用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元及制备方法

摘要

本发明公开了一种用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元及其制备方法，制得的该装药单元由灼热剂和点火剂组成，灼热剂由以下原料按重量百分比组成：高能燃烧剂：70％～90％，产气剂：5％～20％，微量添加剂1％～10％；点火剂由铝镁合金粉和氧化铜按(2～4)∶(4～6)的重量比组配。其制备方法是按灼热剂的配方将高能燃烧剂、产气剂、微量添加剂充分均匀混合，然后加入适量的聚乙二醇继续混合，最后把混合物装入模具重压，制成具有中心孔的柱状物，然后按点火剂的配方充分均匀混合，散装入柱状物的中心孔内，最后用密封纸密封中心孔。由于灼热剂及点火剂自身耐温可达300℃以上，在常温下状态稳定，使用非常安全，运输方便。

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，特别是涉及到一种用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元及制备方法。

背景技术

在野外金属管道切割施工，下水管道、油气田开采、水井的钻井及开采过程施工中，往往因人为、机械、恶劣的自然环境等原因，导致金属管道损坏；油、气井卡钻；水管堵塞等事故，特别是在油气井开采过程中，随着油气井开采难度的增大，金属管柱遇卡事故经常发生。

当油气井开采过程中发生金属管柱遇卡事故时，或者处理海洋废弃井口时，需要切割分离。切割方法一般采用聚能切割、化学切割、机械切割等切割方法，但这些方法存在着环境污染、成功率低、费用高、作业时间长等缺点，往往会给施工方造成更大的损失。

采用非爆炸性金属管环形切割装置是一种理想的方法，在非爆炸性金属管环形切割装置中需要装有灼热剂，通过点火装置的引燃，使其燃烧产生高温、高压熔融状金属流体，并通过专用的机械结构作用于被切金属管上，实现切割。

US4349396中描述了一种金属切割的烟火铝热剂，这种烟火铝热剂使用了一种氧化剂、一种金属燃料、一种卤合物粘结剂和硫，其中的氧化剂选自由亚硫酸钙半水合物、无水硫酸钙、镁-水和物、无水亚硫酸镁、无水硫酸锶的组合混合。该专利表明氧化剂首先与金属燃料反应，然后与铝热剂中出现的任何氢碳物反应，最后才是切割目标，切割效果非常有限，且此配方反应时不会产生热传导物质，所以不具有非常好的热传导性，热利用率非常低，从而大大降低切割效果，且卤化物粘结剂受热会产生有毒有害气体。

中国专利200310108680.0公开了一种热切管器的烟火剂，是由铝热剂和成气剂组成，铝热剂则是由铝和三氧化二铁混合制成。但是该种铝热剂在实际使用中，易产生较大燃烧残渣颗粒，反应速度不稳定，易产生爆燃现象。在切割作业中容易造成堵塞装置，给切割作业带来不利因素。此外，此配方中无热传导物质，反应过程中也不会生成热传导物质，所以切割时的热利用率较低，且此配方燃烧时燃烧温度不是很高一般为2000℃～2200℃，严重影响了切割效果，从而造成切割能力下降。该专利中的成气剂采用聚四氟乙烯，聚四氟乙烯在高温下反应释放出氟化氢气体，该气体具有较强的腐蚀性，对油气井环境造成一定的污染。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是，提供一种用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元，该装药单元采用全新的高性能、环保的灼热剂及点火剂，该灼热剂由高能燃烧剂、产气剂和微量添加剂，它具有燃烧速度平稳，燃烧释放的热量高，金属产物温度可达到3000℃以上，由于其中添加了热传导物质，所以燃烧热量利用率高，其燃烧产生的热量最大限度地作用于目标金属管上。此外燃烧后残渣颗粒较小，不容易堵塞切割装置等特点，非常适合应用于非爆炸性金属管环形切割装置，可以高效安全地对金属管件进行切割。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元，制得的该装药单元由灼热剂和点火剂组成，其特征在于：

所述的灼热剂由以下原料按重量百分比组成：高能燃烧剂：70％～90％，产气剂：5％～25％，微量添加剂1％～10％，上述原料的百分比之和为100％；

所述的点火剂由铝镁合金粉和氧化铜按(2～4)∶(4～6)的重量比组配。

在上述的非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元中，所述的高能燃烧剂是由三氧化二铁、铝粉、镍粉、氧化铜、氧化亚铜组成，各成分之间的重量配比为4∶(1～2)∶(1～2)∶(0～1)∶(1～2)。

所述的氧化铜、三氧化二铁、氧化亚铜的粒度大于镍粉、铝粉的粒度。

上述用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元的制备方法，其特征在于，首先按灼热剂的配方将高能燃烧剂、产气剂、微量添加剂充分均匀混合，然后加入适量的聚乙二醇继续混合，最后把混合物装入模具重压，制成具有中心孔的柱状物，然后按点火剂的配方充分均匀混合，散装入柱状物的中心孔内，最后用密封纸密封中心孔。

