專利名稱：海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及海洋平臺樁基建設中輔助動力法沉樁的高壓水射流設備技術領域，尤其涉及一種輔助沉樁破土的水射流噴頭。
背景技術：
水射流輔助沉樁是在動力法沉樁過程中利用水射流對樁內形成的土塞進行破除， 從而降低沉樁阻力，提高沉樁效率的一種新型沉樁技術。在水射流輔助沉樁系統中，水射流噴頭是射流的發生元件，也是系統中的關鍵，它的功能不僅將高壓泵提供的靜壓轉換為水的動壓，還決定了水射流的流動特性與動力性能。目前，高壓水射流技術已廣泛應用于切割、清洗、破碎、去垢、除銹和表面處理等工業領域，根據其應用領域的不同形成水射流的噴頭結構也有所區別，主要分為三種(1)強制旋轉和自旋轉式噴頭；( 內旋轉式噴頭；C3)多噴嘴固定式噴頭。對于海洋平臺樁基施工來說，由于樁體直徑大、樁身長，要求水射流噴頭具有較大的沖擊面積，并能實現隨樁破土，而現有結構的噴頭都不能滿足上述要求。因此，有必要設計一種專門用于海洋平臺水射流輔助沉樁的水射流噴頭。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述問題提供一種具有較大的沖擊面積、能實現隨樁破土的適用于海洋平臺輔助沉樁的水射流噴頭。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，包括筒體，所述筒體具有中空的筒體內腔，所述筒體的上端設有連接所述筒體內腔的進水口，所述筒體的下端設有連接所述筒體內腔的出水口 ；設置于所述筒體內腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管內腔，所述芯管的頂部設有可選擇地封堵所述進水口的封堵件，所述芯管上位于所述封堵件的下方設有與芯管的軸線方向垂直的環形擋板，所述環形擋板上設置有多個過水孔，位于所述環形擋板下方的芯管的管壁上設置有多個沿芯管的軸線方向延伸的過水流道，所述芯管上位于所述過水流道的下方安裝有導向葉輪，所述導向葉輪上設置有螺旋狀的導向葉片，所述導向葉輪的下方設有安裝在所述芯管底端的加旋噴嘴，所述加旋噴嘴的內壁上設置有加旋流道；所述加旋噴嘴與所述筒體的出水口位置相對應，所述加旋噴嘴的外壁與所述筒體的出水口的內壁之間形成外環噴嘴。作為優選，所述筒體包括主筒體，所述主筒體的一端螺紋連接有上接頭，所述上接頭的下端面頂靠于所述環形擋板的上表面，所述主筒體的另一端螺紋連接有下接頭。作為進一步優選，所述上接頭具有中空的上接頭內腔，所述上接頭內腔包括自上而下依次相連的第一圓柱段、錐形段和第二圓柱段，所述第一圓柱段為所述筒體的進水口。作為進一步優選，所述封堵件包括逆止閥，所述逆止閥的上端具有與所述上接頭內腔的錐形段相適配的錐臺部，所述逆止閥的下端自所述芯管的頂部插入所述芯管內腔， 所述錐臺部的底面與所述環形擋板之間頂靠有套設在所述芯管上的彈簧。
作為進一步優選，所述下接頭具有中空的下接頭內腔，所述下接頭內腔具有自上而下逐漸收縮的下接頭內腔收縮段。作為進一步優選，所述芯管的底端設有內螺紋，所述加旋噴嘴的上端設有外螺紋， 所述芯管的底端與所述加旋噴嘴螺紋連接。作為進一步優選，所述加旋噴嘴的內腔具有自上而下逐漸收縮的噴嘴內腔收縮段，所述噴嘴內腔收縮段位于所述加旋流道的下方。作為進一步優選，所述導向葉輪的安裝內孔上設置有內花鍵，所述芯管的相應部位上設置有外花鍵，所述導向葉輪與所述芯管之間花鍵連接。作為進一步優選，所述主筒體的外壁上設有多個沿其周向設置的耳形拉環，所述上接頭的外壁上通過銷軸鉸接有提環。作為進一步優選，所述上接頭的對應于所述上接頭內腔第一圓柱段的外壁上設置有用于與外部水管安裝的安裝部，所述安裝部包括凸出于所述外壁的環形凸臺，以及設置在所述環形凸臺上方管壁上的外螺紋。