Термостойкий пиротехнический накольный состав Российский патент 2020 года по МПК C06B33/02 C06B27/00 C06C7/00 

Изобретение относится к пиротехническим составам, в частности к пиротехническому малогазовому составу, использованному в качестве школьного в средствах инициирования (капсюлях-воспламенителях (КВ) и капсюлях-детонаторах (КД)) для прострелочно-взрывных работ в глубоких нефтяных и газовых скважинах. Данное предполагаемое изобретение может быть использовано также в спецтехнике.

Штатные КВ и КД накольного действия снаряжены составами содержащими инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ) (азид свинца, тетразен, ТНРС (тринитрорезорцинат свинца), гремучая ртуть и др.), что делает их чувствительными к механическим воздействиям [1]. Известно, что традиционно в рецептурах капсюльных составов в качестве ИВВ используется гремучая ртуть, в качестве окислителей используется бертолетова соль, а в качестве горючего - трехсернистая сурьма. Но гремучая ртуть теряет свои взрывчатые свойства при увлажнении и при нагревании в течение 35-50 часов при 90-95°С, а также гремучая ртуть весьма токсична. Известен капсюльный состав [2], чувствительный к наколу, содержащий ТНРС (50 мас. %), тетразен (5 мас. %), азотнокислый барий (25 мас. %) и трехсернистую сурьму (20 мас. %). Введение в рецептуру ТНРС и тетразена позволяет обеспечить высокий уровень чувствительности к наколу, но термостойкость составов на основе тетразена составляет не более 80-90°С.

Известен термостойкий накольный состав [3], который не содержит тетразен, имеющий следующее содержание компонентов:

Перхлорат калия 9,0-18,0 мас. % Трехсернистая сурьма 58,0-62,5 мас. % Смесь азида свинца и ТНРС остальное.

К недостаткам состава следует отнести достаточно высокую его опасность (содержит азид свинца и ТНРС) и недостаточную термостойкость (до 200°С в течение 2 часов).

Известные КВ и составы не обеспечивают необходимой термостойкости до 160-200°С в течение 6 суток, в то время как современные методы прострелочно-взрывных работ требуют длительного времени нахождения аппаратуры в скважине.

Технической задачей настоящего изобретения является создание состава повышенной термостойкости и безопасности, чувствительного к наколу (0,196 Дж и менее в конструкции типа КВ-Н-11 на приборе ОСТ 84-1099 от накола жалом №1, обладающего достаточно высокой безопасностью, не содержащего ИВВ при обеспечении термостойкости при 160-200°С в течение 6 суток.

Задача решается тем, что в качестве накольного состава используется малогазовый пиротехнический состав, запрессованный в оболочку при высоком давлении более 350 МПа, содержащий в качестве горючего кремний, в качестве окислителя оксиды свинца (свинцовый сурик или двуокись свинца) и связующее при следующем содержании компонентов:

Кремний 5-50 мас. % Свинцовый сурик (или двуокись свинца) 50-95 мас. % Связующее 0-2 мас. %

В качестве связующего может быть использован коллоксилин или каучук СКФ-260, вводимые в состав в виде лака (раствора связующего, например, в ацетоне), при грануляции состава. Так же возможно гранулирование водой с последующей сушкой в термостате при 100°С до полного удаления воды.

Для обеспечения надежной работы состава в конструкции КВ или КД необходимо использовать порошок кремния с удельной поверхностью более 17000 см²/г, толщина слоя состава после запрессовки должна быть не менее 2 мм. Оптимальным давлением прессования данного состава является давление 500 МПа. Состав, снаряженный при этом давлении в конструкцию КВ-Н-11 при толщине слоя запрессованного состава более 2 мм обеспечивает надежную работу изделия от энергии накола 0,196 Дж (на приборе ОСТ 84-1099 от накола жалом №1) при расчетной вероятности срабатывания 0,999 после выдержки при температуре 160°С в течении 6 суток.

Испытание рецептур составов кремний-свинцовый сурик и кремний-двуокись свинца с разным соотношением компонентов проводили в конструкции КВ-Н-11. Поскольку связующее вводится в состав только для обеспечения сыпучести и предотвращения возможного расслоенния компонентов состава при длительном хранении и его введение в состав незначительно влияет в указанных соотношениях (0-2%) на чувствительность, при испытаниях связующее не использовали. Для проверки чувствительности составов они снаряжались в капсюли-воспламенители КВ-Н-11, которые выдерживались при температуре 160°С в течении 6 суток. Накол КВ производился на приборе ОСТ 84-1099 от накола жалом №1 с энергией 0,196 Дж. Сравнительные характеристики заявляемого состава и прототипа приведены в таблицах 1-4.

Как видно из данных таблиц, составы по заявляемому техническому решению (2-8) обладают большей безопасностью в обращении и большей термостойкостью, чем состав-прототип (1), после выдержки при температуре 160°С в течении 6 суток.

Для увеличения чувствительности состава к наколу в пиротехническом составе, содержащем кремний и свинцовый сурик, необходимо использовать порошок кремния, прошедший ультразвуковую (УЗ) обработку в дистиллированной воде в кавитационном режиме. Состав, изготовленный на таком кремнии по штатной технологии и запрессованный при аналогичном давлении и навеске в КВ позволяет значительно понизить энергию накола при обеспечении термостойкости 200°С в течении 6 суток.

УЗ обработка порошка кремния в дистиллированной воде позволяет не только повысить его дисперсность в 1,5-2 раза, что подтверждается обработкой РЭМ (рентгеновский электронный микроскоп) снимков, но и получить тончайшую оксидную пленку на частицах кремния, что подтверждается методом электронно-зондового микроанализа.

