大孔径双向聚能射孔弹的研究

大孔径双向聚能射孔弹的研究

王赫

(大庆油田射孔器材有限公司黑龙江大庆市163511)

摘要：由于对国内聚能射孔器产品在高温条件下性能变化规律认识不足，在射孔作业过程中，出现了一系列的问题，主要为射孔过程中出现断爆、爆燃、炸枪，甚至落井、卡井等事故，严重影响正常的射孔作业。目前，国内大部分高温井首选使用国外的耐高温射孔器材产品。在炸药的爆轰波作用下，板材冲压成型的小锥角药型罩被压合，形成速度较高的射流和速度较低的杵体；而大锥角药型罩向内压合部分显著减少，相应地射流和杵体之间的速度差随之减少当半锥角接近７５°时，射流和杵体速度接近，将形成爆炸成型弹丸。

关键词：大孔径双向聚能；射孔弹；

射孔弹产品在保证穿深的同时不能满足大孔径的要求，射孔密度也较小。所以国内外学者热衷于研究同时具备高穿深、大孔径、高孔密优点的射孔弹。根据能量守恒原理，提高射孔深度必然以牺牲射孔孔径为代价，反之亦然。因此，如何优化射孔弹的装药结构和药型罩形状，对于提高射孔弹装药的能量利用效率尤其重要。

一、聚能射孔弹简介

油气井用聚能射孔弹，按其装填炸药的耐热性可分为3类:1)普通射孔弹，主装药是黑索今(RDX)为主的混合炸药;2)高温射孔弹，主装药是奥克托今(HMX)为主的混合炸药;3)超高温射孔弹，主装药是六硝基茋(HNS)、皮威克斯(PYX)等为主的混合炸药［4-5］。RDX、HMX、HNS和PYX都属于高温耐热炸药，有确定的熔点。从外形、尺寸、装药品种、装药数量来分类，有许多规格型号。但从弹的主体结构上讲，大致可按有无压盖来分类。带压盖的射孔弹经预处理去掉压盖，在生产实际中报废的聚能射孔弹中无压盖的占到总量的90%。

二、大孔径双向聚能射孔弹的研究

1计算模型。本文所采用的有限元显式动力分析软件的显式算法特别适合分析此类高度非线性的复杂力学过程,以期能够真实地反映药型罩的压垮、射流形成及拉伸、断裂的过程和聚能射流对射孔枪的侵彻,即破甲过程。射孔枪通常由无缝钢管制成,枪身内壁有定位和紧锁机构,确保了枪体内的每发射孔弹都能对准枪体盲孔位置。在对模型进行分析的基础上,给出如下基本假设:炸药、药型罩和射孔枪壁都是均匀连续介质,整个爆炸过程为绝热过程,计算采用顶部中心点起爆,忽略弹壳对射流的影响,装药及侵彻结构是轴对称结构。由于药型罩在爆炸作用下形成射流的过程中存在大变形大应变,使用Lagerange算法会造成单元严重畸变,因此需要使用自适应网格。聚能射流的形成及破甲过程的数值模拟结果分别是各个典型时刻聚能的形成和侵彻射孔枪壁即破甲过程的等效应力云图。在爆轰产物的作用下药型罩向对称轴线运动、碰撞,射流头部已经形成,此时,最大应力发生在距药型罩锥顶一定距离处,时炸药基本爆轰完毕,对射流的形成影响很小,因此删除炸药PART和炸药与金属药型罩间的接触,药型罩向轴线闭合运动时,由于金属质量收缩到直径较小的区域,因此罩壁必然冲厚,同时在枪壁处碰撞,在碰撞点附近周围区域形成高温、高压高应变区,并穿透枪壁;射流拉伸、颈缩,直到断裂为小段,各小段射流的长度不再发生变化,继续运动时,隔断射流间距逐渐加大。

2.炸高对聚能射流侵彻作用的影响。本研究利用数值模拟方法研究该双锥药型罩的射流成型机理，并计算其射流参数。然后对不可压缩流体力学理论中的射流侵彻公式稍作修正，结合数值模拟结果，计算该射孔弹的侵彻钢靶深度。最后，通过实验验证数值模拟、理论计算方法的可行性，以及检验该双向聚能射孔弹的侵彻性能。射孔弹药型罩底径端面到靶板之间的垂直距离,即所谓的炸高,影响着聚能射流对靶板(这里是射孔枪壁)的侵彻深度,也就是破甲深度。作为算例,在前述模型数据的基础上,使用实验参数,以期找到炸高这一参数对侵彻深度的影响。随着炸高增加,射流可以充分地得到拉伸,射流头部速度增加,侵彻深度提高;但是另一方面,随着炸高的增加,射流头部速度又降低,侵彻深度也有降低。在116倍炸高即炸高为30.56mm时,从显式动力分析的后处理程序中得到的结果显示,射流在充分拉伸过程中不稳定,原因是产生了径向能量分散和摆动,过早的断裂影响了侵彻深度。

