ЗАРЯД ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНИЦИИРУЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЕТОНАТОРОВ И ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ К ВОЗДЕЙСТВИЮ Российский патент 1997 года по МПК F42B35/00 

Изобретение относится к способам испытания на работоспособность изделий, содержащих взрывчатые вещества вообще, а в частности детонаторов на инициирующую способность, а взрывчатое вещество на восприимчивость.

Известно много способов определения работоспособности детонаторов и взрывчатых веществ (далее ВВ). Так, например, для оценки работоспособности детонаторов применяют метод пробития свинцовой пластинки, задействования контрольного заряда через инертную преграду.

Оценку качества ВВ делают, измеряя скорость детонации, или определяют толщину инертной прокладки, через которую контрольный детонатор задействует ВВ в полной мере.

Рассмотренные способы можно сразу разделить на два основных вида, а именно на косвенный, в котором оценка параметра дается на основе побочного фактора, например по факту пробития пластины, сжатию крешера и т.д. и на прямой способ, в котором, например, детонатор возбуждает взрыв в ВВ.

Однако в конечном итоге необходимо получить ответ как развивается процесс детонации в ВВ испытуемого изделия, выходит ли она на предельный режим.

Известно, что для каждого ВВ предельная скорость детонации является некоей физической постоянной и для определенных условий испытаний достаточно стабильной.

Таким образом, наиболее объективным способом оценки поведения заряда ВВ является измерение скорости детонации. Если скорость детонации вышла на предельный режим, то вещество заряда обеспечивает максимальную работоспособность. Однако измерение скорости детонации в заряде ВВ задача всегда довольно сложная. Либо используется известный метод Дотриша, либо контролируют скорость посредством датчиков и электроники.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения факта выхода детонации на предельный режим. В сравнении с известными способами он лишен многих недостатков, легко реализуется и обеспечивает высокую надежность и достоверность результатов, а также дает материализованный предмет доказательства факта выхода детонации на предельный режим, как это имеет место в методе Дотриша метка Дотриша на плите.

Описан случай торцевого откола в заряде БВВ, размещенного в толстостенной оболочке. Диаметр заряда 19 мм, диаметр оболочки 152,4 мм, а длина 254. Откол имел коническую форму. Откол вызван растягивающими усилиями, возникающими в материале при разгрузке отраженной ударной волной.

В процессе поиска метода оценки инициирующей способности была принята гипотеза, основанная на том, что разгонный участок в ВВ зависит не только от характеристик ВВ, но и от инициирующего импульса. Это хорошо иллюстрируется на графике, приведенном на фиг. 1, где показано четыре случая инициирования 1 скорость детонации инициатора больше предельной скорости детонации возбуждаемого ВВ, 2 соизмерима, 3 равна критической, а 4 ниже критической. При 1, 2 и 3 случаях возбуждаемое ВВ детонирует, а в 4 случае детонация затухает.

Принципиально можно определять восприимчивость ВВ по длине разгонного участка. Однако точность измерений будет весьма приближенной, т.к. процесс развития детонации до предельной носит асимптотический характер.

Описан способ, заключающийся в том, что испытуемый заряд цилиндрической формы размещают на плите-отметчике и по характеру вмятины на ней оценивают разгонный участок.

В процессе более детального изучения возможности использования откольного явления как меры оценки восприимчивости ВВ в случае использования сборки в виде толстостенного цилиндра с ВВ, размещенным по оси, была обнаружена зависимость характера откола от диаметра оболочки заряда и длины. Так, при определенном диаметре оболочки заряда, а именно предельной по целостности оболочки, торцевой откол будет происходить всегда только при длине заряда больше определенной длины.

На фиг. 2 показана схема проводимых опытов, где 1 заряд, 2 оболочка, 3 кольцо опорное, 4 инициатор, 5 основание, d₃ диаметр заряда, d_об диаметр оболочки, l₃ длина заряда.

Диаметр оболочки d_об и ее материал выбирался таким образом, чтобы сохранилась целостность оболочки. Однако запас прочности принимался в пределах 1,1 1,2.

С увеличением длины заряда (и оболочки) характер торцевого откола меняется и достигает полного с отлетом отколовшейся части. Отколовшаяся часть имеет сферическую форму с плоским буртиком.

Механизм торцевого откола.

Известно, что вообще откол происходит в том случае, когда волна разгрузки создает растягивающие напряжения в веществе, превышающие его предел прочности на разрыв.

