Nghiên cứu thiết kế, chế thử súng, dây nổ và đạn bắn vỉa phục vụ cho khai thác dầu khí

Trong công nghệ thăm dò khai thác dầu khí, đạn bắn vỉa và các phụ kiện của nó: súng, dây nổ chịu nhiệt độ và áp suât cao là những vật liệu và trang thiết bị vô cùng quan trọng, nó thực h

Trung t©m Khoa häc kü thuËt c«ng nghÖ qu©n sù ViÖn thuèc phãng thuèc næ

đề tài cấp nhà nước m∙ số: đtđl – 2004/08

báo cáo khoa học đề tài

Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế thử súng, dây nổ và đạn bắn vỉa phục vụ

khai thác dầu khí

Cấp quản lý đề tài: Nhà nước

Mã số: ĐTĐL – 2004/08 Ngày đăng ký: 10/9/2003

Cơ quan chủ quản: Bộ Quốc phòng

Cơ quan chủ trì: Viện Thuốc phóng Thuốc nổ/Trung tâm KHKT&CNQS

Chủ nhiệm đề tài: Đại tá-PGS_TS Nguyễn Công Hoè-Viện TPTN

Những người thực hiện và phối hợp chính:

-Thượng tá-Kỹ sư:Lê Văn Tân – Viện Thuốc phóng Thuốc nổ

-Đại tá-Tiến sỹ:Phạm Văn Cương - Viện Thuốc phóng Thuốc nổ

-Đại tá-Tiến sỹ:Nguyễn Như Chương - Viện Thuốc phóng Thuốc nổ

-Trung tá-Kỹ sư:Nguyễn Quang Huy - Viện Thuốc phóng Thuốc nổ

-Đại tá-Tiến sỹ:Đỗ Xuân Tung - Viện Thuốc phóng Thuốc nổ

-Kỹ sư Lê Việt Dũng – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

-Kỹ sư Trần Cao Thắng – Nhà máy Z121/Tổng cục CNQP

Kinh phí được cấp: 2.000 triệu đồng

Thời gian thực hiện: Từ tháng 01/2004 đến tháng 12/2005

Ngày tháng năm 200 Ngày tháng năm 200

Cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

Ngày tháng năm 200 Cơ quan chủ quản

Mục lục

Trang Đặt vấn đề 6 Chương I – Tổng quan 7 1.1 – Bắn nổ trong giếng khoan dầu khí 7

1.1.1 - Khái niệm và các phương pháp bắn nổ trong giếng khoan dầu khí 7

1.1.2 - Cấu tạo và các đặc điểm đối với các thiết bị bắn nổ mìn 11

1.1.2.1- Súng 12

1.1.2.2- Đạn bắn vỉa 15

1.1.2.3- Dây nổ 20

1.1.2.4- Kíp nổ 21

1.2- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chiều dài dòng xuyên 23

1.2.1- Quá trình hình thành dòng xuyên 23

1.2.2- Tác dụng của dòng xuyên vào vật cản 26

1.2.3- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ xuyên sâu của đạn lõm 31

1.3- Khảo sát cơ sở công nghệ chế tạo phễu từ bột kim loại 34

1.3.1- Cơ sở lý thuyết luyện kim bột 34

1.3.1.1- Tính chất của hạt bột kim loại và phương pháp đánh giá các tính chất cơ bản của hạt bột kim loại

35 1.3.1.2- Tính chất của bột kim loại riêng lẻ 35

1.3.1.3- ép nguội tạo hình chi tiết từ kim loại bột 37

a- Mối quan hệ giữa lực ép và mật độ của vật ép 37

b- Giãn nở thể tích của mẫu tươi sau khi ép 38

1.3.2- ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết 39

1.4- Cơ sở lý thuyết các yếu tố ảnh hưởng đến các tính năng cơ, lý, hoá, nhạy nổ và khả năng gia công nép ép của thuốc nổ

40 1.4.1- Độ nhạy nổ và giảm nhạy nổ của thuốc nổ 40

1.4.2- Cơ sơ lý thuyết của mối quan hệ giữa độ xuyên, tỷ trọng, thành phần 43

Chương II- Phương pháp nghiên cứu 46

2.1- Phương pháp nghiên cứu đạn bắn vỉa 46

2.2- Phương pháp nghiên cứu hình dạng, kích thước, kết cấu, thành phần hoá học của các chi tiết của đạn bắn vỉa, súng và dây nổ và các phương pháp đánh giá sản phẩm

46 2.3- Phương pháp đánh giá khả năng xuyên của đạn bắn vỉa trên bia thép

47 2.4- Phương pháp đánh giá khả năng xuyên của đạn bắn vỉa trên bia bê tông

48 2.5- Thiết bị, dụng cụ, hoá chất sử dụng trong nghiên cứu chế thử 49

Chương III- Kết quả nghiên cứu và biện luận 51

3.1- Nghiên cứu thiết kế chế tạo đạn bắn vỉa 3.3/8” và 5” 51

3.1.1- Nghiên cứu về vật liệu nhồi 51

3.1.1.1- Lựa chọn thuốc nổ đơn chất 51

3.1.1.2- Lựa chọn chất phụ gia 55

a- Phụ gia chống tĩnh điện 57

b- Phụ gia giảm nhạy và tăng khả năng chịu nén ép 58

3.1.1.3-ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia 58

3.1.1.4- Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tỷ trọng và các thông số kỹ thuật của đạn bắn vỉa

62 a- Nghiên cứu ảnh hưởng của cỡ hạt thuốc nổ HMX đến mật độ rắc của thuốc nổ

62

b- Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất ép lên tỷ trọng 64

c- Nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian lưu áp 64

d- Nghiên cứu công nghệ đưa phụ gia grafit vào thuốc nổ HMX 65

e- Nghiên cứu đưa phụ gia silicon và chất đóng rắn vào thuốc nổ HMX 66 f- Nghiên cứu công nghệ tạo hạt thuốc nổ HMX 67

3.1.1.5- Tiến trình công nghệ chế tạo thuốc nổ cho đạn bắn vỉa 69

3.1.2- Nghiên cứu thiết kế chế tạo vỏ đạn 70

3.1.3- Nghiên cứu thiết kế chế tạo phễu kim loại cho đạn bắn vỉa 73

3.1.3.1- Lựa chọn thành phần bột kim loại chế tạo phễu 75

3.1.3.2- Nghiên cứu công nghệ chế tạo phễu hỗn hợp bột kim loại 76

a- Nghiên cứu chế tạo bột kim loại 78

b- Trộn bột kim loại 80

c- ép nguội tạo hình phễu từ bột kim loại 81

d- Công đoạn thiêu kết phễu cho đạn bắn vỉa 84

3.1.3.3- Kết quả đánh giá tổng hợp chất lượng phễu hỗn hợp bột kim loại đến độ xuyên của đạn bắn vỉa

85 3.1.4- Nghiên cứu xây dựng qui trình công nghệ nhồi nạp thuốc nổ cho đạn bắn vỉa

88 a- Nghiên cứu chế tạo khuôn ép thuốc nổ 88

b- Nghiên cứu chế tạo bộ dụng cụ tháo đạn 88

c- Nghiên cứu công nghệ ép dán phễu đồng cho đạn bắn vỉa 89

3.1.5- Lựa chọn qui trình công nghệ chế tạo đạn bắn vỉa 89 3.1.6- Kết quả thử nghiệm bắn tổng hợp đạn bắn vỉa tại phòng thí nghiệm của Viện Thuốc phóng Thuốc nổ và tại các giàn khoan khai thác dầu khí của

93

Vietsovpetro

Kết luận cho đạn bắn vỉa 99

3.2 Nghiên cứu, thiết kế, chế thử súng bắn vỉa 3.3/8” và 5” 100

3.2.2 Lựa chọn về vật liệu chế tạo súng bắn vỉa 1023.2.3 Giải bài toán xác định khả năng chịu áp lực của súng bắn vỉa 1083.2.3.1 Giải bài toán thiết kế súng bắn vỉa 3.3/8” 3m và 6m 1093.2.3.2 Giải bài toán thiết kế súng bắn vỉa 4.1/2” 3m và 6m 112

