Устройство для определения напряжения сдвига в лабораторных условиях и способ его использования

 

Назначение: изобретение относится к области определения реологических характеристик жидкостей, обладающих свойствами тиксотропности, в частности величины статического напряжения сдвига тиксотропных нефтей. Сущность изобретения: устройство содержит кювету, тяговое устройство, динамометр и чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде несущей пластины с набором симметрично установленных ребер пластинчатого типа, расстояние между которыми не менее чем в 80 раз превышает толщину ребер, а толщина ребра меньше длины не менее чем в 10 раз. Тяговое устройство выполнено в виде жесткого стержня. Чувствительный элемент с системой привода укреплен на направляющих с возможностью вертикального перемещения. Способ включает введение чувствительного элемента в исследуемую среду, сдвиг его с замером усилия и расчет напряжения сдвига. Чувствительный элемент вводят строго в направлении плоскостей ребер и пластин, и производят сдвиг в направлении, перпендикулярном плоскостям ребер со скоростью не более 0,001 м/с. 1 з.п. ф-лы. 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 N 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4950891/25 (22) 28,06,91 (46) 30.06,93, Бюл. М 24 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт по сбору, подготовке и транспорту нефти и нефтепродуктов "ВНИИСПТнефть" (72) M.Н, Пиядин, О.В. Сазонов и В.Г. Карамышев (56) Авторское свидетельство СССР

hh 798545, кл. G Ol N 11/00, 1981.

Шищенко Р,Д, Есьман Б,И. Практическая гидравлика в бурении. М.: Недра, 1966, с. 65. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НАПРЯЖЕНИЙ СДВИГА В ЛАБОРАТОР-

HbIX УСЛОВИЯХ И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ (57) Назначение: изобретение относится к области определения реологических характеристик жидкостей, обладающих свойствами тиксотропности, в частности величины статического напряжения сдвига тиксотропИзобретение относится к области определения реологических характеристик неньютоновских жидкостей, обладающих свойствами тиксотропности и реопектичности, в частности, величины статического напряжения сдвига тиксотропных нефтей.

Цель изобретения — повышение экспрессности измерения.

На фиг, 1 изображен общий вид устройства; на фиг, 2 — чувствительный элемент, вид сверху, Устройство для осуществления способа включает чувствительный элемент 1, жесткий стержень 2, динамометр 3, тяговый при» Я2„„1824535 А1 ных нефтей. Сущность изобретения: устройство содержит кювету, тяговое устройство. динамометр и чувствительный элемент, причем чувствительный элемент выполнен в виде несущей пластины с набором симметрично установленных ребер пластинчатого типа, расстояние между которыми не менее чем в 80 раз превышает толщину ребер, а толщина ребра меньше длины не менее чем в 10 раз. Тяговое устройство выполнено в виде жесткого стержня, Чувствительный элемент с системой привода укреплен на направляющих с возможностью вертикального перемещения. Способ включает введение чувствительного элемента в исследуемую среду, сдвиг его с замером усилия и расчет напряжения сдвига. Чувствительный элемент вводят строго в направлении плоскостей ребер и пластин, и производят сдвиг в направлении, перпендикулярном плоскостям ребер со скоростью не более 0.001 м/с, 1 з.п. ф-лы, 2 ил. вод 4, направляющие 5, установочный привод 6 и кювету с исследуемой средой 7.

Чувствительный элемент 1 состоит из тонких ребер 8 и несущей пластины 9.

Определение напряжения сдвига осуществляют в следующей последовательности.

В кювету 7 и исследуемой средой с помощью установочного привода 6 медленно вводится чувствительный элемент 1 строго в направлении плоскостей ребер 8 и несущей пластины Э, что позволяет производить замер непосредственно после операции ввода чувствительного элемента, т.к. в дан1824535

55 ном случае механически нарушена будет лишь небольшая часть исследуемого вещества непосредственно у поверхностей ребер и несущей пластины (заштрихованная зона на фиг, 2). Сдвиг чувствительного элемента осуществляется с помощью тягового привода 4 через динамометр 3 и жесткий стержень 2 в направлении перпендикулярном ребрам, что обеспечивает срез по плоскостям А — А в основном по механически ненарушенному веществу. Измеренное динамометром усилие будет характеризовать напряжение сдвига, соответствующее скорости,c которой будет сдвигаться чувствительный элемент 1. При сдвиге с медленной скоростью, в частности, будет статическое (начальное) напряжение сдвига вещества с ненарушенной структурой.

Реализацию способа и обоснование размеров чувствительного элемента рассмотрим на примере определения напряжения сдвига застывших парафинистых нефтей. Выбор геометрических размеров чувствительных элементов реологических приборов производится в зависимости от ожидаемых значений реологических характеристик и области их последующего использования, Для целей нефтепроводного пространства область определения статического напряжения сдвига составляет 1-8 Па.

Для уменьшения разрушающего влияния при вводе чувствительного элемента в исследуемую среду следует устанавливать минимальные скорости, конкретное назначение которых регламентируется достижением необходимой точности измерения. Примем скорость ввода 1 10 M/C

Согласно известной работе пластическая вязкость нефтей, соответствующая статическим напряжением 1 Па и 8 Па, составит;

r)i =0,1+0,01 1 = 0,11 Па с, цв = 0,1 + 0,01 8 = 0,18 Па с, и из закона вязкого течения зона разрушения при сдвиге со скоростью U может быть определена как

U л= —

hmgx = 0,11 — 1 10 м = 0.1 MM

1 10 -г

hmin = 0,18 — 2 10 и = 0,02 мм, 1 10

С учетом полученного значения следует, что длину I поперечных ребер достаточно принять 0,5 — 1 мм. Толщину ребер следует принять минимально возможной по условиям изготовления чувствительного элемента.

