Проблемы и методы утилизации морально и физически устаревших боеприпасов

Для снижения прочностных характеристик ВВ, с целью уменьшения усилий при извлечении заряда из корпуса и повышения безопасности этой операции используется разупрочняющий разогрев снаряда. Время, необходимое для достижения температуры ВВ у стенки, превышающей с некоторым запасом (~10°С) уровень разупрочняющей температуры ВВ, при различных опробованных простых и безопасных способах подвода теплоты достаточно точно оценивается хрестоматийным расчетом. Десятиградусный перегрев необходим для предотвращения остывания заряда, за межоперационный период до границы температур существенного разупрочнения ВВ. Для выполнения безопасного выдавливания пуансоном ВС из корпуса или частей корпуса БП, образованных после разрушения, необходимо знать усилия выдавливания, давление на ВВ под пуансоном, размеры зазоров у пуансона, предотвращающие выталкивание и защемление ВВ, а также безопасные скорости выдавливания ВС.

е) Импульсный метод воздействия на ВВ.

Этот метод механического расснаряжения является перспективным методом извлечения ВВ под действием ударной волны от сосредоточенного заряда, распространяющейся через передающую рабочую среду. Силовые факторы воздействия характеризуются большой интенсивностью и кратковременностью действия (микросекунды).

При этом в материале разрывного заряда возбуждаются многократные упругие волны сжатия -- растяжения, приводящие к дроблению заряда внутри металлической оболочки, что приводит к диспергированию заряда внутри металлической оболочки. Незначительная амплитуда импульса (не превышающая предела динамической упругости материала оболочки) гарантирует безопасность процесса и сохранение свойств ВВ, что позволяет использовать его по прямому назначению без дополнительной переработки.

ж) Магнитодинамический способ воздействия.

Метод заключается в обеспечении пластических деформаций цилиндрических оболочек в результате воздействия электромагнитного поля, что позволяет извлечь заряд ВВ без нарушения его целостности. Этот способ принадлежит к числу нетрадиционных способов расснаряжения БП. В настоящее время получены соотношения для оценки параметров магнитных полей, обеспечивающих пластическое деформирование цилиндрических оболочек, в результате чего заряд ВВ может быть извлечен из корпуса при сохранении его целостности. Полученные результаты и имеющиеся предварительные проработки позволяют рекомендовать магнитодинамическое воздействие для извлечения кумулятивных облицовок в случаях утилизации кумулятивных зарядов и боевых частей, обезвреживания средств взрывания, имеющих ферромагнитные корпуса (капсюли-детонаторы КД №8С, взрыватели мин МВЗ-57, МВЧ-62 и т.п.)

з) Разрушение кавитацией (использование ультразвуковых колебаний).

Научной основой метода служит явление кавитационной эрозии, т.е. разрушение поверхности твердых тел под действием кавитации -- образующихся пульсирующих пузырьков.

Существует два типа кавитации: акустическая -- возникает при прохождении звуковой волны большой интенсивности, и гидравлическая -- вызываемая локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения.

Кавитационные пузырьки, возникающие в интенсивной звуковой волне, переходя в область высокого давления, вызывают сильное излучение акустических волн, которые разрушают поверхности твердых тел, граничащих с кавитационной жидкостью. Поверхность материала вначале становится шероховатой, затем на ней появляется рельефность, развиваются впадины, трещины. Под действием акустических микропотоков жидкость по трещинам проникает внутрь материала, где разрушающее действие ударных волн становится еще более эффективным и приводит к разрушению материала. Для повышения эрозионной активности жидкости в нее вводятся мелкодисперсные частички размером 5 -- 10 мкм таких абразивных материалов, как корунд, карбид бора и др. Основой разрушения заряда ВВ, находящегося в корпусе снаряда, является создание в нем, путем прохождения ультразвуковых волн в жидкости, эффекта кавитационной эрозии. В качестве жидких сред используются два вида растворов: водные моющие растворы щелочей, фосфоритов и карбонатов; растворители -- керосин, бензин, уайт-спирит и другие.

Интенсивность процесса зависит от интенсивности кавитации, скорости и характера акустических течений, радиационного давления, зависящего от частоты и амплитуды колебаний.

Недостатком является сложность в создании определенных условий для образования кавитационных пузырьков.

2.3.2 Химические методы расснаряжения

К химическим методам расснаряжения БП можно отнести:

- применение растворителей;

- применение реагентов.

Методы основаны на том, что для каждого ВВ, используемого в БП, удается подобрать соответствующий растворитель или реагент, который взаимодействует с ВВ с образованием химических продуктов, не способных к взрывчатым превращениям. Так, например, тротил -- негигроскопичен, в воде практически нерастворим, но хорошо растворим в органических растворителях, особенно в ацетоне, бензоле, толуоле, несколько хуже -- в спирте. Тротил также хорошо растворим в серной и азотной кислотах. Не нагретые кислоты тротил не окисляют, а только растворяют, и из раствора при его разбавлении тротил выкристаллизовывается неизменным. Но нагретые кислоты реагируют с тротилом, что может привести к взрыву. Таким же образом тротил реагирует и со щелочами.

Гексоген и октоген негигроскопичны, в воде практически нерастворимы и хорошо растворимы в ацетоне. В обычных растворителях растворяются плохо. Серная кислота гексоген разлагает, азотная -- растворяет гексоген на холоде без разложения, а при нагревании -- с разложением. Гексоген гидролитически разлагается водой.

К общим недостаткам следует отнести принципиальное изменение химических свойств извлекаемого снаряжения, что приводит к дополнительным трудностям по применению извлекаемого вещества. Кроме того, химические способы расснаряжения представляют наибольшую экологическую опасность.

Расснаряжение и утилизация капсюлей-детонаторов составляет самостоятельную, пока не решенную проблему, во-первых, в связи с большими масштабами производства (миллиона штук), во-вторых, из-за значительно более высокой опасности, а также ввиду наличия в капсюлях-детонаторах токсичных веществ (гремучей ртути, азида свинца).

