СПОСОБ ВЗРЫВНОЙ РЕЗКИ КОНСТРУКЦИЙ И ЛИНЕЙНЫЙ КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F42D3/00 F42B1/02 

Изобретение относится к области взрывного дела, в частности, новых технологий, использующих энергию взрыва для разрезки листового металла и элементов различных металлоконструкций с использованием линейных или удлиненных кумулятивных зарядов (ЛКЗ или УКЗ).

Способ и заряд предназначены для применения в атомной, химической промышленности, в нефтедобывающем комплексе и других отраслях для проведения работ по взрывной резке крупногабаритных конструкций и сооружений, в том числе под водой.

Известен способ взрывной резки с помощью детонирующих шнуров [1] заключающийся в том, что детонирующий шнур устанавливают на металлоконструкции, находящейся под водой, и производят его подрыв.

Детонирующий шнур представляет собой легкодеформирующийся металлический профиль с продольными каналами. Первый канал заполнен взрывчатым веществом (ВВ), второй канал, герметично закрытый на концах, заполнен газообразным веществом. Перегородка, создающая кумулятивный эффект, разделяет два канала.

Детонирующий шнур, действующий под водой, служит для разрезки стальных корпусов кораблей.

Известен также способ взрывной резки с помощью эластичных ЛКЗ или УКЗ [2,3] заключающийся в том, что ЛКЗ, выполненные в виде эластичных шнуров или прутков с продольной кумулятивной выемкой, накладывают на поверхность разрезаемой конструкции, воспроизводя ее обводы, и закрепляют по требуемому контуру реза с помощью простейших средств (бечевок, ленты с липким слоем и т.п.), а затем производят подрыв. Из известных эластичных зарядов, находящихся в открытом применении в промышленности, наибольшее распространение получили заряд типа ШКЗ (шнуровые кумулятивные заряды), выпускаемые НПО "Кристалл" (г. Дзержинск, Нижегородской области).

Заряды ШКЗ представляют собой эластичные шнуры или прутки с продольной кумулятивной выемкой, облицованной металлопластом. Металлопласт, применяемый для облицовки вещество на полимерной основе, содержащее значительное (≈ 85%) количество порошкоообразного железа или меди, также как и ВВ, обладающее свойством эластичности.

Заряды ШКЗ имеют несколько стандартизованных типоразмеров (от ШКЗ-1 до ШКЗ-6), различающихся калибром (наибольшим размером поперечного сечения). В поперечном сечении они имеют профиль, близкий к полуэллиптическому (принимая за большую полуось высоту заряда H, а за малую полуширину , при этом H ≈ B) с параболической кумулятивной выемкой. Высота заряда в сечении - H, которую можно принять за калибр, изменяется от 9 мм для ШКЗ-1 до 32 мм для ШКЗ-6.

Максимальная толщина стального листа, разрезаемого зарядом наибольшего калибра, составляет ≈ 25 мм. Заряды ШКЗ и способ резки с их помощью приняты за прототип заявляемого способа и заряда. Они имеют следующие технические недостатки:
1) способ и заряд не позволяет осуществлять резку под водой;
2) способ не позволяет осуществлять резку крупногабаритных толстостенных конструкций (с толщиной стенки t ≃ 40-100 мм);
3) способ и заряд ориентированы, главным образом, на разделку конструкций на металлолом и не позволяют осуществлять резку с высоким качеством поверхности реза, для последующего монтажа и сварки.

Эти недостатки устраняются в заявляемом способе и заряде.

Решаемой технической задачей является разработка способа взрывной резки с применением ЛКЗ нового типа, обеспечивающего возможность взрывной резки конструкций из высокопрочных материалов, имеющих, в общем случае, непрямолинейные обводы и толщину стенок 40-100 мм, на открытой поверхности и под водой, с высокой точностью и качеством поверхности реза, с большей безопасностью проведения работ по сравнению с прототипом. Такие задачи возникают при ремонте и демонтаже химических и ядерных установок, морских буровых платформ, атомных подводных и надводных кораблей ВМФ и т.п.

Техническая задача решается тем, что предложен способ взрывной резки, заключающийся в размещении на поверхности разрезаемой конструкции линейного кумулятивного заряда и подрыве его, в котором, согласно изобретению, предварительно производят укладку по контуру реза металлической облицовки, которой предварительно придана форма (кривизна), соответствующая обводам конструкции, производят надежное закрепление облицовки, после чего вплотную к ней закрепляют заряд из эластичного взрывчатого вещества. При резке под водой полость между облицовкой и конструкцией предварительно изолируют от воды, помещая в нее водонепроницаемый вкладыш из малоплотного вещества (например, из пенопласта, ρ ≅ 0,1 г/см³) или герметичную оболочку, в которую перед подрывом подается сжатый газ.

