Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы взрыва. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 117 8 9 10 11 > Следующая >>>

преград такими зарядами, изготовленными в серийном производстве по обычным традиционным технологиям и с использованием традиционных КО и ВВ, не превышает 5-6 диаметров заряда. Вместе с тем, при повышении точности изготовления КЗ, выполнении всех требований по качеству материала КО и заряда ВВ, использовании перспективных ВВ и методов изготовления КЗ, отработке узлов инициирования и управления детонационным фронтом, вполне достижим уровень пробивного действия в 8-10 диаметров заряда. Наконец, оценочные расчеты для идеально точно изготовленного КЗ, предсказывают глубину пробития в стальной преграде на уровне 12 диаметров заряда.

Зависимость глубины пробития от точности изготовления отдельных деталей и сборки конструкции обусловлена тем, что технологические погрешности, появление которых неизбежно в условиях производства, непосредственно влияют на симметрию процесса обжатия КО при взрыве заряда ВВ и соответственно на симметрию формирования и движения кумулятивной струи.

Анализ закономерностей влияния технологических отклонений на пробивное действие КЗ позволяет выделить два основных механизма влияния их на поведение КС: искривление оси струи и раннее разрушение в осевом направлении. Искривленная КС обладает пониженной пробивной способностью, так как значительная часть ее кинетической энергии непродуктивно расходуется на расширение каверны за счет эффекта «намазывания» элементов струи на боковые стенки каверны. Раннее разрушение КС при осевом растяжении также приводит к снижению пробивной способности КЗ, прежде всего, за счет уменьшения общей длины КС.

Можно выделить основные технологические факторы, определяющие поведение КС и влияющие на ее пробивную способность:

1) разностенность (разнотолщинность) КО и корпуса;

2) разностенность и разноплотность заряда ВВ;

3) величина зерна материала кумулятивной облицовки;

4) несоосность КО с разрывным зарядом ВВ;

5) смешение инициирующего импульса и несоосность линзового

узла с КО и разрывным зарядом ВВ.

Получение количественных оценок влияния технологической наследственности на пробивное действие КЗ затруднено тем, что погрешности неоднозначно воздействуют на заряды различных

конструкций и даже на различные части одних и тех же деталей кумулятивного узла. Так, для зарядов с линзой и переменной толщиной облицовки, степень влияния разностенности КО сильная в ее вершинной части. Тогда как для безлинзового заряда с постоянной толщиной облицовки снижение пробивного действия из-за разностенности КО у основания КЗ значительно выше, чем у вершины облицовки. При этом влияние разностенности усиливается с увеличением толщины корпуса КЗ и уменьшением угла раствора конуса кумулятивной облицовки. Разностенность корпуса меньше влияет на пробивное действие КЗ, чем разностенность КО, и более сказывается в нижней части заряда, на хвостовых элементах кумулятивной струи.

Асимметрия детонационного фронта, определяется смещением точки инициирования, несоосностью линзы и разрывного заряда ВВ и разноплотностью ВВ в осевом направлении, сильнее сказывается для элементов КС, формируемых из верхней части кумулятивной облицовки. Разноплотность заряда ВВ в радиальном направлении сильнее проявляется в нижней части КЗ, где толщина слоя ВВ гораздо меньше, чем в верхней части заряда. Такую же тенденцию и по таким же причинам имеет и влияние несоосности КО с разрывным зарядом ВВ. Уменьшение размера зерна приводит к увеличению выхода массы металла КО в струю, росту предела текучести материала КС и, как правило, увеличению пробивной способности кумулятивного заряда.

В целом, технологический процесс изготовления каждой детали КЗ, в том числе и облицовки, необходимо совершенствовать таким образом, чтобы обеспечить выравнивание вкладов отдельных факторов в снижение пробивного действия. Для КЗ практически полное выравнивание отдельных факторов облицовки происходит при допустимой разности 0,015 мм и размера зерна меди на уровне 0,1 мм. Одновременно с этим указанные допуски обеспечивают выравнивание степени влияния на пробивную способность факторов облицовки и заряда ВВ, что также следует считать рациональным результатом.

