摘要:对粉末罩大孔径射孔弹研制的理论依据和主要方法。通过爆炸成形侵彻体EFP与射流理论的结合,成功研制了粉末罩大孔径射孔弹,解决了柞堵问题;实际装枪混凝土靶的检测数据达到同型号铜板药型罩射孔弹的性能指标。
关键词:粉末罩;大孔径射孔弹;
射孔技术是石油勘探与开发系统工程中极为重要的技术，射孔弹的穿孔性能直接影响油气井的产能。
一、射孔器设计与制造技术
1．射孔器优化设计技术。由于射孔弹的爆炸过程短暂，各种材料在高速、高压条件下瞬态过程十分复杂，金属射流的形成和对目标的侵彻是一种高速、动态的非线性动力学过程，采用经典的理论模型和计算方法十分复杂，手工计算难以进行。上世纪90年代末开始，研究人员同国内的科研院所合作，采用有限差分欧拉数值解虚拟点源的分段耦合计算方法及相应的差分格式对射孔弹从炸药起爆、爆轰波传播、聚能罩压垮、射流形成及运动直至碰靶，以及射流分别穿透枪管、井液，套管并在混凝土靶中穿孔的全过程进行数值模拟，编制了简便实用的数值模拟计算软件，形成了射孔弹的优化设计技术。该技术的应用，研制人员可以在计算机上实现药型罩结构、装药结构、药型罩材料等参数设计与修改，预估试验效果和详细展现射孑L弹爆炸及穿孔过程的数据和图像，为射孔器的结构设计提供了一种科学、高效的设计方法，有效缩短研制周期、降低研制成本和提高研制水平，具有重要的现实意义，真正实现了现代分析设计理念。
2.高性能粉末药型罩材料及成型工艺技术。药型罩是聚能效应的能量载体，其性能直接影响着射流质量的优劣，如射流密度、射流速度和连续射流长度等，药型罩材料技术是提高射孔弹性能的关键技术。我国于上世纪90年代引进国外先进粉末药型罩压制技术，解决了射孔弹的杵堵难题，显著提高了射孔弹的产品质量。为提高金属射流的密度，研究人员在铜基粉末中添加Pb、w、Bi、Ni、Pd、Mo等金属粉末材料，提高了药型罩的成型密度，使射孔弹的侵彻威力进一步增强，目前已形成Cu-Pb、Cu—w、Cu-Bi、Cu-Ni等药型罩配方。不同药型罩材料的应用，使药型罩既具有先进的材料效应，又具有先进的构效应，大大地提高了射孔弹的穿孔性能。
3.模具加工与质量控制技术。在模具的加工技术上，应用先进的数控自动加工技术，实现了模具自动加工。即模具加工人员采用根据设计人员提供的设计图纸，采用数控编程软件进行刀具轨迹处理，由计算机自动对零件加工轨迹的每个节点进行计算和数学处理，生成刀位数据文件，再经过相应的后处理，自动生成数控加工程序，移植到数控机床上，通过数控加工程序的控制和运行，自动完成成形表面的切削加工，在模具的质量控制技术上，采用三维座标仪测试系统，通过对模具表面逐点扫描，生成模具表面形状图，并与设计原图进行比对，从而严格控制模具加工质量。
4.精密炸药药柱成型工艺技术。为提高射孔弹的压制质量，提高装配质量，研究人员对颗粒炸药的特性及压制时的力学过程进行了深入分析，建立了物理一力学模型，使用有限元方法，可对压制时药柱中的应力和密度分布进行数值模拟分析，并应用试验手段确定每种射孔弹压制的压力、温度、保压时间、复压次数、润滑条件、真空度、装模条件及加载方式等最佳工艺参数。
二、理论基础
1.聚能射流理论：研究聚能装药射流形成的定常图象如图1所示。OC为药型罩的初始位置，Q为药型罩的半锥角。当爆轰波到达药型罩微元G时，G点开始运动，飞行速度(即压跨速度)为uo，抛射角为
，药型罩G点微元和聚能装药轴线OH在E点相碰时，爆轰波传播到药型罩微元A处，A点开始运动，压跨速度也为u o。抛射角也为
。A点微元运动到轴线OH上B点时，爆轰波到达．药型罩微元C处，AC段药型罩运动到BC位置，BC与轴线OH的夹角为压跨角
。罩壁以压跨速度u o向轴线运动，当它到达碰撞点时，分成杵和射流两部分，杵以速度uS运动，射流以速度ui运动，碰撞点以速度ul运动．可得
