Детонирующее устройство на основе бризантного взрывчатого вещества
Владельцы патента RU 2661923:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к детонирующим устройствам для взрывных головок кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах. Устройство включает стальной корпус, в котором последовательно размещены боек, капсюль-воспламенитель, метательный заряд, метаемая преграда и установленный во втулке детонатор. Капсюль–воспламенитель и метательный заряд выполнены из взрывчатого вещества, температура вспышки которого превышает не менее чем на 75°С температуру вспышки взрывчатого вещества детонатора. Расстояние L между капсюлем-воспламенителем и детонатором выбрано из условия L/∆с ≤ 7, где ∆с – суммарная толщина стенки стального корпуса и втулки в зоне размещения детонатора. Упрощается конструкция и повышается технологичность изготовления при обеспечении пожаровзрывобезопасности. 1 ил.
Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к детонирующим устройствам (ДУ) для прострелочно-взрывной аппаратуры (ПВА), и может быть использовано в конструкции взрывных головок кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах (НКТ).
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пожаровзрывобезопасного детонирующего устройства, срабатывающего с высокой надежностью, которое может быть использовано в различных конструкциях взрывных головок и боеприпасов.
Из предшествующего уровня техники известны конструкции ДУ, выполненные на основе бризантного взрывчатого вещества (ВВ), например детонирующее устройство механического взрывателя кумулятивного перфоратора, спускаемого в нефтяные и газовые скважины на НКТ (патент RU 2083948, 10.07.1997), в корпусе которого последовательно расположены цилиндрический боек, деформируемый металлический элемент в форме диска, капсюль-воспламенитель (КВ), передаточный заряд и детонатор. Передаточный заряд и КВ разделены осевым каналом, диаметр которого меньше диаметра бойка. Возбуждение взрыва в этом ДУ осуществляется механическим ударом по бойку, приводящим к сжатию навески ВВ в КД и выдавливанию ее в осевой канал малого диаметра, в результате чего ВВ взрывается и продукты взрыва зажигают приемный заряд, в котором на некотором расстоянии (преддетонационный участок) процесс горения в условиях замкнутого объема переходит в нормальную детонацию. Для обеспечения пожаровзрывобезопасности ДУ в его корпусе в зоне расположения передаточного заряда выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом, имеющим температуру плавления ниже температуры вспышки используемого бризантного ВВ и превышающую при этом максимальную рабочую температуру взрывной головки. В условиях пожара при повышении температуры среды легкоплавкий сплав вытекает из отверстий и газообразные продукты воспламенившегося заряда ВВ получают возможность беспрепятственно стравливаться в атмосферу, что приводит к снижению давления внутри корпуса ДУ и исключению вследствие этого возможности перехода горения ВВ в детонацию.
Также известна конструкция ДУ (патент RU 2153147, 20.07.2000), включающего корпус с последовательно установленными в нем бойком, КВ, газогенерирующим метательным зарядом, метаемой преградой и приемным зарядом (детонатором). Метательный заряд и КВ разделены осевым каналом, диаметр которого в несколько раз меньше диаметра бойка, а приемный заряд, расположенный во втулке, отделен от метаемой преграды каналом, диаметр которого превышает критический диаметр детонации ВВ приемного заряда. КВ и метательный заряд могут быть выполнены полностью или частично из пиротехнического состава. При механическом ударе по бойку навеска ВВ в КВ претерпевает сжатие, разрушение и взрыв. Далее струя продуктов взрыва через осевой канал малого диаметра зажигает метательный заряд, под действием давления газообразных продуктов горения которого метаемая преграда срезается и разгоняется в канале втулки до скорости, при которой в приемном заряде генерируется ударная волна, вызывающая его детонацию. Для обеспечения пожаровзрывобезопасности данного ДУ в его корпусе в зоне расположения метательного заряда выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом. При повышении температуры в условиях пожара отверстия освобождаются от легкоплавких вставок и газообразные продукты горения метательного заряда выходят в атмосферу, что устраняет возможность среза и разгона метаемой преграды.
Однако наличие в корпусе ДУ отверстий, заполненных малопрочным легкоплавким сплавом, при штатном приведении в действие ДУ во взрывной головке может привести к его отказу из-за преждевременного выдавливания легкоплавкого сплава из этих отверстий.
