КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД ДЛЯ ПОДВОДНЫХ РАБОТ Российский патент 1998 года по МПК F42B3/08 

Изобретение относится к технике взрывных работ, более конкретно - пробиванию и резки взрывом металлических конструкций и листов в подводных условиях, в том числе на больших глубинах.

Широко известные кумулятивные заряды как осесимметричные, так и линейные теряют свою эффективность при заполнении их кумулятивной выемки плотной средой, в частности водой. Для обеспечения кумулятивного эффекта в подводных условиях предложено много вариантов конструкции зарядов. Например, по патенту Великобритании N 1550398, кл. F 3 A (заявл. 02.12.76) описываются 12 видов "детонирующих шнуров для резки" с заполнением кумулятивной выемки пенопластом, в том числе с выступанием его за пределы собственно кумулятивной выемки для создания условий полного фокусирования струи продуктов взрыва до момента ее подхода к объекту. Такое же решение использовано в конструкции кумулятивных зарядов по патенту Великобритании N 2176878A, кл. F 42 B 1/02 (заявл. 08.08.80), которое довольно широко используются за рубежом в настоящее время. Недостаток зарядов такого рода - небольшая глубина погружения, ограниченная недостаточной жесткостью и прочностью малоплотного пенопласта.

Другой подход - использование, в качестве облицовки кумулятивной выемки и одновременно подставки для фокусирования, жесткого герметичного полого элемента - камеры, достаточно прочной при заданном внешнем давлении и в то же время не слишком тяжелой, так как кумулятивная струя, которая образуется из верхней стенки этой камеры, должна еще пробить нижнюю, прежде чем произвести полезную работу. Таковы заряды по патентам Великобритании NN 618617 и 618618 (НКИ 9 (i), Cla (1:2), заявл. 07.11.45); 655222 (НКИ 9 (i), Cla (1: 2), заявл. 04.10.48); 1256255 (НКИ F 3 A, заявл. 06.10.69); 1367011 (НКИ F 3 A, заявл. 03.11.72); 1473031 (МКИ F 42 B 1/02, заявл. 13.05.75). Недостаток этих зарядов - трудность сочетания высокой прочности к легкости стенок камеры.

В двух вариантах того же решения - по патентам Великобритании N 1367013 (НКИ F 3 A, заявл. 08.11.72) и N 2059551A (кл. F 42 B 3/08, заявл. 19.09.79) оговорена возможность заполнения аналогичной камеры до погружения "газом, предпочтительно воздухом, под давлением, выбираемым по глубине погружения". Недостатком их - опасность обращения с зарядом, содержащим сжатый воздух, и сложность заполнения и герметизации.

Наконец, в двух патентах Великобритании N 1548023 (кл. F 42 B 3/08, заявл. 20.10.76) и N 2026923A (кл. B 23 D 31/00 - прототип нашего изобретения заявл. 02.08.78) - предусмотрено закачивание воздуха под давлением извне в камеру после погружения. В первом случае камера имеет свободные отверстия у нижнего конца для выхода воды при закачивании воздуха заряда может использоваться только в вертикальном положении, как кессон. Во втором случае (прототип) у камеры имеется мягкая нижняя (или боковая, или верхняя) стенка, и при закачивании воздуха она расправляется до соприкосновения с объектом.

Недостаток прототипа - необходимость наличия компрессора со шлангом или баллона высокого давления с редуктором и отсутствие контроля за равенством давлений внутри и вне камеры. Возможность нарушения этого равенства из-за ошибки при закачивании заставляет делать стенки полого элемента излишне прочными и толстыми, а также снабжать его предохранительным клапаном.

Цель изобретения - создание кумулятивного заряда, сохраняющего равенство давления газа в кумулятивной выемке с давлением окружающей жидкости на любой глубине до заданного предела, без компрессоров, клапанов и шлангов высокого давления при минимальной прочности и толщине герметизирующего выемку элемента.

Указанная цель достигается тем, что кумулятивная выемка заряда, заполненная воздухом или иным газом под атмосферным давлением и герметично закрытая тонкой пластиной или натянутым мягким водонепроницаемым материалом, соединена с резервуаром или кумулятивный заряд с выемкой размещен в герметичном резервуаре, заполненным воздухом или иным газом также при атмосферном давлении и погружаемым вместе с зарядом на необходимую глубину. При этом газ, находящийся в резервуаре, имеет возможность передавать внешнее давление газу, находящемуся в кумулятивной выемке, причем объем газа в резервуаре V_рез превышает объем кумулятивной выемки V_кв и паразитного объема системы V_п более чем в 0,11 ρh раз:
V_рез > 0,11ρh(V_кв+ V_п); (1) ,
где
ρ - относительная плотность жидкости (для воды ρ = 1);
h - глубина погружения, м.

