具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒

技术领域

本发明涉及工程桩基建设设备技术领域，尤其涉及一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒。

背景技术

现有的旋转钻机在桩孔的施工过程中，钻孔到一定深度会遇到岩层，旋转钻机的钻筒下端设置的刀齿或牙轮存在钻进困难的问题，并且随着桩孔的钻进，桩孔内部的泥沙和钻下来的细碎岩石会不断包覆在钻筒下端的刀齿或牙轮上，导致钻筒的刀齿或牙轮快速升温，需要高频率的将钻筒提起进行清理，不仅造成刀齿或牙轮快速磨损、消耗量大、施工成本高，还严重制约桩孔的施工效率。

为此，专利号为202111516180.5的中国发明专利提出了一种自适应收放水管的钻进系统，该系统在桩孔上端口的两侧设有收放管装置和牵引定位装置，钻筒在桩孔内向下钻进时，钻筒上端转动接头的外转动环向下拉收放管装置内的供水管，向下的拉力使供水管张紧并下压滚轮式压力传感器甲，通过传感器甲、电机和编码器形成闭环控制系统，使电机控制卷管盘转动放管的速度，能够自适应的与钻筒钻进速度匹配，供水管随钻筒同步上下移动，持续将水注入到转动接头内；另外，在供水管向转动接头内供水的过程中，牵引定位装置的牵引绳同样被钻筒上端转动接头的外转动环向下拉，通过牵引绳的拉力来克服外转动环随着内固定环旋转的转动力，使外转动环处于相对静止状态，保证供水管持续且安全的向转动接头内供水；该钻筒的圆筒体内侧壁安装有注水管，注水管通过夹层筒体将冷却水喷射到下端刀齿的侧壁上进行冲刷排渣和降温，用于解决前面提到的刀齿冷却的问题；但是该钻筒在钻孔的过程中，随着深度的增加，钻进对象的变化，比如从泥土到沙石的变化，需要高压水源提高更高水压来进行下部冲洗，而水压增大会造成冷却水（冷却水内也含有少量沙子）也从内固定环和外转动环的接触面渗入到旋转接头内，冷却水内的沙子会造成内固定环和外转动环之间出现严重磨损，造成密封件被破坏，导致旋转接头密封性减弱，进一步造成高压水从此处渗漏，造成下部刀齿处供水不足，影响刀齿的寿命及作业效率。在实际的钻进运行中，常规设计的内固定环和外转动环之间密封结构寿命短、密封效果差，严重影响钻筒的施工作业。此外，由于此处转动副的结合面粗糙，摩擦力变大；会造成外转动环旋转时的阻力过大，旋转不顺畅，导致地表高压供水管及其牵拉绳受到拉力变大，容易出现高压供水管缠绕的问题；因此，必须发明匹配该钻筒的新型旋转接头，来解决密封和漏水问题，进一步的保证牵引绳能够起到正常的牵引抑制转动作用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒。

本发明的技术方案是：一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，包括钻筒体、安装在钻筒体支座上的旋转接头、安装在钻筒体内部来为钻筒体下端的刀齿提供冷却水的注水管，注水管的外端与高压水源连接，旋转接头包括固定套装在钻筒体支座上的内固定环、匹配套装在内固定环上的外转动环，内固定环和外转动环之间设有转动密封结构，内固定环的侧面中间沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形水腔室，外转动环的侧面中间设有与环形水腔室连通的冷却水管，内固定环的底面向上设有出水孔，出水孔和环形水腔室之间设有通孔连通，将冷却水从环形水腔室引入到出水口，然后从出水口引入到注水管内，出水孔的下端通过接头和注水管的上端连通；环形水腔室两侧的内固定环外侧面均沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形气腔室，在外转动环的侧面设有与环形气腔室连通的高压进气管，从高压进气管将气体引入到环形气腔室内。

优选的，在环形水腔室和环形气腔室之间设有两层环绕内固定环外侧面布置的若干个凹槽，靠近环形水腔室的一层若干个凹槽内设置有若干个湿度传感器甲，靠近环形气腔室的一层若干个凹槽内设有若干个湿度传感器乙，湿度传感器甲和湿度传感器乙为结构完全相同的传感器。

优选的，若干个湿度传感器甲之间的间距相同，若干个湿度传感器乙之间的间距相同。

优选的，环形气腔室和环形水腔室之间的内固定环外侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈甲。

优选的，环形气腔室和外转动环端面之间的外转动环内侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈乙。

优选的，所述的冷却水管和高压进气管上分别安装有流量计。

优选的，所述的冷却水管外端连接高压水源供应装置，设有冷却水供应压力调整单元，所述的高压进气管外端连接高压气源供应装置，设有高压气体的供应压力调整单元，还设有控制模块，湿度传感器甲和湿度传感器乙将获取信号传递给控制模板，控制模板发出调整信号给两个压力调整单元。

