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Zünder für Sprengschnüre
Die Erfindung betrifft Zünder für Sprengschnüre, u. zw. insbesondere Sicherheitszündkapseln, die in Erdölbohrungen benutzt werden, um Sprengschnüre zur Explosion zu bringen, die vornehmlich mit Hohlladungen zusammenwirken.
Man weiss, dass die Handhabung von Zündern für Sprengschnüre eine verhältnismässig gefährliche Angelegenheit darstellt, besonders mit Rücksicht auf die grosse Stossempfindlichkeit der verschiedenen, üblicherweise benutzten Zünder.
Für den Aufbau solcher Zünder wird nämlich eine gewisse Menge primärer Sprengstoffe verwendet, deren fundamentale Eigenschaft darin besteht, mit Sicherheit unter der Einwirkung eines Schlagesoder einer Flamme zu detonieren, u. zw. unabhängig von der jeweils vorhandenen Sprengstoffmenge.
Aus diesem Grund gehören Zünder oder Sprengkapseln dieser Art gemäss den Luftverkehrsvorschriften nicht unter die für den Transport mit Flugzeugen zugelassenen Waren. Nun bringt aber die Ausbeutung der Erdölbohrungen grosse Materialverschiebungen mit sich, und es besteht deshalb ein ausgesprochenes Bedürfnis, über Zünder für Sprengschnüre verfügen zu können, die vornehmlich gegenüber Stössen eine totale Sicherheit bieten und mithin den Lufttransport zulassen würden. Diese Sicherheit würde selbstverständlich auch von den Technikern bei der praktischen Ausführung der Arbeiten geschätzt.
Man weiss gleichfalls, dass daneben eine andere Kategorie von Spreng- bzw. Explosivstoffen existiert, u. zw. die als sekundäre Sprengstoffe bezeichnete Art. Es sind dies Sprengstoffe, die durchaus ebenso grosser Wirkung wie diejenige primärer Sprengstoffe, die sich diesen gegenüber aber grundsätzlich durch ihre praktisch vollständige Unempfindlichkeit gegenüber Stössen unterscheiden sowie durch die Tatsache, dass sie-um unter der Einwirkung einer Flamme detonieren zu können - in einer verhältnismässig bedeutenden Menge und unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen vorliegen müssen.
In der Praxis werden sie aber nie unter solchen Bedingungen benutzt, und die einzige Art des Einsatzes von sekundären Sprengstoffen besteht in der Verwendung einer Zündkapsel, die einen primären Sprengstoff enthält, welcher mit Hilfe eines Schlages oder einer Flamme zur Detonation gebracht wird. Immerhin haben aber berühmte Unfälle gezeigt, dass unter der Einwirkung einer Flamme dieselben Sprengstoffe vorerst langsam, dann rasch verbrennen und schliesslich detonieren können.
Sekundäre Sprengstoffe werden nach ihrer Empfindlichkeit klassiert, was eine im wesentlichen qualitative Grösse ist, weiter aber auch-und in derselben Reihenfolge - in ungefährer Funktion ihrer"Reak- tionslänge, u. zw. insbesondere im Anschluss an die Arbeiten von JONES, über die im Buch von M. A. COOK berichtet wird, das in den USA im Jahre 1958 von der Reinhold Publishing Corporation herausgegeben wurde, s. insbesondere Seiten 123 und 124 und Tabelle 7,3 auf S. 147. Nach diesen Arbeiten ist die
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schiedene Sprengstoffe bekannt ; sie wurde mit Hilfe der ultraschnellen Photographie und elektrischer Mittel gemessen. Man weiss so, dass das Hexogen eine "Reaktionslänge" von 1 mm hat, während T. N. T. in groben Körnern eine Reaktionslänge von 15 mm aufweist.
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Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung von Zündern für Sprengschnüre, die keine gegenüber Stössen oder Schlägen empfindliche primäre Sprengstoffe aufweisen, sondern einzig einen gegenüber Stössen oder Schlägen unempfindlichen sekundären Sprengstoff.
Der erfindungsgemässe Sicherheitszünder, versehen mit einer elektrischen Zündvorrichtung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zündvorrichtung ausschliesslich mit einem sekundären Sprengstoff grosser Sensibilität, u. zw. mit einer"Reaktionslänge"von weniger als 3 mm zusammengeschlossen ist, welcher in einem Behälter untergebracht ist, der einen Innendurchmesser von mindestens 8 mm und eine Länge von mindestens 37 mm aufweist, sowie eine Wandstärke von mindestens 2 - 3, 5 mm, um bei der Zündung Druck- und Grössenverhältnisse zu schaffen, die über ein zunächst langsames Anbrennen schliesslich eine Explosion bewirken.
