УСТРОЙСТВО ВЗРЫВНОЕ РЕЖУЩЕЕ Российский патент 2000 года по МПК E21B29/02 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для резки взрывом элементов конструкций морских нефтяных и газовых платформ при их демонтаже.

Для резки цилиндрических труб изнутри широко применяется кумулятивный труборез [1] . Данное устройство выбрано в качестве аналога. Он состоит из кольцевого кумулятивного заряда, облицованного медью, корпуса и системы инициирования. Разрезка трубы производится с помощью плоской кольцевой кумулятивной струи. Однако возможности этого устройства по разрезке толстостенных труб ограничены. Во-первых, длина струи трубореза и, следовательно, глубина реза, не может превышать половины внутреннего диаметра трубы. Кроме того, эффективность внутреннего трубореза снижается в связи с тем, что в процессе формирования струя испытывает окружную деформацию растяжения, приводящую к дроблению струи на отдельные сектора.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является труборез [2] , состоящий из заряда взрывчатого вещества, системы инициирования и двух металлических заглушек. Данное устройство выбрано в качестве прототипа. Принцип его работы основан на свойстве бризантности взрывчатого вещества (ВВ). При инициировании заряда в центре и после отражения фронта детонационных волн (ДВ) от металлических заглушек в стенке разрезаемой трубы происходит повышение интенсивности ударных волн (УВ). При их многократном столкновении в стенке трубы наблюдается дальнейшее увеличение давления, которое при превышении предела прочности материала трубы приводит к ее разрушению в плоскости симметрии заряда ВВ. Прототип содержит несколько недостатков.

Основной недостаток трубореза [2] заключается в том, что он при бризантном механизме работы имеет ограничения по применению. Труборез не способен провести разрушение монолитных стальных труб с большой толщиной стенки, а также не пригоден для разрезания крупногабаритных многотрубных проводников, межтрубное пространство которых заполнено цементным раствором или другим маложестким заполнителем (вода, воздух).

В прототипе материал металлической заглушки никак не определен, в частности, не указана его акустическая жесткость, но утверждается, что при отражении от заглушки фронта ДВ происходит увеличение давления продуктов взрыва (ПВ). Известно, что при нормальном падении фронта ДВ на преграду возможны два вида течения. Когда акустическая жесткость преграды ρc_o, где ρ - плотность преграды, c₀ - скорость звука в ней, больше ρ_ВВД_ВВ, где ρ_ВВ плотность ВВ, Д_BB - скорость детонации ВВ, то в этом случае давление ПВ по отношению к давлению на фронте ДВ действительно повышается, что и предполагается в [2]. Описанный случай ρc_o> ρ_ВВД_ВВ выполняется для большинства металлов. Если иметь в виду, что для высокобризантных ВВ параметр ρ_ВВД_ВВ~ 14 условных единиц (ρ_ВВ~ 8 км/с, Д_ВВ~ 1,7 г/см³), то в эту группу попадают металлы, начиная с алюминия (ρ = 2,73 г/см³, c_o= 5,25 км/с) и более тяжелые металлы.

Однако существует немалая группа металлов, располагающихся по плотности ниже алюминия, у которых ρc_o< ρ_ВВД_ВВ. В этом случае происходит ослабление давления ПВ, а не усиление. Таким образом, обнаруживается противоречие между предложенным принципом работы трубореза [2] и невозможностью его реализации при определенном материале металлической заглушки.

Решаемой технической задачей является увеличение эффективности устройства при разрезке толстостенных монолитных стальных труб, а также при разрушении многотрубных проводников, межтрубное пространство которого заполнено цементным раствором. Принципиальная основа решения задачи состоит в замене бризантного механизма работы устройства на бризантно-фугасный при определяющей роли последнего. В этом случае разрушение стенки трубы будет обусловлено ее окружной деформацией, которая при превышении предельного значения приводит к возникновению кольцевой трещины. Деформация трубы является следствием отбора энергии ВВ в радиальном направлении. Увеличение эффективности устройства достигается путем увеличения коэффициента отбора энергии в радиальном направлении, для чего полость трубы в осевом направлении должна быть надежно перекрыта. Конструктивно эта задача решается с помощью комбинированной заглушки.

