小长径比石油射孔弹.pdf

爆破器材990 10 9 爆破器材 EXPLO SIVE M A T ERIA LS 1999年 第1期 NO . 1 1999 小长径比石油射孔弹 史慧生 ［摘要］文章简要介绍了一种新型石油射孔弹小长径比石油射孔弹，阐述了环形起爆的基本原理和试验结果，比较 了在相同装药情况下有无隔板两种情况的穿孔效果。 ［关键词］射孔弹 环形起爆 隔板 穿深 O i l Pe r f o r a t i n g Ca r t r i d g e w i t h Sm a l l Sl e n d e r n e s s Ra t i o Sh i H u i s h e n g Be i j i n g Pe t r a l e u m Ch e m i c a l En g i n e e r i n g In s t i t u t e （Be i j i n g ，10 2 6 0 0 ） ［A BST RA CT ］A n e w t y p e o f o i l p e r f o r a t i n g c a r t r i d g e ，o i l p e r f o r a t i n g c a r t r i d g e w i t h s m a l l s l e n d e r n e s s r a t i o ，i s i n t r o d u c e d ．T h e b a s i c p r i c i p l e a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s o f r i n g i n i t i a t i o n a r e e x p o u n d e d ．In t h e s a m e a m o u n t o f c h a r g e ，t h e p e r f o r a t i n g e f f e c t s o f b o t h w i t h a n d w i t h o u t t h e b u l k h e a d a r e c o m p a r e d ． ［K EY W O RD S］p e r f o r a t i n g c a r t r i d g e ，r i n g i n i t i a t i o n ，b u l k h e a d ，p e n e t r a t i o n d e p t h 1 引言 在完井作业中，某些特殊工艺常常需要射孔弹的直径大一些 如大孔径射孔，常需要弹的直径大一些，以便形成较 粗的射流；复合射孔，要在射孔之后推进随进材料以产生后效，因此也要求射孔孔径要充分大⋯⋯ ，而弹体又要相对 短一些 如复合射孔要在射孔弹的前部加上用于后效作业的前仓；高孔密射孔可在原来放一发弹的空间背向放置两发 弹⋯⋯ 。这种弹体长度与射孔弹口径相比之值小于0 ．8 的射孔弹，通常称之为小长径比射孔弹。 2 聚能破甲原理 依据聚能破甲理论，射孔弹射流的形成及射流对靶的侵彻过程遵循如下规律［1，2 ，3］ f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 1／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43 爆破器材990 10 9 以上各式中每个符号的意义如图1所示。 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 2 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43 爆破器材990 10 9 图1 射流形成的定常流动模型 （a ）计算图形 （b ）静坐标 （c ）动坐标 式中 r 1，r0药型罩内、外表面到罩轴线的垂直距离，c m ； R1，R0射孔弹装药内、外表面到罩轴线的垂直距离，c m ； P压强，9．8 10 4Pa ； t 时间，μs ； v 0金属射流微元的初始速度，c m . μs －1； N，A ，μ均为无量纲变量； E哥尼能，m m2 .μs －2； mL，me药型罩法线方向单位面积上对应的药型罩质量和装药质量，k g . c m－2； β药型罩母线与射孔弹轴线间的夹角。 方程 1 ～（5）为射流形成的基本方程组，将其联立可以求得射流形成过程中的各主要参数。从式（3）中可以看 出，射流质量随射孔弹轴线与药型罩母线间的夹角β的增大而增加。射流质量增加了，则射流变粗，由它射出的孔道亦 变粗。因此，我们设计的新型射孔弹增大药型罩直径，减少其长度就是为了形成较粗的射流，以达到产生较大孔径的效 果。 另外大量的理论和实验结果都证明，聚能破甲效果与射流的初始速度v 0以及有效射流 速度低于靶板临界侵彻速度 的射流通常称为无效射流 的长度成正比。而射流的初始速度v 0和有效射流长度又都随作用于药型罩壁面各点上的初始 压力P的增加而增加，对于紫铜药型罩［3］ P＝PCJ（c o s φ＋0 ．6 8 ） （6 ） 式中 PCJ主装药的爆轰压力，9．8 10 4Pa ； φ爆轰波阵面与药型罩母线间的夹角 图2 。 图2 爆轰波传播示意图 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 3／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43 爆破器材990 10 9 对于普通的石油射孔弹，由于枪内体积和射孔枪材质所限，射孔弹的装药量是有限的；如无特殊的工艺，装药密度 也不可能做得很高，因此，用常规的方法提高聚能破甲效果是很困难的 特别是在小长径比的射孔弹中 ，必须采用新的 装药结构与装药工艺。 3 带环形起爆结构的石油射孔弹 普通石油射孔弹都是在起爆点起爆，爆轰波以球面方式向前传播，波阵面与罩母线的夹角为φ1，而如果在装药底 部加一隔板，则将爆轰波传播方向分成两路一路是由起爆点开始，经过隔板直线向前传播；另一路是由起爆点开始绕 过隔板，在隔板与弹体间所夹的环形装药中向前传播。