При погружении заряда вместе с резервуаром газ постепенно под действием гидростатического давления протекает в полость кумулятивной выемки. Давление газа в этой полости непрерывно повышается и всегда равно давлению окружающей жидкости. Поэтому прочность пластины или пленки, закрывающей кумулятивную выемку, достаточна на любой глубине, если она выдерживает перепад давления жидкости между верхним и нижним краями системы заряд-резервуар. Проверка этого запаса прочности может производится у самой поверхности жидкости.

Формула (1) получена из физического закона Бойля-Мариотта: p₀V₀ = p₁V₁, где за p₀ принято атмосферное давление, p₁ - атмосферное плюс гидростатическое: P₁= P₀+ ρgh; V₀= V_рез+ V_кв; V₁= V_кв. Однако она не учитывает три существенных для реальных условий фактора: разницу температур воздуха и воды - возможную большую начальную влажность воздуха в резервуаре (при охлаждении влаги сконденсируется, что уменьшит давление, влияние паразитного объема V_n в системе). Это объем соединительной трубки и той части резервуара, которая по тем или иным причинам на заданной глубине окажется не ниже кумулятивной выемки. Принимая абсолютную температуру T₀ = 300 K, T₁ = 277 K, абсолютную влажность W = 2%, получим формулу (1).

На фиг. 1-5 представлены конкретные варианты исполнения такого заряда: фиг. 1а - осесимметричный заряд, с резервуаром в виде кессона, в разрезе; фиг. 1б - вариант резервуара в виде герметичного мягкого мешка; на фиг. 2 - линейный разряд в длинном рукаве: а) в снаряженном виде; б) в начале погружения; в) на предельной расчетной глубине; г) при вертикальном расположении; фиг. 3 - линейный заряд с увеличенной шириной рукава; фиг. 3 - линейный заряд в длинном рукаве с подставкой для фиксации фокусного расстояния; а) с жесткой подставкой; б) гибкий заряд с двумя рядами скобок; фиг. 5 - линейный заряд в длинном рукаве с присоединенным к нему электродетонатором.

Заряд, представленный на фиг. 1, состоит из шашки ВВ 1 с конической кумулятивной выемкой 2, облицованной полым металлическим конусом 3, служащим материалом для создания кумулятивной струи. Выступающая нижняя часть конуса служит подставкой для фиксации оптимального (фокусного) расстояния заряда до пробиваемого объекта. Конус снизу закрыт герметично присоединенной пластиной 4. Через штуцер 5 и резиновую трубку 6 пространство внутри конуса соединено с резервуаром 7, который имеет отверстие 8 в нижней части. Симметрично расположенные в нижней части грузы 9 служат для удаления резервуара в вертикальном положении. Материал резервуара - жесть или пластмасса. Материал пластины 4 должен быть возможно менее плотным, а толщина ее - минимальной, чтобы на ее пробивание тратилась возможно доля энергии кумулятивной струи.

При погружении описанной системы резервуара 7 действует как кессон: давление окружающей жидкости через отверстие 8 передается газу, заключенному в резервуаре и полости конуса, газ сжимается, жидкость поступает в резервуар. Давление газа в конусе противостоит давлению окружающей жидкости, отличаясь от него на любой глубине всего лишь на величину давления столба жидкости высотой Δh, равной разности глубины погружения и уровня жидкости в резервуаре.

Резервуар, передающий давление газу, может иметь мягкие стенки, тогда не требуется отверстие в его нижней части. На фиг. 1б показан мягкий резервуар 10 из полимерной пленки или другого газонепроницаемого материала, с грузом 11 внизу. Выбор жесткого или мягкого резервуара определяется соображениями удобства и дешевизны.

Для линейного заряда нами предлагается более удобный и дешевый вариант устройства, показанный на фиг. 2а. Линейный кумулятивный заряд ВВ 12 помещен в мягкий рукав 13 из полимерной пленки или другого газонепроницаемого материал с шириной, достаточной для плотного охватывания заряда. Концы рукава заварены или зажаты зажимами-грузами 14. Свободные участки рукава, как и кумулятивная выемка, заполнены воздухом и служит резервуаром, аналогично показанному на фиг. 1б.

Длину рукава определяют по формуле, вытекающей из формулы (1)

где
L и l - длины рукава и заряда ВВ, соответственно, см;
l_п - паразитная длина, т.е. суммарная длина участков рукава, не содержащих ВВ и находящихся при рабочем положении заряда не ниже нижнего края кумулятивной выемки, см;
S - площадь поперечного сечения кумулятивной выемки, см²;
B - ширина рукава на участках, не содержащих ВВ, см.

В начале погружения (фиг. 2б) свободные участки рукава еще сохраняют большой объем и стремятся держать концы кверху. Грузы должны не допускать этого. На расчетной глубине (фиг. 2в) газ полностью переходит в кумулятивную выемку. При вертикальном расположении заряда (фиг. 2г) верхний свободный участок удерживает часть газа и тогда, когда жидкость уже прогибает пленку в кумулятивную выемку, т.е. он является паразитным и должен выполняться возможно более коротким.

