CN111226068A - 带电绝缘涂料的衬垫 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电绝缘衬垫，其中，涂料层被布置在电绝缘衬垫的盘形芯衬垫部件的至少一个表面上，并且在一些实施例中，被布置在所有表面上。芯衬垫部件可以由金属材料制成，并且可以在芯衬垫部件的每个轴向表面中包括一个或多个凹槽。当所述芯衬垫部件包括这样的凹槽时，涂料可被应用于所述凹槽的所有表面以及所述芯衬垫部件的所有其他表面，以使所述涂料封装所述芯衬垫部件。涂料层可以是，例如，聚酰亚胺，聚酰胺，陶瓷，和氧化铝。

Description

带电绝缘涂料的衬垫
本申请要求2017年10月5日提交的美国专利申请No.15/726,080的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
在多种不同的行业和应用中需要提供具有电绝缘性能的衬垫。然而，先前已知的具有电绝缘性能的衬垫存在许多限制。
例如，在一些情况下，这些衬垫的电绝缘性能对于给定的应用或行业来说不够高。这可能是因为用于提供电绝缘性能的材料不是高介电材料。
在一些情况下，具有电绝缘性能的衬垫仅限于低温应用，因为它们不能承受高温。在一个示例中，具有电绝缘性能的衬垫使用玻璃增强环氧树脂(GRE)。然而，GRE具有在250到350°F之间的最大玻璃化转变温度。当GRE衬垫暴露在高于该温度范围的温度下时，GRE变得柔软，像橡胶一样，随后GRE缺乏适当地支撑密封元件的强度，从而导致衬垫失效。此外，GRE通常通过使用粘合剂粘附在衬垫的芯上。这种粘合剂在高温和高压下可能失效，从而导致层离。
由于具有电绝缘性能的材料被添加到衬垫的芯以赋予电绝缘性能，许多包含该材料的衬垫具有更大的厚度。许多常用的绝缘材料的介电强度值在400到800伏特/密耳之间。因此，需要厚的衬垫来获得用于常用应用的足够的电压电阻。这些厚度较高的衬垫会限制衬垫的使用范围。
与先前已知的具有电绝缘性能的衬垫相关的其他问题包括结构复杂性，有限的尺寸稳定性，和有限的耐化学腐蚀性。因此，需要改进具有电绝缘性能的衬垫。
概述
本文描述了具有电绝缘性能的衬垫的多种实施例。在一些实施例中，衬垫包括芯衬垫部件，该芯衬垫部件的至少一个表面上具有介电材料的涂料或膜。在一些实施例中，所述涂料或膜包括聚酰亚胺，陶瓷，或氧化铝。在一些实施例中，涂料或膜形成在芯衬垫部件的所有表面上，包括在芯衬垫部件的轴向表面中/上形成的任何凹槽和/或突起的表面上。本文还描述了由涂料或膜完全封装的芯衬垫部件。
附图说明
图1是根据本文所述的多种实施例的衬垫的俯视图。
图2A是图1所示的衬垫沿线2-2得到的截面图。
图2B是根据本文所述的多种实施例的衬垫的截面图。
图2C是根据本文所述的多种实施例的衬垫的截面图。
具体实施例
参考图1，示出了根据本文所述的多种实施例的具有改进的电绝缘性能的衬垫100。衬垫100通常包括芯衬垫部件110(也被称为护圈)和形成在芯衬垫部件110的至少一个表面上的介电涂料120(形成在芯衬垫部件110的至少顶部轴向表面上，如图1所示)。芯衬垫部件110可以包括形成在芯衬垫部件110的轴向表面中的一个或多个凹槽，每个凹槽具有布置在其中的密封元件130，140。
芯衬垫部件110通常可以具有盘形，使得衬垫100适合于放置在例如相邻管段的法兰之间。芯衬垫部件110的尺寸(例如，外径，内径，轴向表面之间的厚度等)通常不受限制，并且可以根据要使用衬垫的具体应用来选择。
将芯衬垫部件110的材料提供到适合在衬垫中使用(包括满足或超出在特定应用中使用衬垫100所需的性能)的芯衬垫部件100通常不受限制。芯衬垫部件110的材料通常是导电材料，因为本申请的目的是向芯提供电绝缘涂料。在一些实施例中，芯衬垫部件110的材料是金属。在一些实施例中，芯衬垫部件110的材料是不锈钢。