Заявляемый способ реализуется с помощью ЛКЗ, состоящего из заряда ВВ, в виде эластичного профилированного прутка с продольной кумулятивной выемкой, и облицовки кумулятивной выемки, в котором, согласно изобретению, поперечное сечение заряда представляет собой симметричную трапецию с большим основанием B, высотой H B, меньшим основанием b 0,3 В, а кумулятивная выемка выполнена со стороны большего основания и представляет в сечении треугольник с высотой h 0,45-0,55 H и основанием C ≃ B, кумулятивная облицовка выполнена из тяжелого пластичного металла с профилем в зоне контакта с зарядом, соответствующим профилю кумулятивной выемки, воспроизводящей обводы конструкции, при этом облицовка и заряд ВВ образуют контур, соответствующий контуру реза.

Отличительными признаками заявляемого способа являются предварительная укладка и закрепление по контуру реза металлической облицовки кумулятивной выемки, которой придана форма, соответствующая обводам конструкции, и последующее закрепление заряда эластичного ВВ к ней. При резке под водой, кроме того, размещение в полости между конструкцией и облицовкой вкладыша из малоплотного вещества или герметичной оболочки, в которую перед подрывом подается сжатый газ.

Указанными отличиями достигается снятие ограничений по калибру заряда, возникающих при непрямолинейных обводах конструкции, связанных с тем, что чем больше калибр заряда, тем труднее изменять его первоначальную форму. Большинство известных ЛКЗ, в том числе и прототип, обеспечивают максимальную глубину реза, не превышающую 20-25 мм для стали, при калибрах зарядов 25-35 мм. Принципиальных ограничений на увеличение калибра ЛКЗ по крайней мере до 100 мм нет, есть и практическая потребность в зарядах такого калибра.

Ограничение применения зарядов большого калибра связано с трудностями их применения при непрямолинейных резах. Достигнутые значения калибров (25-35 мм) для большинства типов ЛКЗ являются практическим пределом, при котором сохраняется возможность изменения формы заряда требуемым образцам при его применении. Это касается как зарядов в виде деформирующихся металлических профилей, так и эластичных зарядов. Эластичному заряду большого калибра (с эластичной облицовкой) можно попытаться придать требуемую форму, но при этом, вследствие больших деформаций заряда в области кумулятивной выемки, теряется начальная форма облицовки и эффективность кумулятивного заряда значительно понижается. Эффективность заряда с облицовкой из металлопласта ниже, чем с облицовкой из сплошного пластического металла. Таким образом, эффективность заряда с металлической облицовкой, которой предварительно придана форма, соответствующая обводам конструкции, и имеющей расчетный профиль гораздо выше, чем аналогичного заряда ВВ, которому принудительно задана требуемая форма.

Придание заряду большого калибра (H ≥ 35 мм), собранному с металлической облицовкой, принудительной формы, значительно отличающейся от прямолинейной, на месте проведения работ, нереально, вследствие требуемых значительных усилий и, главным образом, вследствие возникающих при этом деформаций и разрывов облицовки, отслоений ее от заряда и т.п. дефектов, наличие которых недопустимо. Предварительное выполнение облицовки требуемого профиля и формы и подгонка ее формы по конструкции на месте проведения работ с последующей сборкой заряда не представляет значительных трудностей и позволяет снять ограничение по калибру при непрямолинейных контурах реза. Следует отметить, что в большинстве случаев непрямолинейные резы имеют круговую форму: рез цилиндрических или других поверхностей вращения или круговые резы в плоскости. Это облегчает выполнение металлической облицовки требуемой кривизны и профиля.

Для выполнения резов под водой полость кумулятивной выемки в заявляемом способе заполняется малоплотным веществом или газом. (Последнее более предпочтительно). Для выполнения этой операции необходимо обеспечить надежное крепление заряда к конструкции, исключающее попадание в полость неконтролируемым образом воды, или отход заряда от конструкции под воздействием вкладыша или оболочки со сжатым газом. Крепление заряда большого калибра вообще представляет непростую задачу, тем более под водой. Разделение операций крепления заряда и облицовки в заявляемом способе позволяет в подготовительных операциях (при отсутствии ВМ на месте работ) обеспечить надежное крепление облицовки с вкладышем и конструкции с применением обычного арсенала средств и устройств, применяющихся в таких работах, в том числе прострелочного сварочного, пневмо-ударного оборудования, применение которого, при наличии на месте работ ВВ, исключено или затруднительно. Тем самым повышается безопасность работ по сравнению с прототипом. Последующее крепление ВВ к облицовке может быть осуществлено заранее подготовительными простейшими средствами: скобами, струбцинами, привязкой проволокой и т.п.

