RU2153147C1

RU2153147C1 - Detonating device of mechanical fuze

Info

Publication number: RU2153147C1
Application number: RU99117032A
Authority: RU
Inventors: А.В. Киселев; В.А. Зазнобин; С.Д. Руденко; В.А. Солдаткин; В.Н. Лобанов
Original assignee: Министерство по атомной энергии Российской Федерации
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2000-07-20

Abstract

FIELD: blasting, in particular, fuzes actuated by preset mechanical force, applicable in petroleum-extracting industry, in constructions of heads of jet perforators. SUBSTANCE: device has a body with a striker, primer cap, transfer charge and detonator successively arranged in it. The striker is made of material with a hardness not exceeding HB 270. EFFECT: enhanced safety in handling. 4 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области взрывных работ, в частности к взрывателям, срабатывающим от заданного механического усилия, и может быть использовано при разработке конструкции не содержащего инициирующих взрывчатых веществ (ВВ) детонирующего устройства (ДУ) для взрывной головки кумулятивного перфоратора, спускаемого в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах. The invention relates to the field of blasting, in particular to fuses that are triggered by a given mechanical force, and can be used to develop a design that does not contain initiating explosives (BB) of a detonating device (DU) for an explosive head of a cumulative perforator lowered into oil and gas wells on tubing.

ДУ на основе бризантных ВВ известны из патентов РФ N 2103661, МПК F 42 C 7/00 (Бюл. N 3, 1998) и N 2083948, МПК F 42 C 19/10 (Бюл. N 19, 1997). Последний выбран в качестве прототипа. Конструкция ДУ на основе бризантных ВВ представляет собой толстостенный корпус, в котором последовательно на одной оси расположены боек, капсюль-детонатор (или капсюль-воспламенитель), передаточный заряд и детонатор. Благодаря отсутствию в этих ДУ чрезвычайно чувствительных к внешним воздействиям инициирующих ВВ они обладают повышенной безопасностью в производстве и обращении и находят в связи с этим при проведении взрывных работ все более широкое распространение. DEs based on blasting explosives are known from RF patents N 2103661, IPC F 42 C 7/00 (Bull. N 3, 1998) and N 2083948, IPC F 42 C 19/10 (Bull. N 19, 1997). The latter is selected as a prototype. The design of the remote control based on blasting explosives is a thick-walled case in which the firing pin, detonator capsule (or igniter capsule), transfer charge and detonator are sequentially located on the same axis. Due to the absence of initiating explosives extremely sensitive to external influences in these remote control systems, they have increased safety in production and handling and are therefore becoming increasingly widespread in blasting operations.

Отличительная особенность таких ДУ заключается также в том, что возбуждение взрыва бризантных ВВ механическим ударом осуществляется в них при деформировании капсюля-детонатора (капсюля-воспламенителя) методом прессования (выдавливания). Обеспечивается это выполнением или в бойке (см. пат. РФ N 2103661), или в корпусе ДУ между капсюлем-воспламенителем и передаточным зарядом (см. пат. РФ N 2083948) осевого отверстия (в первом случае глухого), диаметр которого значительно меньше диаметра бойка. Отношение диаметров бойка и вышеуказанного отверстия, в частности, должно быть таким, чтобы для применяющегося в ДУ бризантного ВВ обеспечивалось известное условие возбуждения взрыва (Афанасьев Г.Т. и Боболев В.К. Инициирование твердых взрывчатых веществ ударом. -М.: Наука, 1968, с. 82)
P_пр≥P_кр
где P_пр - давление, при достижении которого происходит прочностное разрушение навески ВВ под бойком, сопровождающееся в ДУ интенсивным выбросом вещества в отверстие малого диаметра;
P_кр - критическое давление, начиная с которого разрушение вещества приводит к образованию эффективных очагов разогрева и воспламенению ВВ.A distinctive feature of such DEs is also that the blast of explosive explosives by mechanical shock is excited in them when the detonator capsule (igniter capsule) is deformed by pressing (extrusion). This is ensured by the execution of either an axial hole (in the first case, blind), either in the striker (see US Pat. RF N 2103661), or in the remote control housing between the igniter caps and the transfer charge (see US Pat. RF N 2083948), the diameter of which is much smaller than the diameter brisk. The ratio of the diameters of the striker and the aforementioned hole, in particular, should be such that for the blasting explosive used in the DE, a well-known condition for the initiation of an explosion is provided (Afanasyev G.T. and Bobolev V.K. Initiation of solid explosives by impact. -M .: Science, 1968, p. 82)
P _etc. ≥P _cr
where P _CR - pressure, upon reaching which there is a mechanical destruction of the explosive sample under the striker, accompanied in the remote control by an intense release of the substance into the hole of small diameter;
P _cr - critical pressure, starting from which the destruction of the substance leads to the formation of effective foci of heating and ignition of explosives.

