St. Petersburg, Russian Federation
Russian Federation
St. Petersburg, Russian Federation
UDK 550.348 Возмущения, земные и внеземные (включая естественного происхождения и вызванные человеком)
The paper assesses the effectiveness of shock-wave technology cutting for rocks and materials. A comparison of materials cutting technologies using a shock-wave and a shaped charge is done. Shows a significant reduction in the consumption of explosives and an increase in efficiency in shock-wave cutting with a simultaneous reduction in safe distances. Solving the problems of underwater explosions in the interests of rescue operations in emergency situations.
shock-wave charge, bilinear charge, mathematical model, Mach wave, experiment, rock, concrete block, underwater explosion
В России, как и во всем мире, нарастает озабоченность в связи с возрастающим количеством чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера, увеличением их масштабов, ростом потерь и ущерба от них. Складывающаяся обстановка требует принятия мер по совершенствованию управления безопасностью и развитию новых решений насущных задач. Ограниченные сроки аварийно-спасательных работ определяют необходимость широкого использования энергии взрыва, которая способна быстро выполнить большой объем данных работ, что создает условия для сокращения их общих сроков и стоимости.
Эффективность выполнения аварийно-спасательных и других неотложных работ связана с наличием в структуре МЧС России надежной системы применения взрыва в ЧС в комплексе с технологиями и безопасностью. При выборе рациональных и эффективных параметров и технологии производства взрывных работ требуется прогноз воздействия ударных и сейсмических волн взрыва, дальность разлета фрагментов взорванных конструкций, разработка способов по снижению вредных эффектов взрыва.
Для выполнения взрывных работ в промышленном комплексе страны имеется довольно широкая линейка взрывчатых веществ (ВВ) и зарядов, проработаны технологии их применения с учетом требований взрывобезопасности. Но российская наука не стоит на месте, и в развитии взрывных технологий появились новые ВВ, средства инициирования и новые технологии, воплощенные в новые заряды. Такому инновационному методу – ударно-волновой резке взрывом – посвящена эта работа. Ее инструментом является заряд ударно-волновой резки (ЗУВР), который в разы превосходит качества зарядов, имеющиеся в промышленности, а в отдельных случаях – не имеет равных.
1. Теоретические основы технологии ударно-волновой резки
В настоящее время основным средством резки материалов и пород взрывом являются кумулятивные заряды (КЗ). При резке большой толщины значительно увеличивается масса КЗ, что требует применения специальных дорогостоящих мер защиты окружающей среды и объектов от действия взрыва. Более эффективно использование технологии ударно-волновой резки.
1.1. Конструкция ударно-волнового заряда (УВЗ)
В отличие от кумулятивной, ударно-волновая резка основана на использовании экстремальных (Маховских) режимов интерференции ударных волн, образованных при синхронной детонации параллельных зарядов на поверхности преграды [1–3].
В результате теоретических и экспериментальных исследований в Балтийском государственном техническом университете «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова (БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова) с участием специалистов Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России разработана конструкция УВЗ [3–6], которая представлена на рис. 1.
1.2. Математическая модель УВЗ
Для совершенствования технологии ударно-волновой резки проведены теоретические исследования разрушения преград имплозивными (симметрично сходящимися) ударными волнами. Разработаны физические и математические модели, описываемые системами уравнений (1), (2).
Основные уравнения движения сплошной среды:
Разрушение происходит в результате разгрузки материала за фронтом волны Маха и позволяет эффективно резать преграды толщиной до 1 500 мм и более.
2. Практический опыт применения ЗУВР
БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова разработан технический проект, и совместно со «Специальным конструкторско-технологическим бюро «Технолог» (ФГУП СКТБ «Технолог») на защитных сооружениях Санкт-Петербурга выполнено с помощью ЗУВР обрушение транспортного моста весом » 2 000 т. Результаты до и после показаны на рис. 2.