本发明的有益技术效果是：

（1）该旋转接头内设有湿度传感器甲和湿度传感器乙，二者均用于检查冷却水在转动副配合面内的渗透情况，二者的检测信号结合使用，能够实现不同工作状态的判断，然后根据这个判断分别调整高压水源的供应和高压气源的供应，实现二者之间的平衡与协调；能够时刻保持旋转接头处于气相和液相的界面压力平衡状态，保证旋转接头在钻进过程中处于最佳的密封状态，保证其转动的灵活性，同时还能保证下部刀齿处供水充足，不影响降温和正常钻进，保证刀齿的使用寿命。

（2）该钻筒中旋转接头的环形水腔室两侧均设有环形气腔室，环形气腔室内通入压缩气体之后能够在环形水腔室的两侧形成两个气密封环，气密封环可从内固定环和外转动环的接触面处向环形水腔室进行气体顶推，与环形水腔室向外渗透的高压水之间形成气相和液相的平衡，避免从冷却水中的泥沙进入到内固定环和外转动环之间的转动副配合面内，保证其转动的灵活性，并能够避免外转动环旋转时受到过大的阻力，因此不会使地表的高压供水管和牵引绳受到过大拉力，避免高压供水管出现缠绕的现象，保证了钻筒的连续高效运行。

（3）该旋转接头中结合两道密封圈，再加上内固定环和外转动环之间的结合面的气密封，形成特殊的三道密封结构，保证转动副的密封效果，最大可能的保证该转动接头使用寿命。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明钻筒的立体结构示意图；

图3是本发明的仰视结构示意图；

图4是图3的A-A向剖视图；

图5是图4的局部放大图；

图6是图5的B-B向剖视图；

图7是图5的C-C向剖视图；

图8是本发明钻筒的在钻机上的使用过程流程图。

图中，01.钻筒体、11.钻筒体支座、02.旋转接头、21.内固定环、22.外转动环、23.环形水腔室、231.冷却水管、232.出水孔、233.通孔、234.接头、24.环形气腔室、241.高压进气管、25.密封圈甲、251.密封圈乙、26.湿度传感器甲、261.湿度传感器乙、27.注水管、28.高压气源、29.高压水源、30.流量计。

具体实施方式

实施例一，参见说明书附图 1-8，一种具有气液双相界面压力平衡密封转动接头的钻筒，包括钻筒体、安装在钻筒体支座上的旋转接头、安装在钻筒体内部来为钻筒体下端的刀齿提供冷却水的注水管，钻筒及其钻进系统的具体结构和功能可参考专利号为202111516180.5的中国发明专利。

旋转接头包括固定套装在钻筒体支座上的内固定环、匹配套装在内固定环上的外转动环，内固定环的侧面中间沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形水腔室，外转动环的侧面中间设有与环形水腔室连通的冷却水管，冷却水管的外端通过高压供水管与高压水源连接，高压供水管通过冷却水管将冷却水供入到环形水腔室内，内固定环的底面向上设有出水孔，出水孔和环形水腔室之间设有通孔连通，冷却水从通孔进入到出水孔内，出水孔的下端通过接头和注水管的上端连通，环形水腔室内的冷却水通入到注水管内；环形水腔室两侧的内固定环外侧面均沿圆周方向设有环形槽，该环形槽和外转动环之间形成环形气腔室，在外转动环的侧面设有与环形气腔室连通的高压进气管，冷却水管和两个高压进气管上下相邻布置，进气管通过高压气管与高压气源连接，环形气腔室内通入高压气体之后能够在环形水腔室的两侧形成两个气密封环，气密封环可从内固定环和外转动环的接触面处向外施加气体压力用于顶推，与环形水腔室向外渗透的高压水之间形成气相和液相的平衡，保证冷却水不进入到转动副配合面内，保证转动副的灵活转动。

在环形水腔室和环形气腔室之间设有两层环绕内固定环外侧面布置的若干个凹槽，靠近环形水腔室的一层若干个凹槽内设置有若干个湿度传感器甲，靠近环形气腔室的一层若干个凹槽内设有若干个湿度传感器乙。湿度传感器甲与湿度传感器乙二者配合工作，其检测信号结合后，用于对冷却水渗透程度的判断，在此基础上给高压气源和高压水源的具体压力控制提供指导。

若干个湿度传感器甲之间的间距相同，若干个湿度传感器乙之间的间距相同。

环形气腔室和环形水腔室之间的内固定环外侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈甲；环形气腔室和外转动环端面之间的外转动环内侧面中部设有环形槽，该环形槽内套有密封圈乙，密封圈的甲和密封圈乙起到二级防护作用，避免冷却水进入到内固定环和外转动环之间。

所述的冷却水管外端连接高压水源供应装置，设有冷却水供应压力调整单元，所述的高压进气管外端连接高压气源供应装置，设有高压气体的供应压力调整单元，还设有控制模块，湿度传感器甲和湿度传感器乙将获取信号传递给控制模板，控制模板发出调整信号给两个压力调整单元。上述高压进气管随冷却水管一起附在中国专利202111516180.5自适应收放水管的钻进系统的牵引绳上，随牵引绳一起收放，具体收放过程参见该专利的说明书部分。