Для большинства индивидуальных бризантных ВВ давление P_кр составляет около 1 ГПа, что соизмеримо с пределом текучести на сжатие закаленной стали. Поэтому в штемпельных приборах, предназначенных для испытаний бризантных ВВ на чувствительность к механическим воздействиям, а также в ДУ на основе бризантных ВВ для того, чтобы при ударном нагружении обеспечивалось разрушение заряда, а не роликов или бойка, последние выполняются из термообработанной стали, имеющей твердость не ниже HRC 46.For most individual blasting explosives, the pressure P _cr is about 1 GPa, which is comparable with the compressive yield strength of hardened steel. Therefore, in stamping devices designed for testing blasting explosives for sensitivity to mechanical stresses, as well as in remote control systems based on blasting explosives, so that under shock loading the charge is destroyed, not the rollers or hammer, the latter are made of heat-treated steel having no hardness below HRC 46.

К недостаткам рассматриваемых ДУ относится следующее. Во-первых, несмотря на то, что ДУ снаряжены только бризантными ВВ, возможность их срабатывания при обращении с ними полностью не исключается. К взрыву ДУ может привести несанкционированный удар по бойку, если энергия этого удара будет превышать критическое значение. Так, например, было установлено, что ДУ на основе октогена срабатывает при ударе бойком по стальному основанию в результате падения с высоты, превышающей 3,6 м. The disadvantages of the considered remote control include the following. Firstly, despite the fact that remote controls are equipped only with blasting explosives, the possibility of their operation when handling them is not completely excluded. An unauthorized strike on the striker can lead to an explosion of remote control if the energy of this strike exceeds a critical value. So, for example, it was found that the HMX-based remote control is triggered when a striker strikes a steel base as a result of a fall from a height exceeding 3.6 m.

Во-вторых, ДУ, снаряженные бризантными ВВ с пониженной склонностью к переходу горения в детонацию, имеют довольно большие размеры. Например, высота основанного на октогене ДУ, конструкция которого выполнена в соответствии с пат. N 2083948, составляет около 60 мм (Киселев А.В. и др. Термостойкое детонирующее устройство ударного действия без инициирующих взрывчатых веществ для взрывной головки кумулятивного перфоратора. Новые технологии - 21 век. N 1. 1997). Secondly, DE equipped with blasting explosives with a reduced tendency to transfer combustion to detonation are quite large. For example, the height of an octogen-based DE, the design of which is made in accordance with US Pat. N 2083948, is about 60 mm (Kiselev A.V. et al. Heat-resistant detonating shock device without initiating explosives for the explosive head of a cumulative perforator. New technologies - 21 century. N 1. 1997).

И, в-третьих, ДУ, не содержащие инициирующих ВВ, не способны срабатывать с замедлением, требующимся в ряде случаев при проведении взрывных работ. And thirdly, remote control systems that do not contain initiating explosives are not capable of triggering with the deceleration required in some cases during blasting operations.

