СМЕСЕВОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE EXPLOSIVE SUBSTANCE AND PREPARATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к области разработки смесевых взрывчатых веществ (ВВ), а именно к мощным бризантным ВВ, и может быть применено для повышения удельных характеристик кумулятивных зарядов различного назначения, например используемых в газонефтедобыче.
Актуальность решаемой проблемы заключена в сложности воспроизведения в смесевых ВВ одновременно предельных характеристик мощности, приемлемого уровня чувствительности и повышенной физической стойкости.
3
Известно индивидуальное ВВ 2,4,6,8,10,12-гексанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазатетрацикло(5,5,0,0,3,11,0,5,9)додекан (гексанитрогексаазаизовюрцитан, ГАВ) [патент РФ №2199540, МПК C07D 487/22, публ. 27.02.2003 г.]. Оно обладает повышенной мощностью и скоростью детонации ~9,4 км/с при плотности ~2,05 г/см. Его недостатками являются повышенная чувствительность, ограничивающая его использование, и плохая прессуемость, из-за которой невозможно достичь высоких плотностей в зарядах, что делает невозможным реализовать преимущества данного ВВ при использовании в кумулятивных зарядах, используемых в газонефтедобыче.
Известно смесевое ВВ RX-39-AB на основе 2,4,6,8,10,12-гексанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазатетрацикло(5,5,0,0,3,11,0,5,9)додекана (ГАВа) [пат. США 5587533, High performanse pressable explosive compositions. Braithwaite P.C., Lund O.K., Wardle R.B.]. В качестве связующего компонента в нем используется полиуретановый полимер Estane-5703-P. Оно обладает хорошей прессуемостью и имеет скорость детонации заметно выше, чем у смесевого ВВ на основе октогена - 9,208 км/с. Однако при этом обладает рядом недостатков: недостаточно высокой (по сравнению с индивидуальным ВВ ГАВ) скоростью детонации и более высокой чувствительностью по сравнению с аналогичными составами на основе октогена.
Известно ВВ «флегматизированный ГАВ» [пат. РФ 2252925, МПК С06В 25/34, публ. 27.05.2005]. В качестве флегматизатора в нем используются стеариновая кислота, и/или парафин, и/или церезин, или их смеси. Массовая доля флегматизатора 1,5-3,0%, ГАВа, соответственно, - 98,5-97%. Это ВВ превышает по скорости детонации ВВ RX-39-AB, а по чувствительности близко к применяемым в кумулятивных зарядах ВВ на основе октогена. Экспериментальные исследования показывают, что флегматизированные ВВ, не содержащие дополнительных связующих компонентов, обладают недостаточной физической стойкостью при температурах, выше температуры плавления флегматизатора ~50-60°С. Это существенно ограничивает условия использования данного ВВ в кумулятивных зарядах, в том числе при газо-, нефтедобыче.
3
В качестве прототипа известно мощное смесевое ВВ на основе октогена, состоящее из октогена (97,5%) полиметилакрилата (1,2%), оксизина (0,8%) и графита (0,5%) [LLNL Explosive Handbook. Properties of Chemical Exsplosives and Explosive Simlants/Dobratz B.M., Livermore, California, 1981]. Это ВВ имеет скорость детонации 8,85 км/с при плотности 1,84 г/см и обладает приемлемой чувствительностью и высокой физической стойкостью. Недостатком его является невысокая скорость детонации и метательная способность, что в кумулятивных зарядах не позволяет достигать максимальной глубины пробития преград.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка состава смесевого ВВ повышенной мощности, физической стойкости и чувствительности, отвечающей требованиям технологической и эксплуатационной безопасности.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого состава, заключается в создании ВВ, которое:
- превышает аналоги по мощности, скорости детонации и физической стойкости;
- обладает минимальной возможной для используемого состава чувствительностью к механическим и ударно-волновым воздействиям.