На фиг. 3 показана стилизованная форма сечения оболочки заряда после опыта, где l₃ длина заряда, l_раз разгонный участок, Δ_п,Δ_сф - толщина откола плоского и сферического, 1-1', 5-5' торцевые сечения переднее и тыльное, 2-2' сечение завершения разгона детонации, 3-3' сечение конца сферического откола, 4-4' сечение плоского кольцевого откола, 4-3-3'-4'- поверхность откола.

На фиг. 4 приведена схема ударных волн в оболочке, где 1 точка инициирования, V_пад падающая ударная волна, V_отр.б. - отраженная боковая, V_отр.т. отраженная торцевая, Д детонационная волна.

Предельная скорость детонации D, как правило, для БВВ существенно выше скорости распространения ударной волны в веществе оболочки. Это приводит к тому, что фронт падающей ударной волны V_пад приобретает форму конуса примерно так, как это имеет место при движении космического объекта в плотных слоях атмосферы с гиперзвуковой скоростью.

На форму падающей волны будет влиять тот факт, что скорость звука в веществе зависит от степени его сжатия. Известно, что для железа скорость звука при сжатии в 1,6 раза равна 9,5 км/с против 5,7 км/с в нормальных условиях, а для алюминия 11 км/с против 5,2 км/с. Это приводит к тому, что падающая волна будет иметь криволинейную форму типа конического-сферического типа, как это показано на фиг. 5, где 1 конический участок УВ, 2 - сферический участок УВ.

Таким образом, отраженная УВ от торца всей поверхности будет иметь форму близкую к сферической. При действии в веществе отраженной волны только от торцевой поверхности откол неоднороден и имеет разброс по форме.

Резкое усиление явления откола в опытах, проведенных автором, происходит в результате появления интенсивной отраженной волны от боковой поверхности, при встрече которой с отраженной волной от торца практически удваиваются разрывные усилия. Это и придает откольной поверхности специфическую форму сегмента с полями.

Следовательно, величина наружного диаметра оболочки заряда влияет на торцевой откол. При диаметре оболочки меньше прочностного происходит разрушение оболочки, т. е. потеря сплошности среды, а следовательно и диссипации УВ. При диаметре оболочки существенно больших УВ затухают.

Таким образом, если наружный диаметр оболочки немного превосходит диаметр разрушения, то отраженная волна от боковой поверхности имеет высокую интенсивность.

Теперь обратимся к главному фактору, а именно влиянию длины заряда. Максимальная интенсивность отраженной волны естественно будет и тогда, когда падающая УВ приобретет максимальные параметры, т.е. в момент после формирования детонационной волной предельных характеристик. Это произойдет при прохождении детонационной волны разгонного участка l_раз (фиг. 3). Если принять среднюю скорость падающей УВ, например для стали, равной 5,7 км/с, то при скорости детонации равной 8 км/с, угол наклона падающей УВ к оси заряда будет равен 36^o. Дальнейшие расчеты целесообразно сделать с использованием экспериментальных данных, а именно по результатам опытов с зарядами пластифицированного ТЭНа диаметром 4 мм, размещенными в оболочке из стали ЗОХГСА с наружным диаметром 20 мм.

Длину разгонного участка можно в пределе принять равной 15 мм, тогда, начиная отсчет от этой точки 1, отраженная волна от боковой поверхности будет иметь максимальные параметры через 11 мм от плоскости инициирования в точке 2 (фиг. 6).

Точка 3 это точка достижения отраженной волной от боковой поверхности внутреннего отверстия.

Таким образом, начало полного откола должно быть при длине 37 мм, так расстояние между точками 2 и 3 по оси тоже равно 11 мм.

Как показали опыты, полный откол с отлетом отколовшейся части был у оболочек, длина которых была более 40 мм. Это же хорошо подтвердилось на образцах из стали 45, для которых диаметр оболочки был равен 25 мм, а минимальная длина начала устойчивого откола увеличилась до 50-55 мм.

Из анализа приведенных материалов можно сделать следующий вывод.

Откольное явление специфичной формы на торцевой поверхности толстостенной оболочки формируется в сечении схождения волн разгрузки от торцевой и боковой поверхностей при условии, если длина заряда и оболочки превосходит определенную критическую длину, а наружный диаметр оболочки незначительно превосходит диаметр разрушающейся оболочки фиг. 6, где 1 точка конца разгонного участка, 2 точка начала отражения предельной УВ, 3 точка выхода отраженной волны к оси оболочки, Φ угол падения УВ.

Для иллюстрации предлагаемого метода были проведены опыты с изменением параметров инициирующего импульса. Образцы зарядов одинаковой формы инициировались детонаторами ЭДО5-9, ЭДТ-1 и ЭДО5-9 через инертную прокладку.

