КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД Российский патент 2009 года по МПК F42B1/28 

Изобретение относится к области импульсного воздействия на различные конденсированные среды, а именно воздействия ударом, и может быть использовано для создания больших давлений на поверхностях твердых и пористых тел, например, в кумулятивных перфораторах при вторичном вскрытии пластов в эксплуатационных скважинах, для нагружения поверхностей объемов, заполненных жидкими или многофазными гетерогенными средами, создания отверстий и кратеров в твердых материалах, взрывной резки металлов, уплотнения твердых и пористых сред, прессования порошковых материалов, упрочнения металлорежущего, строительного и бурового инструмента, а также разрушения материальных объектов.

Известен кумулятивный заряд, содержащий корпус с кумулятивной выемкой, образующая поверхность которой выполнена с переменным диаметром, уменьшающимся от основания к вершине выемки, взрывчатое вещество и кумулятивную облицовку, при этом образующая поверхность кумулятивной выемки корпуса выполнена в виде ряда цилиндрических проточек, а в частном случае образующая поверхность кумулятивной выемки корпуса выполнена в виде ряда проточек, представляющих собой усеченные конусы, вершины которых направлены к основанию выемки (RU 2217686 [1]). Недостатками известного кумулятивного заряда являются его сравнительно низкая эффективность и большой разброс результатов пробития: например, в бетонной мишени при массе взрывчатого вещества 20-30 г объем канала составляет 30-40 см³, разброс его геометрических параметров (диаметра входного отверстия и глубины) - около 15%.

Известен кумулятивный заряд, который содержит металлический корпус, заполненный взрывчатым веществом, промежуточный детонатор, установленный на торцевой стенке корпуса, и расположенную с противоположной стороны корпуса кумулятивную выемку с облицовкой, выполненной в виде набора кольцевых секций, обращенную своей вершиной в сторону детонатора (GB N 2271831 [2]). Недостатками известного кумулятивного заряда являются сравнительно невысокая эффективность и нестабильность действия заряда.

Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому результату является кумулятивный заряд, который содержит металлический корпус, заполненный взрывчатым веществом, на торцевой стенке которого установлен промежуточный детонатор, а с противоположной стороны корпуса - кумулятивная выемка с рельефной облицовкой, обращенная своей вершиной в сторону детонатора. Облицовка выемки выполнена в виде набора кольцевых секций, поперечный профиль каждой из которых имеет форму полуовала. Изобретение позволяет увеличить пробивную способность струи при практически полном отсутствии песта (RU 2193152 [3]).

Недостатками известного кумулятивного заряда, как и описанного выше, являются его сравнительно невысокая эффективность, заключающаяся в том, что при его подрыве в обрабатываемой среде образуется канал малого объема или отверстие небольшого диаметра относительно калибра заряда, а также неустойчивость его работы.

Заявляемый в качестве изобретения кумулятивный заряд направлен на повышение объема формируемого канала или диаметра пробиваемого отверстия без увеличения массы взрывчатого вещества и калибра заряда, а также на снижение неустойчивости действия заряда.

Указанный результат достигается тем, что кумулятивный заряд содержит корпус в виде незамкнутой оболочки, размещенное внутри него взрывчатое вещество и расположенную в открытой части корпуса облицовку с рельефом на обращенной наружу поверхности, выполненным из выступов или углублений в виде полос, образующих многоугольники.

Указанный результат достигается также тем, что на обращенной наружу поверхности облицовки выполнено не менее трех непересекающихся между собой полос, при этом отношение расстояния между центрами любых упомянутых соседних полос к средней толщине облицовки между ними отличается не более чем на 20% от аналогичного показателя для других соседних полос. Причем все указанные здесь непересекающиеся полосы должны быть либо выступающие, либо углубленные.

Указанный результат достигается также тем, что полосы выполнены с прямоугольным или трапециевидным поперечным сечением.

