-
Die
vorliegende Erfindung betrifft spiralförmig gewickelte Dichtungen
mit einer Dichtungsschicht mit verbesserten Eigenschaften Eigenschaften
auf der Basis von chemisch expandiertem Vermiculit.
-
Expandierter
Vermiculit ist als hitzebeständiges,
elastisches, rückfederndes
Material bekannt. Herkömmlich
erhält
man expandierten Vermiculit durch Expansion des mineralischen Vermiculits
mit Hilfe von Gas. Auf diese Art gewonnenes Material wird hier als „gas-expandierter
Vermiculit" bezeichnet.
Das Gas kann thermisch erzeugt werden, in welchem Fall das Produkt
als „thermisch
expandierter Vermiculit" (TEV)
bezeichnet wird. TEV kann durch Hochglühen von mineralsichem Vermiculit
bei Temperaturen von 750–1000°C gewonnen
werden. Bei dieser Temperatur verdampft das Wasser (ob in freier
oder gebundener Form) im Erz äußerst rasch
und ionenabstoßende
Kräfte
sprengen die Silicatschichten, welche das Rohmaterial bilden, auseinander
und bewirken eine 10- bis 20-fache Expansion im rechten Winkel zu
den Schichten. Die gebildeten Körnchen
(Granulat) besitzen eine chemische Zusammensetzung, die, abgesehen
vom Verlust des Wassers, praktisch identisch mit der des Rohmaterials
ist. Gas-expandierter Vermiculit kann auch durch Behandlung des Roh-Vermiculits
mit einer flüssigen
Chemikalie, wie z.B. Wasserstoffperoxid, hergestellt werden, die
zwischen die Silicatschichten eindringt und ein Gas wie z.B. Sauerstoff
entwickelt, das die Expansion bewirkt.
-
Eine
andere Form von expandiertem Vermiculits ist unter der Bezeichnung „chemisch
expandierter Vermitculit" (CEV)
bekannt und wird durch Behandlung des Erzes und Quellen desselben
in Wasser hergestellt. Bei einem der möglichen Verfahren wird da Erz
mit einer gesättigten
Natriumchloridlösung
zum Austausch von Magnesiumionen mit Natriumionen behandelt und
danach mit n-Butyl-Ammoniumchlorid, um die Natriumionen mit n-C4-H9NH3-Ionen
zu ersetzen. Beim anschließenden
Waschen mit Wasser erfolgt die Quellung. Das aufgequollene Material
wird dann hohen Scherkräften
ausgesetzt, wodurch eine wässrige
Suspension mit sehr feinen Vermiculitteilchen (mit einem Durchmesser
von unter 50 μm)
zu erhalten.
-
Die
Verwendung von expandiertem Vermiculit als Schicht für eine Flachdichtung,
wie z.B. eine Auspuffdichtung für
ein Kraftfahrzeug und andere Zwecke ist bekannt. So offenbart
GB 2 193 953 B z.B.
die Bildung von Flachdichtungen aus gas-expandierten Vermiculitteilchen.
Da derartige Teilchen nicht besonders gut aneinander haften, werden sie
mit feinen CEV-Teilchen gebunden. Die Verwendung von CEV als Bindemittel bedeutet,
dass die Wärmebeständigkeit
und Elastizität
erhalten bleibt, wogegen die Verwendung anderer anorganischer Bindemittel
zu einer nicht komprimierbaren Struktur führen könnte. Obwohl jedoch expandierter Vermiculit
hervorragende wärmebeständige Eigenschaften
und eine hohes Maß an
Rückfederung
aufweist, ist sein Widerstand gegen Wasseraufnahme gering. Hinzu
kommt, dass derartige Produkte unter Verwendung von CEV mit einem
hohen Wasserghalt mit niedrigem Feststoffgehalt hergestellt wurden,
was aufgrund der Tendenz von CEV, Materialien zu enthalten, die
eine Oberflächenhaut
bilden, zu erhebliche Trocknungsproblemen bei der Produktion führt, weil
die Haut ein weiteres Entweichen der Feuchtigkeit hindert.
-
Spiralförmig gewickelte
Dichtungen sind bestens bekannt und werden mit Hilfe eines Trägerstreifes aus
Metall geformt, herkömmlich
aus Stahl und einem Dichtungsstreifen aus einem rückfedernden
Material, herkömmlich
aus expandiertem Graphit. Bei der Herstellung von herkömmlichen
spiralförmig
gewickelten Dichtungen wird der Trägerstreifen aus Band einem
Dorn zugeführt.
