ДЕТОНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО МЕХАНИЧЕСКОГО ВЗРЫВАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК F42C19/10 F42C7/00 

Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к взрывателям, срабатывающим от заданного механического усилия, и может быть использовано при разработке конструкции не содержащего инициирующих взрывчатых веществ (ВВ) детонирующего устройства (ДУ) для взрывной головки кумулятивного перфоратора, спускаемого в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах.

ДУ на основе бризантных ВВ известны из патентов РФ N 2103661, МПК F 42 C 7/00 (Бюл. N 3, 1998) и N 2083948, МПК F 42 C 19/10 (Бюл. N 19, 1997). Последний выбран в качестве прототипа. Конструкция ДУ на основе бризантных ВВ представляет собой толстостенный корпус, в котором последовательно на одной оси расположены боек, капсюль-детонатор (или капсюль-воспламенитель), передаточный заряд и детонатор. Благодаря отсутствию в этих ДУ чрезвычайно чувствительных к внешним воздействиям инициирующих ВВ они обладают повышенной безопасностью в производстве и обращении и находят в связи с этим при проведении взрывных работ все более широкое распространение.

Отличительная особенность таких ДУ заключается также в том, что возбуждение взрыва бризантных ВВ механическим ударом осуществляется в них при деформировании капсюля-детонатора (капсюля-воспламенителя) методом прессования (выдавливания). Обеспечивается это выполнением или в бойке (см. пат. РФ N 2103661), или в корпусе ДУ между капсюлем-воспламенителем и передаточным зарядом (см. пат. РФ N 2083948) осевого отверстия (в первом случае глухого), диаметр которого значительно меньше диаметра бойка. Отношение диаметров бойка и вышеуказанного отверстия, в частности, должно быть таким, чтобы для применяющегося в ДУ бризантного ВВ обеспечивалось известное условие возбуждения взрыва (Афанасьев Г.Т. и Боболев В.К. Инициирование твердых взрывчатых веществ ударом. -М.: Наука, 1968, с. 82)
P_пр≥P_кр
где P_пр - давление, при достижении которого происходит прочностное разрушение навески ВВ под бойком, сопровождающееся в ДУ интенсивным выбросом вещества в отверстие малого диаметра;
P_кр - критическое давление, начиная с которого разрушение вещества приводит к образованию эффективных очагов разогрева и воспламенению ВВ.

Для большинства индивидуальных бризантных ВВ давление P_кр составляет около 1 ГПа, что соизмеримо с пределом текучести на сжатие закаленной стали. Поэтому в штемпельных приборах, предназначенных для испытаний бризантных ВВ на чувствительность к механическим воздействиям, а также в ДУ на основе бризантных ВВ для того, чтобы при ударном нагружении обеспечивалось разрушение заряда, а не роликов или бойка, последние выполняются из термообработанной стали, имеющей твердость не ниже HRC 46.

К недостаткам рассматриваемых ДУ относится следующее. Во-первых, несмотря на то, что ДУ снаряжены только бризантными ВВ, возможность их срабатывания при обращении с ними полностью не исключается. К взрыву ДУ может привести несанкционированный удар по бойку, если энергия этого удара будет превышать критическое значение. Так, например, было установлено, что ДУ на основе октогена срабатывает при ударе бойком по стальному основанию в результате падения с высоты, превышающей 3,6 м.

Во-вторых, ДУ, снаряженные бризантными ВВ с пониженной склонностью к переходу горения в детонацию, имеют довольно большие размеры. Например, высота основанного на октогене ДУ, конструкция которого выполнена в соответствии с пат. N 2083948, составляет около 60 мм (Киселев А.В. и др. Термостойкое детонирующее устройство ударного действия без инициирующих взрывчатых веществ для взрывной головки кумулятивного перфоратора. Новые технологии - 21 век. N 1. 1997).

И, в-третьих, ДУ, не содержащие инициирующих ВВ, не способны срабатывать с замедлением, требующимся в ряде случаев при проведении взрывных работ.

Возникает, таким образом, задача по усовершенствованию таких характеристик ДУ, как безопасность в обращении, габаритные размеры и время работы, т.е. по обеспечению возможности создания ДУ без инициирующих ВВ, которые будут отличаться от уже существующих ДУ еще более высокой безопасностью в обращении, меньшими габаритами и массой и увеличенным (при необходимости) временем работы.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение безопасности в обращении. Дополнительным техническим результатом может быть уменьшение габаритов и массы ДУ, а также (при необходимости) увеличение времени работы ДУ.

