NO328843B1 - Foring for rettet ladning og rettet ladning som omfatter sadan foring - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår området ekspiosivladninger, og nærmere bestemt en foring for rettede ladninger og en rettet ladning med en slik foring. En foring for en rettet ladning som har de trekk som er angitt i innledningen til det vedføyde patentkrav 1 er kjent fra publikasjonen EP 0 160 118 A.

Rettede ladninger omfatter et hus, en mengde av høyeksplosiv slik som RDX og en foring som er innsatt i høyeksplosivet. I olje- og gassindustriene er foringen ofte gitt konisk form ved komprimering av pulvermetall, men andre former kan også være effektive. I de fleste tilfeller lages imidlertid foringer av smidde metaller og legeringer med forskjellige metoder i forskjellige former og dimensjoner. Når høyeksplosivet detoneres vil kraften fra detonasjonen få foringen til å bryte sammen og drives ut fra en ende av ladningen med høy hastighet, i form av en lang strøm av materialer, en "stråle". Denne strålen av materiale kan benyttes for å penetrere en målgjenstand.

Rettede ladninger benyttes for flere militære og kommersielle formål. F.eks. i olje-industrien benyttes rettede ladninger, kalt perforatører, for å penetrere oljebrønnforinger og det omgivende hydrokarbonholdige fjellet.

Mye forskning har blitt utført på stridshoder med rettede ladninger, og designere tilstreber å oppnå den høyeste effektivitet for stridshodet/perforatoren som er forenlig med anvendelsesbegrensningene og perforeringskravene.

Ved mange anvendelser er det ønskelig at strålen penetrerer målmaterialet til så stor dybde som mulig. En metode som er kjent for å øke penetreringsdybden er å øke mengden av eksplosiv inne i hylsteret med den rettede ladningen. En ulempe med denne metoden er imidlertid at noe av energien som frigjøres ved detonasjonen spres i andre retninger enn stråleretningen. Når det gjelder anvendelse i oljebrønner kan dette føre til skade på brønnboringen og tilhørende utstyr, hvilket er uønsket.

En annen metode for å maksimere penetreringsdybden er å optimalisere hele utforming-en av stridshodet/perforatoren, inkludert metoden for initiering og formen til foringen. Selv om dette gjøres er imidlertid mengden av energi som overføres til foringen nødvendigvis begrenset av geometrien og mengden av eksplosiv.

En annen metode for å maksimere penetreringsdybden er å endre foringsmaterialet som benyttes for foringen til den rettede ladningen. Tidligere har foringer for rettede ladning er typisk primært bestått av smidd kobber, men det er kjent på området at andre materialer oppviser fordeler ved visse anvendelser. F.eks. for oljebrønnperforatorer benyttes ubehandlede, komprimerte foringer som omfatter en forholdsvis høy andel av wolframpulver i kombinasjon med myke metalliske og ikke-metalliske bindemidler. US-PS 5 656 791 og 5 567 906 beskriver foringer for rettede ladninger som har en sammensetning med opptil 90% wolfram. Slike foringer bevirker forbedrede penetreringsdybder i forhold til tradisjonelle foringssammensetninger, men har ulempen med å være sprø.

Det er derfor et formål med den foreliggende oppfinnelse å komme frem til et foringsmateriale for en rettet ladning som gir øket penetreringsdybde og som også minsker noen av de nevnte problemer med kjente wolframforsterkede foringer.

Oppfinnelsen angår således en foring for en rettet ladning med en sammensetning som omfatter mer enn 90 vekt% wolframpulver og opptil 10 vekt% pulverformet bindemiddel, og hvor sammensetningen formes til et hovedsakelig konisk utformet hus, idet foringen har som særtrekk at sammensetningen har en krystallstruktur med hovedsakelig likeaksede korn med en kornstørrelse på mellom 25 nanometer og 1 pm.

Det er velkjent at penetreringsdybde er proporsjonal med strålelengde x (densitetsforhold for f6ringsmaterial)<1/2>. Derfor vil økning av densiteten til foringsmaterialet øke penetreringsdybden til strålen. Wolfram har høy densitet, og ved å benytte en foring som omfatter mer enn 90 vekt% wolfram forbedres penetreringsdyben i forhold til kjente foringer, særlig i olje- og gassindustrien.

