专利名称：一种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浮箱，特别涉及一种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱。
背景技术：
在海洋工程领域，浮箱或浮力舱广泛应用于各种海洋装置与海洋结构物中。如漂浮于海洋之中的装置必须要内置或外挂足够体积的浮箱或浮力舱，以便给装置提供浮力， 使装置能稳定且长期的漂浮于海洋之中；另外海底救捞工程中也常常要用浮箱或浮力舱给沉船或其他沉没于海底的装置等提供浮力，将海底船舶或装置浮出海底；还有其他临时性水上工程如浮桥、浮坞等也都要利用浮箱提供浮力。目前海洋工程领域使用的刚性浮箱大多为密闭结构，密闭结构在水下使用时，存在安全隐患，密闭结构外部压力随水深加大而加大，当密闭浮箱结构下潜深度过大，外部水压超过结构自身承压极限时，密闭结构将被外部水压破坏，结构破损，海水进入腔体内部， 浮箱失去浮力，失去助浮功能。因此为避免在较大深度时被压破，浮腔结构常不得已而花费大量材料将结构做强，但是即便如此，浮箱的下潜工作深度仍然有限，加大结构强度只是使浮箱的使用范围有所扩大，但不能解决任意深度使用的功能。为了加大浮箱的使用深度，而花费了大量的材料，反而降低了浮箱的助浮能力，因为同等体积的浮箱所能提供的净浮力为浮箱排水重量减浮箱自身重量，浮箱自身重量加大，所能提供的净浮力减小。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述问题，提供一种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱。—种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，包含浮箱主体、吊耳、外置水管、浮球、 重块、内置气管、管卡、气管接头、外置气管、球阀，外置水管安装在浮箱主体四周的侧边外壁上，吊耳分别安装在浮箱主体四周的四个侧面内壁上，浮球下面固定连接着重块，浮球上端向下至重块上固定内置气管，内置气管通过管卡沿浮箱主体的侧面内壁引到气管接头内端口上，气管接头横穿浮箱主体的侧壁，接点处焊接密封，外置气管的一端连接在气管接头外端口上，球阀安装在外置气管的另一端。浮球和重块连接为一个整体，置于浮箱主体的内部。浮球在水中的可提供的浮力大于重块的重力。内置气管与气管接头内端口的连接方式和外置气管与气管接头外端口的连接方式均为密封连接。内置气管的长度预留为使浮球可以到达浮箱主体内任意位置所需要的长度。外置水管为刚性水管。
外置水管的起始端口的安装点紧贴浮箱角点，紧贴浮箱结构壁。外置水管的起始端口与浮箱主体内相通。
外置水管的环绕方式为沿着浮箱外壁边线连续布置，经过所有的角点，如正方体浮箱有8个角点，环形水管要沿正方体边线连续经过其8个角点。外置水管的末端开口。外置水管的末端外伸超出浮箱主体边缘。本发明薄壁深潜浮箱的设计尺度一旦确定，其结构最大受压即可确定，最大受压水头高度为浮箱自身最大尺寸加上水管末端超出浮箱壁的距离，如浮箱最大尺寸为2米， 外置水管边缘在该方向超出浮箱壁0. I米，不论浮箱下潜有多深，静态或缓慢升沉工况下其受压始终约为2. I水头压力，因为本发明薄壁深潜浮箱外置的外置水管末端开口，所以所述薄壁深潜浮箱为敞口结构，薄壁深潜浮箱充满气体后下潜和上浮均不会因水头压力变化过大，产生浮箱主体内外压失衡导致浮箱结构被破坏。薄壁深潜浮箱在水面充满气体后关闭球阀向深水处拖放过程中，当水深加大，水下压力增大时，浮箱主体外侧水压大于内部气压，外部的水会在压力作用下通过开口环形水管流向浮箱主体内部，气体被压缩，压力升高直至内部与外部水压平衡，在薄壁深潜浮箱逐步下潜的过程中，逐步有水进入浮箱主体内，内外压始终基本保持平衡，因此无论薄壁深潜浮箱下潜多深，该薄壁深潜浮箱都不会出现因水头压力加大而使浮箱主体不堪重压而被破坏，浮箱主体所受压力最大值在任何水深情况下均为自身结构最大尺度水头压力。相反，薄壁深潜浮箱在从深水处上浮过程中，随着水深的减小，浮箱主体外部压力变小，在内部气压高于外部水压时，浮箱主体内部的气体将通过环形水管向外释放，浮箱主体内气体变少，气压降低，直至内部与外部水压平衡，随着薄壁深潜浮箱的上浮，其逐步通过环形水管释放气体，降低内部压力，始终使浮箱主体内外压保持平衡。本发明腔内放置了浮球和重块，二者固定连接为一体，不论薄壁深潜浮箱倾斜还是反转，在重块重力和浮球浮力二者的反方向力作用下，浮球上端永远保持朝上状态，安装在浮球上端的内置气管的管头永远处于气体之中，因此如果需要通过内置气管和外置气管排气，该内置气管永远畅通。本发明外置水管与内腔相通，且沿着浮箱外壁边线连续布置，经过所有的角点，如正方体浮箱有8个角点，环形水管要沿正方体边线连续经过其8个角点。所以浮箱无论怎样旋转外置水管总有一点低于浮箱内腔体，所以腔内气体永远，都不会漏气，浮力不会因旋转而有损失。本发明薄壁深潜浮箱的主要特点就是易设计易施工。在进行设计时，设计人员只需根据薄壁深潜浮箱最大尺寸的水头压力为参数，适当放大安全系数设计结构强度即可， 环形水管的布置可根据需要减短或减少弯折次数。本发明薄壁深潜浮箱用材少，成本低、易实现，有利于应用推广。与常规浮箱相比优越性明显。
图I为本发明薄壁深潜浮箱的二维示意图。图2为图I在不同姿态下的示意图。
图3为本发明薄壁深潜浮箱的三维示意图。图4为本发明在海洋装置中的应用示意图。
具体实施例方式本发明薄壁深潜浮箱可以根据需要设计成任意形状，但其基本组成和工作原理都是一样的，下面首先以方形浮筒在二维条件下工作为例进行结构介绍和功能说明。
如图I所示，浮箱主体I的四个面如图中所示为侧面1#，侧面2#，侧面3#和侧面 4#，该4个面可根据需要安装吊耳13，以方便与其他需助浮的结构连接。在浮箱主体I的内部放置浮球2，浮球2的下面固定连接重块3，重块3的重力小于浮球2在水中的浮力，因此浮箱主体I如有进水，由于重块3向下拉浮球2，而浮球2的浮力大于重块3的重力，所以浮球2始终是上部露出水面，下部浸于水中，浮球2与重块3连成一体成竖直状态，顺着浮球
2上端向下至重块3上固定内置气管4，内置气管4在浮箱主体I内预留使浮球2可以到达浮箱主体I内任意位置的长度后，通过管卡5沿浮箱主体I的侧壁引到气管接头6上，气管接头6横穿浮箱主体I的侧壁，接点处焊接密封，气管接头6两端可以通过螺纹密封连接内置气管4和外置气管7，内置气管4通过管卡5沿浮箱主体I的侧面内壁引到气管接头6内端口上，外置气管7的一端连接在气管接头6外端口上，外置气管7的末端安装球阀8，球阀 8控制气体流动。在浮箱主体I的侧面3#最上端安装外置水管(此处定义为第一水管9)， 本发明中所述的外置水管皆为刚性水管，第一水管9按照图中所示方向沿沿着浮箱外壁边线连续布置，经过所有的角点，即先向下沿着侧面3#延伸，再折90度沿着侧面2#延伸，再折90度沿着侧面4#延伸，直至伸出侧面4#外一定长度；在浮箱主体I的侧面3#最下端安装外置第二水管10，第二水管10按照图中所示方向布置，即先向上沿着侧面3#延伸，再折 90度沿着侧面2#延伸，直至伸出侧面2#外一定长度；同样在浮箱主体I的侧面4#可以根据需要对称安装第三水管11和第四水管12，第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的末端均要求外伸超出浮箱主体I 一段距离。本发明浮箱主体I的设计尺度一旦确定，其结构最大受压即可确定，其结构最大受压即可确定，最大受压水头高度为浮箱主体I自身最大尺寸加上外置水管末端超出浮箱壁的距离，如浮箱最大尺寸为2米，外置水管边缘在该方向超出浮箱壁0. I米，不论浮箱下潜有多深，静态或缓慢升沉工况下其受压始终约为2. I水头压力，因为本发明浮箱主体I外置的第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12末端均开口，所以所述薄壁深潜浮箱为敞口结构，薄壁深潜浮箱充满气体后下潜和上浮均不会因水头压力变化，产生浮箱主体I内外压失衡导致浮箱主体I结构被破坏。薄壁深潜浮箱在水面充满气体后关闭球阀8向深水处拖放过程中，当水深加大，水下压力增大时，浮箱主体I 外侧水压大于内部气压，外部的水会在压力作用下通过第一水管9、第二水管10、第三水管 11和第四水管12的末端开口处流向浮箱主体I内部，气体被压缩，压力升高直至浮箱内部与外部水压平衡，在薄壁深潜浮箱逐步下潜的过程中，逐步有水进入浮箱主体I内，内外压始终基本保持平衡，因此无论薄壁深潜浮箱下潜多深，该薄壁深潜浮箱都不会出现因水头压力加大而使浮箱主体I不堪重压而被破坏，薄壁深潜浮箱所受压力最大值在任何水深情况下均为自身结构最大尺度水头压力。相反，薄壁深潜浮箱在从深水处上浮过程中，随着水深的减小，浮箱主体I外部压力变小，在内部气压高于外部水压时，浮箱主体I内部的气体将通过第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的末端开口处向外释放，浮箱主体I内气体变少，气压降低，直至内部与外部水压平衡，随着薄壁深潜浮箱的上浮，其逐步通过外置水管释放气体，降低浮箱主体I内部压力，始终使浮箱主体I内外压保持平衡。
本发明浮箱主体I内部放置了浮球2和重块3，二者固定连接为一体，不论薄壁深潜浮箱倾斜还是反转，在重块3重力和浮球2浮力二者的反方向力作用下，浮球2上端永远保持朝上状态，安装在浮球2上端的内置气管4的管头永远处于气体之中，因此如果需要通过内置气管4和外置气管7排气，该内置气管4永远畅通。
若在本发明浮箱主体I内部充满气体，以垂直纸面方向为轴心无论薄壁深潜浮箱以何种旋转姿态放置，若不打开外置气管7末端的球阀8，均不会出现漏气状况。尽管薄壁深潜浮箱安装了开口的第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12，但是管路沿浮箱主体I的三个连续侧壁经过2次90度旋转，致使薄壁深潜浮箱无论出于何种姿态，第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的最底处水压力高于浮箱主体I内部气压，浮箱主体I内部充满的气体，在不打开球阀8的任何情况下都不会从薄壁深潜浮箱自身开口结构中漏出。如图2所示，列举了薄壁深潜浮箱可能出现的几种不同姿态，图中第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的最底位水头高度h大于浮箱主体I内部任何位置， 所以薄壁深潜浮箱不论出于何种姿态都不会漏气，也就是说本发明浮箱主体I内部气体不随姿态变化而损失，在任何姿态下都可以得到设计浮力。如图3所示，若要满足浮箱三维旋转，按照二维方法，使第一水管9的布置沿立方体各边连续经过每个顶点，实现在任何状态下浮箱主体I内的出气端都要低于箱体本身， 即可实现立方体薄壁深潜浮箱任意三维旋转，都不会损失浮箱主体I内部已有气体。本发明薄壁深潜浮箱实现了用简单结构完成任何深度条件下助浮的功能，与常规的封闭式浮箱相比，因其受压载荷不会随水深加大而增大，所以其对结构的设计强度要求低，因此浮箱结构用材也大为减小；另外与常规封闭浮箱相比，其施工的安全性大大提高。 无论封闭式浮箱的设计的有多坚固，其使用范围都是有限制的，超出设计范围，就存在严重的安全隐患，本发明浮箱主体I在使用过程中内外压动态调整平衡，因此不会出现因为外压大于内压而出现浮箱主体I结构破裂，或内部气压大于外部水压而出现浮箱主体I爆炸等安全问题，本发明薄壁深潜浮箱的使用范围不受深度限制。但本发明薄壁深潜浮箱在制造或使用中要注意以下几点I、第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12 口径要尽可能的大，因为内外不平衡时浮箱主体I要依靠自动进水或放气实现消除内外压力差，管径越大，进水或排气越顺畅，内外压不平衡消除的越快，更有利于提高薄壁深潜浮箱使用的安全性。2、薄壁深潜浮箱下潜和上浮过程中要有意识的尽可能降低速度，以便有充足的时间使浮箱主体I通过进水或排气自动消除压力差，这有也有利于提高浮箱使用的安全性。本发明浮箱主体I外围第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的布置可根据需要灵活布置，包括其数量和布置方法等。如果薄壁深潜浮箱工作时可能出现的转动或倾斜角度有限，可根据实际情况减短第一水管9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的长度或减少弯折的次数，具体如何变化以薄壁深潜浮箱出现最大倾角时第一水管 9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的最底部低于浮箱主体I最底位，浮箱主体I内部气体不会漏出为准。本发明浮箱主体I不但可以单独使用，也可以作为海上装置的浮力单元单个或多个使用。如图4所示，在海上装置上使用本发明薄壁深潜浮箱可以以较少的材料获得较大的浮力，还可以使装置在不增加结构强度的情况下在深水处使用，甚至可以使装置通过放掉本发明浮箱主体I内的气体使其沉入海底工作或躲避台风等水上灾害；还可通过给本发明浮箱主体I内充气使装置从海底上浮至水面。因此，利用本发明薄壁深潜浮箱可以扩大海上装置的使用或工作范围。本发明薄壁深潜浮箱的主要特点就是易设计易施工。在进行设计时，设计人员只需根据浮箱最大尺寸的水头压力为参数，适当放大安全系数设计结构强度即可，第一水管
9、第二水管10、第三水管11和第四水管12的布置可根据需要减短或减少弯折次数。本发明薄壁深潜浮箱用材少，成本低、易实现，有利于应用推广。与常规浮箱相比优越性明显。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
权利要求
1.一种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于包含浮箱主体、吊耳、外置水管、浮球、重块、内置气管、管卡、气管接头、外置气管、球阀，外置水管安装在浮箱主体四周侧面的外壁上，吊耳分别安装在浮箱主体四周的四个侧面外壁上，浮球下面固定连接着重块，浮球上端向下至重块上固定内置气管，气管伸向浮球顶部的端口敞开，内置气管通过管卡沿浮箱主体的侧面内壁引到气管接头内端口上，气管接头横穿浮箱主体的侧壁，接点处焊接密封，外置气管的一端连接在气管接头外端口上，球阀安装在外置气管的另一端。
2.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管为刚性水管。
3.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管的起始端口的安装点紧贴浮箱角点。
4.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管的起始端口与浮箱主体内相通。
5.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管的环绕方式为沿着浮箱外壁边线连续布置，经过所有的角点。
6.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管的末端开口。
7.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述外置水管的末端外伸超出浮箱主体边缘。
8.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述浮球和重块均置于浮箱主体的内部。
9.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述浮球在水中的可提供的浮力大于重块的重力。
10.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述内置气管的长度预留为使浮球到达浮箱主体内任意位置所需要的长度。
11.根据权利要求I所述的自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，其特征在于所述内置气管与气管接头内端口的连接方式和外置气管与气管接头外端口的连接方式均为密封连接。
全文摘要
本发明涉及一种自动实现内外压平衡的薄壁深潜浮箱，包含浮箱主体、吊耳、外置水管、浮球、重块、内置气管、管卡、气管接头、外置气管、球阀，外置水管安装在浮箱主体四周的侧面外壁上，沿着浮箱外壁边线连续布置，经过所有的角点，吊耳分别安装在浮箱主体四周的四个侧面外壁上，浮球下面固定连接着重块，置于浮箱之内，浮球上端向下至重块上固定内置气管，气管在浮球上的端口敞开，内置气管在浮箱内留有足够长度，满足浮球和重块可以到达浮箱内部任何地方，内置气管通过管卡沿浮箱主体的侧面内壁引到气管接头内端口上，气管接头横穿浮箱主体的侧壁，接点处焊接密封，外置气管的一端连接在气管接头外端口上，球阀安装在外置气管的另一端。
文档编号B63C11/00GK102616352SQ201210091129
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者叶寅, 吝红军, 游亚戈, 王坤林, 盛松伟 申请人:中国科学院广州能源研究所