DE2903453A1 - Dichtungsring, der flexiblen graphit enthaelt - Google Patents

Dichtungsring, der flexiblen graphit enthaelt

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DE2903453A1 DE19792903453 DE2903453A DE2903453A1 DE 2903453 A1 DE2903453 A1 DE 2903453A1 DE 19792903453 DE19792903453 DE 19792903453 DE 2903453 A DE2903453 A DE 2903453A DE 2903453 A1 DE2903453 A1 DE 2903453A1
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Description

HELMUT GORTZ H
6 F.-ar.UiUft am Main 70
Schnedeniiofsfr. 27 - Tel. 617079
29. Januar 1979 Gzm/Ra.
Union Carbide- Corporation, New York, N.Y. 10017 / USA
Dichtungsring, der flexiblen Graphit enthält
Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von wirksameren Verschlüssen (seale) in der Stopfbüchsenvorrichtung (stuffing box assembly) von Pumpen und Ventilen und dergleichen Strukturen durch die Verwendung eines umbildbaren (reformable) Dichtungsrings bestehend aus komprimierten Teilchen von flexiblem Graphit.
Flexibler Graphit wurde seit langem als Dichtungsmaterial verwendet, um sehr wirksame Verschlüsse für die Stopfbüchsenanordnung von Pumpen, Ventilen und dergleichen Strukturen zu bilden. Eine Form, die derartigerflexibler'Graphit angenommen hat, ist die von vorgeformten lamellenartigen Ringen. Eine andere Form besteht aus in einer Form gebildeton Ringen (die molded rings), die dadurch gebildet werden, daß ein gewelltes Band oder ein Streifen aus flexiblem Graphit komprimiert wird, der um eine Achswelle (shaft) gewickelt worden ist. Damit derartige vorgeformten Ringe wirksam sind, müssen sie exakt zwischen die Stopfbuchse und den Schaft (stern) der Pumpe oder des Ventils passen; oder sie müssen expandieren können und diesen Raum ausfüllen können, wenn ein Druck ausgeübt wird, in dem die Brille der Stopfbuchse (gland of the stuffing box) verdichtet wird. Wogen ihrer sehr anisotropen Struktur zeigen je-
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doch unglücklicherweise lamellenartige Dichtungsringe keinen lateralen Fluß, wenn Druck auf sie ausgeübt wird und deshalb fehlt oft der erwünschte Paßsitz zwischen der Stopfbüchse und dem Schaft (stern) der Pumpe oder des Ventils. Ganz ähnlich zeigen die formgebildeten Ringe (die molded rings) nur eine durchschnittlichp Expansion von ungefähr 4 % ihres äußeren Durchmessers, bev'or eine ständige Beeinträchtigung der Verschlußoberflächen derartiger Ringe eintritt;oft entsteht auch kein zufriedenstellender Verschluß.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochwirksamen Dichtungsring bestehend aus komprimierten Teilchen von flexiblem Graphit. Da ein derartiger Dichtungsring im Vergleich mit den gegenwärtig verwendeten Dichtungsringen sehr isotrop ist, zeigt er einen größeren Fluß, als die gegenwärtig verwendeten Ringe, wenn ein Dr*uck auf ihn ausgeübt wird, wie er z.B. entsteht, wenn die Brille der Stopfbüchsen verdichtet wird. Daraus ergibt sich, daß ein besserer Paßsitz innerhalb der Stopfbüchse erzeugt v/erden kann und ebenso ein wirksamerer Verschluß. Da dieser Dichtungsring fließen kann und seine Dimensionen umbilden kann (reform) muß er nicht so genau den Dimensionen einer bestimmten Stopfbüchse angepaßt werden als die bisher verwendeten Ringe.
Konventionelle vorgeformte Ringe aus einer lamellenartigen, flexiblen Graphitfolie sind, wie vorhin erwähnt wurde, sehr anisotrop, wobei die Basisflächen des Graphits im wesentlichen in derselben Ebene liegen wie der Ring. In dem Maße, wie Druck auf derartige Ringe ausgeübt wird durch die Brille der Stopfbüchse und der Ring senkrecht zu den Grundflächen komprimiert wird, erfolgt ein sehr geringer lateraler Fluß in Richtung der Grundebenen.
