Профессии мирных ударно-волновых взрывных технологий

Для большинства участников да и просто читателей данного сообщества традиционные взрывные технологии известны и специально останавливаться на них, я думаю, нет необходимости. Но вот про ленточные ударно-волновые заряды, их возможности и особенности применения знают немногие, хотя возраст у данной технологии уже под 20 лет, имеются публикации в специализированных журналах и несколько патентов. Учитывая специфичность данной тематики и всеобщий бзик на почве терроризма, приведший к существенному «закручиванию гаек», давайте обойдемся без фамилий и названий организаций.

Целью проекта являлась разработка и внедрение пригодной к промышленному использованию ресурсосберегающей ударно-волновой технологии фрагментации крупногабаритных конструкций и оборудования. Она должна была обеспечить возможность утилизации простыми и дешевыми методами широкой номенклатуры различных конструкций и оборудования при значительном снижение расхода взрывчатых веществ и вредного воздействия на окружающую среду в сравнении с традиционными взрывными технологиями и технологиями газовой резки, а также позволить организовать производства соответствующих зарядов на основе использования конверсионных взрывчатых веществ.

Описание научно-технического продукта

Разработанная технология основана на фокусировке ударных волн взрыва в узком слое материала, в результате чего материал раскалывается плоской трещиной, распространяющейся в границах этого слоя. Отклонения оси разрушения от заданной линии реза в металле толщиной 6 -150мм составляют соответственно от 0,5 до 8мм. Практически были опробованы ленточные заряды, позволяющие резать металлические конструкции сложной формы и уменьшить расход взрывчатых веществ в 2 - 3 раза по сравнению со шнуровыми кумулятивными зарядами. Энергоемкость процесса при этом не зависит от толщины металла и незначительно возрастает с увеличением его прочности.

Газообразные продукты взрыва не проходят через полость реза, а остаточная температура металла не превышает 100°С, что позволяет резать конструкции, содержащие жидкие нефтепродукты, горючие и взрывоопасные материалы. Низкотемпературный режим резки не изменяет химический состав титановых сплавов и других металлов, вступающих в реакцию с кислородом воздуха. Важно, что для осуществления процесса могут быть использованы конверсионные ВВ, извлекаемые из утилизируемых боеприпасов. По сравнению с газовой резкой исключаются потери (до 5% металла), связанные с выносом расплава из полости реза, а производительность процесса возрастает в 3 - 5 раз.

Основные технические параметры:

- резка стальных конструкций толщиной от 4 до 250 мм при расходе взрывчатых материалов от 1,2 до 2,5 г/см2 поперечного сечения металла,

- резка и фрагментация конструкций в воздухе и в воде,

- использование взрывчатых веществ с плотностью более 1,5 г/см3 и скоростью детонации более 7 км/с.

Обоснование необходимости выполнения проекта в интересах С-Петербурга и Северо-западного региона

В акватории Финского залива затоплено более сотни кораблей, которые являются постоянным источником загрязнения прибрежных вод и создают помехи для судоходства. Только в черте С-Петербурга насчитывается несколько десятков затонувших судов, разделка которых традиционными методами является неразрешимой проблемой. Разработка ударно-волновой технологии фрагментации плавсредств и металлоконструкций в водной среде и на поверхности позволит значительно улучшить экологическую обстановку и безопасность транспорта в акватории Финского залива и на водных коммуникациях С-Петербурга. Кроме того, большинство кораблей имеют внутреннее теплоизоляционное покрытие из пористых полимерных материалов и внешнюю окраску, которые при традиционных термических способах резки выделяют токсичные вещества, вредные для здоровья человека и окружающей среды.

Очевидную опасность для города, области и особенно Северо-западного региона представляют арсеналы и войсковые склады, содержащие десятки тысяч тонн взрывчатых веществ и боевой техники с истекшим сроком хранения, не пригодных для традиционных методов утилизации и применения в промышленности. Предлагаемая технология позволит использовать конверсионные взрывчатые вещества для утилизации военной техники сухопутных и ракетных войск и военно-морского флота, что позволит разгрузить арсеналы и военные базы С-Петербурга, Ленинградской области и Северо-западного региона от взрывоопасных материалов и получить для переработки большое количество высококачественного металлического лома от утилизации военной техники.