Der Trägerstreifen
aus Stahl wird entweder mit sich selbst verschweißt, um einen
geschlossenen Ring um den Dorn zu bilden, oder die Verschweißung erfolgt
mit einem inneren Ring der Dichtung, der auf dem Dorn sitzt. Der
Dorn wird dann in Drehbewegung versetzt, um so mehr von dem Trägerstreifen
auf den Dorn zu wickeln um eine flächige Spirale zu bilden. Zur
gleichen Zeit wird der Dichtungsstreifen zwischen die Windungen
des Stahlstreifens gezogen, so dass ein spiralförmiger Dichtungsstreifen gebildet
wird, der zwischen die Windungen des Trägerstreifens zu liegen kommt. Wenn
die spiralförmige
Dichtung fertiggestellt ist, wird der Trägerstreifen aus Stahl mit sich
selbst verschweißt und
bildet so einen geschlossenen Ring an der Außenseite der Dichtung und dieselbe
wird vom Dorn abgenommen. Derartige Dichtungen finden z.B. als Dichtungen
zwischen Flanschen am Ende von Rohren Verwendung. Der Trägerstreifen
hält den
Dichtungsstreifen fest und der Dichtungsstreifen bildet eine Dichtung
zwischen den Flanschen und den Windungen des Trägerstreifens.
-
Aus
obiger Beschreibung, wie spiralförmig
gewickelte Dichtungen hergestellt werden, sollte klar hervorgehen,
dass der Dichtungsstreifen genügend
Festigkeit und Flexibilität
besitzen sollte, um in die Spiralwindung gezogen und in eine Dichtung
geformt werden zu können,
ohne dabei zu reißen.
Ein aus expandierter Graphitfolie gebildeter Dichtungsstreifen,
obwohl relativ spröde,
besitzt genügend
Festigkeit.
-
In
vielen Fällen
ist es bei einer spiralförmig
gewickelten Dichtung wünchenswert,
ein hohes Maß an Wärmebeständigkeit
zu besitzen. Bei einer herkömmlichen
Dichtung ist die Wämebeständigkeit
durch diejenige des expandierten Graphits begrenzt, die unter der
gewünschten
Wärmebeständigkeit
liegt.
-
Eine
weitere Aufgabe mindestens einer der bevorzugten Ausgestaltungen
der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine spiralförmig gewickelte
Dichtung zur Verfügun
zu stellen, bei welcher der Dichtungsstreifen erhöhte Wärmebeständigkeit
aufweist.
-
W098/53022
offenbart die Möglichkeit
einer spiralförmig
gewickelten Dichtung mit einem Dichtungsstreifen aus einer CEV-Zusammensetzung
mit einem Trägerstreifen
zur Verhinderung des Reißens
des elastischen Materials, das an sich als für zu spröde gehalten wird, um die Formung
einer spiralförmig
gewickelten Dichtung zu ermöglichen.
Bei dieser Technik stieß man
auf Schwierigkeiten der Schichtenablösung vom Trägerstreifen beim Spalten der
elastischen Schicht. Aus diesem Grund wurde in einigen Fällen ein
Kleber auf die elastische Schicht aufgegtragen, um ein Ablösen vom
Trägerstreifen
zu verhindern.
-
Leider
bewirkt die Verwendung von Kleber eine Erhöhung der organischen Bestandteile
in der elastischen Schicht und organische Bestandteile haben meist
die Eigenschaft bei höheren
Temperaturen zu verbrennen und Hohlräume zu hinterlassen, die einen
Leck- oder Sickerweg
durch das Material, Schrumpfung und Spannungsminderung verursachen.
-
Des
weiteren erhöht
die Vewendung eines Trägerstreifes
die Verarbeitungskosten und die Komplexität. Da die Verwendung von Graphit
in Verbindung mit Trägerstreifen
keine Leckprobleme verusacht, wurden die Versuche die Trägerstreifentechnologie
auf spröde
Vermiculitwerkstoffe fortgesetzt, allerdings bis heute ohne wirkungsvolle
Lösungen.
-
Eine
weitere Aufgabe von mindestens einer der Ausgestaltungen dieser
Erfindung besteht darin, eine spiralförmig gewickelte Dichtung mit
einer Dichtungsschicht mit verbesserter Wasserfestigkeit herzustellen. Eine
weitere derartige Aufgabe besteht darin, eine spiralförmig gewickelte
Dichtung mit einer Dichtungsschicht mit geringerem Spannungsverlust
und besserem Zeitstandverhalten herzustellen. Ein weiteres Ziel
der Erfindung ist eine spiralförmig
gewickelte Dichtung mit überraschenden
Verbesserungen.
-
Die
voliegende Erfindung umfasst eine spiralförmig gewickelte Dichtung bestehend
aus einem Dichtungsstreifen, der so in eine Spirale und einen Trägerstreifen
gewickelt ist, dass die Spirale des Dichtungsstreifens zwischen
den Windungen des Trägerstreifens
geformt wird. Der Dichtungstreifen besteht aus einem elastischen,
rückfedernden
Material, das einen Bestandteil von CEV in einem Anteil von mindestens
25% Masse/Masse des Dichtungsstreifens enthält, wobei der genannte CEV-Bestandteil
mindestens teilweise aus trockenem CEV besteht, wobei der Dichtungsstreifen
keinen Trägerstreifen
zur Verhinderung des Reißens
des Dichtungsstreifens bei der Formung der spiralförmig gewickelten
Dichtung enthält.
-
Das
elastische Material enthält
außerdem
vorzugshalber ein hydrolysebeständiges
Polymer zur Verbesserung der Wasserbeständigkeit des genannten Dichtungsstreifens,
wobei der Anteil des ewähnten
Polymers 20% Masse/Masse des Dichtungsstreifens nicht überschreitet.