Технически возможно изготовить ребра толщиной 0,1 мм (лезвие бритвы 0,08-0,1 мм).

Расстояние же между ребрами. напротив, 5

45 следует делать как можно больше для увеличения области ненарушенного вещества.

Однако расстояние между ребрами нельзя делать и сколь угодно большими, так как при этом нарушается плоскостность сдвига и получаются завышенные значения напряжения сдвига, Экспериментально установлено. что расстояние между ребрами должно составлять 7 — 9 мм.

Очевидно, что погрешность будет определяться соотношением площадей нарушенной и ненарушенной структуры измеряемой среды, При этом примем, что при вводе пластины в результате разрушения структуры статическое напряжение изменяется в 2 раза, Нарушение же будет происходить непосредственно ребром 0,1 мм и по 0,1 мм с каждой его стороны. Тогда при расстоянии между ребрами 8 мм данная погрешность составит;

0,3 .—

100;6 = 1,9 .

Таким образом, погрешность от разрушения структуры кромками ребер составляет 20

Оценим погрешность от "лобового" сопротивления чувствительного элемента.

Нормальные напряжения обычно в 1,5-2 раза превышают касательные, т.е. и= (1,52) т. При размерах чувствительного элемента: длине — 1; высоте h; толщине — S; лобовое усилие от нормальных напряжений суть Рд=и h S =2th S, по двум боковым поверхностям среза сопротивление от касательных напряжений Рт. = 2 th

Суммарная толщина чувствительного элемента при длине ребер 0,8-1 мм и толщине несущей пластины 1 мм составит S=-2,5-3 мм, Длина не лимитируется. Чем больше длина, тем меньше погрешность от "лобового" сопротивления. Приняв для определенности 1=80 мм, получим — 100 = — 100 = 100/=3,1 .

Р(7 S 25

Рт I 80

При этом следует заметить, что погрешность от "лобового" сопротивления в принципе легко исключить предварительным выбором части застывшей последуемой нефти перед исследованием, например, устройством типа пробоотборника для отбора консистентных материалов.

В тех же случаях, когда будут присутствовать обе ошибки как от разрушения по боковым ребрам. так и по "лобовому" сопротивлению, погрешность составит 5 . Это несколько превышает паспортную техническую погрешность промышленных реомет1824535

У 8 7

Редактор Н,Коляда

Рие 3 е S

Составитель M,Ïèÿäèí

Техред М.Моргентал Корректор Н.Кешеля

Заказ 2221 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101 ров (3-4 ), но это существенно ниже реальных погрешностей определения статического напряжения сдвига, достигающих десятков процентов и даже кратных величин, обусловленных методикой измерения и тиксотропными свойствами застывающих нефтей.

По материалу, иэ которого должны выполняться пластины, можно отметить следующее.

Чувствительные элементы реоприборов выполняются из металла либо пластмассы, Выбор материала определяется главным образом технологичностью изготовления и требуемой жесткостью конструкции. Поэтому предпочтительно изготовление устройства из металла достаточной прочности (нержавеющая сталь). Деформация пластин при измерении должна отсутствовать, что обеспечивается вышеуказанными малыми размерами ребер.

Плавучесть устройства в исследуемой среде не является обязательным условием, пластина при этом должна погружаться либо на всю ее высоту, либо при высоких значениях статического напряжения сдвига частично, что соответственно должно учитываться при последующем расчете определяемой величины, Наконец, надо указать на регламентацию скорости с которой производится сдвиг чувствительного элемента. Так в работе(см, И.М. Белкин и др. Ротационные приборы.

Измерение вязкости и физико-механических характеристик материалов. — M.: Машиностроение, 1968) показано, что инвариантные значения статического напряжения сдвига получаются при окружной скорости вращения цилиндра ротационного визкозиметра не более 0,05 об/мин, В пересчете на данный вид прибора скорость смещения чувствительного элемента не

5 должна превышать 0,001 м/с.

Использование предполагаемого изобретения позволит значительно сократить время, необходимое для замера напряжения сдвига.

10 Формула изобретения

1, Устройство для определения напряжения сдвига в лабораторных условиях, содержащее кювету, тяговое устройство. динамометр и чувствительный элемент, о т15 л ич а ю щеес ятем, что, с целью повышения экспрессности, чувствительный элемент выполнен в виде несущей пластины с набором симметрично установленных ребер пластинчатого типа. расстояние между

20 которыми не менее, чем в 80 раз превышает толщину ребра, и толщина ребра меньше . длины не менее чем в 10 раэ, причем тяговое устройство выполнено в виде жесткого стержня, а чувствительный элемент с системой

25 привода укреплен на направляющих с возможностью вертикального перемещения.

2. Способ определения напряжений сдвига в лабораторных условиях, включаю30 щий введение чувствительного элемента в исследуемую среду, сдвиг его с замером усилия и расчет напряжений сдвига, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения экспрессности, чувствительный элемент

35 вводят строго в направлении плоскостей пластин и ребер и производят сдвиг в направлении, перпендикулярном плоскостям ребер, со скоростью не более 0,001 м/с,