Взрывные технологии

1. Общие сведения о явлении взрыва

Взрыв — это процесс очень быстрого совершения механической энергии при расширении сильно сжатых газов или паров. В зависимости от причин сжатия газов или паров и выделения энергии, за счет которой совершается работа, различают ядерные, физические и химические взрывы.

Взрывы, возникающие в результате выделения внутриядерной энергии при делении ядер тяжелых элементов или синтезе ядер легких элементов, называют ядерными.

Взрывы, вызываемые быстрым изменением физического состояния системы без протекания химических и ядерных реакций, называют физическими. Например, к таким взрывам относится электрический взрыв проводников, возникающий в результате образования сильно нагретых и сжатых паров металлов. Физические взрывы происходят при высокоскоростном ударе (скорость соударения около 10 км/с и более). В процессе соударения кинетическая энергия очень быстро преобразуется в тепловую. При этом образуются сильно сжатые газы и пары, совершающие при последующем расширении механическую работу. К физическим взрывам относят также взрывное разрушение сосудов высокого давления, возникающее под действием чрезмерного повышения давления или в результате механических повреждений.

Взрывы, происходящие в результате быстрой экзотермической реакции превращения веществ, называются химическими.

Взрывные технологии в зависимости от расположения заряда относительно объекта воздействия подразделяются на две основные группы: контактные и неконтактные. К первой группе относятся резание, сварка взрывом, ко второй – штамповка взрывом, детонационно-газовое напыление покрытий, компактирование взрывом порошков сверхтвердых материалов и др.

2. Взрывные технологии разделения конструкций

Взрыв заряда, имеющего выпуклую внешнюю поверхность, создает вокруг себя облако расширяющихся продуктов детонации. Характерной особенностью взрыва такого заряда является быстрое уменьшение значений основных параметров: скорости, давления и плотности. В непосредственной близости от поверхности заряда действие взрыва максимально. Независимо от исходной скорости заряда (шар, цилиндр, куб) облако продуктов детонации принимает форму сферы.

Если на поверхности заряда имеется углубление, то при взрыве создается сходящийся поток продуктов детонации. По мере увеличения в этом потоке схождения продуктов детонации плотность и давление возрастают и формируется высокоскоростная струя продуктов детонации, характеризующаяся высокой разрушающей и проникающей способностью. Такой эффект усиления действия взрыва заряда в направлении углубления получит название «кумулятивный эффект взрыва», а само углубление — название «кумулятивное углубление».

Открытие кумулятивного эффекта привело к широкому применению кумулятивных зарядов. Используемые в промышленности кумулятивные заряды можно условно подразделить на две группы: пробивающие и режущие.

Пробивающие заряды представляют собой компактные осесимметричные кумулятивные заряды с углублением в форме конуса или полусферы, покрытым металлической облицовкой. При взрыве таких зарядов формируется высокоскоростная кумулятивная струя, пробивающая глубокие отверстия в преграде. Такие заряды используются для пробивания глубоких отверстий в массивах горных пород, отверстий в плитах и т. д.

Режущие кумулятивные заряды представляют собой удлиненные заряды, имеющие удлиненное клиновидное или полуцилиндрическое углубление, покрытое металлической или металлополимерной облицовкой (рис. 1). При взрыве таких зарядов в результате схлопывания облицовки формируется плоская кумулятивная струя, которая разрезает преграду. Продольная ось удлиненных кумулятивных зарядов может быть искривлена и иметь, например, форму окружности или ее дуги.

В результате воздействия плоской кумулятивной струи на преграду образуется прорезь, глубина L которой зависит от конструктивных характеристик заряда; основных размеров – радиуса заряда , диаметра заряда , длины образующей клиновидной облицовки , угла раствора облицовки 2α , диаметра облицовки , толщина облицовки , плотности облицовки ,плотности заряда  , толщина слоя заряда ; расположения заряда относительно преграды, определяемого расстоянием F (рис. 1)

Рисунок 1 — Формы поперечных сечений удлиненных кумулятивных зарядов (УКЗ): а-в — клиновидная облицовка; г — полуцилиндрическая облицовка; 1 — оболочка; 2 — заряд; 3 — металлическая облицовка; 4 — преграда

Область применения удлиненных кумулятивных зарядов- резание взрывом трубопроводов, а также сложнопрофилированных и крупногабаритных металлоконструкций: резервуаров, железнодорожных конструкций, газо- и нефтехранилищ, химических реакторов, корпусов морских, речных и воздушных судов. Имеется опыт резания взрывом крупногабаритных шин карьерных самосвалов с толщиной резинокордного слоя 90 мм.

В зависимости от конкретных технологических задач удлиненному кумулятивному заряду как основному инструменту взрыва предъявляются различные требования.

В одних случаях важно обеспечить высокое качество поверхности реза и неизменность структуры металла (для последующей сварки), в других случаях – наибольшую дешевизну и эффективность; в третьих — защиту окружающей среды и оборудования от действия продуктов детонации. Этим объясняется многообразие имеющихся типов удлиненных кумулятивных зарядов.

