ДЕТОНАТОР Российский патент 1999 года по МПК F42C19/08 

Детонатор относится вообще к лучевым, накольным, ударным и электродетонаторам с мостиком накаливания, а в частности к детонаторам, обладающим способностью при нерегламентированном нагреве обеспечивать взрывобезопасность за счет введения т.н. "слабого звена" и "осколочного" возбуждения детонации. В качестве примера рассматривается электродетонатор.

Известно множество способов обеспечения взрывобезопасности изделий, содержащих взрывчатое вещество и инициирующий элемент. Наиболее распространенным способом является устранение действия детонатора на заряд изделия путем их разобщения, например в пространстве, или установкой защитной преграды. Эти приемы хороши, когда есть внешний фактор, воздействующий только в период использования изделия по назначению, например перегрузки различного типа при выстреле и т.д.

Целью изобретения является создание детонатора, содержащего инициирующее взрывчатое вещество, далее ИВВ, и усилительный заряд из бризантного взрывчатого вещества, далее БВВ, обладающего способностью при нерегламентированном нагреве обеспечивать невыдачу инициирующего импульса, т.е. быть термобезопасным детонатором.

Эта цель достигается использованием т.н. "слабого" и "сильного" звеньев, в данном случае примененном в качестве "слабого" звена заряда БВВ, выполненного из взрывчатого вещества с наиболее низкой термостойкостью, например ТЭНа. ТЭН выбирается еще потому, что он в зоне температуры плавления (140^oC) достаточно быстро переходит в газовую фазу.

В качестве "сильного" звена берется инициатор. ИВВ инициатора применяется наиболее термостойкое, например азид свинца или азид серебра.

Конструктивная схема детонатора выбрана с разобщением инициатора и усилительного заряда. Дело в том, что в результате исследований термостойкости детонаторов, выполненных по штатной схеме, было установлено, что срабатывание при нагреве происходило всегда при температуре существенно ниже, чем наименьшая температура вспышки используемых взрывчатых компонентов. Это было объяснено и далее подтверждено тем, что при нагреве за счет интенсификации термохимического разложения, как правился БВВ детонатора, инициатор, кроме нагрева, испытывал механическое давление со стороны образующихся газов разлагающегося БВВ. Обеспечение сброса газов термохимического разложения БВВ заряда детонатора сразу повысило термостойкость штатных детонаторов.

Таким образом, применение БВВ с низкой термостойкостью, создание системы сброса газов термохимического разложения БВВ детонатора с целью полного исключения влияния разлагающего термохимически БВВ на ИВВ инициатора, их разобщение решает проблему безопасности детонатора при нерегламентированном нагреве.

Детонатор по такой схеме в конечном итоге при достижении температуры нагрева температуры вспышки ИВВ сработает, но его инициирующий импульс будет весьма слаб, ибо к этому моменту заряд БВВ из ТЭНа полностью перейдет в газовую фазу, т. е. фактически детонатор будет лишен своего усилительного заряда. Для реализации этой схемы обеспечения взрывобезопасности детонатор должен быть установлен так, чтобы была предусмотрена возможность сброса газов термохимического разложения БВВ усилительного заряда в какой-либо свободный объем.

В качестве ближайшего аналога принят детонатор, описанный в книге А.Д. Яхонтова "Взрывные работы и взрывчатые материалы", Государственное издательство по горному делу, М., 1959 г., стр. 88-89 [1].

Результаты проверки предложенной схемы лучевых и электродетонаторов были положительными во всех опытах. Дополнительно, с целью сохранения высокой надежности работы детонаторов отдельные элементы конструкции были изменены или оптимизированы, как это показано на чертеже на примере электродетонатора, где: 1 - гильза, 2, 12 - отверстия дренажные, 3, 11 - сетки, 4 - усилительный заряд из БВВ, 5 - колпачек разделительный, 6 - инициатор, 7 - колпачек инициатора, 8 - заряд из БВВ, 9 - мостик накаливания, 10 - выводы, δ₄ - база разгонная, δ₁; δ₂; δ₃ - толщины донышек.

