облицовка кумулятивного заряда

Формула изобретения

1. Облицовка для кумулятивного заряда, имеющая состав, содержащий более 90 мас.% порошкообразного вольфрама и вплоть до 10 мас.% порошкообразного связующего, причем упомянутый состав сформован в, по существу, конусообразное тело и имеет кристаллическую структуру из, по существу, равноосных зерен с размером зерен от 25 нм до 1 мкм.

2. Облицовка по п.1, в которой размер зерен в упомянутом составе находится в диапазоне от 25 до 100 нм.

3. Облицовка по любому из предыдущих пунктов, в которой состав облицовки сформован путем прессования в виде неспеченной прессовки.

4. Облицовка по п.3, в которой связующее содержит нанокристаллический порошкообразный металл.

5. Облицовка по п.4, в которой связующее выбрано из группы, состоящей из свинца, меди, тантала, молибдена и их комбинаций.

6. Облицовка по п.3, в которой связующее содержит нанокристаллический порошкообразный неметалл.

7. Облицовка по п.6, в которой связующее содержит полимерный неметаллический материал.

8. Облицовка по любому из предыдущих пунктов, в которой связующий материал покрывает вольфрам.

9. Облицовка по п.1 или 2, в которой состав облицовки спечен.

10. Облицовка по п.9, в которой связующее содержит нанокристаллические порошкообразные медь, никель, железо, кобальт и их комбинации.

11. Кумулятивный заряд, содержащий корпус, некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, введенного в упомянутый корпус, и облицовку по любому предыдущему пункту, введенную в упомянутый корпус таким образом, что бризантное взрывчатое вещество располагается между облицовкой и корпусом.

Описание изобретения к патенту

Это изобретение относится к области зарядов взрывчатых веществ, а более конкретно - к облицовкам для кумулятивных зарядов и к составу таких облицовок.

Кумулятивные заряды содержат корпус, некоторое количество бризантного взрывчатого вещества, такого как гексаген, и облицовку, которая вставлена в бризантное взрывчатое вещество. В нефтяной и газовой промышленности облицовке часто придают конусообразную форму путем сжатия порошкообразного металла, но столь же эффективными могут быть и другие формы. Вместе с тем, в большинстве случаев облицовки делают из деформируемых металлов и сплавов множеством способов с широким ассортиментом форм и размеров. Когда бризантное взрывчатое вещество детонирует, сила детонации сплющивает облицовку и выбрасывает ее из одного конца заряда с большой скоростью в виде длинного потока материала, т.е. "кумулятивной струи". Эту кумулятивную струю материала можно впоследствии использовать для пронизывания целевого объекта.

Кумулятивные заряды используются во многих военных и промышленных целях. Например, в нефтяной промышленности кумулятивные заряды, называемые перфораторами, используются для пронизывания обсадных колонн нефтяных скважин и окружающих углеводородоносных пород.

Было выполнено множество исследований на боеголовках с кумулятивными зарядами, и конструкторы прилагают усилия, чтобы достичь наибольшей эффективности боеголовки или перфоратора, соответствующей ограничениям конкретного вида применения и требованиям перфорации.

Во многих видах применения желательно, чтобы кумулятивная струя проникала в целевой материал на как можно большую глубину. Один известный в данной области техники способ увеличения глубины проникновения заключается в увеличении количества взрывчатого вещества внутри корпуса с кумулятивным зарядом. Однако недостаток этого способа состоит в том, что часть энергии, высвобождаемой за счет детонации, распространяется в направлениях, отличающихся от направления кумулятивной струи. В случае применения в нефтяных скважинах это может привести к повреждению ствола скважины и соответствующего оборудования, что не желательно.

Другой способ максимизации глубины проникновения заключается в оптимизации всей конструкции боеголовки или перфоратора, включая способ инициирования и форму облицовки. Вместе с тем, даже если это сделано, то на количество передаваемой облицовке энергии обязательно накладывают ограничения геометрия и количество взрывчатого вещества.

Еще один способ максимизации глубины проникновения заключается в изменении материала облицовки, используемого при облицовке кумулятивного заряда. В прошлом облицовки для кумулятивных зарядов в типичном случае состояли главным образом из деформируемой меди, но в данной области техники известно, что в некоторых видах применения обладают преимуществами другие материалы. Например, в случае перфораторов для нефтяных скважин используют неспеченные (сырые) прессованные облицовки, которые содержат относительно большой процент порошков вольфрама в сочетании с мягкими металлическими или неметаллическими связующими. В патентах США №№5656791 и 5567906 описаны облицовки для кумулятивных зарядов, имеющие состав, в который входит до 90% вольфрама. Такие облицовки демонстрируют увеличенные глубины проникновения по сравнению с традиционными составами облицовок, но имеют недостаток, заключающийся в том, что они являются хрупкими.

Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать материал облицовки для кумулятивного заряда, который дает увеличенную глубину проникновения и который также частично устраняет некоторые из вышеупомянутых проблем, связанных с известными улучшенными облицовками из вольфрама.

В соответствии с настоящим изобретением предложена облицовка для кумулятивного заряда, имеющая состав, содержащий более 90 мас.% порошкообразного вольфрама и вплоть до 10 мас.% порошкообразного связующего, причем упомянутый состав сформован в, по существу, конусообразное тело и имеет кристаллическую структуру из, по существу, равноосных зерен с размером зерен от 25 нанометров до 1 микрона.

Хорошо известно, что глубина проникновения пропорциональна произведению длины кумулятивной струи на корень квадратный из степени плотности материала облицовки. Следовательно, увеличение плотности материала облицовки будет приводить к увеличению глубины проникновения кумулятивной струи. Вольфрам имеет большую плотность, так что за счет использования облицовки, которая содержит более 90 мас.% вольфрама, глубина проникновения увеличивается по сравнению с облицовками, известными, в частности, в нефтяной и газовой промышленности.

Вместе с тем, на глубину проникновения также влияет длина кумулятивной струи. Чтобы получить длинную кумулятивную струю, облицовку следует проектировать так, чтобы кумулятивная струя имела длительное время разрушения (разрыва) струи. Авторами настоящего изобретения был проведен анализ динамики облицовки кумулятивного заряда на основе физического алгоритма Зерилли-Армстронга (см. доклад В. Рамачандрана, Ф.Дж. Зерилли и Р.У. Армстронга на 120-м ежегодном собрании TMS по последним достижениям в области производства вольфрама и его сплавов, проведенном в Новом Орлеане, штат Луизиана, США, с 17-го по 21-е февраля 1991 г. (Ramachandran V., Zerilli F.J., Armstrong R.W., 120 ^th TMS Annual Meeting on Recenet Advances in Tungsten and Tungsten Alloys, New Orleans, LA, USA, February 17^th -21^st 1991) и способа Гоулдторпа (Goldthorpe) для определения неустойчивости при растяжении (представленного на 19-м Международном симпозиуме по баллистике (19^th International Ballistics Symposium), проведенном 3-7 мая 2001 г. в Швейцарии), и этот анализ показывает, что время разрушения струи обратно пропорционально скорости пластических частиц. Скорость пластических частиц является монотонной функцией размера зерен материала облицовки. Следовательно, малый размер зерен будет увеличивать время разрушения кумулятивной струи и, как следствие, будет давать большие глубины проникновения.

Было обнаружено, что при использовании зерен, имеющих размеры менее порядка 1 микрона или еще менее, проникающая способность вольфрамовой облицовки значительно увеличивается. В том смысле, в каком термин "размер зерен" употребляется в данном описании, он означает средний диаметр зерен, определенный в соответствии с "Целевым назначением Е112 Американского общества по испытанию материалов: Процедура перехвата (или Процедура Хейна)" (ASTM Destination: E112 Intercept (or Heyn) procedure).

Кроме того, если размер зерен облицовки с большим процентным содержанием вольфрама является меньшим, чем 1 микрон, то получаемая кумулятивная струя обладает свойствами, по меньшей мере сравнимыми с теми, которые получаются в случае облицовки из обедненного урана (ОУ). Следовательно, вольфрам является одним из немногих легкодоступных материалов, которые могут обеспечить серьезную альтернативу обедненному урану.

Вышеупомянутая взаимозависимость между размером зерен и временем разрушения струи обуславливает размеры зерен порядка 25 нанометров. Ниже этого нижнего предела происходит изменение микроструктурных свойств материала. Если размеры зерен меньше 25 нм, то механизм деформации управляется свойствами малоугловых и большеугловых границ зерен. Если размеры зерен составляют более 25 нм, то процесс деформации управляется дислокациями, и, кроме того, режим аккумулирования энергии в микроструктуре менее эффективен, чем при меньших размерах зерен. Различия между механизмами микроструктурной деформации приводят к получению другой микроструктуры, которая, в конечном счете, и управляет физическими свойствами материала. Это поведение механических свойств микроструктуры также не зависит от процесса, который использовался для получения наноматериалов.

При размерах зерен менее 100 нанометров вольфрам становится все более привлекательным в качестве материала облицовки кумулятивного заряда благодаря своей повышенной динамической пластичности. Упоминаемые в данном описании материалы с размерами зерен менее 100 нанометров называются "нанокристаллическими материалами".