本发明的工作过程和原理是：第一步，将钻筒安装在旋挖钻机的钻杆下端，将两根高压进气管分别与高压气源连接，将旋转接头上的冷却水管与高压水源连接；第二步，启动旋挖钻机，钻筒向下旋转钻孔，高压水源通过冷却水管将冷却水注入到旋转接头内的环形水腔室内，环形水腔室通过接头将冷却水通入到注水管内，边旋挖边对钻头进行冲刷冷却；第三步，随着钻孔深度的不断增加，钻头下端遇到的钻进对象发生变化，冲刷的难度逐渐变大，冷却水管的水压逐渐增大，此时气密封环从内固定环和外转动环的接触面处向旋转接头中部环形水腔室方向施加气压，高压气体能够和冷却水之间形成气液双相的平衡界面，能够很好的防止冷却水从接触面渗入到内固定环和外转动环之间；第四步，钻进的过程中湿度传感甲和湿度传感器乙能够及时将冷却水渗入的信号传递给高压水源的控制单元，在传感器甲和传感器乙的信号配合下，通过控制外部高压水源和高压气源的供应压力，，能够时刻保持旋转接头处于气液平衡状态，保证旋转接头在钻进过程中处于最佳的密封状态。

对于湿度传感器甲和乙的搭配工作还能实现如下的功能：

1.钻筒启动时的检测：

通过高压气源的和高压水源的各自供应压力的此消彼长，结合湿度传感器甲和乙的湿度信号变化，来判断冷却水管路和气管是否能够供应到旋转接头内，用于钻桶启动时的检测过程。

1.1先将冷却水供应压力高压状态运行，高压气源供应压力低压状态运行一段时间，若湿度传感器甲能检测到湿度信号，说明钻筒的高压水源的供应管路通畅，并且能够供应到旋转接头内，否则不通，需要检修水管。

1.2，在完成1.1后，确定高压水源的供应管路通畅后，降低冷却水供应压力，同时升高高压气源的供应压力，该状态运行一段时间后，湿度传感器甲一直能检测到湿度信号，说明气管不通，需要检修气管；若湿度传感器甲从有湿度信号变为没有湿度信号，说明气管畅通，并且能够供应到旋转接头内。

2.正常钻进过程中，启动外部冷却水的高压供应，用于下部钻头的冲刷，启动外部高压气源的气体供应，气体和冷却水在旋转接头内形成气液双相界面压力平衡密封状态，保护旋转接头内部的密封结构；

2.1.调高水压后，造成气液失衡，通过跟随调高气压形成新的平衡

当然随着钻进对象的变化，其冲洗难度和冷却要求不一样，会对冷却水的供应压力有不同的要求，这样就会对冷却水的供应压力进行调整，比如背景技术中提到的从泥土到沙石的变化，钻进速度、排渣要求，降温要求均提高了，就需要调高冷却水的水压，冷却水供应压力调高运行一段时间后，湿度传感器乙会检测到湿度信号，说明气液出现失衡，此时逐步增加高压空气的供应气压运行，若湿度传感器乙逐渐变为没有湿度信号，湿度传感器甲还保持有湿度信号，说明高压空气与高压冷却水在旋转接头内的转动副工作面内又形成了新的气液平衡；

2.2.调低水压后，造成气液失衡，通过跟随调低气压形成新的平衡

当然随着钻进对象的变化，其冲洗难度和冷却要求不一样，会对冷却水的供应压力有不同的要求，这样就会对冷却水的供应压力进行调整，如钻进对象从沙石到泥土的变化，泥土相对容易排渣，容易冲洗，冷却水的压力就会同步调低，当冷却水供应压力调低运行一段时间后，湿度传感器甲和乙都检测不到湿信号，说明气液出现失衡，此时逐步降低高压空气的供应气压运行，若湿度传感器甲逐渐变为有湿度信号，湿度传感器乙还保持有没有湿度信号，说明高压空气与高压冷却水在旋转接头内的转动副工作面内又形成了新的气液平衡；

上述两种气液失衡的调整过程，是一个逐步调整适配的过程，可以根据湿度传感器甲和乙的信号以及供应压力的数值来总结气液之间不同工况下的适配经验和规律，这样就可以形成依据钻杆深度、钻进对象的材质、转速等来形成合适的气液平衡方案，利于后期对其他钻取工程进行指导，若2.1和2.2的调整过程无论如何调整都是湿度传感器甲和乙检测到的都是有水，并且增加气压后也解决不了这个问题，就说明密封结构已经被损坏了，需要对该旋转接头进行检修。

实施例二：实施例二与实施例一的基本相同，相同之处不重述，不同之处为所述的冷却水管和高压进气管上分别安装有流量计，用于实时检测钻筒工作过程中是否两个管道中的流量情况，实时来判断二者的供应是否正常，当然也可结合下面湿度传感器甲和乙的信号对管路进行综合判断，判断过程类似实施例一种的启动检测部分，不再赘述。