ЛОКАЛИЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОГРАФИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЗРЫВНЫХ ПРОЦЕССОВ
LOCALISING DEVICE FOR RADIOGRAPHIC ANALYSIS OF BLASTING PROCESSES

Изобретение относится к области техники взрывных работ и исследования взрывных (быстропротекающих) процессов, в частности к проведению радиографических исследований физических и механических свойств материалов, подвергаемых воздействию интенсивных динамических нагрузок, создаваемых нагружающими устройствами с использованием взрывчатых веществ (ВВ). В этих исследованиях для защиты окружающей среды и оборудования радиографического комплекса от воздействия продуктов взрыва и осколков используются локализующие устройства и взрывные камеры.
Известно «Устройство для локализации взрыва», патент РФ № 2094754, МПK6 F42D 5/04 (публикация в БИ № 30 от 27.10.97 г.). В указанном устройстве, содержащем наружный металлический цилиндрический корпус с плоскими днищами, имеющими наружные ребра жесткости, амортизаторы в виде набора металлических цилиндрических оболочек, расположенных соосно с оболочкой корпуса, и пластин, расположенных параллельно днищам и разъединенных заполнителем, в одном из днищ выполнен герметичный вход во внутреннюю полость для размещения взрывоопасного объекта.
Недостатками устройства являются трудности проведения радиографических исследований процессов при взрыве объекта, так как стальные стенки контейнера существенно ослабляют энергию пучка радиографического излучения, которое распространяется от источника через объект исследования на регистрирующую систему. Размещение источника и регистратора внутри контейнера требует создания специального устройства для их защиты, равноценного по эффекту ослабления пучка стенкам контейнера. То есть отсутствие в защитном устройстве специальных радиографических окон, которые без снижения прочности самого локализующего устройства могли бы существенно не ослаблять энергию проходящего через них пучка излучения, приводит к ограничению функциональных возможностей данного устройства для радиографирования исследуемых быстропротекающих процессов внутри него.
Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является "Устройство локализации взрывов взрывчатых веществ", патент США № 3820435, MKИ G01N 33/22 от 28 июня 1974 г. Устройство содержит герметичную взрывную камеру, в корпусе которой имеется загрузочное отверстие с герметичной крышкой и два диаметрально противоположных отверстия с заглушками для проведения импульсной радиографической съемки взрывных процессов внутри контейнера. Герметичные силовые заглушки выполнены одна для прохождения излучения от источника и включает элемент из материала с малым порядковым номером z таблицы элементов, незначительно ослабляющим пучок излучения, вторая содержит элемент, на который непосредственно регистрируется изображение исследуемого объекта, например фотопленку.
Недостатком устройства является недостаточная прочность и надежность заглушек, что вызывает необходимость применения дополнительного наружного герметизирующего контейнера, а также сложность изготовления устройства. Для повышения прочности заглушки и снижения ослабляющего действия на проходящий через нее пучок излучения в ее конструкции используется высокотоксичный материал с малым z - бериллий.
Кроме того, в данном устройстве не предусмотрена возможность применения выносных регистрирующих систем, например высокоскоростной видеокамеры, для съемки изображения исследуемого процесса с регистрирующей системы. Следует также отметить, что заглушки в данном устройстве испытывают прямое воздействие взрыва, поэтому они должны иметь высокую прочность, а следовательно, либо изготавливаться из высокопрочных материалов, либо иметь существенные толщины, а это в свою очередь ведет к существенному ослаблению мощности пучка излучения, что увеличивает погрешность радиографического изображения.
Совокупность приведенных недостатков данного технического решения указывает на снижение прочности и надежности устройства, разработанного на его основе, и свидетельствует об ограничении возможностей радиографических исследований процессов с применением такого устройства.
Решаемой технической задачей является разработка устройства, способного, с одной стороны, локализовать внутри своей полости продукты взрыва исследуемого объекта, а с другой стороны, устройство должно обеспечивать проведение внутри него импульсных радиографических измерений исследуемых быстропротекающих процессов с требуемой высокой точностью.