Заявляемое устройство взрывное режущее (УВР) показано на чертеже. УВР, содержащее цилиндрический корпус, в полости которого размещены заряд взрывчатого вещества и средства инициирования, по обе стороны заряда в непосредственном контакте с ним установлены заглушки, заглушки выполнены из последовательно размещенных вдоль оси корпуса, примыкающих друг к другу трех частей, крайние из которых выполнены из пластичного металла, а средняя - из пластмассы с акустической жесткостью, меньшей акустической жесткости материала крайних частей заглушки, при этом общая высота h₂ заглушки и диаметр заряда d₃ удовлетворяют условию h₂ ≥ 0,9d₃. Значение акустической жесткости металла крайних частей заглушки должно составлять R ≥ 30-10⁶ кг•с^-1 • м^-2, а акустическая жесткость материала средней части заглушки равняется (4-10) •10⁶ кг•с^-1 • м^-2 и ее масса не превышает 10% общей массы заглушки. Часть заглушки, примыкающей к заряду ВВ, имеет массу не более 10-20% общей массы заглушки.

Фугасное действие заряда ВВ в радиальном направлении будет тем эффективнее, чем меньше будет увеличиваться полость ПВ в осевом направлении. В начале заглушка "удерживает" увеличение полости в осевом направлении за счет акустической жесткости. И здесь в случае стали, а также других тяжелых металлов, когда R ≥ 30•10⁶ кг•с^-1•м^-2, заглушка выполняет эту функцию наиболее эффективно. Однако продолжительность этой фазы при разумной длине заглушки (т. е. ее массе) может составлять не более нескольких десятков микросекунд и определяется временем двойного пробега звука по длине заглушки при том, что длительность всего процесса разрушения трубы может измеряться миллисекундами. Ясно, что здесь должен присутствовать дополнительный механизм, способствующий увеличению фугасного воздействия ВВ в радиальном направлении. В предлагаемом устройстве он связан с использованием комбинированной конструкции заглушки и обусловлен бризантным воздействием на нее продуктов взрыва.

После воздействия ПВ в заглушке возникает двумерное течение его материала. Скорость смещения заглушки в осевом (продольном) направлении и соответственно рост полости ПВ обратно пропорциональны R. Это негативный фактор, но за счет использования в качестве заглушки материала с R ≥ 30•10⁶ кг•с^-1 • м^-2 его можно свести к минимуму. Поперечное (радиальное) течение материала заглушки возникает при разгрузке ударно-сжатой заглушки в стенку трубы. За счет него происходит увеличение диаметра заглушки и закупорка полости. Ее рост в осевом направлении становится невозможным и ПВ, имеющие давление, превышающее предел текучести материала стенки трубы, должны расширяться в радиальном направлении, которое приводит в конечном итоге к разрушению трубы. Таким образом, под бризантным действием ПВ из заглушки в осевом направлении формируется пластическая пробка и увеличивается фугасное воздействие устройства в радиальном направлении.

Эффективность запирания заглушкой полости трубы определяется соотношением поперечной скорости u₁ к продольной u₀. Необходимо, чтобы этот параметр УВР был максимальным. В этом случае утечка энергии ПВ в осевом направлении будет минимально возможной. Для стали этот параметр равен η = u₁/u_o~ 0,7 (u_o~ 0,85 км/с, u₁~ 0,6 км/с для случая, когда в качестве ВВ взято ТГ5/5, а стенка трубы в основном представляет цементный раствор). Если заглушку изготовить из фторопласта Ф-4, R ≅ 8•10⁶ кг•c^-1 • м^-2, то в этом случае u₁ увеличивается до 1,5 км/с, однако еще заметнее возрастает продольная скорость, u₀ = 2,5 км/с. Она возрастает по сравнению со сталью в три раза и параметр η для фторопласта снижается до 0,6. Т.е. замена стали на фторопласт ухудшает свойства УВР. Однако возможно создание УВР с комбинированной заглушкой, показанной на чертеже. У такой заглушки продольная скорость будет, как у стальной, u_o~ 0,85 км/с, так как основная масса заглушки состоит из стали, а поперечная будет определяться фторопластом, u₁ = 1,5 км/с. Тогда η = u₁/u_o= 1,8. И поставленная техническая задача будет решена.

