CN1058744C - 复合密封材料 - Google Patents
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Abstract
一种复合密封材料，它具有一里面部分和一碳制外面部分。该碳制外面部分的松密度被控制在0.3-2.0克/厘米3，最好为0.5-1.5克/厘米3，或者在碳制外面部分中混入纤维成分，或在该碳制外面部分上涂敷一油层，或者涂敷一有机层或一无机层，从而提高由这种复合密封材料构成的密封件的密封性能。
Description
本发明涉及一种复合密封材料，它适用于各种阀门和泵等的密封件中。
通常，用于蒸汽、水、油、化学品以及热电厂的管道中的阀门都被安装在很窄、很高、以及露天等地方。因此，更换阀门的密封件是十分困难的。另外，用于热电厂中的各种阀门，其定位方向是多变的，如水平方向、倾斜方向以及垂直方向等。从这点来考虑，更换密封件也是很困难的。
在日本专利延迟公开No.6-58,425和No.6-87,674(美国专利申请No、8/68,674)中，公开了用于上述密封件中的复合密封材料。这种复合密封材料包括一里面部分和一包围该里面部分的外面部分。该里面部分由陶瓷松散材料或类似材料组成，而该外面部分由碳基材料组成。
上述的复合密封材料具有至少一个碳制的外面部分，由构成的上述阀门和泵等的密封件具有充足的密封性能，因为这种密封材料易于组装并有良好的密封性。然而，如果这种密封件是通过将多块密封材料装入填密函并对它们加压而制成的话，则有时会使密封件没有充足的密封性能。
本发明的目的就是要消除上述的缺陷而提供一种具有改进的密封性能的复合密封材料。
根据本发明的第一方面，该复合密封材料具有一里面部分和一包围该里面部分的外面部分，所述外面部分由至少一种碳基材料组成，其特征是所述碳制外面部分的松密度(bulk density)为0.3-2.0克/厘米3。
根据本发明的第二方面，该复合密封材料具有一里面部分和一包围该里面部分的外面部分，所述外面部分由至少一种碳基材料组成，其特征是在所述碳制外面部分中混入纤维成分。
根据本发明的第三方面，该复合密封材料具有一里面部分和包围该里面部分的外面部分，所述外面部分由至少一种碳基材料组成，其特征是在所述碳制外面部分上涂敷有一油层。
根据本发明的第四方面，该复合密封材料具有一里面部分和一包围该里面部分的外面部分，所述外面部分由至少一种碳基材料组成，其特征是在所述外面部分上涂敷一有机层或一无机层。
在上述结构中，可以提高利用本发明的复合密封材料制成的密封件的密封性能。本发明是在研究分析了下列因素后而提出的，即：碳制外面部分的松密度的影响(第一方面)，碳制外面部分中的混合成分的影响(第二方面)，以及碳制外面部分上的涂层的影响(第三和第四方面)。
本发明的复合密封材料可应用于所有可装纳密封件的填密函中，而不管填密函的尺寸如何变化。因此，与常规的密封件相比，采用由本发明的复合密封材料制成的密封件时，不必将各种密封件制备成具有与各种填密函相对应的尺寸。
另外，通过将碳制外面部分的松密度控制在0.3-2.0克/厘米3，就可以将体积缩减率控制在30-80％。因此，就可获得具有极好密封性能的密封件。
另外，如果使用陶瓷、金属、塑料和实心碳精作为复合密封材料的里面部分的话，则该里面部分发挥聚合体的性能。因此，与只由单独的碳层制成的密封件相比，它具有良好的紧固应力保持性能。再有，更好的是用陶瓷作里面部分，因为陶瓷有好的耐热性，并且相对于碳制外面部分具有良好的附着性。
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1是一示意图，表示了本发明的复合密封材料的一个实施例。
图2是一示意图，表示了使用本发明的复合密封材料的填密系统的一个实施例。
首先对本发明的复合密封材料以及由其构成的密封件加以说明。
