ДЕТОНИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО МЕХАНИЧЕСКОГО ВЗРЫВАТЕЛЯ
IMPACT FUSE PRIMING CHARGE

Техническое решение относится к взрывным работам, а точнее к взрывателям, срабатывающим от заданного механического усилия, и может быть использовано при разработке конструкции детонирующего устройства ударного механического взрывателя.
Известно детонирующее устройство механического взрывателя (см. патент РФ №2083948, МПК 8 F42C 19/10, 1997). Это детонирующее устройство механического взрывателя применяется для инициирования взрывной цепи кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на насосно-компрессорных трубах (НКТ), и содержит корпус с расположенными в нем последовательно капсюлем-детонатором, представляющим собой шашку бризантного взрывчатого вещества (ВВ), запрессованного в металлическую втулку, передаточным зарядом и детонатором. Между передаточным зарядом и капсюлем-детонатором в корпусе выполнен осевой канал, над капсюлем-детонатором расположен цилиндрический боек, между капсюлем-детонатором и бойком установлен деформируемый элемент из инертного материала (алюминиевой фольги). Корпус детонирующего устройства выполнен в виде втулки и гильзы, скрепленных гайкой, торцевая поверхность которой расположена выше торцевой поверхности бойка.
Недостаток данной конструкции детонирующего устройства механического взрывателя заключается в том, что устройство обладает низкой надежностью срабатывания при установленной (регламентированной) величине минимальной механической энергии удара, необходимой для подрыва капсюля-детонатора. Это связано с тем, что закрепление бойка во втулке осуществляется с помощью клея. При установке бойка не исключается затекание клея на деформируемый элемент и капсюль-детонатор, что приводит к увеличению площади склеивания и, как следствие, к увеличению прочности клеевого соединения на сдвиг. Это в свою очередь приводит к отказу - несрабатыванию детонирующего устройства при установленной минимальной величине энергии ударного импульса, которая задается конструкцией спускового механизма взрывной головки и является величиной, постоянной для данного типа головки.
Известно детонирующее устройство механического взрывателя (см. патент РФ №2202765, МПК 8 F42C 19/10, 2003). Это детонирующее устройство механического взрывателя применяется в термобаростойкой взрывной головке кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на НКТ, и содержит корпус с расположенными в нем последовательно капсюлем-детонатором, выполненным из бризантного ВВ, передаточным зарядом и детонатором, осевым каналом, выполненным в корпусе между передаточным зарядом и капсюлем-детонатором, и цилиндрическим бойком, расположенным над капсюлем-детонатором, при этом корпус выполнен в виде втулки и гильзы, скрепленных гайкой, торцевая поверхность которой расположена выше торцевой поверхности бойка, а в гильзе, в зоне расположения передаточного заряда, выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом. Устройство снабжено фиксирующим элементом в виде цилиндрического колпачка из твердого металла, закрепленным на наружной поверхности втулки и опирающимся на боек, свободно установленный во втулке на капсюль-детонатор, при этом закрепление фиксирующего элемента на поверхности втулки осуществляется при помощи эластичного материала.
Недостаток данной конструкции детонирующего устройства механического взрывателя заключается в том, что эластичный термостойкий материал (герметик кремнийорганический ВГО-1), закрепляющий фиксирующий элемент на втулке, обладает недостаточной величиной прочности на сдвиг, вследствие чего при воздействии значительных механических ударных и вибрационных нагрузок, возникающих при спуске перфоратора в скважину, не исключена возможность срыва фиксирующего элемента со втулки и выпадения бойка из отверстия втулки, что приводит к отказу детонирующего устройства.
