CN101535702B - 低应力模制垫片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种模制的不连续的低应力垫片由重构的填充PTFE构成，用于在相对低的螺栓载荷下在腐蚀性或极端化学环境中使用。该垫片具有垫片表面并且包括凸起的外密封环和凸起的内密封环。该垫片可以由重构的填充PTFE构成，密封环在较低的压力下比垫片的其余部分变形大。
Description
技术领域
本发明大体涉及流体密封和垫片连接领域，并且更具体地涉及用于在易碎接头中使用的低应力模制垫片，所述易碎接头为例如为塑料(举例来说，聚氯乙稀或“PVC”)、纤维增强塑料(FRP)和玻璃衬里管，其中螺栓载荷相对低以防止损坏法兰连接。
背景技术
垫片是夹在两个可分离的构件之间或机械连接的法兰之间的材料或材料组合。垫片起作用以实现法兰之间的密封并且将密封维持一持久的时段。图1是夹在机械连接32的两个法兰24、28之间的垫片20的横截面图。法兰24、28通过螺栓36固定在一起。图1也示出了可能作用在连接32上的常见的力，例如螺栓载荷X、流体静压端面力Y和崩出压力(blowout pressure)Z。在许多应用中，垫片20必须能密封配合表面40、44，并且对于所密封的介质是不可渗透的并且耐所密封的介质的。在许多应用中，这样的垫片20也必须能经受较高的温度和压力。在腐蚀性应用中，例如在化工厂中遇到的腐蚀性应用中，通常使用PVC和FRP管道。应理解，使用这些材料的管道系统是有些易碎的并且需要在相对低的螺栓载荷下实现密封的垫片，从而不会使法兰破裂或以其它方式损坏法兰。垫片也必须是尺寸稳定的，以在加工中的可能的热变化范围内维持密封并且具有宽的化学适应性。
处理与用于在易碎连接中使用的垫片相关的问题的先前尝试已经包括，例如，包层垫片(envelope gasket)、橡胶垫片、橡胶/聚四氟乙烯(PTFE)垫片、填充PTFE(filled PTFE)板、微孔/多孔PTFE板、和复合PTFE板。因为PTFE有许多用作垫片材料的优良性能，PTFE通常被用于在极端环境或腐蚀性化学环境中的垫片。例如，PTFE本身是坚韧的、化学惰性的，具有良好的抗拉强度，并且在宽范围的温度下是稳定的。然而，纯PTFE聚合物在低的法兰载荷下不是高度可压缩的并且也倾向于蠕变，它们可能导致密封压力的损失。包层垫片是由PTFE包层组成的复合结构，该PTFE包层填 充有更可压缩的填充物，例如可压缩的纤维或毛毡。PTFE包层提供了耐化学性同时通过填充材料提供了可变形能力。然而，PTFE包层是相对薄的(0.010到0.020英寸)并且在制造期间或在使用中可能形成针孔，因此将填充物暴露于不相容的腐蚀性介质，这可能导致密封压力的损失。这种包层垫片也具有最小可压缩的部件，即，作为最外面的垫片表面的PTFE包层在低的法兰载荷下不是高度可压缩的或可变形的。
因为橡胶垫片的可压缩性和弹性，以及它们在相对低的螺栓载荷下的密封能力，在塑料和FRP法兰中通常使用橡胶垫片。然而，橡胶垫片的耐化学性和耐热性有限，并且对于每个应用必须确定适当的化合物(compound)。因此，使用相同管道的多种工业生产液流可能需要耗时的和高成本的垫片更换。橡胶/PTFE垫片在橡胶垫片的内尺寸(inner dimension)上结合有PTFE包层。该包层提高了耐化学性，同时橡胶基片提供了可压缩性和可变形性。然而，PTFE包层再一次是薄的(0.010到0.020英寸)并且在制造期间或在使用中可能形成针孔，因此使得橡胶基片暴露于不能共存的腐蚀性的介质。同样地，在低的法兰载荷下不是高度可压缩的和可变形的PTFE包层位于橡胶/PTFE垫片的最外面。
通过将微球结合到PTFE板材料中能获得具有良好的可压缩性的填充PTFE板。尽管PTFE板材料提供了由最终用户进行修整和修改的灵活性，但是填充PTFE板材料典型地需要相对高的螺栓载荷以实现密封。能使用多种技术生产微孔/多孔PTFE板，其中一种包括在修整板之前将填充物加入到PTFE中并且然后在形成板之后去除填充物。这样，避免残存在板材料中，这为它提供了期望的多孔性(也就是，微孔PTFE)。另一种方法包括特定顺序的挤压、拉伸，并且然后加热以形成被称作多孔PTFE的产品。然而，微孔和多孔PTFE通常是非常软的和易弯曲的，并且在法兰间隔有限的情况下难以安装。而且，因为微孔和多孔PTFE板是多孔的，由它们中的任一个切割成的垫片必须完全压缩以封闭孔隙从而防止通过垫片泄漏，并且由这些板切割成的垫片典型地需要相对高的螺栓载荷以实现密封。为了处理与微孔/多孔PTFE材料相关的硬度问题，已经提议将多孔微孔和/或多孔PTFE板的层叠压在金属或完全致密PTFE基片上，但是试验显示，这些材料同样需要相对高的螺栓载荷以实现密封。