3.2.5 Kết quả chế tạo và thử nghiệm súng bắn vỉa 115

3.3 Nghiên cứu, thiết kế, chế thử dây nổ chịu nhiệt 118

3.3.1 Khảo sát kết cấu và một số thông số dây nổ của một số hãng nước ngoài

1183.3.2 Lựa chọn thuốc nổ, công nghệ tạo hạt và chọn cỡ hạt để phối trộn 121

3.3.4 Nghiên cứu lựa chọn và xây dựng quy trình công nghệ bọc nhựa 128

Kết luận chung của đề tài và kiến nghị 143

Tài liệu tham khảo 144

Đặt vấn đề

Lời mở đầu: Công nghiệp Dầu khí là một ngành công nghiệp đóng vai trò

quan trọng trong quá trình Công nghiệp hoá và Hiện đại hoá đất nước Nâng cao sản lượng dầu khí là một trong những mục tiêu hàng đầu của ngành Dầu khí Trong công nghệ thăm dò khai thác dầu khí, đạn bắn vỉa và các phụ kiện của nó: súng, dây nổ chịu nhiệt độ và áp suât cao là những vật liệu và trang thiết bị vô cùng quan trọng, nó thực hiện đồng bộ việc đưa đạn bắn vỉa, phụ kiện nổ đến vị trí cần gây nổ một cách chính xác, thực hiện việc xuyên phá vỉa, tạo ra các kênh dẫn dầu khí vào giếng khoan Đây là một công đoạn không thể thiếu được trong quá trình thăm dò, tìm kiếm và khai thác dầu khí Nó không chỉ là công việc của giếng khoan mới mà còn là công việc thường xuyên của tất cả các giếng khoan đang khai thác nhằm mục đích đảm bảo cho dòng dầu khí luôn chảy đều đặn, ổn định trong suốt quá trình khai thác Hiện nay, các loại đạn bắn vỉa, dây nổ, súng phục vụ khai thác dầu khí đều phải nhập của nước ngoài nên rất bị động về kế hoạch vì đây là loại vật liệu

và phụ kiện nổ nên thủ tục nhập khẩu rất phức tạp Hàng năm, số lượng súng, dây

nổ và đạn bắn vỉa sử dụng cho khai thác dầu khí là tương đối lớn, trong tương lai nhu cầu này ngày càng nhiều Chính vì vậy, việc chế tạo thành công các sản phẩm này trong nước là một đóng góp có ý nghĩa lớn về khoa học và thực tiễn

Văn phòng Chính phủ, Bộ Công nghiệp đã có các văn bản đề nghị Bộ Quốc phòng phối hợp với Bộ Khoa học – Công nghệ nghiên cứu vấn đề này

Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế thử súng, dây nổ và đạn bắn vỉa

nhằm thay thế nhập ngoại và nâng cao hiệu quả khai thác dầu khí

Nội dung nghiên cứu chủ yếu của đề tài:

1- Khảo sát, lấy mẫu phân tích xác định các tính năng, các thông số của sản phẩm 2- Xây dựng bài toán thiết kế nguyên lý đạn bắn vỉa

3- Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố vật liệu và yếu tố công nghệ lên chất lượng sản phẩm

4- Nghiên cứu thiết kế, xây dựng quy trình công nghệ chế thử sản phẩm và bổ sung các quy trình thử nghiệm

chương I Tổng quan

1.1 Bắn nổ trong giếng khoan dầu khí

1.1.1 Khái niệm và các phương pháp bắn nổ trong giếng khoan dầu khí

Theo sách chuyên khảo giếng khoan dầu khí có cấu tạo nhiều lớp [4]:

-Phía trong gồm các ống thép đặc biệt có

chiều dày thành ống khoảng 10mm được

nối với nhau bằng các khớp nối được gọi

chống là lớp xi măng và sau đó là vỉa đất

đá (Hình 1.01) Hầu hết các giếng khoan

nằm theo phương thẳng đứng, tuỳ trường

hợp đặc biệt có thể khoan nghiêng và

cũng có đoạn khoan nằm ngang

Chiều sâu của giếng khoan có thể

Bắn nổ trong giếng khoan dầu khí nhằm mục đích:

- Đục lỗ trên thành giếng để mở vỉa khai thác dầu khí

- Cứu các sự cố như kẹt cần khoan, cần khai thác, ống chống…

- Bắn lấy mẫu

Việc bắn nổ được áp dụng vào tất cả các khâu của quá trình khai thác dầu khí: khi bắt đầu, trong quá trình khai thác và cả khi kết thúc và lấp giếng khoan

- Khi bắt đầu và trong quá trình khoan:

Khi bắt đầu cũng như trong quá trình khoan người ta bắn, nổ với các mục

đích: đẩy nhanh tiến độ, vượt qua các tầng khó khoan, lấy mẫu kiểm tra, phòng ngừa và loại trừ các sự cố trong quá trình khoan giếng Trong trường hợp lấy mẫu chỉ thực hiện một số lượng nhỏ phát bắn, nổ Hiệu quả công việc lấy mẫu có ý nghĩa quan trọng quyết định đến việc đánh giá trữ lượng của dầu khí, năng suất khai thác hiện tại và tổng sản lượng có thể khai thác được từ vỉa

- Khi đã khoan đến vỉa dầu khí:

Khi đã khoan đến vỉa dầu khí lúc này kết thúc công đoạn khoan và bắt đầu công đoạn xây dựng giếng và mở vỉa:

- Xây giếng là khoan vào vỉa sản phẩm, kiến tạo thành giếng, gia cố ống chống, xi măng hoá đường ống và không gian quanh ống chống

- Mở vỉa là tạo lỗ trên thành ống giếng bằng thép và xuyên phá lớp xi măng cùng đất đá có chứa dầu bên ngoài (vỉa dầu khí) thành các đường kênh dẫn dầu, khí vào giếng khoan

Trên thực tế 95% trường hợp mở vỉa được thực hiện bằng phương pháp bắn nổ Còn lại 5% trường hợp được xử lý bằng dòng chất lỏng Công đoạn này rất quan trọng quyết định đến hiệu quả khai thác dầu của giếng trong thời gian tiếp theo

- Trong quá trình khai thác:

Trong quá trình khai thác dầu khí do nhiều nguyên nhân hiệu suất dòng dầu chảy từ vỉa vào giếng thường xuyên giảm dần nên người ta phải tiến hành mở vỉa lại bằng cách bắn, nổ

- Khi kết thúc khai thác một giếng khoan:

Khi giếng khoan không còn ý nghĩa trong khai thác (vỉa đã hết dầu khí) người

ta huỷ giếng bằng phương pháp nổ cắt phần ống giếng không xi măng hoá để lấy lên và tái sử dụng lại

Tóm lại: Bắn nổ trong khai thác dầu khí được ứng dụng khá đa dạng do đó chủng loại súng và đạn cũng rất đa dạng phù hợp với mục đích ứng dụng của nó

Các phương pháp bắn nổ trong giếng khoan:

* Bắn đục lỗ

Bắn đục lỗ là phương pháp sử dụng các loại thiết bị đạn chuyên dụng bắn

đục lỗ các lớp ống chống, lớp xi măng sau ống chống vào vỉa đất đá nhằm mở vỉa dầu khí [3,4,9]

Phương pháp bắn đục lỗ có thể chia làm 2 dạng: bắn đục lỗ thả bằng cáp và bắn đục lỗ thả bằng cần khai thác

Các loại vật liệu nổ (đạn, kíp, dây nổ) thường là loại vật liệu nổ không chịu

được nước và áp suất như các loại đạn PК - PКО Baracuda, các loại dây nổ như DST, các loại kíp Baracuda, kíp ТЕD, PВPD Nhiệt độ chịu tối đa của các loại vật liệu nổ từ 100 – 200oC

Các đuôi của súng phải có gioăng chống nước, chịu nhiệt, đuôi súng phải có

lỗ thoát hơi Các lỗ lắp đạn trên ống lend phải tiện chính xác để khi lắp đạn không

bị chặt hoặc lỏng, lend lắp đạn không được han rỉ, móp méo

Loại bắn bằng súng mật độ bắn là từ 10ữ20 v/m, riêng loại đạn mật độ cao từ

30 –40 v/m một lần thả bắn không quá 10 m, tốc độ kéo thả nhanh (4000-6000 m/h)

- Loại bắn bằng lend

Lend lắp đạn có thể làm bằng thép hoặc bằng nhôm Trên lend có các lỗ lắp

đạn, các viên đạn được giữ bằng các vấu giữ đạn hoặc bằng các chốt hãm Loại lend bằng thép sau khi bắn xong lend chỉ biến dạng và được kéo lên khỏi giếng khoan, còn loại bằng nhôm khi bắn xong sẽ bị vỡ vụn rơi xuống đáy giếng

Các loại vật liệu nổ lắp trên lend phải chịu được nước và áp suất (từ

500-1400 atm) Vỏ đạn được chế tạo bằng thuỷ tinh như các loại PКС-80-100-105 hoặc

vỏ đạn làm bằng hợp kim nhôm như Piranha, Sohgun, Swinjet, PR-54, PL-70

…Các loại dây nổ có phủ một lớp nhựa chịu nước như Primacocd, DSВ, DSU-33 Các loại kíp đầu có vỏ chịu nước và áp suất như kíp Piranha, PGВU-4 , PG-170 Chiều dài tối đa cho một lần thả bắn bằng 2/3 chiều cao của tháp khoan Mật độ lấp

đạn từ 6 đến 15 v/m

b) Bắn đục lỗ thả bằng cần khai thác (TCP)