Возникает, таким образом, задача по усовершенствованию таких характеристик ДУ, как безопасность в обращении, габаритные размеры и время работы, т.е. по обеспечению возможности создания ДУ без инициирующих ВВ, которые будут отличаться от уже существующих ДУ еще более высокой безопасностью в обращении, меньшими габаритами и массой и увеличенным (при необходимости) временем работы. Thus, the task arises of improving such characteristics of the remote control as safe handling, overall dimensions and operating time, i.e. to ensure the possibility of creating remote controls without initiating explosives, which will differ from existing ones with even higher handling safety, smaller dimensions and weight, and increased (if necessary) operating time.

Техническим результатом заявляемого решения является повышение безопасности в обращении. Дополнительным техническим результатом может быть уменьшение габаритов и массы ДУ, а также (при необходимости) увеличение времени работы ДУ. The technical result of the proposed solution is to increase safety in handling. An additional technical result may be a decrease in the dimensions and mass of the remote control, as well as (if necessary) an increase in the operating time of the remote control.

Для достижения этого технического результата предлагается в известном ДУ, состоящем из корпуса с последовательно расположенными в нем бойком, капсюлем-детонатором (капсюлем-воспламенителем), передаточным зарядом и детонатором, боек ДУ выполнить из материала с пониженным пределом текучести, например из незакаленной стали, имеющей твердость не более НВ 270 (Мягков В. Д. Краткий справочник конструктора. Изд. 2-е, доп. и переработ. Л., "Машиностроение", 1975, с. 509). В этом случае ударное воздействие на боек, которое может иметь место в условиях обращения с ДУ, по всей видимости, уже не приведет к срабатыванию устройства, так как максимальное давление в капсюле-детонаторе (капсюле-воспламенителе), развиваемое при ударе, будет ограничено пределом текучести материала бойка, в результате чего ВВ под бойком останется неразрушенным и не обеспечится вследствие этого условие возбуждение взрыва P_пр≥P_кр.To achieve this technical result, it is proposed in the known control unit, consisting of a housing with a striker, a detonator capsule (igniter capsule), a transfer charge and a detonator, a remote control striker made of a material with a low yield strength, for example, of non-hardened steel having hardness no more than HB 270 (V. Myagkov. Brief reference book of the designer. Ed. 2nd, additional and revised. L., "Mechanical Engineering", 1975, p. 509). In this case, the impact on the firing pin, which can take place under the conditions of handling the remote control, is likely to no longer trigger the device, since the maximum pressure in the detonator capsule (igniter capsule) developed upon impact will be limited by the limit the fluidity of the striker material, as a result of which the explosive under the striker will remain unbroken and, as a result, the explosion initiation condition P _pr ≥P _cr .

Подтверждается это экспериментами, проведенными с основанным на октогене ДУ, в котором боек был выполнен из отожженной стали 30Х13, и имеющей твердость, не превышающую НВ 270. Было, в частности, получено, что такое ДУ не срабатывает ни при многократном падении (бойком вниз) на стальное основание с высоты 3,8 и 4,0 м, ни при ударе по его бойку на вертикальном копре стальным грузом, имеющим кинетическую энергию 8 Дж. Ударное нагружение ДУ вызывает в этих случаях лишь пластическую деформацию выступающей из корпуса устройства части бойка. А следует заметить, что то же самое ДУ, но с бойком из закаленной стали, срабатывает на вертикальном копре со стопроцентной частостью уже при энергии удара 2,8 Дж. This is confirmed by experiments carried out with an octogen-based DE, in which the firing pin was made of annealed 30X13 steel, and having a hardness not exceeding HB 270. In particular, it was found that such a DE does not work even when it is repeatedly dropped (brisk down) on a steel base from a height of 3.8 and 4.0 m, or when it is struck on a vertical die with a steel load having a kinetic energy of 8 J. Impact loading of the remote control causes in these cases only plastic deformation of the part of the striker protruding from the device body. And it should be noted that the same remote control, but with a striker made of hardened steel, works on a vertical head with a 100% frequency even at an impact energy of 2.8 J.

