CN101072966B - 用于密封管接头的密封材料和方法，密封材料的制造方法 - Google Patents

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Abstract

为了气密地密封具有螺纹的管接头，使用具有矩形横截面的聚四氟乙烯单丝，所述单丝缠绕在较小直径管的端部的外螺纹上，较大直径管的具有内螺纹的端部旋拧在该端部上。少量的润滑剂——优选地为可生物降解的清洁剂——涂敷在缠绕的PTFE单丝上，从外部润湿所述缠绕的材料。为了制造PTFE单丝，挤出单独的单丝，并通过加热从单丝中除去挤出添加剂，然后对单丝进行受控的拉伸和压延以使单丝具有希望的横截面形状。可设想单个分配器用于分配来自卷轴的PTFE单丝和清洁剂。

Description

用于密封管接头的密封材料和方法,密封材料的制造方法
技术领域
本发明涉及用于输送流体的管的接头的密封，更具体地涉及一种用于在所述接头形成期间密封接头的材料、用于制造该材料的方法以及用于容纳和分配该密封材料的分配器。 
背景技术
众所周知，当管的两个部分通过螺纹连接在一起时，在相互螺纹连接区域内涂敷密封剂以便确保防止在管内流动的液体泄露的密封。 
此流体经常处于高于管外部压力的压力下，因此如果密封不当则会发生不可接受的外部泄漏，导致公知的并且不需要专门和详细解释的问题和缺陷：考虑用于输送和分配易燃液体或气体的管便足以容易地理解这些密封是多么重要和精密。 
为了形成这些密封，过去使用植物材料(酒椰叶纤维或亚麻短纤维)的细丝，所述材料缠绕在较小直径部分的螺纹上，同时在缠绕的细丝上涂敷油漆或膏剂。但是，得到的密封不能提供最优的结果，尤其是由于油漆随着时间流逝而变干，导致气密封被破坏，因此需要频繁维护和修理。 
最近，此密封系统已被塑料材料尤其是聚四氟乙烯(PTFE)的条带的应用所代替。 
 对于密封问题，必须注意，当管的两个螺纹部分旋拧在一起时——螺纹位于较小直径部分的外端面上以及较大直径部分的内端面上，各个螺纹的牙顶或脊部装在相对螺纹的牙槽内，但是在两个相对设置的部分之间仍存在间隙——尽管很小，通过该间隙会发生流体从较高压力区域到较低压力区域的泄漏。密封材料正好具有填充此间隙并保持其随着时间的流逝仍被填充和气密地封闭的作用。 
关于这一点，必须注意，在接头形成期间，在向一个或两个螺纹部分——优选地向其外表面上具有螺纹的较小直径部分的螺纹端部上——涂敷密封材料之后，将这两个部分旋拧在一起，并且该旋拧操作可确保密封材料最终被定位在螺纹的牙顶或脊部与另一个螺纹的牙槽之间留有的间隙内。但是，该旋拧步骤不能被控制以确保密封材料完全按照希望定位在确保密封的位置处。 
此外，即使当接头在不利环境中使用时，例如当管被掩埋从而其受到湿气以及地下存在的任何物质的作用时，仍必须确保密封功能。除了这种情况，还必须指出，接头在不同季节受到的温度波动同样造成不利的影响，该波动会导致形成接合在一起的管部分的材料膨胀和/或收缩：这些膨胀和收缩现象很明显会影响密封。 
另一问题在于在接合的管内输送的流体的温度，该流体可例如是高温和高压的蒸汽。 
再次考虑根据已知技术的密封材料的上述两种情况的示例，密封材料不仅至少部分地填充螺纹之间的间隙，而且(尤其是在旋拧操作之后)会部分覆盖螺纹的牙顶或脊部，从而会损坏完美的密封。 
目前已发现——该发现形成本发明的主题——使用具有矩形优选地为方形横截面的聚四氟乙烯单丝作为密封材料可完全解决迄今为止已知密封材料以及得到的密封所遇到的问题和缺陷。 
发明内容