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Im Falle von Ringen, die dadurch gebildet worden sind, daß ein gewelltes Band oder ein Streifen aus flexiblem Graphit, die um eine Achswelle gewickelt worden sind, komprimiert worden sind, liegen die Grundebenen des Graphits zuerst parallel zu der Achswelle, da das Band oder der Streifen, um die Achswelle gewickelt ist, und dann unter einem gegebenen Winkel zu der Achswelle nach c'öt Kompression. V.renn derartige Ringe weiter komprimiert werden durch die Brille der Stopfbüchse, erfolgt in begrenztem Ausmaße ein lateraler Fluß, da die Grundebenen weiter in eine Richtung parallel zu den Ebenen der Ringe gestoßen werden. Es wurde jedoch gefunden, daß die äußeren Durchmesser derartiger Ringe im Durchschnitt nur ungefähr um 4 % expandieren, bevor eine ständige Beeinträchtigung der 'Verschlußoberflächen derartiger Ringe eintritt.
Andererseits wird der Dichtungsring gemäß der Erfindung aus kleinen, wahllos orientierten Teilchen gebildet, die komprimiert sind; daraus resultiert die sehr isotrope Struktur dieses Dichtungsrings. ¥enn auf einen derartigen Ring ein Druck ausgeübt wird durch die Brille der Stopfbüchse, dann fließen die willkürlich orientierten Teilchen aneinander vorbei, wodurch der Ring veranlaßt wird, seine Gestalt.den Dimensionen der Stopfbuchse anzupassen. Daraus ergibt sich ein enger Paßsitz innerhalb der Stopfbüchse und ein wirksamerer Verschluß wird geschaffen.
Die isotrope Struktur des Dichtungsringes gemäß der Erfindung verleiht dem Ring nicht nur bessere Verschlußeigenschaften, sondern macht derartige Ringe ideal geeignet für Ventilschaftverschlüsse, wo eine niedrige Reibung erforderlich ist. Der Dichtungsring gemäß der Erfindung ergibt also einen lecksicheren Verschluß, wenn er mit gasförmigen und flüssigen
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Fluida verwendet wird; er zeigt a"ber auch eine -überraschend geringe Schaftreibung im Vergleich mit anderen Dichtungsringen, die aus flexiblem Graphit gebildet v/erden. Der Ausdruck "Schaftreibung" (stem friction) bedeutet den reibungswiderstand auf dem Ventilschaft, gemessen als Differenz der Kraft, die erforderlich ist, das Ventil zu betätigen,wenn die Stopfbüchse verdichtet wird (packed) gegen die Kraft, die erforderlich ist, und das Ventil zu betätigen, wenn keine Verdichtung in der Stopfbüchse erfolgt.
Die Dichtungsringe gemäß der Erfindung können dadurch hergestellt werden, daß Teilchen aus flexiblem Graphit in einer Formpresse (molding die) komprimiert werden, deren Form der Form des erwünschten Ringes entspricht. Ringe jeder erwünschten Größe können auf diese Weise hergestellt werden. Die Dichte derartiger Ringe variiert in Abhängigkeit von dem angewandten Druck. Bei der praktischen Ausführung hat sich herausgestellt, daß Ringe mit einer Dichte niedriger als 1,12 g/cm^ (70 Pfund pro Kubikfuß) nicht gut zusammenhalten und Ringe mit einer Dichte größer als 1,93 g/cm5 (120 Pfund pro Kubikfuß) sind nicht nur schwierig herzustellen sondern sie erfordern auch einen hohen Druck während der Verwendung, damit sie sich den Dimensionen der Stopfbüchse anpassen. Ringe mit derartigen Dichten können hergestellt werden durch Anwendung eines Form-
2 ^
druckes von ungefähr 105»4 kg/cm bis ungefähr 843,6 kg/cm*" auf die flexiblen Graphitteilchen. Drücke von ungefähr 140 kg/cm bis ungefähr 211 kg/cm erzeugen Ringe mit einer Dichte von ungefähr 1,28 g/cm (80 Pfund pro Kubukfuß) bis ungefähr 1,44 g/cm5 (90 Pfund pro Kubikfuß). Derartige Ringe sind zufriedenstellend für die meisten Anwendungen.