Из известных детонирующих устройств механического взрывателя наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является детонирующее устройство механического взрывателя, описанное в патенте РФ №2233428, МПК 8 F42В 19/10, 2004. Это детонирующее устройство механического взрывателя применяется в термобаростойкой взрывной головке кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на НКТ, и содержит корпус с расположенными в нем последовательно цилиндрическим бойком, деформируемым элементом, капсюлем-детонатором, выполненным из бризантного взрывчатого вещества, осевым каналом, передаточным зарядом и шашкой-детонатором, при этом цилиндрический боек выполнен ступенчатым, а его фиксация на поверхности деформируемого элемента осуществлена гайкой, наворачиваемой на корпус устройства и имеющей перегородку с отверстием, диаметр которого равен меньшему диаметру ступенчатого цилиндрического бойка. Передаточный заряд и шашка-детонатор выполнены в виде отдельной законченной сборки, содержащей цилиндрический алюминиевый колпачок с запрессованной в нем на 1/2 высоты навески порошка бризантного ВВ, вставленной вплотную к шашке-детонатору из термопластичного бризантного ВВ, закрытой снизу также алюминиевым цилиндрическим колпачком, при этом алюминиевый колпачок с передаточным зарядом из бризантного ВВ имеет в донышке отверстие, соосное с осевым каналом корпуса устройства, шашка-детонатор выполнена с кумулятивной выемкой, облицованной металлической фольгой, а сборка передаточный заряд - шашка-детонатор зафиксирована в нижнем отверстии корпуса устройства гайкой, в перегородке которой выполнено отверстие, диаметр которого меньше диаметра алюминиевого колпачка шашки-детонатора.
3
Недостаток известной конструкции детонирующего устройства механического взрывателя заключается в том, что сборка устройства сопряжена с повышенной опасностью. Это связано с тем, что закрепление бойка в отверстии корпуса осуществляется гайкой, наворачиваемой на корпус и имеющей перегородку с отверстием, плечики которого плотно прижимают боек к поверхности деформируемого элемента из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм, установленного на капсюль-детонатор. Определяющим параметром при изготовлении капсюля-детонатора является плотность шашки бризантного ВВ октогена, равная ~1,6 г/см при массе навески ВВ, равной ~0,020 г. Плотность шашки обеспечивается строго нормированной величиной давления запрессовки навески ВВ, и при отклонении массы навески ВВ и (или) диаметра отверстия под шашку капсюля-детонатора высота последней после запрессовки может быть различна. Поэтому в случае даже незначительного превышения высоты шашки капсюля-детонатора от расчетного значения ступенька бойка выступает над поверхностью корпуса. При затягивании гайки происходит касание перегородки гайки поверхности ступеньки бойка, вращение бойка вокруг своей оси за счет сил трения между ними, осевое сжатие деформируемого элемента и его трение по поверхности шашки ВВ капсюля-детонатора. В случае попадания между данными поверхностями каких-либо твердых частиц (металлическая крошка, песчинки, стекло и т.п.) возможно возбуждение взрыва в капсюле-детонаторе.
Другим недостатком данного детонирующего устройства механического взрывателя является то, что устройство обладает недостаточной надежностью срабатывания при установленной величине минимальной механической энергии удара. Это связано с тем, что капсюль-детонатор выполнен из штатного ВВ октогена по ОСТ В 84-1344-76, который представляет собой смесь кристаллических частиц ВВ различной формы и размеров. При этом наличие мелкокристаллических и пылевидных частиц ВВ в штатном октогене (проход через сетку со стороной ячейки 0,1 мм) допускается настоящим стандартом в количестве до 38%. Наличие таких фракций ВВ в прессованной шашке капсюля-детонатора снижает его чувствительность к механическому удару по сравнению с капсюлем-детонатором, выполненным из крупнокристаллических частиц ВВ. Это объясняется увеличением расхода части энергии удара на преодоление сил трения между мелкими и пылевидными частицами ВВ при их сжатии, а также уменьшением размеров и количества газовых (воздушных) включений в шашке, являющихся одним из факторов возникновения очагов разогрева ВВ и последующего воспламенения капсюля-детонатора.
3
3
Другим недостатком известной конструкции детонирующего устройства механического взрывателя является недостаточная надежность передачи детонации через нормированный воздушный зазор шашке-приемнику первого модуля перфоратора, расположенной на одной оси с шашкой-детонатором. Это связано с тем, что передаточный заряд, запрессованный в алюминиевый колпачок до плотности 1,5…1,6 г/см, имеет малую протяженность (~2 мм). При воспламенении передаточного заряда через осевой канал продуктами горения капсюля-детонатора, при отсутствии преддетонационного участка ввиду малой протяженности передаточного заряда процесс горения передаточного заряда характеризуется нестабильностью, вследствие чего не исключена возможность прерывания перехода горения в нормальную детонацию шашки-детонатора, имеющей более высокую плотность (1,8 г/см). В этом случае происходит лишь высокоскоростное горение передаточного заряда и далее шашки-детонатора вместо ее детонации и, как следствие, отказ в передаче детонации на данном участке взрывной цепи перфоратора.
