DE3536235A1 - Verfahren zur herstellung einer packung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kalibrierten Packung, die im gesamten Ventil-Armaturen-Kolbenpumpenbereich, insbesondere für verdichteten gasförmigen oder flüssigen Sauerstoff, universell einsetzbar ist.

Packungen bzw. Stoffbuchsenpackungen dienen dazu, den Austritt einer Welle bzw. einer Spindel aus einem Druckraum gegen den Austritt des Druckmittels abzudichten oder bei schnelldrehenden Teilen die Leckage gezielt auf ein akzeptables Minimum zu reduzieren.

Für den Einsatz in einer Kolbenpumpe wird eine Packung mit einer feinen Oberfläche und einer optimalen Dichte benötigt, wobei der erforderlichen Biegung der Packung um die Welle ein nicht erwünschter Aufwurf am Innendurchmesser der Packung vermieden werden soll. Zu berücksichtigen ist ferner u. a. der Einfluß einer hohen thermischen Belastung, denen Packungen ausgesetzt sind. Aus dieser thermischen Belastung resultiert ein Wärmeschrumpf, dem auch hochwertigste Garne zu einem gewissen Grad unterliegen. Dieser Wärmeschrumpf erfordert die Herstellung einer Packung ohne starken ungeflochtenen Kern, wobei eine möglichst durchgeflochtene Qualität mit geringfügigem Mitteleinlauf (Kern) angestrebt wird.

Für den Einsatz einer Packung in Ventilen sind besonders der Kaltfluß und damit die Gefahr der Spaltextrusion zu beachten. Aufgrund der oft tiefen Stoffbuchsenräume mit einer hohen Anzahl von Packungsringen ist eine verhältnismäßig harte Packung erwünscht, die den Brillendruck (Kompression) bis zu den unteren, medienseitig angeordneten Ringen weitergibt. Für diesen Einsatzfall ist eine Packung mit einer optimalen Dichte und feiner Packungsoberfläche erforderlich, die gegenüber der Packung für eine Pumpenanwendung einen vergleichsweise höhenen Mitteneinlauf aufweist.

Für den Einsatz der Packung für Armaturen und andere Anlageteile für verdichteten gasförmigen oder flüssigen Sauerstoff beträgt die Dichte der Packung etwa 1,5 g/cm³. Die Herstellung derartiger Packungen erfolgt bisher aus 2-endigem PTFE-Garn in drei wesentlichen Verfahrensschritten. Im ersten Verfahrensschritt wird die Packung am laufenden Meter mit einer mittleren Dichte geflochten, wobei zum Ausfüllen von Hohlräumen Füllmittel in Form von Suspensionen verwendet werden. Danach wird die Packung entsprechend ihrer vorgesehenen Einsatzgröße vom laufenden Meter abgeschnitten und unter Verwendung einer Hochdruckpresse mit einer entsprechend auf die vorgesehene Einsatzgröße abgestimmten Pressform annähernd auf die vorgesehene Enddichte verpreßt, woran sich dann ein Einzelkalibrieren jeder Endform anschließt. Als nachteilig ist aufgrund dieses aufwendigen Herstellungsverfahrens anzusehen, daß bei unsachgemäßem Einbau der Packung die Gefahr eines Dichteverlustes besteht. Ferner ist für jede vorgesehene Endringform der Packungen ein speziell darauf abgestimmtes Preßwerkzeug erforderlich. Nachteilig ist weiterhin, daß jede Einsatzgröße der Packung gesondert auf Lager gehalten werden muß, wodurch sich der Aufwand der Lagerhaltung nach Raum und Kosten in unerwünschter Weise erhöht. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem einfachen und wirtschaftlichen Herstellungsverfahren für derartige Packungen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, nach dem sich zuverlässig arbeitende Packungen mit einem geringen Aufwand für verschiedene Einsatzgrößen herstellen lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Bevorzugte Merkmale, die die Erfindung vorteilhaft weiterbilden, sind in den nachgeordneten Patentansprüchen enthalten.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Herstellungsaufwand für derartige Dichtungen deutlich zu verringern, weil bereits im Flechtvorgang eine nahe der Enddichte liegende Packungsdichte erzielt wird. Vorteilhaft braucht mit einem anschließenden Kalibriervorgang nur noch eine geringe Verdichtung auf die erforderliche Packungsenddichte von 1,5 g/cm³ vorgenommen zu werden. Der bisher übliche Hochpreßvorgang mit speziellen Werkzeugen entfällt. Von Vorteil ist die Verwendung von trockenem PTFE-Graphit-Garn, weil der direkt und homogen in die PTFE-Faserstruktur eingebettete Graphitanteil die Wärmeausdehnung von PTFE stabilisiert. Damit ist für den Anwender der Packung in günstiger Weise sichergestellt, daß Ventile und Armaturen auch bei Lastwechsel und Anfahren in kaltem Zustand dicht bleiben. Es wird in vorteilhafter Weise eine trockene Packung geschaffen, die vollständig selbstschmierend arbeitet und bei der kein "Ausbluten" von Hilfsschmiermitteln auftritt. Dadurch wird gleichzeitig eine hohe Volumenstabilität erzielt, die praktisch kein Nachjustieren erfordert, zu keiner Verunreinigung führt und erhebliche Standzeitverbesserungen um den Faktor 6 bis 10 gegenüber herkömmlichen Packungen erreicht.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Packung eignet sich aufgrund des breiten universellen Anwendungsbereiches und des drastischen Herabsetzens der Folgekosten infolge längerer Standzeiten, weniger oder keiner Nachjustierung, Leckageverminderung, Verminderung der Stillstandszeiten, Herabsetzen von Produktionsausfall usw. hervorragend zur Standardisierung und bietet gleichzeitig den Vorteil einer übersichtlicheren Lagerhaltung. Anders als bei vorbekannten Packungen besteht bei der erfindungsgemäß hergestellten Packung auch nicht mehr die Gefahr eines Dichteverlustes bei unsachgemäßem Einbau. Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Packung die Lagerhaltung wesentlich vereinfachen, da sie vom laufenden Meter produziert und erst für den Einsatz entsprechend dem gewünschten Durchmesser abgeschnitten zu werden braucht. Somit lassen sich inerte formstabile Packungen für verschiedene Einsatzdurchmesser vom laufenden Meter herstellen, wobei der bisher übliche spezielle Hochdruckpreßvorgang für jede einzelne Durchmessergröße und eine entsprechende Bevorratung der einzelnen Durchmessergrößen wegfällt. Dies ermöglicht eine wesentliche Verbesserung der Flexibilität und des Aufwandes der Lagerhaltung.