В настоящее время данная проблема решается двумя способами: обжигом капсюлей-детонаторов, требующим специальной кабины с ее последующей демеркуризацией, и использованием извлеченных из корпусов детонаторов для инициирования промышленных ВВ.

Предварительная оценка методов расснаряжения БП показывает, что работа по извлечению ВВ у изделий с истекшими гарантийными сроками хранения и последующая утилизация извлеченных ВВ в народном хозяйстве содержат потенциальную опасность возникновения аварийных ситуаций.

В процессе старения БП в течение гарантийного срока хранения происходит накопление продукта распада, взаимодействие ВВ и продуктов распада с лакокрасочным покрытием и с конструкционным материалом. Глубина превращения может зависеть как от условий и времени хранения, так и от конструктивных особенностей БП. Извлечение наполнителя из изделий путем выплавки или диспергирования может привести к дополнительному изменению веществ за счет растворения в них лакокрасочного покрытия. При этом не исключена возможность попадания в извлекаемый продукт сенсибилизирующих нерастворимых частиц лакокрасочного покрытия и твердых примесей в виде стружки, окалины и т.п. Таким образом, извлеченный продукт может существенно отличаться по физико-химическим и взрывчатым свойствам от продукта, использованного при наполнении, что может вызвать неконтролируемый его распад на различных стадиях переработки: при разборке изделий, извлечении наполнителя, переработке в товарную форму, транспортировке, применении в качестве взрывчатого материала в народном хозяйстве.

Подводя итог вышеизложенному, можно заключить, что экономически приоритетным является наиболее взрывобезопасный и технологичный гидроструйный способ, который может быть автоматизирован при использовании в промышленном масштабе. Учитывая широкую номенклатуру БП, отсутствие разработки универсальных методов расснаряжения, следует признать, что при решении конкретных задач расснаряжения БП определенного вида не исключена разработка и других альтернативных подходов.

3. СУЩНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ГИДРОТЕХНОЛОГИЙ

Гидроструйные технологии (гидротехнологии) основаны на использовании энергии высокоскоростных струй, которые, вырываясь из струеформирующих устройств под большим давлением (до 300 МПа, а иногда и выше), взаимодействуют с материалом и, создавая при этом в последнем нагрузки, соизмеримые и даже превышающие пределы прочности, осуществляют работу по разрушению. Высокоскоростные струи являются универсальным инструментом и могут применяться для разрушения практически любого материала. При этом они классифицируются следующим образом:

- водяные струи;

- водополимерные струи - водяные струи с добавлением полимеров для придания специальных свойств при течении и воздействии на обрабатываемый материал;

- пульсирующие струи - подразделяются на струи с низкой (до 1000 Hz) и высокой (более 1000 Hz) частотой пульсации;

- гидроабразивные струи.

Кроме того, для решения специальных задач используются криогенные струи и струи сжиженных газов, а также водяные струи с частичками льда.

Универсальность высокоскоростных струй хорошо иллюстрирует перечень технологических операций, реализуемых на их основе:

- резание - струи осуществляют разрезание материала или нарезание щелей на заданную глубину;

- бурение (сверление) - струи образуют в материале отверстия заданной конфигурации;

- токарная обработка и фрезерование - здесь струи работают аналогично механическому инструменту;

- комбинированное резание материалов - струи воздействуют на обрабатываемый материал совместно, например, с механическим инструментом;

- обработка поверхностей - очистка, удаление нарушенного слоя материала, полировка и др.;

- вымывание материала из оболочек.

Высокоскоростные струи уже нашли свое широкое применение в промышленности. Для оценки уровня практической реализации той или иной гидроструйной технологии целесообразно использовать следующие показатели:

- наличие на рынке машиностроительной продукции оборудования, реализующего конкретный технологический процесс;

- упоминание в литературе и материалах конференций разработок с описанием новых технологий.

Первый показатель свидетельствует о том, что технология освоена в промышленности и идет её тиражирование. Во втором случае речь идет о гидроструйных технологиях, которые являются перспективными, но в настоящее время только предлагаются к внедрению.

Анализ данных показывает, что наибольшее распространение нашли технологии резания и обработки поверхностей различных материалов водяными струями. Этому способствует большой объем теоретических, экспериментальных и практических знаний, накопленный за последние 30 - 50 лет, который позволяет достаточно достоверно описывать процессы формирования водяных струй, их течения и взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Признанными лидерами в области промышленного применения водоструйной резки являются фирмы "Hammelemann" (Германия), "Bohle" (Австрия), "Tasay", "Nihon" (Япония), "Flow Industries" (США), "Sandvik" (Швеция), "BHR Group" (Великобритания), использующие водяные струи для быстрого и эффективного разрезания большинства неметаллов, включая бумагу, ткань, дерево, пластик, стекловолокно и др.

Этими же фирмами на рынке гидроструйных технологий предлагается широкий ассортимент оборудования для очистки водяными струями поверхностей строительных конструкций, металлических изделий, литейных форм и судовых днищ, а также удаления выветренного слоя железобетона и др.

Вместе с тем, в результате исследований, активно проводимых в последние десятилетия, стало известно, что эффективность резания резко повышается при введении в высоконапорную водяную струю абразивных частиц.

Так, сравнительные экспериментальные исследования показали, что при одинаковых гидравлических параметрах введение абразивного компонента в высоконапорную водяную струю позволяет увеличить глубину щели (производительность) в 5 -- 8 и более раз.

Р.А. Тихомировым и В.С. Гуенко исследовался процесс резания листов винилпласта, стеклотекстолита, фольгированного пластика и стали с пределом прочности на растяжение от 55 до 450 МПа. При этом было установлено, что добавление абразива в жидкостную струю по сравнению со струей чистой воды повышает производительность резки менее прочных материалов в 3 - 5 раз, а более прочных в 10 - 20 раз.

