ОБЛИЦОВКА КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и предназначена для использования в кумулятивных зарядах для прострелочно-взрывной аппаратуры, конкретно предложена эффективная облицовка кумулятивных зарядов.
При проведении прострелочно-взрывных работ в скважинах используются кумулятивные заряды. Основным элементом в конструкции заряда является облицовка. Форма и материал, из которой сделана облицовка, определяет основные характеристики кумулятивного заряда: диаметр отверстия и глубину пробития.
Основная задача при разработке кумулятивных зарядов: увеличение их пробивной способности. Для зарядов типа "ГП - глубокое пробитие " используются многокомпонентные порошковые облицовки. Основными характеристиками, определяющими эффективность перфорации, является длина канала, формируемая кумулятивной струей, которая зависит от свойств материала, его плотности, а также она должна обладать максимальным градиентом скорости вдоль кумулятивной струи.
Известна облицовка кумулятивного заряда по патенту РФ №3227307, МПК F42B 1/032, опубл. 10.05.2008 г.).
Эта облицовка выполнена однослойной из порошкового материла, в состав которого входят медь и свинец.
На фиг. 1 показана эта классическая облицовка, сформированная из многокомпонентной порошковой шихты.
Обозначения:
к
D - диаметр калибра кумулятивного заряда,
облц
1 - высота облицовки,
1
α - внешний угол наклона стенок облицовки,
2
α - внутренний угол наклона стенок облицовки.
Существует несколько способов изготовления порошковых облицовок. Первый способ реализуется с помощью вибропуансона, когда пуансон опускается в матрицу, где находиться шихта с небольшим добавлением машинного масла, в результате при вибрации обеспечивается текучесть шихты, которая выдавливается вибропуансоном и тем самым формируется порошковая облицовка.
Второй способ формирования порошковой облицовки выполняется с помощью вращающейся матрицы. Шихта за счет центробежной силы поднимается вдоль образующей матрицы, а затем происходит прессование облицовки.
Существует два типа облицовок: медно-свинцовые с добавлением машинного масла, где соотношение составляет 85-90% медного порошка, 10-15% свинцового порошка и сверх 100% машинное масло от 0,2-04%. Второй тип облицовок - это облицовки с добавлением высокоплотного компонента. Чаще всего используется вольфрамовый порошок. Соотношение компонентов примерно: 35-70% вольфрамового порошка, 20-75% медного порошка, 10-15% свинцового порошка и сверх 100%, графит 1-1,5% и машинное масло 0,2-0,4%.
Рассмотрим более подробно классическую облицовку, показанную на фиг. 1 и 2. Внутренняя поверхность облицовки соприкасается с осесимметричной шашкой разрывного заряда, угол раскрытия таких облицовок составляет примерно 45-55 градусов, угол внутренней поверхности отличается от угла внешней поверхности на 2-4 градуса. Для увеличения пробития кумулятивного заряда, в шихту, из которой формуется облицовка, добавляют вольфрамовый порошок не менее 65-75%, в этом случае разница в углах раскрытия сокращается до минимума, внешний и внутренний углы уравниваются. Это связано с тем, что изменение толщины вдоль образующей облицовки, при большой разнице в углах, может привести ее к разрушению. Увеличение массы высокоплотного компонента, в шихте, приводит к перераспределению массы вдоль образующей облицовки и когда детонационная волна схлопывает облицовку, за счет инерционности происходит запаздывание схлопывания, где толщина облицовки максимальна, что приводит, как отмечалось ранее, к ее разрушению.
На фиг. 3 показана облицовка кумулятивного снаряда сложной формы, по патенту Франции №2530800, МПК F42B 1/2, опубл., 27.01.1984 г., прототип.
Оболочка выполнена из псевдосплава порошков вольфрама и меди.
При этом массовая доля вольфрама 60%-80%, меди от 20% до 30%. Возможно добавление до 10% серебра и никеля.
Диаметр частиц вольфрама от 5 до 50 мкм.
3
Плотность спекания 15,5 г/см.
Поверхность облицовки, которая входит в гнездо разрывного заряда, имеет криволинейную поверхность, где вершина примерно 1/3 от общей высоты линейна, где внутренний и Внешней углы совпадают, затем линейный участок сопрягается с криволинейным участком, с радиусом кривизны R=200-215 мм. Такая облицовка имеет переменный градиент скорости кумулятивной струи, которая формирует канал в бетонной мишени с минимальным скин-фактором. Для увеличения пробития добавляют в шихту высокоплотный компонент в виде вольфрамового порошка. С целью сохранения целостности облицовки в шихту добавляют небольшой процент вольфрамового порошка, не более 35%, что не способствует большему увеличению пробития.
Облицовка сложной формы, показанная на фиг. 2 позволяет сформировать канал в бетонной мишени (общепринятым аналогом) глубиной 900-1000 мм.
Недостаток прототипа: невозможно дальнейшее увеличение глубины пробития брони (свыше 900-1000 мм) кумулятивным снарядом даже при увеличении % содержания вольфрама в оболочке.
Задачи создания полезной модели: увеличение глубины пробития кумулятивных зарядов и расширение арсенала средств определенного назначения, т.е. кумулятивных зарядов.
Достигнутый технический результат: увеличение глубины пробития кумулятивных зарядов на 30%…40%.
Решение указанных задач достигнуто в облицовке кумулятивного заряда, содержащей свинец и высокоплотный порошок, тем, что облицовка выполнена многослойной и содержит внутренний низкоплотный слой и внешний высокоплотный слой, при этом высокоплотный слой выполнен на внешней стороне облицовки, а в качестве высокоплотного порошка использован вольфрам в количестве от 80 до 90 мас.%.
