СПОСОБ ВЗРЫВНОЙ РЕЗКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF METAL STRUCTURES EXPLOSIVE CUTTING

Изобретение относится к взрывным работам, к обработке металлов давлением, в частности к взрывной резке, и может быть использовано для резки корпусных конструкций сложной конфигурации из легированных сталей с толщины разрезаемой преграды до 60 мм на фрагменты, удобные для транспортировки и переплавки.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение разделки сложных металлических конструкций, например корпусов атомных подводных лодок (АПЛ) с минимальными затратами материалов и энергоносителей. Корпуса АПЛ представляют собой очень сложные конструкции, двойной цилиндр стенки которого связанны между собой силовыми межкорпусными элементами. Для изготовления корпусов и межкорпусных элементов используются высоколегированные стали. Толщина различных элементов варьируется от 4-5 мм (легкий корпус и межкорпусные элементы) до 55-60 мм (прочный корпус и отдельные силовые узлы).
Приоритетным направлением в рассматриваемой области является резка с использованием удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ). Взрывная технология разделки металлоконструкций с использованием УКЗ давно опробована, так, например, известен способ резки корпусов выведенных из эксплуатации АПЛ с помощью удлиненных кумулятивных Квазар-зарядов с использованием жидкой взрывчатой смеси (патент RU 2205767, опубл. 10.06.2003). В известном способе при вырезке трехотсечного блока утилизируемой подводной лодки УКЗ размещают за пределами этого блока на соседних с ним отсеках на расстоянии не более одной шпации. Операции вырезки этим взрывным способом производят как вне главной базы, например в заливе или бухте при волнении моря до трех баллов, так и в главной базе у причальной стенки либо в наливном бассейне. УКЗ прокладывают по ранее демонтированным кабельным трассам и трубопроводам АПЛ как внутри прочного корпуса, так и вне него. Отделенные взрывом крупные фрагменты в дальнейшем на берегу дорезают взрывным либо иным способом, например газоплазменной резкой, на фрагменты заданных размеров.
Данная технология резки предполагает использование жидкой взрывчатой смеси, что позволяет обеспечить минимальные затраты на внедрение и эксплуатационные расходы данного способа, однако при этом предполагается укладку УКЗ производить по уже имеющимся и ранее демонтированным кабельным трассам или трубопроводам, что накладывает ограничения на реализацию способа.
Известны другие способы резки металлических конструкций волнами напряжений (авторское свидетельство СССР 1820553, опубл. 20.03.1996, авторское свидетельство СССР 1820555, опубл. 10.02.1996). Оба способа состоят из двух этапов резки. На первом этапе механическим способом делают надрез на поверхности разрезаемой конструкции или пластины из такого же материала, имеющей толщину, равную толщине разрезаемой конструкции, а следующий этап осуществляют с помощью подрыва зарядов взрывчатого вещества (ВВ). В обоих способах с целью осуществления резки с заранее заданным на погонный метр реза расходом ВВ предварительно определяют площадь поперечного сечения зарядов ВВ, которые будут использовать для резки. Первый способ состоит из следующих операций. После выполнения на разрезаемой поверхности надреза механическим способом на противоположной поверхности устанавливают два одинаковых контрольных заряда ВВ, выполненных в форме усеченной пирамиды. Основания пирамиды имеют форму квадрата. Длина стороны меньшего основания равна толщине разрезаемой конструкции, а длина стороны большего основания в три раза превышает эту толщину. Заряды располагают так, чтобы между ними мог вплотную разместиться аналогичный заряд. При этом они должны быть симметричны относительно плоскости, перпендикулярной поверхности конструкции и проходящей через надрез. Затем заряды одновременно подрывают и определяют площадь их поперечного сечения в зоне начала реза и оптимальное расстояние между зарядами. Рабочие заряды выполняют из того же ВВ, что и контрольные, с поперечным сечением в форме квадрата, площадь которого равна полученной площади поперечного сечения контрольного заряда в зоне начала реза. Два одинаковых рабочих заряда размещают на поверхности конструкции, противоположной поверхности с надрезом на вычисленном расстоянии. Заряды должны быть симметричны относительно плоскости, перпендикулярной поверхности разрезаемой конструкции и проходящей через надрез. Инициирование зарядов осуществляют одновременно.