Результаты многочисленных экспериментов показали, что технология гидроабразивного резания имеет значительные преимущества перед технологией резания материалов обычными высоконапорными водяными струями, не содержащими абразива. Наряду с увеличением производительности резки к основным из них относятся следующие:

- высокая эффективность резания абразивных материалов;

- способность разрушать крепкие материалы;

- повышение безопасности работ для обслуживающего персонала;

- снижение стоимости расходных материалов, оборудования и всего технологического процесса;

- обеспечивается высокая надежность эксплуатации оборудования.

Гидроабразивные струи уже стали стандартным режущим инструментом в высокотехнологичных отраслях и в машиностроении. В то же время для большинства традиционных отраслей промышленности гидроабразивные струи и технологии на их основе требуют проведения исследований и поиска путей реализации.

Большое количество появившихся в последнее время разработок, направленных на расширение области применения гидроструйных технологий, свидетельствует о возрастающей популярности струй как инструмента, что обусловлено, с одной стороны, их достоинствами, а с другой - возросшим общим уровнем техники. Причем, если для высокотехнологичных отраслей промышленности характерен поиск технологий на основе пока еще экзотических криогенных струй, то для традиционных отраслей, перспективным является использование именно гидроабразивных струй.

Гидроабразивное резание различных материалов, основывается на совместном воздействии на материал непрерывных высоконапорных струй воды и абразивных частиц, находящихся внутри этих струй. В результате такого воздействия материал или разрезается насквозь, или в нем прорезается щель определенной глубины и ширины. Кроме того, использование различных типов абразивов позволяет производить очистку поверхностей от различных покрытий и ее полировку.

Идея использования водяной струи с увлеченными абразивными частицам не является новой. Нефтяная промышленность США и Канады широко использовала этот способ для бурения нефтяных скважин в конце 70-х годов. Впоследствии от этого способа отказались из-за значительных проблем, связанных с быстрым износом оборудования.

После некоторой модернизации этот способ снова появился в 1980 году, и с тех пор применение гидроабразивных струй очень быстро расширяется и в настоящее время охватывает множество областей, начиная от резки металлов, таких, как титан, металлопластиков и неметаллов, например, стекла, асбестовых панелей, строительных и облицовочных материалов, эпоксидных смол (при этом в большинстве случаев достигается гладкая поверхность реза), до ремонта ядерных реакторов и утилизации радиоактивных отходов.

Гидроабразивные струи имеют впечатляющую репутацию в точной резке или обработке даже самых сложных материалов, таких, как керамика. И, как отмечается в работах, в этом отношении данный способ действительно созрел.

В настоящее время в ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского разработан на патентоспособном уровне оригинальный гидроабразивный режущий инструмент, представленный на рис. 3.1, конструкция которого позволяет изменять конфигурацию его проточной части в зависимости от исходных гидравлических параметров высоконапорной водяной струи.

Кроме того, там же завершаются работы по созданию универсального гидроабразивного агрегата (в зависимости от выполняемых задач, имеющих два исполнения), который позволит решать широкий круг технических задач по механизации вспомогательных процессов, являющихся наиболее значительным источником ручного труда на различных предприятиях.

К таким процессам в настоящее время относятся:

- очистка тоннелей, зданий и сооружений;

- очистка металла от ржавчины, краски и покрытий;

- очистка судовой поверхности;

- очистка литейных форм;

- очистка транспортных тележек и решеток окрасочных цехов;

- резание бетона и железобетона.



Рис. 3.1. Гидроабразивный режущий инструмент:

1 - корпус; 2 - ниппель; 3 - успокоитель; 4 - насадка;

5 - корпус коллиматора; 6 - коллиматор; 7 - конфузор;

8 - камера смешивания; 9 - высоконапорный трубопровод

На рис. 3.2 а представлен мобильный гидроабразивный агрегат, на рис. 3.2 б - агрегат на раздвижной стойке, а на рис. 3.2 в - мобильная пневмотранспортная установка с бункером емкостью 50 - 200 кг для дистанционной подачи сухого абразива в гидроабразивный режущий инструмент на расстояние до 20 м.

В настоящее время известны два основных способа создания гидроабразивных струй. Первый - это способ увлечения, при котором твердые абразивные частицы, поступающие по каналу подвода абразива, увлекаются высокоскоростным потоком воды, истекающим из струеформирующей насадки, в смесительную камеру инструмента. Образовавшаяся смесь направляется затем в коллиматор (фокусирующую трубу), где абразивные частицы получают необходимое ускорение от потока воды, в результате чего образуется высокоскоростная гидроабразивная струя. Для создания высоконапорного потока воды, поступающего в струеформирующую насадку, используется специальный источник воды высокого давления.



Рис. 3.2. Гидроабразивный агрегат:

а) Мобильный гидроабразивный

б) Агрегат на раздвижной стойке

в) Мобильная пневмотранспортная установка:

1 - исполнительный орган; 1 - исполнительный орган; 1 - тележка;

2 - кронштейн; 2- кронштейн; 2 - компрессор;

3 - стабилизатор; 3 - стабилизатор; 3 - бункер;

4 - платформа; 4 - раздвижная стойка; 4 - стабилизатор;

5 - противовес; 5 - шланг подачи абразива; 5 - шланг

6 - шланг подачи абразива; 6 - высоконапорный шланг

7- высоконапорный шланг

Увлекающие системы для создания гидроабразивных струй применяются при давлении воды до 400 МПа. При этом количество подаваемого абразива (до 20 кг/мин) и тип абразива (от мелкого глинозема до часто применяемого граната) зависят от рабочих параметров системы и характеристик разрезаемого материала.

Второй способ - это способ прямого введения, при котором абразив смешивается с водой в сосуде высокого давления. Далее гидроабразивная суспензия направляется в насадку с отверстием малого диаметра из износостойкого материала, в которой формируется высокоскоростная гидроабразивная струя [14]. Незначительное изменение способа прямого введения включает взвешивание абразивных частиц в вязком полимерном растворе. Другая разновидность этого способа реализуется в установках, где гидроабразивная струя извлекается из псевдоожиженного слоя при пониженном давлении воды. Однако применимость последнего способа еще не подтверждена практикой.