Демонстрационные испытания ЗУВР для Вооруженных сил Российской Федерации (ВС РФ) выполнялись на 18 испытательном полигоне инженерных войск (ИВ) (пос. Елизаветинка) по программе и методике, утвержденных командованием ИВ ВС РФ. В ходе работ были проведены сравнительные подрывы ЗУВР и инженерных кумулятивных зарядов (рис. 3, 4). Преграды соответствовали предельным характеристикам по пробивной способности кумулятивных зарядов. В результате работ получены сравнительные показатели (табл. 1, 2).
Сравнительные показатели для кумулятивных зарядов и ЗУВР
|
Заряды |
КЗУ-2 |
УМКЗ |
СЗ-1Э |
ЗУВР |
|
Удельный расход, г/cм2 |
118,2 |
68,4 |
7,7 |
2,9 |
|
Уменьшение массы ЗУВР |
в 40,8 раз |
в 23,6 раз |
3,7 раз |
– |
Рис. 4. Перебитие бетонного блока толщиной 520 мм с помощью ЗУВР
Таблица 2
Сравнительные показатели для кумулятивного заряда и ЗУВР
|
Заряды |
ЛКЗ-80 |
КЗУ |
ЗУВР |
|
Удельный расход, г/cм2 |
1,2 |
4,6 |
0,1 |
|
Уменьшение массы ЗУВР |
в 12 раз |
в 46 раз |
– |
На острове Новая Земля инженерной службой 6 армии Военно-воздушных сил и противовоздушной обороны по методике БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова выполнено взрывное обрушение аварийной стрелы подъемного крана высотой 80 м (рис. 5), при этом официально установлен рекорд России № 00828. Применение ЗУВР позволило снять риски ЧС в порту «Новая Земля» от воздействия ударных волн и осколочного воздействия на работу коммуникаций и боеготовность порта в целом.
Примерами выполнения экспериментальных работ с применением имплозивных ударных волн взрыва приведены на рис. 6–8. Технология позволяет вести взрывные работы в стесненных условиях и пожароопасных объектах. Снижение массы заряда на метр реза конструкций и отсутствие запреградного действия повышает безопасность взрывных работ.
В ходе испытаний зарядом ЗУВР под водой было вырезано отверстие в стальной трубе. Длина реза составила 2 400 мм. Расход ВВ составил 600 г. На рис. 9 представлен образец, полученный после применения ЗУВР под водой, толщина стенки трубы – 10 мм.
3. Сравнение с аналогами промышленных образцов
В промышленности имеются линейка шнуровых кумулятивных зарядов (табл. 3) [9] от производителей ФГУП «ГосНИИ «Кристал» (г. Дзержинск) и ФГУП «СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург).
Заряды представляют собой эластичные шнуры с продольной параболической кумулятивной выемкой, облицованной металлопластиком. Металлопласт применяется для облицовки вещества на полимерной основе, содержащее значительное (до 85 %) порошкообразного железа, а также и ВВ, обладающее свойством эластичности, представлен на рис. 10 а, на рис. 10 б показан вариант дополнительного приспособления для инициирования заряда.