4.3.5. Неидеальность детонационных процессов в кумулятивном заряде

Обычно принято связывать уменьшение пробития КЗ с их технологическим несовершенством. Однако и при высоком технологическом совершенстве заряда иногда наблюдается резкое уменьшение глубины пробития, что связывают с неидеальностью

детонационных процессов, особенно при слабом инициировании. К

Рис

I II

кромке линзы;

сходящейся к оси детонационной волны.

составляющим неидеальности детонационных процессов относят:

- затянутость перехода инициирующей ударной волны (ИУВ) в детонационную;

- приобретаемую продольно-поперечную неустойчивость детонационного фронта (ДФ);

- сохранение генерируемых особенностей структуры течения за ДФ на значительном расстоянии от места их возникновения;

- неидеальность процесса передачи отбора энергии продуктов взрыва облицовкой при неидеальном энерговыделении за фронтом ДВ.

Все перечисленные факторы особенно ярко проявляются при слабом инициировании, когда ИУВ сложным образом во времени и пространстве трансформируется в детонационную. В кумулятивном заряде с линзовым узлом можно выделить предполагаемые области зарождения и развития неидеальности (рис. 4.8).

. 4.8. Зоны КЗ, приводящие к асинхронности ДВ

– область детонатора;

– область дифракции ДВ на верхней

кромке линзы;

I – область дифракции ДВ на нижней

– залинзовая область взаимодействия

Область детонатора I является наиболее ответственной, качество инициирования заряда определяет развитие детонационного процесса. От того, насколько оно поступательно, зависит влияние на этот процесс дифракционных потерь. Если в зоне детонатора устанавливается стационарная детонация, т.е. обтекание линзы и переход через углы при толщине слоя ВВ, превышающего примерно в два раза критический диаметр детонации, не могут повлиять на параметры детонационного процесса. Области I и II оказывают существенное влияние, когда процесс детонации начинается, а ДВ еще не стационарная, или толщина слоя ВВ в окрестностях линзы близка к критической. Это отнюдь не означает, что ДВ затухает. Волна может потерять устойчивость в еще большей степени при дифракции на линзе и в конце концов, реализуется асимметричное течение, которое пагубно скажется на формировании кумулятивной струи.

С точки зрения влияния области II и III равнозначны, с той лишь разницей, что фронты их последовательны. Отсюда следует, что имеющиеся негативные процессы, усиливающие неидеальность, могут только нарастать, особенно это заметно для линз с прямым углом.

Область IV играет в этой связи неоднозначную роль. Дело в том, что, как правило, линзы КЗ являются невзрывопроводящими, и их толщина выбирается таким образом, чтобы непосредственно под линзой не возникла детонация. Однако это не значит, что свойства ВВ в этой области остаются исходными. Известное явление ударноволновой десенсибилизации приводит к тому, что чувствительность ВВ, расположенного под линзой, падает. Тогда, если ДВ стационарна, то это никак не сказывается на процессе, если же нет, то состояние предварительно сжатого ВВ может затруднить развитие детонации. Фактором, стабилизирующим детонационный процесс, может быть схождение ДВ к оси и непрерывный рост параметров. Не исключено, что в залинзовом объеме может образоваться маховское взаимодействие, которое еще более критично к симметрии и идеальности процесса.

4.4. Влияние условий применения на действие кумулятивных зарядов. Фокусное расстояние

кумулятивного заряда

Практика показывает, что глубина пробития преграды КС зависит от расстояния между КЗ и преградой. Применительно к зарядам, образующим металлическую кумулятивную струю, расстояние от КЗ до преграды, при котором достигается максимальная глубина пробития, называется фокусным расстоянием.

