УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗРЫВНОЙ РЕЗКИ ТРУБ Российский патент 2003 года по МПК E21B29/02 E02D9/04 

Изобретение относится к взрывным устройствам, применяемым при обслуживании нефтяных и газовых месторождений, в частности для резки свай морских нефтяных платформ при их демонтаже по завершении эксплуатации, и может быть использовано также для дистанционной взрывной резки труб в других отраслях промышленности.

В настоящее время при проведении демонтажных работ на морских платформах для разрезки толстостенных опорных свай ниже уровня дна моря применяются взрывные устройства с массой ВВ до 20 кг. Учитывая число свай на платформе, масса применяемого ВВ может превышать 100 кг. Взрыв такого количества ВВ разрушает биосферу моря, загрязняет и делает его безжизненным.

Известно устройство для перерезания труб, имеющее раздвижную раму, состоящую из двух полукруглых, шарнирно соединенных частей, дистанционно раздвигаемых из сложенного вертикального положения в развернутое горизонтальное рабочее положение. На раме укреплены один или несколько дистанционно детонируемых кумулятивных зарядов. В сложенном положении устройство легко проходит по трубе. Раздвинутая рама занимает положение поперек оси трубы, при этом кумулятивные заряды размещены против внутренних стенок трубы (патент США 4116130 от 26.09.78, МКИ Е 21 В 29/02).

Недостатком этого устройства является то, что кумулятивные заряды разрезают эффективно сравнительно тонкие стенки труб. Для разрезки изнутри стальных стенок свай толщиной 50 мм и более требуются кумулятивные заряды большого калибра, которые ввиду сложности изготовления и снаряжения окажутся весьма трудоемкими и дорогостоящими в производстве.

Известно также устройство для резки труб большого диаметра по патенту US 5816747 от 01.05.96 г. , опубликовано 06.10.98 г. Оно принято в качестве прототипа. Устройство содержит несущий элемент, имеющий окружность по периферии, кольцевой взрывной механизм, имеющий, по крайней мере, одну среднюю часть и, по крайней мере, два конца, механизм развертывания в рабочее состояние, расположенный на несущем элементе, для удерживания взрывного механизма в собранном положении и перевода взрывного механизма из собранного положения в раздвинутое, выходящее за периферию несущего элемента, в котором, по крайней мере, один конец взрывного устройства располагается в положении осевого перекрытия относительно другого конца, и устройство инициирования для задействования каждого из взрывных механизмов, когда они находятся в раздвинутом положении.

Взрывной механизм выполнен в виде заряда ВВ, имеющего форму изогнутой ленты. Для сохранения формы заряда ВВ применен специальный фиксирующий элемент из резины. При детонации ВВ в элементе из резины формируется ударная волна - волна сжатия, действующая на трубу.

Недостаток прототипа состоит в том, что при срабатывании взрывного механизма материал трубы подвергается только сжатию ударной волной, а общее фугасное действие взрыва ВВ может приводить к разрушению только тонкие трубы, вызывая растяжение их стенок. Такая конструкция взрывного механизма по своей сущности фактически эквивалентна обычному фугасному заряду. Следовательно, применяя прототип, выигрыша по массе ВВ получить нельзя. Для резки толстых труб таким способом потребовались бы большие массы ВВ, что недопустимо.

Наиболее близким к заявленному является устройство для разрезания трубчатой детали по пат. US 6076601. Оно содержит первую группу дистанционно взрываемых зарядов, которые шарнирно связаны относительно продольной оси таким образом, что названная первая группа дистанционно взрываемых зарядов может раздвигаться относительно названной продольной оси из ходового положения, и вторую группу дистанционно взрываемых зарядов, которые шарнирно связаны относительно продольной оси и расположены отдельно от названной первой группы дистанционно взрываемых зарядов, причем вторая группа дистанционно взрываемых зарядов может раздвигаться относительно названной продольной оси из ходового положения, и первая, и вторая группы дистанционно взрываемых зарядов соосно сведены во взаимное зацепление в развернутом положении, при котором названные первая и вторая группы зарядов позволяют установить практически непрерывный профиль реза.

Недостаток указанного устройства состоит в том, что резка производится плоской кумулятивной струей, толщина стенки разрезаемой трубы для которой не превышает ~ 20 мм. Это объясняется тем, что при внедрении струи в стенку трубы имеет место расходимость струи, вызванная увеличением текущего радиуса реза и приводящая к растяжению и разрывам и быстрому ее разрушению. Кроме того, резка кумулятивной струей требует большой энергии для перемещения (выброса) вещества стенки, и соответственно, больших затрат ВВ.

Другим недостатком упомянутого устройства является необходимая фаза трения зарядных трубок по внутренней поверхности разрезаемой трубы при перемещении взрываемых зарядов на линию реза.

Решаемая техническая задача состоит в том, чтобы повысить эффективность резания, т. е. перерезать толстостенные трубы большого диаметра меньшим количеством ВВ.

