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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Dichtmittel und kann zum Abdichten von Flanschverbindungen
in Industrie-Pipelines bzw. -Leitungen, insbesondere in chemischen
Anwendungen und Öl- und Gasanwendungen, sowie in Wärmekraft-
und Kernkraftanlagen verwendet werden. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf Pipelines bzw. Leitungen beschränkt und kann
in einer beliebigen Einrichtung mit einer Flanschverbindung, z.
B. einem Ventil, einer Pumpe, einem Kompressor, einem Motor etc.
verwendet werden.
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Hintergrund der Erfindung
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Dichtungen
in Flanschverbindungen, die reißen, zählen zu
den in Pipelines am häufigsten beobachteten Defekten. Die
am häufigsten beobachtete Ursache dafür, dass
es zum Reißen der Dichtungen kommt, ist ein Bersten derselben
infolge eines auf dieselben ausgeübten überhöhten
Drucks. Der auf die Dichtungen ausgeübte Druck kann dadurch
erheblich verstärkt werden, dass die Flanschflächen sich
im Falle einer veränderten Anordnung der Flanschverbindung
unter einem übermäßigen Druck des Arbeitsmittels
oder der auf die Pipelines ausgeübten mechanischen Kräfte
etc. verschieben. Somit ist es wichtig, für die Dichtung
einen Schutz vor einem übermäßig hohen
Druck zu schaffen, der ein Reißen und letztendlich einen
Defekt in der Flanschverbindung verhindern soll. Noch gravierender
werden solche Probleme bei Verbindungen in Pipelines bzw. Leitungen
mit einem großen Durchmesser (über 1 m).
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Eine
Dichtung zum Abdichten von Flanschverbindungen, wie sie in der
US 6367803 B1 vom 04.09.2002
offenbart ist, gilt als dem Gegenstand der beanspruchten Erfindung
als am nächsten stehend. Die Dichtung soll zwischen zwei
Leitungsverbindungsflanschen eingespannt bzw. geklemmt werden. Die
Dichtung beinhaltet einen Dichtungsring, der ein starres ringförmiges
Metallteil aufweist, mit dem eine Anzahl von radial angeordneten
Metalösen, die entlang dem Umfang des Stützflansches eingefaltet sind,
einstückig verbunden sind. Der Dichtungsring weist zudem
zwei flexible Dichtringe auf, die auf jeweils beiden Seiten des
starren ringförmigen Metallteils konzentrisch angeordnet
sind, wobei der Durchmesser der flexiblen Dichtringe kleiner ist
als der Durchmesser des starren ringförmigen Metallteils,
so dass der Kernring einen nach außen vorstehenden Rand
aufweist. Die Dichtung kann zwischen den unterschiedlich dimensionierten
Flanschen befestigt werden, wobei die Metalösen länger
sind als eine entsprechende Querabmessung der größten
Flansche, in denen die Dichtung befestigt werden kann. Die Dichtung
dieses Typs weist jedoch keine Vorrichtungen zum Schutz vor übermäßigen
Kompressionsdrücken auf und kann daher infolge übermäßiger Druckkräfte
durch die Flansche zerstört werden.
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Kurzfassung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Dichtung zu schaffen, die vor übermäßigen
Druckkräften infolge einer Kompression bzw. Stauchung der Flanschflächen
geschützt ist.
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Gemäß der
Erfindung wird diese Aufgabe durch Bereitstellen einer Dichtung
zum Abdichten einer Flanschverbindung geschaffen, wobei die Dichtung
ein ringförmiges Dichtelement aufweist, das einen Kernring
und zwei flexible Dichtringe aufweist, die jeweils auf den beiden
Seiten des Kernrings konzentrisch angeordnet sind, wobei der Durchmesser der
flexiblen Dichtringe kleiner ist als der Durchmesser des Kernrings,
so dass der Kernring einen nach außen vorstehenden Rand
aufweist. Die Dichtung weist ferner eine Schutzvorrichtung auf,
die in Form eines Rings ausgebildet ist, wobei die Schutzvorrichtung
einen in Umfangsrichtung ausgebildeten Hohlraum aufweist, der der
Mittelachse bzw. Drehachse der Schutzvorrichtung gegenüberliegt,
wobei die Schutzvorrichtung entlang des Umfangs des Kernrings befestigt
werden kann, wobei der vorstehende Rand des Kernrings in den entlang
dem Umfang angeordneten Hohlraum der Schutzvorrichtung eingefügt
ist, und wobei die maximale Dicke der Schutzvorrichtung geringer
ist als die Dicke des ringförmigen Dichtelements. Somit
kann eine erfindungsgemäße Dichtung durch die
Flanschflächen komprimiert werden, bis diese die Oberflä che
der Schutzvorrichtung erreichen. Zudem wird die Ausübung
von Kompressions- und Stoßkräften verhindert.
