操控平台3上的第一操作臂7，第一三维操控平台3包括第一XY操作平台17(型号LY-125-LM-50)、第一Z操作平台18(型号LZ125-2)，两者的接触面通过螺栓连接固定；

第二微观操作系统包括高精度第二三维操控平台及夹持在第二三维操控平台上的第二操作臂，第二三维操控平台包括第二XY操作平台(型号LY-125-RM-50)、第二Z操作平台(型号LZ125-2)；

第一XY操作平台17、第二XY操作平台用于使水合物颗粒在X、Y方向上精确移动；第一Z操作平台18、第二Z操作平台用于使水合物颗粒在Z方向上精确移动；X、Y方向指水平面上相互垂直的两个方向，Z方向指竖直方向；第一操作臂7、第二操作臂用于悬挂水合物颗粒；

可视化反应装置用于生成水合物颗粒；拍照/录像系统用于获取可视化反应装置内水合物颗粒的位移；低温恒温控制系统用于为可视化反应装置提供稳定的工作温度；温度采集仪用于实时测量可视化反应装置的工作温度。

实施例2

根据实施例1所述的一种用于测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的装置，其区别在于，

可视化反应装置包括温控循环槽11、循环液进口8、循环液出口、操作单元10、双层玻璃视窗9，低温恒温控制系统分别通过循环液进口8、循环液出口贯通连接温控循环槽11，温控循环槽11内设置有操作单元10，操作单元10侧面与拍照/录像系统对应位置处设有双层玻璃视窗9。

低温恒温槽1通过橡胶管线2分别连通循环液进口8、循环液出口，通过循环液进口8、循环液出口输入输出循环液体，利用循环制冷的原理为操作单元10提供稳定的工作温度；通过双层玻璃视窗9，拍照/录像系统获取操作单元10内水合物颗粒的位移；周围环境空气湿润，反应温度较低，可视化反应装置的视窗温度低于室温，表面容易蒙上一层水雾，采用双层玻璃视窗9可解决该水雾问题。

装置还包括环戊烷微量补给装置13，环戊烷微量补给装置13贯通连接操作单元10。

操作单元10内装有环戊烷28，由于环戊烷28具有较强的挥发性，为了维持操作单元10内液量的恒定，配置了环戊烷微量补给装置13，利用虹吸原理，解决了由于环戊烷28挥发引起的液面下降问题。

操作单元10的长为3-4cm，操作单元10的宽为3-4cm，操作单元10的高为7-8cm；

较深的操作单元10有利于操作单元10内气体保持较低的温度，又可使底部液面附近空间保持较高的环戊烷28蒸汽浓度。

如图3所示，第一操作臂7包括第一金属臂19、第一不锈钢细管20和第一玻璃纤维21，第一金属臂19一端夹持在第一三维操控平台3上，第一金属臂19另一端焊接第一不锈钢细管20，第一不锈钢细管20末端连接第一玻璃纤维21。第一玻璃纤维21用于悬挂水合物颗粒。

第二操作臂包括第二金属臂、第二不锈钢细管和第二玻璃纤维，第二金属臂一端夹持在第二三维操控平台上，第二金属臂另一端焊接第二不锈钢细管，第二不锈钢细管末端连接第二玻璃纤维。第二玻璃纤维用于悬挂水合物颗粒。

第一不锈钢细管20的外径为0.5-0.8mm，此外径范围不锈钢细管易便于连接第一玻璃纤维21；第一玻璃纤维21的直径为30-50um，水合物颗粒间的粘附力较小，直径30-50um的第一玻璃纤维21在此粘附力的作用下产生的形变通过体视显微镜6易获取。第二不锈钢细管的外径为0.5-0.8mm，第二玻璃纤维的直径为50-100um；此直径范围第二玻璃纤维的弹性系数较30-50um的第一玻璃纤维的弹性系数大，可确保水合物颗粒接触和分离过程中，只有直径30-50um的第一玻璃纤维发生明显形变，便于测量水合物颗粒的位移。

拍照/录像系统包括体视显微镜6、电脑4，电脑4通过数据线5连接体视显微镜6，体视显微镜6透过双层玻璃视窗9获取操作单元10内水合物颗粒的位移；并根据玻璃纤维的弹性系数，利用胡克定律进行粘附力的测量、分析。

装置还包括可视化隔离罩15，第一微观操作系统、第二微观操作系统、可视化反应装置、体视显微镜6、温度采集仪、环戊烷微量补给装置13均设置在可视化隔离罩15内，可视化隔离罩15上设有操作窗16。如图2所示。

