Статья: Разработка конструкции электродетонатора мгновенного действия повышенной безопасности для взрывных работ в нефтегазовой промышленности. Обоснование и экспериментальная проверка конструкции

Самарский государственный технический университет

Кафедра химии и технологии органических соединений азота

Разработка конструкции электродетонатора мгновенного действия повышенной безопасности для взрывных работ в нефтегазовой промышленности. Обоснование и экспериментальная проверка конструкции

Е.А. Кожевников, инженер

А.А. Гидаспов, д.х.н., профессор

С.И. Постнов, к.т.н., с.н.с.

В.А. Рекшинский, к.т.н., доцент

г. Самара

Аннотация

Предложена конструкция электродетонатора мгновенного действия повышенной безопасности, не содержащего инициирующих взрывчатых веществ, действие которого основано на режиме перехода горения бризантного взрывчатого вещества, помещенного в оболочку, в детонацию. Экспериментально проверена работоспособность конструкции.

Ключевые слова: электродетонатор без инициирующих взрывчатых веществ, оболочка, бризантные взрывчатые вещества, переход горения бризантных взрывчатых веществ в детонацию, конструкция.

E.A. Kozhevnikov, A.A. Gidaspov, S.I. Postnov, V.A. Rekshinskiy. The design of high-safety instant-action electric blasting cap for the shotfiring in petroleum industry. The substantiation and experimental check of the design

The design of high-safety instant-action electric blasting cap is offered. The blasting cap does not contain any primary explosives. The blasting cap's principle of operation is based on the deflagration-to- detonation transaction of the secondary explosive which is placed into the confinement. The operability of the offered design is experimentally checked.

Keywords: non-primary explosive blasting cap, confinement, secondary explosives, deflagration-to detonation transaction, design.

Введение

Электродетонаторы (ЭД) мгновенного действия (ЭД-М) широко используются для проведения взрывных работ в народно-хозяйственных целях. В частности, ЭД-М применяются для приведения в действие кумулятивных перфораторов для перфорации обсадных колонн при добыче нефти и природного газа [1, 2], для ведения сейсмической разведки [1, 2], для приведения в действие разного рода торпед в скважинах [3, 4], а также для подрыва кумулятивных труборезов, используемых для резки трубопроводов при их ремонте [3, 5]. Традиционно с момента изобретения А. Нобелем (1863 г.) капсюля-детонатора (КД) КД и ЭД для промышленного и военного применения снаряжаются инициирующими взрывчатыми веществами (ИВВ), в настоящее время преимущественно азидом свинца. Например, в России ЭД-М для промышленного применения выпускаются по ГОСТ 9089-75 [6, 7] (рис. 1).

Рис. 1. Промышленный ЭД-М по ГОСТ 9089-75: 1 - гильза; 2 - основной заряд БВВ; 3 - чашечка; 4 - заряд ИВВ; 5 - электровоспламенитель (ЭВ)

Недостатком ЭД-М с ИВВ является высокая опасность в обращении при производстве, хранении, транспортировке и применении из-за использования в конструкции ИВВ. Поэтому снижение опасности ЭД-М является актуальной задачей.

Информационно-технический обзор

Работы по созданию конструкции ЭД-М без ИВВ ведутся в России и за рубежом с начала 80-х гг. ХХ в. в следующих направлениях: создание ЭД-М на принципе удара по БВВ [8-10], инициирование БВВ в КД высоковольтным разрядом [7], инициирование БВВ в КД путем закачивания и последующего подрыва в КД взрывчатой газовой смеси [11-14], инициирование БВВ в КД лучом лазера [15, 16], создание ЭД-М на принципе пьезоэлектрического воздействия на БВВ [17], создание ЭД-М на принципе перехода горения БВВ в детонацию [18-24].

В ЭД-М повышенной безопасности (ЭД-М-ПБ), действие которых основано на принципе перехода горения БВВ в детонацию (ПГД), заряд БВВ делится на инициирующую и основную части (2 на рис. 1). Инициирующая часть заряда БВВ помещается в металлические цилиндрические оболочки (МЦО), имеющие внутренние каналы различной конфигурации, для обеспечения ускоренного ПГД в БВВ. С технологической точки зрения наиболее предпочтительной является МЦО с осевым цилиндрическим каналом, которая помещается в стандартную гильзу КД №8 (внешний диаметр - 7,2 мм, внутренний диаметр - 6,4 мм, длина от 50 до 70 мм). Настоящее сообщение посвящено разработке конструкции ЭД-М-ПБ на основе ПГД в МЦО с осевым цилиндрическим каналом (далее в тексте - МЦО).