Аналогичные результаты были получены и при испытаниях ДУ, выполненного по пат. N 2103661 и снаряженного тэном, являющимся, как известно, одним из наиболее чувствительных к удару бризантных ВВ. Similar results were obtained when testing the remote control performed according to US Pat. N 2103661 and equipped with ten, which, as you know, is one of the most sensitive to impact brisant explosives.

Но в то же время оказалось, что ДУ с незакаленными бойками остаются работоспособными, находясь или в составе взрывателя, в котором ударник разгоняется предварительно сжатой боевой пружиной и приобретает кинетическую энергию ~ 4 Дж, или же в составе взрывной головки кумулятивного перфоратора, где разгон ударника осуществляется давлением скважинной жидкости, т.е. в тех случаях, когда задействование ДУ производится в штатном режиме. But at the same time, it turned out that the remote control with non-hardened strikers remain operational, being either part of the fuse, in which the firing plate is accelerated by a pre-compressed war spring and acquires kinetic energy of ~ 4 J, or as part of the explosive head of a cumulative perforator, where the firing pin is accelerated well fluid pressure, i.e. in those cases when the remote control is activated normally.

Полученный эффект объясняется существенной разницей в скоростях удара, которые реализуются в условиях обращения с ДУ и в специально созданных для приведения его в действие устройствах. Так, если в первом случае скорость ударного нагружения находится в пределах ~10 м/с, то во втором она составляет ~20 м/с и более. А, как известно, с увеличением скорости динамического нагружения предел прочности материалов (и в частности, стали) возрастает. Из этого следует, что при достаточно большой скорости удара предел текучести незакаленного бойка становится выше, чем предел прочности капсюля-детонатора (капсюля-воспламенителя), в результате чего последний разрушается (обеспечивается, таким образом, условие P_пр ≥P_кр) и в нем возбуждается взрыв.The effect obtained is explained by a significant difference in the impact speeds, which are realized under conditions of handling the remote control and in devices specially designed to bring it into action. So, if in the first case the shock loading speed is within ~ 10 m / s, then in the second case it is ~ 20 m / s and more. And, as you know, with an increase in the speed of dynamic loading, the tensile strength of materials (and, in particular, steel) increases. It follows that, at a sufficiently high impact speed, the yield strength of the non-hardened striker becomes higher than the tensile strength of the detonator capsule (igniter capsule), as a result of which the latter breaks (thus ensuring the condition P _pr ≥P _cr ) and in it an explosion is excited.

Для того, чтобы ДУ, не содержащее инициирующих ВВ, могло срабатывать с замедлением, достаточно выполнить в нем капсюль-воспламенитель и частично или полностью передаточный заряд из пиротехнических составов, имеющих малое газовыделение и небольшую скорость горения. Возможность зажигания расположенного под бойком капсюля-воспламенителя из пиротехнического состава при деформировании его методом выдавливания и передачи вызванного механическим ударом горения через осевое отверстие малого диаметра в расположенный в корпусе ДУ замедлительный состав с последующим воспламенением передаточного заряда из бризантного ВВ и переходом в нем процесса горения в нормальную детонацию была подтверждена экспериментально. В ДУ использовались замедлительные пиротехнические составы Кр30Сс70, Кр45Сс55, Кр50Сд50, Кр12Мо88К и СЦ-1, а передаточный заряд и детонатор изготавливались из тэна. Кроме того, было получено, что в ДУ с капсюлем-воспламенителем на основе пиротехнического состава может использоваться боек из алюминиевого сплава твердостью не более НВ 100. Объясняется это тем, что пиротехнические составы имеют, как правило, сравнительно небольшие значения P_кр.In order for a remote control that does not contain initiating explosives to be able to operate with a slowdown, it is sufficient to carry out an igniter capsule and partially or fully transfer charge from pyrotechnic compositions with low gas evolution and low burning rate. The possibility of ignition of the igniter capsule under the striker from the pyrotechnic composition when it is deformed by extrusion and transfer of combustion caused by a mechanical shock through an axial bore of small diameter into the retardation composition located in the remote control housing, followed by ignition of the transfer charge from the blasting explosive and transition of the combustion process to normal detonation was confirmed experimentally. The remote control used retardant pyrotechnic compositions Kr30Ss70, Kr45Ss55, Kr50Sd50, Kr12Mo88K and SC-1, and the transfer charge and detonator were made of PETN. In addition, it was found that in a remote control with an igniter capsule based on a pyrotechnic composition, an aluminum alloy hammer with a hardness of no more than HB 100 can be used. This is explained by the fact that pyrotechnic compositions have, as a rule, relatively small values of P _cr .