Фокусное расстояние зависит от конструкции КЗ, параметров облицовки и типа ВВ, точности изготовления КЗ, а также характеристик преграды, в частности, ее плотности.

Фокусное расстояние возрастает при увеличении угла раствора конической облицовки, повышении мощности заряда ВВ, увеличении плотности материала преграды и точности изготовления кумулятивного заряда. В процессе движения КС растягивается и при достижении определенного удлинения, разрушается на части.

Вследствие несовершенства технологии изготовления заряда кумулятивная струя не является идеальной и перемещается не строго по оси, а рассеивается в телесном угле, составляющем для кумулятивных зарядов 0,5-1,5

. После разрушения КС на элементы,

последние получают боковой импульс из-за определенной несимметричности КС, что, в свою очередь, приводит к увеличению углового рассеивания. При угловом рассеивании происходит взаимодействие КС со стенками сформированного кратера, с потерей пробивного действия. Такое явление называют «намазыванием», и оно существенно зависит от уровня технологии изготовления КЗ.

Для идеальных КЗ намазывание отсутствует. Чем больше допуски на изготовление кумулятивного заряда, тем сильнее проявляется эффект намазывания. В этом случае увеличивается число элементов КС, которые проникают в преграду несоосно, что приводит к уменьшению фокусного расстояния.

Чем точнее изготовлен кумулятивный заряд, тем больше у него фокусное расстояние. Если для обычных КЗ с коническими медными облицовками фокусное расстояние примерно (1-4)d, то для прецизионных зарядов оно достигает примерно (6-8)d [4.6]. Изменение фокусного расстояния во многом определяется процессом разрыва кумулятивной струи. Для высокоградиентных струй экспериментально установлена пропорциональность времени

существования монолитной струи (от момента образования и до разрыва на элементы) ее начальному диаметру. При этом головные части струи, имеющие меньший начальный диаметр, разрушаются раньше, чем хвостовые. Головные части струи до разрыва успевают пройти большее расстояние от торца заряда. На основе анализа процесса разрыва КС в зависимости от параметров облицовки и свойств ВВ можно объяснить причины изменения фокусного расстояния. При уменьшении угла раствора конуса уменьшается масса облицовки, переходящей в КС и, соответственно, уменьшаются диаметр струи и время ее разрыва. Глубина самой выемки возрастает при уменьшении угла раствора конуса облицовки, а струя, образованная таким высокими облицовками, разрушается на расстояниях от торца заряда, меньших, чем струя, образованная низкими облицовками, т.е. с большими значениями 2

Установлено, что на небольших расстояниях практически вся КС участвует в процессе проникания, при увеличении расстояния эффективность головных частей возрастает, и начинаются потери эффективности хвостовых частей струи. При дальнейшем увеличении расстояния F вклад головных частей достигает предела, и все большая доля хвостовых частей струи перестает участвовать в процессе углубления кратера. В результате, на расстояниях, меньших фокусного, не успевают реализовываться потенциальные возможности головных и средних частей струи, в на больших расстояниях потери хвостовых частей превалируют над вкладом головных.

Поскольку рассеяние кумулятивной струи связано с технологией изготовления и снаряжения, то прецизионные заряды испытывают меньшие потери хвостовых частей струи. С уменьшением плотности материала КС и увеличением ее толщины, при некотором уменьшении глубины пробития преграды, фокусное расстояние увеличивается, но в меньшей степени. При увеличении мощности заряда ВВ, для предотвращения превышения максимально допустимой скорости струи, как правило, применяют кумулятивные облицовки увеличенной толщины, что приводит к возрастанию диаметра струи и, соответственно, времени и расстояния, проходимого КС до разрушения. Если даже толщина облицовки сохраняется при изменении характеристик ВВ, то и в этом случае расстояние, соответствующее разрыву струи, увеличивается за счет увеличения скорости струи при сохранении ее диаметра и времени разрушения.