Обоснование и экспериментальная проверка конструкции

Задача разработки ЭД-М-ПБ с МЦО, помещаемой в стандартную гильзу КД № 8, не так проста, как кажется на первый взгляд. Если начать исследование без какого-либо обоснования, то потребовались бы сотни или даже тысячи экспериментов по определению необходимых параметров. Для МЦО это внутренний диаметр, длина и материал МЦО. Для снаряжения МЦО это тип и плотность БВВ, тип и навеска зажигательного состава. При этом нельзя было гарантировать положительный результат таких исследований.

Свои исследования мы начали с обоснования возможности создания ЭД-М-ПБ с МЦО. Обоснование проводилось на основе анализа фундаментальных работ по изучению ПГД в БВВ, которые обобщены в монографии [25]. В них, в частности, описывается ПГД в БВВ, помещенном в МЦО. Обоснование сводилось к поиску ответа на вопрос: возможно ли размещение МЦО, в которой осуществляется полноценный ПГД, в габаритах гильзы ЭД №8?

Процесс ПГД в БВВ является многостадийным [25, 26]. Он включает в себя преддетонационные участки (I-VI) - процессы зажигания (I), послойного горения (II), конвективного горения (III), низкоскоростные режимы, которые распространяются со скоростью V_НСР меньшей, чем скорость звука в БВВ (V_ЗВ) (IV), низкоскоростную детонацию (D_НСД>V_ЗВ) (V), формирование детонационной волны с давлением P_KP во фронте (P_KP - критическое давление инициирования детонации ВВ) (VI) и детонационные участки (VII-VIII) - развитие детонации до стационарной скорости (VII) и собственно детонацию со стационарной скоростью (VIII). В [25, 27] показано, что из всех штатных БВВ наименьший преддетонационный участок (процессы I-VI) имеет тетранитрат пентаэритрита (ТЭН). В [25, 28] показано, что для ПГД в БВВ, помещенном в МЦО, должны выполняться два условия. Первое - прочность МЦО. МЦО не должна разрушаться до давления Р_КР (т.е. процессы I-VI не должны разрушать оболочку, но она может разрушаться в результате действия продуктов детонационных процессов VII-VIII). Второе условие - длина оболочки должна быть больше суммы длин преддетонационного участка (I-VI) и участка развития детонации до стационарной скорости (VII) для того, чтобы в МЦО успел развиться режим детонации с постоянной скоростью (VIII).

Известно [29, 30], что прочность МЦО зависит от двух основных факторов. Первый фактор - материал оболочки, который определяется значениями предела текучести (у_S), предела кратковременной прочности (у_В) и динамического предела кратковременной прочности оболочки (у_ДВ). Второй фактор - соотношение б₀ = D/d, где D - внешний диаметр оболочки, а d - диаметр осевого канала, т.е. б₀ опосредованно учитывает толщину стенки оболочки.

В [25] детально изучен процесс ПГД ТЭНа плотностью 1,45 г/см³ в оболочках из Ст45 (у_S = 245 Мпа, у_В = 470 МПа), внутренним диаметром d₁ = 5 мм и изменяющимся наружным диаметром D₁ (б₀ от 1,2 до 7,8). Показано, что при б₀?2,2 (наружный диаметр D₁?11 мм) происходит надежный ПГД ТЭНа на участке длиной l = 15 мм с последующей детонацией. Т.е. начиная с соотношения б₀ = 2,2 прочности оболочки достаточно для прохождения в ней режима ПГД ТЭНа.