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Wenn der Dichtungsring, der auf diese Art und Weise hergestellt worden ist, in die Stopfbüchse einer Pumpe oder eines Ventils montiert wird und die Brille der Stopfbüchse verdichtet wird, wird der Ring komprimiert und er bildet seine Gestalt so um, daß er den Raum zwischen den Wänden der Stopfbüchse und dem Schaft der Pumpe oder des Ventils ausfüllt. Die Brille (gland) sollte genügend verdichtet werden, damit der Ring die Stopfbüchse derart ausfüllt, daß er den internen Fluiddruck der Pumpe oder des Ventils dicht abschließt.
Die flexiblen Graphitteilchen, welche für die Herstellung der Dichtungsringe gemäß der Erfindung verwendet werden, können bezüglich ihrer Länge bis zu ungefähr 25 mm variieren, aber sie sind normalerweise nicht größer als 6 mm. Obwohl Teilchen verwendet werden können, die klein genug sind, daß sie durch ein US-Standardsieb Nr. 30 gehen (0,57 mm Öffnung), sind derartige Teilchen weniger erwünscht als etwas größere Teilchen, denn sie neigen dazu, an Grenzflächen der Stopfbüchse vorbeizugleiten (Grenzflächentoleranzen größer als 0,125 mm sind nicht ungewöhnlich). Aus diesem Grunde wird im allgemeinen bevorzugt, Teilchen zu verwenden, die groß genug sind, daß sie auf einem US-Standardsieb Nr. 30 zurückgehalten werden. Für Anwendungen jedoch, wo Teiltoleranzen geringer als 0,125 mm sind, können kleinere Teilchen verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie groß genug sind, um auf einem US-Standardsieb Nr. 50 zurückgehalten zu werden (0,29 mm Öffnung).
Die für die vorliegende Erfindung verwendeten flexiblen Graphitteilchen können dadurch hergestellt werden, daß flexible Graphitfolien zerschnitzelt werden« Derartige Folien können dadurch hergestellt werden, daß Graphitflocken um einen Faktor von
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wenigstens 80 in Richtung der kristallographischen c-Achse expandiert werden und anschließend die expandierten Flocken komprimiert werden, um eine zusammenhängende Struktur zu "bilden. Die Expansion der Graphitflocken kann leicht dadurch erreicht werden, daß die Bindungskräfte zwischen den Schichtebenen im Graphit angegriffen werden. Das Ergebnis eines derartigen Anr griffs besteht darin, daß der Abstand zwischen übereinan/lergelagerten Schichten vergrößert werden kann, so daß eine merkliche Expansion in Richtung senkrecht zu den Schichten erfolgt, d.h. in Richtung der c-Achse. Die expandierten Teilchen können unter leichtem Druck zu einem Schaummaterial verformt werden, da die Teilchen die Fähigkeit haben, infolge der großen Expansion aneinanderzuhaften, und zwar ohne Binder. Streifen, Folien und dergleichen werden aus expandierten Teilchen einfach dadurch hergestellt, daß der Kompressionsdruck gesteigert wird, wobei die Dichte des gebildeten Graphits in Beziehung steht zum angewendeten Formendruck.·Dichten von weniger als 0,08 g/cm (5 Pfund pro Kubikfuß) bis ungefähr 2,2 g/cm5 (137 Pfund pro Kubikfuß) werden für dieses Material leicht erreicht. Eine vollständige Beschreibung zur Herstellung von flexiblem Graphit ist in dem US-Patent 3 404 O61 beschrieben.