如上所述，芯衬垫部件110可以包括形成在芯衬垫部件110的一个或多个轴向表面中的一个或多个凹槽。在一些实施例中，凹槽是与芯衬垫部件110同心对齐的圆形凹槽，尽管也可以使用其他构造。在一些实施例中，形成在一个轴向表面中的凹槽与形成在相对的轴向表面中的凹槽相同，尽管也可能存在其他非对称构造。在图1中，芯衬垫部件110包括形成在芯衬垫部件110的至少顶部轴向表面中的两个同心对齐的凹槽，每个凹槽具有布置在其中的密封元件130，140。
虽然上文和本文档中特别地提到凹槽，但芯衬垫部件110可以包括代替凹槽或除凹槽之外的凸起特征。凸起特征可以用于，例如，锁定在适当位置或作为应力集中的密封。
现在参考图2A-2C，示出了图1的衬垫100沿着线2-2得到的截面图，图2A，2B，和2C中的每一个都示出了衬垫100的不同实施例。在图2A中，介电涂料120形成在芯衬垫部件110的至少一个表面上；在图2B中，介电涂料120形成在凹槽115的至少一个表面上，该凹槽115形成在芯衬垫部件110中；在图2C中，介电涂料120形成在芯衬垫部件110的所有表面上，包括凹槽115的多个表面。
虽然图2A-2C中未示出，但是芯衬垫部件110还可以包括从芯衬垫部件110的轴向表面111突出的一个或多个特征。在包括这样的特征的实施例中，介电涂料120可被布置在凸起特征的一个或多个表面上。
芯衬垫部件110中提供的凹槽115的具体数量不受限制。此外，每个凹槽的截面形状，深度，宽度，和位置(例如，与内径的径向距离)通常不受限制。如图2A-2C所示，在每个轴向表面111中包括两个凹槽115，凹槽115具有大体上为方形的截面形状，凹槽115位于靠近芯衬垫部件110的内径的位置，并且形成在一个轴向表面中的凹槽115与形成在相对的轴向表面中的凹槽115在形状，深度，和位置上是相同的。
在一些实施例中，形成在芯衬垫部件110中的凹槽115用作密封凹槽。这些密封凹槽被配置为使得一个或多个密封元件可以被布置在密封凹槽115内。任何类型的密封元件都可以被布置在密封凹槽115中，包括例如E形环，C形环，O形环，和螺旋缠绕式密封。在一些实施例中，如图2A-2C所示，E形环130可被布置在径向外凹槽115中，唇形密封140可被布置在径向内凹槽115中。
在一些实施例中，凹槽115的形状和尺寸被设置为使得仅单个密封元件适合于凹槽内。例如，径向外凹槽115的形状和尺寸可以被配置为使得布置在其中的E形环占据凹槽115的全部并且不为诸如压缩限制器的其它部件留下额外的空间。凹槽115形状和尺寸可以以这样的方式被设置，因为在本文所述的实施例中，衬垫护圈(即，芯衬垫部件110)本身可以充当压缩限制器，从而消除了将单独的压缩限制器部件并入衬垫100的需要。
衬垫100还包括介电涂料120。如上所述，介电涂料120被施加到芯衬垫部件110的至少一个表面，要么是部分地(如图2A和2B所示)要么是完全地(如图2C所示)覆盖其被施加到的表面。如图2C所示，在一些实施例中，介电涂料120被完全施加到芯衬垫部件110的每个表面，包括形成在芯衬垫部件110中/上的任意凹槽115(和/或凸起特征)的表面。换言之，介电涂料120可以形成在芯衬垫部件110上，以便完全地包裹芯衬垫部件110。以这种方式，该介电涂料120可将金属芯衬垫部件110电绝缘，并增加衬垫100的适用范围。
在一些实施例中，形成在芯衬垫部件110的一个或多个表面上的介电涂料120具有一致的厚度，包括当介电涂料120被提供在芯衬垫部件110的所有表面上时。介质涂料的厚度通常不受限制。在一些实施例中，介电涂料的厚度在小于6mm的范围内。在一些实施例中，涂料的厚度为0.381mm或更小，例如0.127mm或更小。