由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是本發明的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭在沉樁作業時，高壓水自筒體上端的進水口推開封堵件進入筒體內腔，穿過環形擋板上的過水孔后下行，其中一部分高壓水經芯管管壁上設置的多個過水流道進入芯管內腔，下行至加旋噴嘴時，在加旋流道的導向作用下產生旋流，并從加旋噴嘴噴出形成旋轉射流；筒體內腔中的另一部分高壓水下行至導向葉輪時，經螺旋狀的導向葉片加旋后，最終自外環噴嘴呈環狀噴射而出，形成外環射流；外環射流與旋轉射流共同作用形成組合射流，作用于樁內土體，在土體表面形成大面積的水射流沖蝕區，對土體進行沖蝕，并隨沉樁一起， 不斷消除樁內產生的土塞，從而降低動力沉樁的阻力，順利實現輔助沉樁。其中的筒體采用由主筒體、上接頭和下接頭組成的組合式結構，使本發明的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭結構簡單、易制造、成本低。該水射流噴頭能有效破除樁內土塞，降低動力沉樁的阻力，提高沉樁效率，解決沉樁過程中出現的拒錘、沉樁不到位等問題，達到縮短平臺建設周期、降低施工成本的目的。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明圖1是本發明實施例的結構剖視圖；圖2是利用本發明的水射流噴頭輔助沉樁時的工作狀態圖；圖中1-提環；2-上接頭；21-環形凸臺；3-第一 0形密封圈；4_銷軸；5_逆止閥； 51-錐臺部；6-彈簧；7-過水孔；8-芯管；81-環形擋板；9-過水流道；10-主筒體；11-導向葉輪；111-導向葉片；12-第二 0形密封圈；13-加旋流道；14-下接頭；15-加旋噴嘴； 151-噴嘴內腔收縮段；16-下接頭內腔收縮段；161-外環噴嘴；17-下部耳形拉環；18-芯管內腔；19-筒體內腔；20-上部耳形拉環；21-噴頭拉繩；22-高壓膠管；23-支腿拉繩；24-扶正支腿；25-樁體；26-土體。
具體實施例方式如圖1所示，海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，包括筒體，所述筒體具有中空的筒體內腔19，所述筒體的上端設有連接所述筒體內腔19的進水口，所述筒體的下端設有連接所述筒體內腔19的出水口 ；設置于所述筒體內腔中的芯管8，所述芯管8具有中空的芯管內腔18，所述芯管8的頂部設有可選擇地封堵所述進水口的逆止閥5，所述芯管8上位于所述逆止閥5的下方設有與芯管8的軸線方向垂直的環形擋板81，所述環形擋板81上設置有多個過水孔7，位于所述環形擋板81下方的芯管8的管壁上設置有多個沿芯管8的軸線方向延伸的過水流道9，本實施例中設有四個過水流道9，上部對應設有兩個，下部也對應設有兩個，所述芯管8上位于所述過水流道9的下方安裝有導向葉輪11，所述導向葉輪11上設置有螺旋形的導向葉片111，該導向葉片111對流經的高壓水流起到加旋作用，所述導向葉輪11的下方設有安裝在所述芯管8底端的加旋噴嘴15，所述加旋噴嘴15的內壁上設置有加旋流道13，該加旋流道13對流經的高壓水流也起到加旋作用；所述加旋噴嘴15與所述筒體的出水口位置相對應，所述加旋噴嘴15的外壁與所述筒體的出水口的內壁之間形成外環噴嘴161。其中，所述筒體采用組合式結構，包括主筒體10，所述主筒體10的上端設有內螺紋，上接頭2的下端設有外螺紋，兩者之間螺紋連接組裝，所述上接頭2的下端面頂靠于所述環形擋板81的上表面，這樣可以對芯管8在軸向定位，所述主筒體10的下端設有內螺紋，下接頭14的上端設有外螺紋，兩者之間螺紋連接組裝。筒體采用組合式結構，使本發明的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭結構簡單、易制造、成本低。其中，所述上接頭2具有中空的上接頭內腔，所述上接頭內腔包括自上而下依次相連的第一圓柱段、錐形段和第二圓柱段，所述第一圓柱段即作為進水口。其中，所述逆止閥5的上端具有與所述上接頭內腔的錐形段相適配的錐臺部51， 兩者之間設有第一 0形密封圈3，所述逆止閥5的下端自所述芯管8的頂部插入所述芯管內腔18，所述錐臺部51的底面與所述環形擋板81之間頂靠有套設在所述芯管8上的彈簧6， 所述彈簧6為壓簧。利用彈簧6將逆止閥5的錐臺部51與上接頭2內腔的錐形段通過第一 0形密封圈3壓緊。