Указанный результат достигается также тем, что полосы выполнены с полуовальным или синусоидальным поперечным сечением.

Указанный результат достигается также тем, что поверхность облицовки обращенная к взрывчатому веществу выполнена с рельефом, частично или полностью дублирующим рельеф на обращенной наружу поверхности облицовки.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена из меди или ее сплавов.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена с массой от 80 до 120% массы взрывчатого вещества, размещенного в корпусе.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена в виде тела вращения.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена в виде сферического сегмента с углом раствора 141°±5°.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена в виде конуса.

Указанный результат достигается также тем, что облицовка выполнена в виде прямого кругового конуса, непересекающиеся между собой полосы рельефа выполнены в виде окружностей, а пересекающие их полосы - по образующим конуса.

Указанный результат достигается также тем, что конус выполнен с углом раствора 47°±2°.

Указанный результат достигается также тем, что конус выполнен с углом раствора 73°±3°.

Указанный результат достигается также тем, что конус выполнен с углом раствора 104°±4°.

Указанный результат достигается также тем, что конус выполнен с углом раствора 135°±5°.

Указанный результат достигается также тем, что конус выполнен с углом раствора 156°±6°.

Выполнение кумулятивного заряда в виде заряда, содержащего корпус из незамкнутой оболочки, размещенное внутри него взрывчатое вещество и расположенную в открытой части корпуса облицовку с рельефом на обращенной наружу поверхности, выполненным из выступов или углублений в виде полос, образующих многоугольники, позволяет повысить объем формируемого канала или диаметр пробиваемого отверстия без увеличения массы взрывчатого вещества и калибра заряда, а также уменьшить неустойчивость действия заряда. Выполненная с предлагаемым рельефом облицовка играет роль своеобразного пространственного модулятора на пути возникающего в момент взрыва фронта волны высокого давления. В результате на облицовке формируются стоячие волны, снижающие спонтанные колебания, уменьшающие рассеивание энергии и, в конечном итоге, существенно повышающие пробивную способность заряда.

В проведенных теоретических и экспериментальных исследованиях было установлено, что при взрывном метании рельефной облицовки уменьшается хаотическая неустойчивость и связанная с ней диссипация энергии взрыва. Также было обнаружено, что если создать устойчивый рост волны с заданной длиной, то можно не только устранить неустойчивость, но и получить кумуляцию энергии и импульса облицовки в соответствии с заданной на ней системой полос и ее разгон за счет уменьшения массы передних выпуклых фронтов облицовки. Анализ дисперсионного уравнения показал, что длины волн - критических, резонансных и др. - пропорциональны средней толщине соответствующих участков облицовки.

В связи с этим на обращенной наружу поверхности облицовки целесообразно выполнять не менее трех непересекающихся между собой полос, при этом отношение расстояния между центрами любых упомянутых соседних полос к средней толщине облицовки между ними должно отличаться не более чем на 20% от аналогичного показателя для других соседних полос. Длина волны задается либо выступающими, либо углубленными полосами.

Создание волн за счет рельефа необходимо согласовывать с решением задачи об оптимизации метания облицовки взрывом для разных критериев оптимизации. При этом в различных случаях требуется создание полос с разнообразным поперечным сечением и выполнение разной формы передней поверхности облицовки.

Поэтому в частных случаях реализации целесообразно выполнять рельефные полосы с прямоугольным, трапециевидным, полуовальным или синусоидальным поперечными сечениями.

Выполнение поверхности облицовки, обращенной к взрывчатому веществу, с рельефом, частично или полностью дублирующим рельеф на обращенной наружу поверхности, дает возможность обеспечить требуемое распределение толщины облицовки, что способствует повышению эффективности действия заряда.

Наиболее целесообразно выполнять облицовку из меди или ее сплавов, поскольку из сравнительно недорогих металлов медь обладает наибольшей плотностью, что увеличивает объем формируемого канала или диаметр пробиваемого отверстия в стальных и других преградах.