-
Erstaunlicherweise
hat sich gezeigt, dass die Verwendung derartiger Anteile an CEV
dem Dichtungsstreifen genügend
Festigkeit verleiht, dass er sich ohne Trägerstreifen zu einer Spiral
wickeln lässt,
obwohl man bisher der Auffassung war, dass bei Verwendung von Vermiculit
ohne Trägerstreifen
der Dichtungsstreifen zum Wickeln zu spröde sein würde.
-
Nach
Möglichkeit
sollte das elastische Material ein blättchenförmiges Füllmaterial enthalten, möglichst einen
gemalenen Füllstoff.
-
Beim
spialfömigen
Wickeln und nach Möglichkeit
beim Entfernen von der Formplatte auf der die Dichtungsstreifen
bzw. -schichten geformt werden, sollte der Dichtungsstreifen einen
möglichst
geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweisen.
-
Soweit
möglich
sollte der Feuchtigkeitsgehalt die Sprödigkeit des Streifens genügend reduzieren
bzw. den Zusammenhalt des Streifens genügend stärken, um die erwähnte spiralfärmige Wicklung
und die Abnahme von der Formplatte zu ermöglichen, ohne Schaden durch
Auseinanderbrechen oder Reißen
des Streifens zu erleiden.
-
Um
Zweifel auszuschließen:
Eine erfindungsgemäß spiralförmig gewickelte
Dichtung kann eine herkömmliche
Dichtung zwischen statischen Teilen bilden. Ein Beispiel hierzu
wäre die
Abdichtung von Ventilschäften.
-
Nach
Möglichkeit
sollte der Anteil von CEV mindestens 30% Masse/Masse des Dichtungsstreifens
betragen, besser jedoch mindestens 35% Masse/Masse des Dichtungsstreifens
betragen.
-
Typischerweise
liegt der Anteil von CEV im Bereich 25–80% Masse/Masse des Dichtungsstreifens,
typischer noch bei 30–75%
Masse/Masse des Dichtungsstreifes und am allertypischsten bei 35–70% Masse/Masse
des Dichtungsstreifens.
-
Der
Anteil des genannten Polymers sollte möglichst weniger als 15% Masse/Masse
des Dichtungsstreifens betragen, besser noch weniger als 10% Masse/Masse.
Besonders vorteilhaft wäre
ein Anteil von Polymer von weniger als 7,5% Masse/Masse und noch
wünschenswerter
ein Anteil im Bereich von 1,0 bis 7,5 & Masse/Masse des Dichtungsstreifens.
-
Nach
Möglichkeit
enthält
der Anteil an chemisch expandieertem Vermiculit dieser Erfindung
genügend trockenen
CEV um eine nasse Weichstoffmasse mit reudziertem Wassergehalt als
Dichtungsschicht zu erhalten, die getrocknet werden kann, bevor
sich noch eine zu starke Haut gebildet hat.
-
Der
Begriff hydrolysebeständiges
Polymer beinhaltet jedes geeignete Elastomer wie elastische Polymere
auf Silikon- und Kohlenstoffbasis. Zu geeigneten Polymeren für die erfindungsgemäße Verwendung
gehören:
Nitril-Butadien-Kautschuks,
Styrol-Butadien-Kautschuks, natürlicher
Gummi, Butylkautschuk, Siloxane (insbesondere siliciumorganische
Oxide wie Dialkylsiloxane) und Ethylen-Propylen-Dien-Monomer. Polymere
auf Diene-Basis eignen sich deshalb, weil sie flexibel und hydrolysebeständig sind.
-
Der
Trägerstreifen
kann aus beliebigem, geeignetem Trägermaterial hergestellt werden,
mit welchem die Dichtschicht zur spiralförmigen Dichtung gewickelt werden
kann. Zu geeigneten Werkstoffen für Trägerstreifen gehören rostfreier
Stahl und Speziallegierungen wie Inconel und Hastelloy, die beide
die Form dünner Streifen
haben können.
-
Ein
weiterer vorteilhafter Aspekt dieser Erfindung besteht darin, dass
der Feuchtigkeitsgehalt beim Wickeln des Dichtungsstreifens zwischen
3 und 20% Masse/Masse des elastischen Materials beträgt.
-
Nach
Möglichkeit
beträgt
der Feuchtigkeitsgehalt des Dichtungssstreifes beim Wickeln zwischen
2 und 10% Masse/Masse des elastischen Materials des Dichtstreifens,
besser 3 bis 5% Masse/Masse.
-
Der
Dichtungsstreifen sollte vorzugsweise aus 80% elastischem, rückfederndem
Material bestehen, besser noch aus 90% elastischem, rückfederndem
Material und am besten hauptsächlich
und ganz aus elastischem, rückfederndem
Material.
-
Die
vorliegende Erfindung enthält
auch eine Methode zur Herstellung eines Dichtungsstreifens für eine spiralförmig gewickelte
Dichtung entsprechend dem ersten oder zweiten Aspekt der Erfindung,
bestehend aus folgenden Schritten:
- (a) Auftrag
eines nassen Dichtungsstreifenmaterials auf eine Formplatte zur
Bildung einer Schicht;
- (b) teilweise Trocknung der genannten nassen Dichtungsstreifenschicht
auf der Formplatte;
- (c) Abnahme der Schicht vom Formplatte und
- (d) Zuschneiden der Schicht in Streifen, die sich zur Herstellung
der spiralförmig
gewickelten Dichtung eignen.