发明内容
本发明的多个方面提供了用于在腐蚀性或极端化学环境中使用的由重构的填充PTFE构成的模制的不连续(discrete)的低应力垫片。本发明的实施方式包括切割重构的填充PTFE环坯和在分批式炉内将重构的填充PTFE环坯加热到其凝胶点，并且其后将该坯传送到处于室温的压模内，该压模配置成在坯的相反面上模制例如两个或三个凸起的同心密封环。快速地闭合模具并且然后在液压机里在大约2000到3000磅每平方英寸的压力下冷却制品。其后打开模具和取出制品并且使用钢刀模(steel rule die)或等效切割设备进行修整。在最终的垫片中，在模制加工期间邻近环的区域被较大的程度地压缩，导致填充PTFE的较高的致密性。这些区域为垫片提供了强度和硬度，而密封环的区域大体上原样保留，形成了高可压缩性区域。
根据本发明的一个方面，提供了一种模制的PTFE垫片，包括：凸起的密封环；和邻近所述凸起的密封环的肋区域，其中所述凸起的密封环由致密度小于形成所述肋区域的重构的填充PTFE的重构的填充PTFE形成，所述肋区域为所述垫片提供强度和硬度，并且相对于所述肋区域所述凸起的密封环具有高可压缩性，其中所述凸起的密封环和所述肋区域的重构的填充PTFE填充有微球。
优选地，其中所述凸起的密封环和所述肋区域彼此一体地形成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种制造垫片的方法，所述方法包括以下步骤：提供重构的填充PTFE板；从所述重构的填充PTFE板切割出环坯；将所述环坯加热到重构的填充PTFE的凝胶点；将所述环坯插入到压模内，所述压模配置成在所述环坯的一对相反面的每一个上模制出至少一个凸起的密封环；在压力下在所述压模内冷却所述环坯直到所述环坯形成垫片；和从所述压模内取出垫片。
优选地，所述方法进一步包括：干燥重构的填充PTFE板以基本去除可在所述重构的填充PTFE板内的任何溶剂。
优选地，其中在225°F温度下干燥所述重构的填充PTFE板。
优选地，其中所述环坯被加热到700°F的温度。
优选地，其中所述环坯被加热15分钟。
优选地，其中在2000到3000磅每平方英寸的压力下在所述压模内冷却所述环坯。
优选地，其中在压力下在压模内冷却所述环坯1分钟的时间。
优选地，其中重构的填充PTFE板的重构的填充PTFE填充有微球。
在下面的描述中将部分地阐明本发明的另外的益处和新颖的特征，并且基于下面的分析，部分地对本领域技术人员而言将是显然的。
附图说明
图1是夹在机械连接的两个法兰之间的垫片的横截面视图，其示出了影响连接的力，例如螺栓载荷、流体静压端面力、和崩出压力；
图2是示例性的实施方式的具有两个同心密封环的低应力模制垫片的透视图；
图3是示例性的实施方式的具有两个同心密封环的低应力模制垫片的顶视图；
图4是沿着图3中的截线A-A的横截面图；
图5是图4中的部分B的放大图；
图6示出了包括本发明的实施方式的垫片和多种其它类型的垫片材料的对比试验结果的实例；
图7示出了根据本发明的实施方式的垫片和多种其它类型的垫片材料的另外的对比试验结果的实例；
图8示出了根据本发明的实施方式的垫片和多种其它类型的垫片材料的另一对比试验结果的实例。
具体实施方式
本发明的发明人已经认识到现有垫片材料的一些缺点，并且已经开发出这里所描述的具有一些特征和益处的垫片。例如，提供用于在腐蚀性的或极端的化学环境中使用的由重构的填充PTFE构成的模制的不连续的低应力垫片是本发明的特征和益处。提供用于在腐蚀性的或极端的化学环境中使用的在低载荷下实现密封因此减少可能由于在传统的垫片上实现密封所需要的相对高的螺栓载荷导致的易碎法兰的可能损坏的模制的低应力垫片是本发明的另一示例性的特征和益处。本发明的另一示例性的特征和益处是提供用于在腐蚀性的或极端的化学环境中使用的具有良好的回缩性并且在热循环时保持密封的模制低应力垫片。本发明的另一示例性的特征和益处是提供高 可压缩性的和可变形性的模制低应力垫片使它适应相配合的法兰的变形和波动。本发明的再一示例性的特征和益处是提供刚性的模制低应力垫片以便于安装。本发明的再一示例性的特征和益处是提供不会粘附于连接法兰上因此使替换简化的模制低应力垫片。本发明的另一示例性的特征和益处是提供宽范围的耐化学性和耐热性的模制低应力垫片。