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Das
ringförmige Dichtungselement kann mit einer Beschichtung
aus porösem Polytetrafluorethylen beschichtet sein, und
bei den flexiblen Dichtungsringen kann es sich jeweils um ein gewelltes
Band aus Streckgraphit handeln, das von einem Beschichtungsband
aus porösem Polytetrafluorethylen umwickelt ist.
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Vorzugsweise
weist die Dichtung der vorliegenden Erfindung außerdem
eine radiale Halterung zum Einbauen des Dichtungselements auf, wobei
die Halterung mit der Schutzvorrichtung verbunden ist und über
die Flansche der Flanschverbindung hinaus vorsteht, wenn die Dichtung
eingebaut ist. Der Benutzer kann die Halterung mit der Hand ergreifen
und so die Dichtung bequem einbauen.
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Die
Schutzvorrichtung kann zumindest in zwei Teile zerlegt werden.
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Zumindest
ein Teil der Schutzvorrichtung kann ein Ring sein, der mit einem
anderen Teil auf seiner Seite verbunden ist.
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Die
beiden Teile der Schutzvorrichtung können symmetrisch ausgebildet
sein.
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An
der Halterung kann eine Identifikationseinrichtung angebracht sein.
Die Identifikations- bzw. Anzeigeeinrichtung kann Betriebsbedingungen, wie
z. B. ein Dichtungsmittel, die Temperatur, den Druck etc. der Dichtung
anzeigen.
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Ein
Teil der Schutzvorrichtung kann ein den Umfang entlang angeordnetes
Segment und zumindest ein zusätzliches Befestigungselement
zum Befestigen des ringförmigen Dichtungselements in der Schutzvorrichtung
aufweisen.
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Das
zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen
Dichtungselements in der Schutzvorrichtung kann ein den Umfang entlang angeordnetes Segment
sein, dessen Profil mit der Schutzvorrichtung zusammenpasst und
an der Schutzvorrichtung lösbar befestigt ist.
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Das
zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen
Dichtungselements in der Schutzvorrichtung kann zumindest ein Halterungselement
aufweisen, das an einem der Teile der Schutzvorrichtung ortsfest
montiert ist.
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Das
zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen
Dichtungselements in der Schutzvorrichtung kann ein entlang dem
Umfang angeordnetes Segment aufweisen, dessen Profil mit dem korrespondierenden
bzw. entsprechenden Teil der Schutzvorrichtung zusammenpasst, wobei
das am Umfang angeordnete Segment auf dem Halterungselement gleitbar
befestigt ist und an der Schutzvorrichtung befestigt werden kann.
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Das
zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen
Dichtungselements in der Schutzvorrichtung weist zumindest ein Halterungselement
auf, das an einem der Teile der Schutzvorrichtung befestigt werden
kann.
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Der
Umfang der Kernringe ermöglicht eine exakte Positionierung
des ringförmigen Dichtungselements in der Schutzvorrichtung.