Конструктивно комбинированная заглушка УВР состоит из трех частей: части а, с изготовлены из материала с R ≥ 30 • 10⁶ кг•с^-1•м^-2 (сталь, медь), часть б - изготовлена из материала, акустическая жесткость которого R=(4-10) • 10⁶ кг•с^-1•м^-2 (ПММА, фторопласт, капролон и т.д.). Масса части б не должна превышать 10% от массы заглушки. В этом случае продольный размер заглушки возрастает несущественно, а средняя плотность заглушки близка к плотности "жесткого" материала. Вместе с тем этого достаточно, чтобы надежно и быстро перекрыть внутреннее сечение трубы. Часть б располагается после стального диска а. Высота этого диска h₁ должна быть такой, чтобы масса диска а составляла 10-20% общей массы заглушки. Назначение этой части сводится к равномерному обжатию части б и отсутствию ее дробления под действием ПВ. Так как части а, с заглушки также испытывают поперечное течение и должны формировать пластический затвор, то его материал должен быть пластичным. Следовательно, прочным легированным сталям при изготовлении заглушки необходимо предпочесть сталь марки Ст. 3.

Выбор массы заглушки УВР производится из условия, что она должна превышать массу разрезаемой трубы в радиальном направлении. Это ограничение вытекает из начальных условий работы УВР. После подрыва давление ПВ действует равномерно во всех направлениях, радиальном и осевом, и сообщает скорость в соответствии с их массой. В радиальном направлении масса определяется толщиной стенки (Д-d₃), плотностью ее материала ρ₆ , в осевом ρ₂•h₂•d₃. Тогда с учетом цилиндрической геометрии запишем условие выбора массы или габарита h₂ заглушки:
ρ₆•(D²-d23

) ≤ 4ρ₂•h₂•d₃, (1)
где ρ₂ - плотность заглушки. В дальнейшем заглушка после расклинивания практически останавливается во внутренней трубе.

Условия (1) недостаточно для определения параметров УВР. Необходимо рассчитать массу фугасного заряда ВВ, достаточную для разрезания трубы, в зависимости от ее параметров. Экспериментально было определено, что если стенке трубы с помощью ВВ придать радиальную скорость более 400 м/с, то этой энергии достаточно для достижения деформации стальной трубы, превышающей предельную (50-60%). После чего произойдет ее разрушение с образованием сквозных кольцевых трещин. Радиальную скорость можно оценить с помощью формулы Гарни:

где D - скорость детонации ВВ, μ - отношение массы ВВ к массе трубы. Подставляя в (2) D = 8000 м/с, v = 400 м/c, а также с учетом того, что μ << 1, получим
μ ≥ 0,02 (3)
При расчете μ необходимо учесть следующее. ВВ сообщает импульс во всех направлениях равномерно: в радиальном импульс передается стенке трубы, в осевом импульс воспринимают заглушки. В соответствии с принятыми условиями масса каждой заглушки равна массе в радиальном направлении (см. (1)). Тем самым мы считаем, что начальная скорость каждой заглушки также будет составлять v = 400 м/с. Тогда с учетом указанных замечаний параметр μ через геометрию УВР, приведенную на фиг. 1, определится как

где где ρ₃ плотность ВВ.

Исключая из (1) и (4) параметр ρ₆•(D²-d23

) характеризующий свойства разрезаемой трубы, и полагая плотность ВВ ρ₃~ 1,8 г/см³, а плотность заглушки возьмем равной плотности стали, ρ₂~ 7,8 г/см³ , получим связь между высотой заглушки УВР и диаметром заряда d₃:
h² ≥ 0,9•d₃ (5)
которая является в формуле изобретения определяющей. При заданных параметрах УВР (d₃, h₂) размеры разрушаемой трубы рассчитываются согласно (1) или (4). Таким образом, уравнения (1) - (5) полностью определяют параметры фугасно-бризантного УВР и объекта, который УВР может разрезать.

На чертеже приведено заявляемое УВР. В корпусе 7 расположены заряд ВВ 1, в непосредственном контакте с ним находятся две составных заглушки 2. Для задействования устройства на одной из заглушек установлена система инициирования 3, состоящая из электродетонатора (ЭД) и детонирующего шнура (ДШ) В собранном виде УВР вводится в полость разрезаемого проводника, состоящего из наружной 4 и внутренней 5 труб, межтрубное пространство проводника заполнено цементным раствором 6.