现在详细地参照本发明的各个示例性的实施方式，在附图中示出了实施方式的一个或多个例子。每个例子是为了解释而被提供的，并且不被认为是对本发明的限制。在不脱离发明的范围或精神的情况下能对所披露的各个实施方式进行各种改良和变化对本领域技术人员而言将是显然的。例如，作为一个实施方式的一部分而被示出或描述的特征能被用在另一个实施方式中以形成再一实施方式。因此，本发明旨在覆盖落入本发明的范围内的这样的改良和变化。
本发明的实施方式提供了模制PTFE垫片，其中基体材料是通过处理和通过结合填充物以形成可压缩的和比纯PTFE更不倾向于蠕变的材料而被强化的PTFE。而且，多个示例性的实施方式结合有在垫片的两相反表面上模制的凸起的同心密封环。这样的凸起的同心密封环用于减少垫片的接触区域并且在减小的螺栓载荷下在密封环上形成的增大的密封应力。
根据本发明的实施方式的垫片可以具有两个或三个模制在其外表面上并且具有相对于垫片的其余表面凸起的表面的同心密封环，其减少了法兰上的垫片的接触区域。应注意，其它实施方式也可以仅仅有一个密封环或有三个或更多个密封环。拧紧法兰螺栓所产生的法兰载荷因此被分布在相对小的表面区域上，在密封环的区域上产生相对高的应力。密封环因此能使得垫片在减小的螺栓载荷下实现密封。
现在参考图2-5，描述了一实施方式，其中低应力模制垫片具有两个同心密封环。图2示出了垫片100的透视图，并且图3示出了垫片100的顶视图，该垫片100具有垫片表面104并且包括外密封环108和内密封环112。外密封环108和内密封环112各自具有相对于垫片表面104凸起的表面，并且也由比与垫片表面104相关的材料更易于变形的材料形成。垫片的与垫片表面104相关的部分被称作肋。这个实施方式和多个其它实施方式的垫片100由重构(restructure)的填充PTFE材料制成，该重构的填充PTFE材料是商业上可购得的，如纽约Palymra的卡勒克密封技术有限公司(Garlock Sealing Technologies)的商标为 的产品。这个实施方式的重构的填充PTFE包括具有双轴取向的聚合物链，以提供增强的机械性能并且减少蠕变(与传统的PTFE化合物相比)。在一个实施方式中填充物是微球，其提高可压缩性以提供当承受最小压力时，例如在易碎连接中的减少的螺栓载荷时的严密密封。封有填充物的PTFE基体提供了垫片100的化学惰性结构。在这种方式中，垫片100在密封环108、112上具有相对易变形材料的区域，和相对刚性材料的肋区域104。
图4示出了沿着图3的截线A-A的横截面图，且图5是图4的部分B的放大图。在这个例子中，垫片100具有在垫片100内与密封环108、112形成的同心环的圆形结构。垫片100具有外直径OD和内直径ID。密封环108具有环直径RD1并且密封环112具有环直径RD2。在这个实施方式中，密封环108和112是凸起的并且具有相对于表面104的高度h，其中垫片具有相对于区域104的厚度t1，和相对于密封环108和112的区域的厚度t2。尽管示出的是圆形垫片100，容易理解，根据本发明，垫片可以被制造成许多不同的结构。
在多个实施方式中，根据若干加工步骤形成垫片。一个实施方式的垫片由适当厚度的重构的填充PTFE板形成，其由已知的加工技术形成。重构的填充PTFE板在225°F下干燥6小时以去除可能残留在形成的板内的溶剂。使用钢刀模或等效切割设备切割出具有内尺寸和外尺寸(ID和OD)的环坯。将该坯在通风的分批式炉内加热到大约700°F的凝胶点保持15分钟。其后，快速地将坯从分批式炉内传送到处于室温的压模内。该压模配置成在垫片的相反表面上模制出凸起的同心密封环108和112。快速地闭合该模具并且然后在液压机内在大约2000到3000磅每平方英寸的压力下冷却制品大约1分钟。其后打开模具和取出垫片，并且最后使用钢刀模或等效切割设备修整垫片。
前面的加工，被称为模压，与凸起的同心密封环的几何形状一起在垫片100内形成了具有不同的压缩性/致密性的区域。在模压加工过程中邻近环108和112的区域被较大程度地压缩，产生较高致密性的填充PTFE。这些区域为垫片100的对应于垫片表面104的部分(也被称作肋)提供了强度和硬度。在密封环108和112的区域，减少程度的致密性形成环特征，产生高可压缩性区域。应注意，对于多个应用可以选择肋的可压缩性，以支撑和将 螺栓载荷传递到相反的法兰面，而不发生过度变形。