Отличительными признаками заявляемого ЛКЗ являются:
1) профиль заряда в сечении (форма);
2) количественные соотношения, характеризующие пропорции, обеспечивающие наибольшую эффективность работы заряда: B H, b 0,3H, h=0,45-0,55 H, C ≃ B;
3) материал облицовки;
4) форма облицовки (в сечении и по контуру).

Заявляемый профиль заряда в сечении обеспечивает его высокую эффективность при выполнении соотношений 2) и, кроме того, является наиболее технологическим по сравнению с профилями, образованными плавными кривыми (полуэллиптическими, параболическими и т.п.). Это важно как при изготовлении зарядов из эластичного ВВ, так и металлической облицовки.

Указанное соотношение параметров обеспечивает в совокупности высокую газодинамическую эффективность заряда. В сочетании с металлической облицовкой эффективность заряда с таким профилем, измеряемая по глубине реза, в два раза выше, чем у прототипа. Это доказано многочисленными экспериментами. Для одного частного случая сравнение с прототипом проводится ниже. Отклонение от соотношений 2) в пределах 5-10% не приводит к значительному ухудшению работы заряда, а при больших отклонениях -эффективность заряда резко снижается.

В качестве материала облицовки в заявляемом ЛКЗ применены мягкая пластичная сталь (железо) или медь (в особых случаях и другие подобные металлы). Облицовка из мягкой стали обеспечивает требуемые параметры кумулятивной струи и может быть изготовлена известными технологическими способами. Крепление такой облицовки может быть осуществлено сваркой, пайкой, а также с использованием мощных постоянных магнитов.

Форма облицовки в сечении обеспечивает требуемую форму (профиль) кумулятивной выемки, а также расположение заряда требуемым образом относительно поверхности конструкции, т.е. под требуемым углом и на требуемом (фокусном) расстоянии вершины кумулятивной выемки от поверхности. Форма облицовки по контуру обеспечивает возможность реза конструкций с непрямолинейными обводами. Круговая форма облицовки по контуру может быть обеспечена с применением простых гибочных устройств.

На фиг.1 изображен заявляемый ЛКЗ; на фиг.2 установка ЛКЗ на разрезаемой конструкции.

Заявляемый ЛКЗ выполнен следующим образом.

Из эластичного ВВ (скорость детонации D 7,5•10³ м/с, плотность ρ 1,66 г/см³) выполнен пруток 1 с заявляемым профилем требуемого калибра. Отработана технология изготовления зарядов калибром от 10 до 100 мм. Заряды изготавливаются прессованием на высокопроизводительном оборудовании. Предусмотрен параметрический ряд калибров в диапазоне 10-100 мм, обеспечивающий потребность практики. Стоимость изготовления зарядов, по оценкам, на 20-30% ниже, чем у прототипа. Металлическая облицовка 2 в виде уголкового профиля выполняется из мягкой листовой стали, для малых калибров - из оцинкованного листового железа. Толщина листа зависит от калибра и изменяется от 0,5 до 1,5 мм. Для обеспечения требуемого фокусного расстояния - от вершины кумулятивной выемки до конструкции 4 и требуемого наклона оси заряда при выполнении реза под углом, отличным от нормального, имеются крепежные элементы 3, конструктивное выполнение которых может быть различно в зависимости от условий и характера работ. Сборка ЛКЗ осуществляется после подгонки кривизны облицовки по контуру реза на месте проведения работ. Заряды к месту проведения работ могут поставляться в бухтах (для малых калибров), а для больших калибров (H ≥ 60 мм) в виде прутков длиной l 1-1,4 м в соответствующей таре.

Крепление заряда с облицовкой осуществляется скобами, обмоткой липкой лентой и т.п.

Заявляемый способ реализуют следующим образом.

По имеющимся данным об объекте работ выбираются требуемый калибр заряда и параметры облицовки. Для больших калибров облицовка изготовляется в заводских условиях с применением штамповочного и гибочного оборудования. Изгиб профилей малого калибра может осуществляться на месте проведения работ с использованием простейших приспособлений. На месте проведения работ осуществляется подгонка и крепление облицовки. Эта технологическая операция может проводиться задолго до поставки на место работ ВВ. Крепление облицовки может осуществляться с применением сварки, прострелочного оборудования и т. п. При проведении уникальных работ, например, под водой для крепления могут быть применены постоянные магниты или электромагниты.

При проведении работ под водой в полость между облицовкой и конструкцией помещается вкладыш 3 (фиг.2) или герметичная оболочка, в которую перед подрывом подается сжатый газ.