本发明的用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元，所设计的灼热剂燃烧所释放的热量较多，产物的金属流温度可达到3000℃以上，且燃烧充分，速度均匀，可实现平稳燃烧。由于热传导剂氧化亚铜的引入，加大提高了热量利用率。燃烧后残渣颗粒尺寸较小，且所设计的点火剂点火温度较高，能够可靠点燃燃点在600℃左右的灼热剂。通过热传导剂氧化亚铜的引入，将灼热剂燃烧产生的热量最大限度地传递到被切割金属目标管上，提高了热量利用效率。同时由于所设计的灼热剂及点火剂自身耐温可达300℃以上，在常温下状态稳定，使用非常安全，运输方便。

附图说明

图1是本发明的用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药结构剖视图。

图2是图1的俯视图。

图3是本发明的一个具体实施例，提供了本发明的装药应用于非爆炸性金属管环形切割装置的结构示意图。

图中的标号分别表示：1、密封纸；2、点火剂；3、灼热剂。4、密封装置；5、发火元件；6、上接头；7、装药室；8、耐热层；9、灼热剂装药单元；10、流体分配导流器；11、转向器；12、密封滑套。

以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的用于非爆炸性金属管环形切割装置的装药单元，由灼热剂和点火剂组成。灼热剂由以下原料按重量百分比组成：高能燃烧剂：70％～90％，产气剂：5％～25％，微量添加剂1％～10％，上述原料的百分比之和为100％；点火剂由铝镁合金粉和氧化铜按(2～4)∶(4～6)的重量比组配。

高能燃烧剂选用三氧化二铁、铝粉、氧化铜、氧化亚铜、镍粉组成，其重量配比为：三氧化二铁∶铝粉∶氧化铜∶氧化亚铜∶镍粉＝4∶(1～2)∶(3～4)∶(0～1)∶(1～2)。

在一定温度下高性能燃烧剂中的铝与三氧化二铁、氧化铜反应，在反应的高温作用下铝粉和镍粉反应形成一种铝镍化合物，同时释放出大量的热量。

2Al+Fe₂O₃→2Fe+Al₂O₃+Q

2Al+3CuO→3Cu+Al₂O₃+Q

AL+Ni→NiAL+Q

上述三个反应所释放的热量要远远大于单一的铝热剂所释放的热量，从而使燃烧温度大幅提高。其反应生成的流体温度一般可以达到3000℃以上。

同时，在高温的作用下氧化亚铜吸收热量迅速汽化，在高压的作用下被喷射接触到目标物时，氧化亚铜迅速的结晶，释放热量，从而致使所携带的热量最大限度地传导到被切金属管上，从而提高了热量利用率。此外，本发明通过合理的粒度匹配，平衡高性能燃烧剂内部局部的温差，从而使高性能燃烧剂燃烧反应平稳，不发生爆燃现象，并且燃烧残渣颗粒尺寸受到控制。氧化亚铜在配方中的作用是充当一种导热剂，以使高性能燃烧剂平稳燃烧。

上述灼热剂中的产气剂由SiC、聚乙二醇的一种或者两种的混合物制成。聚乙二醇在高温下与氧气发生反应，放出水蒸气和二氧化碳。

HO-(CH₂CH₂O)_n+O₂→H₂O+CO₂

其产物二氧化碳和水对周围环境没有污染。

上述点火剂主要由氧化铜及镁铝合金粉组成，各成分之间的重量比为镁铝合金粉∶氧化铜(2～4)∶(4～6)，该点火剂耐温可达到300℃以上，且可以顺利、可靠点燃着火点600℃左右的物质。

灼热剂生产方法为：首先将高能燃烧剂、产气剂和微量添加剂的各成分过筛；

高能燃烧剂选择三氧化二铁、铝粉、镍粉、氧化铜、氧化亚铜；

产气剂选择SiC、聚乙二醇其中的一种或者两种的混合物。

添加剂选择氧化钙、二氧化硅、氟化钙其中的一种或者一种以上的混合物。

然后先将高能燃烧剂的原料放入V型混料机中混合2小时，保证混合的均匀性，加入产气剂和添加剂，然后将适量的聚乙二醇溶液倒入高能燃烧剂、产气剂和添加剂的混合物中，再在V型混料机中混合一小时，把上述混合物装入模具，压制成中心带孔的柱状体，柱状体密度保持在3.8g/cm³～4.5g/cm³。