Для достижения этого технического результата предлагается в известном ДУ, состоящем из корпуса с последовательно расположенными в нем бойком, капсюлем-детонатором (капсюлем-воспламенителем), передаточным зарядом и детонатором, боек ДУ выполнить из материала с пониженным пределом текучести, например из незакаленной стали, имеющей твердость не более НВ 270 (Мягков В. Д. Краткий справочник конструктора. Изд. 2-е, доп. и переработ. Л., "Машиностроение", 1975, с. 509). В этом случае ударное воздействие на боек, которое может иметь место в условиях обращения с ДУ, по всей видимости, уже не приведет к срабатыванию устройства, так как максимальное давление в капсюле-детонаторе (капсюле-воспламенителе), развиваемое при ударе, будет ограничено пределом текучести материала бойка, в результате чего ВВ под бойком останется неразрушенным и не обеспечится вследствие этого условие возбуждение взрыва P_пр≥P_кр.

Подтверждается это экспериментами, проведенными с основанным на октогене ДУ, в котором боек был выполнен из отожженной стали 30Х13, и имеющей твердость, не превышающую НВ 270. Было, в частности, получено, что такое ДУ не срабатывает ни при многократном падении (бойком вниз) на стальное основание с высоты 3,8 и 4,0 м, ни при ударе по его бойку на вертикальном копре стальным грузом, имеющим кинетическую энергию 8 Дж. Ударное нагружение ДУ вызывает в этих случаях лишь пластическую деформацию выступающей из корпуса устройства части бойка. А следует заметить, что то же самое ДУ, но с бойком из закаленной стали, срабатывает на вертикальном копре со стопроцентной частостью уже при энергии удара 2,8 Дж.

Аналогичные результаты были получены и при испытаниях ДУ, выполненного по пат. N 2103661 и снаряженного тэном, являющимся, как известно, одним из наиболее чувствительных к удару бризантных ВВ.

Но в то же время оказалось, что ДУ с незакаленными бойками остаются работоспособными, находясь или в составе взрывателя, в котором ударник разгоняется предварительно сжатой боевой пружиной и приобретает кинетическую энергию ~ 4 Дж, или же в составе взрывной головки кумулятивного перфоратора, где разгон ударника осуществляется давлением скважинной жидкости, т.е. в тех случаях, когда задействование ДУ производится в штатном режиме.

Полученный эффект объясняется существенной разницей в скоростях удара, которые реализуются в условиях обращения с ДУ и в специально созданных для приведения его в действие устройствах. Так, если в первом случае скорость ударного нагружения находится в пределах ~10 м/с, то во втором она составляет ~20 м/с и более. А, как известно, с увеличением скорости динамического нагружения предел прочности материалов (и в частности, стали) возрастает. Из этого следует, что при достаточно большой скорости удара предел текучести незакаленного бойка становится выше, чем предел прочности капсюля-детонатора (капсюля-воспламенителя), в результате чего последний разрушается (обеспечивается, таким образом, условие P_пр ≥P_кр) и в нем возбуждается взрыв.

Для того, чтобы ДУ, не содержащее инициирующих ВВ, могло срабатывать с замедлением, достаточно выполнить в нем капсюль-воспламенитель и частично или полностью передаточный заряд из пиротехнических составов, имеющих малое газовыделение и небольшую скорость горения. Возможность зажигания расположенного под бойком капсюля-воспламенителя из пиротехнического состава при деформировании его методом выдавливания и передачи вызванного механическим ударом горения через осевое отверстие малого диаметра в расположенный в корпусе ДУ замедлительный состав с последующим воспламенением передаточного заряда из бризантного ВВ и переходом в нем процесса горения в нормальную детонацию была подтверждена экспериментально. В ДУ использовались замедлительные пиротехнические составы Кр30Сс70, Кр45Сс55, Кр50Сд50, Кр12Мо88К и СЦ-1, а передаточный заряд и детонатор изготавливались из тэна. Кроме того, было получено, что в ДУ с капсюлем-воспламенителем на основе пиротехнического состава может использоваться боек из алюминиевого сплава твердостью не более НВ 100. Объясняется это тем, что пиротехнические составы имеют, как правило, сравнительно небольшие значения P_кр.

Для уменьшения размеров ДУ, основанного на бризантном ВВ с пониженной склонностью к переходу горения в детонацию (т.е. ВВ, имеющего довольно большую длину преддетонационного участка), целесообразно выполнить его передаточный заряд высотой, значительно меньшей, чем длина преддетонационного участка, и поместить за ним металлическую преграду и втулку, в осевом канале которой на некотором расстоянии от преграды расположены приемный заряд и детонатор.