Die flexible Graphitfolie, die verwendet wird, um die flexiblen Graphitteilchen herzustellen, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden, hat vorzugsweise eine Dichte von ungefähr 0,16 g/cm5 (10 Pfund pro Kubikfuß) bis ungefähr 1,61 g/cm5 (100 Pfund pro Kubikfuß), vorzugsweise von ungefähr 0,80 g/cm5 (50 Pfund pro Kubikfuß) bis ungefähr 1,44 g/cm5 (90 Pfund pro Kubikfuß) und eine Dicke von ungefähr 0,075 mm bis ungefähr 1,5 mm, vorzugsweise von ungefähr 0,125 mm bis ungefähr 0,625 mm. Falls erwünscht, können die flexiblen Graphitteilchen durch
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Zerschnitzeln von einem Material erhalten werden, das hergestellt wird durch Expandieren von Graphitflocken und durch Komprimieren der expandierten Flocken zu Formen, deren Dicke größer ist als die der Folie, z.B. Blöcke und dergleichen.
Falls erwünscht; können andere Materialien wie phenolische Harze, Kohlenstoffasern und dergleichen den Dichtungsringen aus flexiblem Graphit gemäß der Erfindung zugesetzt werden, damit diese als Bindemittel, Verstärkung usw. wirken.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. Es versteht sich, daß es sich nur um Beispiele handelt, die in keiner Weise die Erfindung einschränken.
Beispiel 1
Eine Folie aus flexiblem Graphit (Grafoil vom Grade GTB) der nominellen Dicke 0,375 mm und der nominellen Dichte 1,12 g/ciir (70 Pfund pro Kubikfuß) wurde mit Hilfe eines Querschneidezerkleinerers zerschnitzelt. Die sich ergebenden Teilchen waren im allgemeinen splitterförmig, ihre Länge betrug bis zu 6 mm und ihre Breite ungefähr 0,8 mm. Die Kanten dieser Teilchen waren oft gekräuselt und wenn sie abgeflacht waren, so hatten die abgeflachten Teilchen Breiten von ungefähr 1,5 mm bis 2,4 mm.
Die zerkleinerten Teilchen wurden dann in eine Preßform gegössen und unter einem Druck von 140,6 kp/cm komprimiert (angewendet senkrecht zur Ebene des Rings), um einen Dichtungsring herzustellen, der einen inneren Durchmesser von 10,5 mm aufweist und einen äußeren Durchmesser von 16,5 mm. Die Dichte
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- erde s Ringes betrug 1,28 g/cnr5 (80 Pfund pro Kubikfuß).
Auf den Ring wurde dann ein Druck von 49,2 kp/cm bis 140,6 kp/cm ausgeübt (senkrecht zur Ebene des Ringes). Infolge dieses Druckes bildete der Ring seine Dimensionen um, um den ringförmigen Raum, der zweimal so groß ist als die ursprüngliche Fläche des Ringes, auszufüllen.
P P
Wenn ein Druck von 140,6 kp/cm bis 210,9 kp/cm auf einen konventionellen vorgeformten lamellenartigen Ring aus flexiblem Graphit ausgeübt wurde, dann expandierte der äußere Durchmesser des Ringes nur um 0,8 % bis 1,6 % des ursprünglichen Durchmessers, während· sich der innere Durchmesser nur um 0,3 % zusammenzog.
Wenn ein" Ring, der durch Kompression eines gewellten Bandes oder Streifens aus flexiblem Graphit, die um eine Achswelle gewickelt worden waren, gebildet worden war, einem Druck von 14 kp/cm bis 105»4 kp/cm ausgesetzt wurde, dann zeigte der äußere Durchmesser des Ringes eine Expansion von 1 % bis 7 %t während sich der innere Durchmesser um 1 % bis 10 % zusammen- ' zog. Bei einer Expansion des äußeren Durchmessers um mehr als ungefähr 4 % riß jedoch die äußere Umhüllung ein. Diese Einreißstelle schloß sich nicht bei Anwendung eines erhöhten Drucks, wodurch der Ring ein mögliches Leck aufwies.