Такой же недостаток имеет место в другом известном из уровня техники ДУ, срабатывающего от заданного механического усилия (патент RU 2225584, 10.03.2004), которое также состоит из стального корпуса, в котором последовательно размещены боек, капсюль-воспламенитель, метательный заряд, метаемая преграда и установленный во втулке детонатор. Метаемая преграда от детонатора отделена каналом и выполнена ступенчатой, при этом часть ее, с меньшей площадью поперечного сечения, размещена в канале. Толщина части метаемой преграды, которая размещена в канале, превышает толщину той части, которая размещена вне канала, в 1,5ч4,0 раза.
Для обеспечения надежного срабатывания вышеописанных аналогичных ДУ в конструкцию взрывной головки вводят прочную металлическую втулку, в которую помещают ДУ (патент RU 2274734, 20.04.2006). Наличие втулки устраняет возможность выдавливания легкоплавких вставок. При этом с целью обеспечения пожаровзрывобезопасности взрывной головки на дневной поверхности установку ДУ в вышеуказанную втулку производят только в скважине на безопасной глубине. Конструкция ДУ на основе бризантного ВВ по патенту RU 2274734 выбрана в качестве ближайшего аналога заявляемого устройства по решаемой задаче и количеству сходных признаков. ДУ включает в себя корпус, в котором последовательно размещены: боек, выполненный из закаленной или из отожженной стали, КВ, метательный заряд, метаемая преграда и установленный во втулке детонатор. В корпусе ДУ выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом, температура плавления которого ниже температуры вспышки бризантного ВВ детонатора, при этом ДУ дополнительно снабжено прочной металлической втулкой, в которой оно установлено утопленным таким образом, что радиальные отверстия, выполненные в его корпусе, размещены вне металлической втулки. Корпус ДУ скреплен с корпусом поджатого пружиной ударного механизма, находящегося относительно втулки в положении, при котором легкоплавкий сплав, расположенный в радиальных отверстиях корпуса ДУ, при повышении температуры в условиях пожара может беспрепятственно вытекать в окружающий эти отверстия свободный объем. При спуске кумулятивного перфоратора в скважину и возрастании давления окружающей среды (скважинная жидкость) ударный механизм, преодолевая усилие пружины, перемещается вместе с ДУ вдоль оси взрывной головки и на определенной безопасной глубине фиксируется в таком положении, при котором отверстия с легкоплавким сплавом перекрываются прочной металлической втулкой, расположенной в переходнике взрывной головки, что исключает возможность выдавливания легкоплавкого сплава из радиальных отверстий корпуса ДУ при штатном приведении его в действие в скважине на рабочих глубинах.
Из всего этого следует, что обеспечение пожаровзрывобезопасности сопровождается усложнением как конструкции ДУ, так и конструкции взрывной головки, что приводит, в свою очередь, к усложнению технологии и повышению вследствие этого стоимости их изготовления.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции ДУ и повышение за счет этого технологичности его изготовления при обеспечении надежности срабатывания и пожаровзрывобезопасности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в ДУ на основе бризантного ВВ, состоящем из стального корпуса, в котором последовательно размещены боек, КВ, метательный заряд, метаемая преграда и установленный во втулке детонатор, новым является то, что КВ и метательный заряд выполнены из вещества, температура вспышки которого превышает не менее чем на 75°С температуру вспышки ВВ детонатора, а расстояние L между КВ и детонатором выбрано из условия L/∆с ≤ 7, где ∆с – суммарная толщина стенки стального корпуса и втулки в зоне размещения детонатора.
Выполнение метательного заряда и КВ из вещества, температура вспышки которого превышает не менее чем на 75°С температуру вспышки ВВ детонатора, при соблюдении условия L/∆с ≤ 7, позволяет обеспечить пожаровзрывобезопасность и требуемую вероятность безотказного срабатывания ДУ без усложнения конструкции (отпадает необходимость выполнения отверстий в корпусе ДУ и заполнения их легкоплавким сплавом) и без применения дополнительных предохранительных устройств во взрывной головке.
