一种三向应力作用下压储洞室充-储-放气全程钢板密封性能中尺度测试方法和装备

本发明属于储能，尤其涉及压缩空气储能中尺度试验技术，具体涉及一种三向应力作用下压储洞室充-储-放气全程钢板密封性能中尺度测试方法和装备。

背景技术：

1、压缩空气储能凭借储能容量大、全生命周期成本低、环境友好等优势，已成为支撑新型电力系统建设、提升新能源消纳能力的关键技术路径，具有广阔的应用前景。为揭示压储洞室的受力变形规律与密封失效机制，国内外学者已开展了一系列压缩空气储能中试物理模拟试验研究。然而，现有的压缩空气储能中试物理模拟试验尚未形成与工程现场高度匹配的测试体系，主要体现在结构匹配、地应力模拟及压力适配三个方面。

2、在结构设计上，主流方案普遍忽略了钢板密封层、衬砌与围岩的完整耦合结构，割裂了 "围岩 - 衬砌 - 密封层" 的协同作用机制，导致试验获得的受力变形规律和密封性能与工程实际存在偏差，难以作为设计依据。在地应力模拟及压力适配层面，现有技术存在两大关键短板：一是地应力加载体系不完善，无法复现深地工程真实的三向地应力场，难以捕捉复杂地应力环境下钢板的受力变形及密封失效特征；二是加压能力不足，测试压力远低于现场实际气压工况，无法精准评估高压条件下钢板的密封可靠性。上述原因最终导致现有试验结果无法支撑压缩空气储能洞室钢板密封层的精准设计与服役稳定性评估。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种三向应力作用下压储洞室充-储-放气全程钢板密封性能中尺度测试方法和装备，针对性解决现有压缩空气储能中试试验结构匹配度低、地应力加载体系不完善，以及测试压力无法达到现场实际工况的问题。通过构建与现场完全一致的 “密封腔体 - 衬砌 - 围岩”中尺度试样，搭配可精准施加三向地应力的加载装置，结合可实现高气压的加压系统，实现深地真实工况下充 - 储 - 放气全程钢板密封性能测试，得到钢板 - 衬砌 - 围岩协同变形规律，为深地压缩空气储能洞室钢板密封的设计优化与长期服役稳定性评估提供精准的试验数据支撑。

2、为实现上述目的，本发明设计了一种三向应力作用下压储洞室充-储-放气全程钢板密封性能中尺度测试方法和装备，包括含钢板密封腔体试样、三向预应力施加装置、气压加压装置、流量控制装置、监测装置。

3、1.含钢板密封腔体试样：试样由内到外依次为钢板腔体、衬砌层、围岩相似材料，该试样为试验的主体。钢板由钢制圆筒与两个半球焊接而成，衬砌层与实际工程衬砌材料一致，围岩相似材料由水泥砂浆、硅灰、粉煤灰等材料配置而成，其力学参数与实际的围岩参数一致。

4、2.三向预应力施加装置：由缓粘结钢绞线、张拉设备、锚具组成。缓粘结钢绞线自带防腐油脂与护套，可替代波纹管的孔道成形和临时防护功能，无需额外埋设波纹管，缓粘结预应力钢绞线沿试件上下、左右、前后三个方向独立布置，实现三向应力独立控制。张拉设备用于采用后张法施加预设预应力，锚具安装在钢绞线两端，用于固定预应力，防止应力衰减。

5、3.气压加压装置：由空气压缩机、增压泵组成，可实现向含钢板密封腔体试样中注入高压气体，匹配实际压力工况。

6、4.流量控制装置：由气体流量计、电动调节阀门组成，可调节充、放气速率，实现充-储-放气全程可控。

7、5.监测装置：由智能压力表、电阻式应变片、光纤光栅温度传感器、数据采集仪、光纤解调仪组成，可实时监测试样应变、温度、压降等参数，并对数据进行采集、分析。

8、相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

9、1.采用预应力钢绞线通过后张法施加应力，能够独立控制长、宽、高三个方向的应力大小，从而精确模拟出深地三向地应力环境；

10、2.通过气压加压装置可实现与实际工况匹配的内压，解决了现有技术场景还原度低的问题；

11、3.可开展充-储-放气全程试验，通过监测装置实时捕捉相关参数，获得钢板密封性能、钢板-围岩协同变形规律及温度变化规律，为深地压缩空气储能洞室设计、施工提供精准数据支撑。

1.一种三向应力作用下压储洞室充 - 储 - 放气全程钢板密封性能中尺度测试装备，包括含钢板密封腔体试样、三向预应力施加装置、气压加压装置、流量控制装置和监测装置；

2.根据权利要求 1 所述的测试装备，含钢板密封腔体试样由内到外依次为钢板密封腔体、衬砌层、围岩相似材料层，三者连接形成共同受力、同步变形的整体结构。其特征在于，所述含钢板密封腔体试样为边长 1.5m×1.5m×2m 的立方体中尺度试样；所述钢板密封腔体为钢制圆筒两端焊接钢制半球形成的密闭腔体，圆筒与半球的连接处设置环向焊缝，其中圆筒长0.7m，直径0.3m，半球直径0.3m；所述衬砌层为混凝土浇筑层；所述围岩相似材料层为人工配制的岩体模拟材料，包覆于衬砌层外壁，可承接并均匀传递三向预应力，用于模拟真实岩体的受力特性。

3.根据权利要求 1 所述的测试装备，其特征在于，所述三向预应力施加装置由缓粘结预应力钢绞线、液压张拉机、锚具组件组成，缓粘结预应力钢绞线沿试样三个正交方向独立布置，液压张拉机通过后张法施加预设预应力，锚具组件用于锁定预应力以维持稳定三向地应力状态。

4.根据权利要求 3 所述的测试装备，其特征在于，所述三向预应力施加装置的锚具组件包括固定端挤压锚、张拉端夹片锚具、锚垫板和锚下螺旋箍筋；所述固定端挤压锚预埋于围岩相似材料层非张拉端，为张拉提供反力支撑；所述锚垫板用于承接张拉集中力并扩散应力；所述锚下螺旋箍筋用于提供环向约束抵消劈裂拉应力；所述张拉端夹片锚具用于张拉完成后锁定钢绞线预应力；所述缓粘结预应力钢绞线自带防腐油脂与防护护套，无需额外埋设波纹管，沿试样上下、左右、前后三个正交方向分层独立布置，实现三向应力的独立调控。

5.根据权利要求 1 所述的测试装备，其特征在于，所述气压加压装置包括依次串联的空气压缩机与气体增压泵，通过注气管道向钢板密封腔体内注入高压气体；所述流量控制装置包括气体流量计、电动调节阀和控制箱；所述控制箱分别与气体流量计、电动调节阀电连接，用于预设流量阈值，并根据流量计实时反馈调节阀门开度，实现充放气速率的精准控制。

6.根据权利要求 1 所述的测试装备，其特征在于，所述监测装置包括光纤光栅解调仪、数据采集仪、电阻式应变片、光纤光栅温度传感器和智能压力表；所述电阻式应变片与光纤光栅温度传感器布设于钢板密封腔体外壁与衬砌层外壁；所述智能压力表串联于注气管道，用于实时采集腔体内气压数据。

7. 根据权利要求 1-6 任一项所述的测试装备，其操作方法如下：