На фиг. 3 показан вариант заряда с рукавом повышенной ширины из термоусадочной пленки. Введение заряда ВВ в такой рукав значительно проще, а усаживание рукава на заряде, например, посредством окунания в горячую воду, обеспечивает хорошую фиксацию заряда в рукаве.

Описанный заряд в рукаве сохраняет гибкость, если использовано эластичное ВВ и металлополимерная облицовка кумулятивной выемки.

Вариант заряда с фиксацией на фокусном расстоянии от объекта (фиг. 4а) отличается тем, что вместе с зарядом ВВ 12 внутри рукава 13 введена подставка 15 корытообразного профиля из жести или пластмассы. При этом объем кумулятивной выемки как бы увеличивается.

В этом случае формула (2) принимает вид

где
a - высота подставки, см;
b - ширина заряда, см.

На фиг. 4б показан вариант заряда из гибкого ВВ с фиксацией фокусного расстояния, сохраняющий гибкость. Вместо подставки 15 внутри рукава в тело заряда ВВ с каждой из двух сторон кумулятивной выемки введен сплошной ряд проволочных скобок 16, образующий опору для материала рукава. Расчет длины рукава производится по формуле (3), в которой за "а" принимается высота выступания скобок из тела заряда.

На фиг. 5а показано простейшее устройство для присоединения электродетонатора к заряду. На заряд 12, обтянутый рукавом 13, насажена упругая скоба 17 из жести или пластмассы, имеющая захваты 18 и пружинящую втулку 19 для электродетонатора 20.

Для присоединения нескольких зарядов в единую взрывную сеть рекомендуется использовать ленту из гибкого ВВ, например, эластита ЭЛ-2 ТУ 3-121-060-90, а при больших расстояниях и глубинах - детонирующая ленту ДЛ-3-20 ТУ 3-121-061-91, которая имеет упрочняющую подложку.

Нами опробован макет заряда в рукаве. Рукав был изготовлен сваркой из листа двухслойной пленки: толщиной 70 мкм: наружный слой - полиэтилентерефталат, внутренний - полиэтилен (такая пленка используется для расфасовки майонеза). Сверху производили паяльником с колесом, смонтированным на сердечнике. Ширина рукава была 4,6 см. Отрезки рукава плотно натянуты на два макета кумулятивного заряда 3КЛ ТУ 3-121-060-90 из поливинилхлорида диаметром 2,6 см, длиной 10,5 см, с выемкой сечением 1,5 см². длина рукава была 26,5 см (заряд N1) и 28,5 см (заряд N2). Расчетная предельная глубина погружения - соответственно 64 и 72 м. Оба заряда, закрепленные в верхней части рукава, были подвешены вертикально в камере высокого давления, заполненной водой. Концы рукавов были заварены, к их нижним концам подвешены грузы.

Давление в камере повышали ступенями с открыванием камеры после каждой ступени и осмотром образцов. Установлено, что воздух сохранился, а вода внутрь рукавов не вошла не только при расчетном давлении 7 ати, но и выше.

Таким образом, до расчетной глубины рукава выполняет свою роль, сохраняя в кумулятивной выемке воздух под давлением, равным давлению окружающей жидкости. После расчетного предела давления объем воздуха становится меньше объема кумулятивной выемки. Пленка, прогибаясь, стягивает края заряда, и он деформируется.

Изобретение предназначено для пробивания и резки взрывом металлических конструкций и листов в подводных условиях. Кумулятивная выемка заряда герметично закрыта и заполнена воздухом или иным газом. Заряд соединен с резервуаром, заполненным воздухом или иным газом, имеющим определенный объем. Заряд и резервуар располагают на заданной глубине. Заряд может быть выполнен линейным и размещен в резервуаре в виде мягкого рукава. При этом сохраняется равенство давлений газа в кумулятивной выемке и окружающей жидкости. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Кумулятивный заряд для работы в воде или иной жидкости, имеющий герметично закрытую кумулятивную выемку, заполненную воздухом или иным газом, отличающийся тем, что кумулятивный заряд размещен в герметичном резервуаре или соединен с последним, при этом оба расположены на заданной глубине и объем резервуара превышает суммарный объем кумулятивной выемки и паразитный объем не менее чем в 0,11 ρh раз, т.е.

V_рез≥ 0,11ρh(V_к.в+V_п),
где V_рез, V_к.в, V_п - объемы соответственно резервуара, кумулятивной выемки и паразитный, м³;
ρ - относительная плотность жидкости;
h - глубина погружения, м.

4. Заряд по п.1, отличающийся тем, что он выполнен линейным с продольной кумулятивной выемкой, а резервуар - в виде рукава из гибкого газонепроницаемого материала, надетого на заряд ВВ с плотным прилеганием по внешнему контуру и герметизированного на концах, причем суммарная длина этих участков рукава превышает длину заряда ВВ не менее чем в раз, т.е.

где L - длина рукава;
l - длина заряда ВВ, м;
l_п - паразитная длина, м;
S - площадь поперечного сечения кумулятивной выемки, см²;
B - ширина не занятых зарядом ВВ участков рукава, см.