Die aus porösem Polytetrafluorethylen bestehende Beschichtung
des Dichtungselements der Dichtung bietet demselben einen Korrosionsschutz.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer Flanschverbindung mit einer Dichtung gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine
Seitenansicht der Dichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 eine
Teilschnittansicht, die entlang der Linie A-A von 2 erstellt
worden ist, die eine einlagige Beschichtung des ringförmigen
Dichtungselements darstellt;
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4 eine
Teilschnittansicht, die entlang der Linie A-A von 2 erstellt
worden ist, die eine zweilagige Beschichtung des ringförmigen
Dichtungselements darstellt;
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5 eine
geneigte perspektivische Ansicht der ersten Ausführungsform
des aus gewelltem Band bestehenden flexiblen Dichtrings;
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6 eine
geneigte perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform
des aus gewelltem Band bestehenden flexiblen Dichtrings;
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7 eine
Schnittansicht der Dichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
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8 eine
Schnittansicht der Dichtung gemäß noch einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
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9 eine
seitliche Teilansicht der Dichtung mit der Anzeigeeinrichtung auf
der Halterung;
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10 eine
Seitenansicht der Dichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine
Seitenansicht der Dichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung;
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12 eine
Seitenansicht der Dichtung gemäß noch einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die
Dichtung 1 zum Dichten der Flanschverbindung 2 gemäß der
Erfindung ist zwischen zwei Flanschen 3 und 4 der
Flanschverbindung 2 positioniert, die durch Flanschbefestigungselemente 5 zusammengepresst
wird (siehe 1). Bei den Flanschbefestigungselemente 5 kann
es sich um Schrauben oder Stiftbolzen handeln. Außerdem
können auch Schussbolzen verwendet werden, die in einem
der Flansche der Flanschverbindung 2 drehbar angebracht
sind.
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Die
Dichtung 1 weist ein ringförmiges Dichtungselement 6 und
eine Schutzvorrichtung in der Form eines vorzugsweise aus Metall
bestehenden Schutzrings 7 auf. Die Dichtung 1 kann
auch eine radiale Halterung 8 für eine vereinfachte
ordnungsgemäße Installation der Dichtung 1 aufweisen.
Der Benutzer kann die Halterung 8 mit der Hand ergreifen und
die Dichtung bequem einbauen. Die Schutzvorrichtung 7 ist
aus zwei Teilen 9 gebildet, die durch ihre Seiten 10 passend
miteinander verbunden sind, um einen Hohlraum 12 zu erzeugen,
der der Mittelachse des Schutzrings 7 gegenüberliegt
und die durch die Innenflächen 11 der Teile 9 miteinander verbunden
sind (siehe 3). In dieser Ausführungsform
sind die Teile 9 symmetrisch ausgebildet. Einer der symmetrischen
Teile 9 kann mit der Halterung 8 ortsfest verbunden
sein.
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Das
ringförmige Dichtungselement 6 weist einen Kernring 13 (vorzugsweise
aus Metall) und zwei flexible Dichtringe 14 auf, die auf
beiden Seiten des Kernrings 13 konzentrisch angeordnet
sind, wobei der Durchmesser der flexiblen Dichtringe 14 kleinen
ist als der Durchmesser des Kernrings 13, wodurch der Randbereich 15 des
Kernrings 13 über die flexiblen Dichtringe 14 hinaus
vorsteht. Der Randbereich 15 kann in den Hohlraum 12 des
Schutzrings 7 eingefügt werden. Das ringförmige
Dichtungselement 6 ist mit einer Beschichtung 16 aus
porösem Polytetrafluorethylen beschichtet. Bei dem Streckgraphit
handelt es sich um ein hinreichend verformtes Material mit stabilen
Stoffeigenschaften. Die Verformung der aus Streckgraphit gefertigten
flexiblen Dichtringe 14 kann 10% der Dicke des ringförmigen Dichtelements 6 erreichen.
Durch eine übermäßige Verformung der
flexiblen Dichtringe 14 kann es jedoch zu deren Bruch kommen.
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Während
des Betriebs steckt das ringförmige Dichtelement 6 zwischen
den Flächen der Flansche 3 und 4 in der
Flanschverbindung 2. Während des Betriebs können
die Flansche 3 und 4 eine übermäßig
hohe Kraft auf den flexiblen Dichtungsring 14 ausüben.
Der flexible Dichtungsring 14 ist solange verformbar, bis
die Oberfläche des flexiblen Dichtrings 14 mit
der äußeren Oberfläche des Schutzrings 7 bündig
abschließt. Daher wird eine weitere Ausübung von
Druckkräften auf die Dichtung sowie ein Bersten derselben
durch Kompression verhindert.