Beispiel 2
Vier Dichtungsringe, die entsprechend dem Beispiel 1 hergestellt worden waren, wurden in die Stopfbuchse eines Steuerventils montiert und einem Brillendruck ausgesetzt (gland pressure), der ausreichte, um einen inneren Druck von 105»4 kp/cm abzu-
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dichten. Das Steuerventil war mit einer diaphragmaartigen Ventilbetätigungsvorrichtung ausgestattet, mit deren Hilfe das Ventil geschlossen und geöffnet werden konnte«. Die Betätigungsvorrichtung verwendete Luftdruckf um das Ventil zu öffnen und eine Feder, um zu schliei3en. Der Luftdruck, der erforderlich war, um das Ventil zu öffnen, konnte mit Hilff» eines Manometers gemessen v/erden.
Öl, Luft und Wasser wurden dann nacheinander durch das Ventil geleitet und in jedem Falle wurde das Ventil 5000 mal geöffnet und geschlossene In jedem Falle funktionierte das Ventil ohne Auftreten eines Lecks.
Der Reibungsdruck, der erforderlich war, um das Ventil zu betätigen, wurde für alle drei Fluida nach dem 25. und 5000. Zyklus gemessen und verglichen mit dem Druck, der erforderlich war, um das Ventil zu betätigen, wenn keine Dichtung vorhanden war,, Die Druckdifferenz, bekannt als durch Reibung hervorgerufener Widerstand, betrug 0,105 kp/cm2, 0,12 kp/crn2 und 0.042 kp/cm2 für Öl, Luft und Wasser nach dem 25. Zyklus. Nach dem 5000.
ρ Ο
Zyklus betrug der Reibungswiderstand 0,021 kp/cm , 0,084 kp/cm und 0,042 kp/cm2 für Öl, Luft und Wasser.
Wenn dasselbe Steuerventil mit vier konventionellen vorgeformten lamellenartigen Ringen aus flexiblem Graphit abgedichtet wurde und in derselben Weise mit Öl geprüft wurde, dann betrug die Druckdifferenz nach dem 25. Zyklus 0,26 kp/cm , wobei es sich um die Differenz der Drücke handelt, die erforderlich sind, das Ventil mit Dichtung und ohne Dichtung zu betätigen.
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Wenn der Test mit Luft und Wasser wiederholt wurde, und zwar unter Verwendung von vier Ringen, die dadurch gebildet wurden, daß ein gewellten Band oder ein Streifen aus flexiblem Graphit (Breite 12 ram und Dicke 0,375 mm) um eine Achswelle gewickelt wurde und darm das Band oder der Streifen zu einer Dichtung komprimiert wurd^, dann war der Reibungswiderstand auf dem Ventilschaft in jedem Falle so η "Oh, daß das Ventil nicht geschlossen werden konnte, selbst bei einem maximalen Diaphragmadruck von 1,05 kp/cm . Im Falle von Luft war die Funktion des Ventils von einem beträchtlichen Rattern des Schafts begleitete
Wenn der Test mit Wasser wiederholt wurde und mit vier Ringen, dann betrug die Differenz der Drücke, die erforderlich waren, um das Ventil in Gegenwart und in Abwesenheit der Dichtung zu betätigen, 0,11 kp/cm nach dem 25. Zyklus und 0,09 kp/cm nach dem 5000. Zyklus; die Ringe wurden dadurch hergestellt, daß ein gewelltes Band oder ein Streifen aus flexiblem Graphit (Breite 25 mm und Dicke 0,375 mm) um eine Achswelle gewickelt wurde und dann das Band oder der Streifen zu einem Ring verdichtet wurde.
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Claims (14)

  1. Patentansprüche
    Verformbarer (reformable) Dichtungsring, gekennzeichnet durch komprimierte Teilchen aus .flexiblem Graphit.
  2. 2. Verformbarer Dichtungsring (reformable packing ring) -nach Anspruch 1 9 gekennzeichnet durch eine Dichte von 1,12 g/cnr (70 Pfimd pro Kubikfuß) bis 1,93 g/cm3 (120 Pfund pro KuMkfuß).