其中，所述下接頭14具有中空的下接頭內腔，所述下接頭內腔具有自上而下逐漸收縮的下接頭內腔收縮段16，該下接頭內腔收縮段16對流經外環噴嘴161的高壓水起到收縮加速作用，可以加大噴出的水射流對樁內土體的沖擊力。其中，所述芯管8的底端設有內螺紋，所述加旋噴嘴15的上端設有外螺紋，所述芯管8的底端與所述加旋噴嘴15螺紋連接，在兩者的配合面上設有第二 0形密封圈12。其中，所述加旋噴嘴15的內腔具有自上而下逐漸收縮的噴嘴內腔收縮段151，所述噴嘴內腔收縮段151位于所述加旋流道13的下方，該噴嘴內腔收縮段151對經加旋流道 13加旋后的水流進行收縮加速，從而加大噴出的水射流對樁內土體的沖擊力。其中，所述導向葉輪11的安裝內孔上設置有內花鍵，所述芯管8的相應部位上設置有外花鍵，所述導向葉輪11與所述芯管8之間花鍵連接。花鍵連接定心精度高，導向性能好，具有較高的承載能力。其中，所述主筒體10的外壁上焊接有多個沿其周向設置的耳形拉環，所述耳形拉環包括三個均布的上部耳形拉環20和三個均布的下部耳形拉環17，所述上接頭2的外壁上通過銷軸4鉸接有提環1。其中，所述上接頭2的對應于所述上接頭內腔第一圓柱段的外壁上設置有用于與外部水管安裝的安裝部，所述安裝部包括凸出于所述外壁的環形凸臺21，以及設置在所述環形凸臺21上方管壁上的外螺紋。工作原理如圖2所示，利用本發明的水射流噴頭進行海洋平臺輔助沉樁作業時， 利用噴頭拉繩21和提環1將整個噴頭系統懸吊于鋼管樁體25內，將高壓膠管22與上接頭 2進行連接，高壓水(通常壓力為20 30Mpa)經高壓膠管22進入上接頭2后，推開逆止閥 5，由過水孔7進入筒體內腔19中，一部分高壓水通過芯管8上的過水流道9進入芯管內腔 18，并輸送至加旋噴嘴15，在加旋流道13的導向作用下產生旋流，并從加旋噴嘴15噴出形成旋轉射流；另一部分高壓水沿筒體內腔19經導向葉輪11的螺旋形導向葉片111加旋后進入下接頭14，沿下接頭內腔收縮段16旋轉、收縮加速，最終從下接頭14與加旋噴嘴15間形成的外環噴嘴161噴出，形成外環射流。圖1中箭頭所示為高壓水流的方向，外環射流與旋轉射流共同作用形成組合射流，作用于樁內土體沈，在土體沈表面形成大面積的水射流沖蝕區，對土體沈進行沖蝕，并隨沉樁一起，不斷消除樁內產生的土塞，從而降低動力沉樁的阻力，順利實現輔助沉樁。主筒體10的三個均布的下部耳形拉環17分別與扶正支腿M的一端鉸接，所述扶正支腿M的中部位置連接支腿拉繩23的一端，支腿拉繩23的另一端連接在上部耳形拉環 20上。根據鋼管樁體25的直徑確定扶正支腿M的打開角度，利用支腿拉繩23進行調整， 從而確保水射流噴頭在工作過程中始終位于鋼管樁體25的中軸線位置。其中的逆止閥5在不送入高壓水時，始終保持關閉狀態，其能夠防止水射流噴頭下放過程中或突然停泵等情況下，樁體25內的泥沙灌入到噴頭內，堵塞噴頭內流道。輔助沉樁水射流噴頭將高壓泵提供的高壓水以組合射流形式高速噴出，對樁內土體進行沖蝕，消除土塞，樁內產生的泥沙混合流體自動上返至地表。輔助沉樁水射流噴頭結構簡單、易制造、成本低，該噴頭能有效破除樁內土塞，降低動力沉樁阻力，提高沉樁效率， 解決沉樁過程中出現的拒錘、沉樁不到位等問題，達到縮短平臺建設周期、降低施工成本的目的。以上所述僅是本發明最佳實施方式的舉例，其中未詳細述及的部分均為本領域普通技術人員的公知常識。本發明的保護范圍以權利要求的內容為準，任何基于本發明的技術啟示而進行的等效變換，也在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于，包括筒體，所述筒體具有中空的筒體內腔，所述筒體的上端設有連接所述筒體內腔的進水口，所述筒體的下端設有連接所述筒體內腔的出水口 ；設置于所述筒體內腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管內腔，所述芯管的頂部設有可選擇地封堵所述進水口的封堵件，所述芯管上位于所述封堵件的下方設有與芯管的軸線方向垂直的環形擋板，所述環形擋板上設置有多個過水孔，位于所述環形擋板下方的芯管的管壁上設置有多個沿芯管的軸線方向延伸的過水流道，所述芯管上位于所述過水流道的下方安裝有導向葉輪，所述導向葉輪上設置有螺旋狀的導向葉片，所述導向葉輪的下方設有安裝在所述芯管底端的加旋噴嘴，所述加旋噴嘴的內壁上設置有加旋流道；所述加旋噴嘴與所述筒體的出水口位置相對應，所述加旋噴嘴的外壁與所述筒體的出水口的內壁之間形成外環噴嘴。