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Dadurch
dass das ringförmige Dichteelement 6 von einer
Beschichtung aus einem porösen Polytetrafluorethylen umgeben
ist, wird der Ring noch besser vor Beschädigung bzw. Zerstörung
geschützt. Bei der Beschichtung des ringförmigen
Dichtelements kann es sich um eine einlagige Beschichtung handeln
(siehe 3), die aus Polytetrafluorethylen besteht, das
eine Porosität von 50 bis 60% aufweist, oder eine zweilagige
Beschichtung (siehe 4), die eine Innenlage 17 aus
Polytetrafluorethylen mit einer Porosität von 30 bis 40%
und eine Außenlage 18 aus Polytetrafluorethylen
mit einer Porosität von 50 bis 60% aufweist. Jede Lage
der Beschichtung wird dadurch hergestellt, dass um das ringförmige
Dichtelement 6 ein aus porösem Polytetrafluorethylen
bestehendes Beschichtungsband durch Überlappen und Verspannen
gewickelt wird.
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Die
einlagige Beschichtung des aus Polytetrafluorethylen mit einer Porosität
von 50 bis 60% bestehenden ringförmigen Dichtelements kann
so gewickelt werden, dass die Wicklungen des Beschichtungsbands
einander überlappen und daher eine Verstärkung
des ringförmigen Dichtelements erzeugt wird. Die eine solche
Porosität aufweisende Beschichtung verhindert jedoch nicht,
dass der Dichtring mit der Umgebung reagieren kann.
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Die
einlagige Beschichtung des aus Polytetrafluorethylen mit einer Porosität
von 30 bis 40% bestehenden ringförmigen Dichtelements verhindert, dass
der Dichtring mit der Umgebung reagiert. Die überlappenden
Wicklungen des eine derartige Porosität aufweisenden Beschichtungsbands
können jedoch nicht aneinanderhaften.
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Durch
die aus Polytetrafluorethylen mit einer Porosität von 30
bis 60% bestehenden zweilagigen Beschichtung wird verhindert, dass
das ringförmige Dichtelement 6 mit der Umgebung
reagiert, d. h. wird der Ring vor Korrosion geschützt.
Die zweilagige Beschichtung, bei der die Wicklungen des Beschichtungsbands
miteinander überlappen, verleiht der Dichtung noch mehr
Stabilität bzw. Steifigkeit.
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Die
exakte Anzahl der Bandwicklungen in jeder Beschichtungslage hängt
davon ab, wie aggressiv das Medium und Parameter wie Druck und Temperatur
desselben sind. Je aggressiver das Medium ist und je höher
die Parameter sind, desto mehr Bandlagen müssen angefertigt
werden. Tests haben jedoch gezeigt, dass durch die Erhöhung
der Anzahl der Lagen über einen bestimmten Grenzwert hinaus keine
bessere Isolierung erzielt wird. Um ein Ausbeulen des Beschichtungsbands
zu verhindern, muss jede Lage unter Aufbringung einer gewissen Zugspannung
aufgewickelt werden.
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Die
Dicke des aus porösem Polytetrafluorethylen bestehenden
Beschichtungsbands darf vorteilhafterweise 0,25 oder weniger betragen.
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Die
Dichte des Streckgraphits in den flexiblen Dichtringen kann vorteilhafterweise
1,2 bis 1,8 g/cm3 betragen. Wenn die Dichte
des Streckgraphits 1,8 g/cm3 beträgt,
erreicht die Verformung der flexiblen Dichtringe 14 ihr
Maximum von 10% der Dicke des flexiblen Dichtrings. Wenn die Dichte
des Streckgraphits weniger als 1,2 g/cm3 beträgt,
gestaltet sich das Einwickeln mit dem Beschichtungsband aufgrund
des zu instabilen Graphits als zu schwierig. Ferner können
die Verformungseigenschafen eines derartigen flexiblen Dichtungsrings 14 eventuell
nicht ausreichend sein, um bei einer raschen Veränderung der
Temperatur für eine geeignete Abdichtung der Flanschverbindung 2 zu
sorgen.
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Der
flexible Dichtring 14 kann als gewelltes Band 20 aus
Streckgraphit bestehen, das von dem Beschichtungsband aus porösem
Polytetrafluorethylen 19 umwickelt ist (siehe 5),
wobei durch ein fortgesetztes Pressen des flexiblen Dichtrings das ringförmige
Dichtelement 6 mit einer entsprechenden Dicke erzeugt wird.