图1示意性地表示了作为本发明的复合密封材料的一种实施例的料粒CB。料粒CB具有一基本上球形的陶瓷颗粒2，它由一球壳形的碳层3包围。最好用天然石墨做碳层3。陶瓷颗粒2可由瓷、矾土、氮化硅、氧化锆、碳或类似物组成。陶瓷颗粒2的直径约大于0.5毫米。料粒CB的直径大约为1-10毫米。
另外，如果假定使用料粒CB的填密系统的成形紧固应力为200-500公斤/厘米2，则最好使用具有高于500公斤/厘米2的压缩应力的陶瓷颗粒2。此外，碳层3的厚度最好基本等于或大于陶瓷颗粒2的直径D的一半(即+≥D/2)。
图2示意地表示了一个蒸汽阀门中的密封件的一个实施例，该阀门用于热电厂中，它使用了由图1所示的复合密封材料制成的填密件11。在图2所示的实施例中，为了密封轴茎12，按如下方式构成填密件11：将端环15装在填密函13的茎部14上，把多个复合密封件及一个金属环16装在端环15上，最后用一组螺栓18固定住盖板17，以便在填密函13中形成应力。在图2中，其实际尺寸例如可以是：轴直径α为20毫米，填密函内径b.为33毫米，填密函宽c为6.5毫米，填密函深d为40毫米。
如上所述，本发明的复合密封材料至少具有碳制外面部分。本发明的特征(第一至第四方面)是改进此碳制外面部分。下面将对本发明的特征一一进行说明。
(1)碳制外面部分的松密度(第一方面)；
对使用具有松密度不同的碳制外面部分的复合密封材料构成的填密系统做了各种试验。其结果是，可以认识到碳制外面部分的松密度决定于填密性能，例如密封性能、紧固应力保持性能、滑动性能以及形状保持性能，而且松密度必须被控制在0.3-2.0克/厘米3，最好是在0.5-1.5克/厘米3的范围内。下面对根据本发明的第一方面的实施例进行说明。
首先，具有图1所示结构的本发明的复合密封材料是这样制备的：将厚度为2.00毫米的松密度不同的碳层3包裹在直径为2.0毫米的矾土颗粒2上。然后，利用图2所示的复合密封件构成填密件11。此后，对如此形成的填密件11的各种填密性能进行测试，这些性能包括填密件的密封性能、紧固应力保持性能、滑动性能以及这种复合密封材料的形状保持性能。
在此，密封性能指的是利用填密件11防止流体泄漏的性能(如蒸汽、水、油等的泄漏)，它是在一规定期间内通过计算流体泄漏的发生率来被评定的。紧固应力保持性能是用在加上初始紧固应力(400公斤/厘米3)150个小时后存留的紧固应力来进行评定的。滑动性能是用填密形成后出现的不良操作的致动器的数目来评定的。形状保持性能是指复合密封材料碳制外面部分的连接性，它是在用转动和敲打摇动器进行3分钟振动试验后测定的碳重保持率来评定的。这些测试结果列于表1中。应该注意到，如果初始紧固应力在200-500公斤/厘米2范围内变化，则紧固应力保持性能会呈现表1所示的趋向。200-500公斤/厘米2的紧固应力是实际应用的范围，超过这个范围，将会造成问题。
表1
| 项目 | 碳制外面部分的松密度(g/cm2) | |||||||
| 0.2 | 0.3 | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.1 | ||
| 密封性能 | 泄漏阀的数目 | 69/100 | 19/100 | 2/100 | 3/100 | 3/100 | 21/100 | 73/100 |
| 紧固应力保持性能(初始紧固应力：400kg/cm2) | 剩余紧固应力(kg/cm2 | 364(91％) | 340(85％) | 320(80％) | 312(78％) | 312(78％) | 260(65％) | 192(48％) |
| 滑动性能 | 不良操作的致动器数目 | 80/100 | 21/100 | 5/100 | 3/100 | 3/100 | 0/100 | 0/100 |
| 形状保持性能 | 碳的残留量(wt％) | 60 | 78 | 96 | 98 | 100 | 100 | 100 |