Strålelengden påvirker imidlertid også penetreringsdybden. For å oppnå en lang stråle må foringen være slik utformet at strålen har en lang oppbrytningstid. En analyse av dynamikken for en stråle fra en foring i en rettet ladning basert på Zerilli-Armstrong-materialalgoritme (Ramachandran V, Zerilli F J, Armstrong R W, 120th TMS Annual Meeting on Recenet Advances in Tungsten and Tungsten Alloys, New Orleans, LA, USA, 17.-21. februar 1991) og Goldthorpe's metode for bestemmelse av tøynings-ustabilitet (19. International Ballistics Symposium, 3. - 7. mai 2001, Sveits) ble benyttet av oppfinnerne, og denne analysen indikerer at oppbrytningstiden for strålen er omvendt proporsjonal med den plastiske partikkelhastigheten. Den plastiske partikkelhastigheten er i en monoton funksjon av kornstørrelsen til foringsmaterialet. Derfor vil en liten korn-størrelse øke oppbrytningstiden for strålen og følgelig bevirke større penetreringsdybder. Ved å benytte kornstørrelser mindre enn i området 1 um eller mindre er det funnet at penetreringsevnen til wolframforingen forbedres vesentlig. Uttrykket "kortstørrelse" som benyttes her betyr den gjennomsnittlige korndiameteren bestemt ved bruk av ASTM Designation: E112 Intercept- (eller Heyn)-prosedyre.

Videre, dersom komstørrelsen til en foring med høyt innhold av wolfram er mindre enn 1 pm , har strålen som dannes egenskaper som i det minste er sammenlignbare med hva som oppnås med en foring av utarmet uran. Wolfram er derfor ett av de få enkelt tilgjengelige materialer som kan danne et seriøst alternativ til utarmet uran.

Forholdet angitt ovenfor mellom kornstørrelse og oppbrytningstid for strålen gjelder ned til kornstørrelser i området 25 nanometer. Under denne nedre grensen endres de mikrostrukturene egenskaper til materialet. Under kornstørrelser på 25 nm reguleres deformasjonsmekanismen av egenskapene til korngrensene ved den lille vinkel og den store vinkel. Over 25 nm er deformasjonsprosessen forskyvningsregulert, og også energilagringssystemet inne i mikrostrukturen er mindre effektivt enn ved mindre kornstørrelser. Forskjellene i de mikrostrukturene deformasjonsmekanismer medfører forskjellig mikrostruktur, som til slutt regulerer de fysiske egenskaper til materialet. Denne mekaniske egenskapsoppførselen til mikrostrukturen er også uavhengig av prosessen som ble benyttet for å frembringe namomaterialene.

Ved kornstørrelser mindre enn 100 nanometer blir wolfram stadig mer attraktivt som foringsmateriale for rettet ladning, på grunn av den økede dynamiske plastisitet. Materialer som det henvises til her med kornstørrelser mindre enn 100 nanometer er definert til å være nano-krystallinske materialer.

Foringen kan formes enten ved å presse sammensetningen for å danne et kompakt emne eller ved sintring av sammensetningen. Når det gjelder pressing for å danne en kompakt foring kan bindemiddelet være hvilket som helst pulvermetall eller ikke-metallisk materiale, men omfatter fortrinnsvis myke, tunge materialer slik som bly, tantal, molybden og grafitt. Hensiktsmessig kan wolframet belegges med bindemiddelmaterialet, som kan omfatte et metall slik som bly eller et ikke-metall slik som et polymermateriale.

Hensiktsmessig kan imidlertid foringen sintres for å oppnå en mere robust struktur. Passende bindemidler i dette tilfellet omfatter kobber, nikkel, jern, kobolt og andre, enten enkeltvis eller i kombinasjon.

Nano-krystallinsk wolfram kan oppnås via forskjellige prosesser, slik som kjemisk dampavsetning ved hvilken wolfram kan dannes ved reduksjon av heksafluoridgass med hydrogen, som fører til ultrafine wolframpulver.

Ultrafin wolfram kan også dannes fra gassfase ved hjelp av gasskondenseringsteknikker. Det er mange varianter av denne fysiske dampavsetnings-kondenseringsteknikken.

Ultrafine pulver omfattende nano-krystallinske partikler kan også produseres via en plasmabuereaktor, som beskrevet i PCT/GB01/00553 og WO 93/02787.

Oppfinnelsen skal nå beskrives ved hjelp av et eksempel og med henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser skjematisk en rettet ladning som har en kompakt foring i henhold til

oppfinnelsen, og

Fig. 2 viser en skjematisk fremstilling oppnådd med et mikrofoto, og viser

mikrostrukturen i en prøve fra et W-Cu-foringsmateriale.