Вольфрам может быть применен в виде частиц размерами от 5 до 50 мкм.
Облицовка может быть получена методом прессования в два приема одним пуансоном с одновременным вращением матрицы.
Сущность полезной модели поясняется на чертежах (фиг. 1-9), где:
на фиг. 1 приведен чертеж облицовки аналога,
на фиг. 2 приведен вид А на фиг. 1,
на фиг. 3 приведен чертеж облицовки прототипа,
на фиг. 4 приведена засыпка первой дозы порошкового материала в матрицу,
на фиг. 5 приведена первая операция прессования облицовки,
на фиг. 6 приведена засыпка второй дозы порошкового материала в матрицу,
на фиг. 7 приведено второе (окончательное) прессование облицовки,
на фиг. 8 приведен вид В на фиг. 7, первый вариант облицовки,
на фиг. 9 приведен вид В на фиг. 7, второй вариант облицовки.
При формировании предложенной многослойной порошковой облицовки, это когда высокоплотный компонент (порошок вольфрама) расположен не во всем объеме порошковой облицовки, а сосредоточен на внешней стороне облицовки. Такая компоновка позволяет увеличить процент содержания высосокоплотного компонента до 80%, без нарушения целостности облицовки, что позволяет увеличить пробитие на 30-40%, так как головная кумулятивная струя формируется при схлопывании облицовки из внешних слоев.
Техническое решение данной задачи представлено на фиг. 4-9.
На фиг. 4 показана матрица 1 и пуансон 2. Пуансон 2 уставлен во втулку 3, в которую засыпают первую дозу порошкового материала 4 (медно-свинцовую шихту). При вращении матрицы шихта поднимается вверх по образующей, одновременно происходит прессование пуансоном 2 низким давлением Р.
На фиг. 5 показана первичная облицовка 5, полученная после первой операции прессования. На фиг. 6 в первичную облицовку 5 засыпают вторую дозу порошкового материала 6 (шихту с большим содержанием высокоплотного компонента). В качестве высокоплотного компонента применен порошок вольфрама в количестве от 80 до 90 мас.%. Второй компонент - свинец в количестве от 10 до 20%. Свыше 100% добавляют 0,2-0,4% машинного масла.
При вращении матрицы 1, вторая доза порошкового материала 6 поднимается по образующей внешней поверхности первичной облицовки 5. На фиг. 7 показано окончательное прессование тем же самым пуансоном 2 при более высоком давлении.
В результате получается многослойная облицовка 7 (фиг. 8), которая содержит несколько слоев. На фиг. 8 многослойная облицовка 7 содержит два слоя: внутренний низкоплотный слой 8 и внешний высокоплотный слой 9. Приведенная на фиг. 9 многослойная облицовка 7 содержит три слоя: внутренний низкоплотный слой 8, внешний высокоплотный слой 9 и расположенный между ними промежуточный слой 10.
Возможны варианты с применением большего количества слоев. При этом химический состав компонентов каждого слоя и их процентное содержание может быть различным. Однако предполагается, что по мере перехода от внутреннего низкоплотного слоя 8 к внешнему высокоплотному слою 9 процентный состав высосокоплотного компонента увеличивается. Между слоями 8 и 9 нет четкой границы и возможна частичная диффузия компонентов из одного слоя в другой.
В качестве высокоплотного компонента могут быть использованы кроме порошка вольфрама порошок молибдена или меди, или стали, или их смеси.
1
2
Внешний высокоплотный слой 9 имеет толщину в пределах 0,8-1 мм, внешний и внутренний углы равны α=α, так как первичная и вторичная часть облицовки формировались одним пуансоном.
Процесс изготовления оболочек кумулятивных зарядов предложенным способом.
В матрицу 1 засыпают первую дозу порошкового материала 4 (медно-свинцовую шихту). При вращении матрицы 1 шихта поднимается вверх по образующей, одновременно происходит прессование пуансоном 2, относительно низким давлением.
Вместо меди могут быть использованы другие металлы: алюминий, сталь, кадмий, молибден.
В результате этого будет сформирована первичная облицовка 5 (фиг. 5), не содержащая вольфрама.
В первичную облицовку 5 (фиг. 6) засыпают вторую дозу порошкового материала 6 (шихту с большим содержанием высокоплотного компонента, обычно порошка вольфрама).
Осуществляют одновременное вращение матрицы 1 и повторное прессование пуансоном 2. Используется тот же пуансон 2, что и при первом прессовании. В результате получается многослойная облицовка 7 (фиг. 7), содержащая два слоя 8 и 9 (фиг. 8).
В табл. 1 Приведены результаты сравнительных испытаний прототипа и кумулятивных снарядов с предложенной облицовкой и доказательство оптимальности процентного содержания вольфрама во внешнем высокоплотном слое 9.
* - для испытанных образцов приведено процентное содержание компонентов внешнего высокоплотного слоя 9.
** - за 100% принята глубина пробития кумулятивного заряда-прототипа.
Из табл. 1 видно, что оптимальный хим. состав облицовки кумулятивных снарядов:
вольфрам
от 80 до 90%,
свинец
от 10 до 20%,
машинное масло (свыше 100%)
от 0,2 до 0,4 мас.%
Применение полезной модели позволило:
повысить пробиваемость кумулятивного снаряда на 30-40%,
использовать один пуансон для двух операций прессования,
упростить процесс прессования облицовок кумулятивных зарядов,
расширить номенклатуру кумулятивных зарядов.