Bevorzugt wird die Packung aus einem trockenen zweiendigen PTFE-Graphit-Garn, vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45 bis 60°, geflochten, wobei nach einer Weiterbildung der Erfindung beim Flechten des PTFE-Graphit-Garns ein PTFE- Zusatzfaden eingearbeitet wird. Die sehr guten chemischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften des bevorzugt etwa zu gleichen Anteilen aus PTFE und Graphit bestehenden und aus einer gereckten Membran hergestellten PTFE-Graphit- Garns ermöglichen in vorteilhafter Weise die Herstellung einer hochwertigen und langzeitbeständigen trockenen Packung mit einem bisher unerreicht geringem Herstellungsaufwand.

Der bevorzugte Flechtwinkel von 45 bis 60° ist auch vorteilhaft im Hinblick auf eine Minimierung des sogenannten "Key- stoning", des Auswerfens der Packung am Innendurchmesser, wenn die Packung beispielsweise in Ringe um eine Ventilspindel gelegt wird.

Das erfindungsgemäße Flechten wird vorzugsweise auf einer Flechtmaschine unter Berücksichtigung der für die vorgesehene Packungsrohdichte erforderlichen Größe der Spannung, die etwa 10% unter der Zugfestigkeit liegt, sowie der Führung, der Flechtgeschwindigkeit und des Flechtwinkels des trockenen zweiendigen PTFE-Graphit-Garns durchgeführt.

Die erzielte Rohdichte nach dem Flechtvorgang liegt um ca. 8 bis 15% höher als bisher erreichbar. Die erforderliche Packungsenddichte von ca. 1,5 g/cm³ wird durch einen Kalibriervorgang in bekannter Weise auf einem Kalibrierbock unter Verwendung von Kalibrierkalandern vorgenommen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind dem anschließenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem Versuche und Versuchsergebnisse bezüglich der Einsatzeigenschaften der erfindungsgemäß hergestellten Packung näher beschrieben werden.

Zur Bestimmung der Zündtemperatur einer erfindungsgemäß hergestellten Packung in verdichtetem Sauerstoff wurden etwa 0,2 bis 0,5 Gramm des pastösen oder zerkleinerten festen oder auf Keramikfaser aufgetragenen flüssigen Versuchsmaterials in einem mit Chrom/Nickel-Stahl ausgekleideten Autoklaven (Rauminhalt etwa 34 cm³) gegeben. Der Autoklav wurde nach dem Verschließen mit Sauerstoff bis zu einem Druck p _a gefüllt und in einer Niederfrequenz-Erwärmungsanlage induktiv aufgeheizt, wobei die Temperatur fast linear um etwa 120 K/min anstieg. Der Temperaturverlauf wurde mit Hilfe eines Thermoelements, dessen Lötstelle sich am Ort der Probe befindet, durch einen Kompensationsschreiber registriert. Gleichzeitig wurde auch der Druckverlauf mit Hilfe eines Druckaufnehmers gemessen und registriert. Mit steigender Temperatur erhöhte sich der Sauerstoffdruck im Autoklav kontinuierlich, wobei die Entzündung der Probe an einem plötzlichen steilen Temperatur- und Druckanstieg erkennbar war. Der bei der Zündtemperatur vorliegende Sauerstoffdruck p _e wurde berechnet. Die Angabe des Sauerstoffdrucks p _e war insofern von Bedeutung, als sich die Zündtemperatur eines Stoffes mit steigendem Sauerstoffdruck erniedrigt.

