专利名称：海洋平台辅助沉桩水射流喷头的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋平台桩基建设中辅助动力法沉桩的高压水射流设备技术领域，尤其涉及一种辅助沉桩破土的水射流喷头。
背景技术：
水射流辅助沉桩是在动力法沉桩过程中利用水射流对桩内形成的土塞进行破除， 从而降低沉桩阻力，提高沉桩效率的一种新型沉桩技术。在水射流辅助沉桩系统中，水射流喷头是射流的发生元件，也是系统中的关键，它的功能不仅将高压泵提供的静压转换为水的动压，还决定了水射流的流动特性与动力性能。目前，高压水射流技术已广泛应用于切割、清洗、破碎、去垢、除锈和表面处理等工业领域，根据其应用领域的不同形成水射流的喷头结构也有所区别，主要分为三种(1)强制旋转和自旋转式喷头；( 内旋转式喷头；C3)多喷嘴固定式喷头。对于海洋平台桩基施工来说，由于桩体直径大、桩身长，要求水射流喷头具有较大的冲击面积，并能实现随桩破土，而现有结构的喷头都不能满足上述要求。因此，有必要设计一种专门用于海洋平台水射流辅助沉桩的水射流喷头。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述问题提供一种具有较大的冲击面积、能实现随桩破土的适用于海洋平台辅助沉桩的水射流喷头。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是海洋平台辅助沉桩水射流喷头，包括筒体，所述筒体具有中空的筒体内腔，所述筒体的上端设有连接所述筒体内腔的进水口，所述筒体的下端设有连接所述筒体内腔的出水口 ；设置于所述筒体内腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管内腔，所述芯管的顶部设有可选择地封堵所述进水口的封堵件，所述芯管上位于所述封堵件的下方设有与芯管的轴线方向垂直的环形挡板，所述环形挡板上设置有多个过水孔，位于所述环形挡板下方的芯管的管壁上设置有多个沿芯管的轴线方向延伸的过水流道，所述芯管上位于所述过水流道的下方安装有导向叶轮，所述导向叶轮上设置有螺旋状的导向叶片，所述导向叶轮的下方设有安装在所述芯管底端的加旋喷嘴，所述加旋喷嘴的内壁上设置有加旋流道；所述加旋喷嘴与所述筒体的出水口位置相对应，所述加旋喷嘴的外壁与所述筒体的出水口的内壁之间形成外环喷嘴。作为优选，所述筒体包括主筒体，所述主筒体的一端螺纹连接有上接头，所述上接头的下端面顶靠于所述环形挡板的上表面，所述主筒体的另一端螺纹连接有下接头。作为进一步优选，所述上接头具有中空的上接头内腔，所述上接头内腔包括自上而下依次相连的第一圆柱段、锥形段和第二圆柱段，所述第一圆柱段为所述筒体的进水口。作为进一步优选，所述封堵件包括逆止阀，所述逆止阀的上端具有与所述上接头内腔的锥形段相适配的锥台部，所述逆止阀的下端自所述芯管的顶部插入所述芯管内腔， 所述锥台部的底面与所述环形挡板之间顶靠有套设在所述芯管上的弹簧。
作为进一步优选，所述下接头具有中空的下接头内腔，所述下接头内腔具有自上而下逐渐收缩的下接头内腔收缩段。作为进一步优选，所述芯管的底端设有内螺纹，所述加旋喷嘴的上端设有外螺纹， 所述芯管的底端与所述加旋喷嘴螺纹连接。作为进一步优选，所述加旋喷嘴的内腔具有自上而下逐渐收缩的喷嘴内腔收缩段，所述喷嘴内腔收缩段位于所述加旋流道的下方。作为进一步优选，所述导向叶轮的安装内孔上设置有内花键，所述芯管的相应部位上设置有外花键，所述导向叶轮与所述芯管之间花键连接。作为进一步优选，所述主筒体的外壁上设有多个沿其周向设置的耳形拉环，所述上接头的外壁上通过销轴铰接有提环。作为进一步优选，所述上接头的对应于所述上接头内腔第一圆柱段的外壁上设置有用于与外部水管安装的安装部，所述安装部包括凸出于所述外壁的环形凸台，以及设置在所述环形凸台上方管壁上的外螺纹。由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是本发明的海洋平台辅助沉桩水射流喷头在沉桩作业时，高压水自筒体上端的进水口推开封堵件进入筒体内腔，穿过环形挡板上的过水孔后下行，其中一部分高压水经芯管管壁上设置的多个过水流道进入芯管内腔，下行至加旋喷嘴时，在加旋流道的导向作用下产生旋流，并从加旋喷嘴喷出形成旋转射流；筒体内腔中的另一部分高压水下行至导向叶轮时，经螺旋状的导向叶片加旋后，最终自外环喷嘴呈环状喷射而出，形成外环射流；外环射流与旋转射流共同作用形成组合射流，作用于桩内土体，在土体表面形成大面积的水射流冲蚀区，对土体进行冲蚀，并随沉桩一起， 不断消除桩内产生的土塞，从而降低动力沉桩的阻力，顺利实现辅助沉桩。其中的筒体采用由主筒体、上接头和下接头组成的组合式结构，使本发明的海洋平台辅助沉桩水射流喷头结构简单、易制造、成本低。该水射流喷头能有效破除桩内土塞，降低动力沉桩的阻力，提高沉桩效率，解决沉桩过程中出现的拒锤、沉桩不到位等问题，达到缩短平台建设周期、降低施工成本的目的。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明图1是本发明实施例的结构剖视图；图2是利用本发明的水射流喷头辅助沉桩时的工作状态图；图中1-提环；2-上接头；21-环形凸台；3-第一 0形密封圈；4_销轴；5_逆止阀； 51-锥台部；6-弹簧；7-过水孔；8-芯管；81-环形挡板；9-过水流道；10-主筒体；11-导向叶轮；111-导向叶片；12-第二 0形密封圈；13-加旋流道；14-下接头；15-加旋喷嘴； 151-喷嘴内腔收缩段；16-下接头内腔收缩段；161-外环喷嘴；17-下部耳形拉环；18-芯管内腔；19-筒体内腔；20-上部耳形拉环；21-喷头拉绳；22-高压胶管；23-支腿拉绳；24-扶正支腿；25-桩体；26-土体。
具体实施例方式如图1所示，海洋平台辅助沉桩水射流喷头，包括筒体，所述筒体具有中空的筒体内腔19，所述筒体的上端设有连接所述筒体内腔19的进水口，所述筒体的下端设有连接所述筒体内腔19的出水口 ；设置于所述筒体内腔中的芯管8，所述芯管8具有中空的芯管内腔18，所述芯管8的顶部设有可选择地封堵所述进水口的逆止阀5，所述芯管8上位于所述逆止阀5的下方设有与芯管8的轴线方向垂直的环形挡板81，所述环形挡板81上设置有多个过水孔7，位于所述环形挡板81下方的芯管8的管壁上设置有多个沿芯管8的轴线方向延伸的过水流道9，本实施例中设有四个过水流道9，上部对应设有两个，下部也对应设有两个，所述芯管8上位于所述过水流道9的下方安装有导向叶轮11，所述导向叶轮11上设置有螺旋形的导向叶片111，该导向叶片111对流经的高压水流起到加旋作用，所述导向叶轮11的下方设有安装在所述芯管8底端的加旋喷嘴15，所述加旋喷嘴15的内壁上设置有加旋流道13，该加旋流道13对流经的高压水流也起到加旋作用；所述加旋喷嘴15与所述筒体的出水口位置相对应，所述加旋喷嘴15的外壁与所述筒体的出水口的内壁之间形成外环喷嘴161。其中，所述筒体采用组合式结构，包括主筒体10，所述主筒体10的上端设有内螺纹，上接头2的下端设有外螺纹，两者之间螺纹连接组装，所述上接头2的下端面顶靠于所述环形挡板81的上表面，这样可以对芯管8在轴向定位，所述主筒体10的下端设有内螺纹，下接头14的上端设有外螺纹，两者之间螺纹连接组装。筒体采用组合式结构，使本发明的海洋平台辅助沉桩水射流喷头结构简单、易制造、成本低。其中，所述上接头2具有中空的上接头内腔，所述上接头内腔包括自上而下依次相连的第一圆柱段、锥形段和第二圆柱段，所述第一圆柱段即作为进水口。其中，所述逆止阀5的上端具有与所述上接头内腔的锥形段相适配的锥台部51， 两者之间设有第一 0形密封圈3，所述逆止阀5的下端自所述芯管8的顶部插入所述芯管内腔18，所述锥台部51的底面与所述环形挡板81之间顶靠有套设在所述芯管8上的弹簧6， 所述弹簧6为压簧。利用弹簧6将逆止阀5的锥台部51与上接头2内腔的锥形段通过第一 0形密封圈3压紧。其中，所述下接头14具有中空的下接头内腔，所述下接头内腔具有自上而下逐渐收缩的下接头内腔收缩段16，该下接头内腔收缩段16对流经外环喷嘴161的高压水起到收缩加速作用，可以加大喷出的水射流对桩内土体的冲击力。其中，所述芯管8的底端设有内螺纹，所述加旋喷嘴15的上端设有外螺纹，所述芯管8的底端与所述加旋喷嘴15螺纹连接，在两者的配合面上设有第二 0形密封圈12。其中，所述加旋喷嘴15的内腔具有自上而下逐渐收缩的喷嘴内腔收缩段151，所述喷嘴内腔收缩段151位于所述加旋流道13的下方，该喷嘴内腔收缩段151对经加旋流道 13加旋后的水流进行收缩加速，从而加大喷出的水射流对桩内土体的冲击力。其中，所述导向叶轮11的安装内孔上设置有内花键，所述芯管8的相应部位上设置有外花键，所述导向叶轮11与所述芯管8之间花键连接。花键连接定心精度高，导向性能好，具有较高的承载能力。其中，所述主筒体10的外壁上焊接有多个沿其周向设置的耳形拉环，所述耳形拉环包括三个均布的上部耳形拉环20和三个均布的下部耳形拉环17，所述上接头2的外壁上通过销轴4铰接有提环1。其中，所述上接头2的对应于所述上接头内腔第一圆柱段的外壁上设置有用于与外部水管安装的安装部，所述安装部包括凸出于所述外壁的环形凸台21，以及设置在所述环形凸台21上方管壁上的外螺纹。工作原理如图2所示，利用本发明的水射流喷头进行海洋平台辅助沉桩作业时， 利用喷头拉绳21和提环1将整个喷头系统悬吊于钢管桩体25内，将高压胶管22与上接头 2进行连接，高压水(通常压力为20 30Mpa)经高压胶管22进入上接头2后，推开逆止阀 5，由过水孔7进入筒体内腔19中，一部分高压水通过芯管8上的过水流道9进入芯管内腔 18，并输送至加旋喷嘴15，在加旋流道13的导向作用下产生旋流，并从加旋喷嘴15喷出形成旋转射流；另一部分高压水沿筒体内腔19经导向叶轮11的螺旋形导向叶片111加旋后进入下接头14，沿下接头内腔收缩段16旋转、收缩加速，最终从下接头14与加旋喷嘴15间形成的外环喷嘴161喷出，形成外环射流。图1中箭头所示为高压水流的方向，外环射流与旋转射流共同作用形成组合射流，作用于桩内土体沈，在土体沈表面形成大面积的水射流冲蚀区，对土体沈进行冲蚀，并随沉桩一起，不断消除桩内产生的土塞，从而降低动力沉桩的阻力，顺利实现辅助沉桩。主筒体10的三个均布的下部耳形拉环17分别与扶正支腿M的一端铰接，所述扶正支腿M的中部位置连接支腿拉绳23的一端，支腿拉绳23的另一端连接在上部耳形拉环 20上。根据钢管桩体25的直径确定扶正支腿M的打开角度，利用支腿拉绳23进行调整， 从而确保水射流喷头在工作过程中始终位于钢管桩体25的中轴线位置。其中的逆止阀5在不送入高压水时，始终保持关闭状态，其能够防止水射流喷头下放过程中或突然停泵等情况下，桩体25内的泥沙灌入到喷头内，堵塞喷头内流道。辅助沉桩水射流喷头将高压泵提供的高压水以组合射流形式高速喷出，对桩内土体进行冲蚀，消除土塞，桩内产生的泥沙混合流体自动上返至地表。辅助沉桩水射流喷头结构简单、易制造、成本低，该喷头能有效破除桩内土塞，降低动力沉桩阻力，提高沉桩效率， 解决沉桩过程中出现的拒锤、沉桩不到位等问题，达到缩短平台建设周期、降低施工成本的目的。以上所述仅是本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于，包括筒体，所述筒体具有中空的筒体内腔，所述筒体的上端设有连接所述筒体内腔的进水口，所述筒体的下端设有连接所述筒体内腔的出水口 ；设置于所述筒体内腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管内腔，所述芯管的顶部设有可选择地封堵所述进水口的封堵件，所述芯管上位于所述封堵件的下方设有与芯管的轴线方向垂直的环形挡板，所述环形挡板上设置有多个过水孔，位于所述环形挡板下方的芯管的管壁上设置有多个沿芯管的轴线方向延伸的过水流道，所述芯管上位于所述过水流道的下方安装有导向叶轮，所述导向叶轮上设置有螺旋状的导向叶片，所述导向叶轮的下方设有安装在所述芯管底端的加旋喷嘴，所述加旋喷嘴的内壁上设置有加旋流道；所述加旋喷嘴与所述筒体的出水口位置相对应，所述加旋喷嘴的外壁与所述筒体的出水口的内壁之间形成外环喷嘴。