Было установлено, что выполнение облицовки с массой от 80 до 120% массы взрывчатого вещества, размещенного в корпусе, обеспечивает дополнительное повышение параметров пробития за счет того, что, как следует из решения модельных задач, коэффициент полезного действия метания облицовки наиболее близок к 1.

В самом общем виде облицовка может представлять собой пластину произвольной формы (например, многоугольник или овал с неровными краями и т.д.), но наиболее целесообразным является выполнение облицовки в виде тела вращения, например круглой пластины, сферического сегмента, части эллипсоида вращения и т.д. Для тела вращения задача получения однородно деформируемого кумулятивного ударника существенно упрощается, при этом импульс ударника возрастает.

Как показывает решение задачи о фокусировке сферического сегмента, наибольший импульс обеспечивается при угле раствора 141°.

В случае выполнения облицовки в виде прямого кругового конуса целесообразно формировать рельеф таким образом, чтобы непересекающиеся между собой полосы проходили по окружностям, а пересекающие их полосы - по образующим конуса.

Расчеты и эксперименты показали, что наиболее целесообразно при выполнении облицовки в виде прямого кругового конуса формировать конус таким образом, чтобы плоский угол при вершине между двумя образующими конуса, лежащими в проходящей через его ось плоскости, был равен 47°±2°, 73°±3°, 104°±4°, 135°±5° или 156°±6°.

Как показали эксперименты, максимальные параметры пробития (диаметр входного отверстия, диаметр дна канала и глубина) и минимальный разброс результатов взрыва достигаются при указанных выше параметрах облицовки.

Сущность заявляемого кумулятивного заряда поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 представлен поперечный разрез одного из возможных вариантов реализации кумулятивного заряда с облицовкой в виде конуса; на фиг.2 показан вариант реализации облицовки в виде плоской круглой пластины с тремя не пересекающимися между собой полосами (вид сверху на обращенную наружу поверхность и поперечное сечение); на фиг.3 показаны поперечные сечения облицовки в виде плоской круглой пластины с гладкой поверхностью, обращенной к взрывчатому веществу, и с рельефными полосами прямоугольного сечения на обращенной наружу поверхности, полуовального сечения и с рельефом частично или полностью дублирующим рельеф на обращенной наружу поверхности; на фиг.4 и 5 показаны варианты реализации облицовки в виде круговых конусов, при этом не видимый снаружи конусов рельеф выделен более светлым тоном серого цвета.

Пример 1. Кумулятивный заряд в одном из вариантов реализации (фиг.1) содержит корпус 1 произвольной формы из подходящего конструктивного материала, предпочтительно из металла. В донной части корпуса выполнено отверстие для инициирования 2, снаружи корпуса вокруг этого отверстия - приспособление 3 для крепления средства инициирования, например детонирующего шнура. Внутри корпуса помещены взрывчатое вещество 4 и коническая облицовка 5, на обращенной наружу поверхности которой выполнен рельеф из выступов 6 (их примеры показаны на фиг.3) или углублений в виде полос, которые при пересечении образуют многоугольники: треугольники, четырехугольники, пятиугольники и шестиугольники. Создание многоугольников с числом углов больше шести нецелесообразно.

При добыче нефти и газа кумулятивный заряд используется следующим образом. Несколько зарядов с детонирующим шнуром (в корпусе перфоратора или без него) опускаются в скважину и устанавливаются таким образом, чтобы они были обращены облицовкой 5 (см. фиг.1) в сторону стенок скважины. По детонирующему шнуру к взрывчатому веществу 4 передается инициирующий импульс, обеспечивающий подрыв зарядов. В результате подрыва зарядов облицовки деформируются в кумулятивные ударники, которые формируют отверстия в обсадной трубе и каналы в продуктивном пласте вокруг скважины.