На территории С-Петербурга, Ленинградской области и Северо-западного региона находится большое количество неиспользуемых зданий, инженерных сооружений, трубопроводов и т.п., которые из-за отсутствия простых и экономичных технологий утилизации только занимают место и загрязняют окружающую среду. Предлагаемая технология во многом позволит решить и эту проблему.

1. Возможные области применения ударно-волновых зарядов

1.1. Энергетический комплекс

В настоящее время протяженность нефте- и газопроводов России со сроком эксплуатации 20-30 лет измеряется десятками тысяч километров, что определяет возрастающие объемы их ремонта и частичной замены. Термическая резка трубопровода содержащего остатки нефти или газа представляет трудоемкий и взрывоопасный процесс, включающий заполнение песком участка трубопровода длиной несколько метров. Низкотемпературный режим ударно-волновой резки трубопровода исключает возгорание нефтепродуктов, а дистанционное взрывание обеспечивает безопасность технического персонала. При производстве ремонтных работ вдали от населенных пунктов за один взрыв может разрезаться на кондиционные куски участок трубопровода длиной в несколько сотен метров. УВЗ могут использоваться для надводной и подводной резки нефтяных платформ, эксплуатационных и разведочных нефтяных вышек и пр.

Взрывание УВЗ на поверхности горных пород создает пучок направленных трещин с протяженностью в несколько раз превышающей радиус трещинообразования обычного накладного заряда. Поэтому на основе использования УВЗ может быть разработана эффективная технология повышения дебита газоносных скважин.

В ближайшие годы перед атомной энергетикой встанет задача вывода из эксплуатации морально и физически изношенных атомных электростанций первого поколения. В настоящее время уже рассматриваются технологические варианты демонтажа металлоемкого оборудования атомных реакторов, включающие захоронение радиоактивной части металла. Очевидно, что разделка реакторов на транспортабельные фрагменты должна производиться безлюдными способами. Геометрические параметры реакторов первых АЭС позволяют рассматривать ударно-волновую резку как один из безопасных методов разделки радиоактивных металлоконструкций.

1.2. Горнодобывающая и металлургическая промышленность

При добыче железных руд и строительных материалов в карьерах выход негабаритных блоков породы составляет 5-13%, а объемы вторичного дробления измеряются миллионами тонн горной массы в год. Дробление негабарита осуществляется преимущественно шпуровым взрыванием с ручным бурением шпуров. Применение УВЗ для дробления негабарита позволит отказаться от селикозоопасного мелкошпурового бурения на карьерах и даст значительный экономический эффект.

Большие объемы газовой резки металлолома выполняются в подготовительном производстве металлургических заводов. Особенно малоэффективна и непроизводительна резка массивного металла. Поэтому на металлургических заводах с доменным производством накоплены сотни тысяч тонн многокубовых слитков чугуна и стали, разделка которых производится шпуровым взрыванием в бронеямах. Шнуры прожигаются кислородными копьями вручную с выделением большого объема ядовитых газов, что требует применение противогазов. Поскольку скорость прожигания чугуна на порядок ниже, чем стали, разделка чугунных слитков является нерешенной проблемой. Для решения этой проблемы был предложен метод ударно-волновой разделки металлургических слитков без применения кислородного прожигания шпуров и термических способов резки.