Das Beschichtungsband besteht aus porösem Polytetrafluorethylen
mit einer Porosität von 50–60% und einer Dicke
von nicht mehr als 0,045 mm. In einer weiteren Ausführungsform
weist die flexible Dichtung 14 ein bandförmiges
Verstärkungselement 21 auf, das zwischen zwei
gewellten Bändern 20 aus Streckgraphit angeordnet
ist (siehe 6). Das bandförmige
Verstärkungselement 21 kann aus organischem Material,
wie Aramid, Polyethylen, Polypropylen und Nylon, oder aus anorganischem
Material, wie z. B. Glasfaser oder Gewebe mit Keramikfaser, Quarzfaser
oder Kohlefaser oder aus einer Metallfolie, insbesondere aus rostfreiem
Stahl, bestehen. Das bandförmige Verstärkungselement verleiht
der Dichtung eine verbesserte Dauerhaftigkeit und verändert
deren Flexibilität nicht, die von der Porosität
des Streckgraphits abhängig ist.
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Der
flexible Dichtring 14 kann eine Mehrzahl von Ringen 22 mit
Verstärkungselementen 23 aufweisen, die zwischen
benachbarten Ringen 22 angeordnet ist (siehe 8).
Jeder Ring 22 kann aus für den flexiblen Dichtring 14 verwandtem
gewickeltem Streckgraphit bestehen, wie vorstehend beschrieben wurde.
Die Verstärkungselemente 23 können einen einfachen
Ring oder einen perforierten Ring aufweisen oder aus Netz gefertigt
sein. Die Verstärkungselemente 23 können
aus einem organischen Material, einem anorganischen Material oder
einer Metallfolie bestehen, wie bereits vorstehend angemerkt wurde.
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Die
Dichtung kann eine Anzeigeeinrichtung 24, die auf der Halterung 8 angeordnet
ist, die die Betriebsbedingungen (Dichtungsmittel, Temperaturen, Druck
etc.) der Dichtung anzeigen (siehe 9).
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In
einer weiteren Ausführungsform der Dichtung weist eines
der Teile 9 des Schutzrings 7 ein entlang dem
Umfang angeordnetes Segment 25 und zumindest ein zusätzliches
Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen Dichtungselements 6 in dem
Schutzring 7 auf (siehe 10). Das
zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen des ringförmigen
Dichtungselements 6 in dem Schutzring 7 kann ein
auf dem Umfang angeordnetes Segment 26 sein, dessen Profil
mit dem entsprechenden Teil 9 des Schutzrings 7 zusammenpasst
und auf dem Schutzring 7 mittels vorstehender Befestigungselemente 27 lösbar
befestigt ist. Zudem kann das zusätzliche Befestigungselement
zum Befestigen des ringförmigen Dichtungselements 6 in
dem Schutzring ein am Umfang angeordnetes Segment 28 sind,
dessen Profil mit dem entsprechenden Teil 9 des Schutzrings 7 zusammenpasst,
wobei das entlang dem Umfang angeordnete Segment 28 auf
der Halterung gleitend montiert ist und auf dem Schutzring 7 mittels vorstehender
Befestigungselemente 30 befestigt werden kann (siehe 11).
Ferner kann das zusätzliche Befestigungselement zum Befestigen
des ringförmigen Dichtungselements 6 in dem Schutzring 9 zumindest
ein Halteelement 31 aufweisen, das auf einem der Teile
des Schutzrings ortsfest montiert ist (siehe 12). Aufgrund
des zerlegbaren Aufbaus des Schutzrings 7 (wie in 10–12 gezeigt
ist), kann das ringförmige Dichtelement 6 durch
ein neues ersetzt oder zu Reparaturzwecken eines beschädigten
Abschnitts mittels Umwickeln des Abschnitts mit dem Band aus porösem
Polytetrafluorethylen ausgetauscht werden. Der Schutzring 7 ist
somit wieder verwendbar.
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Die
Dichtung mit einem ortsfest angebrachten ringförmigen Dichtungselement
kann unter riskanten Bedingungen eingesetzt werden, wie z. B. in chemischen
Industrie- und Kernkraft-Anlagen, wo der Zeitaufwand für
Reparaturen minimiert und mögliche Defekt der Dichtung
verhindert werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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