Облицовку можно формовать либо с помощью прессования упомянутого состава с получением неспеченной (сырой) прессовки, либо с помощью спекания упомянутого состава. В случае прессования с получением неспеченной прессованной облицовки связующим может быть любой порошкообразный металлический или неметаллический материал, но в предпочтительном варианте оно содержит мягкие плотные материалы типа свинца, тантала, молибдена и графита. Удобным образом вольфрам можно покрыть материалом связующего, который может содержать металл типа свинца или неметалл, например полимерный материал.

Вместе с тем, облицовку можно удобным образом спекать с тем, чтобы получить более прочную (устойчивую) структуру. Подходящие связующие в этом случае включают в себя медь, никель, железо, кобальт и другие, причем по отдельности или в комбинации.

Нанокристаллический вольфрам можно получать посредством множества способов, таких как химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), согласно которому вольфрам можно получать восстановлением его газообразного гексафторида водородом, что приводит к получению сверхтонких порошков вольфрама.

Сверхтонкий порошок вольфрама также можно получать из газовой фазы посредством способов газоконденсации. Существуют многочисленные разновидности такого способа конденсации физическим осаждением из паровой фазы (ФОПФ).

Сверхтонкие порошки, содержащие нанокристаллические частицы, можно получать с помощью плазменно-дугового реактора, описанного в документах РСТ/GB 01/00553 и WO 93/02787.

Настоящее изобретение будет описано далее с помощью и лишь в качестве примера со ссылками на прилагаемые чертежи, среди которых:

на фиг.1 схематически представлен кумулятивный заряд, имеющий сплошную твердую облицовку в соответствии с настоящим изобретением, а

на фиг.2 показано схематическое изображение, полученное с микрофотографии и иллюстрирующее микроструктуру образцов, взятых из W-Cu-го материала облицовки.

Как показано на фиг.1, кумулятивный заряд широко распространенной обычной конфигурации содержит цилиндрический корпус 1 конической формы или металлического материала и облицовку 2 конической формы, соответствующую изобретению и в типичном случае имеющую толщину стенки, составляющую, скажем, от 1 до 5% от диаметра облицовки, а в экстремальных случаях достигающую 10% от упомянутого диаметра. Облицовка 2 установлена по плотной посадке на одном конце цилиндрического корпуса 1. В пределах объема, ограниченного корпусом и облицовкой, заключено бризантное взрывчатое вещество 3.

Подходящим исходным материалом для облицовки может быть смесь из 90 мас.% нанокристаллического порошкообразного вольфрама и оставшихся 10 мас.% нанокристаллического порошкообразного связующего материала. Связующий материал содержит мягкие металлы, такие как свинец, тантал и молибден, или такие материалы, как графит. Нанокристаллический порошковый материал такого состава можно получить посредством любого из вышеупомянутых способов.

Один из способов изготовления облицовок предусматривает прессование смеси из тщательно смешанных и гомогенизированных порошков в пресс-форме (штампе) с получением готовой облицовки в виде неспеченной прессовки. При других обстоятельствах в соответствии с этим патентом, в отличие от предыдущего варианта, можно использовать тщательно смешанные порошки точно таким же образом, как описано выше, но при этом неспеченный прессованный продукт имеет близкую к конечной форму, что позволяет реализовать некоторую разновидность процесса спекания или инфильтрации (пропитки).

На фиг.2 показана микроструктура W-Cu-го материала облицовки следующего исполнения. Облицовка была сформована из смеси, содержащей 90 мас.% нанокристаллического порошкообразного вольфрама и оставшихся 10 мас.% нанокристаллического порошкообразного связующего материала, в этом случае - меди. Эта облицовка была сформована путем спекания упомянутого состава.

Изображение, приведенное на фиг.2, получено с микрофотографий поверхности описанной облицовки с увеличением в 100 раз. Микроструктура облицовки содержит матрицу из вольфрамовых зерен 10 (темно-серого цвета) размером приблизительно 5-10 микрон и медных зерен 20 (светло-серого цвета). Если бы облицовка была сформована в виде неспеченной прессовки, то размер зерен был бы существенно меньше, например, составлял бы 1 микрон или менее.

Для специалистов в данной области техники будут очевидны изменения, которые можно внести в настоящее изобретение, конкретное описание которого приведено выше, и эти изменения следует считать находящимися в рамках объема притязаний настоящего изобретения. Например, подходящими для изготовления тонкозернистой облицовки являются и другие способы.