一種水下環狀爆破式切割裝置的設計*

王思偉

(中國船舶重工第七一〇研究所,湖北宜昌 443000)

一種水下環狀爆破式切割裝置的設計*

王思偉

(中國船舶重工第七一〇研究所,湖北宜昌 443000)

簡要說明了一種環狀爆破式切割裝置的設計與組成部分,說明了應用該方法設計出的聚能罩在主裝藥起爆瞬間能迅速積聚能量,在一定范圍內沿圓周方向向外輻射出環狀連續的射流環,達到可靠地切割錨鏈而不損傷平臺,使之浮出水面。

環狀切割;切割裝置;錨鏈

0 引 言

眾所周知,海洋對人類的生存和發展有著重要的作用,其環境的變化對全球氣候有著重大影響。目前發達國家在海洋環境監測方面投入了大量資金,采用多種手段與方法對海洋環境進行監測,收集相關資料和數據量。其中常用方法是將監測設備安裝在水中平臺上通過系留在水下某深度工作,通過水下絞車收放系留索調節在水中的深度。然而一旦收放出現故障可能使得監測設備難以浮出水面,導致重大損失。遇到此類情況常采用水下機器人攜帶機械手等手段對其進行切割而是平臺浮至水面,但對于系留索強度高,機械手無法切斷時,需要采用一些特殊手段進行切割,如一次性使用的爆破式水下切割器,將其掛接在錨鏈上經設定延遲時間后自動引爆產生連續的射流將錨鏈切斷。

1 使用條件

水下爆破式切割裝置主要應用于系留索強度高,機械手操作不方便的場所,同時根據使用條件還應具備以下特點。

(1)該裝置結構簡單、造價低廉、操作方便安全,具有承受一定水壓的能力。

(2)該裝置工作時能在一定范圍內沿圓周方向向外輻射出環狀連續的射流環,能可靠地將系留索切斷。

(3)不會對水下平臺造成破壞。

2 組成及工作原理

2.1 組 成

水下環狀爆破式切割裝置主要由水壓觸發器、引信、殼體、傳爆序列、導爆藥柱、裝藥盒、開口環、主裝藥和環狀聚能罩等組成,見圖1所示。其特點是使用安全可靠,對平臺造成的不利影響小。

圖1 切割裝置結構組成

2.2 工作原理

水下環狀爆破式切割裝置工作前需要通過專用掛接裝置或由水下蛙人將切割裝置掛接到圖2所示的錨鏈上,在切割裝置自重作用下,沿著錨鏈向下滑向錨。

在滑動過程中水壓力會對作用于水壓觸發器,而且隨著水深越深,水壓力會越大,當水壓力達到水壓觸發器的預設值時,觸發器動作并打開引信本體的開關,使得傳爆序列開始動作,其上的電雷管動作引起導爆藥柱爆炸,導爆藥柱瞬間引爆主裝藥,爆炸產生的能量向主裝藥外表面的環狀聚能罩集聚,在聚能罩與耐壓殼體間形成的空腔內形成極高的氣壓使得耐壓殼體破裂形成高速運動的氣體射流,這種射流速度很高,而且壓力很大,當射流碰到被切割系留索時,迫使系留索表面壓力突然增大到數百倍,在巨大的剪切壓力作用下,系留索被切斷。

圖2 切割裝置工作示意

3 主要結構件設計及參數確定

3.1 主裝藥

在水中系留索可認為是柔性的,系留索隨平臺在水中浮動,因而當切割器和系留索掛在一起后也會隨著索浮動。由于掛點為點接觸,切割器在其它的自由度方向上將隨水流自由浮動,浮動角度是隨機變化的。因而切割器在水中的炸高(藥罩底部至系留索之間的距離)是變化的。而從能量角度看,炸藥的爆轟壓力越高,切割效果越明顯,因此選用爆速高,密度高,猛度高的炸藥,可有效提高水下切割器的爆轟壓力。一般爆切金屬采用高猛度炸藥:將TNT和RDX按不同比例注裝成型,而且水下柔性索鏈目標較小,按35/65注裝成型的藥柱爆轟性能即可滿足切割要求,而且該藥柱易成型。

3.2 聚能罩結構

聚能罩是能夠有效聚集爆破能量的結構,其形狀優異能夠有效提高爆破切割效果,工程上線性聚能裝藥的聚能罩一般采用楔形或半圓形。

楔形結構的聚能罩在爆炸時,內壁金屬在圓周方向上會擠出一條向著裝藥底部高速運動的高溫、高壓、高能量密度的線性射流,當這種射流將對系留索施加巨大的徑向準靜態載荷切割索鏈,該結構多用于切割水下小目標結構;而半圓形結構產生的射流寬度大,射流質量較大,但射流速度慢,一般用于切割水下大目標結構。因此,聚能罩采用楔形結構,如圖3。

3.3 聚能罩參數設計

按照流體力學理論,射流速度v和射流質量m與聚能罩錐角α的關系如下[1]:

式中:v0表示初始射流速度;m0為初始射流質量。

上式表明射流速度與聚能罩錐角的變化成反比,而射流質量與錐角的變化呈正比。小錐角結構射流速度高,有利于聚集能量,提高切割深度;而大錐角結構射流質量提高,切割深度小,但切割寬度大。據工程經驗,藥型罩頂角在40°～80°內時,切割深度最佳,切割效果最好。

圖3 切割裝置尾部及主裝藥結構示意圖

為了充分發揮炸藥的爆轟能量,切割器的裝藥除保證周向對稱外,裝藥高度H(mm)和寬度(周長)W (mm)也不應超出合適比例,經驗取值一般在0.8～1.3內。由于水下切割器體積小,取藥型罩錐角為50°,藥型罩寬取值為30 mm,高度取值30 mm。

聚能罩壁厚對射流性能和切割效果也有一定的影響,而其最佳壁厚與結構材料、錐角、直徑等參數有關,實踐證明,該壁厚尺寸與材料密度呈反比,與錐角尺寸呈正比,于結構直徑和外殼厚度呈正比。

4 射流速度估算

依據《爆炸物理學》中理想流體計算射流運動的方程可知[4]:

式中:η為射流系數,取0.67;聚能罩錐角α取50°;M表示聚能罩的質量,根據結構尺寸計算可得M=16.7 g(結構材料采用紫銅,其密度為8 900 kg/m3,聚能罩厚度設計為2 mm);ma為裝藥的有效質量:

式中:ρ0為裝藥的初始密度,取值為1.7 g/cm3;r0為裝藥有效口徑,根據結構尺寸得知r0=30 mm。

經計算得裝藥的有效質量ma約為53 g。爆震波的速度為D,主裝藥是按35/65配比的TNT和RDX炸藥,取值7 600 m/s,經計算得出聚能切割器在水下爆炸后,該配比的主裝炸藥在水中的射流速度為5 558 m/s。

5 裝置制造說明

就聚能結構而言,隨著射流環的擴大,射流本身在周向方向會產生較大的拉伸。如聚能罩材質熱塑性較差,射流極有可能在未到達系溜鏈索所在位置時就會斷裂,在周向上產生盲點。經查閱有關資料獲悉:射流在圓周方向上被拉伸時圓周方向上的斷裂不可避免。但就該裝置結構及使用工況而言,若聚能環初始狀態良好,在鏈索附近或到達鋼索附處斷裂的可能性較小,因為裝置筒距鏈索較近,在周向上產生盲點的可能性較小。為增大聚能罩的聚能效果,提高射流效應,設計時采用以下措施。

(1)增強主裝藥兩端擋板的承載強度及剛度(圖3處),從而增強在徑向上的沖擊波威力。

(2)在圓柱形耐壓殼體內表面聚能罩50°角范圍內的中部位置上開有一深0.25 mm的凹槽(圖3 處),以減弱此處耐壓殼體的強度,減少其對聚能結構能量的吸收,增強在徑向上的沖擊波威力。

(3)在導爆藥柱與聚能罩中部相對應的部位開一條凹形槽,以減小此處的強度,增大聚能罩對能量的吸收。

6 特點與結論

該切割裝置結構簡單、操作方便,可在一定范圍內可對水中鏈索實施有效切割,工作過程中該系統具有以下特點。

(1)線性聚能裝藥爆破能量能量利用率比無藥型罩的普通藥包高,而且爆破效果受水環境影響小、可適當減小裝藥量等特點,應用前景好。

(2)炸藥藥型及聚能罩結構是產生射流的核心部件,必須根據工程需要及使用環境來確定結構形式和能量大小。

(3)試驗證明環狀聚能爆破能量主要對系留索產生切割作用,對平臺不產生破壞。

[1]黃風雷,張雷雷,段卓平.大錐角藥型罩聚能裝藥侵徹混凝土實驗研究[J].爆炸與沖擊,2008,28(1):17-22.

[2]劉紅利,徐立新,張國偉.線型聚能裝藥射流形成的數值模擬[J].機電技術,2010(3):28-30.

[3]高 頻.環爆切割器的研究及其應用[J].機械管理開發,2009 (2):90-91.

[4][蘇]Φ.A鮑姆.眾 智(譯).爆破物理學[M].北京:科學出版社出版,1963.

Design of an Underwater Annular Exp losive Cutting Device

WANG Si-wei
(710 Research&Development Institute ofCSIC,Yichang Hubei 443003,China)

In this paper,design and composition ofan annular explosive cutting device is briefly introduced.The shaped cover that is designed with suchmethod could rapidly accumulate energy in themomentof themain charge detonating,and continuously radiate outward the annular jet flow along the circumferential direction in a certain range,so as to reliably cut the anchor chain without damage of the platform which can make it emerge from the water.

annular cutting;cutting device;anchor chain

TB41

A

1007-4414(2015)06-0118-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.043

2015-08-24

王思偉(1985-),男,湖北宜昌人,工程師,碩士,研究方向:海洋工程。