Эффективность действия КЗ во многом определяется условиями, в которых они функционируют. Широкое применение КЗ находят в отрасли скважинной добычи нефти в условиях жидкой среды и давления. Пробуренный до продуктивного пласта ствол скважины изолируется от других пластов, в том числе от водоносных пластов путем спуска в скважину, так называемой, эксплуатационной обсадной колонны. Затем пространство между колонной и стенкой скважины заливается цементным раствором, который после затвердевания образует цементный камень, прочно изолирующий пласты друг от друга. Для вскрытия, т.е. для выполнения отверстий в продуктивном пласте, используются кумулятивные перфораторы, в большинстве случаев, корпусные, внутри которых располагаются гирлянды кумулятивных зарядов, соединенных между собой детонирующим шнуром. В результате в корпусе перфоратора остается незначительное расстояние для размещения кумулятивного заряда, поэтому масса ВВ стандартного с конической облицовкой заряда составляет всего 22 г. При такой малой массе заряда для повышения его эффективности используются мощные ВВ из флегматизированного гексогена или октогена с наибольшей плотностью прессования, облицовка заряда изготавливается из смеси компонентов порошковой металлургии, корпус заряда состоит из толстой стали. Однако и при вышеуказанных усовершенствованиях кумулятивные заряды перфоратора имеют относительно малый диаметр входного отверстия, которое сужается в конце и не превышает 1 мм. В этом отношении представляют интерес кумулятивные заряды с двухслойной в форме сферического сегмента облицовкой из различных материалов [4.7,

4.8], при этом внутренний слой облицовки, обращенный к полости, выполнен из материала с меньшей удельной массой, например, из алюминия, а наружный слой, обращенный к шашке ВВ, выполнен из материала с большей удельной массой, например, из меди, причем отношение удельных масс внутреннего и наружного слоев облицовки выполнено равным 0,15-0,23.

При детонации заряда в сторону полости детонационная волна напрямую распространяется по области оси заряда с сегментной облицовкой полости. В результате этого центральные области облицовки приобретают наибольшие импульс и скорость, проходят большее расстояние, чем периферийные области облицовки. В результате центральная область облицовки существенно обгоняет периферийные области и облицовка выворачивается в

противоположную сторону направления своего движения, растягивается в области оси и образует рабочее тело-ударник.

Благодаря тому, что облицовка выполнена двухслойной из различных материалов, одновременно создаются два самостоятельных рабочих тела, движущихся друг за другом с различной скоростью.

Первое рабочее тело образуется из внутреннего слоя облицовки, выполненного из материала с меньшей удельной массой – алюминия, приобретает более высокую скорость. Благодаря этому этот слой сразу отрывается от наружного слоя, выполненного из материала с большей удельной массой – меди, и формируется в самостоятельное рабочее тело. Второе рабочее тело, выполненное из наружного слоя, имеет меньшую скорость и движется с некоторым отставанием от первого рабочего тела.

Первое рабочее тело пробивает опорный диск и резиновую прокладку в окне перфоратора, слой жидкости между перфоратором и обсадной колонной, стенку последней, слой цементного камня и некоторую часть породы.

Второе рабочее тело вслед за первым пробивает далее канал в горной породе. Первое рабочее тело, таким образом, не только преодолевает первоначальные преграды в скважине с образованием канала длиной до 2-3 внутренних диаметров облицовки (25 мм), но и обеспечивает для формирования второго рабочего тела дополнительное пространство, создающее большее оптимальное фокусное расстояние, с которым реализуется наибольшее пробивное действие. Результаты испытаний показали, что глубина пробития канала находится на уровне штатного заряда перфоратора, а средний диаметр образуемого канала достигает до 1,9 диаметра облицовки, мало изменяется по всей его глубине, находясь на уровне этих значений для стандартного заряда.

