一種水下環(huán)狀爆破式切割裝置的設(shè)計(jì)*

王思偉

(中國(guó)船舶重工第七一〇研究所,湖北宜昌 443000)

一種水下環(huán)狀爆破式切割裝置的設(shè)計(jì)*

王思偉

(中國(guó)船舶重工第七一〇研究所,湖北宜昌 443000)

簡(jiǎn)要說(shuō)明了一種環(huán)狀爆破式切割裝置的設(shè)計(jì)與組成部分,說(shuō)明了應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)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(nèi)沿圓周方向向外輻射出環(huán)狀連續(xù)的射流環(huán),達(dá)到可靠地切割錨鏈而不損傷平臺(tái),使之浮出水面。

環(huán)狀切割;切割裝置;錨鏈

0 引 言

眾所周知,海洋對(duì)人類(lèi)的生存和發(fā)展有著重要的作用,其環(huán)境的變化對(duì)全球氣候有著重大影響。目前發(fā)達(dá)國(guó)家在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)方面投入了大量資金,采用多種手段與方法對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè),收集相關(guān)資料和數(shù)據(jù)量。其中常用方法是將監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝在水中平臺(tái)上通過(guò)系留在水下某深度工作,通過(guò)水下絞車(chē)收放系留索調(diào)節(jié)在水中的深度。然而一旦收放出現(xiàn)故障可能使得監(jiān)測(cè)設(shè)備難以浮出水面,導(dǎo)致重大損失。遇到此類(lèi)情況常采用水下機(jī)器人攜帶機(jī)械手等手段對(duì)其進(jìn)行切割而是平臺(tái)浮至水面,但對(duì)于系留索強(qiáng)度高,機(jī)械手無(wú)法切斷時(shí),需要采用一些特殊手段進(jìn)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(jīng)設(shè)定延遲時(shí)間后自動(dòng)引爆產(chǎn)生連續(xù)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(yīng)用于系留索強(qiáng)度高,機(jī)械手操作不方便的場(chǎng)所,同時(shí)根據(jù)使用條件還應(yīng)具備以下特點(diǎn)。

(1)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)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(shí)能在一定范圍內(nèi)沿圓周方向向外輻射出環(huán)狀連續(xù)的射流環(huán),能可靠地將系留索切斷。

(3)不會(huì)對(duì)水下平臺(tái)造成破壞。

2 組成及工作原理

2.1 組 成

水下環(huán)狀爆破式切割裝置主要由水壓觸發(fā)器、引信、殼體、傳爆序列、導(dǎo)爆藥柱、裝藥盒、開(kāi)口環(huán)、主裝藥和環(huán)狀聚能罩等組成,見(jiàn)圖1所示。其特點(diǎn)是使用安全可靠,對(duì)平臺(tái)造成的不利影響小。

圖1 切割裝置結(jié)構(gòu)組成

2.2 工作原理

水下環(huán)狀爆破式切割裝置工作前需要通過(guò)專(zhuān)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(dòng)過(guò)程中水壓力會(huì)對(duì)作用于水壓觸發(fā)器,而且隨著水深越深,水壓力會(huì)越大,當(dāng)水壓力達(dá)到水壓觸發(fā)器的預(yù)設(shè)值時(shí),觸發(fā)器動(dòng)作并打開(kāi)引信本體的開(kāi)關(guān),使得傳爆序列開(kāi)始動(dòng)作,其上的電雷管動(dòng)作引起導(dǎo)爆藥柱爆炸,導(dǎo)爆藥柱瞬間引爆主裝藥,爆炸產(chǎn)生的能量向主裝藥外表面的環(huán)狀聚能罩集聚,在聚能罩與耐壓殼體間形成的空腔內(nèi)形成極高的氣壓使得耐壓殼體破裂形成高速運(yùn)動(dòng)的氣體射流,這種射流速度很高,而且壓力很大,當(dāng)射流碰到被切割系留索時(shí),迫使系留索表面壓力突然增大到數(shù)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(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

3.1 主裝藥

在水中系留索可認(rèn)為是柔性的,系留索隨平臺(tái)在水中浮動(dòng),因而當(dāng)切割器和系留索掛在一起后也會(huì)隨著索浮動(dòng)。由于掛點(diǎn)為點(diǎn)接觸,切割器在其它的自由度方向上將隨水流自由浮動(dòng),浮動(dòng)角度是隨機(jī)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(biāo)較小,按35/65注裝成型的藥柱爆轟性能即可滿(mǎn)足切割要求,而且該藥柱易成型。

3.2 聚能罩結(jié)構(gòu)