3. Сварка взрывом

Сварка взрывом – процесс получения соединения двух или нескольких тел, происходящих при их соударении. Ускорение соударяющихся тел до необходимой скорости осуществляется энергией взрыва, выделяющейся при детонации заряда. Основная (базовая) схема сварки плоских изделий представлена на рисунке 2.

На основании 1 (земляной грунт, дерево, металл и т. п.) расположено одно из свариваемых изделий (в простейшем случае пластина 2), над которой параллельно с определенным зазором h на технологических опорах 4 расположено второе изделие 3. На внешней поверхности изделия 3 находится заряд взрывчатого вещества 5 заданной высоты Hвв и площадью, как правило, равной площади изделия 3. В одном из концов заряда находится детонатор 6.

При инициировании заряда по нему распространяется фронт детонационной волны (рис. 3).

Рисунок 2 — Принципиальная схема сварки взрывом плоских изделий: 1 – основание; 2 – неподвижная пластина; 3 – подвижная пластина; 4 – технологические опоры; 5 – заряд взрывчатого вещества; 6 – детонатор; H1, H2, h – соответственно высоты неподвижной, подвижной пластин и толщины заряда; h – зазор между пластинами; Lн Lк – соответственно – величины начального и конечного нависания верхней пластины над нижней; Нвв – высота заряда взрывчатого вещества

Рисунок 3 — Схема установившегося процесса сварки взрывом: 1 – фронт детонационной волны; 2 – фронт разлета продуктов взрыва ВВ; 3 – фронт волны разрежения; Vвв – скорость детонации ВВ; V_К – нормальная составляющая скорости соударения контактирующих поверхностей; V_Н – скорость движения вершины динамического угла встречи контактирующих поверхностей в направлении сварки (Vн = Vвв)

Технологические параметры сварки взрывом разделяются на три группы: установочные, кинематические и параметры заряда ВВ.

К установочным параметрам относятся параметры, определяющие исходное взаимное расположение свариваемых пластин: расстояние между пластинами, зазоры, размеры краевых нависаний (рис. 3).

Кинематические параметры определяют конфигурацию соударения свариваемых пластин: скорость соударения контактирующих поверхностей Vн ; скорость движения вершины динамического угла Vк ; угол соударения γ (рис. 3).

Параметры заряда ВВ определяют характер, кинетику разгона метаемого элемента и количество энергии, вводимой в систему соударяющихся пластин. Важнейшим параметром является скорость детонации заряда ВВ.

Скорость детонационной волны Vвв для существующих взрывчатых материалов составляет 2000-8000 м/сек. В результате действия высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает импульс, под действием которого объемы метаемой пластины последовательно вовлекаются в ускоренное движение к поверхности неподвижной пластины. При установившемся процессе метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается, ее наклонный участок со скоростью Vк = Vвв движется за фронтом детонационной волны, а участок перед ее фронтом с непродетонированной частью заряда занимает исходное положение.

В окрестностях точки соударения развиваются высокие давления, на порядок превосходящие пределы прочности материалов. Деформация метаемой пластины в зоне соударения определяется углом соударения  и скоростью точки контакта V_K, которые связаны с исходными параметрами соударения и позволяют изменять режим сварки. В определенном диапазоне изменения этих параметров внутри точки контакта возникает стационарный поток массы соединяемых материалов в виде кумулятивной струи или облака дисперсных частиц. При этом производится самоочищение свариваемых поверхностей, а за точкой контакта создаются условия для их сближения под действием высоких давлений соударения и совместного пластического течения. Длительность процесса составляет 10^-6–10^-5 сек.

Перед сваркой соединяемые поверхности должны быть зачищены до металлического блеска или протравлены и обезжирены.

Исходные материалы не должны иметь внутренних дефектов (включений, пор, трещин), в противном случае возможно разрушение. Прогиб исходных заготовок не должен превышать 5-10 мм на погонный метр. Несоблюдение этого требования приводит к недопустимому колебанию сварочного зазора и, как следствие, к нестабильности свойств биметаллических заготовок по площади, вплоть до отсутствия прочности или появления непроваров.

Многослойные композиционные изделия получают одним или двумя симметрично расположенными зарядами (рис. 4 г, д).

Рисунок 4 — Технологические схемы изготовления сваркой взрывом плоских биметаллических и многослойных изделий: а – плоскопараллельная; б, в – угловые с постоянным и переменным углом; г, д – плоскопараллельные многослойные с одним и двумя зарядами

Сварка взрывом коаксиальных биметаллических и многослойных заготовок предусматривает использование наружного, либо внутреннего зарядов (рис. 5). Сварка взрывом с использованием наружного заряда более предпочтительна из-за своей простоты и меньшей остаточной деформации получаемой заготовки. В этом случае внутренний объем трубных заготовок заполняется водой (рис. 5 б, г). Характерной особенностью рассматриваемых схем является применение направляющего металлического конуса 4. Заряд, обычно порошкообразного вида, формируется в картонном контейнере в вертикальном положении, в верхней части которого строго симметрично устанавливается детонатор 5.