实际应用的聚能装药，都是药型罩顶部药量大，药型罩底部药量小，且呈轴线对称分布，各种参数随药型罩微元的位置发生变化。为了合理解决这一问题，提出了准定常不可压缩流体力学理论(PER理论)。药型罩每个微元的压垮速度和抛射角，可以根据微元相关的装药和壳体参数以及爆轰波波阵面与药型罩微元的夹角求得。但是，在准定常条件下，由于药型罩各个微元的压垮速度不一样，药型罩在压垮过程中的轮廓线不再是直线，而是一条曲线。由于药型罩各个微元的压垮角依赖于该微元碰撞时碰撞点附近的药型罩轮廓线，压垮角不再是定值。准定常条件下聚能装药药型罩的压垮过程如图2所示，在柱坐标系中，假设药型罩压垮过程的R点的坐标为(
)，R点对应的药型罩的原始位置Q的坐标为(
)；设t是从药型罩锥顶开始计算的时间，tl是爆轰波从药型罩锥顶传到Q点的时间，并且对于平面爆轰波有图2；依据可压缩流体力学观点，对进行了修正：
2.EFP理论：EFP(Explosively Formed Penetrator)爆炸成形侵彻体。根据基本的动量原理，我们考虑炸药与药型罩之间的相互作用。爆轰后，爆轰波经过装药冲击药型罩，爆轰波后是高压的爆炸气体产物。考虑一个微元，如图3所示，当厚度为h时，其表面面积
式中
和
是微元的局部曲率半径，n是它的单位法向矢量。当爆轰波经过这个微元时，气体产物以压力P=P(t)驱动该微元加速，使该微元获得最终速度
，或者
式中“是微元的质量，由
给出。单独的速度分量为：
据此，给定一个最初的药型罩结构，就可以生成—个确定的EFP形状，改变锥角a和h厚度，可以产生不同或者改进的形状。
三、实验研究
考虑到生产工艺性问题，采用球锥结合型的药型罩结构，其特点是结构简单，工艺性好，易于批量生产。通过对球顶半径与锥面角度的匹配，使E FP处于锥面形成的射流的前端，在运动过程中，调整两者的位置关系，使极少的高速射流头部先行接触射孔枪枪身，使其在穿透枪身和水层过程中自然减速，与EF I结合，共同作用于套管和混凝土靶。由此形成枪身上小孔径，而套管和混凝土靶上大孔径的效果，合理地利用有效能量。这也是粉末罩大孔径射孔弹设计的最父键所在。只有很好地调整好两者的关系，才能得到理想的效果。装枪炸高是影响射孔效果的一个主要因素。E FP与锥面射流的速度相差极大，所以，炸高的大小，直接影响E FP与锥面射流之间的位置关系。实验结果显示，装枪炸高越小，套管孔径越大，这是由于E F P充分作用于套管上的缘故。这一现象表明粉末罩大孔径射孔弹更加适合于高孔密的装枪方式。为了增加粉末罩大孔径射孔弹性能的稳定性，有意识地增加了药型罩的孔隙率，利用炸药爆轰波使药型罩中的空穴进行高速绝热压缩，从而使射流温度得到较大的提高，使配方中的低熔点金属更多地液化，利用液体的表面张力特性，使射流更加连续和稳定，从而获得更好的穿孔效果。水层的大小也是影响穿孔质量的一个主要要素。合理利用水层的阻滞作用，可以二次调EF P Lj锥面射流的相互关系以及E F P的质量，从而达到更好的射孔效果。如果对水层利用得不好，将使二者产生混乱，穿孔孔径会明显下降。
通过近年的发展，中国射孔技术取得了长足的进步，部分射孔工艺技术和配套射孔器材已经达到了国际先进水平，随着油气勘探开发难度越来越大，地质和工程条件也越来越复杂，对射孔工艺技术提出了更高的要求。
参考文献：
[1]李建．物态方程理论歧汁算概论[M]．北京：国防科技大学出版社，2016．
[2]汪霞．爆炸力学基础理论[Z]．中物院流体物理研究所，2016．
论文作者:张文泽
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：射流论文; 孔径论文; 粉末论文; 速度论文; 锥面论文; 技术论文; 水层论文; 《电力设备》2019年第5期论文;