Các thiết bị được thả xuống giếng khoan bằng cần khai thác, kíp mìn được gây nổ bằng va đập (xà beng) hoặc bằng áp suất, bắn một lần cả một tập hợp vỉa, trong giếng dung dịch được thay bằng dầu thô, bắn xong khai thác ngay [15] Khi bắn xong phải cắt bỏ toàn bộ thiết bị xuống đáy giếng, do vậy giếng khoan cần phải khoan thêm một khoảng chiều dài đủ để bộ thiết bị mìn nằm ở đó Các loại vật liệu nổ được lắp vào trong súng Các súng được nối với nhau bằng các đầu nối trung gian có lắp các bộ nối dây nổ Các loại vật liệu nổ của TCP phải chịu được nhiệt độ tối đa của giếng khoan trong thời gian 100 giờ Bộ thiết bị mìn TCP phía trên cùng thường lắp các bộ phận như ống an toàn, đầu lắp kíp, bộ hạn chế, bộ thải mùn, bộ chống xóc, van khai thác… và một số thiết bị khác của bộ phận khai thác như cần bù nhiệt, packer Phía dưới cùng của bộ thiết bị mìn TCP có thể bịt kín hoặc lắp bộ kíp áp suất Tốc độ thả bộ thiết bị TCP là 1500 m/h

* Nổ mìn trong giếng khoan

Là phương pháp sử dụng một khối chất nổ hoặc các thiết bị mìn chuyên dụng thả xuống giếng khoan nhằm mục đích bắn cứu các sự cố như kẹt cần khoan, ống chống (bắn rung, bắn tháo trái, bắn cất cần, bắn phá choòng khoan), bắn packer đổ cầu xi măng, bắn ép hơi gây nứt nẻ sâu, bắn làm sạch vỉa

Các loại thiết bị thường dùng:

- Bắn rung hoặc tháo trái: sử dụng các loại dây nổ, kíp nổ chịu nước, chịu áp suất như Primacord, DSU-33

- Bắn cất sử dụng các loại mìn phá như ТSТ-35-43-56, loại mìn cất định hướng ngang như TPK-55-68-110-135, loại cất dọc như Splipsoht, loại bắn cất cần nâng như Drill collar severing tool đường kính 43 hoặc 51 mm, loại bắn phá choòng khoan như TKO, loại bắn packer đổ cầu xi măng ngăn cách như VPS, VP-3

Để gây nứt nẻ sâu, làm sạch vỉa, tăng lưu lượng khai thác có thể kết hợp bắn mìn

đục lỗ với bắn mìn gây áp suất lớn, nhiệt độ cao trong cùng một lần bắn thường dùng tổ hợp MKAB

Như vậy, các loại vật liệu nổ dùng trong khai thác dầu khí rất đa dạng, nhiều chủng loại, gồm các nhóm lớn sau:

- Các loại súng

- Đạn đục lỗ các loại

- Dây nổ các loại

- Kíp nổ các loại

- Đạn cắt kẹt và đạn gây áp suất các loại

1.1.2 Cấu tạo và các đặc điểm của các thiết bị bắn nổ mìn

Do các thiết bị bắn nổ mìn trong giếng khoan có các đặc điểm đặc thù là:

- Đường kính giếng nhỏ, độ sâu lớn

- Nhiệt độ, áp suất cao

- Kiểm tra công đoạn lên xuống của thiết bị để định vị và bắn rất phức tạp

Từ đó các yêu cầu cơ bản của tất cả các thiết bị nổ mìn đều có yêu cầu chung là:

- Có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất cao

- Chịu được tác động của môi trường

- Độ tin cậy cao: nổ tốt và đảm bảo chiều sâu xuyên của đạn, khi nổ không phá huỷ thành giếng, giữ nguyên các kết cấu của giếng khoan sau khi nổ

- An toàn tuyệt đối trong bảo quản, vận chuyển và sử dụng

- Độ chính xác định vị cao với khoảng sâu của giếng

- Thao tác thuận lợi: dễ di chuyển trong giếng khoan với khe hở hẹp (khoảng

5 mm) và điều kiện dung dịch nhồi có tỉ trọng cao, nhớt

Đối với từng thiết bị đều có yêu cầu cụ thể

Sau đây, xin nêu kết quả khảo sát cấu tạo và đặc điểm của các thiết bị nổ mìn

hiện đang sử dụng tại Việt Nam

1.1.2.1 Súng

Súng là thiết bị đưa đạn xuống giếng để bắn, do đó khoang chứa đạn phải kín

và chịu được áp lực Theo cấu tạo của khoang chứa đạn có thể chia thành hai loại súng: Có thân và không thân

+Loại có thân:

Toàn bộ đạn lõm và các phương tiện kích, mồi… nằm trong một khoang là

thân kín áp có thể kéo lên khỏi giếng sau phát bắn ( hình 1.02 )

Loại có thân lại chia thành hai kiểu:

- Kiểu dùng nhiều lần không bị phá huỷ sau khi bắn

- Kiểu dùng một lần, thân bị bắn xuyên

Loại không thân cũng gồm hai kiểu:

- Kiểu bán huỷ có thể kéo được khung cốt lên khỏi giếng

- Kiểu huỷ hoàn toàn sau phát bắn

Đạn có thể được lắp vào súng theo nhóm hoặc riêng từng quả

Các bộ phận súng gồm: các chi tiết cơ khí: thân hoặc khung cốt, đầu, đuôi, trọng vật để dẫn hướng

Các chi tiết của phát bắn: đạn, dây nổ, kíp nổ, dây dẫn điện, các chi tiết làm kín…

Sau đây là bản vẽ mô tả loại súng có thân và súng không có thân:

A B C D

H×nh 1.02 Sóng cã th©n : A, B –Dïng nhiÒu lÇn

C, D – Dïng mét lÇn

H×nh 1.03 Sóng kh«ng cã th©n

1.1.2.2 Đạn bắn vỉa

Đạn bắn vỉa (đạn bắn mở vỉa) gồm có 2 dạng chính [9,12,27, 28]

a) Loại không có vỏ bọc chống nước và áp suất dùng để bắn trong súng kín thường được sử dụng nhiều ở Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro hiện nay Đây là

đối tượng nghiên cứu của đề tài

b) Loại có vỏ bọc chống nước và áp suất dùng để bắn ngoài dung dịch Loại này ít được sử dụng trong khai thác dầu khí của Xí nghiệp liên doanh Vietsovpetro nên đề tài không tập trung nghiên cứu loại đạn này

Đề tài đã khảo sát các loại đạn 3.3/8” hiện được sử dụng phổ biến tại Vietsovpetro: đạn Baracuda của Owen (Mỹ), đạn của Oil Tech(Mỹ), đạn của Innicor (Canada) và các loại đạn 5” của Owen, Innicor Về hình dạng, kết cấu chúng cơ bản giống nhau Tuy nhiên đề tài chọn mẫu thiết kế theo kiểu dámh của

hãng Owen ( hình 1.04 )

Đặc điểm cấu tạo của đạn bắn vỉa

- Vỏ đạn: Vỏ đạn có chức năng bao chứa mồi nổ và khối thuốc nổ chính, tạo

cho chúng một cấu trúc ổn định Vỏ thường được chế tạo từ hợp kim thép chứa ít Cácbon, khi nổ khối thuốc nổ dưới tác dụng của áp suất cao vỏ bọc sẽ bị phá vụn ra

đến kích thước xác định sao cho các mảnh đạn sau khi bắn dễ dàng rơi xuống đáy giếng dầu, không bịt kín lỗ xuyên gây trở ngại cho quá trình tiếp theo

Kết quả khảo sát thành phần đạn Baracuda của Mỹ (chương 3)

- Mồi nổ: Mồi nổ thường chế tạo từ thuốc nổ mạnh có khả năng chịu nhiệt độ

cao như RDX có điểm nóng chảy 203,5oC, HMX có điểm nóng chảy 272ữ280oC, HNS có điểm nóng chảy 316oC và PYX có điểm nóng chảy 376oC Tác dụng của mồi nổ là nhận xung nổ từ dây nổ và kích nổ khối thuốc nổ chính [6,26, 34]

- Khối thuốc nổ chính: Khối thuốc nổ chính là bộ phận chủ yếu của đạn mở

vỉa thực hiện chức năng tạo dòng xuyên phá ống chống, lớp xi măng và phá đất đá tới vỉa dầu

Khối thuốc nổ chính được tạo có hốc lõm để tạo hiệu ứng nổ lõm khi nổ Hốc lõm có thể hình nón (đạn Baracuda) hay hình loa kèn (đạn Innicor) của Canada với các góc mở khác nhau

Thuốc nổ là loại thuốc nổ mạnh có khả năng chịu nhiệt, tuy vậy cần có độ nhạy vừa phải nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ và sử dụng