После подачи электрического импульса в цепь ЭД с помощью ДШ подрывается фугасный заряд ВВ 1. При взаимодействии ПВ с составной заглушкой 2 из нее формируется пластическая пробка. Рост размеров полости в осевом направлении прекращается, практически вся энергия ПВ используется для радиальной деформации стенки трубы. Когда ее окружная деформация превысит предельное значение (50-60%), происходит образование кольцевой сквозной трещины и полное разделение проводника на две части.

При конкретном исполнении УВР имел алюминиевый корпус толщиной стенки 2 мм и наружным диаметром 146 мм, диаметр заряда ВВ d₃=141 мм, длина заряда h₃ = 600 мм, плотность заряда ρ₃~ 1,8 г/см³. Составная заглушка имела общую высоту h₂= 140 мм, при этом высота стальной части а 20 мм, а капролонового диска 6-25 мм. Остальная часть с заглушки была изготовлена из стали Ст.3. На одной из заглушек располагалась розетка с ЭД типа Д-22. От ЭД к заряду ВВ инициирующий импульс передавался с помощью детонирующего шнура диаметром 8 мм. УВР устанавливался в проводник с внутренним диаметром 148 мм и наружным диаметром 720 мм. Межтрубное пространство было заполнено цементным раствором.

Источники информации
1. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник под ред. Л.Я. Фридляндера. 2-е издание, переработанное и дополненное. М., Недра, 1990.

2. Чернышев В.К., Жаринов Е.И., Бузин В.Н., Куделькин И.Д., Зимаков С.Д. , Ионов А.И., Бидыло Н. П. Труборез. Патент 2093660. БИ, 1997, N 23.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для резки взрывом элементов конструкций морских нефтяных и газовых платформ при их демонтаже. Устройство взрывное режущее (УВР), содержащее цилиндрический корпус, в полости которого размещены заряд взрывчатого вещества и средства инициирования, по обе стороны заряда в непосредственном контакте с ним установлены заглушки, отличающееся тем, что заглушки выполнены из последовательно размещенных вдоль оси корпуса, примыкающих друг к другу трех частей, крайние из которых выполнены из пластичного металла, а средняя - из пластмассы с акустической жесткостью, меньшей акустической жесткости материала крайних частей заглушки, при этом общая высота h₂ заглушки и диаметр заряда d₃ удовлетворяют условию h₂ ≥ 0,9 d₃. Значение акустической жесткости пластичного металла крайних частей заглушки должно составлять R ≥30•10⁶ кг•с^-1•м^-2, а акустическая жесткость материала средней части заглушки равняется (4 - 10)•10⁶ кг•с^-1•м^-2 и ее масса не превышает 10% общей массы заглушки. Часть заглушки, примыкающая к заряду BB, имеет массу не более 10-20% от общей массы заглушки. С помощью предложенного устройства достигается увеличение эффективности при разрезке толстостенных монолитных стальных труб, а также при разрушении многотрубных проводников, межтрубное пространство которых заполнено цементным раствором или другим маложестким заполнителем. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство взрывное режущее, содержащее цилиндрический корпус, в полости которого размещены заряд взрывчатого вещества и система его инициирования, по обе стороны заряда в непосредственном контакте с ним установлены заглушки, отличающееся тем, что заглушки выполнены из последовательно размещенных вдоль оси корпуса, примыкающих друг к другу трех частей, крайние из которых изготовлены из пластичного металла, а средняя - из пластмассы с акустической жесткостью, меньшей акустической жесткости крайних частей заглушки, при этом общая высота h₂ заглушки и диаметр d₃ заряда удовлетворяют условию h₂ ≥ 0,9 d₃. 2. Устройство взрывное режущее по п.1, отличающееся тем, что акустическая жесткость металла крайних частей заглушки не менее 30 • 10⁶ кг • c^-1 • м^-2. 3. Устройство взрывное режущее по п.1, отличающееся тем, что акустическая жесткость материала средней части заглушки составляет (4 - 10) • 10⁶кг • c^-1 • м^-2, а ее масса не превышает 10% общей массы заглушки. 4. Устройство взрывное режущее по п. 1, отличающееся тем, что часть заглушки, примыкающая к заряду взрывчатого вещества, имеет массу не более (10 - 20)% общей массы заглушки.