2
Указанная задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном составе смесевого ВВ, состоящем из основного наполнителя, связующего, флегматизатора, пластификатора, согласно изобретению в качестве основного взрывчатого наполнителя в нем содержится: 2,4,6,8,10,12-гексанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазатетрацикло(5,5,0,0,3,11,0,5,9)додекан (гексанитрогексаазаизовюрцитан, ГАВ) ε-модификации с удельной поверхностью кристаллов от 500 до 1500 см/г, в качестве связующего в нем содержится полиметилакрилат, в качестве флегматизатора - оксизин или его аналог с температурой плавления ~60°С, в качестве пластификатора - графит, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
- гексанитрогексаазаизовюрцитан - 96-98%;
- полиметилакрилат - 0.8-1.6%;
- оксизин или его аналог с температурой плавления ~60°С - 0,6-2,0%;
- графит - остальное.
спользования смесевого ВВ следующей рецептуры:
(ГАВ) и следующей рецептуры:
2
- в качестве взрывчатого наполнителя ВВ гексанитрогексаазаизовюрцитан (ГАВ) с удельной поверхностью кристаллов от 500 до 1500 см/г, массовая доля 96-98%;
- полиметилакрилат - 0,8-1,6%;
- флегматизатор оксизин или его аналог с температурой плавления не ниже 60°С - 0,6-2%;
- графит - остальное.
Известен способ приготовления смесевых ВВ и зарядов из него [Взрывчатые вещества. Основные свойства. Технология изготовления и переработки, т.2, под ред. Л.В.Фомичёвой, Саров, 2007], в соответствии с которым первоначально осуществляется приготовление водной суспензии компонентов ВВ с последующим осаждением гранулированного порошка с равномерным распределением компонентов по объему и термопрессованием полученной формовочной массы.
Однако в известном способе не обеспеченны условия, специфичные для изготовления смесевого ВВ на основе взрывчатого наполнителя гексанитрогексаазаизовюрцитан (ГАВ) и зарядов из -него, при которых сохраняется стабильность полиморфной ε-модификации взрывчатого наполнителя, неустойчивой при длительном воздействии повышенной температуры, и достигается предельный коэффициент запрессовки.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка способа изготовления смесевого высокобризантного ВВ на основе ВВ ГАВ и зарядов из него, обеспечивающего сохранение стабильности ε-модификации взрывчатого наполнителя, чувствительной к длительной выдержке при повышенной температуре, и достижение предельного коэффициента запрессовки.
Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении стабилизации полиморфной ε-модификации взрывчатого наполнителя и снижении риска его перехода в γ-модификацию в процессе термообработки и достижении при этом предельных коэффициентов запрессовки в формуемом заряде.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе изготовления мощного смесевого ВВ на основе взрывчатого наполнителя, включающем приготовление водной суспензии компонентов ВВ с последующим осаждением гранулированного порошка с равномерным распределением компонентов по объему, термопрессование полученной формуемой массы, согласно изобретению термопрессование формуемой массы ведут в температурном диапазоне 90-120°С в течение не более 4-х часов при давлении, соответствующем достижению в готовой массе смесевого ВВ коэффициента запрессовки 0,97-0,99.
Предлагаемый состав смесевого ВВ поясняется следующим образом.
Компоненты выбраны на основании экспериментальных исследований различных смесевых ВВ.
Повышенная скорость детонации и мощность достигаются за счет применения в предлагаемой рецептуре в качестве взрывчатого наполнителя ВВ ГАВ, более мощного, чем октоген и с массовой долей выше, чем в аналогах.
Понижение уровня чувствительности к ударной волне и механическим воздействиям обеспечиваются за счет использования флегматизатора - оксизина - или его аналога при заявленной удельной поверхности кристаллов ВВ ГАВ.
Высокая физическая стойкость достигается за счет введения полимерного связующего компонента (далее «связующего») - полиметилакрилата при соответствующей дисперсности ВВ ГАВ (таблица, строка 6).
Графит в предлагаемом смесевом ВВ используется в качестве пластификатора.