从表1所示的结果可知，如果碳制外面部分的松密度小于0.3克/厘米3，则填密件的密封性能和滑动性能，以及碳制外面部分的形状保持性能都变差；而如果碳制外面部分的松密度大于2.0克/厘米3，则密封性能和紧固应力保持性能度差。因此，可以明白，复合密封材料的碳制外面部分的松密度必须要控制在0.3-2.0克/厘米3的范围内。在上述实施例中，复合密封材料的形状是球状的，但是对于片状、块状或类似形状的复合密封材料来说，也能得到同样的结果。
在本例中，当采用碳制外面部分的松密度小于0.3克/厘米3的复合密封材料制成填密件时，其密封性能和滑动性能变差，其原因如下。当施加到填密函中的复合密封材料上的紧固应力提高到一预定程度以构成填密件时，碳制外面部分的松密度也增大，但碳制外面部分在施加的紧固应力的方向上被压缩。因此，复合密封材料的里面部分，如矾土颗粒，被迫直接与轴茎接触。
另外，当采用碳制外面部分的松密度大于2.0克/厘米3的复合密封材料构成填密件时，其密封性能和紧固应力保持性能变差，造成这种情况的原因如下。因为这种情况下碳制外面部分的松密度很大，所以预定的成形应力不能使复合密封材料变形，因此在复合密封材料之间留有空隙。其结果是使密封性能变差。另外，当在不良的密封性能条件下持续使用填密件时，复合密封材料间的空隙将会逐渐由碳填满。因此，紧固应力保持性能也将变差。
在这种情况下，可以通过改变复合密封材料的制造条件来控制碳制外面部分的松密度。也就是说，当利用制粒方法制造复合密封材料时，例如，在将粘结剂和碳粉喷到一个在具有圆形横截面的容器中转动的片状或块状芯件上时，可通过改变片状或块状芯件在容器中的转速或改变供送碳粉和粘结剂的间隔，来控制碳制外面部分的松密度。在这种情况下，最好使用胶质硅石或胶质矾土作粘结剂。另外，在利用使形状不定的芯件滴落于装有流体碳的槽中而制备复合密封材料时，可以通过改变流体碳的密度和粘度或类似参数来控制碳制外面部分的松密度。
在根据本发明第一方面的复合密封材料中，由于碳制外面部分的松密度限制在0.3-2.0克/厘米3，所以，用这种复合密封材料制成的填密件的密封性能、紧固应力保持性能和滑动性能得以提高，而且复合密封材料的形状保持性能也可被提高。
(2)在碳制外面部分中混入其它成分(第二方面)：
对采用具有混入陶瓷纤维的碳制外面部分的复合密封材料制成的填密系统进行了各种试验。由试验结果可知，由这种复合密封材料构成的填密件的密封性能(在室温及高温条件下)，以及这种复合密封材料的形状保持性能和可操作性能都得以提高。另外，如果在复合密封材料中混入碳纤维而取代陶瓷纤维的话，也能获得同样的结果。
(3)在碳制外面部分上施加粘结剂涂层(第三方面)：
对使用具有带油层、有机层或无机层的碳制外面部分的复合密封材料构成的填密系统做了各种试验。该油层为流态，它是通过在碳制外面部分上涂敷一层油基粘结剂而形成的。所述无机层是固态的，它是通过在碳制外面部分上涂敷一层无机粘结剂而形成的。该有机层也为固态，它是通过在碳制外面部分上涂敷一层有机粘结剂而形成的。由试验结果可知，在所有填密系统中，这类复合密封材料的形状保持性能都得以提高。另外，在由带有油层的复合密封材料构成的填密系统中，填密件在室温下的滑动性能和密封性能都有了提高。
至于说形成油层的材料，可以使用硅油、矿物油等。形成无机层的材料可由胶质硅石、胶质矾土、水玻璃、膨润土等构成。形成有机层的材料可由 聚乙烯醇(PVA)、酚等构成。另外，可以通过使油基粘结剂浸入碳制外面部分中而形成所述油层。而通过将无机粘结剂或有机粘结剂喷在碳制外面部分的表面上并使其干燥，就可形成无机层和有机层。
下面对根据本发明第四方面的实施例进行说明。