Значительно более сложны в практическом использовании схемы изготовления полых коаксиальных заготовок с внутренним расположением заряда. Плакирование внутренних поверхностей обычно осуществляют в случаях, когда внутренняя труба значительно толще наружной. Основные проблемы в этих случаях сводятся к необходимости создания вокруг наружной поверхности внешней трубы массивной разборной опоры многоразового использования 7 и нестабильности работы заряда ВВ в опоре, а следовательно, нестабильности свойств соединений вдоль оси заготовки.

Рисунок 5 — Технологические схемы изготовления коаксиальных заготовок: а – сплошного сечения; б–г – полых; 1, 2 – свариваемые элементы; 3 – заряд ВВ; 4 – направляющий конус; 5 – детонатор; 6 – вода; 7 – разъемная опора

Основным отличительным признаком схем конструкционной сварки взрывом является применение локализованных и ограниченных по площади относительно всей конструкции зарядов ВВ. Сварка выполняется на готовой конструкции, а получаемое изделие не требует дальнейших переделов.

Соединение листовых заготовок встык выполняют плоским накладным зарядом, укладываемым на отбортованную кромку одного из листов (рис. 6 а). На противоположной кромке обеспечивают требуемый угол соударения. Сварку осуществляют на металлической подложке.

Освоена технология покрытия (рис. 6 б) отдельных участков криволинейных поверхностей ответственных конструкций. Таким образом, были покрыты участки лопастей гидротурбин кавитационно- стойкими сталями. С целью предупреждения возможных деформаций и появления трещин заготовку лопасти гидротурбин при сварке располагали на подушке из металлической дроби.

Взрывные технологии широко используют для закрепления труб в трубных дисках различного теплообменного оборудования тепловых и атомных электростанций, химического и нефтеперерабатывающего оборудования (рис. 6 в).

Рисунок 6 — Схемы конструкционной сварки: а – соединение в стык; б – плакирование криволинейных поверхностей; в – соединения труб и трубных дисков; 1 – заряд ВВ; 2 – детонатор; 3, 5 – листовые заготовки; 4 – подложка; 6 – лопасть гидротурбины; 7 – плакирующая заготовка; 8 – трубная плита; 9 – трубные заготовки

Основные области применения сварки взрывом

Сварка взрывом в силу присущих ей достоинств (высокая скорость процесса, а, следовательно, и производительность, сверхвысокие давления, отсутствие расплава) является одним из перспективных и ведущих процессов производства. Высокопроизводительный и экономичный процесс сварки взрывом позволяет получать соединения практически любых разнородных металлов и сплавов с прочностью на уровне свойств основных металлов. Для ряда металлических соединений сварка взрывом по уровню реализуемых служебных свойств, номенклатуре типоразмеров, производительности и себестоимости не имеет альтернативы.

Области применения сварки взрывом приведены на рисунке 7.

Рисунок 7- Области применения сварки взрывом

В современных процессах металлообработки взрывом применяют заряды массой от нескольких граммов до нескольких тонн. Это обстоятельство обусловливает использование рассматриваемого процесса в следующих вариантах:

• сварка на открытых полигонах мощностью до 5 т ВВ и площадью от 5 до 200 Га применяется для изготовления крупногабаритных заготовок и узлов;
• сварка в переносных и стационарных взрывных камерах мощностью от 20 г до 120 кг ВВ;
• сварка взрывом в подземных каменоломнях и отработанных шахтах;
• точечная сварка взрывом с помощью ручных инструментов (используются малые заряды ВВ);
• в отдельных случаях возможно проведение сварочных работ непосредственно на готовом изделии в цеху, при его эксплуатации или монтаже;
• основным преимуществом работы на открытых полигонах при их достаточном удалении от жилых и промышленных объектов является возможность получения сваркой взрывом заготовок и изделий практически неограниченных габаритных размеров и массы. Наличие нескольких площадок для ведения процесса может обеспечить высокую производительность при незначительных капитальных затратах.

Наиболее перспективна сварка взрывом для плакирования плоских изделий, особенно при большой толщине основного слоя. В частности, освоено плакирование листов толщиной 70-100 мм, площадью 10-20 м² для сосудов давления ответственного назначения.

Освоено производство плакирования изделий со сложной криволинейной поверхностью. Плакировано взрывом и эксплуатируется свыше 150 рабочих колес радиально-осевых турбин на крупнейших гидроэлектростанциях. Номенклатура и объемы производства биметалла постоянно растут, что объясняется эффективностью его применения.

С помощью различных модификаций сварки взрывом освоены следующие соединения: трубопроводов, проводов контактной сети железных дорог, алюминиевых оболочек кабелей связи, шинопроводов, труб с трубными решетками теплообменников, рельсовых соединителей, сталеалюминевых анодных штырей электролизеров алюминия, ремонт крупногабаритных оболочечных конструкций, отвод к действующим газопроводам под давлением без стравливания и прекращения транспортировки газа и др.