  3. 3. Verformbarcr Dichtungsring nach Anspruch 1P gekennzeichnet durch eine Dichte von 1,28 g/cm3 (80 Pfund pro Kubikfuß) bis 1,44 g/cm3'(90 Pfund pro Kubikfuß).
  4. 4. Verformbarer Dichtungsring nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnetp daß der Dichtungsring aus Teilchen aus flexiblem Graphit gebildet wird, die groß genug sind, um auf einem US-Standardsieb Nr. 50 zurückgehalten zu werden, deren Länge jedoch 6 mm nicht überschreitet.
  5. 5. Verformbarer Dichtungsring nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring gebildet wird aus Teilchen aus flexiblem Graphit, deren Größe ausreicht, um auf einem US-Standardsieb Nr. 30 zurückgehalten zu werden, deren Länge jedoch nicht 6 mm überschreitet.
  6. 6. Verformbarer Dichtungsring nach den Ansprüchen 1P 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitteilchen, die verwendet werden, um den Dichtungsring zu bilden, aus einer Folie hergestellt werden, deren Dichte
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    0,16 g/cm3 (10 Pfund pro Kubikfuß) Ms 1,61 g/cm3 (100 Pfund pro Kubikfuß) beträgt und deren Dicke 0,075 mm bis 1,5 ram beträgt.
  7. 7. Verformbarer Dichtungsring nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß d\o flexiblen Graphitteilchen, die zur Herstellung des Dichtungsringes verwendet v/erden, aus einer Folie hergestellt werden, deren Dichte 0,8 kp/cm3 (50 Pfund pro Kubikfuß) bis 1,44 g/cm3 (90 Pfund pro Kubikfuß) beträgt und deren Dicke 0,12 mm bis 6 mm beträgt.
  8. 8. Stopfbüchsenvorrichtung (stuffing box assembly), dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfbüchse mit einem verformbaren Dichtungsring abgedichtet wird, der aus komprimierten Teilchen aus flexiblem Graphit besteht.
  9. 9· Stopfbüchsenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring eine Dichte von 1,12 g/cm (70 Pfund pro Kubikfuß) bis 1,93 g/cm3 (120 Pfund pro Kubikfuß) aufweist.
  10. 10. Stopfbüchsenvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtungsring eine Dichte von 1,28 g/cm3 (80 Pfund pro Kubikfuß) bis 1,44 g/cm3 (90 Pfund pro Kubikfuß) hat.
  11. 11. Stopfbüchsenvorrichtung nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Dichtungsring aus flexiblen Graphitteilchen gebildet wird, deren Größe ausreicht, um auf einem US-Standardsieb Nr. 50 zurückgehalten zu werden, deren Länge jedoch nicht 6 mm überschreitet.
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  12. 12. Stopf büchs envo rri chtung nach den Ansprüchen8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der verformbare Dichtungsring aus flexiblen Graphitteilchen gebildet wird, deren Größe ausreicht, um auf einem US-Standardsieb Nr. 30 zurückgehalten zu werden, deren Länge jedoch nicht 6 mm überschreitet.
  13. 13. Stopfbüchsenvorrichtung nach den Ansprüchen 8, 9? 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitteilchen, die ζητ Herstellung des verformbaren Dichtungsringes verwendet v/erden, aus einer Folie hergestellt werden, deren Dichte 0,16 g/cnr (10 Pfund pro Kubikfuß) bis 1,61 g/cnr' (100 Pfund pro Kubikfuß) beträgt und deren Dicke 0,07 mm bis 1,5 mm beträgt.
  14. 14. Stopfbüchsenvorrichtung nach den Ansprüchen 8, 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Graphitteilchen, die zur Herstellung des verformbaren Dichtungsringes verwendet werden, aus einer Folie hergestellt werden, deren Dichte 0,8 g/cnr5 (50 Pfund pro Kubikfuß) bis 1»44 g/cm3 (90 Pfund pro Kubikfuß) beträgt und deren Dichte 0,12 mm bis 6 mm beträgt.
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