Задачей предложенного технического решения является повышение безопасности при сборке устройства за счет обеспечения зазора между внутренней поверхностью перегородки гайки и торцевой поверхностью ступеньки бойка в процессе затягивания гайки на корпусе устройства, повышение надежности срабатывания детонирующего устройства при установленной величине минимальной энергии удара и снижение величины минимальной энергии удара, необходимой для задействования устройства, путем использования в капсюле-детонаторе бризантного ВВ с размерами кристаллических частиц ВВ не менее 0,2 мм, повышение надежности передачи детонации через нормированный воздушный зазор шашке-приемнику взрывной цепи первого модуля перфоратора путем использования передаточного заряда в виде шашки, имеющей однородную структуру по всей ее длине и состоящей из не менее трех навесок бризантного ВВ, последовательно запрессованных в корпус с нормированным усилием.
Поставленная задача решается за счет использования детонирующего устройства механического взрывателя, содержащего корпус с расположенными в нем последовательно цилиндрическим бойком, выполненным ступенчатым, деформируемым элементом, капсюлем-детонатором, выполненным из бризантного ВВ, осевым каналом, передаточным зарядом и шашкой-детонатором, выполненными из бризантного ВВ, при этом закрепление бойка на поверхности деформируемого элемента осуществляется гайкой, наворачиваемой на корпус устройства и имеющей перегородку с отверстием, диаметр которого равен меньшему диаметру ступенчатого цилиндрического бойка, торцевая поверхность гайки расположена выше торцевой поверхности бойка, а в корпусе, в зоне расположения передаточного заряда, выполнены радиальные отверстия, заполненные легкоплавким сплавом, где в отличие от известной конструкции ступенчатый цилиндрический боек установлен с утопанием торцевой поверхности ступеньки бойка на 0,10…0,15 мм относительно торцевой поверхности корпуса, что обеспечивает зазор и гарантированное отсутствие трения между перегородкой гайки и поверхностями бойка, деформируемого элемента и капсюля-детонатора при затягивании гайки на корпусе устройства, а соответственно, и безопасность при сборке устройства.
Поставленная задача решается также тем, что капсюль-детонатор выполнен из бризантного ВВ октогена с размерами кристаллических частиц ВВ не менее 0,2 мм, являющихся остатком на сетке со стороной ячейки 0,2 мм при рассеве штатного октогена по ОСТ В 84-1344-76. Использование в капсюле-детонаторе крупнокристаллических частиц ВВ повышает его чувствительность к механическому удару и, соответственно, повышает надежность срабатывания капсюля-детонатора при установленной величине минимальной энергии удара, а также снижает величину минимальной энергии удара, необходимую для образования очагов разогрева ВВ и воспламенения капсюля-детонатора.
Поставленная задача может быть решена также тем, что передаточный заряд выполнен в виде шашки, состоящей из не менее трех навесок бризантного ВВ, последовательно уплотненных путем их порционной запрессовки в корпус с нормированным усилием. Это позволяет получить однородную структуру передаточного заряда по всей его длине и исключает возможность появления зазора между осевым каналом и приемной частью передаточного заряда при воздействии механических нагрузок, возникающих в процессе спуска перфоратора в скважину. Однородная структура передаточного заряда улучшает также условия перехода горения при развитии взрывного процесса в стабильный режим нормальной детонации, которая передается далее шашке-детонатору. Это обеспечивает срабатывание шашки-детонатора с максимальной энергией и повышает надежность передачи детонации через нормированный воздушный зазор во взрывную цепь перфоратора.
Проведенный анализ общедоступных источников информации об уровне техники не позволил выявить техническое решение, тождественное заявленному, на основании чего делается вывод о неизвестности последнего, т.е. соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «новизна».