Ожидаемым техническим результатом решения этой задачи является сохранение биосферы моря, улучшение экологии и освобождение морского шельфа от старых неиспользуемых нефтяных платформ для дальнейшей их эксплуатации или утилизации, а также снижение стоимости работ за счет уменьшения количества ВВ.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве для резки труб, содержащем несущий элемент с продольной осью, взрывной механизм, устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное и устройство инициирования взрывного механизма, согласно изобретению взрывной механизм выполнен в виде группы взрывных генераторов ударных волн разрежения (УВР), закрепленных по периферии несущего элемента на различных уровнях вдоль его продольной оси с возможностью перемещения в рабочее положение на один уровень на предполагаемую линию реза. В заявленном устройстве каждый генератор УВР представляет собой заряд взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью, заряд помещен в матрицу, способствующую формированию волн разрежения. Каждая матрица имеет устройство встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда одновременного инициирования.

Устройство для резки труб содержит несущий элемент, имеющий направляющие для радиального и направляющие продольного перемещений взрывных генераторов УВР.

Устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное содержит, по крайне мере, один общий для всех генераторов УВР привод радиального перемещения, состоящий из рабочего цилиндра с подвижным поршнем, кинематически связанного с взрывными генераторами УВР, и приводов продольного перемещения каждого взрывного генератора.

Сопоставительный анализ заявленного устройства и прототипа выявил следующие отличия:
выполнение взрывного механизма в виде группы взрывных генераторов УВР;
закрепление генераторов УВР по периферии несущего элемента на различных уровнях вдоль его продольной оси;
закрепление генератора УВР с возможностью его перемещения в рабочее положение на один уровень на предполагаемую линию реза;
каждый генератор УВР состоит из заряда взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью;
заряд помещен в матрицу, способствующую формированию волн разрежения;
снабжение каждого генератора УВР устройством встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда одновременного инициирования;
несущий элемент снабжен направляющими для радиального и направляющими продольного перемещений генераторов УВР;
устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в разложенное состоит из, по крайней мере, одного общего для всех генераторов УВР привода радиального перемещения и привода продольного перемещения каждого генератора УВР.

Выполнение взрывного механизма в виде группы взрывных генераторов УВР и закрепление их по периферии несущего элемента на различных уровнях вдоль его продольной оси позволяет провести спуск устройства внутри сваи, беспрепятственно пройти сварные фланцевые соединения и установить заряды ВВ на требуемой глубине.

Применение генераторов ударных волн разрежения позволяет сформировать в разрезаемой трубе ударные волны разрежения, благодаря взаимодействию которых и происходит разрыв (резка) трубы.

Выполнение заряда взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью дает возможность установить заряд вплотную к стенке разрезаемой трубы и тем самым обеспечить наибольшую эффективность резки.

Размещение заряда ВВ в матрице, имеющей плотность материала меньше плотности ВВ, способствует формированию за фронтом ударных волн волн разрежения с такими параметрами, которые обеспечивают фазовый переход в веществе и образование ударных волн разрежения в стенке трубы, чем достигаются необходимые параметры резки.

Использование устройства встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда практически одновременного инициирования обеспечивает синхронность приложения растягивающих усилий ударными волнами разрежения в зоне реза и высокую эффективность реза.

Оснащение несущего элемента направляющими для радиального и направляющими продольного перемещений взрывных генераторов ударных волн разрежения дает возможность переводить эти генераторы из разных уровней на один, на предполагаемую линию реза, раздвигая их одновременно из сложенного положения в положение контакта со стенкой разрезаемой трубы.

Применение в устройстве перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное, по крайней мере, одного общего для всех генераторов УВР привода радиального перемещения, состоящего из рабочего цилиндра с подвижным поршнем, кинематически связанного с взрывными генераторами ударных волн разрежения и привода продольного перемещения каждого взрывного генератора, обеспечивает синхронность перемещения и дистанционную установку генераторов УВР в зону реза трубы на необходимой глубине.

На фиг. 1 изображено устройство для разрезания труб в исходном положении.

На фиг.2 - вид сверху на то же устройство.

Фиг. 3 - то же устройство в рабочем положении.

Устройство для разрезания труб (см. фиг. 1) содержит несущий элемент 2 с продольной осью "А", взрывной механизм 3, устройство перевода 4 взрывного механизма 3 из сложенного положения в рабочее разложенное, устройство инициирования (на фиг. не показано) взрывного механизма, причем взрывной механизм 3 выполнен в виде группы взрывных генераторов 5 ударных волн разрежения, закрепленных по периферии несущего элемента 2 на различных уровнях вдоль его продольной оси "А" с возможностью перемещения в рабочее положение на один уровень на предполагаемую линию реза.

Каждый генератор 5 ударных волн разрежения состоит из заряда 6 взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью "В" (см. фиг.2), заряд помещен в матрицу 7, способствующую формированию волн разрежения, и устройство 8 встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда одновременного инициирования.

Несущий элемент 2 может быть выполнен в виде дисков 9 и 10, соединенных между собой, и снабжен направляющими 11 для радиального и направляющими 12 продольного перемещений взрывных генераторов 5 ударных волн разрежения.