Использование взрывчатого наполнителя с заявленной удельной поверхности кристаллов, как это экспериментально показано, способствует, кроме равномерности распределения компонентов в формовочной массе, обеспечению стабильности характеристик мощности, чувствительности и физической стойкости. При выборе наполнителя с удельной поверхности кристаллов ниже указанного значения в формовочной массе создаются свободные объемы, недоступные для заполнения взрывчатым наполнителем, что ведет к ухудшению характеристик мощности и уменьшению плотности готового смесевого ВВ. При выборе наполнителя с удельной поверхности кристаллов выше указанного значения не реализуется полное покрытие кристаллов взрывчатого наполнителя пленкой флегматизатора и связующего, что негативно отражается на чувствительности и физической стойкости готового смесевого ВВ.
Достижение максимальной мощности и минимально возможной чувствительности обеспечено в результате оптимизации рецептуры, проведенной с помощью многофакторного эксперимента при варьировании содержания компонентов.
При снижении относительного количества ГАВа, за счет повышения количества других компонентов, теряется преимущество в мощности по сравнению с аналогами. При повышении относительного количества ГАВа за счет:
- снижения количества флегматизатора - значительно возрастет чувствительность ВВ, что приведет к понижению уровня безопасности кумулятивных зарядов;
- снижения количества связующего - уменьшится физическая стойкость предлагаемого ВВ и ухудшится прессуемость, что приведет к снижению плотности зарядов и не позволит полностью реализовать в кумулятивных зарядах имеющееся преимущество в мощности и ограничит область их применения.
Таким образом, при использовании предлагаемого состава в заявляемых пределах соотношения компонентов обеспечивается достижение мощности, скорости детонации и физической стойкости, выше чем в прототипе и аналогах, и минимально возможная для данного состава компонентов чувствительность к механическим и ударно-волновым воздействиям.
При выходе за пределы заявленного соотношения компонентов использование предлагаемой композиции существенно ограничивается по причине снижения мощности и физической стойкости или увеличения чувствительности.
Предлагаемый способ изготовления смесевого высокобризантного ВВ на основе ВВ ГАВ и зарядов из него поясняется следующим образом.
Первоначально, как и в известном способе, приготавливают водный раствор флегматизатора с технологическими добавками, способствующими эмульгированию, и водную суспензию порошкообразного взрывчатого наполнителя смесевого ВВ, в которой в последующем происходит его совмещение с водным раствором флегматизатора и эмульсией связующего с последующим введением технологических добавок, способствующих осаждению формовочной массы. При осаждении формовочную массу помещают в гранулятор и формируют гранулы произвольного размера.
Затем полученные гранулы подвергают термопрессованию в прессформе по заданному режиму. Режим термопрессования отработан экспериментально. Оптимальной температурой прессования является 90-120°С. Общее время нахождения смесевого ВВ при температуре в указанном диапазоне не должно превышать 4 часа. Термопрессование при температуре ниже 90°С не позволяет достигнуть предельный коэффициент запрессовки, что негативно отражается на характеристиках мощности готового смесевого ВВ. При нахождении смесевого ВВ при температуре 90-120°С более 4 часов возрастает риск ε→γ полиморфного превращения, что может привести к снижению характеристик мощности и плотности готового смесевого ВВ. Прессование при оптимальной температуре позволяет обеспечить стабильность полиморфной ε-модификации взрывчатого наполнителя смесевого ВВ, и снижение риска его перехода в γ-модификацию в процессе термообработки, и достигнуть при этом предельных коэффициентов запрессовки в формуемом заряде.
Результаты экспериментов представлены в таблице и на фиг.1.
пр
Как видно из таблицы (строка 2), детали из предлагаемого ВВ, отпрессованные при температуре ниже 90°С, обладают низким коэффициентом запрессовки (0,93-6,95), а при температуре выше 90°С К выходит на предельно достижимые величины.