2.如權利要求1所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述筒體包括主筒體，所述主筒體的一端螺紋連接有上接頭，所述上接頭的下端面頂靠于所述環形擋板的上表面，所述主筒體的另一端螺紋連接有下接頭。
3.如權利要求2所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述上接頭具有中空的上接頭內腔，所述上接頭內腔包括自上而下依次相連的第一圓柱段、錐形段和第二圓柱段，所述第一圓柱段為所述筒體的進水口。
4.如權利要求3所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述封堵件包括逆止閥，所述逆止閥的上端具有與所述上接頭內腔的錐形段相適配的錐臺部，所述逆止閥的下端自所述芯管的頂部插入所述芯管內腔，所述錐臺部的底面與所述環形擋板之間頂靠有套設在所述芯管上的彈簧。
5.如權利要求2所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述下接頭具有中空的下接頭內腔，所述下接頭內腔具有自上而下逐漸收縮的下接頭內腔收縮段。
6.如權利要求1所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述芯管的底端設有內螺紋，所述加旋噴嘴的上端設有外螺紋，所述芯管的底端與所述加旋噴嘴螺紋連接。
7.如權利要求1所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述加旋噴嘴的內腔具有自上而下逐漸收縮的噴嘴內腔收縮段，所述噴嘴內腔收縮段位于所述加旋流道的下方。
8.如權利要求1所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述導向葉輪的安裝內孔上設置有內花鍵，所述芯管的相應部位上設置有外花鍵，所述導向葉輪與所述芯管之間花鍵連接。
9.如權利要求2所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述主筒體的外壁上設有多個沿其周向設置的耳形拉環，所述上接頭的外壁上通過銷軸鉸接有提環。
10.如權利要求2所述的海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，其特征在于所述上接頭的對應于所述上接頭內腔第一圓柱段的外壁上設置有用于與外部水管安裝的安裝部，所述安裝部包括凸出于所述外壁的環形凸臺，以及設置在所述環形凸臺上方管壁上的外螺紋。
全文摘要
本發明公開了一種海洋平臺輔助沉樁水射流噴頭，包括設有進水口和出水口的筒體；設置于筒體內腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管內腔，芯管的頂部設有可選擇地封堵進水口的封堵件，芯管上位于所述封堵件的下方依次設有開有多個過水孔的環形擋板、多個沿芯管的軸線方向延伸的過水流道、設置有螺旋狀的導向葉片的導向葉輪、安裝在芯管底端的設置有加旋流道的加旋噴嘴；加旋噴嘴的外壁與筒體的出水口的內壁之間形成外環噴嘴。沉樁作業時，本水射流噴頭將高壓水以組合射流形式高速噴出，對樁內土體進行沖蝕，能有效破除樁內土塞，降低動力沉樁阻力，提高沉樁效率，達到縮短平臺建設周期、降低施工成本的目的。
文檔編號B05B7/08GK102535470SQ201210012890
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優先權日2012年1月16日
發明者倪紅堅, 周衛東, 周名芳, 張衛東, 朱麗紅, 王瑞和, 邢永超, 鄒德永, 陳新勇, 黃勇 申請人:中國石油大學(華東)