首先，作为对比试样，具有图1所示结构的复合密封材料可如下制备：将厚度为2.0毫米的碳层3包在直径为2毫米的矾土颗粒2外面。然后，将重量百分比为10％(10wt％)的陶瓷纤维混入到上述对比试样的碳制外面部分中，以制成符合本发明第二方面的混有陶瓷纤维的试样；将重量百分比为3％(2wt％)的油基粘结剂加到对比试样的碳制外面部分的表面上，以形成油层，从而制成符合本发明第三方面的带涂层的试样；将重量百分比为5％(5wt％)的无机粘结剂或有机粘结剂喷到对比试样的碳制外面部分上并加以干燥，以形成无机层或有机层，从而制成符合本发明第四方面的带涂层的试样。
然后，按图2所示的方式，分别使用上面的对比试样、混有陶瓷纤维的试样、以及带涂层的试样制成填密件11。此后，对这些填密件11的各种填密性能进行测定，其中包括：填密件的密封性能、紧固应力保持性能和滑动性能，以及复合密封材料的形状保持性能和可操作性能。复合密封材料的可操作性能指的是将其从阀门中抽取出来的可抽取性，它是用抽取时间来评定的。上述其它性能的评定方法与前述实施例(按本发明的第一方面)的相同。测试结果列于表2。
表2
| 项目 | 对比试样 | 混有纤维 | 涂层种类 | ||||
| 油层 | 无机层 | 有机层 | |||||
| 密封性能 | 泄露阀数目(％) | 室温 | 7 | 0 | 0 | 13 | 13 |
| 高温(350℃) | 13 | 13 | 20 | 16 | 20 | ||
| 紧固应力保持性能(初始紧固应力400kg/cm2) | 剩余紧固应力/初始紧固应力(％) | 室温 | 76 | 85 | 77 | 78 | 77 |
| 高温(350℃) | 68 | 75 | 51 | 69 | 56 | ||
| 滑动性能 | 不良操作的致动器数目 | 3 | 10 | 0 | 7 | 0 | |
| 形状保持性能 | 碳的残余量(wt％) | 93 | 95 | 92 | 98 | 98 | |
| 可操作性能 | 测量的抽取时间(分钟) | 6 | 4 | 6 | 5 | 6 | |
由图2所示结果可知，混有陶瓷纤维的试样(第二方面)与对比试样相比，填密件具有良好的密封性能(在室温及高温下)，该复合密封材料具有良好的形状保持性能和可操作性能。另外，两种带涂层的试样(第三、第四方面)与对比试样相比，该复合密封材料具有良好的形状保持性能；并且对那种带油层的试样来说，其填密件具有良好的滑动性能和密封性能。另外，在上述实施例中，是使用了球形复合密封材料，但是如果用其它形状的复合密封材料的话，如片状、块状等，也能得到同样的结果。
在使用混有陶瓷的试样时(第二方面)，之所以能提高填密件的密封性能，是因为混入的陶瓷纤维能提高碳制外面部分的弹性。另外，之所以能提高该复合密封材料的形状保持性能和装卸性能的原因是，陶瓷纤维的作用抑制了碳制外面部分的破碎，并且利用小的紧固应力就能实现填密件的密封作用。
另外，在使用带有油层的试样时(第三方面)，之所以能提高该填密件的滑动性能和密封性能，以及能提高该复合密封材料的形状保持性能，其原因是，通过使用油基粘结剂而提高了其润滑性。此外，在使用带无机膜或有机膜的试样时(第四方面)，之所以能提高该复合密封材料的形状保持性能的原因是，利用在碳制外面部分上形成的固态无机膜或有机膜抑制了该碳制外面部分的破碎。
根据本发明，由于限制了碳制外面部分的松密度(第一方面)，在碳制外面部分中混入构件(第二方面)，以及在碳制外面部分上施以涂层(第三和第四方面)，所以就可以改进由这种复合密封材料构成的密封件的密封性能。
Claims (1)
1.一种复合密封材料，它具有一个里面部分和一个包围该里面部分的外面部分，所述外面部分至少由一种碳基材料组成，其特征是，所述里面部分由陶瓷、金属、塑料或实心碳精构成，而所述外面部分包括选自聚乙烯醇和酚的有机材料或选自胶质硅石、胶质矾土、水玻璃或膨润土的无机材料。
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