Системы прямого введения абразива применяются обычно при давлении воды около 100 МПа, хотя есть тенденция эксплуатировать системы при большем давлении, а расход абразива (например, кварцевого песка) может превышать 20 кг/мин. В точной резке, где обычно используется сверхвысокое давление до 400 МПа, расход абразива составляет, как правило, приблизительно 1 кг/мин.

Системы увлечения и прямого введения имеют свои преимущества и недостатки, а выбор конкретного типа системы зависит от области применения, потребности производства и финансовых возможностей.

Дополнительное оборудование системы увлечения для ввода абразивных частиц в струю воды, благодаря своей относительной простоте и малым габаритам, существенно не влияет на мобильность установки. Доставка абразива к инструменту может осуществляться или за счет эжекции в смесительной камере инструмента, или пневмотранспортом, посредством сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором в инжекторное устройство, или регулироваться при помощи дозатора. Все это делает системы увлечения более предпочтительными для применения по сравнению с системами прямого введения абразива, которые, как правило, являются более металлоемкими, громоздкими и более дорогими из-за наличия сосудов высокого давления с водоабразивной суспензией и специального монитора для центрирования взвешенного абразива. В то же время способ прямого введения дает более эффективное насыщение струи абразивом и, как следствие, более качественную прорезаемую щель. Поэтому способ прямого введения абразива целесообразно применять в стационарных установках для точной резки тех материалов, обработка которых обычными способами затруднена (титан, стекло, керамика и т. д.).

Технология гидроструйного резания выгодно отличается от других способов нарезания щелей, в подтверждение этого укажем и на:

- отсутствие обратной реакции со стороны обрабатываемого материала на гидроабразивный инструмент;

- небольшое усилие, необходимое для перемещения гидроабразивного инструмента, так как нет механического взаимодействия его с разрушаемым материалом;

- малые габаритные размеры и массу гидроабразивного инструмента. За рубежом проводились исследования, задачей которых являлось сравнение эффективности технологии гидроабразивного резания с перечисленными нетрадиционными технологиями.

Для сравнения была взята лазерная резка как технология, имеющая большую эффективность и производительность, чем плазменная резка, термическое или ультразвуковое разрушение. В качестве разрушаемого материала использовался пакет из металлических пластин толщиной 0,2 - 0,3 мм каждая. В результате испытаний установлено, что при толщине разрезаемого пакета пластин менее 6,0 мм более эффективным с точки зрения энергоемкости и скорости процесса является резание лазером, а при толщине пакета, превышающей 6,0 мм, более эффективной оказалась технология гидроабразивного резания. На основе анализа результатов исследований, представленных в работах, можно выделить следующие основные преимущества гидроабразивного способа резания по сравнению с нетрадиционными технологиями (резка лазером, плазменная резка, термическое и ультразвуковое разрушение):

- процесс разрушения не связан с термическим воздействием, таким, как при лазерном и плазменном резании или термическом разрушении, благодаря чему, он является взрывобезопасным, вследствие отсутствия искрения;

- в ходе процесса гидроабразивного резания не происходит химических реакций, а следовательно, отсутствуют продукты горения и окисления.

Кроме того, технология гидроабразивного резания не вызывает расслоения композиционных материалов, обеспечивает нарезание нескольких щелей и произвольную их конфигурацию. Но самым главным, пожалуй, преимуществом технологии гидроабразивного резания является ее универсальность, обеспечивающая возможность разрушения практически всех известных материалов.

В целом, выполненный анализ существующего опыта и возможностей практического применения технологий резания гидроабразивными струями позволил установить их эффективность и перспективность для промышленности.

С точки зрения применения гидроструйных технологий для утилизации БП, наибольший интерес в настоящее время представляет применение водяных струй при не слишком высоких магистральных давлениях до 200 МПа. Данные струи при правильно спроектированном инструменте позволяют извлекать ВС из корпусов БП практически любой формы и калибрами до 203 мм. При этом выбор рациональных технологических параметров процесса, таких, как диаметры и углы расположения сопел, скорость углового вращения и подача инструмента позволяют обеспечить требуемый фракционный состав извлекаемого продукта и осуществить хорошую очистку корпуса за один проход. Несмотря на то, что влагосодержание извлеченного ВВ в данном случае довольно значительно, оно может быть с успехом использовано для изготовления водонаполненных промышленных ВВ или после операций отделений влаги и просушки в качестве сенсибилизаторов твердых ВВ.

Гидроабразивные струи также находят применение при утилизации БП. Они, прежде всего, используются для вскрытия корпусов БП, отделения отдельных элементов, например, взрывателей и разрезания крупногабаритных БП на отдельные части (авиабомб, БЧ, БЗО). При этом следует помнить, что абразивные частицы обладающие высокой скоростью могут вызвать инициирование ВВ. Поэтому при реализации этих операций особое внимание следует уделять вопросам обеспечения безопасности. Применение гидроабразивных струй для извлечения ВВ несмотря на высокую производительность, даже при обеспечении надежной безопасности, нецелесообразно из-за засорения извлекаемого продукта абразивными частицами, извлечение которых представляет собой сложную техническую задачу.

В последние годы некоторыми зарубежными учеными, а также сотрудниками ТулГУ разработаны основы применения высокоскоростных струй жидкости, включающих ледяные гранулы, образующиеся при движении и распаде турбулентной струи под воздействием газообразного хладогента. Эти технологии позволяют повысить производительность процесса расснаряжения, уменьшить влагосодержание извлекаемого продукта при гарантированном обеспечении безопасности проводимых работ.

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА РАССНАРЯЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

4.1 Установка по определению чувствительности ВВ

Как уже неоднократно отмечалось, промышленное внедрение гидроструйных способов утилизации БП может быть осуществлено только при надежном обеспечении безопасности реализуемых технологических процессов. Гидроструйные технологии обеспечивают высокий коэффициент запаса стойкости ВВ. Однако, учитывая возможные катастрофические последствия несанкционированного взрыва утилизируемого БП, окончательный вывод о безопасности данной технологии может дать эксперимент.