1.3. Транспорт

В настоящее время в акваториях морских и речных портов сосредоточенно большое количество выведенных из эксплуатации торговых, рыболовных, нефтеналивных и пр. судов, поддержание которых на плаву требует значительных затрат. Отсутствие финансирования приводит к самопроизвольному затоплению судов у причальных стенок и вблизи фарватеров, что ухудшает экологическую обстановку и мешает судоходству. Только в акватории Финского залива затоплено более сотни кораблей, которые являются постоянным источником загрязнения прибрежных вод. Большинство кораблей имеют внутреннее теплоизоляционное и внешнее антикоррозионное покрытия, а также остатки нефтепродуктов, выделяющие при термической резке высокотоксичные газы, что ограничивает использование традиционных методов разделки для утилизации водного транспорта.

На вспомогательных путях железнодорожных станций скопилось большое количество единиц списанного подвижного состава, паровозов, тепловозов и др., а также отслуживших рельс, стрелочных переводов и железобетонных шпал.

Аналогичная обстановка наблюдается на воздушном транспорте, где списанные самолеты и вертолеты годами простаивают на аэродромах.

Основной причиной сдерживающей утилизацию списанной техники на транспорте является низкая рентабельность, а чаще убыточность разделки сложных металлоконструкций механическими и термическими способами. Применение конверсионных ВВ для производства ударно-волновых зарядов позволит в 1,5-2,0 раза снизить себестоимость резки металла и обеспечит рентабельность утилизации транспортных средств. Наличие разветвленной железнодорожной сети позволит производить разделку железнодорожного оборудования вдали от жилых районов и промышленных объектов. При оптимизации УВЗ и применении средств локализации действия взрыва, взрывная разделка транспортных средств может осуществляться на территории действующих морских и воздушных портов.

1.4. Армия и ВМФ

Значительный объем металла законсервирован в морально устаревшей военной технике. Уже в настоящее время с боевого дежурства сняты сотни надводных и подводных кораблей. Списаны тысячи единиц бронетехники и артиллерийских установок. Подлежат разделке и утилизации металлоёмкие боеприпасы, корпуса ракет, стартовые пусковые установки и др. В ряде воинских частей и арсеналов проводятся работы по расснаряжению боеприпасов, в результате которых получают дешевые взрывчатые вещества пригодные для ударно-волновой резки металла. Решение комплексной задачи расснаряжения боеприпасов и взрывной разделки военной техники позволит получить значительный экономический эффект и улучшить экологическую обстановку в районах базирования подразделений армии и флота. В рамках решения этой задачи были предложены технологические схемы ударно-волновой резки корпусов боеприпасов в камерах инерционного типа, которые полностью локализуют осколочное и фугасное действие боеприпаса при несанкционированном взрыве.

2. Технологии на основе ударно-волновых зарядов

2.1. Сварка взрывом

В настоящее время для производства биметалла используются двумерные схемы сварки взрывом, которые эффективны для соединения листов и оболочек с плоскими и малокриволинейными поверхностями. Необходимым условием их применения является низкоскоростной режим детонации используемых ВВ.

Исследование кинематических режимов метания оболочек позволило реализовать трехмерные схемы сварки взрывом высокоскоростными боеприпасными ВВ. Трехмерные схемы могут быть использованы для получения биметаллических изделий сложной формы с упрочняющими, антикоррозийными, антифрикционными, токопроводящими и другими покрытиями. Например, для изготовления вибростойких деталей электродвигателя тепловоза было произведено двустороннее плакирование стального уголка 75*75 (прокатного профиля) медными листами толщиной 1,5 мм, без изменений геометрической формы уголка и сохранения поверхности меди в состоянии поставки.

Из биметаллического уголка были изготовлены электрические контакты обмотки статора тепловозного электродвигателя, подвергающиеся циклическим ударным нагрузкам с ускорением 35g. Усталостное разрушение медных контактов серийных двигателей сокращало гарантийный срок эксплуатации двигателя на 20-30%, при этом замена контактов требовала регенерации монолитной изоляции статора в специальных автоклавах, что равноценно капитальному ремонту двигателя. Использование взрывной сварки для изготовления биметаллических контактов с равнопрочным сечением на порядок увеличивало их стойкость.