-
Nach
Möglichkeit
sollte der Feststoffgehalt des nassen Dichtungsstreifenmaterials
vor dem Trocknen 20–70%
Masse/Masse des Materials betragen.
-
Es
ist gebenenfalls vorgesehen, Schritt (c) eventuell nach Schritt
(d) auszuführen.
-
Vorzugsweise
sollte die Formplatte Trocknungstemperaturen standhalten, denen
die nasse Dichtungsstreifenschicht ausgesetzt wird. Die Formplatte
kann aus rostfreiem Stahl, einem nicht reaktionsfähigen Polymer
wie PTFE oder einem anderen geigneten Werkstoff hergestellt sein,
an dem die Schicht nicht haften bleibt.
-
Der
Feststoffanteil des genannten Dichtungsstreifens sollte möglichst
im Bereich von 25 bis 60% Mass/Masse des nassen Material liegen,
besser im Bereich von 30–55%
Masse/Masse des nassen Materials und am besten im Bereich von 35–50% Masse/Masse
des nassen Materials.
-
Nach
Möglichkeit
und entsprechend anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird
das CEV mit einem geeigneten blättchenförmigen Füllstoff
wie thermisch expandiertem Vermiculit (TEC) vermischt. Nach Möglichkeit
ist der Füllstoff
gemahlen. Er sollte vorzugsweise weniger als 75% Masse/Masse des
Dichtungsstreifes, besser weniger als 70% Masse/Masse und am besten
wenier als 65% Masse/Masse des Dichtungsstreifens enthalten. Nach
Möglichkeit
beträgt
der Wassergehalt der teilweise getrockneten Schicht bei der Abnahme
von der Formplatte 3–20%
Masse/Masse, besser 5–15%
und am besten 7–13%.
Bei der Formplatte kann es sich um ein Fließband handeln, das kontinuierlich
oder nicht kontinuierlich betrieben wird. In vielen Fällen beträgt der TEV-Bestandteil
in der Schicht weniger als 55% Masse/Masse.
-
Ein
weiterer Trocknungsschritt kann nach dem Abnehmen des Dichtungsschichtmaterials
von der Formschicht erfolgen.
-
Eine
nasse Dichtungsstreifen-Weichstoffmasse gemäß der vorliegenden Erfindung
kann bei Temperaturen zwischen 50 und 135°C getrocknet werden, besser
bei Temperaturen zwischen 60 und 130°C und noch besser bei Temperaturen
zwischen 80 und 125°C.
Man kann das Material auch im Bereich von Raumtemperatur trocknen
lassen, es wird jedoch angenommen, dass diese Art der Trocknung
nicht leicht bei der Industrie Eingang findet.
-
Vorzugsweise
wird das nasse Dichtungsstreifenmaterial auf eine Formplatte aufgetragen
unter Verwendung einer aufstreichtechnischen Einrichtung wie einer
Rakel. Eine weitere Möglichkeit
des Auftragens ist Kalandrieren.
-
Nach
Möglichkeit
besitzt das nasse Dichtungsstreifenmaterial die Form einer streichbaren
Paste, vorzugsweise einer dünnen
Paste oder einer dicken Schlämme.
-
Vorzugsweise
liegt das relative Verhältnis
von nichttrocken gewonnenem CEV zum trockenen CEV im getrockneten
Dichtungsstreifenteil zwischen 0,01:1 und 20:1, besser zwischen
0,05:1 und 10:1 und am besten zwischen 0,1:1 und 4:1.
-
Da
es sich bei CEV im Vergleich zu gas-expandiertem Vermiculit (z.B.
TEV) um ein relativ teures Material handelt, kann eine erfindungsgemäße spiralförmig gewickelte
Dichtung in der elastischen Schicht auch Teilchen aus gas-expandiertem
Vermiculit enthalten, d.h. der Streifen kann Teilchen aus gas-expandiertem Vermiculit
enthalten, die mit CEV-Teilchen verbunden sind. Das verwendete Material
kann gemahlen oder auf andere Weise auf eine Teilchengröße von weniger
als 50 μm
zerkleinert sein. Vorzugsweise beträgt jedoch die Teilchengröße eines
erheblichen Anteils mehr als 50 μm,
besser 50 bis 200 μm,
noch besser 50–250 μm und am
besten 50–200 μm. Andere
mögliche
Additive wären
Talkum, Glimmer und nichtexpandierter Vermiculit.
-
Unter
trockenem CEV ist CEV mit einem Feuchtigkeitsgehalt von weniger
als 20% Masse/Masse zu verstehen, besser weniger als 10% Masse/Masse
und am besten weniger als 5% Masse/Masse.