Схема варианта конструкции такого ДУ представлена на фиг. 1. Состоит данное ДУ из корпуса 1 и расположенных в нем бойка 2, капсюля-воспламенителя 3 и содержащей передаточный заряд 4 гильзы 5. В верхней части гильзы имеется сквозное осевое отверстие малого диаметра. К нижнему торцу гильзы прижата с помощью ввинченной в корпус ДУ втулки 6 преграда 7. В осевом канале втулки на некотором удалении от преграды помещены приемный заряд 8 и детонатор 9.

Примером конкретного выполнения может служить лабораторный образец ДУ на основе октогена. В этом ДУ (см. фиг. 1) изготовленный из отожженной стали 30Х13 (твердость не более НВ 270) боек 2 имеет диаметр 3 мм. Капсюль-воспламенитель 3 представляет собой навеску октогена массой 0,015 г, запрессованную в корпус 1 до плотности ~1,6 г/см³ Передаточный заряд 4, запрессованный в гильзу 5, имеет плотность ~1,1 г/см³. Часть передаточного заряда помещена в алюминиевый колпачок 10. Диаметр осевого отверстия в верхней части гильзы равен 0,5 мм. Толщина преграды 7, изготовленной из алюминиевого сплава, составляет ~ 1 мм. Приемный заряд 8 и детонатор 9 запрессованы до плотности соответственно ~1,1 и ~1,6 г/см³. Осевой канал между преградой и приемным зарядом имеет диаметр 3 и длину 10 мм. Суммарная масса ВВ в данном ДУ не превышает 0,5 г. Высота ДУ находится в пределах 37 мм.

Срабатывает ДУ следующим образом. При механическом ударе по бойку 2 (скорость удара ~20 м/с) навеска ВВ в капсюле-воспламенителе вначале сжимается, а затем при достижении давления P_пр>P_кр происходит ее разрушение, сопровождающееся интенсивным выбросом вещества в осевое отверстие малого диаметра гильзы 5, в результате чего ВВ воспламеняется и образующаяся при этом струя продуктов горения через вышеуказанное осевое отверстие зажигает передаточный заряд 4. Под действием давления газообразных продуктов горения передаточного заряда (выполняющего в данном случае функцию метательного заряда) преграда 7 срезается и разгоняется в осевом канале втулки 6 до скорости, достаточной для генерирования при ударе преграды по низкоплотному приемному заряду 8 ударной волны, способной вызвать в последнем детонацию. Далее детонационный импульс усиливается в высокоплотном заряде детонатора 9.

Экспериментально было установлено, что вышеописанное ДУ является вполне работоспособным. И если сравнить характеристики данного ДУ и его прототипа, то получается, что выполнение основанного на октогене ДУ по предлагаемой конструктивной схеме позволяет уменьшить высоту устройства не менее, чем в 1,5 раза и сократить при этом массу ВВ в нем примерно в 1,8 раза.

Было также получено, что будут работоспособными при достаточно малых размерах выполненные по этой же конструктивной схеме ДУ и на основе бризантных ВВ, обладающих по сравнению с октогеном еще меньшей склонностью к переходу горения в детонацию.

Изобретение относится к взрывным работам, в частности к взрывателям, срабатывающим от заданного механического усилия, и может быть использовано в нефтедобывающей промышленности, в конструкциях головок кумулятивных перфораторов. Технический результат: повышение безопасности в обращении. Устройство состоит из корпуса с последовательно расположенными в нем бойком, капсюлем, передаточным зарядом и детонатором. Боек выполнен из материала твердостью не более НВ 270. Изобретение позволяет повысить безопасность в обращении с детонирующим устройством. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Детонирующее устройство механического взрывателя, состоящее из корпуса с последовательно расположенными в нем бойком, капсюлем, передаточным зарядом и детонатором, отличающееся тем, что боек выполнен из материала твердостью не более НВ 270. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что капсюль выполнен из пиротехнического состава. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что передаточный заряд частично или полностью выполнен из пиротехнического состава. 4. Устройство по пп.1 - 3, отличающееся тем, что в корпусе между детонатором и передаточным зарядом выполнен осевой канал и передаточный заряд отделен от канала металлической преградой, при этом высота передаточного заряда меньше длины преддетонационного участка взрывчатого вещества передаточного заряда.