Для уменьшения размеров ДУ, основанного на бризантном ВВ с пониженной склонностью к переходу горения в детонацию (т.е. ВВ, имеющего довольно большую длину преддетонационного участка), целесообразно выполнить его передаточный заряд высотой, значительно меньшей, чем длина преддетонационного участка, и поместить за ним металлическую преграду и втулку, в осевом канале которой на некотором расстоянии от преграды расположены приемный заряд и детонатор. To reduce the size of the propulsion system based on a blasting explosive with a reduced tendency to transfer combustion to detonation (i.e., an explosive having a rather large length of the pre-detonation section), it is advisable to carry out its transfer charge with a height significantly less than the length of the pre-detonation section and place it behind a metal barrier and a sleeve, in the axial channel of which at some distance from the barrier there is a receiving charge and a detonator.

Схема варианта конструкции такого ДУ представлена на фиг. 1. Состоит данное ДУ из корпуса 1 и расположенных в нем бойка 2, капсюля-воспламенителя 3 и содержащей передаточный заряд 4 гильзы 5. В верхней части гильзы имеется сквозное осевое отверстие малого диаметра. К нижнему торцу гильзы прижата с помощью ввинченной в корпус ДУ втулки 6 преграда 7. В осевом канале втулки на некотором удалении от преграды помещены приемный заряд 8 и детонатор 9. A design diagram of such a remote control is shown in FIG. 1. This remote control consists of a housing 1 and a striker 2 located therein, an igniter 3 and containing a transfer charge 4 of the sleeve 5. In the upper part of the sleeve there is a through axial hole of small diameter. The obstruction 7 is pressed against the lower end of the sleeve with the help of a sleeve 6 screwed into the sleeve housing of the remote control 7. In the axial channel of the sleeve at some distance from the barrier, a receiving charge 8 and detonator 9 are placed.

Примером конкретного выполнения может служить лабораторный образец ДУ на основе октогена. В этом ДУ (см. фиг. 1) изготовленный из отожженной стали 30Х13 (твердость не более НВ 270) боек 2 имеет диаметр 3 мм. Капсюль-воспламенитель 3 представляет собой навеску октогена массой 0,015 г, запрессованную в корпус 1 до плотности ~1,6 г/см³ Передаточный заряд 4, запрессованный в гильзу 5, имеет плотность ~1,1 г/см³. Часть передаточного заряда помещена в алюминиевый колпачок 10. Диаметр осевого отверстия в верхней части гильзы равен 0,5 мм. Толщина преграды 7, изготовленной из алюминиевого сплава, составляет ~ 1 мм. Приемный заряд 8 и детонатор 9 запрессованы до плотности соответственно ~1,1 и ~1,6 г/см³. Осевой канал между преградой и приемным зарядом имеет диаметр 3 и длину 10 мм. Суммарная масса ВВ в данном ДУ не превышает 0,5 г. Высота ДУ находится в пределах 37 мм.An example of a specific implementation can serve as a laboratory sample of HM based on HMX. In this remote control (see Fig. 1) made of annealed steel 30X13 (hardness no more than HB 270), the firing pin 2 has a diameter of 3 mm. The igniter capsule 3 is a halogen sample of a weight of 0.015 g, pressed into the housing 1 to a density of ~ 1.6 g / cm ³ The transfer charge 4, pressed into the sleeve 5, has a density of ~ 1.1 g / cm ³ . Part of the transfer charge is placed in an aluminum cap 10. The diameter of the axial hole in the upper part of the sleeve is 0.5 mm. The thickness of the barrier 7 made of aluminum alloy is ~ 1 mm. The receiving charge 8 and detonator 9 are pressed to a density of ~ 1.1 and ~ 1.6 g / cm ^3, respectively. The axial channel between the barrier and the receiving charge has a diameter of 3 and a length of 10 mm The total mass of explosives in this remote control does not exceed 0.5 g. The height of the remote control is within 37 mm.