Ожидаемыми техническими результатами от реализации заявляемого изобретения являются обеспечение сохранения несущей способности взрывной камеры с заглушками для радиографических исследований, надежная и безопасная для окружающей среды изоляция в камере поражающего воздействия взрыва взрывчатых веществ в составе различных исследуемых объектов, содержащих в том числе вредные и токсичные материалы, обеспечение высокой точности радиографических измерений быстропротекающих (взрывных) процессов.
Указанные технические результаты достигаются локализующим устройством для радиографических исследований взрывных процессов, содержащим взрывную камеру, в корпусе которой выполнены два диаметрально противоположных отверстия для прохождения потока радиографического излучения, и заглушки, включающие элементы, чувствительные к указанному излучению. Новым является то, что в отверстия корпуса введены выступающие за его пределы демпфирующие устройства для снижения взрывной нагрузки, на наружном торце каждого из которых установлена заглушка.
Введение в отверстия корпуса взрывной камеры выступающих за его пределы демпфирующих устройств, ослабляющих действие взрывной (импульсной) нагрузки до безопасного уровня на заглушки, установленные на наружном торце каждого из демпфирующих устройств, дает возможность уменьшать толщину элемента заглушки, через который проходит поток излучения, обеспечив при этом требуемую прочность заглушки, и изготавливать эти элементы заглушки из материалов с малой плотностью (малым порядковым номером z), например алюминиевого сплава, стеклотекстолита, полиэтилена, органического стекла, керамики на основе карбида бора и др.
В зависимости от уровня и особенностей взрывной нагрузки, реализующейся при исследованиях разного рода процессов, а именно нагрузок от ударной волны, газообразных продуктов взрыва, высокоскоростных осколков либо совокупного воздействия этих факторов, используются различные варианты демпфирующих устройств:
- в виде цилиндрической, или расширяющейся ступенчатой цилиндрической, или расширяющейся конической оболочки, причем внутри оболочки демпфирующего устройства либо могут быть установлены один или несколько дисков с центральными отверстиями, либо внутренняя полость оболочки может быть заполнена пористым материалом;
- в виде цилиндрической, или расширяющейся ступенчатой цилиндрической, или расширяющейся конической оболочки, внутри которой установлены один или несколько дисков с центральными отверстиями, на котором установлена мембрана из пластичного материала, причем внутренняя полость оболочки между мембраной и заглушкой может быть заполнена пористым материалом.
С целью оптимизации радиационной прозрачности к радиографическому излучению, снижения потерь за счет поглощения и рассеивания проходящего потока излучения, обеспечения минимально допустимой толщины при сохранении требуемой прочности при указанных выше нагрузках элемент заглушки, чувствительный к излучению, может быть выполнен в виде одного диска или пакета дисков либо в виде конической мембраны с фланцами, обращенной вершиной конуса к взрывной камере. Для исключения действия высокоскоростных осколков на чувствительный элемент заглушки перед ней может быть установлен динамический затвор.
На фиг.1 изображен один из вариантов предлагаемого устройства в разрезе, на фиг.2-7 - варианты выполнения демпфирующего устройства, на фиг.8, 9 - варианты выполнения заглушек, на фиг.10 - динамический затвор.
Взрывная камера (фиг.1) имеет прочный металлический корпус 1 (возможен вариант металлического корпуса с наружным усилением в виде дополнительного слоя из композитного материала) цилиндрической, сферической либо другой формы, в ее полости (желательно в геометрическом центре) располагается объект исследования (изображен условно пунктиром). В стенках корпуса 1 камеры выполнены два сквозных диаметрально противоположных отверстия А и Б. В отверстия корпуса 1 введены демпфирующие устройства 2, на наружном конце каждого из которых установлена заглушка 3. В состав заглушки входят элемент в виде диска 4, чувствительный к излучению и закрывающий отверстие в корпусе 1, и другие элементы для герметичного крепления указанного элемента к демпфирующему устройству 2. Демпфирующее устройство 2 содержит ввод 5, вставленный одним концом в отверстие в корпусе 1, закрепленный в нем, например, с помощью сварного соединения и имеющий кольцевой фланец на другом (наружном) конце. Зона сварного соединения ввода 5 с корпусом 1 может быть усилена ребрами жесткости 6. К наружному кольцевому фланцу ввода 5 крепится, например, при помощи бугеля 7 цилиндрическая оболочка 8 демпфирующего устройства 2. Герметичное соединение этих элементов демпфирующего устройства 2 может быть также выполнено другими способами, а именно болтовым соединением двух кольцевых фланцев либо соединением по скользящей посадке с уплотнениями двух соосных цилиндров, вставленных один в другой и т.п.