-
Der
CEV-Anteil im nassen Material besteht vorzugsweise aus einem Gemisch
von getrocknetem CEV und CEV in Schlämmenform. Es ist jedoch erforderlich,
genügend
getrockneten CEV zu verwenden, um einen akzeptablen Feststoffgehalt
zu erhalten. Ein hoher Feststoffgehalt im nassen Material trägt zur geringeren Hautbildung
beim anschließenden
Trocknungsprozess bei und erhält
einen hohen Feststoffehalt im Sinne der Erfindung aufrecht.
-
Nach
Möglichkeit
wird der trockene CEV mittels einer geeigneten Trocknungstechnik
hergestellt. Geeignete Trocknungstechniken sind u.a.:
Kuchentrocknung
und Pulverisierung
Dünnschichttrocknung
und Pulversierung
Heißluft-Trommeltrocknung
Sprühtrocknen
Gefriertrocknen
Stromtrocknen
Wirbelschichttrocknen
teilweise getrockneter Festsotffe sowie
Vakuummethoden einschließlich Vakuumetagentrocknen.
-
Bei
entsprechender Verwendung kann das hydrolysebeständige Polymer mit dem Vermiculit
mit Hilfe eines Haftverbesserers verbunden werden.
-
Es
hat sich gezeigt, dass entsprechend diesem bevorzugten Aspekt der
Erfindung in einer spiralförmig gewickelten
Dichtung die Schicht wasserbeständiger
ist als ein Material, das nur Vermiculit und einen Haftverbesserer
enthält
oder ein Material, das nur Vermiculit und ein Polymer enthält.
-
Bei
dem Haftverbesserer kann es sich um ein Silan, z.B. ein vinylfunktionelles
Silan wie z.B. Triethoxy-Vinyl-Silan (CH3CH2O)3SiCH=CH2).
-
Es
ist ebenfalls möglich,
dass das elastische Material nicht expandierten (geschäumten) Vermiculit enthält, der
beim Erwärmen
der Dichtung, z.B. am Einbauort, TEV bilden und so die elastische
Schicht quellen und damit die Dichtungseigenschaft verbessern kann.
-
Das
elastische Material kann mit dem Trägerstreifen verklebt werden,
doch kann es vorteilhaft sein, wenn es mechanisch befestigt wird.
Vorteilhafter ist es jedoch, wenn kein Kleber benötigt wird.
-
Nach
Möglichkeit
besitzt der Trägerstreifen
Enden, die nicht mit dem elastischen Material verbunden sind, damit
diese Enden bei der Herstellung der Dichtung geschweißt werden
können.
-
Die
Erfindung allgemein betreffend zeigt sich, dass bei einer spiralförmig gewickelten
Dichtung die Teilchen des blättchenförmigen Füllstoffes,
sofern vorhanden, dazu neigen, sich in der Ebene des Streifens zu
orientieren und sich wie eine Vielzahl kleiner Blattfedern verhalten,
wodurch die Dichtwirkung erhöht
wird.
-
Grundsätzlich kann
bei der vorliegenden Erfindung der blättchenförmige Füllstoff aus folgender Werkstoffgruppe
gewählt
werden: Talkum, Molybdändisulfid,
Hexagonal- Bornitird,
Seifenstein, Pyrophyllit, gemahlener, thermisch expandierter Vermiculit,
Glimmer, Fluorglimmer, Graphitpulver, Glasblättchen, Metallblättchen,
Keramikblättchen
oder Kaolinite. Ein besonders bevorzugtes Vermiculitmaterial ist
eines mit einer Blättchengröße im Bereich
von 50–300 μm, wie z.B.
das von W. R. Grace & Co
beziehbare FPSV. FPSV ist ein eingetragenes Warenzeichen der W.
R. Grace & Co.
-
Im
Allgemeinen besitzt ein blättchenförmiger Füllstoff
eine durchschnittliche Blättchenbreite,
die mindestens der dreifachen durchschnittlichen Dicke des Blättchens
entpricht.
-
Die
Dichtungsschicht kann 5–80%,
z.B. 20–50%
Masseanteil des blättchenförmigen Füllstoffes
beinhalten, vorzugsweise sind 25–40% des blättchenförmigen Füllstoffes in der getrockneten
Dichtungsschicht vorhanden.
-
Ein
noch weiteres allgemeines Ziel der Erfindung besteht darin, eine
spiralförmig
gewickelte Dichtung mit einem aus expandiertem Vermiculit gefertigten
Dichtungsstreifen herzustellen, der ein polymeres Bindemittel enthält und eine
verbesserte Abdichtung bei Temperaturen ermöglicht, bei denen sich das
Bindemittel zersetzt.
-
Wahlweise
kann der Dichtungsstreifen erfindungsgemäß grundsätzlich auch einen blähfähigen Werkstoff
enthalten, der so gewählt
ist, dass er bei Temperaturen expanidiert, bei welchen der das hydrolysebeständige Polymer
zerfällt.
-
Bei
diesem erfindungsgemäßen, wahlweisen
Merkmal expandiert der blähfähige Werkstoff
in der spiralförmig
gewickelten Dichtung bei Temperaturen, die bewirken, dass das Bindemittel
zerfällt
und füllt
zumindest teilweise die vom Bindemittel zurückgelassenen Hohlräume und
unterstützt
damit die Dichtwirkung.