Второй из указанных выше способов включает следующие операции. На поверхности разрезаемой конструкции выполняют предварительный непрерывный надрез. Глубина надреза равномерно увеличивается до максимальной величины, равной толщине конструкции. На противоположной поверхности конструкции устанавливают два одинаковых контрольных заряда ВВ. Заряды имеют квадратное поперечное сечение и располагаются параллельно друг другу и на одинаковом расстоянии от линии надреза, находящейся на максимальной глубине. Расстояние между зарядами определяют из определенного соотношения. Затем производят одновременный подрыв со стороны меньшей глубины надреза и определяют глубину в зоне начала реза. Рабочий надрез выполняют с постоянной глубиной, величина которой не менее полученной глубины заряда. Рабочие заряды ВВ, аналогичные контрольным, размещают на поверхности разрезаемой конструкции, противоположной поверхности с рабочим надрезом.
Недостатком данных способов резки является то, что для определения необходимого количества ВВ в заряде и его поперечного сечения необходимо дополнительно проводить те же операции, используя два заряда, при этом эффективность резки зависит от точного выполнения условий и требований, предъявляемых к их размещению и форме.
Известен еще один способ резки металла путем взрывного воздействия, например линейными кумулятивными зарядами (патент RU 2056616, опубл. 20.03.1996). Способ решает задачу по повышению эффективности воздействия и безопасности работ, уменьшению вредного воздействия на окружающую среду, сокращению расхода взрывчатых веществ за счет снижения прочности перерезаемого металла. Способ заключается в том, что перед подрывом зарядов перерезаемый металл охлаждают до температуры его хладноломкости, например жидким азотом, причем используют взрывчатое вещество с высокой скоростью детонации, например выше 7500 м/с.
Недостаток данного способа связан с тем, что охлаждение металла до состояния хладноломкости - затратная процедура, кроме того, способ не всегда эффективен и носит ограниченный характер.
Из предшествующего уровня техники известен еще один способ резки металлических конструкций, приведенный в описании к патенту RU 2105946 (опубл. 27.02.1998). Известный способ включает размещение заряда ВВ на разрезаемой поверхности и его инициирование встречно направленными импульсами, перпендикулярными разрезу, при этом инициирование заряда ВВ осуществляют одновременно по всей длине. Инициирование заряда ВВ встречно направленными детонационными волнами по всей его длине позволяет создавать в разрезаемой конструкции ударные волны разрежения, распространяющиеся за ударными волнами сжатия. При их взаимодействии возникает область больших отрицательных давлений, в которой и происходит разрушение конструкции. Глубина откольного разрушения при взаимодействии ударной волны разрежения зависит от толщины слоя ВВ. Этот откол играет роль начальной трещины, которая далее распространяется к центру разрезаемой конструкции под действие простой волны разряжения в материале, не претерпевшем фазовый переход.
Недостатком известного способа является ограниченность применения, т.к. он предназначен для резки конструкций из углеродистых сталей, в которых происходит под воздействием волн фазовый переход, а для резки конструкций из легированных сталей не может быть применен.
Известен другой способ резки конструкций, реализуемый режущим устройством по заявке ЕР 0043215 (страна-заявитель GB, опубл. 06.01.1982), включающий размещение заряда ВВ на разрезаемой поверхности и его подрыв, при этом инициирование заряда ВВ производят одновременно с одного из торцов встречно направленными импульсами, перпендикулярными разрезу. При этом ударные волны, идущие в разрезаемый материал с двух сторон от линии реза, сталкиваются и распространяются по направлению, совпадающему с линией разреза. Ударные волны на определенной длине заряда ВВ начинают изменять свое направление распространение, начинают «выпрямляться» и перестают сталкиваться. Чтобы избежать это явление изменяют несколько конструкцию заряда ВВ, например, через определенные расстояния в заряде ВВ устанавливают элементы задержки, например, из металла или пластмассы. Данный способ выбран в качестве ближайшего аналога заявляемому способу резки.
Недостатком данного способа является низкая эффективность разрезания прочных толстых стальных конструкций, ограниченность в применении, т.к. позволяет резать только плоский листовой материал.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение эффективности резки толстых металлических конструкций (до 60 мм), в том числе из легированных сталей.
3
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе взрывной резки металлических конструкций, включающем формирование в разрезаемой конструкции повреждений откольного характера путем размещения на ее поверхности заряда эластичного взрывчатого вещества (ВВ) и его подрыва при одновременном инициировании с одного из торцов встречно направленными импульсами, перпендикулярными разрезу, новым является то, что предварительно на разрезаемой конструкции выполняют ослабленное сечение в виде надреза, глубина которого составляет не менее 1/6 толщины разрезаемой конструкции, путем одноточечного инициирования удлиненного кумулятивного заряда (УКЗ), который устанавливают на ее поверхность на определенном фокусном расстоянии, которое вместе с площадью поперечного сечения УКЗ выбирают в зависимости от толщины разрезаемой конструкции, после чего над надрезом размещают заряд эластичного ВВ и закрывают его подпором, представляющим собой оболочку с насыпным веществом, плотностью 1,6-1,8 г/см, поперечное сечение которого превышает не менее чем в 10 раз поперечное сечение заряда эластичного ВВ.