Kết quả khảo sát thuốc nổ trong đạn mở vỉa nêu ở chương 3;

Khi kích nổ vào khối thuốc nổ phần thuốc nổ nằm giữa vỏ đạn và phễu có tác dụng định hướng xuyên về phía vật chắn Năng lượng và sản phẩm của nón thuốc

nổ được tập trung thành dòng dọc trục khối thuốc với tỷ trọng và tốc độ cao có khả năng xuyên phá cực mạnh [8, 21]

- Dòng này được gọi là dòng xuyên lõm

- Phễu thuốc nổ được gọi là phần thuốc tích cực

- Đạn có cấu tạo trên nguyên lý này gọi là đạn lõm

Trong trường hợp dùng phễu đồng dòng kim loại gần như lỏng với nhiệt độ gần 10000C chuyển động với tốc độ 6- 8 km/ s (tương đương tốc độ vũ trụ cấp 1 tạo

áp suất lớn cỡ 15- 30 Giga Pa

Hiệu ứng nổ lõm phụ thuộc vào bản chất của thuốc nổ, cấu tạo hốc lõm - bán cầu hoặc hình nón và góc nón 2α khi thiết kế đạn

Thực tế cho thấy khi phần nón lõm được lót bằng kim loại thì sức xuyên phá còn mạnh lên rất nhiều

Các yêu cầu đối với thuốc nổ để chế tạo khối thuốc nổ dùng trong đạn bắn vỉa:

Yêu cầu đối với thuốc nổ để chế tạo khối thuốc nổ chính là phải có tốc độ nổ cao, độ nhạy va đập thấp, có khả năng chịu nhiệt và có khả năng chịu nén ép để tạo hình và làm tăng tỷ trọng của khối thuốc dẫn đến tăng tốc độ nổ nhằm nâng cao hiệu qủa dòng xuyên Tính năng của một số loại thuốc nổ được trình bày trong bảng 1.01;1.02;1.03

Các loại vật liệu nổ lắp trên súng, lend phải chịu được nước và áp suất (từ 500

đến 1400 Atm)

Các loại vật liệu nổ dùng để chế tạo kíp, dây nổ, đạn phải chịu được nhiệt độ tối thiểu là 1650C Thông thường người ta sử dụng các loại thuốc nổ có nhiệt độ nóng chảy cao trên 2000C như RDX, HMX, HTΦA, Hexanitrostilbene (HNS) và Bis Picrylamin Dinitropyridine( PYX ) [3, 7, 21, 29]

Thuốc nổ mồi thường được sử dụng cùng loại với khối thuốc nổ chính Khả năng chịu nhiệt độ trong thời gian kéo dài được dẫn trong bảng 1.02

B¶ng 1.01 - Mét sè chØ tiªu kü thuËt cña mét vµi lo¹i thuèc næ ®iÓn h×nh

N ChØ tiªu TNT RDX HMX TЭN Tetryl HTФA

8800 d=1,75

7915 d=1.62

7500 1.63

1,87 n/ch¶y

1,68 1.56

9 Tû träng r¾c tinh thÓ, g/cm3 0,9-1,0 0,8-0,9 0,9-1,0 - - -

B¶ng 1.02- TÝnh n¨ng chÞu nhiÖt cña mét sè lo¹i thuèc næ

Để đáp ứng các yêu cầu trên thông thường người ta lựa chọn phụ gia giảm nhạy và tăng tính công nghệ nén ép mà vẫn đảm bảo thuốc nổ không bị nóng chảy

ở nhiệt độ sử dụng trong giếng khoan, độ bền cơ học của khối nổ chính trong điều kiện áp suất và nhiệt độ cao, đồng thời không phản ứng với thuốc nổ và các chi tiết của quả đạn khi đạn chưa làm việc [ 12, 14, 35]

Tỷ trọng của thuốc nổ liên quan đến tốc độ nổ D, áp suất nổ P, năng lượng

nổ chuyển hoá thành năng lượng dòng xuyên do đó có mối quan hệ đến độ xuyên sâu của đạn

Hình 1.5 biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa độ xuyên và tỷ trọng thuốc nổ RDX thuần hoá

Hình 1.5 Sự phụ thuộc độ xuyên sâu vào tỷ trọng thuốc nổ RDX thuần hoá

- Phễu kim loại: Phễu kim loại ngoài tác dụng tăng chiều sâu xuyên còn có

tác dụng giữ thuốc nổ Nghiên cứu thực tiễn cho thấy đạn lõm có phễu kim loại cho chiều dài dòng xuyên lớn hơn nhiều khi không chứa phễu kim loại Tính chất kim loại, điều kiện công nghệ chế tạo, hình dạng và kích thước phễu lót ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xuyên của đạn bắn vỉa

- Đạn bắn vỉa

Kết quả khảo sát hình dạng và thành phần nón hợp kim của đạn Baracuda 3.3/8”, 5” trình bày trong phần tương ứng ở chương 3 Thành phần, công nghệ và kích thước của đạn có khác nhau rất lớn tuỳ theo nước sản xuất

1.1.2.3 Dây nổ [7, 17, 27]

Dây nổ được kích nổ bằng kíp nổ điện hoặc kíp nổ cơ, phi điện

Dây nổ có hai dạng chính:

a Dây nổ không chịu nước, áp suất- dùng để bắn trong súng kín

b Dây nổ có vỏ bọc chịu nước, chịu áp suất- dùng để bắn ngoài dung dịch

Dây nổ được nối với đuôi các viên đạn, khi nổ sẽ gây nổ cho các viên đạn

Các đặc trưng kỹ thuật của dây nổ có vỏ bọc chịu nước, chịu áp suất ( bảng 1.04 )

Bảng 1.04- Yêu cầu với dây nổ dùng trong giếng khoan

Các loại dây nổ có phủ một lớp nhựa cách nước như Primacord, ДшTB,ДшУ- 33,

ДшTT… Loại dây này thường dùng TEN với khối lượng 12,5 g/ m vỏ vải bông giấy, bọc nhựa polyclorvinyl, được sản xuất thành cuộn 50 hoặc 100 m Dây được bọc kín chịu áp ở độ sâu 3 km, nhiệt độ trên 1000C trong thời gian kéo dài

Dây nổ viên ghép chịu nhiệt (ДШTT): Dây này có cấu tạo từ các viên ghép lại

nhưng bằng vật liệu đặc biệt để có thể làm việc tiếp xúc với dung dịch, 100g/ m, khả năng mồi mạnh

Nó có thể sử dụng ở nhiệt độ bằng 1660C, áp suất bằng 50-80 MPa (500 -800at) dùng trong thiết bị bắn trần, bảo quản được trong 5 năm

Bảng 1.05- Tiêu chuẩn kỹ thuật của dây nổ D10 do Z121 sản xuất (tham khảo)

nổ

Khả năng chịu nước- 24h sâu 1m

Khả năng chịu kéo - 50kg

3 phút

Khả năng kích nổ bánh TNT 200g

Khả năng chịu nóng 55±3 0 C 6h

Khả năng chịu lạnh -35±3 0 C 6h

Nổ hoàn toàn

Không đứt

Nổ hoàn toàn

Nổ hoàn toàn

Các loại kíp đều có vỏ chịu được nước, nhiệt độ và áp suất như:

Kíp Piranha, ΠΓBУ- 4, ΠΓ- 170…Kip (ống) nổ DYNAWELL của h∙ng DYNAMIT NOBEL, kíp của Mỹ [7, 17]

a- Kíp nổ DYNAWELL

Các tính năng của kíp DYNAWELL dùng trong giếng khoan:

- Chịu nhiệt cao;

- Chịu nước;

- Chịu áp suất cao

Có loại ống nổ điện tử mới của hãng có thể tiến hành làm việc mà không phải tắt sóng radio và nguồn điện, chịu được tác dụng hoá học của dung dịch khoan, chịu áp suất cao và thao tác tương tự như các ống nổ tiêu chuẩn khác

Các tính năng kỹ thuật của các loại ống nổ này là chịu được:

- Tốc độ gia tăng nhiệt đến 2600C/ giờ

- Tốc độ tăng áp suất đến 1000 bar

- Sử dụng thuốc gợi nổ Pb(N3)2 được bảo vệ trong ống thép dày

- Có mã số phân loại hàng vận chuyển 1,4 S

b- Kíp nổ chịu nhiệt của Mỹ

Loại kíp này sử dụng hỗn hợp thuốc nổ trong chất điện ly TMAP+KP (TetraMethyl Amoni Peclorat + Kali Peclorat ) chịu đ−ợc tốc độ tăng nhiệt độ

2600C/giờ, giữ ở 3150C trong 200 giờ Hầu hết các loại kíp nổ, dây nổ đều sử dụng thuốc nổ chịu nhiệt độ cao (bảng 1.11) [7, 28]

1.2- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng lên chiều dài dòng xuyên