-
Bei
dem blähfähigen Werkstoff
handelt es sich vorzugsweise um einen nicht expandierten Vermiculit, weil
er nach seiner Expansion gute wärmebeständige Eigenschaften
aufweist. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, teilweise expandierten Vermiculit zu verwenden, d.h.
Vermiculit, der bei niedrigeren Temperaturen expandiert wurde als
dies normalerweise erforderlich ist, um ihn voll zu expandieren.
Der nicht oder nur teilweise expandierte Vermiculit kann auf die
an sich bekannte Weisen behandelt werden, um die Temperatur abzusenken,
bei welcher die Expansion stattfindet, was bedeutet, dass die Temperatur
sogar bis auf 160°C
abgesenkt werden kann. Weitere blähfähige Werkstoffe sind expandierfähiger Graphit,
Wasserglas und Perlit.
-
Der
Massenanteil an blähfähigem Werkstoff
an der Schicht kann bis zu 50% betragen, vorzugsweise jedoch bis
zu 20%.
-
Der
bei dieser Anwendung und diesen Ansprüchen benutzte Begriff Masse/Masse
bezeichnet das Verhältnis
der Masse des Bestandteils geteilt durch die Gesamtmasse. So besagt
obige Aussage, dass die Masse des CEV-Bestandteils des Dichtungsstreifens
mindestens 25% der Gesamtmasse des Dichtungsstreifens ausmacht.
-
Um
ein besseres Verständnis
der Erfindung zu ermöglichen,
sollen nun eine Reihe von Ausgestaltungen anhand von Beispielen
beschrieben werden. Dabei beziehen wir uns auf die beigefügten Zeichnungen,
in welchen die 1 und 2 den Aufbau
einer herkömmlichen
spiralförmig
gewickelten Dichtung darstellen.
-
Zunächst soll
auf die 1 und 2 Bezug
genommen werden. Bei 1 handelt es sich um eine Draufsicht
auf etwa die Hälfte
einer spiralförmig
gewickelten Dichtung mit der Hälfte
ihres zugehörigen
Führungsrings.
Bei 2 handelt es sich um einen Querschnitt entlang
der Linie A-A von 1. Aus Gründen der besseren Darstellung
sind die Abbildungen leicht vergrößert. Die dargestellte Dichtung
besteht aus einer Vielzahl von Wicklungen eines im allgemeinen im
Querschnitt V-förmigen
Metallstreifens. Die innersten Wicklungen 12 und die äußersten
Wicklungen 13 sind nicht mit Dichtungsmaterial bedeckt.
Das innere unbedecket Ende 14 ist durch Punktschweißen an die
darunterliegende Wicklung geheftet. Das äußere freie Ende 15 ist auf
dieselbe Weise, ebenfalls durch Punktschweißen an die darunterliegende
Wicklung geheftet. Die zahlreichen Wicklungen eines weichen Dichtungsstoffs 11 bilden
erfindungsgemäß die Zwischenlage
beim Wickeln der Metallwicklungen 10, wie in 2 am
besten verdeutlicht. Der spiralförmige
Gesamtaufbau entspricht also einem mit Wicklungen aus Metall umgebenen
Laminat oder Sandwich.
-
Der
radial betrachtete äußere Rand
der Spirale ist nasenförmig
bzw. V-förmig
ausgebildet 17. Diese Form ermöglicht ein „Einrasten" in den äußern Führungsring 16, dessen
Innenkante mit einer entsprechenden eingearbeiteten oder eingepressten
Nut als Aufnahme 18 versehen ist.
-
Der
Führungsring 16 dient
zur Zentrierung der ganzen Dichtung im Lochkreis einer üblichen
Flanschrohrverbindung (nicht dargestellt). Die Schrauben werden
festgezogen und ziehen auf diese Weise die gegenüberliegenden Flansche zusammen,
die Druck auf beide Dichtflächen
des spriralförmig
gewickelten Dichtungsrings ausüben.
Der Dichtungsring wird durch die Verformung des V-förmigen Querschnitts
immer mehr zusammengedrückt,
bis die Rohrflansche auf den Dichtflächen des Führungsrings 16 sitzen.
Die bei einer herkömmlichen
Dichtung hierfür
erforderliche Belastung ist sehr hoch, worauf an anderer Stelle
dieser Schrift eingegangen wird.
-
Es
folgt nun eine detaillierte Beschreibung illustrierender Beispiele,
entsprechend den verschiedenen Aspeketn der Erfindung.
-
Prüfmethode
-
Einer
der geeignetsten Tests zur Prüfung
der Funktion der Dichtung ist eine von der Shell Petroleum Company
entwickelte Prüfmethode,
die zur Beurteilung der Beispiele herangezogen wurde.
-
Ablauf der von Shell benutzten
Prüfung
-
Hierzu
wird der Prüfling
(in diesem Falle sprialförmig
gewickelte Dichtungen der Klasse 300 und 0,102 m in Abmessung) einer
Dichtheitsprüfung
bei Umgebungstemperatur unterzogen und daran anschließend einer
Dichtheitsprüfung
bei hoher Temperatur (450°C).