在可选的实施方式中，能使用其它合适的填充物，例如硫酸钡、二氧化硅、石墨以及微球，以提供用于多个应用的期望机械性能和/或耐化学性的PTFE。其它的实施方式可以包括被结合到垫片内的金属或其它材料。例如，两个大约0.008”厚的穿孔(perforated)不锈钢板环可以被包裹在垫片的内周边和外周边上。这些环能达到双重目的，即增加垫片的抗拉强度以为它提供较高的压力性能，并且也作为用于使用感应加热装置的在模具内烧结的发热元件。
图6是一表，示出了根据本发明的实施方式的垫片和各种其它类型的垫片材料的对比试验的例子。在低载荷和室温下基于DIN3535标准进行图6的试验，其中使用压力计采集和测量了在各种垫片应力和内部压力下通过密封的气体泄漏。进一步参考图6，试验用的垫片材料包括用于本发明的各个实施方式的模制的重构的微球填充PTFE垫片[模制的Gylon垫片(Gylon3504)]；重构的微球填充PTFE的成品平板[Gylon 3504(1/8”板)]；用于本发明的其它可选实施方式的模制的重构的硫酸钡填充PTFE垫片[模制的Gylon垫片(Gylon 3510)]；和重构的硫酸钡填充PTFE垫片的成品平板[Gylon3510(1/8”板)]。
图7是根据本发明的实施方式的垫片与使用多种其它类型的垫片材料的另外对比试验结果的表。参考图7，采用6英寸150磅的全工作面(full face)FRP法兰，使用水作为介质进行的FRP法兰试验所使用的垫片材料包括重构的微球填充PTFE的成品平板[Gylon 3504(1/8”板)]；具有多孔PTFE外层和完全致密PTFE内层的成品平板[Gylon 3545(1/8”板)]；具有多孔PTFE外层和完全致密PTFE内层，带有未填充的PTFE包层的成品平板[Gylon 3545w/PTFE包层]；膨胀的PTFE垫片[竞争产品式样(Competitive Product Style)800]；和用于本发明的实施方式的模制的重构的微球填充PTFE垫片[模制的Gylon垫片(Gylon 3504)]。
图8是根据本发明的实施方式的垫片与使用各种其它类型的垫片材料的另一对比试验结果的表。参考图8，进行热循环试验的垫片材料包括重构的微球填充PTFE成品平板[Gylon 3504(118”板)]；和用于本发明的实施方式的模制的重构的微球填充PTFE垫片[模制的Gylon垫片(Gylon 3504)]。
应当认识到，这里所描述的各个示例性的实施方式仅仅是为了示出本发 明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，它的多种改进和修改对本领域技术人员而言将是非常显然的。
Claims (10)
1.一种模制的PTFE垫片，包括：
凸起的密封环；和
邻近所述凸起的密封环的肋区域，
其中所述凸起的密封环由致密度小于形成所述肋区域的重构的填充PTFE的重构的填充PTFE形成，所述肋区域为所述垫片提供强度和硬度，并且相对于所述肋区域所述凸起的密封环具有高可压缩性，
其中所述凸起的密封环和所述肋区域的重构的填充PTFE填充有微球。
2.如权利要求1所述的模制的PTFE垫片，其中所述凸起的密封环和所述肋区域彼此一体地形成。
3.一种制造垫片的方法，所述方法包括以下步骤：
提供重构的填充PTFE板；
从所述重构的填充PTFE板切割出环坯；
将所述环坯加热到重构的填充PTFE的凝胶点；
将所述环坯插入到压模内，所述压模配置成在所述环坯的一对相反面的每一个上模制出至少一个凸起的密封环；
在压力下在所述压模内冷却所述环坯直到所述环坯形成垫片；和
从所述压模内取出垫片。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包括：
干燥重构的填充PTFE板以基本去除可在所述重构的填充PTFE板内的任何溶剂。
5.如权利要求4所述的方法，其中在225°F温度下干燥所述重构的填充PTFE板。
6.如权利要求3所述的方法，其中所述环坯被加热到700°F的温度。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述环坯被加热15分钟。
8.如权利要求3所述的方法，其中在2000到3000磅每平方英寸的压力下在所述压模内冷却所述环坯。
9.如权利要求8所述的方法，其中在压力下在压模内冷却所述环坯1分钟的时间。
10.如权利要求3所述的方法，其中重构的填充PTFE板的重构的填充PTFE填充有微球。
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