在本发明的优选实施例中，当将上述材料施用到第一管部分——该第一管部分将与能够连接到该第一部分的另一个类似的螺纹部分相接合——的螺纹上时，其与优选为常规清洁剂(优选地可生物降解)的润滑剂结合使用，该润滑剂以少量滴状物的形式施用到缠绕的PTFE单丝上，然后被涂敷在缠绕有PTFE的螺纹的整个范围。 
然后如果按照正常的紧密度旋拧第二管部分，则可获得非常好的密封。 
仍然是关于该优选实施例，沿螺纹方向不按任何特定的缠绕方法沿接头缠绕PTFE单丝，该缠绕沿轴向方向延伸越过最小8-10mm的长度，该长度是根据不同参数例如管的直径、螺纹的尺寸以及形成管的材料的品质选择的。 
不是对本发明施加任何不适当的限制，利用根据本发明的单丝获得的非常好的密封看上去是由于单丝相对于传统密封材料的不同特性而获得的。 
前面参考了密封材料对于在接头形成期间相互作用的两个螺纹所必须起到的作用。还必须指出，在管部分之间的连接处的螺纹决不是完美的，具体地，螺纹的牙顶与此螺纹装在其中的相对螺纹的牙槽的底部之间存在的间隙是变化的。 
在传统的密封材料尤其是亚麻短纤维的情况下，细丝状材料必须围绕螺纹缠绕足够的量以填充螺纹的脊部和此脊部装在其中的螺纹的相对牙槽的底部之间的最大剩余厚度。 
为了确保密封——尤其是接头将要在存在加压流体和/或温度远远不同于环境温度的情况下操作时，在酒椰叶纤维或亚麻短纤维的情况下，必须添加大量的油漆或膏剂。但是，在塑料带的情况下，旋拧操作使得该带沿螺纹的脊部或牙顶切割并且聚集在牙顶和面对的牙槽之间的残留间隙内：然而，该带还沿螺纹的侧面排列，从而在对于密封效果非常重要的区域内不能实现螺纹之间非常好的接头。 
在根据本发明的PTFE单丝的情况下，单丝被装在连续的螺纹的牙槽内，并且当执行具有相对螺纹的另一个管部分的旋拧时，单丝由于其展延性和可压缩性而伸长，并且更通常地是被模塑，从而产生一种PTFE薄膜，该薄膜在旋拧期间被固定并填充留下的自由间隙。 
少量由液体清洁剂组成的添加剂的唯一的用途是帮助将第二管部分旋拧到具有缠绕的PTFE单丝的第一部分的螺纹上。 
本发明还涉及一种用于在管之间形成气密封接头的方法，所述管是这 样的类型，即，将要接合在一起的两个管的直径相互稍有不同，从而较小直径的管可以被旋拧到较大直径的管的端部内，其中所述较小直径的管在将被接合的端部的外表面上具有螺纹，所述较大直径的管的端部在其内表面上具有相应螺距的螺纹，其特征在于以下操作： 
1)将具有矩形优选为方形横截面的聚四氟乙烯单丝围绕该较小直径管的所述具有螺纹的端部缠绕预定数量的圈数； 
2)在所述缠绕的材料上施用少量滴状物形式的润滑剂，并将该滴状物涂敷在缠绕的PTFE单丝的外表面上，该润滑剂优选为液体清洁剂，更优选为可生物降解的类型；以及 
3)将较大直径管的具有内螺纹的端部旋拧到具有所述缠绕材料的所述较小直径管的所述具有外螺纹的端部上，直到在两个管之间实现良好的紧密度。 
单丝在较小直径的管的端部上的缠绕圈数依赖于管的质量和直径以及粗牙或细牙螺纹。 
例如，在直径为1/2英寸且具有细螺纹的优质管的情况下，缠绕8-10圈就足够了，而在具有相同直径和粗螺纹的劣质管的情况下，圈数要增加到10-12圈。 
然后如果考虑直径为11/2英寸的管，则上述圈数分别为16-20以及20-24。 
对于将要施用的润滑剂的量，缠绕的材料必须被稍微弄湿以便有助于随后旋拧较大直径的管。 
最后，对于紧固力，其与将两个管状管部分旋拧在一起时施加的紧固力基本相同，即直至达到这样的状况——不施加过大的力则不再能够进一步相对转动。 
本发明还涉及一种用于制造PTFE单丝的方法，该方法包括以下步骤： 