Таблица 3
Основные характеристики промышленных зарядов для резки конструкций
|
Тип заряда |
Масса ВВ, кг |
Размеры, мм |
Эффективность действия |
||||
|
длина |
высота |
ширина |
сталь |
алюминий |
ж/б |
||
|
Алмаз-4 |
15 г/м |
5 500 |
4 |
5 |
2 мм |
4 мм |
по дереву – 20 мм |
|
Алмаз-8 |
45 г/м |
3 000 |
8 |
9 |
5 мм |
по дереву – 50 мм |
|
|
ШКЗ-1 |
65±15 г/м |
1–30 м |
Æ9±1,5 |
ВВ – Г |
4 |
8 |
|
|
ШКЗ-2 |
130±20 г/м |
1–30 м |
Æ13±1,5 |
– « – |
7 |
14 |
|
|
ШКЗ-3 |
240±25 г/м |
1–30 м |
Æ17±1,5 |
– « – |
11 |
22 |
|
|
ШКЗ-4 |
340±30 г/м |
1–30 м |
Æ21±2,0 |
– « – |
15 |
30 |
|
|
ШКЗ-5 |
520±35 г/м |
1–30 м |
Æ26±2,0 |
– « – |
19 |
28 |
|
|
ШКЗ-6 |
730±40 г/м |
1–30 м |
Æ32±2,5 |
– « – |
25 |
50 |
|
Основными технические недостатками способа резки шнуровыми зарядами:
– способ не позволяет осуществить резку крупногабаритных толстостенных конструкций с толщиной стенки 30–100 мм и более;
– способ и заряд не позволяет осуществить резку с высоким качеством поверхности реза для последующего монтажа и сварки;
– способ и заряд не позволяет осуществить резку под водой;
– установка зарядов на конструкцию требует дополнительных приспособлений
для выдерживания фокусных расстояний, обеспечивающих устойчивое формирование струйных течений в теле преграды и, чем больше калибр применяемого заряда, тем сложней решается задача;
– требуется дополнительное устройство для гарантированного инициирования.
Заряды производятся из эластичного ВВ на основе гексогена, но конструктивные характеристики и состав ВВ более сбалансирован в зарядах «Алмаз» производителя ФГУП «СКТБ «Технолог», где в качестве ВВ применен «Эластит 15». В сравнении «Алмаз-8»
и ШКЗ-1 при равных габаритах работоспособность «Алмаз-8» выше на 20–25 % при одновременном снижении массы ВВ 25–30 %. В зарядах ЗУВР и применено ВВ «Эластит 15» ТУ 7276‑418-05121441-201.
Основные проблемы шнуровых зарядов решены в способе с применением имплозивных ударных волн взрыва, где в качестве инструмента используется ЗУВР.
Производство ЗУВР освоено ФГУП «СКТБ «Технолог» (Санкт-Петербург) [7, 8]. Заряды выпускаются в двух типоразмерах согласно ТУ 20.51.12-001-02066374‑2020. Заряды рассчитаны на разрушение 10 мм и 30 мм конструкционной стали, проходят этап контрольных
и приемочных испытаний для разрешения на постоянное применение в соответствии со ст. 3 Технического регламента Таможенного союза 028/2012 и ст. 6 Федеральных норм и правил в области промышленной безопасности от 3 декабря 2020 г. № 494 [9, 10].
Удлиненный заряд ВВ ЗУВР (рис. 11) выполнен в форме монолитного желоба, полость которого симметрична оси и заполнена инертной вставкой, со стороны, противоположной стороне с полостью, выполнены скругления краевых частей и канавка с возможностью размещения детонирующего шнура, канавка выполнена с закраинами с возможностью фиксации в канавке детонирующего шнура, при этом кратчайшее расстояние между противоположными краями закраин меньше диаметра детонирующего шнура (ДШ). При этом инертная вставка выполнена с магнитным материалом (виниловый магнит), что позволяет ЗУВР крепить к ферримагнитной преграде без лишних приспособлений. Наличие канавки обеспечивает удобную установку детонатора и надежное инициирование заряда, а в фигурных зарядах повышает надежность передачи детонации с применением ДШ. ДШ, специально изготовленный из высокоскоростного ВВ, также поставляется в комплекте. В сумме используемые технические решения обеспечивают высокую технологичность ведения взрывных работ, надежность и качество.
Из представленных испытаний наглядно видны преимущества резки (разрушений) преград, материалов с применением ЗУВР: значительно снижен расход ВВ, снижено воздействие ударных волн, практически отсутствует запреградное действие взрыва, значительно улучшена технология применения по сравнению с шнуровыми зарядами и расширена область применения, все это положительно скажется на спасательных работах при ЧС.
Но самое большое достоинство способа – возможность выполнения взрывных работ под водой, на глубинах до 6 000 м, аналогов для работы под водой нет.