Die Erfindung betrifft ferner Einzelheiten an einem solchen Zünder.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Anordnung erhält man einen geschlossenen Raum minimaler Abmessungen, um die Transformation der Verbrennung eines sekundären Sprengstoffes in eine Detonation zu gewährleisten. Es lässt sich so ein Sicherheitszünder verwirklichen, der gegen Stösse unempfindlich ist, u. zw. durch ausgeklügeltes Ausnutzen einer Erscheinung, die allgemein als eine Gefahr betrachtet wird, gegenüber welcher man Vorkehrungen zu treffen hatte.
Gemäss einer besonderen Ausführungsform der Erfindung liegt der Sprengstoff in Körnern vor, die mit Hilfe von zwei Sieben mit Maschenweiten zwischen 300 und 150 ausgewählt wurden ; darüber hinaus wird vorteilhaft dafür gesorgt, dass der Sprengstoff im Bereich der Zündvorrichtung den pulverförmigen Zustand bewahrt. Es wird damit erreicht, dass die von der Zündvorrichtung ausgehende Flamme auf angemessene Weise in die Sprengstoffmasse eindringt, was ein sicheres Funktionieren gewährleistet.
Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale und Vorteile sind nachstehend an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. l im Massstab 2 : 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Zündkapsel, die mit einer
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Fig. 2 im Massstab 1, 5 : 1 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen Zünders. bei dem die Übertragungsmasse aus einer entflammbaren aluminothermischen Pulvermi- schung gebildet ist.
Gemäss Fig. 1 ist ein Stahlrohr 10 von 3 mm Wandstärke, 37 mm Länge und 8 mm Durchmesser an seinem Ende 12 mit Hilfe eines dünnen Deckels 14 und an seinem Ende 16 mit dem konischen Einsatz 18 verschlossen. Die Endpartie 12 ist bei 22 mit verminderter Wandstärke ausgebildet und durch Aufschrumpfen mit einem hohlen metallischen Ansatz 24 verbunden, der an seinem Oberteil eine runde Ausnehmung 26 aufweist, in welchen der Isolierwulst 28 einer Zündnadel der Art eingesetzt ist, wie sie in der franz. Patentschrift Nr. 985. 092-angemeldet am 19. Feber 1949 durch Herrn Marcel Schlumberger - beschrieben ist. Der Kanal 30 im Ansatz 24 ist von der mit Schwarzpulver gefüllten Nadel 32 durchsetzt.
Ein elektrischer Widerstandsdraht ist durch den Isolierwulst 28 hindurch mit einem Leiter 36 verbunden, während sein anderes Ende bei 38 an die leitende Wand der Nadel 32 angeschlossen ist. Der am Umfang des Ansatzes 24 befestigte Leiter 37 dient zusammen mit dem Deckel 24, der in Kontakt mit der metallischen Wand der Nadel 32 steht, zum Vervollständigen des Heizstromkreises für den Widerstandsdraht 34.
Das untere Ende 40 der Nadel 32 durchstösst den Deckel 14. Das Innere 42 des Rohres 10 ist mit Pentrit gefüllt, das unter geringer Belastung (einige 100 kg) in einem vom Ende 16 zum Ende 12 verlaufenden Sinn komprimiert wurde. Die Körnung des Sprengstoffes wird bestimmt durch die Sichtung mit Hilfe von zwei Sieben mit Maschenweiten von 300 bzw. 150 11 ,Die untere Partie 16 des Rohres 10 ist mit verdünnter Wandstärke ausgebildet. Auf dieser Partie 44 sitzt ein zylindrischer Ansatz 46, in dem innerhalb eines Sitzes 47 eine Nylonschraube 48 in axialer Richtung eingesetzt ist. Anderseits ist dieser Ansatz 46 quer durch eine Öffnung 50 durchstossen, in die eine Sprengschnur 52 eingeführt und zwischen der Basis des Ansatzes 46 und der Schraube 48 eingeklemmt ist.
Wird zwischen die Enden der Leiter 36 und 37 eine angemessene elektrische Spannung angelegt, erhitzt sich der Widerstandsdraht 34, womit sich das Schwarzpulver entzündet und eine Flamme ziemlich tief in das Pentrit durchschlägt, das sich in pulverförmigem Zustand in der Nachbarschaft der Zündnadel 32 befindet. Diese Flamme bewirkt vorerst ein Verbrennen des Pentrits. Weil aber die Wände des Rohres 10 eine beträchtliche Dicke aufweisen, ist eine angemessene Abschliessung sichergestellt und im Mass, wie die Verbrennung innerhalb des Rohres 10 fortschreitet, wandelt sie sich zunehmend in ein schnelles Abbrennen und dann in eine Detonation, die dann eintritt, wenn sich geeignete Temperatur-
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und Druckbedingungen vereinigen.
