ES2220878T3 - Cabeza de inyeccion bajo presion. - Google Patents

Abstract

Cabeza de inyección bajo presión de un líquido para desagregar el terreno a partir de una perforación, la mencionada cabeza está montada en la extremidad de un tren de varillas o de tubos, el mencionado tren consta de unos medios de alimentación bajo presión de líquido, la mencionada cabeza consta de un cuerpo (32) que tiene una extremidad superior (40) de conexión a la extremidad inferior del tren de varillas o de tubos y una pared externa (34), cuerpo en el cual está montado al menos un tubo de inyección (50) cuyo diámetro de entrada es igual a (d), y que presenta un eje x, x¿, y unos medios que forman un conducto para conectar la alimentación de líquido en la entrada del tubo indicado, los medios mencionados forman un conducto (54, 54¿) que presenta una línea media (L) cuya primera extremidad (56) está conectada al eje del conducto de alimentación de líquido (48) en su extremidad inferior y cuya segunda extremidad (58) está conectada tangencialmente al eje x, x¿ del tubo (50), la mencionada línea media (L) está definida por al menos una porción de curva continua y continuamente derivable, cabeza de inyección de acuerdo con la cual la sección recta de los mencionados medios que forman el conducto disminuye de modo regular en al menos la mitad de su longitud desde su primera extremidad hasta su segunda extremidad unida al tubo (50).

Description

Cabeza de inyección bajo presión.

La presente invención tiene por objeto una cabeza de inyección bajo presión de un líquido para perforar una excavación en el suelo y notablemente una cabeza de inyección para la puesta en práctica de la técnica conocida bajo el término anglo-sajón de "JET GROUTING".

La técnica llamada JET GROUTING consiste en desagregar el terreno con la ayuda de un chorro de líquido con una energía cinética muy elevada puesta en práctica en una perforación, el chorro de líquido provoca la erosión del suelo en el cual se desea realizar una excavación. Para formar el chorro, se usa un tubo que está fijado en la extremidad de unas varillas de perforación, estas varillas permiten a la vez el encaminado hacia el tubo o los tubos del líquido bajo una presión elevada y la traslación progresiva del tubo en el terreno. Con mayor precisión, el o los tubos están montados en un órgano llamado con mayor frecuencia monitor o cabeza de inyección que está fijado en la extremidad inferior del tren de varillas, este monitor puede él mismo ser equipado en su extremidad inferior de una herramienta mecánica de perforación. Como se sabe, el líquido utilizado con mayor frecuencia es una lechada a base de cemento que permitirá, después de la perforación, llevar a cabo un elemento de suelo en cemento moldeado en el terreno en su lugar.

El líquido que se dirige por las varillas se envía desde la superficie por una bomba a unas presiones de una a varias decenas de MPa. El diámetro interior de las varillas que dirigen el líquido debe ser suficientemente grande para limitar las pérdidas de carga en las varillas. Este diámetro puede ser típicamente del orden de 20 a 50 mm. En cambio, el diámetro de salida del tubo debe ser suficientemente reducido para imprimir al chorro de líquido una velocidad suficiente a la salida para de erosionar el terreno a distancia. Típicamente, el diámetro de salida del tubo está comprendido, con mayor frecuencia, entre 2 y 5 mm y la velocidad del líquido de salida del tubo es de una a varias centenas de metros por segundo.

Para obtener una gran calidad del chorro, es deseable que la forma interior del tubo esté optimizada para conservar el chorro de líquido con una velocidad tan elevada como sea posible a medida que el chorro se aleja del tubo hacia el terreno con el fin de que pueda erosionar el terreno al máximo empleando un mínimo de energía cinética. Unas formas de tubos optimizados que responde a este imperativo se usan corrientemente.

Sin embargo, incluso con tales tubos, se constata que la pérdida de eficacia del chorro para provocar la erosión del terreno es rápida, si bien hacen falta unas energías cinéticas considerables para que, cuando se hace trasladar y, eventualmente, girar las varillas, el terreno se erosione a una gran distancia del tubo, por ejemplo a varios decímetros. El radio de acción del chorro de líquido bajo presión para formar una columna, un sector de columna o un elemento plano, en general es promediano de unos cuantos decímetros a 1 o 2 metros de acuerdo con el método de puesta en práctica, la naturaleza del terreno y le energía empleada.

Para aumentar la acción del chorro, se ha propuesto notablemente en la patente americana 5 228 809 y en la patente japonesa 10195862, unos modos de realización de la cabeza de inyección o monitor que permite mejorar la calidad de este chorro.

La cabeza de inyección de la patente japonesa está compuesta de un conducto de alimentación de líquido unido a un tubo por una tubuladura de sección sensiblemente constante y cuya línea media de la curvatura presenta la forma regular de un cuarto de círculo. El eje del tubo es perpendicular al eje de la cabeza de inyección aunque la dirección principal del chorro de líquido sufre una desviación de 90 grados entre la entrada de la tubuladura y la salida del tubo. Como esta desviación se produce en una distancia muy corta, de ello resultan pérdidas de cargas en la tubuladura.

Por otra parte, en la figura 1 anexa, se ha representado la cabeza de inyección descrita en la patente americana 5 228 809. La cabeza de inyección (10) consta de un cuerpo (12) que presenta una pared lateral (14) que define una cavidad interna. Un tubo de inyección de líquido bajo presión (16) se monta en la pared externa (14) del monitor. En esta figura, se ha igualmente representado unos elementos (18) de conexión al tren de varillas y unos elementos (20 y 22) de conexión al conducto de líquido bajo presión y a un conducto anular de aire que circula por las varillas con el fin de alimentar simultáneamente el tubo de líquido y un tubo anular de aire (16). De acuerdo con esta patente, el tubo (16) se alimenta a partir del conducto (22) de encaminamiento del líquido bajo presión por un paso (24) llevado a cabo en el cuerpo del monitor (10) y por una tubuladura (26) que conecta la extremidad de este paso a la entrada del tubo (16). La tubuladura (26) que presenta una sección constante con una curvatura regular con el fin de limitar las perturbaciones del líquido bajo presión entre la varilla de perforación y el tubo (16) mismo. Sin embargo, como se ha explicado, el tubo de inyección tiene un diámetro muy reducido en relación con el diámetro del conducto que sirve para dirigir el líquido bajo presión a través de las varillas. Las soluciones descritas en la patente americana y en la patente japonesa antes mencionadas no son por tanto plenamente satisfactorias.

Un objeto de la presente invención es suministrar una cabeza de inyección notablemente para la puesta en práctica del JET GROUTING que permita mejorar más sensiblemente la calidad del chorro suministrado por el o los tubos de la cabeza de inyección montada en la extremidad inferior del tren de varillas.

Para alcanzar este objetivo, la invención tiene como objeto una cabeza de inyección bajo presión de un líquido de erosión del terreno, montada en la extremidad de un tren de varillas o de tubos, el mencionado tren consta de unos medios de alimentación bajo presión de líquido, la mencionada cabeza consta de un cuerpo que tiene una extremidad superior de conexión a la extremidad inferior del tren de varillas o de tubos y una pared externa, cuerpo en el cual está montado al menos un tubo de inyección cuyo diámetro de entrada es igual a (d) y que presenta un eje x, x' y unos medios que forman un conducto para la conexión de la alimentación de líquido en la entrada del tubo mencionado, los medios indicados que forman el conducto presentan una línea media cuya primera extremidad está conectada al eje del conducto de alimentación de líquido en su extremidad inferior y cuya segunda extremidad está conectada tangencialmente al eje x, x' del tubo, la línea media indicada está definida por al menos una porción de curva continua y continuamente derivable, la cabeza de inyección de acuerdo con la cual la sección recta de los medios indicados que forman el conducto, disminuye de modo regular en al menos la mitad de su longitud desde su primera extremidad hasta su segunda extremidad unida al tubo.

Se comprende que la calidad y la dirección del chorro producido por el tubo se mejoran sensiblemente por el hecho de la reducción progresiva y regular de la sección recta de los medios que forman conducto, por ejemplo una tubuladura, en al menos la mitad de su longitud desde su extremidad de conexión al conducto de encaminado del líquido bajo presión hasta su conexión en el orificio de entrada del tubo de inyección. Esta característica combinada con el hecho de que la línea media de los medios que forman el conducto presenta un radio de curvatura, que varia regularmente, permite limitar al máximo las perturbaciones de derrame del líquido en esta tubuladura y por tanto permite obtener un chorro cuya energía es máxima y cuya potencia de erosión se mantiene a una distancia máxima del tubo respecto del terreno.

De acuerdo con un primer modo de puesta en práctica, el eje del conducto de alimentación indicado coincide sensiblemente con el eje del cuerpo de la cabeza de inyección. De preferencia, la línea media de los medios que forman el conducto consta de una primera parte de curva que se extiende entre la primera extremidad y un punto intermedio y que presenta una curvatura regular cuya concavidad presenta un primer sentido y una segunda porción de curva entre el mencionado punto intermedio y la segunda extremidad que presenta una curvatura regular cuya concavidad presenta un sentido opuesto.

Se comprende que, gracias a la configuración particular de los medios que forman el conducto, por ejemplo la tubuladura, con sus dos porciones de curva, es posible para un diámetro externo dado de la cabeza de inyección aumentar la longitud de la tubuladura y aumentar la longitud de la porción de la tubuladura con un gran radio de curvatura inmediatamente conectada al tubo.

De acuerdo con un segundo modo de realización, el conducto de líquido bajo presión se prolonga en la mencionada cabeza de inyección y la primera extremidad de los medios que forman conducto es una rama lateral dentro del mencionado conducto sensiblemente tangencial al conducto indicado.

Otras características y ventajas de la invención aparecerán mejor con la lectura de la descripción que sigue de varios modos de realización de la invención dados a título de ejemplos no limitativos. La descripción se refiere a las figuras adjuntas en las cuales:

La figura 1 ya descrita es una vista en corte vertical de una cabeza de inyección conocida;

La figura 2 es una vista en corte vertical de un primer modo de realización de una cabeza de inyección o monitor de acuerdo con la invención;

La figura 3 es una vista en corte vertical de un segundo modo de realización de la cabeza de inyección; y

Las figuras 4 y 5 son unas vistas parciales en corte horizontal que muestran dos implantaciones posibles de los tubos de inyección de líquido.

La cabeza de inyección (30) representada en la figura 2 consta de un cuerpo (32) constituido por una pared lateral cilíndrica (34), una extremidad inferior (36) que consta de unos medios, por ejemplo un fileteado (38), de fijación de una herramienta mecánica de perforación y una extremidad superior (40). Esta extremidad superior (40) consta por una parte de un fileteado (42) de conexión con la extremidad inferior de una varilla de perforación (44) y por otra parte de un manguito interno (46) de conexión al conducto (48) llevado a cabo en la varilla de perforación (44) para el encaminado del líquido bajo presión que es con mayor frecuencia, como ya se ha indicado, una lechada. En el modo de realización particular descrito, el espacio anular (50) entre la varilla de perforación (44) y el conducto (48) sirve para encaminar aire bajo presión. Está claro que en ciertos modos de realización, no se encontraría este espacio anular.

Por encima de su extremidad inferior (36), la pared lateral (34) de la cabeza de inyección está provista de una tubería de inyección (50) de eje x, x'. En el modo de realización descrito, el eje x, x' del tubo (50) es sensiblemente perpendicular al eje vertical z, z' de la cabeza de inyección pero, en otros modos de realización, el eje podría hacer una angulación con el horizontal comprendida, por ejemplo, entre + 15 grados y - 15 grados. Además, como muestran las figuras 4 y 5, el tubo puede ser en proyección horizontal, perpendicular a la pared externa del monitor (tubo 50' de la figura 4) o sensiblemente tangencial a esta pared (tubo 50'' de la figura 5) o aún su eje xx' puede ocupar cualquier orientación intermedia. En el interior de la cavidad (52) del cuerpo de la cabeza de inyección, está montada una tubuladura (54) que sirve para conectar la alimentación (46) de líquido bajo presión a la entrada (50a) del tubo (50). Se llama (S1) a la sección recta del conducto (46) de alimentación de líquido bajo presión y (s1) a la sección recta de la entrada del tubo (50). La tubuladura (54), de la cual se llama (L) a la línea media, presenta una primera extremidad (56) de conexión a la canalización (46) y una segunda extremidad (58) de conexión al tubo. La primera extremidad (56) de la tubuladura (54) presenta una sección recta (S'1) igual a la sección (S1) y su segunda extremidad presenta una sección recta (s'1) igual a la sección (s1) del tubo. Además, la sección recta de la tubuladura (54), es decir la sección de esta tubuladura por unos planos ortogonales a la línea media (L), va en disminución regular del valor (S'1) al valor (s'1). En ciertos casos, la tubuladura (54) podrá constar de unas porciones de tubuladura cilíndrica de una longitud muy limitada.

La sección recta de la tubuladura puede ser circular pero puede igualmente presentar una forma ovalada, una forma de elipse, etc... Las secciones terminales (56 y 58) son, en general, circulares, pero pueden igualmente ser elípticas. La línea media (L) de la tubuladura (54) presenta una curvatura no constante pero que varía regularmente. En el modo de realización representado en la figura 2, la línea media (L) de la tubuladura (54) consta de una primera porción (L_{1}) que va de la extremidad (56) a un punto intermedio (A) y una segunda porción (L_{2}) que va desde el punto intermedio (A) hasta la segunda extremidad (58). La porción (L_{1}) tiene un radio de curvatura que guarda el mismo sentido, es lo mismo en la porción (L_{2}) pero el sentido de este último radio de curvatura es inverso del de la porción (L_{1}). En otros términos, en el punto (A), las porciones (L_{1} y L_{2}) están conectadas tangencialmente y la línea media (L) presenta un punto de inflexión en el punto (A).

Este modo de realización permite en particular, gracias a la porción (L_{2}) de la línea media y por tanto la porción correspondiente de tubuladura, aumentar la longitud de la parte de la tubuladura que presenta un gran radio de curvatura en su zona de conexión al tubo. Esta disposición permite estabilizar aún mejor el derrame del líquido bajo presión en la tubuladura (54) en la proximidad del tubo (50).

Está claro que la tubuladura (54) podría tener otras formas mientras que su línea media presente unas variaciones de curvatura regulares y que su sección recta vaya en disminución de modo sensiblemente regular desde su primera extremidad (56) hasta su segunda extremidad (58) de conexión al tubo. La tubuladura podría solo presentar un único radio de curvatura y podría igualmente no tener una línea media dispuesta en un plano y estar constituida por una forma de hélice o de espiral, es decir ser una curva de tres dimensiones.

Está igualmente claro que no se saldría de la invención si la cabeza de inyección consta de varios tubos y que esta misma cabeza de inyección consta por tanto de varias tubuladura parecidas a la tubuladura (54) y conectadas cada una a un conducto de alimentación de líquido bajo presión contenido en las varillas de perforación.

Hay que observar igualmente que, gracias a la forma de la tubuladura (54) mostrada en la figura 2, es posible aumentar la longitud total de la línea media (L) de esta tubuladura manteniendo al mismo tiempo las dimensiones externas de la parte útil de la cabeza de inyección con unos valores reducidos correspondientes al diámetro (D_{1}) y a la altura (H_{1}). El aumento de la longitud de la tubuladura (54) permite mejorar la progresividad de la disminución de la sección recta por unas secciones rectas dadas en las dos extremidades de la tubuladura. En el modo de realización descrito, el diámetro (D_{1}) es inferior a 15 cm y la altura útil de la cabeza de inyección (H_{1}) es inferior a 50 cm.

La figura 3 muestra un segundo modo de realización de un monitor conforme la invención. Este monitor se distingue esencialmente por el hecho de que el conducto (48) de alimentación de líquido bajo presión se prolonga en el monitor por un conducto (70) de alimentación de una herramienta mecánica que puede ser fijado en el manguito de rosca (78). Cuando está montado, la herramienta es alimentada por el conducto (70) a través de una chapaleta mandable (72). En este caso la primera extremidad (56') de la tubuladura (54') es una rama lateral en el conducto (70). De preferencia, esta rama es sensiblemente tangencial a la pared del conducto (70).

Se comprende que, en el modo de realización descrito, la línea media (L') de la tubuladura (54') es una curva de tres dimensiones. La tubuladura (54) "se enrolla" alrededor del conducto (70) para ir de la rama (56') a la entrada del tubo (50).

En la descripción precedente, la tubuladura (54) es un elemento de conducto separado, montado en el cuerpo de la cabeza de inyección. Sin embargo, no se saldría de la invención si el cuerpo de la cabeza de inyección se lleva a cabo por moldeo y que la tubuladura (54) se lleve a cabo durante este moldeo con la ayuda de una técnica apropiada. En este caso, el cuerpo de la cabeza de inyección sería una pieza maciza en la cual la tubuladura (54) estaría constituida por un ahuecado.

Claims (10)

1. Cabeza de inyección bajo presión de un líquido para desagregar el terreno a partir de una perforación, la mencionada cabeza está montada en la extremidad de un tren de varillas o de tubos, el mencionado tren consta de unos medios de alimentación bajo presión de líquido, la mencionada cabeza consta de un cuerpo (32) que tiene una extremidad superior (40) de conexión a la extremidad inferior del tren de varillas o de tubos y una pared externa (34), cuerpo en el cual está montado al menos un tubo de inyección (50) cuyo diámetro de entrada es igual a (d), y que presenta un eje x, x', y unos medios que forman un conducto para conectar la alimentación de líquido en la entrada del tubo indicado, los medios mencionados forman un conducto (54, 54') que presenta una línea media (L) cuya primera extremidad (56) está conectada al eje del conducto de alimentación de líquido (48) en su extremidad inferior y cuya segunda extremidad (58) está conectada tangencialmente al eje x, x' del tubo (50), la mencionada línea media (L) está definida por al menos una porción de curva continua y continuamente derivable, cabeza de inyección de acuerdo con la cual la sección recta de los mencionados medios que forman el conducto disminuye de modo regular en al menos la mitad de su longitud desde su primera extremidad hasta su segunda extremidad unida al tubo (50).

2. Cabeza de inyección de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que los medios de alimentación de líquido indicados constan de un conducto de líquido bajo presión (48) prolongado dentro de la mencionada cabeza de inyección por un conducto (70) de alimentación de una herramienta y por el hecho de que la mencionada primera extremidad de los medios que forman el conducto (54') es una rama lateral (56') en el mencionado conducto (70) de alimentación de la herramienta, sensiblemente tangencial al conducto indicado.

3. Cabeza de inyección bajo presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la primera extremidad (56) de la línea media (L) de los mencionados medios que forman el conducto (54) está conectada tangencialmente al eje de la extremidad inferior del conducto (48) de alimentación de líquido.

4. Cabeza de inyección bajo presión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que el eje del mencionado conducto de alimentación de líquido (48) coincide sensiblemente con el eje del cuerpo (32) de la cabeza de inyección.

5. Cabeza de inyección bajo presión de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada por el hecho de que la línea media (L) de los medios que forman el conducto (54) consta de una primera parte de curva (L1) que se extiende entre la primera extremidad (56) y un punto intermedio (A) y que presenta una curvatura regular cuya concavidad presenta un primer sentido y una segunda porción de curva (L2) que se extiende entre el mencionado punto intermedio (A) y la mencionada segunda extremidad (58) unida al tubo (50) y que presenta una curva regular cuya concavidad presenta un sentido opuesto.

6. Cabeza de inyección de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizada por el hecho de que los mencionados medios que forman el conducto (54, 54') tienen una sección recta sensiblemente circular.

7. Cabeza de inyección de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 5, caracterizada por el hecho de que los mencionados medios que forman el conducto (54, 54') tienen una sección recta de forma ovalada.

8. Cabeza de inyección de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 7, caracterizada por el hecho de que consta de una pluralidad de tubos de inyección y una pluralidad de medios que forman conducto, cada uno conectado a un tubo de inyección.

9. Cabeza de inyección de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 8, caracterizada por el hecho de que los mencionados medios que forman el conducto (54, 54') consisten en una tubuladura distinta del cuerpo (32) de la cabeza de inyección.

10. Cabeza de inyección de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 8, caracterizada por el hecho de que el cuerpo de la cabeza de inyección está llevado a cabo por moldeo y los medios que forman el conducto se han llevado a cabo durante el moldeo.