Существующие методы определения чувствительности ВВ по характеру воздействия на ВВ сильно отличаются от воздействия высокоскоростной струи жидкости. Поэтому возникает необходимость разработки специальных методов и оборудования, обеспечивающих наибольшее приближение эксперимента к реальному процессу. При разработке способа оценки чувствительности ВВ к динамическому воздействию струи жидкости, прототипом послужил способ тестирования ВВ, предложенный и реализованный в университете Миссури Ролла под руководством доктора Д. Саммерса. Основным элементом данного комплекса оборудования является генератор струй высокого давления (дерринджер), преобразующий энергию горения или детонации ВВ в кинетическую энергию струи жидкости. Для определения скорости движения струи использовался кадровый фотоаппарат Кордин-10-010А, обеспечивающий съемку со скоростью до 1250 кадров в секунду при подсветке высокоскоростной вспышкой Вивитар. Возникновение реакции в ВВ определялось по появлению ионов NO и NO2, которое фиксировалось компьютерным жидкостным хроматографом. При проведении тестов дерринджер снаряжался навеской ВВ до 5 г, что обеспечивало скорость водяной струи до 2000 м/с и приводило к детонации большинства испытуемых образцов.

Тем самым определялись верхние допустимые пределы магистрального давления, формирующего струю, которые составили 1400 -- 2500 МПа. Следует отметить, что существующее в настоящее время гидромониторное оборудование обеспечивает максимальное давление до 500 МПа, что значительно ниже критических значений. Применяемое в данном способе регистрирующее оборудование изготавливается за пределами России и стоимость его достаточно высока. В связи с этим, возникла необходимость разработки более простого и доступного способа оценки чувствительности. Ниже приводятся описания экспериментально-теоретического способа определения чувствительности ВВ к воздействию высокоскоростной струи жидкости, разработанного и запатентованного сотрудниками ТулГУ [13] и отработанного на различных типах ВВ.

Общий вид установки, реализующей предлагаемый способ, представлен на рисунке 4.1. Конструкция и принцип действия установки позволяют моделировать воздействие струи жидкости высокого давления на навеску ВВ и определять момент возникновения химических реакций. Формирование струи осуществляется в насадке под действием давления продуктов горения пороха. Взаимодействие струи с ВВ происходит в герметичной камере, где размещаются датчики для получения необходимых характеристик процесса.

Одной из основных целей, реализуемых с помощью данной установки, является определение верхнего и нижнего пределов скорости (давления) струи, при которых происходит эффективное разрушение ВВ и не возникает его термического саморазложения: горения и детонации. Определение этого диапазона давлений производится путем изменения массы навески топлива, расстояния от сопла до поверхности ВВ или типа топлива. Для определения верхнего предела давления предлагается метод, в основе которого лежит сравнение зависимостей давления от времени, Полуниных для тестовых зарядов, при их инициировании в герметичной камере с аналогичной зависимостью для испытуемого заряда.

Рис. 4.1. Экспериментальная установка по определению чувствительности ВВ к динамическому воздействию однородной струи жидкости

Сравнивая зависимости Р(1) тестовых и испытуемого зарядов, можно определить количество вещества, прореагировавшего при воздействии на него струей. Причем запись зависимости Р(t) для тестовых зарядов производится до их полного инициирования от источников, не связанных с установкой, испытуемый же заряд подвергается воздействию струи, и его реакция оценивается по изменению давления в герметичной камере.

Масса испытуемого и тестовых зарядов подбирается, исходя из условия возникновения и устойчивого протекания горения или детонация. Причем, массы тестовых зарядов меньше массы испытуемого заряда и выбираются в определенном процентном соотношении, обеспечивающем необходимую точность определения количества прореагировавшего вещества. Датчики давления, расположенные в камере, должны обладать высокой собственной частотой, т.к. время нарастания давления составляет порядка КГ* сек., высокой чувствительностью, к тому же они должны выдерживать динамические и температурные нагрузки, возникающие в камере. Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям пьезодатчики на основе металлокерамики (титанат бария и цирконат титана свинца). Синхронизирующая и записывающая аппаратура должна обеспечивать регистрацию необходимых зависимостей с достаточной точностью.

Установка для определения чувствительности ВВ к действию высокоскоростных жидких струй (рис. 4.2) состоит из плиты-основания 1, демпфирующей плиты 2, цилиндра 3, предназначенного для размещения зарядного патрона 4 с запальной втулкой 5, цилиндра 6 с поршнем 7, верхней плиты 8 с размещенным в ней ускоряющим соплом 9, взрывной камеры 10, мишени 11 с кольцом 12, содержащим взрывчатое вещество 13, датчиков 14, 15, прижимной плиты 16, уплотнительных колец 17, 18,19, заряда топлива 20 и резервуара с жидкостью 21. Для соединения плит 1, 8 и 16, предназначены шпильки 22 в количестве 4 шт. Установка располагается вертикально на столе бокса.

Пьезодатчики для измерения давления в камере зарядного патрона устанавливают в отверстие цилиндра 3. Приборы для определения кинематических параметров струи располагаются на определенном расстоянии от взрывной камеры 10.

Способ определения чувствительности ВВ к действию высокоскоростных жидких струй реализуется следующим образом. При сгорании пороховой навески 20, образующиеся пороховые газы воздействуют на поршень 7, заключенный в цилиндре 6. Поршень 7 под действием давления продуктов сгорания ускоряется, передавая энергию жидкости, которая, вытекая через сопло 9, образует струю жидкости, воздействующей на испытуемый образец 13.