Сопоставительный анализ заявленного решения с известными техническими решениями позволил выявить, что представленная совокупность отличительных признаков неизвестна для специалиста в данной области и не следует явным образом из известного уровня техники, на основании чего делается вывод о соответствии представленного в настоящей заявке изобретения критерию «изобретательский уровень».
Для пояснения изобретения ниже приводится конкретный пример выполнения изобретения.
На чертеже изображено детонирующее устройство механического взрывателя.
Устройство состоит из корпуса 1, содержащего последовательно на одной оси ступенчатый цилиндрический боек 2, деформируемый элемент 4, капсюль-детонатор 5, осевой канал 6, передаточный заряд 7, шашку-детонатор 8, и гайки 3.
Боек 2 установлен в корпус 1 на деформируемый элемент 4 с утопанием торцевой поверхности ступеньки бойка относительно торцевой поверхности корпуса 1 и закрепляется гайкой 3, наворачиваемой на корпус устройства и имеющей в перегородке отверстие, диаметр которого равен меньшему диаметру ступенчатого бойка, при этом торцевая поверхность гайки расположена выше торцевой поверхности бойка.
Между капсюлем-детонатором 5 и передаточным зарядом 7 в корпусе 1 имеется осевой канал 6. Передаточный заряд 7 выполнен в виде шашки, состоящей из не менее трех навесок бризантного ВВ октогена, последовательно уплотненных путем их порционной запрессовки в корпус 1. Шашка-детонатор 8 представляет собой алюминиевый колпачок 9 с запрессованной навеской бризантного ВВ октогена. В корпусе 1 в зоне расположения передаточного заряда, выполнены радиальные отверстия 10, заполненные легкоплавким сплавом.
Примером конкретного выполнения заявленного технического решения является детонирующее устройство механического взрывателя на основе бризантного ВВ октогена.
В этом устройстве (см. чертеж) изготовленный из закаленной стали боек 2 имеет ступенчатую форму - больший диаметр на длине 4,6 мм равен 3,0 мм, меньший диаметр на длине 3,4 мм равен 2,7 мм.
Капсюль-детонатор 5 представляет собой навеску бризантного ВВ октогена массой 0,026…0,028 г с размерами кристаллических частиц ВВ не менее 0,2 мм, полученных путем рассева штатного октогена и являющихся остатком на сетке со стороной ячейки 0,2 мм, запрессованного в верхнее отверстие корпуса 1. На капсюль-детонатор 5 установлен деформируемый элемент 4, представляющий собой диск из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм и диаметром, равным диаметру отверстия под боек.
Боек 2 установлен в отверстие корпуса 1 большим диаметром на деформируемый элемент 4 с утопанием торцевой поверхности ступеньки бойка на величину 0,10…0,15 мм относительно торцевой поверхности корпуса. Нормированное утопание бойка обеспечивают путем запрессовки навески ВВ с установленным на нее деформируемым элементом на глубину 4,70…4,75 мм пуансоном калиброванной длины до смыкания последнего с торцевой поверхностью корпуса (рабочая часть пуансона на 0,10…0,15 мм длиннее части бойка диаметром 3,0 мм). Таким образом, при установке бойка на деформируемый элемент получают гарантированный зазор 0,10…0,15 мм между торцевой поверхностью ступеньки бойка и торцевой поверхностью перегородки гайки, при этом величина зазора не зависит от отклонений массы навески ВВ и диаметра отверстия. Радиальный зазор между бойком и отверстием составляет 0,01…0,09 мм по диаметру.
+0,1
Закрепление бойка 2 в отверстии корпуса 1 осуществлено гайкой 3, наворачиваемой на корпус 1 и имеющей перегородку толщиной 0,5…1,0 мм и отверстие диаметром 2,7 мм, при этом плечики отверстия перегородки гайки запирают боек в отверстии корпуса, что предотвращает возможность его извлечения. На резьбу корпуса 1 устройства на высоту накручивания гайки 3 нанесен слой эпоксидного клея для фиксации конечного положения гайки.