По инициирующей способности детонатор ЭДТ-1 превосходит ЭДО5-9, а введение инертной прокладки снизило инициирующую способность детонатора ЭДО5-9.

У образца, инициируемого детонатором ЭДО5-9, имеет место полный откол, а у образца с инициированием через инертную прокладку откола нет. У образца, инициируемого ЭДТ-1, есть полный откол и разрушение оболочки.

Таким образом показано влияние величины инициирующего импульса на характер откола. Следует отметить, что оболочки зарядов разрушаются, как правило, на четыре равных по величине осколка.

Метод определения восприимчивости ВВ основывается на явлении специфического отхода, образующегося при инициировании цилиндрического удлиненного заряда, размещенного в толстостенной неразрушаемой оболочке, если длина заряда превосходит критическую длину, а наружный диаметр оболочки незначительно превосходит диаметр разрушающейся оболочки.

Дело в том, что критическая длина, т.е. длина начала устойчивого торцевого откола, определяется в конечном счете длиной разгонного участка детонации испытуемого ВВ и зависит с одной стороны от физико-химических характеристик ВВ, плотности прессования, геометрических размеров и, естественно, от инициирующей способности детонатора.

При прочих равных условиях, а именно при одинаковых геометрических параметрах заряда и оболочки, идентичности технологических приемов изготовления испытуемых зарядов, использование заведомо стабильного инициатора частость отколов будет определяться качеством испытуемого ВВ.

Выбор параметров испытуемой сборки осуществляется следующим образом.

Выбор диаметра ВВ заряда.

Диаметр заряда выбирается из условия обеспечения устойчивой детонации ВВ с учетом влияния оболочки, что соответствует условию
d_кр < d₃ ≅ 3d_кр (1)
Так для пластифицированного ТЭНа был принят диаметр заряда равный 4 мм.

Определение наружного радиуса оболочки заряда.

Энергия разрушения оболочки заряда определяется соотношением
E_р A_рдV, (2)
где V объем оболочки, см³;
A_рд удельная динамическая энергия разрушения, кг/см².

Для сохранения целостности толстостенной оболочки протяженного цилиндрического заряда необходимо в первом приближении выполнение условия:
E_р > mQ (3)
где m масса заряда;
Q теплотворная способность ВВ.

Более удобно выразить это соотношение через механический эквивалент работы с учетом коэффициента запаса K_з. Пример K_з равным 1,3, тогда
E_р 1,3•427•m•Q (4)
или
VA_рд 1,3V_B•A_BB (5)
где V_B объем заряда ВВ, см³;
A_BB работа ВВ, кг•см/г.

Для единичной длины заряда объем заряда может быть выражен соотношением πr2o

С учетом этих допущений соотношение (5) будет выглядеть следующим образом:

По этой формуле можно определить наружный радиус протяженной толстостенной цилиндрической оболочки, которая не разрушается от действия продуктов детонации заряда, размещенного по ее оси. Оболочка считается протяженной, если длина заряда l >> 4 r_o.

Для примера проведем расчет для стали с A_рд 1550 кг/см² и сплава алюминиевого типа Д16 A_рд 500 кг/см².

Заряд гекcогена A_BB 19400 кг•см/г и радиусом r_o 2 мм

С учетом принятого допущения R >> r_o и r_o 2 мм наружный радиус оболочки можно принять равным 10 мм.

Эксперименты, проведенные автором, подтверждают это.

Оболочки из стали 30ХГС диаметром 20 мм полностью сохранили радиальную прочность.

Опыты, проведенные автором, подтверждают эти расчеты. Так, оболочки диаметром 40 мм из сплава алюминиевого Д16 сохраняли радиальную целостность.

Угол падения ударной волны стальной заготовки определяют по формуле

где D скорость детонации ВВ;
V скорость ударной волны в веществе оболочки;
Φ угол конуса ударной волны в веществе для стали V 5300 м/с и гексогена Д 8400 м/с (без учета сжатия материала).

Для оценки критической длины заряда примем толщину откола несоизмеримо тонкой, тогда расчетная схема может быть принята, как это показано на фиг. 7.

За время t ударная волна в веществе должна пройти путь ОАВ.

Для Φ 32^o и R оболочки равной 0,01 м получим

Это значение l_кр дает достаточное совпадение с результатами экспериментов. Так, для стали 30ХГСА при диаметре оболочки 20 мм полный откол начал происходить при длине заряда большей 40 мм. Превышение расчетного значения длины заряда с началом откола над реальным обусловлено принятыми допущениями.