Давление, возникающее во взрывной камере 10, регистрируется пьезодатчиком. Предварительно на этой же установке проводят эксперименты по детонации тестовых зарядов ВВ. Инициирование тестовых зарядов производят при помощи электрического тока. Полученные давления регистрируются пьезодатчиком. О чувствительности заряда ВВ можно судить по массе продетонировавшего тестового заряда ВВ, имеющего аналогичную зависимость давления от времени с зависимостью исследуемого образца. Сигнал после усиления регистрируется светолучевым осциллографом. Для определения скорости струи на малой измерительной базе следует использовать высокоскоростной кадровый фотоаппарат (видеокамеру).

Рис. 4.2. Схема установки для определения чувствительности ВВ к действию высокоскоростных струй

Скорость водяной струи, получаемой в установке, можно определить не только экспериментальным, но и расчетным путем, используя математическую модель, разработанную на основе уравнений тепломеханики тела переменной массы.

Так как скорость перемещения поршня невелика (менее 10 м/с), использование термодинамического подхода можно считать оправданным. При принятом подходе процессы, протекающие в зарядной камере, описываются следующей системой уравнений:



где j, U - масса и энергия рабочего тела;

- удельные внутренние энергии воспламенителя и заряда соответственно; к - показатель адиабаты продуктов сгорания;

- удельное теплосодержание вытекающих газов;

- приход газов от сгорания воспламенителя и заряда, определяемые по геометрическому закону горения; - расход газа, через стравливающие окна 23 определялся по известным зависимостям для критического истечения. Свободный объем зарядной камеры:

(4.2)

где - начальный свободный объем камеры;

- масса воспламенителя и заряда;

- плотность воспламенителя и заряда;

- коволюм воспламенителя и заряда;

- относительная сгоревшая часть воспламенителя и заряда, определяемые по геометрическому закону горения;

- площадь поперечного сечения поршня;

l - путь поршня.

Механическая работа, совершаемая газами:

 (4.3)

Для замыкания системы уравнений к ним необходимо добавить уравнение движения поршня:

(4.4)

где Fт.р. - сила трения поршня о стенки камеры;

Fг.с. - сила, возникающая при истечении жидкости через сопло.

Масса перемещающихся элементов системы q(t) складывается из массы поршня q_П и присоединенной переменной массы жидкости:

(4.5)

где - начальная масса жидкости;

- скорость жидкости в выходном сочетании сопла;

- площадь выходного сечения сопла;

- плотность жидкости, определяемая по уравнению состояния Ван-дер-Ваальса.

Полученная система обыкновенных дифференциальных уравнений решается численно методом Рунге-Кутта при следующих начальных условиях:

Графики зависимостей изменения давления Р в камере сгорания и скорости водяной струи на выходе из сопла во времени приведены на рисунках 4.3, 4.4. В качестве метательного заряда использовался ружейный порох "Сокол". Начальная масса воды составляла кг, масса порохового заряда варьировалась в пределах (1,0 ч 3,0)·10^-3 кг.

Рис. 4.3. Графическая зависимость изменения давления от времени

Рис. 4.4. Графическая зависимость изменения скорости истечения жидкости от времени

Из рисунков следует, что как давление, так и скорость истечения жидкости быстро возрастают, достигая максимума, затем плавно убывают до момента открывания стравливающих окон. На рисунке 4.3 приведена экспериментальная зависимость Р(t) полученная с помощью пьезоэлектрического датчика давления Т600, тензостанции и осциллографа Н115.

Построенная математическая модель позволяет установить связь между навеской пороха, давлением и скоростью истечения водяной струи графическое изображение которой представлено на рисунке 4.5. Приведенные графики позволяют определить необходимую массу навески порохового заряда при экспериментальном тестировании ВВ.

Рис. 4.5. Графики зависимостей максимального давления и скорости истечения жидкости от массы заряда:

1 - , 2 -

При отсутствии необходимой элементной базы момент инициирования ВВ может определяться визуально или с помощью видеосъемки, а также в результате осмотра испытуемых образцов после воздействия жидкой струи. Для этого экспериментальная установка упрощается -- герметичная взрывная камера 10 заменяется заглушённой трубой, в которой крепится испытуемый образец. Реализация предложенного способа потребовала проведения испытаний, преследующих две основные цели:

- проверка работоспособности экспериментальной установки;

- исследование чувствительности некоторых ВВ.

Реализация первой цели была достигнута проведением многочисленных лабораторных испытаний на базе ТулГУ при различных массах метательного заряда. В качестве метательного заряда использовался пироксилиновый порох "Сокол". Испытания проводились при последовательном изменении навески пороха массами от 1 до 3 г. Вместо заряда ВВ был использован имитатор, выполненный из битума. В результате проведенных испытаний была доказана работоспособность экспериментальной установки, как с точки зрения ее надежности и безопасности, так и с точки зрения обеспечения заданного воздействия на испытуемый материал, и отработана методика проведения испытаний. На рис. 4.6 представлена фотография битума после воздействия струей жидкости.

Испытания реальных ВВ проводились на базе в/ч 69233. При этом использовались таблетки ВВ А-IХ-2, тротила и тэна, полученные методом глухого прессования массой приблизительно 2,5 г. Испытания проводились сериями на навесках заряда 1,5; 2,0; 2,5 г при расстоянии от среза сопла до мишени 5 -- 8 мм. Каждая серия включала 5 опытов.

Воздействие струи на все испытуемые заряды не привело к их инициированию. На рис. 4.7 представлены фотографии таблеток ВВ (А-1Х-2), иллюстрирующие факт разрушения испытуемого ВВ водяной струей жидкости при полном отсутствии признаков каких-либо химических реакций.

Максимальная расчетная скорость водяной струи, получаемая в проведенных экспериментах, составляет 1273 м/с, что соответствует магистральному давлению 927 МПа и значительно превосходит технологические возможности гидромониторного оборудования, существующего в настоящее время. Таким образом, предложенный и реализованный экспериментально-теоретический метод определения чувствительности ВВ к воздействию высокоскоростной струи жидкости подтвердил высокую степень безопасности использования гидроструйных технологий при расснаряжении БП.