Осевой канал 6, просверленный в корпусе со стороны капсюля-детонатора, имеет диаметр 0,5 мм.
Диаметр и длина передаточного заряда 7 составляют соответственно 4 мм и 36 мм. Передаточный заряд изготовлен из бризантного ВВ октогена путем порционной запрессовки в нижнее отверстие корпуса 1 последовательно трех навесок октогена общей массой 0,725±0,005 г с нормированным усилием запрессовки каждой навески 50 кгс. Масса первой навески, формирующей приемную часть передаточного заряда (непосредственно за осевым каналом), составляет ~100 мг, массы двух последующих навесок - по 310 мг.
3
Шашка-детонатор 8 представляет собой навеску бризантного ВВ октогена, запрессованного до плотности 1,6 г/см в алюминиевый колпачок 9 с наружным диаметром 6,0 мм и высотой 4,4 мм. Шашка-детонатор 8 установлена в нижнее отверстие корпуса 1 с обеспечением плотного контакта с передаточным зарядом 7 и закреплена в корпусе при помощи эпоксидного клея.
В корпусе 1 со стороны осевого канала 6 в зоне расположения передаточного заряда 7 выполнены 4 радиальных отверстия 10 диаметром 2,5 мм, заполненные легкоплавким сплавом ПОССу 40-2.
Устройство работает следующим образом. При механическом ударе по бойку 2 (см. чертеж), установленному свободно в отверстии корпуса 1 и закрепленному на деформируемом элементе 4 при помощи плечиков отверстия перегородки гайки 3, происходит сдвиг бойка внутри отверстия корпуса 1 и воздействие бойка 2 на капсюль-детонатор 5 через деформируемый элемент 4. В процессе уплотнения капсюля-детонатора 5 и перетекания ВВ в осевой канал 6 происходит образование очагов разогрева, в результате чего ВВ воспламеняется и продуктами горения через осевой канал 6 зажигает в свою очередь передаточный заряд 7.
Горение передаточного заряда 7 в условиях замкнутого объема при все возрастающем давлении ускоряется и на преддетонационном участке переходит в нормальную детонацию, которая передается далее шашке-детонатору 8. Радиальные отверстия 10, расположенные со стороны осевого канала, служат для разгрузки избыточного давления внутри корпуса 1 в начальный момент детонации, что обеспечивает создание стабильного режима низкоскоростной детонации передаточного заряда 7.
Шашка-детонатор 8 срабатывает, и энергия взрыва, проходя через воздушный зазор, вызывает детонацию шашки-приемника взрывной цепи первого модуля перфоратора.
Предложенное детонирующее устройство механического взрывателя по сравнению с лучшими образцами аналогичного оборудования позволяет использовать его в составе термобаростойкой взрывной головки для надежного подрыва кумулятивных перфораторов, спускаемых в нефтяные и газовые скважины на НКТ.
Выполнение детонирующего устройства механического взрывателя описанным выше образом обеспечивает достижение технического результата, который выражается в следующем:
1. Повышается безопасность при сборке устройства за счет гарантированного зазора между внутренней поверхностью перегородки гайки и торцевой поверхностью ступеньки бойка в процессе затягивания гайки на корпусе устройства.
2. Обеспечивается гарантированная и постоянная величина ударной энергии воздействия бойка на капсюль-детонатор за счет свободного положения бойка в отверстии корпуса.
3. Повышается надежность срабатывания устройства при установленной величине минимальной энергии удара, и снижается величина минимальной энергии инициирующего механического импульса за счет использования в капсюле-детонаторе бризантного ВВ с размерами кристаллических частиц ВВ не менее 0,2 мм.
4. Повышается надежность передачи детонации от детонирующего устройства механического взрывателя через воздушный зазор шашке-приемнику взрывной цепи первого модуля перфоратора за счет использования передаточного заряда, имеющего однородную структуру и состоящего из не менее трех навесок бризантного ВВ, последовательно запрессованных в корпус с нормированным усилием.
Работоспособность и надежность срабатывания предложенного детонирующего устройства механического взрывателя подтверждена экспериментально на промышленных образцах изделия при их испытаниях на копровой установке K-44-II.