1.2.1 – Quá trình hình thành dòng xuyên

Lý thuyết thuỷ động học của đạn xuyên lõm của Lavrenchev

Về quá trình hình thành dòng xuyên trước tiên phải kể đến lý thuyết do M.A LAVRENCHEV đề xuất trên mô hình chất lỏng không chịu nén lý tưởng Đóng góp quan trọng của lý thuyết thuỷ động là ứng dụng lý thuyết sự tương tác của các dòng chảy để giải thích cơ chế biến dạng của nón lõm và sự tạo thành dòng xuyên lõm [27, 35] (hình 1.7) Lý thuyết chấp nhận các giả thiết sau:

*Sự nổ diễn ra tức thời còn tác dụng của sản phẩm nổ lên nón lõm thực chất là truyền xung theo hướng vuông góc với bề mặt của nón

*Trong quá trình nén ép của nón lõm có thể bỏ qua các lực đàn hồi, tức là coi vật liệu cấu thành nón và chướng ngại vật tương tự chất lỏng không chịu nén lý tưởng

Hình 1.7- Sơ đồ chuyển động của hai dòng ngược chiều trước và sau va chạm

Lý thuyết của Lavrenchev cho kết luận quan trọng là: Chiều sâu xuyên vào vật cản phụ thuộc vào: - Chiều dài dòng xuyên; - Tỷ lệ mật độ của dòng với vật cản; Tiếp theo là thuyết hoạt động xuyên vật cản của dòng xuyên lõm có tính đến một số yếu tố thực nghiệm trình bày dưới đây

1.2.2- Tác dụng của dòng xuyên vào vật cản

Khi dòng xuyên tương tác với vật cản, vật liệu của vật cản bị tách khỏi điểm

va đập theo phương tiếp tuyến với tốc độ lớn Một số kết luân thu được:

-Đường kính của lỗ xuyên không phụ thuộc trực tiếp vào đường kính dòng xuyên;

-Năng lượng cả dòng xuyên có quan hệ phụ thuộc với thể tích của lỗ xuyên;

-Đường kính của lỗ tạo thành ở kim loại rắn (thép) nhỏ hơn ở kim loại mềm (chì); -Tốc độ và chiều sâu dòng xuyên vào vật cản phụ thuộc ít vào độ bền của vật liệu của bia do tại điểm dòng xuyên tác động giá trị áp suất đặt lên bia vượt xa giới hạn chảy của phần lớn các vật liệu chế tạo bia

Để đánh giá hiệu suất xuyên của dòng cần tính đến những thay đổi của nó như

sự kéo dài do có sự khác nhau về tốc độ có hoặc không có sự tương tác các phần tử

riêng biệt của dòng (dòng liên tục hoặc dòng cấu tạo từ các hạt riêng biệt) thay

đổi tỷ trọng hữu hiệu do vật cản bị phân tán

Hình 1.8- Sơ đồ xuyên vật cản của dòng xuyên lõm

Theo hình 1.8 dòng xuyên lõm có tỷ trọng δc có chiều dài dòng xuyên L,

chuyển động với tốc độ Vc, khi va chạm vào vật cản tại điểm A, điểm tiếp xúc của dòng với vật cản sẽ dịch chuyển vào chiều sâu của vật cản, còn vật liệu của vật cản thì chạy về phía ngược lại, quá trình sẽ kéo dài cho đến khi dòng bị tiêu hao hết Các tính toán cuối cùng suy ra độ sâu lỗ xuyên là:

*Tỷ lệ thuận với chiều dài dòng xuyên và căn bậc hai của tỷ số tỷ trọng dòng với tỷ trọng vật liệu cản

*Không phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ dòng

Dòng cấu tạo từ các hạt có độ xuyên sâu hơn dòng liên tục là: 2 lần

Biểu thức (1.1): -Đúng với trường hợp dòng lý tưởng;

Parh và Evans phát triển lý thuyết xuyên có tính đến tính chất bền vững của vật cản và để nhận được biểu thức xác định độ xuyên sâu ở dạng sau:

r U

I L

L

C C

Các nghiên cứu tiếp theo tính đến sự phân bố tốc độ trong dòng và sự thay

đổi tốc độ xuyên vật cản theo chiều sâu của dòng xuyên và các hiệu ứng khác

Các nhà bác học Baum và Setes xác định tốc độ tới hạn của dòng cho một số

vật liệu, số liệu được trích (bảng 1.06) Từ kết quả họ đã rút ra một số kết luận:

-Tính chất của dòng xuyên lõm phụ thuộc vào vật liệu và độ dày của nón; -Nón dày hoặc mỏng quá đều không tốt

Bảng 1.06 Tốc độ tới hạn của dòng xuyên lõm và quan hệ với vật liệu vật cản

Nhà bác học Kuk [35] đã nghiên cứu khả năng nổ của dòng hoặc vật cản ở

vị trí va đập cho là hiện thực khi lượng nhiệt toả ra đủ để bay hơi kim loại Phần

lớn lỗ xuyên trong trường hợp này được tạo thành bởi sự chảy dẻo của vật liệu của vật cản Kết quả tính toán cho thấy hiện tượng nổ là phù hợp thực tế khi dòng va

đập vào kẽm hoặc chì Từ lý thuyết suy ra rằng: -Chiều dài của dòng xuyên lõm

quyết định độ xuyên sâu; -Nó phải tăng theo chiều cao của nón và đường kính của nón ở phần đáy; -Phễu sâu lại tạo ra dòng có độ bền nhỏ; -Hoàn toàn có thể sử dụng nón hình chỏm cầu

Kết quả độ xuyên của đạn với phễu đồng [3]

Phễu đồng: (2α = 60º) Mồi nổ ( TEN, d=15 mm)

Một số số liệu trích từ tài liệu [3] cho thấy với khối lượng thuốc, tiêu cự… tương

đương độ xuyên tăng lên khi giảm góc 2α từ 60 xuống 500

Thực tế người ta thường dùng phễu hình nón có độ dày từ 0.5 - 3 mm và chiều cao từ 1 - 1.5 lần đường kính đáy (α= 30-45 độ)

Phễu được chế tạo ở dạng bột ép có: -Hiệu suất xuyên đạt yêu cầu; -Đồng thời đơn giản hoá về thiết kế quả đạn; -Mặt khác rất phù hợp với đạn khoan lỗ cho dầu chảy vì chuôi dòng không làm tắc lỗ xuyên Tuy nhiên thành ống mỏng tắc lỗ không phải là điều đáng ngại

Việc sử dụng hiệu ứng lõm vào kỹ thuật đã tạo ra khả năng trong việc điều khiển tác dụng của quá trình nổ và cho phép tập trung trong một thể tích nhỏ mật

độ năng lượng nổ lớn hơn và tạo ra hiệu ứng định hướng tác động của quá trình nổ

Đây là ý nghĩa chính về khoa học và thực tiễn của hiệu ứng lõm;

1.2.3- Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến độ xuyên sâu của đạn lõm

Lý thuyết cho thấy độ xuyên tỷ lệ với kích thước hình học của sản phẩm Cần phải vượt qua một số khó khăn khi chuyển sang đạn lõm cỡ nhỏ:

Thứ nhất: Đặc điểm dòng xuyên của đạn lõm cỡ nhỏ; và mối quan hệ của

chúng với thiết kế, đặc trưng nổ và công nghệ chế tạo

Thứ hai: Sai số tuyệt đối của quá trình sản xuất và lắp ráp đạn lõm cỡ nhỏ

hoàn toàn giống với đạn cỡ lớn; nhưng độ xuyên sâu của đạn lõm cỡ nhỏ có hệ số phụ thuộc lớn hơn vào các sai số công nghệ: -đường kính nón, vật liệu làm nón,

thành phần thuốc nổ, sự đồng bộ của các chi tiết… Các yếu tố công nghệ của đạn lõm có thể là:

- Thành nón không đều;

- Sự không tương thích của nón với đạn;

- Sự sai lệch khỏi trục của đạn với điểm kích nổ dẫn đến việc tạo thành biên nổ không cân đối trên bề mặt của nón và tao thành quá trình nén không tương đối;

Do đó phương pháp chế tạo và lắp ráp đạn lõm là cực kỳ quan trọng;

Mặt khác đạn lõm cỡ nhỏ liên quan đến: -sự mất mát khi nổ; -giá trị đường kính tới hạn của thuốc nổ; điều này làm thay đổi giới hạn lựa chọn thuốc nổ; tiếp theo là thiết kế: -phối đơn thuốc nổ có tốc độ nổ cao; -hình dạng; -công nghệ chế tao và nén ép thuốc nổ…

Vật liệu làm nón và việc lựa chọn các thông số hình học cơ bản của tất cả các chi tiết đạn lõm đều rất quan trọng tất cả các yếu tố có ảnh hưởng quyết định lên độ xuyên sâu của đạn lõm cỡ nhỏ có thể chia thành các nhóm sau:

1- Về công nghệ:

- Sự không tương thích và độ dày không đều của các kim loại theo thiết kế;

- Các lỗi về cấu trúc của khối thuốc nổ;

- Các lỗi xuất hiện trong quá trình sử dụng;

- Độ bền của biên nổ về phương dọc và phương ngang

- Dòng khí lõm trong các khe nứt

- Sự trễ truyền nổ trong các khe

- Điều kiện gần tới hạn truyền nổ

Tóm lại:

Từ lý thuyết sơ khai ban đầu đến những tính toán các yếu tố thực nghiệm cho thấy độ xuyên sâu là một hàm của nhiều biến gồm:-Chiều dài dòng xuyên; -Tương quan tính chất của hai loại vật liệu chế tạo dòng xuyên và vật cản (về: tỷ trọng, cấu tạo hoá học, cấu trúc vật lý, tốc độ tới hạn,…);- Năng lượng va chạm; -Phân

bố tốc độ theo chiều dài dòng xuyên; -Độ bền động của vật cản; -Tính đẳng hướng của quá trình nổ; -Khả năng tập trung năng lượng; -Các yếu tố công nghệ…

Số liệu tính toán các yếu tố ảnh hưởng cần được kiểm chứng bằng thựcnghiệm

1.3 Khảo sát cơ sở công nghệ chế tạo phễu từ bột kim loại

1.3.1 Cơ sở lý thuyết luyện kim bột [10, 11, 27]

Công nghệ luyên kim bột sử dụng nguyên liệu ban đầu là bột kim loại rời tiến hành qua các bước ép và thiêu kết để tạo hình như mong muốn Các công đoạn chính chế tạo một sản phẩm từ bột kim loại như sau:

- Chế tạo bột với cỡ hạt và độ sạch thích hợp

- Tạo hình sơ bộ bằng sức ép hỗn hợp bột trong khuôn dưới áp suất thích hợp

- Định hình bằng cách sấy, nung (thiêu kết) ở nhiệt độ thích hợp

- Gia công tinh và tiến hành xử lý nhiệt, xử lý bề mặt để thu được sản phẩm hoàn chỉnh phục vụ cho mục đích sử dụng

Phương pháp luyện kim bột có ưu việt sau:

- Nguyên liệu bột gần như được sử dụng 100%;

- Thành phần của sản phẩm có thể khống chế dễ dàng;

- Bảo đảm tính đồng nhất về kích thước và tính chất của sản phẩm;

- Các nguyên công đơn giản, dễ tự động hoá, năng suất cao

1.3.1.1 Tính chất của hạt bột kim loại và phương pháp đánh giá

- Các tính chất cơ bản của hạt gồm độ lớn, hình dạng, tổ chức tế vi, độ cứng tế

vi, khả năng phân chia của hạt

- Các tính chất của khối bột gồm thể tích của khối bột tự do, thể tích của khối bột sau khi ép nguội, tính thiêu kết, mật độ kim loại sau khi ép nguội

- Các tính chất của kim loại bột sau thiêu kết, các tính chất cơ bản của vật liệu này tương tự các tính chất cơ bản của kim loại thỏi đặc xịt

1.3.1.2 Tính chất của bột kim loại riêng lẻ

*Hình dạng và kích thước hạt:

Hình dạng và kích thước hạt có ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của bột, thực tế chế tạo và sử dụng có các dạng sau:

- Dạng giọt nước: bột thu được bằng cách phun kim loại lỏng

- Dạng nhánh cây: bột thu được bằng cách điện phân

- Dạng xốp: bột hoàn nguyên từ quặng

- Dạng phiến lá: bột thu được trong máy nghiền dòng xoáy hoặc nghiền vít xoắn

- Dạng mảnh vụn: từ bột thu được trong máy nghiền bi hoặc máy nghiền rung

- Dạng sợi và dạng vảy cá

Độ lớn của hạt có thể như sau:

- Hạt vĩ mô: d > 50 às - Hạt tế vi: d > 1 às

- Hạt siêu tế vi: d < 1 às - Hạt cực nhỏ: d < 0,1 às

* Khối lượng riêng bột kim loại:

Mật độ thực của kim loại bột là mật độ của phần thể tích có chứa những lỗ xốp tiềm ẩn bên trong do vậy khối lượng riêng của bột nhỏ hơn kim loại đặc xịt

* Siêu cấu trúc và khuyêt tật mạng:

Trạng thái tinh thể có ảnh hưởng tới quá trình ép biến dạng và thiêu kết Trạng thái tinh thể của bột kim loại được xác định bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen

* Năng lượng khuyết tật mạng của kim loại bột:

Mỗi kim loại ở nhiệt độ nhất định có một kiểu mạng nhất định Khuyết tật gồm có nút trống và lệch mạng Năng lượng khuyết tật mạng tinh thể của kim loại bột được đánh giá thông qua năng lượng biến dạng dẻo và phá huỷ mạng Năng lượng này có thể ước đoán trên cơ sở của độ rộng vạch nhiễu xạ tia Rơnghen hoặc

đo bằng nhiệt lượng kế Năng lượng tiềm ẩn trong mạng tinh thể đo được tương

xứng với năng lượng giải thoát từ ứng suất tế vi, khuyết tật mạng và sự giảm bớt bề mặt do kết quả của thiêu kết

Các nghiên cứu cho thấy hạt chứa nhiều khuyết tật mạng sẽ dễ thiêu kết, tuy nhiên khả năng ép tạo hình khó và dễ bị hấp phụ khí và oxy hóa, do vậy tuỳ theo mục đích sử dụng mà cần bột nhiều hay không khuyết tật mạng

* Khối lượng riêng và thể tích riêng của khối bột:

Khối lượng riêng của khối bột là khối lượng của một đơn vị thể tích một khối bột gồm các hạt rời rạc (γp) Thể tích riêng của khối bột là giá trị nghịch đảo của khối lượng riêng của khối bột Việc đo thể tích riêng của khối bột phụ thuộc vào quá trình rung lắc để ổn định khối bột

1.3.1.3 ép nguội tạo hình chi tiết từ kim loại bột

ép nguội tạo hình được hiểu là các phương pháp cho phép đạt được hình dạng hình học và kích thước theo yêu cầu của phôi trước khi đưa đi thiêu kết

Yếu tố chính để nâng cao độ bền mẫu ép sau khi ép nguội là hiện tượng hàn

đính trên bề mặt tiếp xúc giữa các hạt kim loại Muốn đạt được hiệu quả hàn đính cao, bề mặt bột kim loại càng ít tạp chất phi kim loại càng tốt Thông thường bề mặt bột không tránh khỏi có màng mỏng oxit, có thể thông qua ủ bột kim loại trong khí hoàn nguyên thích hợp để khử màng oxít trên bề mặt hạt trước khi ép Mật độ riêng tăng khi áp lực nén tăng, vật ép càng chặt xít, độ bền uốn càng lớn Khả năng ép chặt xít phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó đặc biệt là ảnh hưởng của bản chất và kích thước hạt

Vật ép càng xít chặt, sau khi thiêu kết độ xốp và độ co ngót càng nhỏ, song chưa hẳn cơ tính càng tốt Nếu nén ép quá mức có thể khi thiêu kết lượng không khí bị bọc kín trong lòng khó thoát ra ngoài dẫn tới làm giảm độ bền;

a) Mối quan hệ giữa lực ép và mật độ của vật ép

Trong khoảng khảo sát áp lực hẹp người ta nhận thấy giữa γ và p có quan hệ sau:

dγ = kpγodp => kp = 1/γo..dγ/dp Trong đó: γo - là mật độ ban đầu của khối bột

kp -là hệ số nén ép

Đối với một loại bột kim loại nhất định, γo =const k là hệ số nén ép của khối bột; k = dγ/dp ;

Theo thay đổi của hệ số nén ép trong quá trình nén ép có thể chia tác dụng của lực ra 3 giai đoạn như sau:

Giai đoạn I: Hệ số nén ép k giảm mạnh Trong giai đoạn này chủ yếu để sắp

xếp lại các hạt điền kín những khe xốp trong khối bột Mật độ của khối bột ban đầu

là γbd Đó là mật độ khối bột rời đã qua rung lắc Tác dụng của rung lắc không phải lúc nào cũng làm mất đi giai đoạn I

Giai đoạn II: Các hạt xảy ra biến dạng dẻo điền kín các khe hở giữa các hạt,

hệ số nén ép k trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn I rất nhiều

Trong thực tế ép bột chủ yếu dừng lại ở giai đoạn II Phương trình xác định mối quan hệ giữa mật độ khối bột γ và áp suất nén p ở giai đoạn II:

γ = γ*- e-αp k/α Trong đó: γ* là khối lượng riêng giới hạn

α là hằng số đối với mỗi kim loại

Khi tiến hành nén ép hỗn hợp hai hoặc nhiều kim loại bột, vấn đề xác định p

sẽ phức tạp hơn và thông qua thực nghiệm

Giai đoạn III: Hệ số nén ép k có giá trị nhỏ nhất; trong giai đoạn này xảy ra hiện tượng thể tích bị thu nhỏ lại do biến dạng đàn hồi

b) Giãn nở thể tích của mẫu tươi sau khi ép (giai đoạn III)

Hiện tượng hạt bột bị ép đã biến dạng dẻo tới mức tới hạn làm tăng giới hạn

đàn hồi của vật liệu Sau khi ngừng tác dụng của lực ép, vật ép có hiện tượng nở ra,

nở theo phương ép lớn hơn theo phương ngang Sự nở này xảy ra nhiều nhất khi tháo gỡ vật ép ra khỏi khuôn, điều này dẫn đến nội ứng suất không đều, thậm chí dẫn tới nứt ở những vị trí có mật độ khối nhỏ nhất hoặc có độ bền tươi nhỏ nhất Hiện tượng giãn nở sau ép cần được chú ý trong việc: -Thiết kế khuôn ép; -Khống chế lựa chọn chế độ ép để lấy phôi ra dễ dàng không gây nứt vỡ

1.3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết

Định nghĩa:

Thiêu kết là duy trì hỗn hợp bột kim loại ở nhiệt độ nóng đủ để chuyển kim loại từ trạng thái bột rắn, rời sang trạng thái chảy dẻo (hoặc chảy lỏng ít nhất một thành phần) tạo liên kết bền chắc, giảm bề mặt riêng xuống mức thấp nhất

Có hai dạng thiêu kết:

- Thiêu kết hoàn toàn ở trạng thái rắn (chỉ đến nhiệt độ chảy dẻo)

- Thiêu kết ở trạng thái có tồn tại pha lỏng (ít nhất một thành phần chảy lỏng) Kết quả khảo sát phễu kim loại trong đạn bắn vỉa Baracuda của hãng Owen, Oil tech, Innicor… thấy rằng chế độ thiêu kết của các phễu bột kim loại chứa Cu-

Pb hoặc Cu-Pb-W thường được thiêu kết ở chế độ trạng thái rắn

Bản chất lý thuyết thiêu kết là sự thay đổi của một số tính chất cơ bản: (độ bền

σb ; tỷ lệ co ngót thể tích ∆V/Vo) theo thời gian và theo nhiệt độ trong quá trình thiêu kết, trong đó, yếu tố tương quan giữa nhiệt độ thiêu kết và nhiệt độ nóng chảy giữ vai trò quyết định Thông thường nhiệt độ thiêu kết được chọn (= 2/3ữ3/4) Tncthấp nhất; Thời gian thiêu kết từ 15 đến 120 phút để tránh hạt quá lớn [ 27 ]

Trong quá trình thiêu kết nhiều quá trình đồng thời xảy ra, trong đó có: khuếch tán bề mặt; khuếch tán khối; các hạt lớn lên và sát nhập với nhau…

Tuỳ trường hợp cụ thể tác động của tạp chất có thể là tích cực hoặc tiêu cực:

-Các nguyên tố thường có màng ôxit trên bề mặt bột; nếu khi tiến hành thiêu kết bị hoàn nguyên thành nguyên tử kim loại có hoạt tính cao làm liền các hạt bột; thì tác dụng của màng ôxít là tích cực

-Nếu ôxit kim loại không được hoàn nguyên thành nguyên tử thì màng oxít lại

có tác dụng tiêu cực, làm giảm độ bền vật liệu thiêu kết và tạo lỗ xốp

Tạp chất làm: -Cản trở hiện tượng lớn lên của hạt; -Tăng độ đặc xít khi thiêu kết; -Giảm cơ tính của bột thiêu kết do tạp chất thường nằm ở biên giới hạt

Do vật liệu thiêu kết là bột kim loại xốp, dễ bị oxy hóa (nhanh và có thể vào

tận lõi), do vậy môi trường thiêu kết phải có tính bảo vệ: như khí trơ (N2, He, Ar…); hoặc chân không; hoặc khí có tính hoàn nguyên (H2, CO, CH4….)

1.4 Cơ sở lý thuyết các yếu tố ảnh hưởng đến các tính năng cơ, lý, hoá, nhạy nổ và khả năng gia công nén ép của thuốc nổ

1.4.1-Độ nhạy nổ và giảm nhạy nổ của thuốc nổ:

Hiện tượng nổ là sự biến đổi hoá học hay vật lý của chất kèm theo sự chuyển hoá cực nhanh năng lượng của nó thành năng lượng nén và chuyển động chất ban

đầu hoặc sản phẩm và môi trường xung quanh

Điều kiện cơ bản để xảy ra phản ứng hoá học ở dạng nổ:- Toả nhiệt lớn; - Sinh

nhiều khí; -Tốc độ phản ứng lớn; -Có khả năng tự lan truyền;

Các đặc trưng chung của chất nổ:

Về cấu tạo: ít nhất phải có hai thành phần có tính chất hoá học trái ngược nhau là

ôxy hoá và khử;; Về sản phẩm: Nhiệt và khí đều phải lớn; Về bản chất là có thế năng hoá học cao; Dễ truyền phản ứng từ tâm này sang tâm khác với tốc độ cao (hàng ngàn m/s);

Điều kiện lan truyền (hay hệ quả của nó là sự mất mát năng lượng nổ):

Toả nhiều nhiệt, sinh nhiều khí với tốc độ cao trong khi thế năng hoá học cao đó chính là những điều kiện tốt dẫn đến tự lan truyền phản ứng nổ trong lòng khối chất Trong công nghệ nén ép thuốc nổ mỗi đơn vị nhỏ - vi mô chứa hai thành phần

ôxy hoá và khử đủ để xảy ra phản ứng nổ được coi là một tâm phản ứng nổ; Dưới tác dụng của lực nén, sự cọ sát, va đập xuất hiện khả năng phản ứng nổ ở một số

tâm; nhiệt và khí sinh ra được truyền sang các tâm lân cận dưới dạng:- Truyền

nhiệt; - Nén ép (truyền áp); - Truyền chuyển động (công cơ học); và là điều kiện

gây ra phản ứng tiếp theo

Độ nhạy nổ

Độ nhạy nổ của thuốc nổ là công nhỏ nhất gây ra phản ứng nổ, đơn vị tính là KGm;

Ví dụ độ nhạy nổ của một số chất tai liệu [1, 3, 33]: TNT-1.5; Picric axit-0,75; Tetryl-0,3; EDNA-0,8; và TEN là 0.3;

Trên thực tế để so sánh, đánh giá độ nhạy nổ cũng như độ sạch của vật liệu các nước xây dựng và áp dụng các tiêu chuẩn khác nhau; Một trong những tiêu chuẩn

được áp dụng rộng rãi dựa trên thiết bị Búa Kast có khối lượng trọng vật (búa) rơi

từ độ cao 25cm; thông số là phần trăm phát nổ trên tổng số lần thí nghiệm; Ví dụ

độ nhạy nổ theo Kast: TNT- 4ữ8%; RDX 70ữ80%, HMX- 96%; TEN- 100%; Tetryl-50ữ60%;

Có tiêu chuẩn xây dựng trên cơ sở thông số là độ cao búa (2kg) khi rơi thì tạo ra một phát nổ, hoặc tạo ra nổ 100%;

Thuốc nổ mạnh hiện đang sử dụng:

Thuốc nổ mạnh là loại hợp chất hoá học trên phân tử chứa các nhóm chức có tính ôxy hoá nitrat (-ONO2) hoặc nitro (-NO2) và khung phân tử là mạch hydrocac bon có tính khử (HMX, RDX, TEN…) Do đó khi bị nén, ép, ma sát hai thành phần

đối lập nhau về tính chất hoá học này rất dễ bị phản ứng cục bộ với nhau tạo thành các điểm sinh năng lượng cung cấp cho phản ứng của các nhóm lân cận và dẫn đến gây nổ toàn khối Cho nên thuốc nổ nguyên chất rất nguy hiểm khi gia công, chế tạo bằng các phương pháp nén ép Vì thế nghiên cứu tìm trạng thái thù hình ít nhạy nổ; các chế độ thuần hoá, giảm độ nhạy nổ để dễ dàng gia công, chế tạo thuốc nổ là rất cần thiết

Nguyên tắc phối đơn sử dụng thuốc nổ

Theo lý thuyết nổ của A.Ia.Apin [1, 24, 30] thì tính năng nổ phụ thuộc vào các yếu tố sau:- Bản chất;- Tỷ trọng ; - Thành phần ; - và Trạng thái sử dụng