Выполнение на разрезаемой конструкции ослабленного сечения в виде надреза, глубина которого составляет не менее 1/6 толщины разрезаемой конструкции, позволяет обеспечить образование полости, которая в дальнейшем позволит упростить разрушение конструкции.
Одноточечное инициирование удлиненного кумулятивного заряда (УКЗ), который на определенном фокусном расстоянии устанавливают на ее поверхность, при этом фокусное расстояние и площадь поперечного сечения УКЗ выбирают в зависимости от толщины разрезаемой конструкции, позволяет выполнить тонкий надрез, который на следующем этапе резки будет раскрываться с образованием трещин.
Размещение над надрезом заряда эластичного ВВ и его инициирование с торца встречно направленными импульсами позволяет при взаимодействии детонационных волн с поверхностью разрезаемой конструкции сформировать тангенциальные ударные волны, распространяющиеся навстречу друг другу, взаимодействие которых вблизи надреза приводит к образованию растягивающих напряжений, действующих в достаточно протяженной области, при этом разрушение конструкции происходит за счет двух взаимовлияющих процессов: раскрытия надреза, сопровождаемого развитием трещин, и зарождения и развития поврежденности откольного характера.
3
Использование подпора, представляющего собой оболочку с насыпным веществом, плотностью 1,6-1,8 г/см, поперечное сечение которого превышает не менее чем в 10 раз поперечное сечение заряда эластичного ВВ, позволяет сдерживать разлет продуктов взрыва, тем самым увеличивая время и интенсивность их воздействия на разрезаемую конструкцию. Второй не маловажной ролью подпора является демпфирование воздушных ударных волн, т.е. снижение ударной нагрузки на окружающую среду.
На фиг. 1 схематично показано размещение на разрезаемой конструкции УКЗ, обеспечивающего первый этап резки, на фиг. 2 - размещение заряда эластичного ВВ, обеспечивающего второй этап резки, где: 1 - УКЗ; 2 - стойка; 3 - разрезаемая конструкция; 4 - подпор (песчано-глинистая смесь в коробе ПВХ); 5 - точки инициирования заряда эластичного ВВ; 6 - заряд эластичного ВВ.
Для взрывной резки прочного корпуса АПЛ (стали семейства АК, толщина от 23 до 60 мм) во РФЯЦ-ВНИИЭФ был разработан и прошел успешные испытания двухэтапный подход.
ВВ
На первом этапе резки на поверхность прочного корпуса АПЛ 3 при помощи пенопластовых стоек 2 устанавливали удлиненный кумулятивный заряд - УКЗ 1 (заряд октогена, запрессованный в медную облицовку m=90 гр на погонный метр) так, чтобы рез проходил параллельно бугелю на расстоянии 10-20 см от его кромки. При одноточечном подрыве УКЗ, на разрезаемой поверхности выполняется тонкий надрез (глубина не менее 1/6 толщины (~10 мм) разрезаемой конструкции) по всей требуемой длине резки. Тем самым, в разрезаемой конструкции 3 создается полость, выполняющая функцию ослабленного сечения.
ceч.BB
ceч.
ceч.BB
2
3
2
На втором этапе резки на поверхности разрезаемой конструкции 3 сверху, над полостью кумулятивного надреза, устанавливали заряд эластичного ВВ 6. Он представлял собой прямоугольник, выполненный из эластичного ВВ 6 (S от 8 см), который располагали внутри подпора 4, представляющего собой короб ПВХ, заполненный песчано-глинистой смесью (ρ=1,6 г/см S=10 S см). Инициирование заряда эластичного ВВ 6 осуществляли при помощи детонационной разводки в двух точках 5 по торцевой плоскости.
При взаимодействии детонационных волн с поверхностью разрезаемой конструкции 3 в последней возникают две тангенциальные ударные волны, распространяющиеся навстречу друг другу. Подпор сдерживает разлет продуктов взрыва заряда эластичного ВВ 6 и усиливает их воздействие на разрезаемую конструкцию 3. Взаимодействие ударных волн вблизи кумулятивного разреза приводит к образованию растягивающих напряжений, действующих на протяженной области. В результате происходит раскрытие кумулятивного реза, сопровождающееся развитием трещин, и зарождение и развитие поврежденности откольного характера.
Таким образом, данный способ резки конструкций обладает большой эффективностью и простотой, не требует большого количества затрат взрывчатого вещества и длительной подготовки к проведению работ.