Крепление эластичного заряда к облицовке осуществляется после проведения всех подготовительных операций специалистами-взрывниками, которые осуществляют подрыв.

Таким образом, технология предусматривает разделение работ с применением ВМ и без него, что значительно удешевляет и повышает безопасность проведения работ. Это стало возможным в результате найденного и реализованного в заявляемом изобретении удачного сочетания выполнения заряда эластичным, а облицовки в виде уголкового металлического профиля, и сборки заряда на месте проведения работ.

Техническая реализуемость и эффективность заявляемого заряда доказаны экспериментально. Сравнивались эффективность (глубина пробивания) и качество реза экспериментального заряда, выполненного по заявляемой формуле в центре, прототипа ШКЗ-6 (справа) и применяемого в промышленности заряда полуцилиндрического профиля (слева). Взрывчатые характеристики ВВ, из которых выполнены заряды, примерно одинаковы:
скорость детонации D (7,5-7,6)•10³ км/с;
плотность r 1,64-1,66 г/см³;
профиль экспериментального заряда выполнен в соответствии с формулой (калибр высота в сечении H 32 мм);
облицовка из оцинкованного железа d 0,8 мм;
профиль штатного заряда ШКЗ-6 близок к полуэллиптическому (калибр H 32 мм);
кумулятивная выемка параболическая с относительной глубиной , шириной ;
облицовка металлопласт на основе меди δ ≃ 1 мм.

Погонные веса зарядов ВВ, экспериментального и прототипа, практически одинаковы. Погонный вес полуцилиндрического заряда гораздо больше. Все заряды установлены на массивной плите из стали Ст.3.

Получены следующие результаты:
Глубина реза заряда прототипа составила S ≃ 20 мм. Это соответствует паспортным данным. (Максимальная толщина разрезаемой пластины всегда больше, чем глубина надреза в толстой плите, за счет долома). Глубина реза экспериментального заряда составила S ≃ 40 мм, что вдвое больше, чем у прототипа. Качество реза у заявляемого заряда выше. Рез более ровный и узкий.

Эффективность полуцилиндрического заряда гораздо ниже, рез широкий, рваный. В аналогичной постановке были выполнены опыты с плитой-образцом из титанового сплава, применяемого в конструкции подводных лодок.

Глубина надреза от заряда ШКЗ-6 составила 18 мм, от заявляемого заряда ≃ 35 мм.

Таким образом, показано, что эффективность заявляемого заряда в два раза выше, чем у прототипа.

Реализуемость и эффективность заявляемого способа доказана в различных экспериментах, по резке сосудов с водой, труб и других объектов.

Таким образом, заявляемым способом, с помощью заявляемого устройства решается задача разрезки крупногабаритных толстостенных конструкций, недоступная другим методам.

Использование: резка листового металла и элементов различных металлоконструкций. Сущность изобретения: на конструкцию 1 устанавливают металлическую облицовку. Затем вплотную к облицовке закрепляют профилированный пруток 2 эластичного взрывчатого вещества. Заряд подрывают. Линейный кумулятивный заряд содержит эластичный профилированный пруток 1 взрывчатого вещества, представляющий собой в поперечном сечении симметричную трапецию с высотой и большим основанием В, меньшим основанием - 0,3В. Кумулятивная выемка выполнена конической с высотой 0,45-0,55В и основанием В. Облицовка 2 кумулятивной выемки выполнена из тяжелого пластичного материала. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ взрывной резки конструкций, заключающийся в размещении линейного кумулятивного заряда на разрезаемой конструкции и подрыве заряда взрывчатого вещества, отличающийся тем, что предварительно производят укладку металлической облицовки по контуру реза на конструкции, после чего вплотную к ней закрепляют профилированный пруток эластичного взрывчатого вещества. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полость кумулятивной выемки между облицовкой и конструкцией заполняют малоплотным водонепроницаемым веществом или сжатым газом в герметичной оболочке. 3. Линейный кумулятивный заряд для взрывной резки конструкций, состоящий из заряда взрывчатого вещества в виде эластичного профилированного прутка с продольной кумулятивной выемкой и облицовки кумулятивной выемки, отличающийся тем, что поперечное сечение заряда представляет собой симметричную трапецию с большим основанием B, высотой H B, меньшим основанием b 0,3B, а кумулятивная выемка выполнена со стороны большего основания и представляет в сечении треугольник с высотой h 0,45 0,55H и основанием C ≈ B, облицовка кумулятивной выемки выполнена из тяжелого пластичного материала с профилем, соответствующим профилю кумулятивной выемки.