可视化隔离罩15将第一微观操作系统、第二微观操作系统、可视化反应装置、体视显微镜6、温度采集仪、环戊烷微量补给装置13与外界环境隔离，减少空气流动，降低环戊烷28挥发速率；有效防止外界灰尘与水汽进入操作环境，保持操作环境相对干净与干燥；可视化隔离罩15设有操作窗16，方便实验操作，操作结束后将操作窗16关闭。

温度采集仪包括数字温度计14和探针，数字温度计14连接探针，探针的探头延伸至操作单元10内，实时测量操作单元10中液面附近气相体系的温度。

低温恒温控制系统为低温恒温槽1，低温恒温槽1通过橡胶管线2分别连接循环液进口8、循环液出口。

可视化隔离罩15的材质为透明有机玻璃；温控循环槽11的材质为不锈钢；双层玻璃视窗9的材质为高透无色玻璃。

可视化隔离罩15的材质为透明有机玻璃，透明有机玻璃材质可方便观察其内部的实验状态；双层玻璃视窗9采用高透玻璃材质，实现操作可视化，温控循环槽11采用不锈钢材质，便于控制操作单元10内的温度和增加装置强度。

实施例3

实施例2所述的装置测量气相体系中水合物颗粒间微观粘附力的方法，如图4所示，包括步骤如下：

A、确定玻璃纤维弹性系数

a、将第一操作臂7夹持在第一三维操控平台3上，将小圆锥22放置在精密电子天平23的载物台上，打开精密电子天平23，记录精密电子天平23的读数m₁；

b、操作第一三维操控平台3，使第一玻璃纤维21末端与精密电子天平23载物台上的小圆锥22顶点恰好接触；

c、操作第一Z操作平台18，使第一操作臂7慢慢下降300-500um，通过第一Z操作平台18的操纵杆读出下降的位移△x₁，并记录精密电子天平23读数m₂；

d、计算出玻璃纤维的弹性系数

e、重复步骤b-d30次及以上，求出玻璃纤维弹性系数的平均值图5为第一操作臂7上玻璃纤维弹性系数32次测量值，平均值

B、制造气相体系中水合物颗粒；包括：

(1)将20-30ml环戊烷溶液(浓度96％)注入操作单元10；

(2)调节低温恒温槽1，使操作单元10内环戊烷28液面上方气相体系温度达到(-3)-(-2)℃；

(3)通过微量注射器24在第一玻璃纤维21末端制造一液滴25，液滴25的直径为d，600um<d<700um；具体参见图4中的步骤①；

(4)将液滴25放入液氮26中20-30s，制造第一冰粒；采用液氮槽27装盛液氮26；具体参见图4中的步骤②；

(5)将第一操作臂7夹持在第一三维操控平台3上，操作第一三维操控平台3，将第一冰粒置于操作单元10内环戊烷28液面上方3-5mm处；具体参见图4中的步骤③；

(6)在第二玻璃纤维中间制造一液滴，液滴的直径为d，600um<d<700um；

(7)将液滴放入液氮中20-30s，制造第二冰粒；

(8)将第二操作臂夹持在第二三维操控平台上，操作第二三维操控平台，将第二冰粒置于操作单元内环戊烷28液面上方3-5mm处；

(9)调节低温恒温槽1，每10min升高1℃，直至环戊烷28溶液上方气相体系温度达到0℃，保持30min，等待第一冰粒、第二冰粒融化生成第一水合物颗粒、第二水合物颗粒。

C、测量气相体系中水合物颗粒间粘附力

(10)调节低温恒温槽1，使操作单元10内气相体系温度达到实验温度T₁，T₁＝1℃；

(11)开启拍照/录像系统；

(12)操作第一三维操控平台3、第二三维操控平台，使第一水合物颗粒、第二水合物颗粒处于同一竖直平面，即从操作单元10的上面垂直往下看第一水合物颗粒、第二水合物颗粒重合；具体参见图4中的步骤④；

(13)操作第二三维操控平台，缓慢移动(9±3um/s)第二水合物颗粒去接触第一水合物颗粒，并施加载荷△P＝2uN，使第一玻璃纤维21变形，保持10s；具体参见图4中的步骤⑤；

(14)操作第二三维操控平台，缓慢移动(9±3um/s)第二水合物颗粒，使第一水合物颗粒、第二水合物颗粒慢慢分离，具体参见图4中的步骤⑥；分离后参见图4中的步骤⑦；利用体视显微镜6记录两水合物颗粒恰好分离时第一玻璃纤维21的末端形变位移△x₂，通过胡克定律求取水合物颗粒间的微观粘附力图6为1℃下气相体系中水合物颗粒生成30min后，粘附力测量实物图。利用imagej软件测量图6中水合物颗粒分离时第一玻璃纤维末端的位移△x₂＝520.5um，因此，粘附力