Срабатывает ДУ следующим образом. При механическом ударе по бойку 2 (скорость удара ~20 м/с) навеска ВВ в капсюле-воспламенителе вначале сжимается, а затем при достижении давления P_пр>P_кр происходит ее разрушение, сопровождающееся интенсивным выбросом вещества в осевое отверстие малого диаметра гильзы 5, в результате чего ВВ воспламеняется и образующаяся при этом струя продуктов горения через вышеуказанное осевое отверстие зажигает передаточный заряд 4. Под действием давления газообразных продуктов горения передаточного заряда (выполняющего в данном случае функцию метательного заряда) преграда 7 срезается и разгоняется в осевом канале втулки 6 до скорости, достаточной для генерирования при ударе преграды по низкоплотному приемному заряду 8 ударной волны, способной вызвать в последнем детонацию. Далее детонационный импульс усиливается в высокоплотном заряде детонатора 9.Remote control works as follows. When a mechanical impact on striker 2 (impact velocity ~ 20 m / s), the explosive sample in the igniter capsule is first compressed, and then when pressure P _pr > P _cr is reached, it is destroyed, accompanied by an intensive discharge of material into the axial hole of the small diameter of the sleeve 5, as a result of which the explosive ignites and the resulting stream of combustion products through the aforementioned axial hole ignites the transfer charge 4. Under the action of the pressure of the gaseous products of combustion of the transfer charge (performing in this case the function of solid charge), the obstacle 7 is cut off and accelerates in the axial channel of the sleeve 6 to a speed sufficient to generate a shock wave when the obstacle hits the low-density receiving charge 8, which can cause detonation in the latter. Next, the detonation pulse is amplified in a high-density charge of the detonator 9.

Экспериментально было установлено, что вышеописанное ДУ является вполне работоспособным. И если сравнить характеристики данного ДУ и его прототипа, то получается, что выполнение основанного на октогене ДУ по предлагаемой конструктивной схеме позволяет уменьшить высоту устройства не менее, чем в 1,5 раза и сократить при этом массу ВВ в нем примерно в 1,8 раза. It was experimentally established that the above remote control is fully operational. And if you compare the characteristics of this remote control and its prototype, it turns out that the implementation of the octogen-based remote control according to the proposed design scheme allows to reduce the height of the device by at least 1.5 times and reduce the mass of explosives in it by about 1.8 times .

Было также получено, что будут работоспособными при достаточно малых размерах выполненные по этой же конструктивной схеме ДУ и на основе бризантных ВВ, обладающих по сравнению с октогеном еще меньшей склонностью к переходу горения в детонацию. It was also found that they will be functional at sufficiently small sizes, made according to the same constructive scheme of DE and on the basis of blasting explosives, which, compared with octogen, have an even lower tendency to transfer combustion to detonation.

Claims

1. The detonating device of a mechanical fuse, consisting of a housing with a striker, a capsule, a transfer charge and a detonator, sequentially located in it, characterized in that the striker is made of material with a hardness of no more than HB 270.

2. The device according to claim 1, characterized in that the capsule is made of a pyrotechnic composition.

3. The device according to claims 1 and 2, characterized in that the transfer charge is partially or completely made of a pyrotechnic composition.

4. The device according to claims 1 to 3, characterized in that an axial channel is made in the housing between the detonator and the transfer charge and the transfer charge is separated from the channel by a metal barrier, while the height of the transfer charge is less than the length of the pre-detonation section of the transfer charge explosive.