上述点火剂的生产工艺为，将铝镁合金粉和氧化铜混合倒入V型混料机中，混合2小时。

最后将点火剂散装倒入灼热剂药柱的中心孔内，两端用密封胶纸密封即可制成装药单元。

以下发明人给出的实施例，需要说明的是，该实施例用于进一步理解本发明，本发明不限于该实施例。

制备实施例1：

参见图1，首先将三氧化二铁：400g、铝粉：200g、氧化铜：300g、氧化亚铜：100g、镍粉：100g、聚乙二醇：350g、氧化钙：50g放入V型混料机中混合2小时，氧化铜、三氧化二铁、氧化亚铜的粒度大于镍粉、铝粉的粒度。然后给混合物中加入50g的聚乙二醇，放入V型混料机中混合1小时，然后取出混合物用专用模具压制成如图1所示的中心带孔的柱状物3(灼热剂药柱)，其柱状物3的密度为3.8～4.5g/cm³。如图2所示，灼热剂药柱内孔的横截面形状呈圆形，这有利于压装时的退模。

然后将铝镁合金粉：600g、氧化铜：400g放入V型混料机中混合2小时，点火剂制作完成，取出待用。

最后将点火剂2散装注入灼热剂装药柱3的中心孔内，直至注满为止。并用密封胶纸1将中心孔两端密封。这样，一个装药单元制作完成。

制备实施例2：

参见图1，首先将三氧化二铁：400g、铝粉：100g、氧化铜：400g、镍粉200g、SiC：300g、氟化钙100g放入V型混料机中混合2小时，其中，氧化铜、三氧化二铁的粒度大于镍粉、铝粉的粒度。然后给混合物中加入50g的聚乙二醇，放入V型混料机中混合1小时，然后取出混合物用专用模具压制成如图1所示的中心带孔的柱状物3(灼热剂药柱)，其柱状物密度为3.8～4.5g/cm³。如图2所示，灼热剂药柱内孔的横截面形状呈圆形，这有利于压装时的退模。

然后将铝镁合金粉600g、氧化铜300g放入V型混料机中混合2小时，点火剂制作完成，取出待用。

最后将点火剂2散装注入灼热剂装药柱状体的中心孔内，直至注满为止。并用密封胶纸1将中心孔两端密封。这样，一个装药单元制作完成。

制备实施例3：

参见图1，首先将三氧化二铁：400g、铝粉：100g、氧化铜：300g、氧化亚铜：100g、镍粉：200g、SiC：150g、聚乙二醇：150g、二氧化硅100g放入V型混料机中混合2小时，氧化铜、三氧化二铁、氧化亚铜的粒度大于镍粉、铝粉的粒度。然后给混合物中加入50g的聚乙二醇，放入V型混料机中混合1小时，然后取出混合物用专用模具压制成如图1所示的中心带孔的柱状物3(灼热剂药柱)，其柱状物3的密度为3.8～4.5g/cm³。如图2所示，灼热剂药柱内孔的横截面形状呈圆形，这有利于压装时的退模。

然后将铝镁合金粉600g、氧化铜400g放入V型混料机中混合2小时，点火剂制作完成，取出待用。

最后将点火剂2散装注入灼热剂装药柱状体的中心孔内，直至注满为止。并用密封胶纸1将中心孔两端密封。这样，一个装药单元制作完成。

如图3所示，将一定数量的灼热剂装药单元9装入装药室7中，上接头6与密封装置4相联，密封装置内装有点火元件5，点火元件5发火后引燃灼热剂装药单元9中的点火剂2，由燃点火剂2点燃灼热剂药柱3，灼热剂药柱3燃烧产生的高温高压金属流体沿装置轴向方向向流体分配导流器10方向流动，高温流体通过流体分配导流器10后，经转向器11转向，其运动方向平滑转变为垂直于装置轴向的径向方向，形成环状的高温高速流体刀。同时在压力作用下，密封滑套12向装置尾部滑动，打开切割通道。高温高速流体刀作用到被切金属管的同一内环形表面上，从而实施切割作业。通常切割作业过程在180ms之内完成，切割速度较快。

上述的高能燃烧剂配方中，氧化铜、三氧化二铁充当氧化剂的角色，铝粉及镍粉充当还原剂的角色，在粒度选择时，氧化剂的粒度大于还原剂的粒度，即氧化铜、三氧化二铁的粒度大于铝粉和镍粉颗粒度，这样，保证了配方体系中大粒氧化剂缝隙中充填了小粒度的还原剂，使放热反应时，使氧化还原反应充分、平稳，从而保证灼热剂的平稳燃烧。

上述的点火剂置于灼热剂的中心孔内，实际使用时，切割装置内的灼热剂装药单元9往往是一定数量的，如图3所示，点火元件5点燃了最上层的灼热剂装药单元9中的点火剂2，为使切割装置内的所有灼热剂装药单元9都实现从中心点火，要求点火剂2具有较高点火速度，实验证明，当点火剂2配方中成分铝镁合金粉和氧化铜的粒度小于小于10μm时，其点火速度可以保证切割装置中的所有灼热剂装药单元9能够实现快速从中心点火，点燃灼热剂药柱3，从而保证灼热剂药柱3燃烧产生的高温金属流体向流体分配导流器10流动，从而保证切割装置的切割作业的正常进行。