На фиг.1-10 стрелками показано направление распространения потока излучения от источника к регистрирующим изображение устройствам.
Демпфирующее устройство может быть выполнено в виде расширяющейся ступенчатой цилиндрической (фиг.2) или расширяющейся конической стальной оболочки 8 (фиг.3).
Как вариант исполнения полость оболочки 8 может быть заполнена пористым материалом 9 (фиг.4): пенопластом, строительной пеной, полиэтиленовыми гранулами и др.
В качестве другого варианта внутри оболочки могут устанавливаться один или несколько стальных дисков 10 с центральными отверстиями (фиг.5), которые крепятся к ее стенке, например, сварным соединением. На диске 10 может быть установлена мембрана 11 (фиг.6) из пластичного материала (полиэтилена, алюминиевого сплава и др.), крепящаяся к диску 10 и перекрывающая отверстие в нем. Полость между мембраной 11 и заглушкой 3 (фиг.7) может заполняться пористым материалом 9 (аналогичным материалу, заполняющему полость оболочки для варианта без дисков, фиг.4).
Чувствительные к излучению элементы 4 заглушек 3, которые установлены на наружных торцах демпфирующих устройств, выполняются в виде одного диска 4 (фиг.1) либо пакета дисков 4, 12 (фиг.8). При этом, когда используется один диск 4, он выполняется из пластичного материала, например алюминиевого сплава, полиэтилена. В случае применения пакета дисков 4, 12 диски 12, установленные со стороны взрывной камеры, выполняются из материала с высокой твердостью, например, керамики на основе карбида бора или высокопрочного стекла, снаружи обклеенные несколькими слоями высокопрочной ткани, например, на основе органических волокон, а последний в пакете диск 4 выполняется из пластичного материала.
Элемент 4 заглушки может быть выполнен в виде конической мембраны с фланцами (фиг.9), обращенной вершиной конуса к взрывной камере. Указанный элемент 4 выполняется также из пластичного материала, например алюминиевого сплава.
Кроме того, в предлагаемое устройство перед заглушкой 3 может быть установлен динамический затвор (фиг.10), включающий цилиндрическую оболочку 8, являющуюся оболочкой демпфирующего устройства, пережимаемую в определенной зоне взрывом кольцевого заряда ВВ 13, располагаемого снаружи оболочки 8. После прохождения излучения до прихода продуктов взрыва к перекрываемому сечению за счет пластических деформаций разгоняемых через демпфирующую прокладку стенок оболочки 8, движущихся к ее оси, происходит полное перекрытие ее полости. Динамический затвор имеет корпус 14, который локализует продукты взрыва используемого в нем кольцевого заряда ВВ 13.
Диск или коническая мембрана с фланцами крепятся к наружному кольцевому фланцу демпфирующего устройства аналогично креплению между собой ввода 5 и оболочки 8 демпфирующего устройства бугельным или болтовым соединением их фланцев либо любым другим герметичным соединением. По аналогии с приведенными примерами типов соединений может крепиться динамический затвор.
Локализующее устройство для радиографических исследований взрывных процессов работает следующим образом.
Взрывная камера устанавливается таким образом, чтобы ось потока радиографического излучения совпадала с осью диаметрально противоположных отверстий А и Б в корпусе 1.
Исследуемый объект, содержащий взрывчатое вещество, помещается во внутреннюю полость корпуса камеры через специальное загрузочное отверстие и располагается в ней таким образом, чтобы ось, проходящая через диаметрально противоположные отверстия в стенках камеры (ось потока радиографического излучения), пересекала ожидаемую область регистрации исследуемого взрывного процесса. После установки объекта загрузочное отверстие герметично закрывается крышкой 15 (фиг.1).