Второе приближение. Расстояние прохождения ударной волны будет короче с учетом радиуса заряда.

Теперь согласованность весьма точная. Следовательно, формулу 9 можно рекомендовать для определения длины заряда начала полного торцевого откола.

Определение толщины откола. Толщина откола будет определяться временем наложения отраженных ударных волн от торцевой и боковой поверхностей, как это показано на фиг. 8.

l₁= (R-r₀)ctgΦ.

Проекция скорости разгрузки от торца на ось заряда будет равна
V_ось⊥= V_отр.+sinΦ (10)
Проекция скорости разгрузки от боковой поверхности на ось заряда будет равна
V_ось.б= V_отр.бcosΦ. (11)
Тогда сечение встречи волн разгрузки на оси заряда может быть определено из соотношения

или

для расчетного случая это дает время равное

тогда
l₂= t_встр•V_ось.т= t_встр•V_отр•sinΦ
l₂=1,6•10^-6•5300•sin32^o 0,0048 м 4,8 мм.

Расчетное значение максимальной толщины откола хорошо совпадает с экспериментом.

Таким образом, для максимальной толщины откола может быть рекомендовано соотношение

Определены соотношения для основных геометрических размеров заряда по определению восприимчивости БВВ.

Наружный диаметр оболочки заряда рекомендуется определить по формуле

где R наружный радиус оболочки, см;
r_o радиус заряда, см;
A_BB работа ВВ, кг•см/г;
A_рд удельная динамическая энергия разрушения материала, кг/см².

Для стали формула примет вид

Для определения длины заряда начала полного торцевого откола рекомендуется формула

где D скорость детонации;
V скорость ударной волны в материале оболочки;
R наружный радиус оболочки заряда;
r_o радиус заряда;
Φ угол наклона падающей ударной волны равный

Для определения максимальной толщины откола может быть рекомендована формула

Методика испытаний на восприимчивость БВВ. Определение восприимчивости БВВ осуществляют путем нахождения критической длины контрольного заряда, например для 50% частости полного откола. Таким образом, критическая длина l_50% откола является мерой относительной восприимчивости. В этом полная аналогия с методом определения чувствительности БВВ к удару.

Так известно, что ТЭН принят за эталон, т.е. груз и высота его падения, при которых происходит 100% взрыв ТЭНа. В описываемом случае также следует принять критическую длину заряда для ТЭНа за эталон, а оценивать восприимчивость как относительную величину

Методика испытаний на инициирующую способность детонаторов. В этом случае заряд изготавливается из известного БВВ и является эталонным. Для испытаний детонаторов изготавливается набор зарядов по длине с определенным шагом.

Определяют для испытуемого детонатора критическую длину заряда, например для 50% откола.

Таким образом, эта длина заряда является относительной мерой инициирующей способности детонатора.

Использование: при испытании детонаторов на инициирующую способность, а взрывчатое вещество на восприимчивость. Существо: предложен заряд для определения инициирующей способности детонаторов, выполненный в виде заряда бризантного взрывчатого вещества диаметром в пределах трех критических диаметров, заключенного в толстостенную оболочку цилиндрической формы с радиусом оболочки, обеспечивающим целостность оболочки с небольшим запасом, и длиной, величина которой определяется предложенным соотношением в зависимости от радиуса заряда, вещества заряда, материала оболочки заряда. Контрольный заряд, выполненный указанным образом, обеспечивает возникновение откольного явления с тыльного торца оболочки заряда, при этом длина заряда и частость откола являются мерой оценки инициирующей способности детонатора. Если взять известный детонатор и неизвестное взрывчатое вещество, то длина заряда, при которой будет иметь место явление торцевого откола, является мерой оценки восприимчивости испытуемого взрывчатого вещества. 8 ил.

Заряд для определения инициирующей способности детонаторов и чувствительности взрывчатых веществ (ВВ) к воздействию, содержащий цилиндрический заряд ВВ, заключенный в толстостенную металлическую оболочку, отличающийся тем, что размеры заряда ВВ выбирают из условия обеспечения толщины полного торцевого откола

по соотношениям
2r₀ 3 d_к р;

а наружный радиус R оболочки по зависимости

где r₀ радиус заряда ВВ, см;
d_к р критический диаметр испытуемого ВВ, см;
v скорость ударной волны в материале оболочки, м/с;
угол наклона ударной волны;
А_ВВ работа взрывчатого вещества,
l_к р критическая длина заряда, см;
А_р д удельная динамическая энергия разрушения материала оболочки, кг/см²;
D скорость детонации, м/с.