При испытаниях перфораторных зарядов выстрелы производят по набору стальных пластин, дюралюминиевым столбикам или по стандартной комбинированной мишени: особо прочный бетонный столбик (имитирующий цементный камень и породу), стальная пластина толщиной 10 мм (стенка обсадной трубы), слой воды 10-20 мм, стальная пластина 6-9 мм (стенка корпуса перфоратора) и воздушный зазор.

Пример 2. Для экспериментальной проверки влияния отношения расстояния между центрами соседних полос рельефа к средней толщине облицовки между ними была изготовлена партия кумулятивных зарядов. Каждый заряд содержал стальной корпус диаметром 48 мм, длиной 50 мм с формой, аналогичной показанной на фиг.1. Внутри корпуса размещалось 25 г взрывчатого вещества на основе гексогена. Со стороны открытой части корпуса во взрывчатое вещество запрессовывалась облицовка, выполненная из меди марки М1. Облицовка представляла собой полый прямой круговой конус с углом раствора 73°, диаметром основания 43 мм, высотой 29 мм и с рельефом на обращенной наружу поверхности. Рельеф представлял собой утолщения в виде четырех полос шириной 3 мм, выполненных в виде окружностей, плоскости которых были перпендикулярны оси конуса, и трех полос по образующим конуса. Толщина облицовки между окружными полосами колебалась в пределах от 0,6 мм до 0,8 мм, а толщина полос составляла около 0,85 мм. Облицовка изготавливалась следующим образом. Из листовой заготовки вырубалась пластина круглой формы, на ней методом холодного прессования формировался описанный выше рельеф, затем вырезался сектор, которому при помощи оправки придавалась коническая форма. Отстрел зарядов осуществлялся по набору пластин из Ст.3 толщиной 10 мм. Расстояние между зарядами и мишенью составляло 30 мм. Полученные в мишени отверстия измерялись с помощью штангенциркуля. Результаты измерений сведены в таблицу 1.

Таблица 1 №№ Порядковые номера полос от вершины к краю облицовки Расстояния между центрами полос, мм Средняя толщина облицовки между полосами, мм Отношение указанного расстояния к указанной толщине Параметры канала диаметр, мм глубина, мм Обл. №1 1-2 7,0 0,60 11,7 20,1 52 2-3 9,0 0,70 12,9 3-4 12,0 0,80 15,0 Обл. №2 1-2 8,0 0,72 11,1 17,6 64 2-3 9,0 0,76 11,8 3-4 11,0 0,78 14,1 Обл. №3 1-2 7,5 0,70 10,7 18,2 62 2-3 9,3 0,75 12,4 3-4 11,2 0,80 14,0 Обл. №4 1-2 8,0 0,75 10,7 17,3 71 2-3 9,2 0,77 11,9 3-4 10,8 0,80 13,5 Обл. №5 1-2 9,0 0,60 15,0 19,2 56 2-3 9,4 0,70 13,4 3-4 9,6 0,80 12,0 Обл. №6 1-2 8,5 0,72 11,8 18,5 100 2-3 9,5 0,78 12,2 3-4 10,0 0,80 12,5 Обл. №7 1-2 8,8 0,65 13,5 20,2 86 2-3 9,5 0,75 12,7 3-4 9,7 0,83 12,1 Обл. №8 1-2 8,6 0,70 12,3 19,0 95 2-3 9,3 0,75 12,4 3-4 10,1 0,82 12,6

Пример 3. Для определения оптимального соотношения массы облицовки и массы взрывчатого вещества была изготовлена партия кумулятивных зарядов. Каждый заряд содержал стальной корпус диаметром 48 мм, длиной 57 мм с формой, показанной на фиг.1. Внутри корпуса размещалось от 15 г до 40 г взрывчатого вещества на основе гексогена. Облицовка изготавливалась из меди М1 в виде прямого кругового конуса с углом раствора 47°, диаметром основания 43 мм, высотой 49 мм и с рельефом на обращенной наружу поверхности. Рельеф представлял собой утолщения в виде шести полос шириной 2,5 мм, выполненных в виде окружностей, плоскости которых были перпендикулярны оси конуса, и шести полос по образующим конуса. Толщина облицовки между окружными полосами колебалась в пределах от 0,6 мм до 0,8 мм, а толщина полос составляла около 0,85 мм. Эксперименты по отстрелу осуществлялись также, как описано в примере 1, их результаты сведены в таблицу 2.