3.平地烧毁聚能射孔弹的方法及原理。小于临界直径的炸药，在一定的条件下只发生燃烧而不发生爆炸，但在燃烧状况下的炸药，如果处于封闭或不利于气体扩散的情况下，也可能由燃烧转为爆炸。例如无引信的迫击炮弹一类的装药弹体，在旋卸掉防潮盖后，让炸药裸露，然后对其适当加热引燃，其内部装药会平稳燃烧，不发生爆炸，从而达到将其去功能化销毁。聚能射孔弹与无引信迫击炮弹相比，虽有一个传爆孔，但孔径太小，而在开口方向，药型罩将炸药封闭，炸药不能裸露。平地烧毁聚能射孔弹就是在普通环境温度下开始对弹体进行不均匀加热，利用钢壳体、炸药、铜药型罩受热膨胀率的不同，使粘压在炸药柱内锥面上的药型罩涨松脱，炸药在裸露状态下熔化、被引燃，内部装药会平稳燃烧而不发生爆炸，从而将其顺利销毁。一般弹药燃烧时能量释放的快慢受燃烧材料的组成、密度、湿度、数量、堆积方式、空气中的暴露面积等影响。无壳体的火炸药，基本能自维持燃烧销毁;带壳体的火炸药，一般不能自维持烧毁，需要添加适量引燃、助燃材料，并且要考虑引、助燃材料对其燃速的影响，防止燃烧失控而发展成爆燃或爆炸。所以，带壳装药体如聚能射孔弹的选择烧毁方法很关键。

4.药型罩粉末分析。单颗粒的性质主要有理论密度、点阵结构、熔点、塑性、弹性、化学成分、电磁性质等。在选材时，除了尽量选用理论密度大、弹塑性高的物质外，要结合烧结温度对材料的熔点进行考虑。不同的粉末生产方法所生产的粉末其性质也不同，如粒度、颗粒形状、密度、表面状态、晶粒结构、点阵缺陷、颗粒的气体含量、氧化物、活性等特性。其中颗粒形状有球形、近球形、树枝状、片状、碟状、三角形、不规则形等形状。晶粒结构有单晶颗粒、多晶颗粒等。选用材料时，应选取不同的颗粒形状、晶粒结构的、粒度物质进行搭配，以提高药型罩的致密性和密度。经试验发现，表面发达和不发达的颗粒互相搭配使用，对最终的药型罩穿深有很大提高，粉末药型罩的粒度配级比成分配比具有更重要的作用，合适的粒度配级能明显提高射流的侵彻深度。除了单颗粒的性质以外，粉末体的性质如平均粒度、颗粒组成、比表面、松装密度、振实密度、流动性、压缩性、成形性、颗粒间的摩擦状态等对药型罩的性能也有重要影响。其中流动性是一个非常重要的工艺性能，它对生产工艺的稳定以及产品质量优劣都有重要影响。压缩性是金属粉末在规定压制条件下被压紧的能力，成形性是指粉末压制后压坯保持既定形状的能力。一般来说，成形性好的粉末，往往压缩性差，压缩性好的粉末，成形性差，颗粒越细的粉末成形性好，而压缩性却较差。所以在选用材料时，材料应具备适中的压缩性和成形性，从而提高药型罩的成形质量和穿深能力。

由于爆炸实验费用昂贵,试验过程也比较漫长和复杂,测量手段和观测条件在很大程度上限制了爆破的试验研究。利用流体力学和动力学模型来描述射流的过程需要综合化学反应。射孔弹压罩液压机可以提高射孔弹药型罩的加工精度，减少后续加工时间。因此研制高精度伺服射孔弹压罩液压机生产线可促进射孔弹制造企业进一步降低成本，提高行业整体效益，大力提升国产石化装备的生产制造水平。

参考文献：

［1］巩永孝，刘国庆，可勇．报废通用弹药处理技术［M］．北京:解放军出版社，2018:55．

［2］大庆油田油井射孔编写组．油井射孔［M］．北京:科学出版社，2018:25

［3］孙国祥，王晓峰，孙富根，等．油气井射孔器用炸药及其安全性［J］．爆破器材，2017，31(2):4-9．