2.如权利要求1所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述筒体包括主筒体，所述主筒体的一端螺纹连接有上接头，所述上接头的下端面顶靠于所述环形挡板的上表面，所述主筒体的另一端螺纹连接有下接头。
3.如权利要求2所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述上接头具有中空的上接头内腔，所述上接头内腔包括自上而下依次相连的第一圆柱段、锥形段和第二圆柱段，所述第一圆柱段为所述筒体的进水口。
4.如权利要求3所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述封堵件包括逆止阀，所述逆止阀的上端具有与所述上接头内腔的锥形段相适配的锥台部，所述逆止阀的下端自所述芯管的顶部插入所述芯管内腔，所述锥台部的底面与所述环形挡板之间顶靠有套设在所述芯管上的弹簧。
5.如权利要求2所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述下接头具有中空的下接头内腔，所述下接头内腔具有自上而下逐渐收缩的下接头内腔收缩段。
6.如权利要求1所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述芯管的底端设有内螺纹，所述加旋喷嘴的上端设有外螺纹，所述芯管的底端与所述加旋喷嘴螺纹连接。
7.如权利要求1所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述加旋喷嘴的内腔具有自上而下逐渐收缩的喷嘴内腔收缩段，所述喷嘴内腔收缩段位于所述加旋流道的下方。
8.如权利要求1所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述导向叶轮的安装内孔上设置有内花键，所述芯管的相应部位上设置有外花键，所述导向叶轮与所述芯管之间花键连接。
9.如权利要求2所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述主筒体的外壁上设有多个沿其周向设置的耳形拉环，所述上接头的外壁上通过销轴铰接有提环。
10.如权利要求2所述的海洋平台辅助沉桩水射流喷头，其特征在于所述上接头的对应于所述上接头内腔第一圆柱段的外壁上设置有用于与外部水管安装的安装部，所述安装部包括凸出于所述外壁的环形凸台，以及设置在所述环形凸台上方管壁上的外螺纹。
全文摘要
本发明公开了一种海洋平台辅助沉桩水射流喷头，包括设有进水口和出水口的筒体；设置于筒体内腔中的芯管，所述芯管具有中空的芯管内腔，芯管的顶部设有可选择地封堵进水口的封堵件，芯管上位于所述封堵件的下方依次设有开有多个过水孔的环形挡板、多个沿芯管的轴线方向延伸的过水流道、设置有螺旋状的导向叶片的导向叶轮、安装在芯管底端的设置有加旋流道的加旋喷嘴；加旋喷嘴的外壁与筒体的出水口的内壁之间形成外环喷嘴。沉桩作业时，本水射流喷头将高压水以组合射流形式高速喷出，对桩内土体进行冲蚀，能有效破除桩内土塞，降低动力沉桩阻力，提高沉桩效率，达到缩短平台建设周期、降低施工成本的目的。
文档编号B05B7/08GK102535470SQ201210012890
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者倪红坚, 周卫东, 周名芳, 张卫东, 朱丽红, 王瑞和, 邢永超, 邹德永, 陈新勇, 黄勇 申请人:中国石油大学(华东)