Оксид кремния вступает в твердофазную экзотермическую реакцию с оксидами свинца, входящими в состав свинцового сурика, лимитирующую, по-видимому, чувствительность состава к наколу. Как известно, скорость взаимодействия частиц твердых веществ в значительной мере зависит от их дисперсности и от площади контакта фаз реагентов. Для увеличения межфазной поверхности порошок кремния, прошедший ультразвуковую обработку, можно смешать со свинцовым суриком при воздействии УЗ в дистиллированной воде в кавитационном режиме по известной технологии [7].

Для сравнительных испытаний были изготовлены составы кремний-свинцовый сурик (Кр45Сс55К) и кремний-двуокись свинца (Кр50Сд50) изготовленные с использованием кремния Кр-1 ГОСТ 2169-69 (с удельной поверхностью S_уд=23000 см²/г) и аналогичные составы, но изготовленные на кремнии (S_уд=17000 см²/2), прошедшем ультразвуковую обработку до S_уд≈23000 см²/г и состав на основе азида и ТНРС (AT), перхлората калия (П) и антимония (А)-АТ(65/35)24П18А58 (прототип).

Ультразвуковая обработка кремния проводилась на диспергаторе ИЛ 100-6/4 в дистиллированной воде в кавитационном режиме в течение 30 минут в стальном сосуде диаметром 72 мм при концентрации 50 г/л и частоте УЗ 22 кГц. Результаты испытаний приведены в таблице 5. Накол КВ производился на приборе ОСТ 84-1099 жалом №1 с различной энергией. Высота падения груза варьировалась в области, обеспечивающей четко выраженный вероятностный характер срабатывания КВ. Результаты испытаний использовались для расчета вероятности срабатывания по методу квантилей [4,5,6].

Результаты испытаний КВ-Н-11, приведенные в таблице 5 были использованы для расчета среднего квадратичного отклонения, высоты падения груза, при которой вероятность срабатывания КВ составляет 50% и вероятности срабатывания КВ-Н-11 при доверительной вероятности 0,9 по методу квантилей. В таблицах 6 и 7 приведены результаты расчетов.

Полученные данные, приведенные в таблице 7, позволяют говорить о том, что все рецептуры составов на основе кремния и свинцового сурика, а также кремния и двуокиси свинца обладают гораздо большей чувствительностью к наколу по сравнению с составом на основе азидо-тенеросовой композиции (прототип) после выдежки КВ в течение 6 суток при температуре 160°С и 200°С. Кроме того, составы под номерами 2 и 5, представленные в таблице 7, также как и прототип надежно срабатывают от накола жалом №1 на приборе OCT 84-1099 после выдержки при температуре минус 60°С в течение 2 часов при энергии менее 0,147 Дж.

Литература

1. Карпов П.П. Средства инициирования. - М.: Оборонгиз, 1945, С. 58.

2. Будников М.А., Левкович Н.А., Быстрое И.В., Сиротинский В.Ф., Шехтер Б.И. Взрывчатые вещества и пороха. - М.: Оборонгиз, 1955, С. 119.

3. Патент RU 2309138 от 24.01.2006

Агеев М.В., Волосастов Э.Д., Егоров В.Н., Каталкина В.А., Палева Н.Н., Петров В.Н., Сидорович Т.Н. Инициирующий взрывчатый состав, чувствительный к наколу // Патент RU 2309138 от 24.01.2006

4. Зажигаев Л.С., Кишьян А.А., Романиков Ю.И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента - М.: Атомиздат, 1978, 232 с.

5. ОСТ 84-1898-80. Изделия пиротехнические. Методы оценки соответствия требованиям надежности: Утв. НПО «Краснознаменец», 1980. - 202 с.

6. ОСТ 84-727-87. Средства инициирования. Общие требования к надежности: Утв. НПО «Краснознаменец», 1987. - 63 с.

7. Патент RU 2663047 от 04.04.2017

Агеев В.М., Попов В.К., Ведерников Ю,Н., Михайлов В.Д., Филиппов Р. «Способ изготовления пиротехнических составов» // Патент RU 2663047 от 04.04.2017

Изобретение относится к пиротехническим составам, а именно термостойкому малогазовому составу, который может быть использован в качестве накольного в средствах инициирования: капсюлях-воспламенителях (KB) и капсюлях-детонаторах (КД) для прострелочно-взрывных работ в глубоких нефтяных и газовых скважинах. Пиротехнический состав, запрессованный в оболочку при удельном давлении более 350 МПа, содержит в качестве горючего кремний, в качестве окислителя оксиды свинца - свинцовый сурик и/или двуокись свинца и необязательно связующее. Изобретение направлено на повышение термостойкости и безопасности чувствительного к наколу состава и изделий на его основе. 3 з.п. ф-лы, 7 табл.

1. Термостойкий пиротехнический накольный состав, содержащий горючее и окислитель, отличающийся тем, что в нем используется малогазовый пиротехнический состав, не содержащий инициирующих взрывчатых веществ, запрессованный в оболочку при удельном давлении более 350 МПа, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Кремний 5-50 Свинцовый сурик (или двуокись свинца) 50-95 Связующее (сверх 100%) 0-2

2. Термостойкий пиротехнический накольный состав по п. 1, отличающийся тем, что в нем используется в качестве связующего коллоксилин или фторкаучук СКФ-260.

3. Термостойкий пиротехнический накольный состав по п. 1, отличающийся тем, что в нем используется в качестве связующего при грануляции дистиллированная вода с последующей сушкой до полного удаления.

4. Термостойкий пиротехнический накольный состав по п. 1, отличающийся тем, что в нем используется порошок кремния, прошедший ультразвуковую обработку в дистиллированной воде в кавитационном режиме, обеспечивающую получение порошка кремния с удельной поверхностью более 20000 см²/г.