*Bản chất: Bản chất thuốc nổ mạnh do cấu tạo hoá học quyết định đó là só

lượng liên kết hoá học: đơn, nối đôi, nối ba trong mạch phân tử; tương quan số

lượng nhóm chức ôxy hoá và khử …

*Tỷ trọng: Mỗi chất nổ do cấu tạo và dạng thù hình có tỷ trọng tinh thể, tỷ

trọng nóng chảy và tỷ trọng dạng bột nén ép khác nhau; Theo đặc tính nổ thì tỷ trọng càng cao tốc độ nổ, năng lượng nổ… càng lớn và càng có lợi cho sử dụng do

có thể giảm khối lượng đầu nổ mà vẫn đạt hiệu suất công phá

*Thành phần: Đây là thành phần tự thân của phân tử chất nổ hoặc hỗn hợp nổ

chưa tính đến phối đơn sử dụng; nó là một phần của bản chất thuốc nổ liên quan

đến sản phẩm sẽ sinh ra sau khi nổ;

*Trạng thái sử dụng: Nói trạng thái sử dụng là đề cập đến thành phần phối

đơn và điều kiện sử dụng thuốc nổ Căn cứ từ thực tế sử dụng thuốc nổ hiện nay có

ba trạng thái như sau:

+ Trạng thái thứ nhất ứng với trường hợp thuần hoá thuốc nổ bằng các vật liệu

trơ; Các chất thuần hoá chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong thành phần thuốc nổ (4-6%), các phân tử chất trơ chỉ đủ để bao bọc các hạt chất rắn của thuốc nổ; Chúng có tác dụng làm giảm ma sát, va đập của các hạt chất rắn thuốc nổ với nhau; hấp thụ năng lượng nổ… do đó mà làm giảm độ nhạy nổ ma sát và nhạy nổ va đập

Tuỳ theo mục đích sử dụng mà người ta lựa chọn các chất thuần hoá thích hợp Khi cần tạo ra thuốc nổ chịu áp suất, nhiệt cao thì thay cho các chất thuần hoá thông thường như paraphin, xêrêzin, stearic… người ta lựa chọn graphit, mồ hóng,

silicon…( Bảng 1.08 )

+ Trạng thái sử dụng thứ hai là trường hợp hỗn hợp thuốc nổ; Hai hay nhiều

loại thuốc nổ có độ nhạy nổ, các tính năng nổ khác nhau được trộn với nhau nhưng với tỷ lệ cao hơn chất trơ thuần hoá Các hiệu ứng cũng tương tự như chất thuần hoá nhưng ở mức độ khác và kết quả là thu được hỗn hợp thuốc nổ có tính năng tương

ứng trong quan hệ với các thuốc nổ thành phần cấu thành hỗn hợp (Bảng 1.08 ) + Trạng thái thứ ba ứng với trường hợp sử dụng thuốc nổ vào thành phần các

nhiên liệu tên lửa Trong các thỏi nhiên liệu các phân tử thuốc nổ bị pha loãng và cách ly bởi các phân tử các chất thành phần nhiên liệu, tính năng nổ của thuốc nổ

bị giảm rất nhiều, chủ yếu tham gia vào quá trình cháy Để tăng đặc trưng năng lượng của nhiên liệu người ta sử dụng các thuốc nổ khác nhau như: nitroglycerine

đến 40% khối lượng, DINA, TNT, Hexogen, CL-20…[2, 29, 34]

Cơ chế hoạt động thuần hoá:

Chất thuần hoá là những phân tử chất trơ bao xung quanh các hạt thuốc nổ; Trong quá trình nén ép thay vì các hạt thuốc trượt tương đối trên bề mặt nhau chúng trượt trên lớp đệm trơ làm giảm xác suất xảy ra phản ứng nổ;

Trường hợp xuất hiện tâm nổ thì nhiệt lượng, áp suất sinh ra trước khi truyền sang hạt khác sẽ bị hấp thụ bởi chất thuần hoá

Bản chất tác dụng của chất thuần hoá là giảm và phân tán năng lượng ma sát, năng lượng truyền nổ từ tâm nổ này sang tâm khác do đó mà:

Làm giảm xác suất xảy ra phản ứng nổ tại các tâm vi mô;

Làm giảm khả năng tự lan truyền phản ứng nổ;

Dưới đây trong bảng 1.08 nêu một số thuốc nổ thuần hoá và hỗn hợp

Thành phần chất thuần hoá trong một số loại thuốc nổ

RDX/TNT/Canxi silicat : RDX/Polyizobutylen/dioctylsebate/dầu đ/cơ

98,75 / 1,25 59,5 / 39,5 / 1 60/39,5/0,5 91/ 2,1 / 5,3 / 1,6

9 TEN hoá dẻo TEN/chất hoá dẻo/ canxi stearat 86± 1,7/ 3± 1,5 / 1±0,2

Điều này có ý nghĩa lớn đối với công nghệ chế tạo thuốc nổ bằng phương pháp nén ép; Chỉ với hàm lượng không đáng kể 4-6% (bảng 1.08) chất trơ từ chỗ thuốc nổ nguyên chất không thể gia công đúc ép an toàn đã hoàn toàn chịu được chế độ áp suất cao để tạo ra thỏi thuốc với tỷ trọng cao;

Một đặc điểm quan trọng của hầu hết thuốc nổ là tốc độ nổ biến đổi tuyến tính theo biến đổi của tỷ trọng tạo ra khả năng tập trung năng lượng cao, công thức tổng quát quan hệ giữa tốc độ nổ và tỷ trọng có dạng [27]:

D=D1+A(d-d1) (1.4.1) Trong đó : D - Tốc độ nổ ở tỷ trọng d, m/s;

D1 -– Tốc độ nổ ở tỷ trọng d1, m/s;

A -– Hệ số tuyến tính Giá trị hằng số A, B của một vài loại thuốc nổ có thể tham khảo trong các tài liệu [3, 27, 33]

Để đạt hiệu suất sử dụng cao người ta thường cố gắng tổng hợp những hợp chất nổ mới với năng lượng nổ cao, tỷ trọng cao, khả năng nén ép đến tỷ trọng cao;

Chỉ sau khi thuần hoá thuốc nổ mới có thể an toàn tiến hành gia công chế tạo

định hình thành các khối theo hình dạng kích thước, tỷ trọng thiết kế

Tóm lại:

Mục đích thuần hoá thuốc nổ là để tạo ra điều kiện an toàn cho công nghệ sản xuất và sử dụng Các chất thuần hoá khác nhau có định hướng biến đổi một số tính năng theo chiều phù hợp với tính chất của chúng có lợi cho mục đích sử dụng

Trước tiên thuần hoá giảm độ nhạy nổ ma sát, nén ép, va đập để thuận lợi gia công nhồi nạp từ đó làm tăng tỷ trọng để dẫn đến tăng tốc độ nổ, tăng khối lượng thuốc nổ trong một không gian nhồi hữu hạn

Như vậy sự thay đổi một thông số vật lý là tỷ trọng dẫn đến thay đổi về

lượng là khối lượng thuốc nhồi vào đạn và hệ quả quan trong là kéo theo sự thay

đổi về chất đó là tốc độ nổ để tạo ra khả năng tập trung năng lượng nổ hình thành

và kéo chiều dài dòng xuyên tạo ra độ xuyên sâu vào vật cản

1.4.2 Cơ sở lý thuyết của mối quan hệ giữa độ xuyên tỷ trọng, thành phần

áp suất nổ có mối quan hệ bậc nhất với tỷ trọng, bậc hai với tốc độ nổ theo công thức 1.4.1 [27, 35 ]

Đồ thị biến thiên P-t trên biên tiếp xúc sản phẩm nổ với vật cản biểu diễn trên hình 1.09

20

1 + ⋅

Hình 1.09- Đường cong biến đổi áp suất theo thời gian P – t tại điểm tiếp xúc giữa

dòng xuyên với vật cản

Theo công thức của Pipekin và các tác giả giá trị xung lượng nổ tương đối ITĐ

là đại lượng đại diện cho I có quan hệ với tỷ trọng, nhiệt lượng nổ, nhiệt độ nổ như công thức biểu diễn sau:

L100 là giá trị độ xuyên của hỗn hợp thuốc nổ ТNT-RDX 50/50 vào vật cản thép

Độ xuyên tương đối của các mẫu thuốc khác nhau L/L100

Bảng 1.09

g/сm 3

D, m/s

P, GPа

Từ kết quả trên đã dựng đồ thị, rút ra phương trình biểu diễn quan hệ giữa độ

xuyên tương đối và xung lượng nổ tương đối có dạng tuyến tính Đồ thị trên hình

S i 7

Tóm lại: Đối với thuốc nổ thì tỷ trọng và tốc độ nổ là những thông số có ý

nghĩa quyết định đến chiều sâu dòng xuyên việc lựa chọn thành phần và nghiên cứu công nghệ chế tạo cần tập trung nâng cao những đại lượng này