КАПСЮЛЬ-ДЕТОНАТОР НАКОЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК F42B3/10 F42C19/08 

Изобретение относится к средствам инициирования, предназначенным для возбуждения детонации зарядов взрывчатых веществ (ВВ) при ведении прострелочно-взрывных работ в нефтяных и газовых скважинах, а также в системах пироавтоматики и спецтехнике в широком диапазоне температур.

Типичная конструкция капсюля-детонатора (КД) накольного действия представляет собой оболочку, например, колпачок, в которую под определенным давлением запрессованы накольный состав, инициирующий и боевой заряды ВВ. Для защиты от внешних воздействий, например, влаги колпачок закрыт чашечкой или фольговым кружком.

КД работает следующим образом. При внедрении жала в накольный состав за счет энергии, выделяющейся при трении, происходит его воспламенение. Далее воспламеняется инициирующий заряд, горение которого переходит в детонацию. Ударная волна от инициирующего заряда возбуждает детонацию боевого заряда, который выполняет заданную для КД функцию, например, инициирует детонирующий шнур.

Как правило, в КД накольного действия используются капсюльные накольные составы, содержащие инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ), например, азид свинца, тетразен, тринитрорезорцинат свинца (ТНРС), гремучую ртуть. Наличие ИВВ обеспечивает высокую чувствительность к наколу и, соответственно, высокую надежность функционирования изделий, но при этом обуславливает высокую опасность производства накольных составов и КД, а также применения КД.

Известен накольный состав [1], содержащий ТНРС (50%), тетразен (5%), азотнокислый барий (25%) и трехсернистую сурьму (20%). Наличие ТНРС и тетразена позволяет обеспечить высокий уровень чувствительности к наколу, но термостойкость составов на основе тетразена составляет не более плюс 90°С.

Известен накольный состав [2], содержащий перхлорат калия (9,0-18,0) %, трехсернистую сурьму (58,0-62,5) %, смесь азида свинца и ТНРС (остальное). Отсутствие тетразена позволяет обеспечить существенно более высокую термостойкость (до плюс 200°С в течение 2 часов), но уровень опасности при производстве и применении КД с таким накольным составом не уменьшается из-за наличия азида свинца и ТНРС.

Известен лучевой капсюль-детонатор [3], не содержащий ИВВ. В инициирующем заряде предлагается применять бризантные взрывчатые вещества (БВВ), такие как ТЭН, октоген, гексоген. Недостатками данного КД являются сложность изготовления, жесткие требования по плотности запрессовок и, соответственно, параметрам прессования. От накола лучевой КД не работает.

Наиболее близким к предмету изобретения является капсюль-детонатор накольного действия КД-Н-13 [4], выбранный в качестве прототипа. Он представляет собой алюминиевый колпачок, в который запрессованы накольный состав, инициирующий заряд из ИВВ, боевой заряд из БВВ и закрывающая заряды чашечка или фольговый кружок. В качестве накольного состава в КД-Н-13 используется гранулированный с использованием коллоксилинового лака состав Кр45Сс55К ОСТ В 84-207-78, содержащий кремний (45±1,5) %, свинцовый сурик (55±1,5) % и коллоксилин (0,4% сверх 100%). Инициирующий заряд выполнен из азида кадмия, боевой - из октанита.

Конструкция и применяемые материалы обеспечивают высокую термостойкость КД-Н-13, что позволяет применять его для прострелочно-взрывных работ в нефтяных и газовых скважинах. Отсутствие в накольном составе ИВВ обеспечивает повышение безопасности производства капсюльного состава и изделия в целом. Однако из-за наличия ИВВ в инициирующем заряде повышение уровня безопасности незначительно. Недостатком КД-Н-13 также является высокая энергия срабатывания (0,2 Дж), что ограничивает возможности его применения в малогабаритных системах пироавтоматики и спецтехники. Кроме того, как показывает практика, имеются проблемы с надежностью срабатывания при высоких и низких температурах.

Целью настоящего изобретения является создание малогабаритного (диаметр оболочки не более 7 мм, высота не более 10 мм КД накольного действия с энергией срабатывания не более 0,1 Дж (при оценке энергии на приборе ОСТ В 84-1099-75), безопасного в обращении за счет полного исключения из конструкции ИВВ, работоспособного в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 160°С.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве накольного состава в КД используется пиротехнический состав, содержащий кремний (45±1,5) % и свинцовый сурик (55±1,5) %, гранулированный с помощью воды и не содержащий связующего, или тот же состав, полученный с использованием ультразвуковой технологии. В инициирующем заряде применен НКТ - перхлорат (5-нитротетразолато-N²) пентаминкобальта (III), химическая формула Co[(NH₃)₅(N₄C-NO₂)](ClO₄)₂. Данное ВВ имеет относительно небольшой участок перехода горения в детонацию, что позволяет использовать его взамен ИВВ. По чувствительности к механическим воздействиям оно занимает промежуточное положение между ИВВ и БВВ. В качестве боевого заряда может применяться тот же НКТ, или БВВ, такие как гексоген, октоген, гексанитростильбен, обеспечивающие более высокую инициирующую способность КД по отношению к НКТ и обладающие термостойкостью не ниже термостойкости НКТ.