Таблица 2 №№ Масса взрывчатого вещества, г Масса облицовки, г Отношение массы облицовки к массе взрывчатого вещества, % Параметры канала диаметр, мм глубина, мм 1 15 25 167 14,6 61 2 17 25 147 15,2 65 3 19 25 132 14,4 94 4 21 25 119 15,2 130 5 23 25 109 14,6 150 6 25 25 100 15,7 134 7 28 25 89 16,0 125 8 31 25 81 15,6 126 9 34 25 74 15,0 90 10 37 25 68 14,5 85 11 40 25 63 14,2 75

Пример 4. Экспериментальная партия зарядов изготавливалась так, как описано в примере 1, с одинаковым количеством взрывчатого вещества 28 г. Облицовки изготавливались в виде прямых круговых конусов с разными углами раствора, но с одинаковыми диаметрами основания (с одинаковым калибром заряда). Рельеф на обращенной наружу поверхности состоял из непересекающихся между собой полос, выполненных в виде окружностей, и пересекающих их полос, идущих по образующим конуса. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.

Таблица 3 №№ Угол раствора конуса, град Параметры канала диаметр, мм глубина, мм 1 40° 12,2 132 2 43° 13,5 110 3 47° 15,1 140 4 55° 14,5 95 5 72° 15,8 122 6 74° 16,3 114 7 80° 14,5 95 8 90° 15,9 82 9 102° 17,5 100 10 104° 17,0 110 11 106° 17,2 100 12 115° 15,6 84 13 120° 15,1 92 14 125° 14,5 95 15 132° 19,2 84 16 135° 20,0 82 17 138° 20,2 75 18 144° 15,2 85 19 148° 14,7 94 20 152° 17,1 104 21 155° 17,7 100 22 158° 18,4 95 23 161° 18,0 95 24 170° 25,6 30 25 178° (почти плоская пластина) 31,4 20

Пример 5. В заряд с корпусом, описанным в примере 1, запрессовывалась облицовка, выполненная из медного листа в виде сферического сегмента. На обращенной наружу поверхности облицовки выполнялся рельеф в виде углубленных полос, образующих шестиугольники. Масса взрывчатого вещества, помещенного в корпус, составляла 22 г, калибр облицовки - 43 мм. Отстрел зарядов осуществлялся по следующей комбинированной мишени: бетонный столбик ⌀110 мм, засыпанный снаружи песком, стальная пластина толщиной 10 мм, слой воды 17 мм, стальная пластина 5 мм и воздушный зазор 10 мм. Диаметр отверстия в стальной пластине и глубина канала в бетонном столбике измерялись с помощью штангенциркуля; к полученной глубине добавлялась толщина стальной пластины 10 мм. Результаты экспериментов для облицовок с разными углами раствора сферического сегмента приведены в таблице 4.

Таблица 4 №№ Угол раствора сферического сегмента, град Параметры пробития диаметр, мм глубина, мм 1 120° 18,2 179 2 130° 18,6 172 3 137° 20,0 294 4 139° 21,5 260 5 141° 22,6 242 6 143° 23,2 224 7 145° 22,0 250 8 160° 20,2 150 9 170° 19,6 155 10 180° (полусфера) 17,6 192