Die Prüfvorrichtung
besteht aus zwei Flanschen mit erhabener Dichtfläche mit einer Oberflächenbeschaffenheit
von Ra = 3,2–6,3 μm. An jeden
Flansch ist ein kurzes Stück
Rohr angeschweißt
und beide Rohrenden sind am gegenüberliegenden Ende zum Flansch
verschlossen, so dass jeweils eine geschlossene Kammer gebildet
wird. Die Prüfanordnung
ist so gestaltet, dass die Flansche horizontal verlaufen und der
Prüfling
dazwischen angeordnet ist. Im unteren Bereich ist ein elektrisches
Heizelement untergebracht. Im oberen Bereich wird Stickstoff über Ventile
zugeführt,
die ein Abstellen der Gaszuführung
ermöglichen.
-
Die
Flanschspezifikation entspricht ASTM A 182 Gr. F11 oder F12.
-
Die
Rohrspezifikation entspricht ASTM A 335 P11.
-
Die
Flansche werden mit 8 Stiftschrauben des Typs ASTM A 193 Gr. B16
und Muttern des Typs ASTM A 194 Gr 4H zusammengeschraubt, die mit
Hochtemperaturschmiermitttel (Molybdänsulfidfett oder ähnlichem) geschmiert
wurden. Die Schrauben werden angezogen, nach Möglichkeit mit einem hydraulischen
Verschraubungsgerät.
Der zulässige
Schraubenspannungsbereich beträgt
210–350
N/mm2 (die bei den Prüfungen
angewandte Spannung beträgt
300 N/mm2). Sobald die Prüfanordnung
unter Spannung steht, kann die Prüfung wie folgt ablaufen:
- 1. Kammer mit einem Druck von 51 bar beaufschlagen
und Prüfungsanordnung
von der Gasversorgung trennen. Nach einer Verweilzeit von 30 Minuten
wird der Druck gemessen und nach einer weiteren Stunde nocheinmal.
- 2. Druck entspannen und Prüfanordnung
auf 450°C
erwärmen
mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 100°C/h. Daran anschließend erneut
mit einem Druck von 33 bar beaufschlagen. Temperatur der Prüfanordnung
bei 450°C
stabilisieren lassen und dann den Anfangsdruck messen und danach
den Druck erneut nach einer Stunde. Prüfanordnung dann auf Umgebungstemperatur
abkühlen
lassen (auf keinen Fall über 50°C) und dann
erneut aufheizen. Druck nach einer Stunde Verweilzeit bei 450°C aufzeichnen
und dann Kühl-
und Aufheizzyklus wiederholen. Am Ende der letzten Verweilzeit bei
erhöhter
Temperatur gemessenen Druck erneut aufzeichnen.
-
Der
Prüfabluf
ist in der Shell-Schrift „Requirements
for Asbestos Substitutes for Jointing, Packing & Sealing" (Anforderungen an Asbestersatzwerktoffe
für Verbindungen,
Packungen und Dichtungen) (Dol, Robbe & Voogd; Ausgabe Mai 1992 c/o Shell
International Petroleum Maatschappij B. V., Den Haag).
-
Zusammenfassung
der Prüfergebnisse
-
Die
Prüfungsergebnisse
der aus dem elastischen Streifen hergestellten Dichtungen sind nachstehend zusammengefasst
dargestellt. Bei sämtlichen
Dichtungen handelt es sich um Spiraldichtungen gemäß ASM B 16.20
4'' Klasse 300 mit Innen-
und Außenring
unter Verwendung von rostfreiem Stahl der Güteklasse 316 als Trägerstreifen
für die
Spirale. Die bevorzugte Fertigungsweise benutzt einen Wickeldruck
von im Allgemeinen 2,76 bar mit 4 Stahlinnen- und 5 Stahlaußenwicklungen.
Polymerfreie Streifen wurden geprüft. Zur Verbesserung der Wasserbeständigkeiten
wurden außerdem
auch polymerhaltige Streifen mit 5% NBR-Bindemitttel (als Lösung) ebenfalls
geprüft,
entsprechend der Rezeptur der Methode A.
-
Aufbau
und Zusammensetzung der Prüflinge
1–9 sind
nachstehend aufgeführt. Tabelle
1 Zusammenfassung
der Prüflinge
1–9
Prüfling 1 | Polymerfreier
Füllstoff;
3 innere und 4 äußere Wicklungen
aus Stahl; gewickelt bei 2,76 bar. |
Prüfling 2 | Wiederholung
der vorstehenden. |
Prüfling 3 | Polymerfreier
Füllstoff;
4 innere und 5 äußere Wicklungen
aus Stahl; mit einem Druck von 2,76 bar gewickelt. |
Prüfling 4 | Wiederholung
des vorstehenden. |
Prüfling 5 | Wie
Prüfling
3, jedoch mit 5% Nitril-Butadien-Kautschuk-Füllstoff (in Latexform) |
Prüfling 6 | Wie
Prüfling
3, jedoch mit 5% Nitril-Butadien-Kautschuk-Füllstoff (in Lösungsform) |
Prüfling 7 | Wie
Prüfling
6, mit einem Druck von 1,38 bar gewickelt. |
Prüfling 8 | Wie
Prüfling
6 mit getrocknetem, jedoch nicht vernetztem Füllstoff |
Prüfling 9 | Wie
Prüfling
6 mit Füllstoff
auf Latexbasis (2 1/2%) auf 0,05 mm Stahl. (Getestet bei 13,8 bar
und 450°C).