Som vist i fig. 1 omfatter en rettet ladning med generelt konvensjonell utformning et sylindrisk hylster 1 av et metallisk materiale og en foring 2 i henhold til oppfinnelsen med konisk form og veggtykkelse på for eksempel 1 til 5% av foringsdiameteren, men denne kan være så mye som 10% i ekstreme tilfeller. Foringen 2 passer tett inn i en ende av det sylindriske hylsteret 1. Høyeksplosivmaterialet 3 befinner seg inne i rommet avgrenset av hylsteret og foringen.

Et passende utgangsmateriale for foringen kan omfatte en blanding av 90 vekt% nano-krystallinsk pulverwolfram og resten av 10 vekt% av nano-krystallinsk pulverbindemiddelmateriale. Bindemiddelmaterialet omfatter myke metaller slik som bly, tantal og molybden eller materialer slik som grafitt. Det nano-krystallinske pulvermaterialet kan oppnås via hvilken som helst av den ovenfor nevnte prosesser.

En metode for fremstilling av foringer er ved pressing av en viss mengde godt blandede pulver i en form utformet til å danne den ferdige foringen som en kompakt del. Under andre omstendigheter i henhold til dette patentet kan andre godt blandede pulver benyttes på nøyaktig den samme måten som beskrevet ovenfor, men det kompakte produktet har tilnærmet nettform som muliggjør at en eller annen slags sintrings- eller infiltreringsprosess kan finne sted. Fig. 2 viser mikrostrukturen i et W-Cu-foringsmateriale etter fremstillingen. Foringen er dannet av en blanding av 90 vekt% nano-krystallinsk wolframpulver og den øvrige andelen av 10 vekt% nano-krystallinsk pulverbindemiddelmateriale, i dette tilfellet kobber. Denne foringen er dannet ved sintring av sammensetningen. Fig. 2 er frembrakt fra et mikrofoto av overflaten til spesifikasjonen ved en forstørrelse på 100 ganger. Mikrostrukturen til foringen omfatter en grunnmasse av wolframkorn 10 (mørkegrå) på omtrent 5 - 10 pm og kobberkorn 20 (lysegrå). Dersom foringen hadde vært dannet som en kompakt del ville kornstørrelsen være vesentlig mindre, for eksempel 1 pm eller mindre.

Modifikasjoner av oppfinnelsen som særlig er beskrevet vil fremstå for fagfolk på området og skal anses for å ligge innen rammen av oppfinnelsen. For eksempel kan andre metoder for å fremstille en finkornet foring være egnet.

Claims (11)

1. Foring for en rettet ladning, formet til et hovedsakelig konisk element og med en sammensetning som omfatter mer enn 90 vekt% wolframpulver og opptil 10 vekt% av et bindemiddelpulver, karakterisert vedat sammensetningen har en krystallstruktur med hovedsakelig likeaksede korn som har en kornstørrelse på mellom 25 nanometer og 1 pm.

2. Foring som angitt i krav 1, i hvilken kornstørrelsen i sammensetningen er mellom 25 og 100 nanometer.

3. Foring som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilken foringssammensetningen er formet til en kompakt del ved komprimering.

4. Foring som angitt i krav 3, i hvilken bindemiddelet omfatter et nano-krystallinsk pulvermetall.

5. Foring som angitt i krav 4, i hvilken bindemiddelet er valgt fra gruppen bestående av bly, kobber, tantal, molybden og kombinasjoner av disse.

6. Foring som angitt i krav 3, i hvilken bindemiddelet omfatter et nano-krystallinsk ikke-metallisk pulver.

7. Foring som angitt i krav 6, i hvilken bindemiddelet er et polymerisk, ikke-metallisk materiale.

8. Foring som angitt i hvilket som helst av de foregående krav, i hvilket bindemiddelmaterialet dekker wolframet.

9. Foring som angitt i krav 1 eller 2, i hvilken foringssammensetningen er sintret.

10. Foring som angitt i krav 9, i hvilken bindemiddelet omfatter nano-krystallinsk, pulverformet kobber, nikkel, jern, kobolt og kombinasjoner av disse.

11. Rettet ladning som omfatter et hylster (1), en mengde høyeksplosiv (3) innsatt i hylsteret og en foring (2) i henhold til hvilket som helst av de foregående krav innsatt i hylsteret slik at høyeksplosivet befinner seg mellom foringen og hylsteret.