Предлагаемый накольный состав кремний-свинцовый сурик имеет низкую чувствительность к механическим воздействиям. Для того, чтобы он воспламенялся от накола жалом, давление его прессования должно быть не менее 400 МПа, что в несколько раз больше давления прессования накольных составов, содержащих ИВВ. Высокая плотность накольного состава необходима для резкого торможения жала при наколе и выделения большого количества энергии.

Отсутствие в накольном составе коллоксилина обеспечивает повышение надежности срабатывания КД при высоких температурах. При температуре выше плюс 130°С коллоксилин разлагается. Выделяющиеся газообразные продукты разрыхляют накольный состав, что эквивалентно прессованию состава при небольших значениях давления. Внедрение жала в рыхлый состав происходит с меньшим замедлением, количество тепла, выделяющееся при трении, и надежность воспламенения накольного состава уменьшаются. Без коллоксилина состав может применяться при температурах, превышающих плюс 200°С. Прочность гранул состава, изготовленного без использования связующего (коллоксилина), будет меньше. Но, как показывает практика, это не создает проблем при снаряжении КД.

Дополнительной мерой, служащей для повышения чувствительности состава из кремния и свинцового сурика к наколу и обеспечивающей надежное срабатывание КД при низких температурах, является предлагаемый способ его изготовления. Сущность способа заключается в том, что ультразвуковая обработка происходит в легколетучем растворителе, например, ацетоне, причем сначала ведется обработка порошка кремния в кавитационном режиме в течение времени, составляющем не менее 10 минут, а затем в необходимом количестве добавляется порошок свинцового сурика, и ультразвуковая обработка в кавитационном режиме происходит еще 10-15 минут с уменьшением мощности ультразвука до образования агломератов, при температуре, составляющей не более 70% от температуры кипения растворителя. После чего состав отделяется от растворителя, провяливается, гранулируется с использованием воды и сушится в термостате при температуре плюс 100°С в течение 2 часов.

Высота накольного состава должна быть не менее 2 мм. При меньшей высоте возможно пробитие жалом накольного состава, что приводит к существенному снижению надежности его воспламенения.

Инициирующий заряд из НКТ запрессовывается в один прием при давлении от 25 до 50 МПа, что обеспечивает плотность заряда около 1,5 г/см³. При большем давлении и плотности заряд будет менее пористым, скорость его горения будет возрастать более медленными темпами, длина участка перехода горения в детонацию увеличится. Соответственно уменьшатся масса активной части инициирующего заряда, работающей в режиме детонации, и параметры создаваемой ударной волны, возбуждающей детонацию боевого заряда. Надежность срабатывания КД снизится. Снижение надежности будет иметь место и при уменьшении плотности инициирующего заряда, так как это приводит к уменьшению скорости детонации.

Высота инициирующего заряда должна быть не менее 3 мм. При меньшей высоте энергия боевого заряда будет использоваться не в полной мере или будут иметь место отказы в инициировании боевого заряда. От высоты инициирующего заряда зависит длительность ударно-волнового воздействия на боевой заряд. При малой длительности выход взрывчатого превращения боевого заряда на детонационный режим может не происходить или происходить на большом участке с потерей энергии.

Пример предлагаемой конструкции приведен на фигуре 1. В алюминиевом колпачке высотой 10 мм и внутренним диаметром 5,25 мм с подштампованным донышком содержится накольный состав 1, инициирующий заряд 2 и боевой заряд 3. Колпачок закрыт фольговым кружком, закрепленным с помощью закатки. Накольный состав представляет собой запрессовку пиротехнического состава Кр45Сс55, гранулированного на воде. В инициирующем заряде использован НКТ.

В таблицах 1 и 2 приведены результаты испытаний опытных образцов КД на безотказность срабатывания от накола жалом после выдержки при температурах минус 60°С и плюс 160°С в течение 2 часов. Опытные образцы по таблице 2 отличаются тем, что примененный в них накольный состав получен с применением ультразвука. Испытания проведены на приборе ОСТ В 84-1099-75 с жалом №2 по ОСТ В 84-1381-76 при падении груза массой 100 г.

Результаты испытаний из таблиц 1 и 2, относящиеся к испытаниям, проведенным при температуре минус 60°С, использованы для расчета по методу квантилей [5], [6] критической высоты падения груза Н_кр, при которой вероятность срабатывания составляет 50%, его среднего квадратичного отклонения S и вероятности срабатывания при высоте падения груза 10 см, соответствующей энергии накола 0,098 Дж.