Для получения более высоких скоростей жидкости, приводящих к возникновению горения или детонации в испытуемом образце, следует перейти от горения в зарядной камере к детонации, что и делается в университете Миссури Ролла Д. Саммерсом. При этом достигаются давления до 2500 ч 3000 МПа и скорости водяных струй до 2000 ч 2300 м/с, что приводит к термическому разложению и детонации некоторых ВВ. Так для октогена при U_Bmax=1200 м/с было зафиксировано разложение, а при UBmax~ 1500 ч 2000 м/с -- детонация.

Однако с практической точки зрения проведение подобных испытаний нецелесообразно из-за их повышенной опасности, частого ремонта установки, а главное из-за того, что применяемое в настоящее время гидромониторное оборудование не в состоянии обеспечить таких высоких давлений и скоростей струи.

4.2 Установка для резки корпусов струей жидкости высокого давления

Инженеры КНИИМ изобрели установку по расснаряжению БП. Особенность этой установки состоит в том, что им удалось достичь таких же параметров резки, как при высоком давлении, но значительно сократив расход материалов. Секрет заключается в предварительном смешивании абразива с водой в строго определенной пропорции.

Рассмотрим технологию расснаряжения.

Мощный насос подает воду под давлением до 900 атм. Дальше жидкость, проходя по специальной технологической системе, перемешивается с абразивом и со скоростью 1200 м/с выбрасывается тонкой струей через фокусирующую трубку-сопло диаметром 0,5 мм. Получается тонкая, как струна, "жидкая пила", способная вырезать любые формы из материалов толщиной до 10 см. Это весьма удобно для дистанционного обезвреживания взрывных устройств, в том числе и спрятанных в толстостенные металлические корпуса. Преимущество технологии в том, что возникающее в процессе разрезания тепло практически мгновенно уносится водой. Это исключает детонацию или возгорание. Сегодня только эта технология позволяет избежать нагревания материала в зоне воздействия на него. Кроме того, не изменяются физико-механические свойства материала.

В результате в состав разработанного комплекса вошли установка гидроабразивной резки (Рис. 4.8), устройство с системой управления, программирующее перемещения режущего инструмента (типа станка с ЧПУ), электростанция, комплект оборудования для использования всего комплекса роботом в опасных условиях без участия человека, прицеп.

К расснаряжаемому боеприпасу (БП) доставляется самонастраивающаяся режущая головка (Рис. 4.9), которой с безопасного расстояния управляет оператор при помощи компьютера. 100-мм снаряд в полуавтоматическом режиме фиксируется от возможного непроизвольного перемещения специальным полимерным составом, и начинается дистанционная резка - отделение взрывателя от корпуса снаряда.

Установка управляется при помощи двух ноутбуков, один ведет визуальный контроль над работой программирующего устройства, перемещающего режущее сопло; со второго ноутбука идет определение траектории резки и сканирование боеприпаса для построения его трехмерной модели. Электромеханические двигатели со встроенными датчиками положения обеспечивают перемещение рабочей головки по трехкоординатной траектории с точностью до 0,01 мм. Управление приводами осуществляется от встроенных в них плат, соединенных с компьютером. Требуется около 2 минут, чтобы взрыватель отделился от снаряда.

Установка для извлечения ВВ из БП однородной струей жидкости подробно будет описана в разделах, посвященных технологическому оборудованию.

5. СУЩЕСТВУЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕЗКИ

На данный момент из отечественных производителей комплексов высокого давления широко известна фирма ГидроРезное Оборудование и Технологии ООО «ГРОТ» г. Владимир. ООО "ГРОТ-ЦЕНТР" представляет гидростанцию "эконом класса" ГЦМ18. Она рассчитана на минимальное потребление электроэнергии и воды, однако сохраняет необходимые потребительские свойства для разрезки любого материала, включая сталь толщиной до 50мм.

Гидростанция изготавливается на базе двустороннего мультипликатора и предназначена для создания высокоскоростных струй жидкости. Силовым агрегатом станции является масляный насос мощностью 18 кВт. Станция рассчитана на рабочее давление 3200 бар при номинальном расходе воды 2,5 литра в минуту. Гидростанция смонтирована на общей раме, закрыта съемными панелями и представляет собой полностью готовое к эксплуатации изделие. (см. лист 4 формата А1).

Данный комплекс основан на принципе гидроабразивной резки. Многообразие проблем, решаемых применением технологий абразивно-жидкостной резки и очистки, определяет состав комплексов. Основным элементом таких комплексов является насос или гидростанция сверхвысокого давления, соединенная трубопроводом гибким или стальным с устройством перемещения а.-ж. головки. Конструкция этих устройств зависит от объекта, на котором производятся работы: раскрой листовых материалов; резка труб, резервуаров; расснаряжение боеприпасов; утилизация военной техники; перфорация при изготовлении сит; резка железобетонных конструкций; удаление окалины в металлургическом производстве; очистка поверхностей от любых видов покрытий, наслоений.

В состав ГЦМ 18 входят:

- гидростанция;

- рукава высокого давления Donvard (длинна 6м);

- гидроружье с гидромеханическим клапаном;

- устройство для кольцевой резки труб (может быть использовано для вскрытия корпусов боеприпасов крупного калибра).

Таблица 5.1 Основные технические характеристики гидростанции

Рабочее давление воды	3200 бар
Подача номинальная	2,5 л/мин
Суммарная установленная мощность	18 кВт
Габариты гидростанции, мм	1600х900х1500
Масса, не более	1100 кг

6. АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Трехфазная дизельная генераторная установка с четырехтактным дизельным двигателем и синхронным генератором. Ручная панель управления смонтирована на раме генераторной установки. Электростанция (рис. 6.1) оборудована системой контроля уровня масла, кнопкой аварийного останова, счетчиком моточасов, вольтметром, частотометром, амперметром, защитой двигателя от перегрева, низкого давления масла, отсутствия зарядки батареи, дифференциальным термомагнитным выключателем. Синхронный генератор переменного тока с однофазным 230 В и трехфазным 400 В выходами переменного тока частотой 50 Гц, обороты двигателя 1500 об/мин.