4.5. Влияние гидростатического давления и температуры на кумулятивный эффект

Влияние этих факторов особенно повышается в глубоких

нефтяных скважинах. Так, если в Поволжье при глубинах скважин 1500-2000 м температура в забое находится на уровне 35-40 Западной Сибири для скважины глубиной 2000-2500 м температура составляет 70-75 достигает 250

С, то в глубоких скважинах до 7 км температура

С, а давление до 150 МПа. В высокотемпературных, так

С, а в

называемых, термальных скважинах температуры могут достигать

250-330

С на глубине 2-3 км, что влияет на эффективность действия

зарядов перфоратора [4.9, 4.10].

Кумулятивные перфораторы могут находиться в скважине в условиях высокой температуры от нескольких часов до нескольких суток, в результате нагрева ВВ кумулятивного заряда в нем интенсивно протекают химические превращения, которые могут закончиться тепловым взрывом. Объективным критерием термостабильности зарядов ВВ является критическая температура Т самовоспламенения ВВ, разделяющая взрывной и невзрывной режимы химической реакции, и соответствующий ей индукции t ВВ до температуры Т течение времени t

и выдержать его при этой температуре в

, то произойдет тепловой взрыв.

Если нагреть

и.

На практике при отборе ВВ, пригодных для работы в условиях высокой температуры, вводят критерий – порог термостабильности. Этот критерий определяется максимальной температурой, которую может выдержать данный заряд ВВ без заметного изменения своих взрывчатых характеристик в течение определенного времени и в определенных условиях. Считается, что взрывчатые характеристики, в основном скорость детонации, не должны меняться более, чем на 5%. Так, например, термостойкое ВВ на основе октогена для кумулятивных перфораторов имеет порог термостабильности, равный

200

С, НТФА – 270оС и термол – 300оС [4.11].

Поскольку горные породы находятся под давлением, то это снижает глубину пробития L Основная часть уменьшения величин L 50 МПа. Величина L

снижается на 15-45%, а dк – примерно на 40%

, а также уменьшает диаметр канала dк.

и dк происходит до давлений

при увеличении давления до 150 МПа [4.9].

Литература к главе 4

4.1 Власов О. Е. Основы теории действия взрыва. – М.: Военно-

инж. академия им. Куйбышева, 1957.

4.2 Физика взрыва / Под ред. Л. П. Орленко. – Изд. 3-е,

переработанное, Т.2. – М: Физматлит, 2002. – С.196-205.

4.3 Взрывчатые вещества. Основные свойства. Технология

изготовления и переработки / Под ред. Л. В. Фомичевой. – Саров: РФЯЦ-ВНИИ, 2007. – С.217-221.

4.4 Физика взрыва / Под ред. Ф. А. Баума и др. – М.: Наука, 1975.

4.5 Тарасов В. А. и др. Влияние технологической наследствен-

ности на пробивное действие кумулятивных зарядов // Оборонная техника, 1995. - № 4. – С.54-59.

4.6 Патент РФ № 2250359, МПК Е 21 В 43/17, F 42 В 1/028. Заряд

перфоратора // Садыков И. Ф., Марсов А.А., Мокеев А.А. Заявлен

18.03.2003. Опубл. 20.04.2005. Бюл. № 11.

4.7 Патент РФ № 2391620, МПК Е 21 В 43/17, F 42 В 1/028. Заряд

перфоратора // Садыков И. Ф., Марсов А. А., Мокеев А. А. Заявлен

20.04.2009. Опубл. 10.06.2010. Бюл. № 16.

4.8 Прострелочные и взрывные работы в скважинах / Под ред. Н.

Г. Григорян и др. – М.: Недра, 1992.

4.9 Фридляндер Л. Я. Прострелочно-взрывная аппаратура и ее

применение в скважинах. – М.: Недра, 1985.

4.10 Баум Ф. А. и др. Термостойкие взрывчатые вещества и их

действия в глубоких скважинах. – М.: Недра, 1969. – 160с.

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 5 67 / 117 8 9 10 11 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]