На чертеже приведены ИК-спектры ВВ ГАВ:
1 - исходного (s-модификации);
2 - после выдержки при температуре 120°С в течение 4 часов (ε-модификация сохраняет стабильность);
3 - после выдержки при температуре 130°С в течение 4 часов (идентифицируется как смесь ε- и γ-модификаций)
Как видно из чертежа ИК-спектры поз.1 и поз.2 идентичны, следовательно ε-модификация взрывчатого наполнителя смесевого ВВ сохраняет стабильность при 120°С не менее 4 часов. ИК-спектр поз.3 имеет отличия от ИК-спектра поз.1, что свидетельствует о том, что при 130°С часть взрывчатого наполнителя смесевого ВВ претерпевает полиморфное превращение ε→γ.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечивает стабилизацию полиморфной ε-модификации взрывчатого наполнителя смесевого ВВ и снижение риска превращения его в γ-модификацию в процессе термообработки и достижение предельных коэффициентов запрессовки в готовом смесевом ВВ.
Возможность промышленного использования предлагаемого смесевого ВВ и способа его изготовления подтверждается следующими примерами.
пр
max
max
Пример 1. Отработана лабораторная технология приготовления предлагаемого ВВ и выбраны технологические режимы прессования зарядов из него. В таблице (строки 1 и 2) приведены значения коэффициента запрессовки зарядов из предлагаемого ВВ (К=ρ/ρ, где ρ - расчетная плотность деталей, ρ - фактическая плотность деталей), изготовленных при различных температурных режимах.
пр
Как видно из таблицы, детали из предлагаемого ВВ, отпрессованные при температуре ниже 90°С, обладают низким коэффициентом запрессовки (0,93-0,95), а при температуре выше 90°С К выходит на предельно достижимые величины.
3
Пример 2. Проведено исследование физической стойкости заявленного смесевого ВВ в сравнении с аналогом на основе октогена, обладающим наибольшей физической стойкостью из имеющихся аналогов. Эксперименты проводили при температуре, выше температуры плавления наиболее тугоплавких традиционно используемых флегматизаторов. При указанной температуре в отсутствие связующего флегматизированное ВВ неизбежно потеряет физическую стойкость. В качестве характеристик физической стойкости рассматривали изменение плотности (Δρ) и объема (ΔV) прессованных образцов из заявленного ВВ ⌀20×30 мм плотностью 1,951-1,952 г/см в процессе выдержки при температуре +80°С в течение 30 суток. При данной температуре проводится исследование физической стойкости и обоснование эксплуатационных сроков хранения современных ВВ. Экспериментальные характеристики физической стойкости приведены в таблице, строка 6.
Как видно из таблицы, по характеристикам физической стойкости предлагаемое ВВ превосходит прототип.
Пример 3. Проведены экспериментальные исследования характеристик мощности (скорость детонации и метательная способность) и чувствительности предлагаемого ВВ. Результаты приведены в таблице (строки 3-5 и 7-8). Для сравнения там же приведены имеющиеся аналогичные данные для прототипа и аналогов.
Характеристики предлагаемого смесевого ВВ в строках 1, 3-5 и 7-8 таблицы свойственны только для ε-модификации взрывчатого порошкообразного наполнителя.
Как видно из таблицы, предлагаемое ВВ обладает скоростью детонации, метательной способностью и физической стойкостью выше, чем прототипа, и при этом обладает чувствительностью к механическим и ударно-волновому воздействиям на уровне прототипа, отвечающей требованиям технологической и эксплуатационной безопасности.
Пример 4. В лабораторных условиях изготовлены и испытаны малогабаритные кумулятивные заряды (КЗ) двух типов, снаряженные заявленным смесевым ВВ. По сравнению с КЗ аналогичной конструкции, снаряженными аналогом на основе октогена, достигнуто улучшение интегральных параметров кумулятивной струи (длина струи, средние время и дистанция разрыва) на 3-5% и увеличение глубины бронепробития КЗ на ~8%.
Таким образом, как это показали примеры, использование предлагаемого смесевого ВВ и способа изготовления обеспечивает возможность получения бризантного ВВ повышенной мощности с чувствительностью, отвечающей требованиям технологической и эксплуатационной безопасности, что позволит увеличить глубину пробития преград кумулятивными зарядами без снижения уровня их безопасности.