Заключение
В качестве выводов можно отметить, что резка с помощью ЗУВР по сравнению с резкой другими видами зарядов обладает рядом преимуществ, которые могут быть использованы в интересах решения задач при ЧС:
– имеет расход ВВ в 2 ... 6 раз ниже при разрушении стальных конструкций большой толщины (до 200 мм и более);
– не изменяет структуру и состав металла в области разрушения;
– исключает образование высокоскоростных осколков и обладает минимальным запреградным воздействием ударных волн при оптимальной (минимально-возможной) величине заряда;
– допускает работу с преградами, имеющими сложный рельеф поверхности (шар, конус, цилиндр и их производные) с минимальным радиусом кривизны благодаря небольшому сечению и выбору эластичного материала заряда ВВ;
– допускает работу под водой, в том числе на глубинах до 6 000 м;
– допускает работу как с готовыми (заводскими) ЗУВР, так и изготовление зарядов необходимого размера и формы из штатных пластичных ВВ на месте производства работ,
без применения специального оборудования;
– ударно-волновая резка пород с использованием билинейных зарядов, реализующих резку волнами Маха, позволит существенно снизить расход взрывчатых материалов и время проведения работ;
– технологичность и простота применения, не требует дополнительного оборудования, что обеспечивает высокий темп выполнения задач.
1. Fizika vzryva: v 2-h t. / pod. red. L.P. Orlenko. 3-e izd., pererab. M., 2004.
2. Mihajlov N.P. Osnovy matematicheskogo modelirovaniya processov vzryva i udara: ucheb. SPb.: Balt. tekhn. gos. un-t, 2012. 202 s.
3. K voprosu effektivnoj likvidacii CHS prirodnogo haraktera na osnove innovacionnyh tekhnologij udarno-volnovoj rezki / S.I. Doroshenko [i dr.] // Problemy obespecheniya bezopasnosti pri likvidacii posledstvij chrezvychajnyh situacij: materialy III Vseros. nauch.-prakt. konf. s Mezhdun. uch. Voronezh, 2014. S. 241-244.
4. Mihajlov N.P., Doroshenko S.I. Brigadin I.V. Sovershenstvovanie tekhnologii rezki, svarki i uprochneniya metallov // Vzryvnoe delo. 2013. № 109/67. S. 101-117.
5. Udarno-volnovaya rezka massivnyh stal'nyh konstrukcij / N.P. Mihajlov [i dr.] // Voprosy oboronnoj tekhniki. 2012. № 5-6. S. 55-60.
6. Razvitie tekhnologii razrusheniya porod implozivnymi udarnymi volnami / N.P. Mihajlov [i dr.] // Gornyj informacionno-analiticheskij byulleten'. S. 313-320.
7. Zaryad dlya razrezaniya tverdyh materialov: pat. 2701600 Ros. Federaciya: MPK B21D 26/08 B26F 3/00 F42B 1/00 F42B 3/08; patentoobladatel' Baltijskij gosudarstvennyj tekhnicheskij universitet «VOENMEKH» im. D.F. Ustinova (BGTU «VOENMEKH») (RU); zayavl. 03.07.2017; opubl. 30.09.2019;
8. Udlinennyj zaryad vzryvchatogo veshchestva: pat. 204402 Ros. Federaciya: MPK F42B 1/04 F42B 3/093 B21D 26/08 B26F 3/00; zayavl. 19.05.2020; opubl. 24.05.2020; avtory i patentoobladateli: Doroshenko S.I. i dr.
9. Upravlenie vzryvom sredstva vzryvaniya. Vzryvobezopasnost': ucheb. posobie / S.I. Doroshenko [i dr.]. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2022. 100 s.
10. Vzryv i vzryvnye yavleniya, vzryvchatye veshchestva i vzryvnye ustrojstva. Vzryvobezopasnost': ucheb. posobie / S.I. Doroshenko [i dr.]. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2022. 100 s.