Минимально возможная разница в температурах вспышки и наибольшее значение L/∆с выбраны расчетно-экспериментальным путем из условия гарантированного воспламенения, в первую очередь, ВВ детонатора при любом направлении теплового воздействия на конструкцию ДУ. Если разница между температурами вспышки будет меньше 75°С или значение L/∆с больше 7, то при воздействии теплового потока на торец ДУ со стороны КВ из-за градиента температуры, реализующегося при этом по оси корпуса ДУ, вначале может произойти воспламенение КВ и метательного заряда, что в этом случае уже не исключает возможности срабатывания ДУ в штатном режиме.
Т.к. ВВ с большими значениями температуры вспышки обладают, как правило, пониженной чувствительностью к механическому удару, то для того чтобы вероятность безотказного приведения в действие пожаровзрывобезопасного ДУ оставалась на требуемом уровне, в КВ может быть использован пиротехнический состав, отличающийся от известных термостойких бризантных ВВ значительно более высокой температурой вспышки и имеющий в то же время достаточно высокую чувствительность к механическим воздействиям.
На фиг. 1 схематично изображен общий вид одного из вариантов выполнения заявляемого устройства, где:
1 – корпус МДУ;
2 – боек;
3 – КВ;
4 – газогенерирующий метательный заряд;
5 – метаемая преграда;
6 – втулка;
7 – детонатор.
Примером конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить механическое детонирующее устройство (МДУ) взрывной головки кумулятивного перфоратора, спускаемого в нефтяные и газовые скважины на НКТ. МДУ состоит из стального корпуса 1 диаметром 17 мм, в котором последовательно размещены стальной цилиндрический боек 2 диаметром 3 мм, КВ 3, газогенерирующий метательный заряд 4 диаметром 6 мм и метаемая преграда 5 в виде двухступенчатого металлического диска толщиной 1 и 2 мм, поджатая завинченной в корпус 1 втулкой 6 с детонатором 7, выполненным диаметром 6 мм. Метательный заряд и КВ отделены каналом диаметром 0,6 мм. Метательный заряд и КВ выполнены из октанита, имеющего температуру вспышки 414°С (см. «Справочник по взрывчатым веществам, порохам и пиротехническим составам». Издание 6. Москва, 2012), а детонатор 7 – из октогена, температура вспышки которого равна 335°С (см. «Прострелочно-взрывная аппаратура». Справочник под редакцией Л.Я. Фридляндера – 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Недра, 1990). Расстояние между КВ 3 и детонатором 7 составляет 35 мм. Суммарная толщина стенки корпуса и втулки в зоне размещения детонатора составляет 5,5 мм.
Срабатывание МДУ, представленного на фиг.1, происходит следующим образом. При механическом ударе по бойку 2 ВВ в КВ 3 взрывается и струя продуктов взрыва через осевой канал малого диаметра зажигает газогенерирующий метательный заряд 4, под действием давления газообразных продуктов горения которого часть преграды 5 толщиной 1 мм, размещенной вне канала, срезается и остальная часть, имеющая толщину 2 мм, разгоняется в канале диаметром 4 мм втулки 6 до скорости, при которой в ВВ детонатора 7 генерируется ударная волна, вызывающая его детонацию.
В условиях пожара, независимо от направления действующего на МДУ теплового потока, вначале происходит воспламенение и сгорание ВВ детонатора 7, а последующее воспламенение КВ 3 и метательного газогенерирующего заряда 4 уже не способно вызвать срабатывание МДУ в силу отсутствия в нем на этот момент детонатора 7.
Пожаровзрывобезопасность и работоспособность МДУ, выполненного по приведённой на фиг. 1 схеме, подтверждена экспериментально в лабораторных условиях. При этом конструкция МДУ, по сравнению с ближайшим аналогом, проще и более технологична.
Детонирующее устройство на основе бризантного взрывчатого вещества, состоящее из стального корпуса, в котором последовательно размещены боек, капсюль-воспламенитель, метательный заряд, метаемая преграда и установленный во втулке детонатор, отличающийся тем, что капсюль–воспламенитель и метательный заряд выполнены из вещества, температура вспышки которого превышает не менее чем на 75°С температуру вспышки взрывчатого вещества детонатора, а расстояние L между капсюлем-воспламенителем и детонатором выбрано из условия L/∆с ≤ 7, где ∆с – суммарная толщина стенки стального корпуса и втулки в зоне размещения детонатора.