Нами выдвинуто предположение о том, что если прочность оболочки с D₁ = 11 мм и d₁ = 5 мм (б₀ = 2,2) достаточна для обеспечения ПГД в ТЭНе при длине МЦО l ?15 мм, то оболочка из Ст45 с меньшими диаметрами (D₂ и d₂), но с тем же их соотношением б₀ будет обладать достаточной прочностью для обеспечения надежного ПГД в ТЭНе. Для МЦО с б₀ = 2,2, помещаемой в гильзу КД №8, внешний диаметр оболочки (D₂) равен внутреннему диаметру гильзы (D_г) (D₂ = D_г = 6,4 мм). Это позволило путем расчета получить диаметр d₂. Искомый d₂ = D₂/б₀ = 6,4/2,2 = 2,9 мм. Это значение в технологическом плане является приемлемым для снаряжения МЦО ТЭНом путем одностороннего прессования. Таким образом, на основании фундаментальных работ появилась определенность с БВВ - ТЭН, его плотностью - с = 1,45-1,5 г/см³, с МЦО - материал сталь Ст45, внутренний диаметр d₂ = 2,9 мм при внешнем диаметре D₂ = 6,4 мм.

Длина участка l = 15 мм, приведенная в работе [25], в условиях ЭД-М-ПБ могла быть и больше, и меньше этого значения, т.к. условия зажигания ТЭНа в МЦО в ЭД-М-ПБ от ЭВ отличаются от условий зажигания ТЭНа в работе [25]. Можно определить максимально допустимую длину МЦО, которая могла бы разместиться в гильзе КД № 8. Стандартная гильза КД № 8 имеет длину до 70 мм [7]. Часть этой гильзы (примерно 20 мм) будет заполнена основным зарядом из гексогена (m = 1 г при плотности с = 1,55 г/см³) [7]. Часть гильзы (примерно 25 мм) займет электровоспламенитель (ЭВ). Исходя из этого длина МЦО для гильзы длиной 70 мм не должна превышать l_max = 25 мм. Таким образом, появилась отправная точка для постановки экспериментов по определению длины МЦО и проверке работоспособности конструкции ЭД-М-ПБ.

Изготовление ЭД-М-ПБ проводилось следующим образом. МЦО из стали Ст45 с внешним диаметром D = 6,4 мм и внутренним диаметром d = 2,9 мм соответствующей длины (табл. 1) снаряжалась путем запрессовки навески 30-50 мг воспламенительного состава, содержащего титан (40-60%) и свинцовый сурик (40-60%) [31]. На воспламенительный состав запрессовывалось порционно от 3 до 5 навесок ТЭНа по 50 мг до с = 1,45-1,5 г/см³. Число навесок зависело от длины МЦО (табл. 1). В стандартную гильзу КД №8 запрессовывался основной заряд - 0,5 г гексогена (RDX) с плотностью 1,5-1,55 г/см³. Длина гильзы подбиралась в зависимости от длины МЦО таким образом, чтобы расстояние от капельки ЭВ до торца МЦО было в пределах 3_4 мм. В гильзу, снаряженную RDX, с натягом запрессовывалась снаряженная МЦО. В дульце гильзы вводился ЭВ и закреплялся там путем обжима на стандартном для этих целей устройстве. Конструкция ЭД-М-ПБ приведена на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция ЭД-М-ПБ:1 - ЭВ; 2 - гильза; 3 - воспламенительный состав; 4 - инициирующий заряд ТЭНа; 5 - МЦО; 6 - основной заряд RDX

Испытания ЭД-М-ПБ проводились по стандартной методике [32, 33], основанной на пробитии отверстия в свинцовой пластине толщиной 5±0,1 мм при взрыве ЭД, установленного до взрыва на этой пластине. Схема испытаний ЭД-М-ПБ приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема установки для испытания ЭД-М-ПБ:1 - подрывная кабина; 2 - ЭД-М-ПБ; 3 - электропровода; 4 - свинцовая пластина; 5 - отрезок трубы; 6 - устройство для подачи электрического импульса на ЭВ

По ГОСТ 9089-75 промышленные ЭД-М, снаряженные ИВВ, должны обеспечивать в условиях испытаний пробитие пластины с d_OTB?7,2 мм.

Внешний вид свинцовой пластины до подрыва и после подрыва при положительном результате испытаний представлен на рис. 4, а и 4, б соответственно.

а б

Рис. 4. Внешний вид свинцовой пластины: а - до испытаний; б - при положительном результате испытаний (d_отв = 11±0,3 мм)

Результаты испытаний ЭД-М-ПБ с МЦО различной длины и комментарии к ним приведены в таблице и на рис. 5.

Таблица

Экспериментальные данные испытания ЭД-М-ПБ с МЦО различной длины