Мощность электростанции 33 кВт, что обеспечивает бесперебойную надежную работу мобильной установки.

Таблица 6.2 Технические характеристики дизельной электростанции

Мощность	33 кВт
Модель двигателя	Cummins X3.3-G1
Тип двигателя	дизель
Расход топлива	5 л/ч
Объём бака	52 л
Габариты (ДхШхВ)	1.60x0.77x1.08
Вес	650 Кг
Корпус	открытый
Количество фаз	3

7. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Определение рациональных режимов гидроструйного расснаряжения боеприпасов и основных параметров струеформирующего насадка с учетом производительности процесса

Проведенные исследования и выработанные рекомендации по профилированию и качеству обработки струеформирующего сопла позволяют определить основные параметры инструмента и технологические режимы вымывания ВВ, обеспечивающие требуемую производительность процесса. Исходными данными для решения поставленной задачи являются размеры каморы, расснаряжаемого БП, прочностные характеристики снаряжения и параметры источника воды высокого давления.

Многочисленные конструкторские проработки [3, 4] показали, что наиболее рациональными являются схемы реализации технологического процесса, представленные на рис. 6.4. Штанга с расположенными на ней соплами, смещенными относительно оси симметрии на расстояние е₁ и е_2, вращаются с угловой скоростью щ и подается в камору боеприпаса со скоростью подачи V_П. Оси сопел располагаются под углами в₁ и в₂ к оси симметрии штанги. Предельные длины струй L_с, обеспечивающие надежное разрушение ВВ, определяются по соответствующим экспериментальным зависимостям или рассчитываются по математическим моделям проникания жидкой струи в преграду. В данном разделе L_с рассчитывались по регрессионным зависимостям, построенным на основании опытных данных, полученных на Скуратовском экспериментальном заводе (г. Тула) при разрезании имитаторов ВВ. В качестве имитатора использовался битум БН-4 и цементные растворы различного состава.



Рис. 6.4. Варианты реализации гидроструйного извлечения

ВВ из корпуса БП

а) одноканальный инструмент

б) двухканальный инструмент

На параметры инструмента накладываются ограничения, связанные с обеспечением свободного удаления из каморы продуктов размыва и полного вымывания ВВ на стенке и у дна каморы.

Для первой схемы это условие запишется:

(6.1)

для второй схемы:

(6.2)

При выполнении операции «пятно» контакта струи описывает сложную винтовую траекторию, определяемую касательной скоростью перемещения и осевой подачей инструмента. Следовательно, суммарная скорость подачи U_П определяется следующим выражением:

(6.3)

где - радиальный размер прорезаемой щели.

Полный путь, пройденный «пятном» контакта при расснаряжении БП, определяется:

(6.4)

где L_сн - длина каморы БП, заполненной снаряжением;

d_П - диаметр «пятна» контакта, равный ширине прорезаемой щели, который согласно расчетам, а также экспериментальным данным [12] можно принять равным 2,1D_в.

Тогда основные характеристики производительности процесса расснаряжения вычисляются по зависимостям:

(6.5)

В качестве примера рассмотрим влияние различных факторов на производительность извлечения ВВ из корпуса 115-мм осколочно-фугасного снаряда, снаряженного ВВ: A-IX-2 массой щ_ВВ=2,72 кг и гекфал-20Т - щ_ВВ=2,58 кг.

Важнейшим технологическим параметром, определяющим производительность процесса извлечения ВВ, является магистральное давление, определяющее разрушающую способность струи, которое легко регулируется в пределах, обеспечиваемых источником воды высокого давления. При проведении исследований авторы [6] ориентировались на оборудование, серийно выпускаемое на Скуратовском заводе при участии ТулГУ, обеспечивающее давление до 150 МПа и расход воды до 10 л/мин.

На рисунках 6.5 и 6.6 представлены графики зависимости времени расснаряжения и производительности от величины магистрального давления, построенные при исходных данных, приведенных в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Варианты	Тип снаряжения	N, об/с	DВ1, мм	DВ2, мм	в1, ?	в2, ?	Обозначение
одноканальный	A-IX-2	2	0,8	-	35	-	2
	гекфал-20Т	1	0,8	-	35	-	1
двухканальный	A-IX-2	10	0,6	0,5	32	86	3
	гекфал-20Т	5	0,6	0,5	32	86	4

Рис. 6.5. Зависимость времени расснаряжения от давления

Рис. 6.6. Зависимость массовой производительности от давления

Из рисунков следует, что с увеличением давления для всех вариантов время расснаряжения уменьшается, а производительность растет. Причем интенсивное изменение данных параметров наблюдается до давлений 90 - 120 МПа, при этом эффективность двухканального инструмента в 1,7 -1,8 раза выше, чем одноканального. Таким образом, рациональный уровень давления в напорной магистрали должен быть принят в интервале 90 - 120 МПа.

На рисунках 6.7 - 6.9 представлены графики зависимостей производительности от диаметров сопел и углов из наклона для двухканальной схемы технологического процесса.

Рис. 6.7. Зависимость производительности процесса от размера ведущего сопла D_в1 при D_в2= 0,4х10^-3 м; Р_м= 90 МПа; n= 10 об/мин; в₁ =25?; в₂ =80?: 1 - A-IX-2; 2 - гекфал-20Т

Рис. 6.8. Зависимость производительности процесса от размера ведомого сопла D_в2 при D_в1= 0,5х10^-3 м; Р_м= 90 МПа; n= 10 об/мин; в₁ =25?; в₂ =80?:1 - A-IX-2; 2 - гекфал-20Т



Рис. 6.9. Зависимость производительности расснаряжения от величины угла ведущего сопла в₁ при в₂ =80; n= 20 об/мин; Р_м= 80 МПа; d₁= 0,5х10^-3 м; d₂= 0,3 мм; D=115 мм: