ITTO20100988A1 - Testa di iniezione per iniettare miscele consolidanti fluide pressurizzate nel terreno - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Testa di iniezione per iniettare miscele consolidanti fluide pressurizzate nel terrenoâ€

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad una testa di iniezione ad elevata efficienza per iniettare miscele consolidanti fluide pressurizzate in un terreno al fine di formare porzioni di terreno consolidate.

Come noto, nei metodi di jet grouting la testa di iniezione (comunemente denominata “monitor†), à ̈ fissata vicino all’estremità inferiore di una batteria di aste tubolari che viene comandata in rotazione ed estratta verso la superficie. Il monitor presenta degli ugelli radiali di piccole dimensioni, attraverso i quali vengono iniettate nel terreno miscele fluide consolidanti.

Le miscele consolidanti vengono mandate al monitor attraverso un condotto relativamente largo all’interno delle aste. Nel monitor, il fluido viene deviato ortogonalmente dalla direzione verticale assiale ad una direzione trasversale, generalmente radiale o secante, in condotti più stretti fino agli ugelli. Una brusca deviazione di direzione, associata ad una contemporanea variazione della sezione del condotto, genera nel flusso un moto fortemente turbolento. Ciò provoca un’elevata perdita di carico, proprio in prossimità dell’uscita dagli ugelli, dove la velocità del flusso à ̈ massima. L’elevata turbolenza in uscita impedisce al flusso di fuoriuscire dagli ugelli in maniera ordinata, ovvero con il vettore velocità della singola particella di fluido orientato secondo l’asse principale di ciascun ugello e con la massima energia.

Nel settore del jet grouting à ̈ sentita l’esigenza di ridurre al minimo la perdita di carico del fluido all’interno del monitor al fine di massimizzare l’energia cinetica del fluido in uscita dagli ugelli e quindi aumentare il raggio della colonna di terreno consolidato.

Sono stati proposti monitor con condotti interni configurati in diversi modi per deviare la miscela consolidante da un condotto verticale superiore, comunicante con l’asta tubolare immediatamente superiore, agli ugelli laterali. Generalmente sono previsti uno o più condotti curvi che convogliano i filetti fluidi lungo un percorso a cambiamento graduale di direzione, riducendo in tal modo le turbolenze. US-A-5228809 rende noto un monitor con un condotto interno a sezione costante e curvatura regolare, il cui asse mediano giace in un piano verticale e si estende da una posizione superiore decentrata o periferica rispetto all’asse centrale verticale del monitor, ad un ugello laterale inclinato obliquamente. EP-1396585-B1 prevede un condotto interno a curvatura variabile rastremato in modo progressivo, il cui asse mediano giace in un piano verticale e si estende da una posizione superiore centrale, in asse con l’asse centrale verticale del monitor, ad un ugello laterale inclinato obliquamente. Il monitor descritto in EP-1231326-B1 prevede uno o più condotti interni spiraliformi a sezione variabile rastremata in modo regolare per convogliare il flusso dalla zona dell’asse centrale del monitor ad uno o più ugelli laterali.

Nella domanda di brevetto italiana n. TO2010A000613, non ancora pubblica alla data di deposito/priorità della presente domanda, si descrive un monitor avente condotti elicoidali interni che collegano ciascuno l’ingresso superiore del monitor con un rispettivo ugello laterale di uscita. Ciascun condotto elicoidale à ̈ progressivamente rastremato tridimensionalmente verso l’ugello ed ha una linea mediana ad elica avente raggio costante; il passo dell’elica decresce progressivamente dall’ingresso superiore all’ugello di uscita. Questo monitor, pur procurando un’elevata efficienza, ha una forma piuttosto complessa che richiede operazioni costose di fabbricazione in quanto i condotti elicoidali devono rispettare precise imposizioni geometriche; si utilizzano macchine a controllo numerico tridimensionale o si esegue la realizzazione per fusione.

La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un monitor in grado di contemperare l'esigenza di conseguire un eccellente risultato in termini di elevata efficienza (evitando quindi brusche variazioni di sezione e di direzione del flusso all’interno del monitor), con la necessità di semplificare la costruzione e ridurre i costi di fabbricazione del monitor.

Questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti secondo la presente invenzione da una testa di iniezione o monitor così come definita nella rivendicazione 1. Forme di attuazione preferenziali dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto à ̈ da intendersi come parte integrale e integrante della presente descrizione.

Verrà ora descritta una forma di realizzazione preferita ma non limitativa dell'invenzione, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 à ̈ una vista in sezione secondo un piano verticale parallelo all’asse longitudinale centrale di un monitor secondo una forma di attuazione preferita dell’invenzione;

la figura 2 Ã ̈ una vista in sezione assiale del monitor della figura 1;

la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica parziale del monitor sezionato nella figura 2;

le figure da 4 a 10 illustrato il corpo esterno del monitor rappresentato nelle figure da 1 a 3; la figura 4 à ̈ una vista dell’alto del corpo esterno del monitor delle figure 1-3;

la figura 5 Ã ̈ una vista in sezione assiale secondo la linea A-A nella figura 4;

la figura 6 Ã ̈ una vista in sezione secondo la linea A1-A1 nella figura 4;

la figura 7 Ã ̈ una vista in sezione secondo la linea A2-A2 nella figura 4;

la figura 8 Ã ̈ una vista in sezione secondo la linea A3-A3 nella figura 4;

la figura 9 Ã ̈ una vista prospettica parziale del corpo sezionato secondo la linea B-B nella figura 4;

la figura 10 Ã ̈ una vista prospettica parziale del corpo sezionato secondo la linea A-A nella figura 4;

le figure 11 e 12 sono viste prospettiche, da angolazioni diverse, di un sottogruppo che viene inserito nel corpo esterno delle figure 4-10; e

la figura 13 à ̈ una vista in alzato, parzialmente sezionata secondo un piano verticale parallelo all’asse centrale verticale del sottogruppo delle figure 11 e 12.

Prima di passare ad illustrare in dettaglio una forma di attuazione dell’invenzione, si deve tenere presente che essa non à ̈ limitata, nella sua applicazione, ai dettagli ed alla configurazione dei componenti citati nella descrizione o illustrati nei disegni. L’invenzione può essere messa in pratica in vari modi. Si deve intendere che la fraseologia e la terminologia che vengono qui utilizzate a scopo puramente descrittivo non vanno considerate come limitanti. L’utilizzazione di termini ed espressioni quali “verticale†, “trasversale†, “a monte†o “a valle†vanno interpretati in relazione ai disegni allegati o alla direzione del flusso di miscela fluida, oppure ad una generica condizione di uso nella quale il monitor produce una colonna verticale di terreno consolidato.

Facendo riferimento ai disegni, con il numero 10 à ̈ indicata nel suo insieme una testa di iniezione o monitor che serve per erogare un getto pressurizzato di una miscela fluida consolidante, solitamente una miscela cementizia, attraverso uno o più ugelli laterali 11 al fine di disgregare il terreno circostante e consolidarlo. Il monitor comprende un corpo 12 esternamente cilindrico, con una cavità interna passante nella direzione longitudinale e variamente conformata, come descritto più avanti.

L'estremità superiore del monitor 10 à ̈ collegabile, mediante una filettatura superiore 16, ad una batteria di aste tubolari (non illustrate) al fine di movimentare il monitor in verticale e metterlo in rotazione attorno all’asse centrale longitudinale z per l’esecuzione di un procedimento di jet grouting.

Il primo tratto superiore della cavità passante forma un condotto di ingresso 13 di sezione trasversale circolare ampia, paragonabile alla sezione delle aste tubolari della batteria sovrastante. Attraverso il condotto di ingresso 13 vengono convogliati nel monitor sia la miscela consolidante pressurizzata da erogare agli ugelli di iniezione laterali, e sia il liquido di perforazione che serve a lubrificare un utensile o scalpello di perforazione (non illustrato) montabile all'estremità inferiore del monitor, dove à ̈ prevista una camera filettata 15 aperta verso il basso. Attraverso un condotto centrale 14, coassialmente interno al corpo cilindrico 12, il liquido di perforazione viene convogliato dall’ingresso superiore 13 alla camera inferiore filettata 15, la quale à ̈ in comunicazione di fluido con l'utensile di perforazione. La sommità del condotto centrale 14 à ̈ associata ad una valvola (non illustrata) che viene alloggiata nella sede conica ricavata nel tratto terminale sommitale del condotto 14 e che serve ad occludere automaticamente questo condotto 14 quando si inietta la miscela consolidante.

Immediatamente a valle del condotto di ingresso 13, la cavità del corpo 12 si suddivide in due tratti di condotto 17a, 17b a forma di semiconi rovesciati longitudinalmente affiancati con rispettivi assi rettilinei o sostanzialmente rettilinei. Ciascun tratto di condotto 17a, 17b ha una sezione di ingresso semicircolare 18a, 18b (figura 4) che si rastrema linearmente verso il basso fino ad una rispettiva sezione di uscita circolare 19a, 19b, il più possibile assialmente sfalsata o decentrata verso la periferia del corpo 12.

Nella forma di realizzazione illustrata, i condotti 17a, 17b sono ottenuti dal pieno, in un pezzo unico con il corpo 12; secondo una forma di realizzazione alternativa (non illustrata), tali condotti sono costituiti da uno o più inserti metallici montati nella cavità cilindrica del corpo 12. Lo stesso corpo 12 forma anche, in questo esempio, una porzione tubolare 141 costituente il tratto superiore del condotto centrale 14 per il liquido di perforazione. Due paratie assiali interne 142, 143, formate come un unico pezzo con il corpo 12, collegano in modo stabile la porzione tubolare 141 alla parete cilindrica esterna del corpo 12 e separano i tratti di condotto rastremati 17a, 17b.

In corrispondenza di ciascuna delle sezioni di uscita 19a, 19b si innesta l’imbocco superiore di un rispettivo tubo elicoidale rigido 20a, 20b che termina nell’ugello 11 e che impartisce al fluido che lo percorre un moto elicoidale attorno all’asse longitudinale Z verso l’ugello. Ciascun tubo elicoidale à ̈ orientato verticalmente nella zona di connessione al rispettivo condotto 17a, 17b. Nella zona di connessione agli ugelli, i tubi elicoidali sono orientati orizzontalmente in direzioni orizzontali secanti (cioà ̈ secondo la direzione di una corda) rispetto alla sezione circolare trasversale del corpo cilindrico 12. In questo esempio, gli ugelli sono in numero di due, per dirigere rispettivi getti di miscela consolidante equilibrati rispetto all’asse centrale e sfalsati angolarmente di 180 gradi.

Come illustrato nelle figure 11-13, per semplificare il montaggio e il collegamento idraulico preciso dei tubi 20 alle sezioni di uscita 19 dei condotti conici 17, le estremità superiori dei tubi elicoidali 20 sono bloccate in un disco anulare 21 che presenta un foro passante centrale 22 per il condotto centrale 14, e due fori passanti diametralmente opposti 23a, 23b nei quali sono bloccati i rispettivi tubi 20a, 20b. Le sommità dei tubi 20a, 20b sono provviste di elementi di tenuta esterni (O-ring) che si impegnano a tenuta in rispettive sedi cilindriche allargate 24a, 24b formate immediatamente a valle delle sezioni di uscita 19a, 19b allo scopo di migliorare la l’ermeticità e la stabilità della connessione idraulica.

La porzione tubolare centrale 141 termina inferiormente a livello delle sedi allargate 24a, 24b, per cui al di sotto di questo livello la cavità interna del corpo 12 forma una camera cilindrica 26 delimitata lateralmente dalla parete cilindrica interna del corpo 12.

Inferiormente i tubi elicoidali 20a, 20b sono raccordati a rispettivi inserti tubolari 27 di materiale metallico antiusura, ciascuno dei quali à ̈ fissato in un foro passante secante 28 di una boccola 29 avente diametro esterno corrispondente al diametro interno della camera 26 e al diametro del disco anulare 21.

Nelle figure 11-13 à ̈ illustrato separatamente un sottogruppo rigido costituito dai tubi 20a, 20b bloccati superiormente nel disco 21 e fissati inferiormente agli inserti 27 e alla boccola 29. Tale sottogruppo viene preassemblato a parte e poi montato dal basso come un pezzo singolo nella camera 26 del corpo 12. L’orientamento angolare assunto dal sottogruppo quando i tubi 20a, 20b si innestano nelle sedi allargate 24a, 24b corrisponde alla posizione angolare di allineamento degli assi degli inserti tubolari 27 con le aperture di ugello 11 praticate nella parete cilindrica esterna del corpo 12.

Successivamente si innesta un tubo centrale inferiore 144 che si connette al fondo della porzione tubolare 141 e completa il condotto centrale 14 per il liquido di perforazione. Un disco anulare inferiore 30, di diametro corrispondente a quello della camera cilindrica interna 26, chiude ermeticamente la camera 26 contenente il sottogruppo formato dalla boccola con i tubi elicoidali e il disco superiore. Il disco inferiore à ̈ bloccato assialmente nella camera 26 mediante un anello seeger 31, e costituisce così uno spallamento assiale inferiore sia per il sottogruppo suddetto e sia per il tubo centrale inferiore 144. Si monta infine, nel fondo del corpo 12, il blocco filettato inferiore 32 che presenta la camera filettata 15 su cui va avvitato l’utensile di scavo (ad es. trilama, scalpello o tricono).

I tubi elicoidali 20a, 20b possono vantaggiosamente essere tubi metallici disponibili in commercio, che necessitano solo di essere ritorti ad elica con una curvatura tale da farli appoggiare lateralmente contro la superficie interna della camera cilindrica. Si noterà che tale configurazione conferisce ai tubi elicoidali il raggio di elica massimo che può essere contenuto nella camera cilindrica 26, con conseguente minimizzazione delle perdite di carico.

La maggior parte dei monitor di tipo noto, così come citato nell’introduzione, impartiscono contemporaneamente al fluido entrante nel monitor una accelerazione ed una variazione di direzione, combinando contemporaneamente una progressiva riduzione di sezione ed una deviazione secondo un percorso ad elica o comunque ricurvo. Secondo la presente invenzione, invece, l’accelerazione del fluido viene fatta inizialmente, a monte, senza imprimere una deviazione apprezzabile al flusso. Ciò viene realizzato dai tratti di condotto conici ad assi rettilinei, che sono relativamente semplici da costruire. La deviazione dalla direzione verticale a quella orizzontale di uscita dagli ugelli viene impartita più a valle, in modo economico mediante tubazioni cilindriche commerciali a sezione circolare costante. Non occorre che le tubazioni elicoidali abbiano sezione di area decrescente, dato che i flussi sono già stati accelerati nei condotti a cono rovesciato. È importante notare che la deviazione dei flussi ha luogo a partire da (due) punti il più possibile vicini alla parete periferica della cavità interna del monitor, e cioà ̈ lontani dall’asse centrale. Partendo da tali posizioni decentrate, i condotti che convogliano i flussi agli ugelli avranno raggi di curvatura più ampi e, conseguentemente, produrranno perdite di carico minori rispetto ai monitor che prelevano il flusso dalla zona centrale. Si apprezzerà che il monitor della presente invenzione rappresenta un compromesso tra semplicità costruttiva, costi contenuti e rendimento elevato.

La forma, le dimensioni ed i dettagli costruttivi e funzionali del monitor potranno differire sensibilmente dalla forma di realizzazione descritta ed illustrata nei disegni allegati. In particolare, il numero degli ugelli, e conseguentemente il numero dei condotti interni al monitor nei quali il flusso entrante nel monitor viene ripartito potrà essere diverso da due.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Testa di iniezione (10) per iniettare miscele consolidanti fluide pressurizzate in un terreno al fine di formare porzioni di terreno consolidate, dove la testa include: - un corpo esterno cilindrico (12) definente un asse longitudinale centrale (z) ed avente una cavità interna passante estesa longitudinalmente, - un ingresso superiore (13) per ricevere fluidi da una batteria di aste tubolari montabile superiormente alla testa, - almeno un ugello laterale di uscita (11) giacente in un piano perpendicolare o inclinato rispetto all’asse longitudinale (z), - almeno un condotto elicoidale (20a, 20b) che termina nell’ugello (11) e che impartisce al fluido che lo percorre un moto elicoidale attorno all’asse longitudinale (z) verso l’ugello (11); caratterizzata dal fatto che comprende almeno un tratto di condotto (17a, 17b) progressivamente rastremato verso il basso che collega l’ingresso superiore (13) al condotto elicoidale (20a, 20b), dove il condotto rastremato (17a, 17b) ha un asse geometrico sostanzialmente rettilineo e si collega al condotto elicoidale in una posizione (19a, 19b) as sialmente sfalsata rispetto all’asse longitudinale centrale (z), decentrata verso la periferia del corpo (12).
2. 2. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il condotto elicoidale (20a, 20b) Ã ̈ formato da almeno un tubo di sezione trasversale costante.
3. 3. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente almeno due di detti ugelli di uscita (11) e caratterizzata dal fatto che i condotti elicoidali (20a, 20b) e i condotti rastremati (17a, 17b) sono in numero corrispondente a quello degli ugelli (11).
4. 4. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che una porzione superiore del o di ciascun tubo elicoidale (20a, 20b) à ̈ bloccata in un rispettivo foro passante assialmente decentrato (23a, 23b) formato in un disco (21) montato nella cavità del corpo (12) ed avente un proprio bordo perimetrale a contatto con una superficie cilindrica di una camera interna (26) del corpo (12).
5. 5. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 2 o 4, caratterizzata dal fatto che la porzione sommitale del o di ciascun tubo elicoidale (20a, 20b) Ã ̈ impegnata a tenuta in una sede cilindrica (24a, 24b) costituente un allargamento della sezione inferiore (19a, 19b) del rispettivo condotto rastremato (17a, 17b).
6. 6. Testa di iniezione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che i condotti rastremati (17a, 17b) sono solidali o integrali al corpo esterno (12).
7. 7. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che i condotti rastremati (17a, 17b) sono formati in un pezzo unico con il corpo (12).
8. 8. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che il corpo (12) forma anche una porzione tubolare (141) longitudinale centrale costituente almeno un tratto superiore di un condotto (14) che corre coassialmente al centro del corpo cilindrico (12) dall’ingresso superiore (13) verso una camera inferiore (15) aperta verso il basso.
9. 9. Testa di iniezione secondo le rivendicazioni 4, 7 e 8, caratterizzata dal fatto che il disco (21) Ã ̈ un disco anulare che presenta un foro passante centrale (22) per accogliere un tubo (144) o una porzione tubolare (141) che fa parte del corpo esterno (12) e costituisce un tratto del condotto centrale (14).
10. 10. Testa di iniezione secondo le rivendicazioni 5 e 8, caratterizzata dal fatto che la porzione tubolare centrale (141) termina inferiormente a livello delle sedi cilindriche allargate (24a, 24b) e che al di sotto di questo livello il corpo (12) forma una camera cilindrica (26) delimitata lateralmente dalla parete cilindrica esterna del corpo (12).
11. 11. Testa di iniezione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti in quanto dipendenti dalla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il tubo o i tubi elicoidali (20a, 20b) sono adiacenti alla superficie cilindrica interna di una camera cilindrica (26) delimitata lateralmente dalla parete cilindrica esterna del corpo (12).
12. 12. Testa di iniezione secondo le rivendicazioni 2 e 11, caratterizzata dal fatto che il tubo o i tubi elicoidali (20a, 20b) hanno estremità inferiori collegate a un rispettivo inserto tubolare (27) metallico fissato in un foro passante (28) di una boccola (29) avente diametro esterno corrispondente al diametro della camera (26).
13. 13. Testa di iniezione secondo le rivendicazioni 2, 4, 12, caratterizzata dal fatto che il sottogruppo costituito dal tubo o tubi elicoidali (20a, 20b) collegati inferiormente al rispettivo inserto tubolare (27), la boccola (29) e il disco anulare (21) che blocca le parti superiori del tubo o tubi elicoidali costituisce un sottogruppo sostanzialmente rigido inserito nella camera (26).
14. 14. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i tratti di condotto rastremato hanno forma di settori di cono rovesciato.
15. 15. Testa di iniezione secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il condotto (17a, 17b) à ̈ rastremato per accelerare il fluido che lo attraversa ed il condotto (20a, 20b) à ̈ invece costante per convogliare il fluido accelerato fino all’ugello (11).
16. 16. Testa di iniezione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto l’almeno un tratto di condotto rastremato (17a, 17b) à ̈ a monte, mentre il condotto elicoidale (20a, 20b) à ̈ a valle del rispettivo tratto di condotto rastremato (17a, 17b).