Es wurden systematische Messungen mit einer Zündkapsel ausgeführt, die eine ähnliche Ausbildung aufwies wie die in Fig. l dargestellte Anordnung. Unter Verwendung von verschiedenen, besonders empfindlichen Sprengstoffen, d. h. solchen mit"Reaktionszonenlängen"unterhalb 3 mm, wie z. B. Pentrit, Hexogen und Tetryl, sowie unter Variieren des Durchmessers des jeweils benutzten Rohres 10 wurde experimentell der kritische Durchmesserwert-im wesentlichen etwa 8 mm-bestimmt, unterhalb dessen eine Detonationserscheinung sich schlecht produzierte. Hieraufwurde fortschreitend die Länge des Röhr- chens 10 soweit verkürzt, bis keine Detonation eintrat. Es wurde so die kritische Länge bestimmt, die im wesentlichen zu etwa 37 mm ermittelt wurde.
Selbstverständlich handelt es sich bei diesen Zahlen um
Grössenordnungen, die nur bis auf einige 10% genau sind, und man würde auch ein noch annehmbares
Funktionieren erhalten bei geringem Vermindern des Innendurchmessers des Rohres, während anderseits die
Länge vergrössert würde. In der Praxis bieten einzig Zünder geringer Abmessungen ein Interesse und ge- rade auf Grund ihrer durchaus annehmbaren Grösse lassen sich erfindungsgemässe Zünder vorteilhaft bei der
Erdölgewinnung benutzen.
Allerdingshat man auch danach getrachtet, sekundäre Sprengstoffe mittlerer Empfindlichkeit zu be- nutzen, u. zw. solche mit Reaktionszonenlängen oberhalb von 3 mm. Nach den mit Hexogen, Pentrit und
Tetryl erhaltenen günstigen Ergebnissen sind so jedoch ungünstige Resultate mit Hexyl, Tolit und Melinit erhalten worden, und dies selbst bei Verwendung von Rohren mit einem erheblich grösseren Durchmesser als 8 mm. Natürlich würden wahrscheinlich mit Rohren eines Durchmessers von mehreren Zentimetern und angemessener Wandstärke günstige Ergebnisse erhalten werden, doch bieten solche Zünder in Anbetracht ihrer grossen Abmessungen kein Interesse.
Es wurde weiter die Körnung und die Verdichtung verschiedener, mit Rücksicht auf ihr gutes Verhalten beibehaltener Explosivstoffe variiert. Bei Benutzung von zwei Sieben mit Maschenweiten oberhalb 300 p bzw. unterhalb 150/l zur Sichtung der Sprengstoffkörner nach ihrer Grösse wurde ein nicht vernachlässigbarer Prozentsatz von Versagern erhalten, während anderseits ein sicheres Funktionieren bei Ver- wendung von zwei Sieben mit Maschenweiten zwischen 300 und 150 u resultierte. Desgleichen wird bei Steigern der auf den Sprengstoff ausgeübten Verdichtungsdrücke über einige 100 kg hinaus verunmöglicht, dass die Flamme genügend in die Sprengstoffmasse eindringen kann, was ebenfalls Versager verursacht.
Unter der Wirkung der Detonation des den Raum 42 innerhalb des Rohres 10 ausfüllenden Pentrits wird bei einer Zünderausführung nach Fig. l der konische Einsatz bzw. Auskleidung 18 zusammenfallen und so unter Verbesserung der Arbeitsweise des Zünders ein mit gesteigerter Sicherheit erfolgendes Explodieren der Sprengschnur 52 herbeiführen. Ein derart gegen Stösse unempfindlicher Zünder kann mit Vorteil in abgedichteten, rückholbaren Perforiervorrichtungen benutzt werden, allerdings jedoch nur in Bohrlöchern geringer Tiefe, weil Pentrit nur bei Temperaturen unterhalb 1200C einwandfrei funktioniert. Zur Verwendung in grösserer Tiefe wird zweckmässig Hexogen benutzt, das Temperaturen bis 1800C zulässt.
Wie an und für sich bekannt, kann im Ansatz 24 auch eine Öffnung 25 vorgesehen sein. die den Kanal 30 des Zünders mit dem Innenraum der Perforiervorrichtung verbindet. Wenn dann ein unerwünschtes Eindringen von unter Druck stehenden und das Bohrloch ausfüllenden Flüssigkeiten in die abgedichtete Perforiervorrichtung stattfindet sollte, wird der Zünder überflutet und hiemit ein unerwünschtes Abfeuern verhindert.
Eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemässen Zünders ist in Fig. 2 veranschaulicht. Es ist ein Stahlrohr 54 vorhanden, dessen Wände eine Stärke von 3 mm aufweisen. Das Rohr enthält eine Kammer, mit Hexogen gefüllt, 42 wobei der Sprengstoff hinsichtlich Körnung und Verdichtung dem vorhergehenden Beispiel entspricht. Eine dünnwandige Hülle 56 ist mit einer aluminothermischen Mischung 58 gefüllt. Ein elektrischer Widerstand 60 ist vorhanden, der über Leiter 62 und 64 durch die Glasperlen 66 und 68 hindurch an eine äussere Stromquelle angeschlossen werden kann. Am Zünderkopf sind die Leiter 62 und 64 vom Isolierwulst 69 gehalten. Die Hülle 56 ist an einem Verschlussteil 70 befestigt, der sich auf einer Schulter 72 abstützt, die sich auf der Innenseite des Rohres 54 befindet.
Der Verschlussteil 70 ist durch Schweissung bei 74 mit der Innenseite der Wand 76 des Rohres 54 verbunden, das in diesem Bereich eine verkleinerte Wandstärke aufweist. Auf der Unterseite des von Hexogen ausgefüllten Raumes 42 befindet sich ein Boden 78 von ungefähr 1 mm Dicke. Jenseits des Bodens 78 endigt das Rohr 54 in einen hohlen Ansatz, dessen Aussen- fläche mit Rillen versehen ist, die zusammen mit dem elastischen Dichtungswulst 82 dazu dienen, das Ende einer Sprengschnur 84 in Berührung mit dem Boden 78 zu halten.
Einerseits weist das in der Hülle 56 enthaltene aluminothermische Pulver bemerkenswerte Sicherheitseigenschaften auf und anderseits gewährleistet der am Rohr 54 angeschweisste Verschlussteil zu-
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sammen mit den Glasperlen 66 und 68 eine totale Abdichtung gegenüber den die Bohrlöcher ausfüllenden und unter Druck stehenden Medien, insbesondere auch gegenüber Gasen. Unter diesen Verhältnissen lässt innerhalb eines dichten Behälters die Kombination einer mitaluminothermischer Pulvermischung gefüllten Hülle 56 und eines mit Hexogen gefüllten Rohres 42 von geeignetem Durchmesser und ge- eigneter Länge einen Sicherheitszünder verwirklichen, der unempfindlich ist gegenüber Stössen, und dar- über hinaus auch unempfindlich ist gegen statische Ladungen, parasitäre Ströme und unter Druck stehende heisse Gase.
Es sei ausdrücklich festgehalten, dass die Erfindung nicht auf die geschilderten Ausführungsformen beschränkt ist, die einzig als Beispiele wiedergegeben wurden, die aber vielmehr im Rahmen der Erfindung mannigfachen Abänderungen unterliegen können.
So kann - sowohl bei Benutzung einer Zündnadel wie einer Übertragungsmasse aus aluminothermischem Pulver - an Stelle von Hexogen oder Pentrit auch Tetryl benutzt werden. Wie Pentrit lässt aber auch Tetryl die Verwendung solcher Zünder nur bei Temperaturen unterhalb 1200C zu, was Bohrlöchern geringer Tiefe entspricht.
Es ist auch möglich, die Sprengstoffmasse auf andere Weise mit der Sprengschnur in Berührung zu bringen ; so können-beispielsweise zum Entzünden von explosiven Ladungen für das Deblockieren von Bohrstangen - die Enden verschiedener, solcher Ladungen bildender Sprengschnüre parallel um den Körper eines erfindungsgemässen Zünders zusammengefasst werden.
Weiter können an Stelle von Preys- odeur Schweissverbindungen auch andere Mittel zum gegenseitigen Befestigen der verschiedenen Elemente eines erfindungsgemässen Zünders verwendet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sicherheitszünder, versehen mit einer elektrischen Zündvorrichtung, dadurch gekenn- zeichnet, dass die elektrische Zündvorrichtung ausschliesslich mit einem sekundären Sprengstoff grosser Sensibilität, u. zw. mit einer"Reaktionslänge"von weniger als 3 mm zusammengeschlossen ist, welcher in einem Behälter untergebracht ist, der einen Innendurchmesser von mindestens 8 mm und eine Länge von mindestens 37 mm aufweist, sowie eine Wandstärke von mindestens 2 bis 3, 5 mm, um bei der
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lich eine Explosion bewirken.