В настоящее время подшипники скольжения горного и транспортного оборудования (экскаваторов, буровых станков, тепловозов и пр.) изготавливаются из бронзового литья (Бр ОЦС-5-5-5). Объемы производства вредного для человека бронзового литья только на горнодобывающих предприятиях РФ составляют тысячи тонн в год при стоимости примерно 3000 $/тонну. В процессе механической обработки литых заготовок до 50 и более % бронзы уходит в стружку, максимальный линейный износ готовых изделий колеблется от 5% до 15%, а полезное использование бронзы не превышает 20-25%.

Централизованное производство широкого спектра подшипников скольжения из проката черных металлов и антифрикционных сплавов методом сварки взрывом позволит в несколько раз сократить расход дефицитных медных сплавов и дает значительную экономию.

Применение конструкционной сварки взрывом изделий с антикоррозионными покрытиями может найти широкое применение в химической промышленности. Большой экономический эффект даст использование биметаллических изделий (сталь-медь, медь-алюминий) в электротехнической промышленности.

2.2. Упрочнение металлов взрывом

Упрочнение металлов взрывом достаточно широко применяется в горнодобывающей промышленности для повышения износостойкости зубьев и стенок ковшей экскаваторов, броней щеповых и конусных дробилок, изготовляемых из высоколегированных сталей. В результате упрочнения срок службы деталей увеличивается на 20-30%. Основным недостатком существующей технологии упрочнения является неравномерное распределение твердости и прочности металла по сечению детали. Максимальная твердость достигается на упрочняемой поверхности и уменьшается с глубиной примерно по линейному закону. Изменение твердости связано с затуханием ударных волн в результате диссипативных потерь энергии. Это не позволяет оптимизировать параметры упрочнения для получения максимальной износостойкости деталей.

Авторами был разработан способ равномерного упрочнения, основанный на возбуждении в металле незатухающих волн сжатия, сохраняющих постоянное давление на конечных интервалах их распространения. Способ позволяет производить равномерное упрочнение металла на глубину порядка нескольких десятков миллиметров и обеспечивает возможность оптимизировать параметры упрочнения, а зависимости от конкретных технологических задач.

2.3. Динамический синтез алмаза в металлографитных смесях

На основе оптимизации пространственно-временных режимов изменения давления в ударных волнах разработана технология динамического синтеза алмаза в металлографитных смесях. Прямой переход графита в алмаз достигается при ударно-волновом сжатии частиц графита в металлической матрице (например, в чугуне).

Выделение алмазных частиц из реакционной среды производится химическим или электрохимическим способом с последующим получением порошка рафинированного металла для порошковой металлургии. Технология синтеза алмаза в чугунах прошла опытно-промышленные испытания, в результате которых получено несколько килограммов алмазного порошка зернистостью 1-100 мкм.

В отличие от алмазов статического синтеза взрывные алмазы имеют развитую поверхность, что повышает их абразивные свойства. Из экспериментальной партии алмазов были изготовлены ролики для структурирования нитей синтетического волокна, алмазные пасты и шлифовальный инструмент, опытные спеки алмазосодержащей керамики. Взрывные алмазы с широким диапазоном зернистости могут найти применение для обработки металлов и других материалов, изготовления алмазно-твердосплавного бурового инструмента, структурирования синтетического волокна и пр.

Промышленный синтез взрывных алмазов может производиться как на открытых полигонах, так и во взрывных камерах. Производительность синтеза в полигонных условиях на одной опытной установке (весом 800 кг) составляет 200-300 кг алмазного порошка в год.

По предварительным оценкам при использовании для промышленного синтеза дешевых конверсионных ВВ и производстве из продуктов синтеза порошков химически чистых металлов себестоимость взрывных алмазов может составить 300-500$/кг.

К сожалению, говорить об этой технологии приходится в прошедшем времени – была разработана, опробована, показала хорошие результаты, но, как и многие другие, оказалась не нужна в нынешней России. Автор уже тоже не молод, отошел от дел и похоже что данная технология скоро будет окончательно потеряна. Вот такая у нас модернизация и инновация.