По данным таблицы 1 критическая высота составляет 5,1 см, среднее квадратичное отклонение - 1,51 см, вероятность срабатывания при энергии накола 0,098 Дж, равна 0,9994.

По данным таблицы 2 критическая высота составляет 4,6 см, среднее квадратичное отклонение - 1,12 см, вероятность срабатывания при энергии накола 0,098 Дж превышает 0,9999. Таким образом, ультразвуковая обработка обеспечивает повышение надежности срабатывания.

Результаты испытаний при температуре плюс 160°С свидетельствуют, что надежность срабатывания будет не ниже уровня, полученного при испытаниях изделий при минус 60°С.

В таблице 3 приведены результаты испытаний опытных образцов КД на инициирующую способность по глубине отпечатка на стальной плите. В испытаниях варьировалась масса инициирующего заряда НКТ. Давление прессования НКТ составляло от 25 до 50 МПа. Испытания проведены на приборе ОСТ В 84-1099-75 с жалом №2 по ОСТ В 84-1381-76 при падении груза массой 100 г с высоты 10 см.

Полученные данные свидетельствуют, что инициирующая способность КД достигает максимальных значений при высоте инициирующего заряда НКТ около 3 мм.

Литература

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

2. 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.

3. Ван Квамченг, Ли Ксианкван, Ху Гуовен, Занг Ксикин, Ксу Тианруи Детонатор без первичного взрывчатого вещества // Патент СССР №1521291 от 07.11.1989.

4. ТУ 84-775-78. Капсюль-детонатор КД-Н-13. Технические условия: Утв. п/я А-1317, 1978. - 25 с. АО «НПП «Краснознаменец, инв. №9050.

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

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

Изобретение относится к средствам инициирования, предназначенным для возбуждения детонации зарядов взрывчатых веществ. Капсюль-детонатор накольного действия включает оболочку, в которую запрессованы накольный состав, инициирующий и боевой заряды. В качестве накольного состава используется состав, состоящий из кремния 45±1,5 % и свинцового сурика 55±1,5 %, гранулированный на воде. В качестве инициирующего заряда - взрывчатое вещество НКТ - перхлорат (5-нитротетразолато-N²) пентаминкобальта (III). Накольный состав запрессован в оболочку при давлении более 400 МПа, инициирующий заряд - при давлении от 25 до 50 МПа, высота запрессовки накольного состава составляет не менее 2 мм, высота инициирующего заряда - не менее 3 мм. В боевом заряде используются взрывчатое вещество НКТ - перхлорат (5-нитротетразолато-N²) пентаминкобальта (III) или бризантные взрывчатые вещества, например октоген, гексоген, гексанитростильбен. При изготовлении накольного состава ультразвуковую обработку ведут в легколетучем растворителе ацетоне в кавитационном режиме при температуре, составляющей не более 70% от температуры кипения легколетучего растворителя. Сначала производят ультразвуковую обработку порошка кремния в течение времени, составляющего не менее 10 минут. Затем добавляют в полученную суспензию порошок свинцового сурика и производят диспергирование и смешение кремния и свинцового сурика ультразвуковой обработкой в течение 10-15 минут с постепенным уменьшением мощности ультразвука. Изобретение направлено на повышение безопасности капсюль-детонатора, морозо- и термостойкости, снижение чувствительности к наколу. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Капсюль-детонатор накольного действия, включающий оболочку, в которую запрессованы накольный состав, инициирующий и боевой заряды, отличающийся тем, что в качестве накольного состава используется состав, состоящий из кремния 45±1,5 % и свинцового сурика 55±1,5 %, гранулированный на воде, а в качестве инициирующего заряда - взрывчатое вещество НКТ - перхлорат (5-нитротетразолато-N²) пентаминкобальта (III).

2. Капсюль-детонатор накольного действия по п. 1, отличающийся тем, что накольный состав запрессован в оболочку при давлении более 400 МПа, инициирующий заряд - при давлении от 25 до 50 МПа, высота запрессовки накольного состава составляет не менее 2 мм, высота инициирующего заряда - не менее 3 мм.

3. Капсюль-детонатор накольного действия по п. 1, отличающийся тем, что в боевом заряде используются взрывчатое вещество НКТ - перхлорат (5-нитротетразолато-N²) пентаминкобальта (III) или бризантные взрывчатые вещества, например октоген, гексоген, гексанитростильбен.

4. Способ изготовления накольного состава с использованием ультразвуковой обработки, отличающийся тем, что при изготовлении накольного состава по п. 1 ультразвуковую обработку ведут в легколетучем растворителе ацетоне в кавитационном режиме при температуре, составляющей не более 70% от температуры кипения легколетучего растворителя, причем сначала производят ультразвуковую обработку порошка кремния в течение времени, составляющего не менее 10 минут, затем добавляют в полученную суспензию порошок свинцового сурика и производят диспергирование и смешение кремния и свинцового сурика ультразвуковой обработкой в течение 10-15 минут с постепенным уменьшением мощности ультразвука.