После взрыва в заданный момент времени импульсный поток радиографического излучения просвечивает исследуемую область объекта, при этом на входе и выходе он проходит через тонкостенные чувствительные к излучению элементы 4 из материала, слабо поглощающего и рассеивающего излучение, закрывающие отверстия в корпусе 1.
Создаваемые при взрыве нагрузки (от импульса давления ударной волны газообразных и твердых (осколков) продуктов взрыва) воздействуют на корпус 1 камеры и элементы 4 заглушек 3 уже после прохождения потока радиографического излучения. Демпфирующие устройства 2 снижают импульсное воздействие на элементы 4 заглушек за счет снижения амплитуды и увеличения длительности импульса давления. В демпфирующих устройствах, выполненных в виде цилиндрической, или расширяющейся ступенчатой цилиндрической, или расширяющейся конической оболочки 8 из стали, а также в вариантах, где внутри оболочки 8 установлены один или несколько стальных дисков 10 с центральными отверстиями, за счет расширения или частичного отражения и последующего расширения потока газообразных продуктов взрыва снижается амплитуда импульса давления. В варианте исполнения демпфирующего устройства без дисков с полостью, заполненной пористым материалом 9, за счет деформирования при сжатии материала также происходит снижение импульса давления, причем этот материал еще дополнительно частично улавливает осколки и защищает от их воздействия тонкостенные элементы 4 заглушки. В варианте, когда на диске 10 устанавливается мембрана 11, перекрывающая отверстие, происходит частичное отражение от нее продуктов взрыва, торможение осколков, при этом мембрана и диск получают пластические деформации. Если при нагружении происходит разрушение мембраны 11 и отрыв диска 10 от стенок оболочки 8, то для того чтобы предотвратить их последующий разгон продуктами взрыва и удар по элементам 4 заглушки, полость между мембраной 11 и элементом 4 заглушки заполняется пористым материалом 9, который, сжимаясь под действием движущихся диска с мембраной, создает противодавление для их торможения.
Элементы 4 заглушки, чувствительные к излучению и выполненные в виде диска или конической мембраны с фланцами, воспринимают импульсные нагрузки, ослабленные демпфирующим устройством 2, при этом они могут получать пластические деформации поглощая оставшуюся энергию взрыва. Дополнительный диск или пакет дисков 12 улавливает высокоскоростные осколки и может разрушаться от их воздействия, при этом он защищает диск 4, который обеспечивает герметичность устройства.
В случае когда при взрыве исследуемого динамического макета образуются высокоскоростные осколки, обладающие большой пробивной способностью, которые не удается затормозить указанными выше способами, для быстрого перекрытия полости оболочки 8 демпфирующего устройства в течение промежутка времени (~100 мкс) после прохождения потока излучения до подлета осколков используется динамический затвор. После его срабатывания за счет схождения стенок оболочки 8 к центру полость перекрывается, осколки улавливаются стальными стенками пережатой оболочки и не достигают тонкостенных элементов 4 заглушки. Корпус 14 динамического затвора защищает окружающую среду от продуктов взрыва используемого в нем заряда взрывчатого вещества 13.
Экспериментальные исследования показали возможность реализации технических решений, используемых в локализующем устройстве. Проведены взрывные эксперименты с макетом взрывной камеры, оснащенной различными вариантами демпфирующих устройств и заглушек, которые показали, что устройство локализует взрыв исследуемого объекта, сохраняя прочность всех элементов и герметичность конструкции. Показано, что применение различных демпфирующих устройств эффективно снижает взрывные нагрузки и позволяет минимизировать толщину и плотность материала чувствительных к излучению элементов заглушек. Проверено, что заявленные выше варианты заглушек минимальной толщины и плотности материала сохраняют в испытаниях прочность и герметичность, при этом обеспечивают минимальное ослабление и рассеивание пучка радиографического излучения, что дает возможность получить радиографические изображения высокой точности.
Предлагаемое локализующее устройство может быть использовано, в том числе (кроме элементов заглушек) многократно, в испытательных комплексах для радиографических исследований взрывных процессов.