射孔彈藥型罩旋壓成形特征淺析

王 振，潘信強(qiáng)

（合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，安徽 合肥230601）

1 引言

油氣勘探開發(fā)過程中一個(gè)最重要階段是打開由碎屑、碳酸鹽、粘土或水化學(xué)沉積巖石形成的石油和天然氣儲(chǔ)集層。打開儲(chǔ)集層分兩個(gè)時(shí)段：一是鉆井過程中打開儲(chǔ)集層，從鉆頭進(jìn)入儲(chǔ)集層的頂部開始到鉆頭鉆達(dá)該層位的底部為止；二是在下套管并在管外空間注水泥固井之后將儲(chǔ)集層射開?，F(xiàn)代油氣井射孔采用聚能射孔技術(shù)，采用電纜或油管將聚能射孔器在套管中下放到儲(chǔ)集層后點(diǎn)火射孔，射流穿透套管壁和管外的水泥環(huán)并在儲(chǔ)集層巖石里造成通道。聚能射孔是石油開采過程中的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)井下不同的地質(zhì)條件選用不同種類的射孔彈是提高油氣井開采的重要措施。

2 藥型罩基本要求

聚能裝藥的藥型罩應(yīng)具備以下基本要求：

（1）致密性要求。藥型罩是聚能裝藥的核心，在爆轟產(chǎn)物推動(dòng)罩壁向軸線運(yùn)動(dòng)過程中，就將能量傳遞給了藥型罩。如果這時(shí)的藥型罩比較密實(shí)致密性大，則藥型罩的可壓縮性很小，因此內(nèi)能增加很少，能量的極大部分表現(xiàn)為動(dòng)能形式，這樣就可避免高壓膨脹引起的能量分散而使能量更為集中。為了提高聚能效應(yīng)，就應(yīng)設(shè)法避免高壓膨脹引起能量分散而不利于能量集中的因素。作為藥型罩必須具有很高的致密性。

（2）高密度要求。射流與靶板的密度比愈大，破甲深度愈大，在同等條件下，應(yīng)優(yōu)先選用密度大的藥型罩粉末材料。

（3）延展性要求。射流頭部速度和尾部速度比值愈大，破甲深度愈大。延展性高的材料所形成的射流，當(dāng)射流頭部速度和尾部速度的比值很大時(shí)，所形成的射流被拉的很長(zhǎng)而不斷裂，它的侵徹深度也越大。

3 粉末藥型罩的成形特性

如圖1 所示，藥型罩作為聚能裝藥的核心部件，在爆轟產(chǎn)物的推動(dòng)下形成射流最終對(duì)目標(biāo)進(jìn)行侵徹。藥型罩的質(zhì)量直接決定了爆破戰(zhàn)斗部的侵徹和破甲性能。粉末藥型罩具有工藝簡(jiǎn)單、成分配比靈活、生產(chǎn)效率高、成形性好等特點(diǎn)，而且很大程度上避免了杵堵等現(xiàn)象。然而粉末藥型罩從本質(zhì)上來說屬于多孔材料，其與相應(yīng)的密實(shí)材料沖擊壓縮特性有所不同，所形成射流的破甲能力存在一定差距，其中最主要的是相同裝藥條件下粉末罩形成射流的速度要低于相應(yīng)的密實(shí)罩。而且由于各成分的密度、粒度差別較大，在制造時(shí)容易發(fā)生偏聚，導(dǎo)致藥型罩質(zhì)量降低。

在粉末藥型罩中，一般采用銅粉作為主體粉末材料，所占質(zhì)量比通常為50%～90%。銅粉具有密度較大、熔點(diǎn)適中、聲速較高、塑性好、有一定的強(qiáng)度等特點(diǎn)，易于形成延展性好、不易斷裂、不易氣化的金屬射流，而且價(jià)格便宜。球形銅粉價(jià)格低、流動(dòng)性好、保質(zhì)期長(zhǎng)、不易于形成杵堵，但成形性差、壓制的粉末罩結(jié)合強(qiáng)度低、易破碎。枝形粉的成形性好，粉末罩結(jié)合強(qiáng)度高，但流動(dòng)性差，易氧化，且容易形成杵堵。鑒于球形銅粉的成形性差的缺陷，常采用以下工藝：先用粉末冶金法制造出藥型罩的初級(jí)胚體，再用300MPa 的靜冷壓力壓胚，然后在無氧條件下600℃熱處理1 小時(shí)，最后在900℃下保溫1 小時(shí)，制成成品藥型罩。這樣制造的純銅粉末罩較普通銅合金粉末罩的晶粒細(xì)小、質(zhì)地均勻，所形成的射流為粒子流，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.6%時(shí)射流延展性最好，射流粒子的大小均勻，兩端成圓錐型，中部的柱體粗長(zhǎng)，而且在藥型罩直徑及炸高一定時(shí)，表現(xiàn)出最佳的長(zhǎng)徑比。