在一些实施例中，例如在凹槽表面(或凸起特征表面)上的涂料厚度小于芯衬垫部件110的其他表面(轴向或径向)上的涂料厚度的情况下，介电涂料120的厚度可以变化。或者，在凹槽和/或凸起特征表面上的介电涂料的厚度可以大于芯衬垫部件110的其他表面上的介电涂料的厚度。介电涂料的厚度也可以因凹槽而异。
在一些实施例中，介电涂料120是聚酰亚胺，聚酰胺，陶瓷，或氧化铝，其中聚酰亚胺是优选材料。
在一些实施例中，衬垫100(包括任何涂料材料)不含玻璃增强环氧树脂(GRE)。
涂料120可使用任何已知的用于将涂料施加到基底上的技术施加到芯衬垫部件110上。在一些实施例中，涂料120以液体形式施加到芯衬垫部件110，然后固化以形成固化涂料。在一些实施例中，以持续的方式实施固化，这提高了制造过程的吞吐量并且使得该过程更经济可行。在一些实施例中，持续固化过程是使用持续红外过程或者通过将具有其中布置了液体涂料的芯衬垫部件持续地通过对流烘箱来实施的。在一些实施例中，不需要中间粘合剂或粘结层，直接将涂料120施加到芯衬垫部件110上。
将介电涂料120施加到芯衬垫部件110的所有表面，提供了与该衬垫一起使用的任何密封以及可以将衬垫布置在其间的金属法兰表面两者电绝缘的衬垫100。
在一些实施例中，本文所述的衬垫还可包括内径密封，例如美国公布的申请No.2015/0276105中所述的内径密封。也可以使用其他内径密封。
与先前已知的衬垫材料相比，本文所述的衬垫可以更薄，密封更好，提高电绝缘，和/或为防火衬垫提供更坚固可靠的平台。本文所述的衬垫材料也有利地消除了衬垫材料中对玻璃增强环氧树脂(GRE)的任何需要。本文所述的衬垫材料还提供稳定的材料厚度和公差控制。本文所述的衬垫材料扩大了产品的工作温度和电阻，并允许进入新的发展空间，例如蒸汽和核设施。本文所述的衬垫还扩展了压力能力。
本文所述的衬垫进一步提供了高介电强度，抗渗透性，紧公差能力，抗冲击性，强环保性，提高的耐化学腐蚀性，和简化的结构(即，整个衬垫的部件较少)。
本文所述衬垫可解决的问题和/或可实现的优点包括但不限于：通过使用高介电材料提高衬垫的介电部件的电绝缘性能；通过衬垫护圈的完全密封来减少外部腐蚀；增加温度范围，允许在当前提供的包含GRE的绝缘衬垫的更广泛的应用中使用；消除所观察到的在高温高压下常见的GRE和护圈材料之间的粘合失效问题；减少衬垫厚度，通过使用较薄的介电材料，便于安装，从而可以在更广泛的应用中使用；减少衬垫部件的数量，通过例如消除当前在类似绝缘衬垫配置中看到的支承环压缩限制装置，从而降低复杂性；通过使用具有受控公差的材料增加尺寸稳定性；提高在整个制造过程中保持紧公差的能力；通过消除当前衬垫表面材料中的渗透而提高密封性能，并提供在尺寸上更稳定的衬垫密封表面；通过被完全封装在介电材料中而减少外露金属和电气传导点；提供多种涂料，其可被施加到用于更广泛的多种应用中的衬垫；提供改变涂料厚度以适应不同应用和法兰面的能力；从衬垫中消除GRE；提供涂料，以便在暴露到与GRE不兼容的媒介时实现更好的密封；控制衬垫颜色，从而允许不同的颜色表示不同的涂料；允许使用不同的金属护圈；在发生由于衬垫应力损失或密封的可能膨胀和过度压缩而导致的防火泄漏时，涂有介电屏障的金属护圈将继续充当压缩限制器；在可能发生剧烈压力变化的系统中，不渗透涂料可减轻爆炸性减压；以及具有使用诸如防爆减压O型环的导电密封元件的能力。
本文所述的技术在衬垫的情境中公开。但是，相同的原理也可以应用于其他类型的管道绝缘部件。例如，本文所述的特征，包括用诸如聚酰亚胺的介电材料部分地或完全地涂覆管道绝缘部件，可应用于整体式绝缘接头(例如由美国科罗拉多州麦垄郡的GPT制造的
Figure BDA0002441553550000071
整体式绝缘接头)的法兰。
从前面可以理解，为了说明的目的，本文已经描述了本发明的具体实施例，但是在不偏离本发明的范围的情况下可以进行多种修改。因此，本发明除了所附权利要求外，不受限制。

Claims (20)

1.一种电绝缘衬垫，包括：
金属芯衬垫部件，所述芯衬垫部件呈盘形并且包括形成在所述金属芯衬垫部件的轴向面中的一个或多个凹槽；以及
形成在所述金属芯衬垫部件的一个或多个表面上的涂料，所述涂料包括介电材料；
其中，所述涂料设置在所述一个或多个凹槽的至少一个表面上。
2.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述芯衬垫部件由不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述涂料材料选自聚酰亚胺，聚酰胺，陶瓷，和氧化铝。
4.根据权利要求3所述的电绝缘衬垫，其中所述涂料材料为聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述一个或多个凹槽的所有表面都涂有所述涂料。
6.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述芯衬垫部件的所有表面都涂有所述涂料。
7.根据权利要求6所述的电绝缘衬垫，其中所述涂料具有一致的厚度。
8.根据权利要求7所述的电绝缘衬垫，其中所述厚度小于6mm。
9.根据权利要求7所述的电绝缘衬垫，其中所述厚度小于0.381mm。
10.根据权利要求7所述的电绝缘衬垫，其中所述厚度小于0.127mm。
11.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述芯衬垫部件包括在所述芯衬垫部件的第一轴向表面中的径向外凹槽和径向内凹槽，以及所述芯衬垫部件的第二轴向表面中的径向外凹槽和径向内凹槽，其中在所述第一轴向表面中的所述凹槽同心对齐，并且所述第二轴向表面中的所述凹槽同心对齐。
12.根据权利要求11所述的电绝缘衬垫，其中在所述第一轴向表面中的所述径向外凹槽的直径等于在所述第二轴向表面中的所述径向外凹槽的直径，并且在所述第一轴向表面中的所述径向内凹槽的直径等于在所述第二轴向表面中的所述径向内凹槽的直径。
13.根据权利要求12所述的电绝缘衬垫，其中密封机制被布置在所述第一轴向表面中的所述径向外凹槽和所述第二轴向表面中的所述径向外凹槽中的每一个中。
14.根据权利要求13所述的电绝缘衬垫，其中在所述第一轴向表面中的径向外凹槽和在所述第二轴向表面中的所述径向外凹槽中的每一个的大小和尺寸被设置为使布置在其中的所述密封机制占据所有所述凹槽。
15.根据权利要求13所述的电绝缘衬垫，其中所述密封机制选自E型环，C型环，O型环，和螺旋缠绕式密封中的一种。
16.根据权利要求11所述的电绝缘衬垫，其中唇形密封被设置在所述第一轴向表面中的所述径向内凹槽和所述第二轴向表面的所述径向内凹槽中。
17.根据权利要求6所述的电绝缘衬垫，其中所述凹槽的表面上的所述涂料的厚度小于所述芯衬垫部件的其他表面上的涂料的厚度。
18.根据权利要求1所述的电绝缘衬垫，其中所述电绝缘衬垫是无玻璃增强环氧树脂的电绝缘衬垫。
19.一种制造电绝缘衬垫的方法，包括：
用液态涂料涂覆盘形芯衬垫部件的每个表面；以及
持续地固化所述液态涂料，使所述液态涂料变硬，并将所述涂料固定到所述盘形衬垫部件上。
20.根据权利要求18所述的制造电绝缘衬垫的方法，其中持续地固化所述液态涂料包括将所述液态涂料持续地暴露在红外辐射下。
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