(1)制备挤出混合物，该挤出混合物本身在单丝挤出领域中是公知的，其包含细粉末形式的纯PTFE和用于挤出PTFE的制剂或添加剂； 
(2)利用机械挤压所述混合物来制备预制件； 
(3)优选地利用多挤出喷嘴挤出机挤出单独的单丝，获得的单丝每根直径在0.3和1.9mm之间、优选地不小于1.2mm，密度为1.5g/cm3，该密度是未烧结PTFE的特性； 
(4)将单丝加热到适于提取挤出添加剂的温度，该温度对于已知添加剂大约为200℃； 
(5)在260和315℃之间的温度下拉伸所得到的单丝，以便将单丝的密度减小到0.2和1g/cm3之间的值； 
(6)压延单丝以便使其横截面为矩形、优选地为方形，其中厚度小于2mm，宽度小于3mm；以及 
(7)将单丝缠绕到具有预定长度和直径的卷轴上。 
利用根据本发明的方法，由此获得可用作密封材料的单丝。 
应指出，在优选地与缠绕到卷轴上同时执行的压延步骤期间，单丝的密度增加到0.7和1.1g/cm3之间。 
本发明还涉及一种用于分配PTFE单丝和旋拧润滑剂的特殊装置，该装置尤其有利于形成密封的管接头。 
本发明的分配器包括箱状壳体，该箱状壳体包括能够容纳具有缠绕的单丝的卷轴的第一室，所述箱状壳体具有限定所述第一室并在其中形成用于分配单丝的孔的端壁，该孔优选地与所述卷轴同轴地对齐，该单丝通过施加在从所述端壁突出的单丝的端部上的简单的拉力从卷轴上松开，所述端壁优选地具有一种装置，该装置用于切割预定长度的一段所述单丝，使得单丝的尾端总保持从所述端壁突出，所述箱状壳体还包括用于容纳可取出的润滑剂分配器的第二室，所述润滑剂分配器优选地为所谓的“滚擦式”。 
附图说明
从下文参照附图对本发明的优选实施例的说明中可更清楚地了解根据本发明的分配器的具体方面和优点，在附图中： 
图1是根据本发明的分配器的优选实施例的侧向剖视图； 
图2是根据图1的分配器的分解视图；以及 
图3是PTFE单丝的剖视图。 
具体实施方式
参照附图，本发明的分配器包含圆柱形的箱状壳体10，在该箱状壳体内隔板12分别限定了两个室、第一室14和第二室16。 
第一室14用于容纳卷轴18，一预定量(通常为大约100米或更长)的如上文定义的PTFE单丝缠绕在该卷轴上。 
第一室14的顶端由罩或壁20限定，该罩或壁优选地稍微为截头圆椎形，并且在其顶点总是与第一室14的轴线同轴地具有适当尺寸的孔22，形成卷轴18的单丝24通过该孔并因此可被抽出。 
罩20具有厚度变化的凸缘，以便允许以预定距离插入第一室14的端部并搁置在箱状壳体10的端部边缘上。 
优选地，单丝24在卷轴18上的缠绕执行成使得单丝可从卷轴18的内部轴向孔自由地抽出。 
箱状壳体10的第二室16用于容纳用于分配润滑剂或清洁剂的所谓的滚擦式装置，所述装置包含容器30，该容器顶部具有截头圆锥形壁32，在该壁32的内部形成有分配孔34。 
容器30的底端通过盖36封闭，用于容纳压缩弹簧40的管状导向件38从该盖突出，该压缩弹簧支承一直径稍大于孔34的直径的球42。 
盖36的周缘44具有突出唇缘式形状46，其接合在箱状壳体10的端壁中的对应凹腔内部，与第二室16相对，以便当盖36安装在容器30的底部上时，可确保密封以防止所述容器内容纳的液体清洁剂通过容器的底部泄露。 
盖36的安装还可以使球42接触由此被封闭的孔34。 
从图1可容易地理解，管状导向件38的高度小于容器30的轴向高度，从而球42的侧部接触容器内(更准确地是其室31内)存在的液体组分并被其浸湿。 
最后，仍参照根据本发明的分配器的优选实施例，总体上用标号50 指示的切割装置安装在上部罩20的外表面上。 
此切割装置可以是通常与细丝状材料的分配器共同使用的类型。 