Устройство перевода 4 взрывного механизма 3 из сложенного положения в рабочее разложенное содержит, по крайней мере, один общий для всех генераторов УВР привод 13 радиального перемещения, состоящий из обоймы 14, в которую помещен рабочий цилиндр 15 с подвижным поршнем 16, кинематически связанный с взрывными генераторами 5 ударных волн разрежения, например, системой шарнирно соединенных рычагов, и приводы продольного перемещения 17 взрывных генераторов. Причем каждый привод продольного перемещения взрывного генератора содержит каретку 19, направляющие 12 и пружины 18.

Устройство для разрезания труб работает следующим образом. Опускают устройство взрывной резки в трубу 1 (сваю платформы) на нужную глубину. Система спуска и шланг для подачи газа или жидкости на рисунке не показаны. С платформы по шлангу в цилиндр 15 подается давление газа или жидкости, вследствие чего поршень 16 устройства перевода 4 взрывного механизма перемещается вниз, увлекая за собой обойму привода 14. Рычаги привода 17, соединенные с обоймой, начинают перемещать в радиальном направлении закрепленные к ним матрицы 7 с зарядами ВВ 6. В тот момент, когда опирающиеся на диски 9 и 10 концы направляющих элементов 12 при перемещении выйдут за пределы дисков 9 и 10, под действием усилия пружин 18 генераторы УВР 5 верхнего уровня начнут опускаться на нижние торцы кареток 19, а генераторы УВР 5 нижнего уровня начнут подниматься на верхние торцы своих кареток 19. Таким образом, генераторы УВР 5 будут установлены по линии реза. Радиальное перемещение генераторов УВР 5 будет происходить до тех пор, пока они не будут прижаты к стенке трубы 1 вплотную. По датчику положения (не показан) определяют момент завершения установки зарядов на линии реза. На фиг.3 показано устройство в рабочем положении. Для разрезки трубы подается подрывной импульс на электродетонаторы, которые возбуждают детонацию в устройствах одновременного встречно-направленного инициирования зарядов ВВ 6. Детонация, распространяясь по ВВ, формирует систему ударных волн разрежения в стенке трубы 1. Растяжение материала трубы вследствие действия ударных волн разрежения приводит к образованию и развитию раскола, который, перемещаясь наружу, разрезает трубу.

Проведены успешные испытания опытного образца устройства для разрезки стальной трубы ⊘760х52 мм и длиной 2 м, установленной в мокром песчаном грунте и заполненной водой. Масса зарядов ВВ при этом составила ~5 кг, что в 4 раза меньше, чем масса зарядов, применяемых в настоящее время при проведении подобных работ на морских нефтяных платформах.

Изобретение относится к взрывным устройствам, применяемым при обслуживании нефтяных и газовых месторождений, в частности для резки свай морских нефтяных платформ при их демонтаже по завершении эксплуатации, и может быть использовано также для дистанционной взрывной резки труб в других отраслях промышленности. Устройство для взрывной резки труб содержит несущий элемент с продольной осью, взрывной механизм, устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное, устройство инициирования взрывного механизма. Взрывной механизм выполнен в виде группы взрывных генераторов ударных волн разрежения, закрепленных по периферии несущего элемента на различных уровнях вдоль его продольной оси с возможностью перемещения в рабочее положение на один уровень на предполагаемую линию реза. Каждый генератор состоит из заряда взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью, помещенного в матрицу, которая способствует формированию волн разрежения, и имеет устройство встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда одновременного инициирования. Имеющиеся направляющие несущего элемента позволяют с помощью приводов радиального и продольного перемещения каждого взрывного генератора переводить взрывной механизм из сложенного положения в рабочее разложенное. Устройство перевода взрывного механизма в рабочее положение содержит, по крайней мере, один общий для всех генераторов привод перемещения в виде рабочего цилиндра с подвижным поршнем, кинематически связанного с взрывными генераторами. Технический результат от использования устройства заключается в освобождении морского шельфа от использованных нефтяных и газовых платформ без нарушения биосферы моря и ухудшения экологической обстановки. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для взрывной резки труб, содержащее несущий элемент с продольной осью, взрывной механизм, устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное, устройство инициирования взрывного механизма, отличающееся тем, что взрывной механизм выполнен в виде группы взрывных генераторов ударных волн разрежения, закрепленных по периферии несущего элемента на различных уровнях вдоль его продольной оси с возможностью перемещения в рабочее положение на один уровень на предполагаемую линию реза, при этом каждый генератор ударных волн разрежения состоит из заряда взрывчатого вещества в форме кольцевого сегмента с выпукло-цилиндрической рабочей поверхностью, заряд помещен в матрицу, способствующую формированию волн разрежения, и устройства встречно-направленного многоточечного по всей длине заряда одновременного инициирования, а несущий элемент снабжен направляющими для радиального и продольного перемещений взрывных генераторов ударных волн разрежения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство перевода взрывного механизма из сложенного положения в рабочее разложенное содержит, по крайней мере, один общий для всех генераторов ударных волн разрежения привод радиального перемещения, состоящий из рабочего цилиндра с подвижным поршнем, кинематически связанного с взрывными генераторами ударных волн разрежения, и привода продольного перемещения каждого взрывного генератора ударных волн разрежения.