Детонатор состоит из гильзы 1, донышко которой имеет отверстие 2, закрытое с внутренней стороны сеткой 3. Гильза 1 снаряжена БВВ типа ТЭН, навеска которого выбрана из условия развития в ней предельной детонации, а именно длина h заряда БВВ больше так называемой активной длины заряда ha, как это рекомендовано в монографии "Физика взрыва" под редакцией К.П. Станюковича [2].

Заряд БВВ закрыт колпачком 5, к которому примыкает инициатор 6, снаряженный термостойкой навеской 8 ИВВ.

Следует отметить, что для обеспечения надежной осколочной схемы инициирования внутри детонатора донышко колпачка 7 инициатора донышка колпачка разделительного 5 и размер δ₄ - разгонная база, должны быть выбраны надлежащим образом, как это показано ниже.

Так, толщина δ₂ донышка разделительного колпачка 5 выбирается минимальной из условия сохранения целостности от избыточного давления при нагреве детонатора до температуры начала интенсивного термохимического разложения усилительного заряда 4. Учитывая наличие дренажа газов через отверстие 2 в гильзе 1 толщина δ₂ может быть для алюминия принята в пределах 0,5 - 0,7 мм, не более.

Толщина δ₁ донышка колпачка 7 инициатора 6 выбирается из условия приобретения донышком в результате разгона на базе δ₄ энергии, достаточной для надежного инициирования БВВ усилительного заряда 4 с ударом через донышко колпачка разделительного 5.

Условие первое. Толщина δ₁ донышка колпачка инициатора должна быть такова, чтобы после момента соударения с донышком разделительного колпачка 5 отскок осколка-донышка колпачка инициатора произошел через время, большее, чем время реакции БВВ усилительного заряда. По данным [2] это определяется соотношением I
δ ≥ 2t_p•C,
где δ - толщина осколка донышка,
t_p - время реакции инициируемого БВВ (см. [2], стр. 226, табл. 8.15 и 8.17), где для ТЭНа это время не более 0,1 • 10^-6 с,
C - скорость звука в материале донышка, например для алюминия 5100 м/с.

Подставив принятые значения, получим

База разгона δ₄ определяется соотношением, взятым из ([3], стр. 294-295, рис. 10.17), для случая разгона осколка до 0,9 максимально возможной скорости II
δ₄ ≥ 0,3h_a,
где h_а - активная толщина заряда 8 инициатора 6, следовательно активная часть h_а заряда 6 должна быть не менее III
h_a ≥ δ₄/0,3 ≈ 3δ₄.
Толщина заряда h_а определена по соотношению ([3], стр. 294) IV

где ρ_E и ρ_L - плотность ВВ инициатора и вещества донышка колпачка инициатора;
hа и δ₁ - соответственно толщина ВВ и донышка инициатора;
r_м - коэффициент оптимальности.

Рекомендовано оптимальное численное значение коэффициента r_м = 2,5 тогда для ρ_L = 2,7 г/см³, и, например азида свинца ρ_E = 4,7 г/см³, получим из (IV) для δ₁ = 0,1 см.

Для дальнейших расчетов принято h_а = 2 мм, тогда разгонная база δ₄ по соотношению (II) будет равна δ₄ ≥ 0,3h_a = 0,3•2 = 0,6 мм. Примем δ₄ = 1 мм. Работа детонатора в нормальном режиме, т.е. до предельно допустимой рабочей температуры, соответствующей для заряда из ТЭНа ≤ 120^oC.

При подаче по вводам 10 электрического импульса нагревается мостик 9, задействуется заряд 8 инициатора 6, за счет чего открывается и ускоряется донышко колпачка 7, которое ударяет по донышку колпачка 5, передавая ударное действие на БВВ усилительного заряда 4, последний инициируется и, разгоняя донышко гильзы, возбуждает по осколочной схеме основной инициируемый заряд (на чертеже не показан).

Работа детонатора в режиме нерегламентированного нагрева - нагрев > 140^oC.

При нагреве детонатора более 140^oC начинается интенсивное термохимическое разложение ТЭНа в усилительном заряде 4 с выходом газов через отверстие 2 гильзы 1.