圖1 射孔彈藥型罩

在藥型罩球形銅粉中還需加入多種添加劑提高藥型罩的綜合性能。比如添加密度增稠劑提高藥型罩銅合金的密度，可以提高銅藥型罩的破甲威力；添加成型助劑，改善力學(xué)強(qiáng)度差、表面不光滑、偏聚等現(xiàn)象；添加射流改善劑提高粉體材料的密度和在射流斷裂前的高延伸性；添加能量添加劑等材料增強(qiáng)藥型罩所形成的射流在侵徹目標(biāo)的過程中會(huì)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，生成大量的熱和氣體，產(chǎn)生二次爆炸效應(yīng)。

球形銅粉制造的藥型罩主要采用旋壓技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)使之受力點(diǎn)由點(diǎn)到線、由線到面，同時(shí)在某個(gè)方向給予一定的壓力使金屬材料沿著這一方向變形和流動(dòng)而成形某一形狀。旋壓成形技術(shù)不是單一的強(qiáng)力旋壓和普通旋壓，而是二者的結(jié)合；強(qiáng)力旋壓用于各種筒、錐體異形體的旋壓成型殼體的加工技術(shù)，是一種比較老的成熟的工藝方法，也叫滾壓法。旋壓成形的工件，可消除縱向焊縫，減少環(huán)向焊縫，提高綜合質(zhì)量。旋壓塑性變形近似于點(diǎn)變形，可充分細(xì)化晶粒組織，提高產(chǎn)品的強(qiáng)塑性。旋壓加工具有節(jié)省材料、提高產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用空間。

4 藥型罩粉末分析

4.1 粉末的基本特性及要求

單顆粒的性質(zhì)主要有理論密度、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、塑性、彈性、化學(xué)成分、電磁性質(zhì)等。在選材時(shí)，除了盡量選用理論密度大、彈塑性高的物質(zhì)外，要結(jié)合燒結(jié)溫度對(duì)材料的熔點(diǎn)進(jìn)行考慮。不同的粉末生產(chǎn)方法所生產(chǎn)的粉末其性質(zhì)也不同，如粒度、顆粒形狀、密度、表面狀態(tài)、晶粒結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣缺陷、顆粒的氣體含量、氧化物、活性等特性。其中顆粒形狀有球形、近球形、樹枝狀、片狀、碟狀、三角形、不規(guī)則形等形狀。晶粒結(jié)構(gòu)有單晶顆粒、多晶顆粒等。選用材料時(shí)，應(yīng)選取不同的顆粒形狀、晶粒結(jié)構(gòu)的、粒度物質(zhì)進(jìn)行搭配，以提高藥型罩的致密性和密度。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面發(fā)達(dá)和不發(fā)達(dá)的顆?；ハ啻钆涫褂?，對(duì)最終的藥型罩穿深有很大提高，粉末藥型罩的粒度配級(jí)比成分配比具有更重要的作用，合適的粒度配級(jí)能明顯提高射流的侵徹深度。

4.2 粉末體的性質(zhì)及要求

除了單顆粒的性質(zhì)以外，粉末體的性質(zhì)如平均粒度、顆粒組成、比表面、松裝密度、振實(shí)密度、流動(dòng)性、壓縮性、成形性、顆粒間的摩擦狀態(tài)等對(duì)藥型罩的性能也有重要影響。其中流動(dòng)性是一個(gè)非常重要的工藝性能，它對(duì)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定以及產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣都有重要影響。壓縮性是金屬粉末在規(guī)定壓制條件下被壓緊的能力，成形性是指粉末壓制后壓坯保持既定形狀的能力。一般來說，成形性好的粉末，往往壓縮性差，壓縮性好的粉末，成形性差，顆粒越細(xì)的粉末成形性好，而壓縮性卻較差。所以在選用材料時(shí)，材料應(yīng)具備適中的壓縮性和成形性，從而提高藥型罩的成形質(zhì)量和穿深能力。

5 結(jié)束語

藥型罩制造方法很多，目前應(yīng)用最廣、制造工藝最簡(jiǎn)單的就是粉末藥型罩壓制成形。影響藥型罩的質(zhì)量的因素主要有藥型罩粉末配方、藥罩壓制壓力、保壓時(shí)間、加壓次數(shù)等。隨著我國(guó)石化裝備的大力發(fā)展，對(duì)大型聚能射孔彈的需求越來越大。目前制造企業(yè)能生產(chǎn)出的零件遠(yuǎn)不能滿足國(guó)內(nèi)石化企業(yè)生產(chǎn)的需求。射孔彈壓罩液壓機(jī)可以提高射孔彈藥型罩的加工精度，減少后續(xù)加工時(shí)間。因此研制高精度伺服射孔彈壓罩液壓機(jī)生產(chǎn)線可促進(jìn)射孔彈制造企業(yè)進(jìn)一步降低成本，提高行業(yè)整體效益，大力提升國(guó)產(chǎn)石化裝備的生產(chǎn)制造水平。

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