但是，在根据本发明的分配器的情况下，所述切割装置包含具有加宽的伞状头部54的销52。销52能够装在壁20内形成的对应的孔56内，并以传统的方式固定在那里。头部54通过轴环58保持与罩20的外表面分隔开。垫圈60设置在轴环58的基部和罩20的外壁之间，并且具有从该垫圈突出的由钢刀片组成的切割元件62，该刀片具有高度的弹性，并且形状形成为具有合适的曲率，从而切割元件向上延伸并且相对于孔56的轴线沿径向向外张开。 
在所示的实施例中，这些切割元件的数量为四个，并因此彼此相隔90°地设置。 
在根据本发明的分配器的正常使用期间，单丝24通过孔22被抽出并围绕装置50特别在头部54和垫圈60之间缠绕，以便单丝不发生任何切割操作地接触切割元件62的外表面。 
当要形成接头时，将单丝从该切割装置松开，并且以上文所述方式在希望的长度上围绕较小直径的管部分的螺纹执行缠绕。 
当已完成希望程度的缠绕时，通过施加f操作将单丝接合到切割装置50而不必设置在精确的给定位置上，从而单丝被与其接触的切割元件62切断。 
在切割装置下游的单丝的剩余部分再次应用到管部分的螺纹上，而单丝的另一端不被拉紧地在切割装置50上缠绕一圈或多圈。 
这里，用于施加清洁剂的容器30被从箱状壳体10的底部即第二室16取出，并且放置成与已经缠绕在管部分的螺纹上的单丝部分接触，使该容器滑动，从而球42正是由于其转动而向上述缠绕物传送少量清洁剂并粘附在其表面上。 
如已经提及的，通过手动操作使清洁剂更均匀地分布在缠绕的单丝的表面上，然后将容器30重新安置在箱状壳体的第二室16内。 
然后将另一个管部分旋拧在具有缠绕的单丝的管部分上，并执行常规 的上紧操作以便获得非常好的密封。 
在正式的材料测试实验室中对该接头的流体密封性进行密封试验。 
值得一提的试验是在卡尔斯鲁厄(Karlsruhe，德国)的DVGW-Forschungstelle，Prueflaboratorium Gas进行的试验，该试验于2004年2月19日颁发了证书以证实根据本发明的密封材料符合欧洲标准EN751.3FRp和GRp这一事实。试验在20℃到150℃的温度下使用压缩到30bar的氮气循环执行，并且管浸没在容纳水的箱体内以便指示任何泄露。 
值得注意的是，如报告中的字母F和G所指示的那样，针对抛光类型的细螺纹和粗螺纹进行试验并证实根据本发明的密封材料，此外，代码Rp表明，即使接头被拧松45°密封材料仍保持其密封作用。 
在由卡尔斯鲁厄大学相同的机构执行的进一步试验中，根据本发明的密封材料在室温下当水池内存在压缩到100bar的氮气的情况下仍保持其密封作用(标准EN751)。 
对于根据本发明的密封材料，值得提及以下优点： 
-对于任何即使具有侵蚀特性的化学产品和溶剂是完全化学惰性的； 
-化学惰性，对于在配备有所述接头的管内输送的流体没有影响； 
-完全抵抗结垢的形成、氧化和表面弱化； 
-完全抵抗具有微生物和/或真菌特性的侵蚀制剂； 
-在-200℃到+200℃温度范围内的稳定性； 
-不可燃和不易燃； 
-极度防水并且完全抗水解； 
-无限期地保持柔韧性和延展性； 
-除了常用的可生物降解的清洁剂作为润滑剂之外，没有添加剂和外部制剂。 
此外，如已经提到的那样，根据本发明的PTFE单丝不需要膏剂或油漆以执行其操作。 

Claims (15)

1.用于管接头的密封材料，其特征在于，所述密封材料由横截面为矩形的聚四氟乙烯单丝组成，所述聚四氟乙烯单丝的厚度小于2mm，宽度小于3mm。