聚能罩是能夠有效聚集爆破能量的結(jié)構(gòu),其形狀優(yōu)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(jié)構(gòu)的聚能罩在爆炸時(shí),內(nèi)壁金屬在圓周方向上會(huì)擠出一條向著裝藥底部高速運(yùn)動(dòng)的高溫、高壓、高能量密度的線性射流,當(dāng)這種射流將對(duì)系留索施加巨大的徑向準(zhǔn)靜態(tài)載荷切割索鏈,該結(jié)構(gòu)多用于切割水下小目標(biāo)結(jié)構(gòu);而半圓形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的射流寬度大,射流質(zhì)量較大,但射流速度慢,一般用于切割水下大目標(biāo)結(jié)構(gòu)。因此,聚能罩采用楔形結(jié)構(gòu),如圖3。

3.3 聚能罩參數(shù)設(shè)計(jì)

按照流體力學(xué)理論,射流速度v和射流質(zhì)量m與聚能罩錐角α的關(guān)系如下[1]:

式中:v0表示初始射流速度;m0為初始射流質(zhì)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(zhì)量與錐角的變化呈正比。小錐角結(jié)構(gòu)射流速度高,有利于聚集能量,提高切割深度;而大錐角結(jié)構(gòu)射流質(zhì)量提高,切割深度小,但切割寬度大。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),藥型罩頂角在40°～80°內(nèi)時(shí),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(jié)構(gòu)示意圖

為了充分發(fā)揮炸藥的爆轟能量,切割器的裝藥除保證周向?qū)ΨQ(chēng)外,裝藥高度H(mm)和寬度(周長(zhǎng))W (mm)也不應(yīng)超出合適比例,經(jīng)驗(yàn)取值一般在0.8～1.3內(nèi)。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(duì)射流性能和切割效果也有一定的影響,而其最佳壁厚與結(jié)構(gòu)材料、錐角、直徑等參數(shù)有關(guān),實(shí)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(jié)構(gòu)直徑和外殼厚度呈正比。

4 射流速度估算

依據(jù)《爆炸物理學(xué)》中理想流體計(jì)算射流運(yùn)動(dòng)的方程可知[4]:

式中:η為射流系數(shù),取0.67;聚能罩錐角α取50°;M表示聚能罩的質(zhì)量,根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算可得M=16.7 g(結(jié)構(gòu)材料采用紫銅,其密度為8 900 kg/m3,聚能罩厚度設(shè)計(jì)為2 mm);ma為裝藥的有效質(zhì)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(jù)結(jié)構(gòu)尺寸得知r0=30 mm。

經(jīng)計(jì)算得裝藥的有效質(zhì)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(jīng)計(jì)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(shuō)明

就聚能結(jié)構(gòu)而言,隨著射流環(huán)的擴(kuò)大,射流本身在周向方向會(huì)產(chǎn)生較大的拉伸。如聚能罩材質(zhì)熱塑性較差,射流極有可能在未到達(dá)系溜鏈索所在位置時(shí)就會(huì)斷裂,在周向上產(chǎn)生盲點(diǎn)。經(jīng)查閱有關(guān)資料獲悉:射流在圓周方向上被拉伸時(shí)圓周方向上的斷裂不可避免。但就該裝置結(jié)構(gòu)及使用工況而言,若聚能環(huán)初始狀態(tài)良好,在鏈索附近或到達(dá)鋼索附處斷裂的可能性較小,因?yàn)檠b置筒距鏈索較近,在周向上產(chǎn)生盲點(diǎn)的可能性較小。為增大聚能罩的聚能效果,提高射流效應(yīng),設(shè)計(jì)時(shí)采用以下措施。

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

(2)在圓柱形耐壓殼體內(nèi)表面聚能罩50°角范圍內(nèi)的中部位置上開(kāi)有一深0.25 mm的凹槽(圖3 處),以減弱此處耐壓殼體的強(qiáng)度,減少其對(duì)聚能結(jié)構(gòu)能量的吸收,增強(qiáng)在徑向上的沖擊波威力。

(3)在導(dǎo)爆藥柱與聚能罩中部相對(duì)應(yīng)的部位開(kāi)一條凹形槽,以減小此處的強(qiáng)度,增大聚能罩對(duì)能量的吸收。

6 特點(diǎn)與結(jié)論

該切割裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,可在一定范圍內(nèi)可對(duì)水中鏈索實(shí)施有效切割,工作過(guò)程中該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

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

(2)炸藥藥型及聚能罩結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生射流的核心部件,必須根據(jù)工程需要及使用環(huán)境來(lái)確定結(jié)構(gòu)形式和能量大小。

(3)試驗(yàn)證明環(huán)狀聚能爆破能量主要對(duì)系留索產(chǎn)生切割作用,對(duì)平臺(tái)不產(chǎn)生破壞。

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

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

[3]高 頻.環(huán)爆切割器的研究及其應(yīng)用[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2009 (2):90-91.

[4][蘇]Φ.A鮑姆.眾 智(譯).爆破物理學(xué)[M].北京:科學(xué)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。