Bei fünf Versuchen mit einem Sauerstoffdruck p _a von 50 bar wurde als Zündtemperatur der Wert 446°C ± 3 K ermittelt. Der zugehörige Sauerstoffdruck p _e betrug etwa 125 bar.

Im nächsten Versuch wurde eine erfindungsgemäße hergestellte Packung auf ihre Alterungsbeständigkeit in verdichtetem Sauerstoff wie folgt geprüft. In einem gasdichten Behälter aus Chrom/Nickel-Stahl wurde eine abgewogene Probe des Versuchsmaterials 100 Stunden bei erhöhter Temperatur der Einwirkung verdichteten Sauerstoffs ausgesetzt. Der Fülldruck des Sauerstoffs bei 20°C war so berechnet, daß er bei der Versuchstemperatur 100 bar beträgt. Bei dieser künstlichen Alterung wurde ermittelt, ob die Probe allmählich mit Sauerstoff reagiert oder sonstige erkennbare Veränderungen erfährt. Kriterien für eine Beständigkeit gegen Sauerstoff unter den jeweiligen Versuchsbedingungen waren unter Berücksichtigung gewisser Toleranzen, die Beibehaltung der äußeren Beschaffenheit der Probe, des Probengewichts und des Wertes der Zündtemperatur nach der Alterung.

Nach der Alterung bei 200°C und 100 bar Sauerstoffdruck war die Probe äußerlich unverändert. Das Probengewicht hatte um 1,05% abgenommen. Die Zündtemperatur der gealterten Probe war mit 444°C ± 4 K gegenüber dem bei der nicht gealterten Probe ermittelten Wert unverändert geblieben.

In einem weiteren Versuch wurde eine erfindungsgemäß hergestellte Packung hinsichtlich ihrer Reaktionsfähigkeit bei Einwirkung von Sauerstoff-Druckstößen untersucht. Hierzu wurden etwa 0,2 bis 0,5 Gramm des pastösen oder zerkleinerten festen oder auf eine Keramikfaser aufgetragenen flüssigen Versuchsmaterials in einer heizbaren Stahlhülse von 15 cm³ Inhalt gegeben, die über ein 750 mm langes Rohr (lichte Weite 14 mm) und ein pneumatisch betätigtes Schnellöffmungsventil mit einem Sauerstoff-Druckbehälter verbunden war. Nach Erwärmen der Hülse auf die Versuchstemperatur t _a und anschließendem Füllen des Rohres und der Hülse mit Sauerstoff bis zum Druck p _a wurde ein Schnellöffnungsventil geöffnet, so daß auf 60°C vorgewärmter Sauerstoff mit dem Druck p _e schlagartig in das Rohr und in die Hülse einströmte. Der im Rohr und in der Hülse befindliche Sauerstoff wurde dadurch fast adiabatisch vom Druck p _a auf den Druck p _e verdichtet und erwärmt. Wenn hierbei eine am steilen Temperaturanstieg in der Hülse erkennbare Reaktion des Versuchsmaterials mit dem Sauerstoff eintrat, wurden die Versuche mit einem verringerten Druckverhältnis p _e /p _a fortgesetzt. Wenn dagegen nach 30 Sekunden Wartezeit eine Reaktion des Versuchsmaterials mit dem Sauerstoff nicht zu erkennen war, wurde die Hülse wieder druckentlastet und der Versuch so lange (bis zu viermal) wiederholt, bis eine Reaktion eintrat.

Jede Versuchsreihe umfaßte maximal fünf Einzelversuche mit demselben Material und unter denselben Bedingungen. Wenn auch nach dem fünften Einzelversuch der jeweiligen Versuchsreihe eine Reaktion nicht eingetreten war, wurden die Versuche mit jeweils neun Proben bei höheren Druckverhältnissen p _e /p _a fortgesetzt, bis schließlich jenes Druckverhältnis ermittelt werden konnte, bei dem innerhalb einer Versuchsreihe mit fünf Einzelversuchen gerade noch keine Reaktion eintritt. Führte eine Wiederholung dieser Versuchsreihe mit einer neuen Probe zum gleichen Ergebnis, konnte die Prüfung beendet bzw. bei einer anderen Versuchstemperatur p _a fortgesetzt werden.

Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in der nachstehenden Tabelle festgehalten.

Schließlich wurde noch die Reaktionsfähigkeit einer erfindungsgemäß hergestellten Packung mit flüssigem Sauerstoff bei Schlagbeanspruchung untersucht. Hierzu wurden jeweils etwa 0,5 Gramm des flüssigen oder zerkleinerten festen Versuchsmaterials in einen schalenförmigen Probenbehälter (h = 10 mm; ⌀ = 30 mm) aus 0,01 mm dickem Kupferblech gegeben, mit flüssigem Sauerstoff überschüttet und der Schlagwirkung eines Fallhammers (Masse = 76,5 kg) ausgesetzt. Die Fallhöhe des Hammers war veränderlich. Als Unterlage für den Probenbehälter diente ein Stahlamboß mit einer Auflageplatte aus Chrom/Nickel- Stahl. Der Amboß, der etwa die achtfache Masse des Fallhammers besaß, wurde von vier auf den Stahlrahmen des Versuchsgerätes aufgesetzten Dämpfungselementen getragen. Das Versuchsgerät selbst stand auf einem Betonfundament.

Eine Reaktion der zu untersuchenden Probe mit dem flüssigen Sauerstoff ist in der Regel an einer Flammenbildung und einem mehr oder weniger heftigen Explosionsknall erkennbar. Durch Verändern der Fallhöhe des Hammers wurde jene Schlagenergie ermittelt, bei der gerade noch keine Reaktion eintritt. Dies Ergebnis mußte bei zehnmaliger Ausführung des Versuchs unter gleichen Bedingungen bestätigt werden. Die Versuche wurden abgebrochen, falls bei einer Schlagenergie von 125 Nm oder weniger (entsprechend einer Fallhöhe des Hammers von 0,17 m oder weniger) Reaktionen beobachtet wurden. In diesem Fall gilt der Werkstoff sicherheitstechnisch als ungeeignet für Flüssigsauerstoff-Anlagen.

Als Ergebnis der Versuche ist festzuhalten, daß bei Fallhöhen des Hammers bis zu 0,83 m (Schlagenergie bis 625 Nm) bei 10 Einzelversuchen weder Explosionen noch sonstige Reaktionen des Werkstoffs mit dem flüssigen Sauerstoff beobachtet werden konnten. Erst bei 1,0 m Fallhöhe des Hammers (Schlagenergie ≧ 750 Nm) erfolgten bei zwei von sieben Versuchen Reaktionen unter Flammenerscheinung.

Zusammenfassend ergibt sich aus den Untersuchungen, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte trockene Packung zuverlässig und sicher bei Sauerstoff-Armaturen bis zu Betriebstemperaturen von 200°C und einem maximalen Sauerstoffdruck von 40 bar eingesetzt und in Anlagen oder Anlagenteilen für flüssigen Sauerstoff problemlos verwendet werden kann. Die Einsatzgebiete reichen von der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie zu Kraftwerken, Energieversorgung und bis zum Lebensmittelbereich, wobei die Packung aufgrund des niedrigen Fluidgehaltes auch bei Nuklearanwendungen geeignet ist. Spezielle Einsatzgebiete sind u. a. Horizontal-Mischer bei Granulaten und Pulvern, Einsatz bei aushärtenden und verklebenden Medien, in Abgasklappen von Energieanlagen, die Rührwerks- und Autoklaven-Abdichtung im Gasphasenbereich etc.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer im gesamten Ventil- Armaturen-Kolbenpumpenbereich universell einsetzbaren kalibrierten Packung, insbesondere für verdichteten gasförmigen oder flüssigen Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß ein trockenes PTFE-Graphit-Garn mit einer Reißfestigkeit von 0,9 bis 1,0 g/den zur Erzielung einer Packungsrohdichte von etwa 1,1 bis 1,2 g/cm³ mit einer geringfügig unterhalb seiner Reißfestigkeit liegenden Beanspruchung geflochten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiendiges PTFE-Graphit-Garn geflochten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das PTFE-Graphit-Garn unter einem Winkel von etwa 45 bis 60° geflochten wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung mit einem direkt und homogen in die PTFE-Faserstruktur eingebetteten Graphitanteil hergestellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung aus dem zu gleichen Anteilen aus PTFE und Graphit bestehenden und aus einer gereckten Membran hergestellten PTFE-Graphit-Garn geflochten wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Flechten des PTFE-Graphit-Garns ein PTFE- Zusatzfaden eingearbeitet wird.