2.根据权利要求1所述的用于管接头的密封材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯单丝具有方形横截面。
3.根据权利要求1或2所述的用于管接头的密封材料，其特征在于，所述聚四氟乙烯单丝的密度在0.7和1.1g/cm3之间。
4.用于在管之间形成气密封接头的方法，所述管是这样的类型，即，将要接合在一起的两个管的直径相互稍有不同，从而较小直径的管可以被旋拧到较大直径的管的端部内，其中所述较小直径的管在将被接合的端部的外表面上具有螺纹，所述较大直径的管的端部在其内表面上具有相应螺距的螺纹，其特征在于以下操作：
(1)将根据权利要求1所述的具有矩形横截面的聚四氟乙烯单丝以预定数量的圈数缠绕到所述较小直径的管的所述具有螺纹的端部；
(2)在所述缠绕的聚四氟乙烯单丝上施用几滴润滑剂，并将润滑剂涂敷在缠绕的聚四氟乙烯单丝的外表面上；以及
(3)将较大直径的管的具有内螺纹的端部旋拧到具有所述缠绕的聚四氟乙烯单丝的所述较小直径的管的具有外螺纹的端部上，直到在两个管之间实现良好的紧密度。
5.根据权利要求4所述的用于在管之间形成气密封接头的方法，其特征在于，所述聚四氟乙烯单丝具有方形横截面。
6.根据权利要求4所述的用于在管之间形成气密封接头的方法，其特征在于，所述润滑剂是液体清洁剂。
7.根据权利要求6所述的用于在管之间形成气密封接头的方法，其特征在于，所述液体清洁剂是可生物降解的。
8.根据权利要求4所述的用于在管之间形成气密封接头的方法，其特征在于，所述润滑剂的添加量为使得在涂敷之后缠绕的聚四氟乙烯单丝略微潮湿。
9.用于制造可用作根据权利要求1所述的密封材料的聚四氟乙烯单丝的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)制备挤出混合物，其包含细粉末形式的纯聚四氟乙烯和用于挤出聚四氟乙烯的制剂或添加剂；
(b)利用机械挤压所述混合物来制备预制件；
(c)挤出单独的单丝，获得的单丝每根直径在0.3和1.9mm之间，密度为1.5g/cm3；
(d)将单丝加热到适于提取挤出添加剂的温度；
(e)在260和315℃之间的温度下拉伸所得到的单丝，以便将单丝的密度减小到0.2和1g/cm3之间的值；
(f)压延单丝以便使其横截面为矩形；以及
(g)将单丝缠绕到具有预定长度和直径的卷轴上。
10.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，步骤(c)获得的所述单丝的直径不小于1.2mm。
11.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，步骤(d)中的所述加热在大约200℃的温度下执行。
12.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，所述步骤(f)中得到的单丝的横截面的厚度小于2mm，宽度小于3mm。
13.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，所述步骤(f)和(g)同时执行，并且由压延步骤得到的单丝的密度在0.7和1.1g/cm3之间。
14.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，所述步骤(c)中利用多挤出喷嘴挤出机挤出单独的单丝。
15.根据权利要求9所述的用于制造聚四氟乙烯单丝的方法，其特征在于，所述步骤(f)中得到的单丝具有方形横截面。
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