Время, отведенное на разложение заряда 4, можно оценить так: из известных практических результатов интенсивность нагрева, например в среднестатистической пожарной ситуации в зоне установки детонатора в изделии, может быть принята около 1,0^oC/с. Тогда, исходя из температуры до вспышки ТЭНа, равной 220^oC, получим, что время в нагретом состоянии ТЭНа от 120 до 220^oC будет равно 100 с. Этого времени более чем достаточно для полного разложения навески ТЭНа в газовую фазу. Это было подтверждено экспериментально в процессе отработки детонаторов по предлагаемой схеме.

Последующий рост температуры до температуры вспышки заряда ИВВ инициатора, например азид свинца при ≥ 325^oC, произойдет его срабатывание, однако отсутствие к этому моменту БВВ усилительного заряда снизит инициирующую способность детонатора практически до нуля. Детонатор после нагрева более 320^oC просто развалился.

Для повышения температуры воспламенения вещества инициатора по схеме электродетонатора в колпачке 7 инициатора предусмотрено дренажное отверстие 11, закрытое сеточкой 12.

Таким образом, если детонатор снаряжен ТЭНом, а инициатор, установленный в нем, например, азидом свинца, то детонатор сохранит работоспособность до плюс 20^oC, а при дальнейшем нагреве свыше 140^oC через определенное время потеряет полную инициирующую способность. При достижении температуры нагрева, равной температуре вспышки азида, последний сработает, однако инициирующий импульс осколка-донышка за счет соударения при полете с донышком колпачка и далее донышком гильзы будет практически потерян полностью.

Следовательно, при интенсивности нагрева в зоне установки детонатора не более 1^oC/c детонатор после 140^oC потеряет свою работоспособность примерно через 100 с.

Источники информации
1. А.Д.Яхонтов "Взрывные работы и взрывчатые материалы", Госиздательство по горному делу, М., 1959 г.

2. "Физика взрыва" по ред. К.П.Станюковича, Москва, 1975 г.

3. Г.Кнопфель "Сверхсильные импульсные магнитные поля", изд. "Миф", 1972 г.

Детонатор лучевой, накольный, ударный или электрический, обладающий свойством термобезопасности при его нагреве свыше 140^oC за счет использования в усилительном заряде ТЭНа, и в инициаторе термостойкого ИВВ, при снаряжении инициатора с зазором между навеской усилительного заряда и созданием дренажных отверстий для выхода газов термохимического разложения взрывчатых веществ при перегреве. Технический результат - обеспечение безопасности при нерегламентированном нагреве. Приведены математические соотношения основных конструктивных параметров деталей детонатора с точки зрения оптимизации по надежности действия. 1 ил.

Детонатор, состоящий из гильзы, снаряженной ТЭНом, и инициатора, снаряженного инициирующим взрывчатым веществом, отличающийся тем, что в донышке гильзы выполнено одно или несколько отверстий, закрытых изнутри сеткой, термостойкое инициирующее взрывчатое вещество размещено в колпачке, донышко которого обращено по направлению размещения ТЭНа, а между инициатором и ТЭНом установлен разделительных колпачок, при этом толщина δ донышка колпачка инициатора определяется соотношением I
δ₁≥2t_p•C,
где t_p - время реакции ТЭНа;
С - скорость звука в материале донышка колпачка инициатора,
зазор δ₄ между инициатором и торцевой поверхностью ТЭНа определяется соотношением II
δ₄≥0,3h_a,
где h_a - активная высота заряда инициатора, которая, в свою очередь, определяется соотношением III

где r_m - коэффициент оптимальности, равный 2,5;
ρ_L и ρ_E - плотность материала колпачка инициатора и инициирующего взрывчатого вещества, снаряженного в колпачок инициатора,
толщина δ₂ донышка разделительного колпачка находится в пределах 0,5 - 0,7 мм, толщина δ₃ донышка гильзы определяется соотношением IV
δ₃≥2t_p•C,
где t_p - время реакции инициируемого детонатором взрывчатого вещества;
С - скорость звука в материале гильзы.