BRPI1103586A2 - cabeÇote para injetar misturas de fluido pressurizado consolidado no chço - Google Patents

Abstract

CABEÇOTE PARA INJETAR MISTURAS DE FLUIDO PRESSURIZADO CONSOLIDADO NO CHçO. O cabeçote (10) inclui um corpo cilíndrico externo (12) com ao menos uma entrada superior (16) para os fluidos, ao menos um bico lateral de saida (11) e ao menos um duto helicoidal (13) apresentando uma linha central helicoidal (m). O duto conecta a entrada superior (16) ao bico (11) e transmite o fluido o qual flui nele através de um movimento helicoidal em relação ao eixo longitudinal (Z) do corpo externo (12) para o bico (11). O duto helicoidal (13) apresenta uma conicidade progressiva em direção ao bico (11) e inclui uma extensão terminal do duto, a qual é arredondada de uma forma cônica na direção do bico, tanto quando visto em plano de seção transversal (P) paralelo ao eixo longitudinal (Z) e tangente à linha central helicoidal, bem como quando visto no plano da seção transversal perpendicular ao eixo longitudinal (Z).

Description

I 1/12

Cabeçote para injetar misturas de fluido pressurizado consolidado no chão.

A presente invenção refere a um cabeçote de alta eficiência para injetar misturas de fluido pressurizado consolidado no chão para formar porções de solo consolidadas.

As técnicas conhecidas como jato de cimentação (jet

grouting) são usadas para formar estruturas em colunas de conglomerado artificial no chão. Estas técnicas são baseadas na mistura de partículas do próprio solo com aglutinantes ou ligantes, geralmente misturas de cimento, as quais são injetadas sob altas pressões através geralmente de pequenos bicos radiais formados em um cabeçote de injeção (comumente denominado como o "monitor"), fixado na proximidade da extremidade inferior de um grupo de hastes tubulares, as quais são giradas e retiradas da

r

superfície. Na parte inferior do grupo de hastes, sob o monitor, é prevista uma ferramenta de perfuração fixa, a qual, durante a fase de escavação, é Iubrificada com um fluido de perfuração alimentado através das hastes, as quais, neste caso, atuam como dutos. Os jatos de aglutinantes são dispersados e misturados com

o solo circundante, criando assim um bloco de conglomerado, geralmente de forma cilíndrica, o qual, quando endurecido, forma uma área consolidada de solo.

Os grupos os quais são atualmente mais comumente utilizados no setor das fundações apresentam um duto com uma grande seção transversal através da qual a mistura de água e cimento é alimentada para a zona do monitor, onde os bicos estão presentes. Estes últimos são alojados em orifícios orientados radialmente, ou seja, perpendiculares ao eixo longitudinal do monitor. Em termos de dinâmica dos fluidos, essa configuração reduz as perdas por atrito ao longo da trajetória, uma vez que a velocidade do fluxo de fluido é baixa, a ponto do fluído não alcançar a extremidade do monitor. Uma vez que o líquido alcance esta zona, o fluxo se desvia ortogonalmente na região do bico, também criando movimentos livres irregulares caracterizados por uma forte turbulência na região na qual o fluxo se desvia. Isso acarreta uma grande perda de carga no cabeçote, diretamente na proximidade da saída dos bicos, como resultado da turbulência a qual impede o fluxo de sair de maneira ordenada a partir dos bicos, ou seja, com o vetor da velocidade de uma única partícula de material saindo orientada de acordo com o eixo principal de cada bico.

Os procedimentos pelos quais o fluido passa do interior para o exterior do monitor são a causa da perda de carga e, portanto, entendido não apenas em termos de aumento do consumo de energia, mas também em termos de redução do diâmetro da coluna de material tratado. Portanto, existe uma necessidade no campo de limitar as perdas de carga geradas no interior do monitor.

A literatura de patentes descreve vários monitores para o setor de jato de cimentação, os quais, no seu interior, apresentam uma pluralidade de canais os quais são trançados de acordo com um formato apresentando uma geometria multi-helicoidal e são capazes de orientar o fluxo em um movimento helicoidal a partir da entrada do monitor para a entrada do bico relativo. Um exemplo é dado pela JP-A- 2008285811. Este tipo de geometria multi-helicoidal não garante por si só a máxima melhoria no desempenho com relação à conformação geralmente utilizada (ou seja, a qual gera um movimento livre de turbulência), a menos que os parâmetros fundamentais para o correto dimensionamento da dita estrutura sejam identificados e os zonas de entrada e saída do jato sejam modificadas de tal forma a maximizar a eficiência.

A literatura de patentes também descreve outros monitores apresentando um ou mais dutos curvados para desviar a mistura de fluido, transportando- o a partir do duto principal para os bicos laterais, seguindo a trajetória com mudanças graduais na direção, reduzindo assim as turbulências e as perdas de carga concentradas. A US-5228809 descreve um duto com uma seção transversal constante e curvatura regular. A EP-1396585 descreve dutos de curvatura variável e de conicidade progressivamente. No entanto, o diâmetro dos dutos para a passagem da mistura de fluidos ao longo de toda a extensão final para os bicos é condicionada à necessidade de equilibrar duas exigências opostas: primeiro é necessário limitar as dimensões externas do monitor (em geral relativamente pequenas e da ordem de magnitude de cerca de 100 mm); segundo, é desejável dar aos dutos o melhor raio de curvatura possível. Em outras palavras, estes sistemas proporcionam um comprimento o qual apresentam um comprimento considerável e um diâmetro reduzido o qual é comparável ao da saída para o bico. Portanto, a vantagem derivada a partir da redução das perdas concentradas é limitada pelo fato de que o fluido adota uma velocidade muito alta no interior da extensão final, com perdas de carga muito altas devido ao atrito. Além disso, a presença de dutos, curvas e raios complicam enormemente a arquitetura geral do monitor, tornando muito complexas as etapas de manutenção, montagem e desmontagem.

O objetivo principal da invenção é fornecer um cabeçote de injeção ou monitor apresentando a maior eficiência possível em termos de capacidade de penetração dos jatos, tornando o monitor mais preciso, a fim de obter um maior efeito de desintegração do solo a ser tratado e, permanecendo com o mesmo consumo de energia.

Este e outros objetivos e vantagens, os quais serão compreendidos mais plenamente a partir do texto que segue, são obtidos de acordo com a invenção por um cabeçote de injeção ou monitor apresentando as características definidas nas reivindicações anexas. A forma de realização preferida, mas não restritiva da

invenção será agora descrita com referência aos desenhos anexos, nos quais: • As figuras 1, 1A e 2 são diagramas ilustrativos os quais ilustram a forma geométrica de uma hélice; • A figura 3 ilustra as vistas esquemáticas de dois dutos convergentes;

• A figura 4 é uma vista em perspectiva esquemática, em forma parcialmente cortada, de uma forma de realização de um cabeçote de injeção ou monitor de acordo com a invenção;

· A figura 5 é uma vista da planta esquemática, em uma escala ligeiramente ampliada, do monitor ilustrado na figura 4;

• A figura 6 é uma vista em seção axial de um corpo helicoidal incorporado ao monitor ilustrado na figura 4;

• A figura 7 é uma vista em seção transversal ao longo da linha Vll-Vll na figura 6;

· A figura 8 é uma vista em perspectiva elevada do componente ilustrado na figura 6;

• A figura 9 é uma vista em uma escala ampliada de um detalhe ilustrado na figura 6;

• As figuras 10A a 10C são vistas em perspectiva, a partir de ângulos diferentes, do mesmo componente a ser aplicado ao corpo helicoidal ilustrado nas figuras 6 e 8;

• As figuras 11 e 12 são vistas em forma de diagrama ilustrando o plano de desenvolvimento de um exemplo de um duto helicoidal no interior do monitor; e

• As figuras 13 e 14 são vistas em perspectiva de duas formas de realização diferentes de um corpo helicoidal localizado no interior do monitor.

Antes de fornecer uma descrição detalhada de uma forma de realização preferida da invenção, o texto adiante estabelece os critérios os quais foram realizados a fim de alcançar a invenção e os quais são totalmente baseados na busca da máxima eficiência do jato. A este respeito, uma análise energética foi realizada no fluxo do fluido em movimento no monitor, analisando as perdas de carga. A seguir surgiram a partir dessas análises, tendo em vista as condições impostas pela arquitetura do monitor:

· entrada do fluxo predominantemente vertical ou paralela ao eixo do monitor,

• saída do fluxo predominantemente ortogonal em relação ao eixo do monitor, e

• a presença de um duto central, no interior do monitor, o qual deve ser deixado livre para a passagem do fluido de arrefecimento do cabeçote da haste,

a trajetória que o fluido tem que percorrer no interior do monitor, a fim de obter a maior eficiência possível (ou a mínima perda de carga), é uma trajetória helicoidal. De fato, desta forma é possível desviar continuamente a direção do fluxo, e também é possível variar continuamente a seção transversal e o diâmetro hidráulico do duto, os quais determinam a trajetória helicoidal. Neste contexto, o termo "trajetória" se refere à localização geométrica dos pontos os quais especificam o centro das seções transversais do duto ortogonal ao fluxo de fluído no interior do monitor. Em outras palavras, a trajetória coincide com a linha central (helicoidal) do duto, conforme descrito em detalhes daqui em diante. É claro que, em termos de minimização das perdas, nem todas as trajetórias helicoidais são capazes de produzir o efeito desejado. Para esta finalidade/ou seja, para minimizar as perdas de carga por conta da passagem através do monitor em si, foi descoberto que a trajetória helicoidal ideal a qual o fluido tem que percorrer é especificada por cinco condições para a minimização das perdas, conforme descrito adiante.

Com referência à figura 1, a equação de uma trajetória helicoidal genérica é definida nos seguintes componentes: χ = r (Θ) cos θ y = r (θ) sin θ ζ = h (θ),

nos quais r(0) e h(6) são funções do ângulo Θ, variável no interior de um intervalo entre os valores Θ1 (entrada do monitor) e Θ2 (valor angular no bico de saída).

A primeira condição para a minimização das perdas é que o raio r da trajetória helicoidal de forma ideal permaneça constante. Em alguns casos, isso não é possível por razões de projeto; o raio, no entanto, tem que variar de forma linear entre a entrada e a saída do monitor. Definir de forma arbitraria o limite inferior do intervalo no qual o ângulo θ tenderá a zero (o qual é Θ1 = 0) implica que a variável a ser determinada em vez disso será Θ2 ou, de forma equivalente, a altura do H monitor, entendida como sendo à distância sobre o eixo do monitor entre a entrada e a saída do monitor em si. Com respeito à função h(6), a seguinte relação estaria presente no caso de uma hélice com um passo constante (referências na figura 2).

passo ρ = ζ (θ = 2π) = h 2π (na qual h apresenta um valor constante maior que zero) tga = h / r ζ = h θ = r tga θ

A condição de um passo constante não é de fato verificada no exemplo aqui ilustrado, uma vez que há uma variação no ângulo α da presente trajetória helicoidal entre a entrada (a = 90°) e saída (a = 0o) do monitor.

A segunda condição para a minimização das perdas é a seguinte: a função a qual expressa à variação no ângulo α da trajetória helicoidal entre a entrada e a saída do monitor tem de ser linear; em outras palavras, a função a qual expressa à variação no ângulo α da hélice ao longo da trajetória apresenta uma derivada constante.

O ângulo α na entrada não pode ser definido como igual a 90° uma vez que um valor infinito da derivada corresponde a esse valor de ângulo. Portanto, é necessário arredondar a entrada do monitor de modo a desviar o fluxo em uma direção quase vertical, o qual difira de uma quantidade Δ a partir da direção estritamente vertical, de tal forma a minimizar as perdas (terceira condição para a minimização das perdas). A título de exemplo, um valor conhecido da literatura para uma entrada cônica com pequenas perdas concentradas é a de um raio do ângulo Δ igual a 20°, o qual corresponde a uma entrada real na entrada do fluido (inicio da trajetória), com um ângulo α igual a 70° (ou seja, 90°-20°), o qual produz pequenas perdas de carga concentrada. Se a derivada da função a qual descreve a variação do ângulo da trajetória helicoidal α for constante com relação à Θ, segue-se que esta função será linear, considerando as condições limitadas nas extremidades, ou seja, do seguinte tipo: α = a + b θ = (π/2-Δ) (1 - Θ/Θ2)

Neste ponto, é necessário deduzir a relação entre ζ e a tangente de α. O aumento da quantidade dz, a qual difere em cada ponto da trajetória helicoidal, devido à variabilidade de α ao longo da trajetória em si, a qual é como uma função de Θ, é dado a seguir: dz = r tga d0

a partir da qual, por integração, é obtido o valor de ζ associado a cada valor de Θ. ζ = J r tga d0 = - r/b [In |cos a| - In |cos a|] Um número de relações decisivas para especificar a

trajetória ideal foram estabelecidas a partir da equação conhecida para calcular as perdas de carga dos fluidos em movimento nos dutos e especificadas na literatura técnica; em particular, é feita referência à relação que existe entre a variação na seção transversal (ou do quadrado do diâmetro hidráulico) e do coeficiente correspondente da perda concentrada em relação à variação transversal abrupta.

Foi observado que, com uma variação na seção transversal (ou no quadrado do diâmetro hidráulico) presente entre a entrada e a saída do monitor, a função S, a qual expressa à diminuição da seção transversal (ou a função D a qual expressa à diminuição no quadrado do diâmetro hidráulico) entre a entrada e a saída do monitor, tem que ser linear, ou seja, ter uma derivada constante (quarta condição para a minimizacão das perdas).

Uma observação adicional deriva a partir do estudo das perdas de carga nos dutos convergentes. Se o diâmetro hidráulico na entrada e na saída do monitor for conhecido, o desenvolvimento linear da trajetória ilustrada o qual depende do valor do meio ângulo do duto convergido assim projetado, é possível obter um caminho muito curto (L1 na figura 3), o qual implica em maiores perdas concentradas por conta da variação transversal abrupta, ou um caminho muito longo (L2 na figura 3), o qual, ao contrário, implica em maiores perdas por atrito causadas pelo atrito nas paredes, mas as perdas concentradas as quais são pequenas para a modesta extensão do ângulo Õ.

É conhecido a partir da literatura técnica que, a fim de que as perdas de carga sejam substancialmente pequenas, o meio ângulo δ ideal o qual determina a conicidade do duto tem que ficar compreendido entre 5o e 15°; pelo qual é possível definir uma faixa no interior da qual é possível variar o valor do comprimento L, o que torna a trajetória substancialmente otimizada (quinta condição para a minimização das perdas de carga).

Quando do projeto do monitor, a primeira escolha se refere ao valor máximo admissível do ângulo δ de conicidade (ou seja 15°) para realizar a menor trajetória possível, sem gerar perdas concentradas consideráveis. Posteriormente, a viabilidade da escolha feita será verificada na medida em que for possível verificar as interseções entre a seção transversal da passagem do duto entre os passos consecutivos da helicóide e também for possível detectar uma espessura entre a seção transversal da passagem do duto entre os passos consecutivos da helicóide a qual seja menor do que a espessura mínima, a qual é uma função da pressão de trabalho do fluido em movimento no interior do monitor. Portanto, é necessário recorrer a um processo do tipo iterativo, o qual especifica o valor máximo de δ o qual seja compatível com as exigências do projeto.

As cinco condições explicadas acima são adequadas para determinar, de forma analítica, a equação da helicóide a qual minimize as perdas de carga no interior do monitor. A determinação analítica da trajetória da helicóide é seguida pela "construção" do duto, entendida como sendo um aplicação ponto a ponto de um valor correspondente da área da transição da seção transversal na trajetória, ou seja, a seção transversal orientada em cada ponto da trajetória da helicóide ortogonalmente à mesma.

A equação para a trajetória ideal (no entendimento acima) é, portanto, definida pelas seguintes relações:

(1) χ = r cos θ

(2) y = r sin θ

(3) ζ = - r/b [In |cosa| - In |cos a|]

(4) θ Θ [0; θ2]

(5) r = custo

(6) α = (π /2-Δ) (1 - θ/θ2)

(7) a = π/2-Δ

(8) b = - (π /2-Δ)/θ2

(9) L = / (dx2 + dy2 + dz2)0 5 = (D1-D2) / [2tgõ]

Se a seção transversal S1 da entrada, o diâmetro hidráulico D1 e o raio r (o qual corresponde, de fato, às referências das variáveis de construção) forem conhecidos, será necessário definir um valor para os parâmetros Δ e δ. Em particular, a escolha do ângulo δ é verificada no final do primeiro cálculo e pode exigir um processo iterativo. Uma vez que estas condições tenham sido definidas, é possível deduzir as variáveis faltantes em função do diâmetro hidráulico D2, o qual na verdade vai coincidir com o diâmetro real do bico. De fato, a fixação de D2 é eqüivale a determinar o valor do comprimento L da hélice através da equação (9). O valor de Θ2, mais uma vez através a partir da equação (9), é obtido a partir da resolução da integral definida. É possível reconstruir a trajetória da hélice a partir das equações (1), (2) e (3).

Em resumo, portanto:

• a área da seção transversal da passagem diminui de forma linear, ou com um gradiente constante;

• o quadrado do diâmetro hidráulico da seção transversal da passagem diminui de forma linear, ou com um gradiente constante;

• a extensão da trajetória é definida se forem conhecidos os diâmetros hidráulicos na entrada D1 e na saída D2;

• o raio da hélice, o qual define a trajetória, é de preferência constante; se isto não for possível por razões de projeto, terá que variar de forma linear entre a entrada e a saída do monitor;

• a variação da inclinação α da hélice, a qual define a trajetória, é linear, ou a função a qual expressa à variação de α com relação à θ terá que ter um gradiente constante; a entrada do monitor apresenta um raio da seção transversal constante na qual o fluxo de entrada é desviado por um montante Δ (entre 5o e 30°, por exemplo 20°) com relação à direção vertical;

• o passo da hélice, o qual define a trajetória, diminui entre a entrada e a saída do monitor;

• as variações nos raios do duto, tanto na chegada do fluxo no monitor com a entrada em uma direção predominantemente axial do monitor, quanto no fluxo saindo em uma direção predominantemente radial do monitor com a entrada do bico, onde a variação do raio deve ser entendida como um meio de orientação sem mudanças bruscas na seção transversal ou na direção.

Com referência, agora, às figuras 4 e 5, um cabeçote de injeção ou monitor é designado em sua totalidade como 10. O monitor compreende uma bucha ou luva externa 12 de formato tubular cilíndrica apresentando uma superfície cilíndrica externa 15a e uma superfície cilíndrica interna 15b. O monitor é usado para entregar um jato pressurizado de uma mistura de fluidos consolidados, tipicamente uma mistura de concreto, através de um ou mais bicos laterais 11, a fim de quebrar o solo circundante e consolidá-lo. A extremidade superior do monitor pode ser conectada, em uma maneira conhecida por si, a um grupo de hastes tubulares (não apresentadas), a fim de mover o monitor na vertical e gira-lo sobre o eixo longitudinal central z. Na presente descrição e nas reivindicações que se seguem, os termos e expressões indicando as posições e orientações, por exemplo "longitudinal", "transversal", "radial", "superior" e "inferior", são entendidas com referência ao eixo central ζ e para um estado de utilização no qual o eixo ζ é essencialmente vertical. A parte superior do monitor é dotada com uma entrada 16, através da qual é introduzida uma mistura pressurizada consolidada a ser entregue aos bicos injetores laterais. Os bicos laterais 11, dos quais dois são ilustrados no exemplo nas figuras 4 e 5, são orientados em planos substancialmente horizontais, ou seja, perpendiculares ao eixo longitudinal Z do monitor, de tal forma a direcionar as respectivos saída dos jatos nas direções as quais não passem pelo eixo Z. Os bicos 11 são localizados nas proximidades da extremidade inferior do monitor e são conectados em comunicação fluida com a entrada superior 16 através dos respectivos dutos helicoidais 13, os quais transmitem um componente tangencial ao fluido localizado na entrada 16, o qual rotaciona o fluxo sobre o eixo longitudinal central ζ do monitor. Em outras palavras, o movimento transmitido ao fluido é do tipo helicoidal. O movimento do fluido é guiado e confinado lateralmente pela superfície cilíndrica interna 15b da luva 12. A forma helicoidal de cada duto 13 é definida por um par de superfícies helicoidais de frente uma com a outra, uma superior 14a e uma inferior 14b, ambas formadas por um corpo helicoidal rígido 17 (figura 8), o qual é de preferência metálico, mantido ao menos temporariamente no interior da cavidade ou superfície cilíndrica interna 15b da luva 12. Na forma de realização preferida, as superfícies helicoidais 14a, 14b, são helicóides "caneladas", geradas pelo movimento helicoidal de uma linha reta. O número 19 denota um núcleo tubular central, o qual é formado pelo dito corpo helicoidal 17 e apresenta uma superfície cilíndrica externa 20 e uma cavidade central axial 21 adaptadas para permitir a passagem de um fluido lubrificante para a ponta de perfuração (não ilustrada) montada abaixo do monitor. Neste exemplo, a seção transversal do duto 13 é retangular, sendo delimitada na parte superior pela superfície helicoidal 14a, na parte inferior pela superfície helicoidal 14b, externamente pela superfície cilíndrica 15b e internamente pela superfície cilíndrica 20. No entanto, a invenção não se destina a ser limitada a um duto com uma seção transversal retangular; são possíveis dutos de diferentes seções transversais, por exemplo, seções transversais circulares ou seções transversais as quais são definidas por arredondamentos diferentes. O corpo 17, ilustrado separadamente nas figuras 6, 7 e 8, é de preferência usinado a partir de sólidos por meio de uma ferramenta de usinagem, de tal forma a obter os canais helicoidais os quais definem os dutos do monitor em conjunto com a superfície interna da luva 12.

Em todas as diferentes formas de realização descritas e ilustradas aqui, o duto helicoidal 13 apresenta uma conicidade progressiva em direção ao respectivo bico 11 e inclui uma extensão terminal do duto apresentando uma linha central helicoidal m (figuras 11 e 12); a dita extensão terminal é arredondada de uma forma cônica no bico, tanto quando a dita extensão é vista em um plano de seção transversal (indicada esquematicamente pelo P nas figuras 1 e 1A) paralelo ao eixo longitudinal Z e tangente à linha central helicoidal m, bem como quando a extensão terminal é vista nos planos de seção transversal horizontal ou perpendicular ao eixo Z.

Por conta da forma helicoidal dos dutos 13, o fluido localizado no monitor segue um caminho helicoidal fixo sem ser sujeito a variações bruscas de trajetória, minimizando assim a criação de turbulências, ou componentes irregulares de movimento, com resultantes dissipações energéticas. Ao longo do duto, a área da seção transversal, a qual pode ser usada para a passagem do líquido, diminui de forma linear, ou com um gradiente constante; mais particularmente, como mencionado acima, o quadrado do diâmetro hidráulico das transições das seções transversais diminuem linearmente, ou seja, com um gradiente constante, até a zona dos bicos 11.0 raio da hélice, o qual define a trajetória dos dutos 13 permanece substancialmente constante, enquanto que o a inclinação α da hélice é reduzida linearmente na direção do bico; em outras palavras, o passo da hélice, o qual define a trajetória, é linearmente reduzido em direção ao bico de descarga.

Em comparação com os monitores convencionais discutidos na parte introdutória da descrição, a maior seção transversal do monitor de acordo com a presente invenção envolve claramente, com vazão e pressão equivalentes, uma perda de carga menor, ou, dada a geometria helicoidal, a mínima perda possível. Como é sabido, as perdas por atrito, no caso de fluido incompressível, são inversamente proporcionais à quinta potência da dimensão transversal do duto. Portanto, os jatos de uma energia a qual seja maior do que a dos monitores convencionais, chegam aos bicos do monitor. Como resultado, a ação do jato de cimentação é mais eficaz porque, em sendo utilizada uma potência equivalente, será obtida uma coluna de solo consolidado apresentando um diâmetro maior.

A fim de obter o máximo proveito em termos de desempenho, os bicos são orientados de acordo com tangentes ou secantes com relação à superfície cilíndrica externa do monitor e em direções as quais correspondam à direção na qual o fluido avança, como indicado esquematicamente na figura 5. O número, a tipologia e a inclinação dos bicos em relação a um ou mais planos horizontais (ou planos perpendiculares ao eixo longitudinal do monitor) pode variar de acordo com as exigências. Na forma de realização ilustrada na figura 5, os jatos de fluido saindo dos bicos 11 são orientados em direções opostas ao longo de duas linhas retas paralelas.

A capacidade do monitor de manter todos os fluxos de fluidos unidos até a saída do bico reduz drasticamente as turbulências na parte terminal; este fator, em conjunto com a redução específica das perdas distribuídas por atrito, contribui para um aumento no desempenho do monitor em comparação ao monitores convencionais, e para a maximização da eficiência hidráulica.

Cada bico lateral 11 inclui um enxerto 18, o qual é feita de um material resistente ao desgaste e apresenta uma passagem interna em forma de funil. No caso dos dutos helicoidais 13 apresentando uma seção transversal poligonal, tal como os dutos retangulares no exemplo ilustrado na figura 4, as extensões terminais na proximidade dos bicos, as quais geralmente apresentam uma seção transversal circular, compreendem um defletor 25 (figuras 6, 7 e 8), ilustrados separadamente nas figuras 10 A a C, o qual provê uma passagem gradual a partir da seção transversal poligonal para a seção transversal circular, a fim de evitar as perdas de carga localizadas. Os elementos 25 criam um orifício de entrada poligonal e uma saída circular. Estes elementos 25 podem, de forma vantajosa, serem feitos de um material resistente ao desgaste, como os enxertos 18 dos bicos, uma vez que a velocidade do fluido nesta extensão é alta, e portanto a ação erosiva é mais pronunciada. No exemplo ilustrado na figura 8, os defletores 25 são fixos por soldagem na estrutura 15b. Como alternativa, o monitor pode ser obtido como um todo por um processo de fundição de precisão ou eletro erosão ou utilizando processos semelhantes e, portanto, os elementos podem formar uma única peça com as superfícies helicoidais. O meio-ângulo δ também é entre 5o e 15° nos pontos de entrada dos elementos arredondados 25.

O número 24 designa os elementos de vedação os quais evitam vazamentos entre o duto helicoidal e a saída do bico. Na verdade, por conta da pressão muito alta, se houvesse um golpe simples ou um simples ajuste mecânico, o jato de injeção não ficaria confinado no interior do duto. Isso também ocorre entre o corpo helicoidal interno 17 quando ele é inserido no interior da luva 12. Neste caso, os elementos de vedação não estão inseridos entre a borda cilíndrica 14c, a qual une as duas superfícies helicoidais (a superfície superior 14a e a superfície inferior 14b), e o fluxo de material de injeção poderia vazar desde o passo da helicóide superior até o passo da helicóide inferior (entretanto, isso ocorreria apenas durante a fase inicial de bombeamento, quando o monitor não estiver completamente preenchido e devidamente pressurizado). Nesta forma de montagem executiva, no entanto, é necessário assegurar que exista uma vedação entre o corpo helicoidal interno 17 e a cavidade interna 15b da luva 12. Por esta razão, ao menos um par de gaxetas 26 foram inseridas acima e abaixo dos bicos, garantindo que o líquido seja vedado no interior do duto. Na ausência dessas gaxetas, o material injetado poderia vazar e escapar, raspando ou erodindo a superfície 15b, com problemas decorrentes em termos de perdas de líquido e pressão e ineficiências em relação à capacidade erosiva final do jato.

Além disso, como pode ser visto mais claramente a partir da figura 7, a espessura do enxerto 18, o qual é igualmente fabricado em um material resistente ao desgaste e substituível, significando que é conveniente arredondar a superfície lateral radialmente mais externa do duto 13 na entrada da passagem cônica produzida no enxerto 18. Em outras palavras, é necessário arredondar a superfície cilíndrica interna 15b da luva 12 na entrada do enxerto 18. O defletor 25 é apto para desviar de forma progressiva o fluxo de fluido periférico, adjacente à superfície 15b, em direção a uma zona levemente mais central, substancialmente na direção da corda que passa através do eixo do bico. O defletor 25 apresenta uma superfície cilíndrica externa 25b, a qual é apta para contatar a superfície 15b da luva 12, e uma superfície interna arqueada 25a, a qual serve para desviar o fluxo. O defletor aumenta gradualmente em espessura, de tal maneira que a superfície interna arqueada 25a começa a partir de uma porção final fina 25c, localizada mais a montante no duto 13, e termina na porção final mais espessa 25d localizada mais a jusante, na entrada do enxerto 18. As bordas do defletor podem apresentar chanfros 25e para a soldagem na superfície 15b. Os defletores 25 são, de forma conveniente, feitos de materiais resistentes ao desgaste, por exemplo, Widia ou carboneto de tungstênio, ou materiais sinterizados, ou então de outros materiais.

As figuras 11 e 12 ilustram o desenvolvimento, em um plano vertical, das seções transversais verticais de dois exemplos de dutos helicoidais 13; o m denota a linha central de um duto helicoidal 13. Os valores dos pontos da abscissa dos ângulos medidos no plano horizontal procedem a partir o valor angular zero, o qual se refere a um plano vertical que passa através do eixo central Z do monitor e através do ponto mais baixo no qual o duto helicoidal 13 termina no enxerto 18.

Deve ser entendido que a invenção não se limita às formas de realização aqui descritas e ilustradas, as quais devem ser consideradas como exemplos de formas de realização do monitor; ao invés disto, a invenção pode ser modificada em relação à forma e disposição das peças e detalhes de construção, e em relação a sua operação. Por exemplo, pode haver um ou mais bicos na extensão terminal de cada duto helicoidal localizado no mesmo nível ou em níveis diferentes. Além disso, para as aplicações com jato de fluido duplo (por exemplo, ar - sedimento ou água - sedimento), é previsto um espaço adequado para alimentar o ar (ou a água) para a seção de saída dos bicos, como é atualmente utilizado com os monitores convencionais. Além disso, esses dutos dedicados podem ser utilizados para a inserção dentro de instrumentos ou cabos destinados ao trânsito de informação (transmissão de dados) a partir da ferramenta para o exterior, e vice-versa. Finalmente, é possível formar dois ou mais monitores deste tipo (um monitor de fluido único e um monitor de fluido duplo) para realizar uma saída tripla de jato de fluido de tratamento de cimentação.

Com relação ao formato do duto helicoidal, o qual já foi mencionado e depende das condições do projeto, estas técnicas são mais ou menos convenientes, dependendo do número de monitores produzidos. É assim possível prosseguir a partir da forma descrita, a qual é realizada em uma única peça com uma seção transversal predominantemente poligonal, para um número limitado de peças, para um formato obtido por moldagem ou eletro erosão, no qual o duto poderia ser produzido em um formato muito mais próximo do formato teoricamente ideal, com um amplo arredondamento na entrada e na saída do monitor.

Claims (13)

1. Cabeçote (10) para injetar misturas de fluidos pressurizados consolidados no chão a fim de formar porções de solo consolidado, o cabeçote incluindo: «um corpo cilíndrico externo (12) definindo um eixo longitudinal central (Z), • ao menos uma entrada superior (16) para receber os fluídos a partir de um grupo de hastes tubulares montáveis acima do cabeçote, • ao menos um bico lateral de saída (11) situado em um plano substancialmente perpendicular ao eixo longitudinal (Z)1 ao menos um duto helicoidal (13), definindo uma linha central helicoidal (m), o duto (13) o qual conecta a entrada superior (16) ao bico (11), de tal forma a transmitir o fluido que flui através do seu movimento helicoidal sobre o eixo longitudinal (Z) para o bico (11); caracterizado pelo fato de que o duto helicoidal (13) apresenta uma conicidade progressiva em direção ao bico (11) e inclui uma extensão terminal do duto a qual é arredondada no bico de uma forma cônica, tanto quando visto em um plano de seção transversal (P) paralelo ao eixo longitudinal (Z) e tangente à linha central helicoidal, bem como quando visto em um plano de seção transversal perpendicular ao eixo (Z).

2. Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o duto helicoidal (13) é arredondado na entrada superior (16) de tal forma que, nessa zona arredondada ao eixo longitudinal (Z) forma um ângulo agudo não superior a 30° com linha tangente reta até a linha helicoidal central (m) do duto (13).

3. Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que: a) o raio (r) da hélice é substancialmente constante ou aumenta de forma linear ou diminui de forma linear desde a entrada (16) até o bico de saída (11); b) o passo da hélice ou o ângulo da hélice (a) diminui de forma constante desde a entrada (16) até o bico de saída (11); e c) a área da seção transversal do duto (13) perpendicular à linha central (m) diminui de forma linear desde a entrada (16) até o bico de saída (11).

4. Cabeçote de injeção, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o ângulo da hélice (a) na entrada (16) varia entre cerca de 60° e cerca de 90° e, de preferência é de cerca de 70°.

5. Cabeçote de injeção, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o meio-ângulo (δ) pelo qual o duto helicoidal (13) é cônico está compreendido entre cerca de 5o e cerca de 15°.

6. Cabeçote de injeção, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o dito ao menos um duto helicoidal (13) é delimitado: • internamente ou na direção do eixo longitudinal (Z)1 por uma superfície cilíndrica (20) de um núcleo tubular central (19) apresentando uma cavidade central axial (21) para a passagem de um fluido, e • externamente ou perifericamente, pela superfície cilíndrica interna (15b) do corpo externo (12) no qual é fixado um corpo rígido (17) formando ao menos um canal helicoidal apresentando um par de superfícies helicoidais de frente uma com a outra, das quais uma superior (14a) e uma inferior (14b).

7. Cabeçote de injeção, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que: • o duto helicoidal (13) tem uma seção transversal transversa de formato poligonal, particularmente retangular, • o bico relevante (11) apresenta uma seção transversal circular, e que • na dita extensão terminal, o duto helicoidal (13) é arredondado no bico (11) por ao menos um defletor (25), o defletor define uma entrada poligonal apresentando um formato congruente com o da seção transversal do duto (13) no ponto arredondado, uma saída circular congruente com a do bico (11) e uma extensão intermediária passando gradualmente a partir da seção transversal poligonal para a seção transversal circular.

8. Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que no interior do duto helicoidal (13), imediatamente a montante do bico (11), no qual é fixado ou formado um defletor (25) apresentando uma superfície arqueada (25) voltada para o interior do duto e apta para desviar de forma progressiva o fluxo do fluido a partir de uma zona periférica, adjacente à superfície lateral periférica (15b) do duto (13), para uma zona mais central, na qual a extremidade da superfície arqueada (25a) localizada mais a jusante é de forma uniforme arredondada para a entrada do bico (11).

9. Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o defletor (25) é feito de um material resistente ao desgaste, por exemplo Widia ou carboneto de tungstênio, ou materiais sinterizados.

10. Cabeçote de injeção, de acordo com uma qualquer dentre as reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a forma helicoidal de cada duto (13) é definida por um par superfícies helicoidais de frente uma com a outra, as quais incluem uma superior (14a) e uma inferior (14b), ambas formadas por um corpo helicoidal rígido (17) fixado no interior de uma cavidade cilíndrica interna (15b) de uma luva a qual constitui o corpo cilíndrico externo (12).

11. Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de compreender os meios de vedação (26) interpostos entre o corpo helicoidal interno (17) e a superfície interna (15b) da luva (12).

12.

Cabeçote de injeção, de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que o defletor (25) consiste de um elemento arqueado rígido fixo no interior do duto helicoidal (13), e apresentando uma superfície cilíndrica externa (25b) em contato com a superfície cilíndrica interna (15b) da luva (12), e que o defletor aumenta a espessura de forma gradual, de tal forma que a superfície interna arqueada (25a) comece a partir de uma porção final mais fina (25c) localizada mais a montante no duto (13) e termina com uma porção final mais espessa (25d) localizada mais a jusante, na entrada do bico (11).