Пример 6. Для определения формы и объема получаемого в мишени канала был проведен отстрел заряда по металлическому столбику (пруток дюралюминия ⌀70 мм). Заряд состоял из корпуса, показанного на фиг.1, взрывчатого вещества на основе гексогена с массой 28 г, конической облицовки с углом раствора 46°, с рельефом на обращенной наружу поверхности, показанным на фиг.4; расстояние от заряда до мишени составляло 25 мм. После срабатывания заряда в дюралюминиевом столбике был получен канал по форме, близкой к усеченному конусу, с входным диаметром 22,5 мм, глубиной 236 мм и диаметром дна канала около 5,8 мм; при этом объем канала составил около 44 см³. В комбинированной мишени, описанной в примере 4, этот же заряд создал отверстие в стальной пластине диаметром 17,8 мм, канал в бетонном столбике глубиной 410 мм и диаметром дна 10 мм; при этом объем канала составил свыше 60 см³.

Изобретение относится к кумулятивным зарядам. Кумулятивный заряд содержит корпус в виде незамкнутой оболочки, размещенное внутри него взрывчатое вещество и расположенную в открытой части корпуса облицовку с рельефом на обращенной наружу поверхности, выполненным из выступов или углублений в виде полос, образующих многоугольники. Облицовки выполняют различной формы в виде пластин, конусов, сегментов, полусфер с определенным соотношением между массой взрывчатого вещества и массой используемой облицовки. Повышается объем формируемого канала пробиваемого отверстия без увеличения массы взрывчатого вещества и калибра заряда, а также снижается неустойчивость действия заряда. 18 з.п. ф-лы, 4 табл., 5 ил.

1. Кумулятивный заряд, содержащий корпус в виде незамкнутой оболочки, размещенное внутри него взрывчатое вещество и расположенную в открытой части корпуса облицовку с рельефом на обращенной наружу поверхности, выполненным из полос выступов или углублений, образующих многоугольники.

2. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что на обращенной наружу поверхности облицовки выполнено не менее трех выступающих не пересекающихся между собой полос, при этом отношение расстояния между центрами любых упомянутых соседних полос к средней толщине облицовки между ними отличается не более чем на 20% от аналогичного показателя для других соседних полос.

3. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что на обращенной наружу поверхности облицовки выполнено не менее трех углубленных не пересекающихся между собой полос, при этом отношение расстояния между центрами любых упомянутых соседних полос к средней толщине облицовки между ними отличается не более чем на 20% от аналогичного показателя для других соседних полос.

4. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что полосы выполнены с прямоугольным поперечным сечением.

5. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что полосы выполнены с трапециевидным поперечным сечением.

6. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что полосы выполнены с полуовальным поперечным сечением.

7. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что полосы выполнены с синусоидальным поперечным сечением.

8. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что на обращенной к взрывчатому веществу поверхности облицовки выполнен рельеф, частично или полностью дублирующий рельеф на обращенной наружу ее поверхности.

9. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что облицовка выполнена из меди или ее сплавов.

10. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что облицовка выполнена с массой от 80 до 120% от массы взрывчатого вещества, размещенного в корпусе.

11. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что облицовка выполнена в виде тела вращения.

12. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что облицовка выполнена в виде сферического сегмента с углом раствора 141°±5°.

13. Кумулятивный заряд по п.1, отличающийся тем, что облицовка выполнена в виде конуса.

14. Кумулятивный заряд по п.13, отличающийся тем, что облицовка выполнена в виде прямого кругового конуса, не пересекающиеся между собой полосы рельефа выполнены в виде окружностей, а пересекающие их полосы - по образующим конуса.

15. Кумулятивный заряд по п.14, отличающийся тем, что конус выполнен с углом раствора 47°±2°.

16. Кумулятивный заряд по п.14, отличающийся тем, что конус выполнен с углом раствора 73°±3°.

17. Кумулятивный заряд по п.14, отличающийся тем, что конус выполнен с углом раствора 104°±4°.

18. Кумулятивный заряд по п.14, отличающийся тем, что конус выполнен с углом раствора 135°±5°.

19. Кумулятивный заряд по п.14, отличающийся тем, что конус выполнен с углом раствора 156°±6°.