Bei Tests mit 34,5 bar und 450°C
ergab sich nach einer halben Stunde erster Verweilzeit bei 450°C ein nicht akzeptabler
Druckabfall von 13,8 bar). |
-
Tabelle
2 Tetergebnisse, Prüflinge
1–9
-
Die
in Klammern angegebenen Werte geben den Druckverlust nach 3 thermischen
Zyklen an.
-
Methode A
-
Die
pastenförmige
Masse wird wie folgt zubereitet (Mischer mit Z-Schaufel):
Grace
Microlite HTS – Dispersion | 18,07
kg |
Grace
Microlite PCEV – Pulver | 9,49
kg |
Grace
FPSV – Pulver | 6,58
kg |
NBR-Lösung | 6,10
kg |
Silquest
A151 Silan | 0,19
kg |
Anm.: Bei FPSV handelt es sich um feingemahlenes
TEV.
- a) Alles außer Silan- und Gummilösung zugeben.
5 Minuten lang mischen.
- b) Silan zugeben und 5 Minuten lang msichen.
- c) NBR-Lösung
zugeben und 5 Minuten mischen und dann in sauberen Kunststoffbeutel
schütten
und in Kunststoffbehälter
verschließen.
-
Variationen zur Methode
A:
-
Paste
auf Latexbasis, die außerdem
5% Trockenmasseanteil an NBR enthält in der Form von wasserbasiertem
Latex (40% Feststoffe), so dass 2,5 kg Latex 6,1 kg Gummilösung entspricht
(Prüfling
5).
-
Polymerfreie
Paste, bei welcher das Polymer von obiger Rezeptur weggelassen wurde
(Prüflinge
1–4).
-
2
1/2% Latexpaste, hergestellt durch Halbierung der Latexmenge in
obiger Prüfling
5 (Prüfling
9).
-
Weitere Beispiele
-
Zwei
weitere Prüflinge
wurden, wie zuvor beschreiben, zubereitet. Dabei wurde eine lösemittelfreie
Variante der auf Nitrillatex (Breon 1562 (NBR Latex –40% Feststoffe)
basierten Paste verwendet. Die Mischung erfolgte gemäß dem gegebenen
Zyklus, wobei die Gummilösung
durch 1,02 kg Latex ersetzt wurde. Die Entferung des Lösemittels
hat den Zweck, den sicheren Transport der Paste zu gewährleisten
(insbesondere per Luftfracht).
-
Anwendung
-
Die
Paste sollte in Form eines dicken Breis (Konsistenz von Buttercreme)
aufgetragen werden. Die Zubereitung erfolgt durch Verdünnen der
nachstehend beschriebenen Pastenrezepturen mit Wasser. Man nehme 2
Teile Paste (bis zu 2 kg), die dann in Klumpen handvoller Größe aufzuteilen
und in einen sauberen Behälter zu
geben sind. Dann 1 Teil Wasser (Masseanteil) darauf gießen und
zu einer gleichmäßigen Beschaffenheit verrühren. Die
bevorzugte Rezeptur für
die Paste (ohne das zusätzliche
Wasser) ist nachstehend beschrieben. Eine gleichmäßige Schicht
Paste, die nach dem Trocknen etwa 0,6 mm Dicke besitzt, wird mit
einer auf 2 mm eingestellten Rakel auf eine Formplatte mit einer
Dicke von bis zu 0,1 mm aufgetragen. Paste bei Raumtemperatur trocknen
lassen. Nach dem Trocknen Formplatte entfernen, wodurch ein Pastenfilm
zurückbleibt.
Die Pastenschicht wird dann bei 120°C weiter getrocknet. Der so
erhaltene Film in Form eines 124 mm breiten und bis zu 5 m langen
Streifens wird dann in Streifen geschnitten und aufgwickelt. Normalerweise
durchläuft
der Film zuvor noch Quetschwalzen, um ihn flexibler zu machen.
-
Alternativ
kann die Paste auch mit Hilfe einer „doppelten" Rakel aufgetragen werden, so dass die
erste Rakel eine grobe Schicht des Breis aufträgt und die zweite Rakel die
Schicht glättet,
ihre Dicke bestimmt und gleichzeitig Luftblasen entfernt.
-
Bei
einer Methode wurde an die Möglichkeit
gedacht, die Formplatte so anzutreiben, dass sie sich mit gleichmäßigem Tempo
durch die Beschichtungsvorrichtung bewegt.
-
Bei
dem verwendeten CEV handelte es sich um die Dispesion HTS von W.
R. Grace, die etwa 15% Feststoffe enthält. Bei dem benutzten trockenen
CEV handelte es sich um das „Microlite
Powde" von W. R. Grace.
Das FPSV wurde ebenfalls von W. R. Grace bezogen. Bei dem in diesen
Beispielen benutzten Gummi handelte es sich (entweder??) um Nitrilgummi
N36C80 von Zeon.