由于隔板后的装药很少（2 g ～3g ），而隔板相对很厚（＞ 5m m ），前一路的传播衰减很大，作用不很明显。因此，爆轰波主要在隔板与弹壳间的环形装药中向前传播，故称之为 环形起爆。装上隔板以后，装药中传播的爆轰波形改变了，ψ2角变小，作用于罩面上的初始压力将会增加，从而提高 爆炸载荷，增加射流的初始速度，达到了提高破甲威力的目的。图3给出了高速摄影下装有隔板的小长径比射孔弹装药 的爆轰波形。 图3 装有隔板的射孔弹的爆轰波形 （a ）拍摄爆轰波形的高速摄影装置；（b ）拍摄得到的爆轰波形 1－无药型罩的射孔弹；2 －狭缝；3－转镜式高速摄影机 按照药型罩压垮过程的动量方程［3］ （7 ） 式中 M 罩微元质量，k g ； S罩微元面积，c m2； P药型罩壁面上的压力，9．8 10 4Pa 。 由于药型罩壁面上压力P（t ）的增加，使罩微元的压合速度v 2增加，于是使射流速度v0增加，破甲威力增大，对于 单纯追求穿深性能的小锥角聚能破甲弹，实验表明，有隔板的装药结构与无隔板的装药结构比较，射流头部速度能够提 高2 5％左右，破甲深度可以提高15％～30 ％ ［3］。对于不甚注重穿深的大锥角大孔径聚能破甲弹，如我们研制的小长径比射孔弹，则孔道容积有明显的增大，这正 是我们搞大孔径射孔以及复合射孔等作业所需要的。 4 试验结果 对于普通的石油射孔弹，由于装药空间与装弹药量的控制，对于隔板的结构与装配工艺要求比较苛刻，因此，参数 需要通过实验来确定。 4．1 隔板的材料与结构 隔板材料的选择通常主要考虑两方面因素一方面是隔爆效果，另一方面是材料要有一定的强度。在此，隔板材料 选为尼龙，直径为30 m m ，车床加工制成。具体尺寸如表1 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 4／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43 爆破器材990 10 9 表1 隔板尺寸试验 序号材料直径／m m厚度／m m效果 1尼龙棒2 04无 2尼龙棒2 45不明显 3尼龙棒2 86明显 根据试验结果，选用序号3的隔板尺寸。具体形状为一圆台，圆台上表面的直径为4m m ，圆台下表面直径为 2 8 m m ，圆台高6 m m ，装在射孔弹中的情况如图4所示。 图4 小长径比石油射孔弹装配图 1－弹壳；2 －隔板；3－射孔弹装药；4－药型罩 4．2 射孔弹的装药设计 射孔弹的装药量受枪管材质、直径以及枪管厚度的限制，对于10 2 枪每发弹的装药量一般不超过35g 。中国石油天然 气总公司射孔弹质量检测中心把10 2 弹分为两种一种装药量为31．5g ；一种装药量为34．5g 。 通过试验发现，如果装药太少，则隔板的作用效果不明显，这其中的原因可能是药型罩底部装药太薄，沿射孔弹轴 向推进速度太低造成的。另外如果装药太少，压药工艺也存在着一定的困难，搞不好药型罩底部就会和隔板距离太近， 甚至相接 参看图4 ，使破甲效果明显下降。 总之，通过试验，总装药量定为34．5g 。 4．3 有无隔板装药穿孔效果的比较 在装药相同的情况下，有隔板装药射出的孔道容积明显增大，这主要表现为孔道变粗，而且收缩得很慢，近似呈圆 柱型，典型的有隔板装药与无隔板装药射出的孔道如图5所示。 图5 有隔板与无隔板装药射出的孔道的比较 （a ）普通型；（b ）隔板型 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 5／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43 爆破器材990 10 9 图中试验条件为装药量34．5g ，炸高6 0 m m ，靶材为45＃钢，6 m m 塑料皮导爆索引爆。有无隔板的射孔弹穿透性能如 表2 列出。 表2 有无隔板的射孔弹穿孔效果 序号 装药 ／g 炸高 ／m m 隔板 入孔孔径 ／m m 穿深 ／m m 134．56 0无‧1515310 234．56 0无‧151530 0 334．56 0无‧15162 8 0 434．56 0有‧16 16310 534．56 0有‧16 172 90 634．56 0有‧16 16310 注水泥靶抗压强度40 ．3M Pa 。 5 结论 小长径比射孔弹，经过近一年的研制，试验十余次，已基本成型。目前，其药型罩口径射孔弹药型罩口 径54m m ，射孔弹口部到弹底导爆索起爆点的垂直高度为35m m ，长径之比为0 ．6 5，已接近国外同类产品的 水平，并可满足大孔径射孔以及复合射孔项目的要求。 作者单位北京石油化工学院（北京，10 2 6 0 0 参考文献 [1] Jo n a s a ．Zu k a s ．H i g h Ve l o c i t y Im p a c t D y m a m i c s Ed i t e d ．ISBN 0 -47 1-51444-6 1990 ．Jo h n W i l c y So n s In c [2 ] Ch o u ．P．C．e t a l ．Im p r o v e d Fo r m u l a s f o r Ve l o c i t y A c c e l e r a t i o n a n d Pr o j e c t i o n A n g l e o f Ex p l o s i v e l y D r i v e n Li n e r s ．Pr o c ．6 t h In t ．Sy m p ．，Ba l l i s t i c s O r l a n d o FL， 198 1（10 ）2 7 ～2 9 [3] 北京工业学院八系．爆炸及其应用．北京国防工业出版社，197 9 f i l e / / / E| / q k / b p q c / b p q c 99/ b p q c 990 1/ 990 10 9. h t m （第 6 ／6 页）2 0 10 -3-2 2 15 50 43