DE69204447T2

DE69204447T2 - Hochtemperaturpackung aus perfluorelastomer für ventile.

Info

Publication number: DE69204447T2
Application number: DE69204447T
Authority: DE
Inventors: Gary Pittman; Kenneth Senior; John Strunk; Krishnan Thondukolam
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1991-01-24
Filing date: 1992-01-02
Publication date: 1996-03-21
Anticipated expiration: 2012-01-03
Also published as: CA2101786A1; WO1992013224A1; JPH06505318A; DE69204447D1; EP0568617B1; EP0568617A1

Description

Hintergrund der Erfindung

In industrieller Umgebung verwendete Ventile unterliegen häufig strengen Gütenormen. Bisher wurden Dichtungen aus Polytetrafluorethylen und anderen Fluorpolymeren verwendet, die für die Abdichtung von Ventilen als zufriedenstellend angesehen wurden. Während Dichtungen früher mit Leckverlusten von 10 000 ppm als zufriedenstellend betrachtet wurden, werden heute solche Niveaus für viele Anwendungen als unannehmbar betrachtet. Gewünschte Emissionsniveaus für viele industrielle Anwendungen liegen unter 500 ppm. Niveaus von unter 10 ppm für besonders toxische und karzinogene Materialien wären insbesondere für solche Materialien erwünscht, für die Emissions- oder Gebrauchsnormen von verschiedenen Regierungsdienststellen aufgestellt wurden.
DE-A-2 364 132 offenbart eine Ventildichtung mit wenigstens drei Ringen einschließlich eines eindringenden Paßstücks, eines aufnehmenden Paßstücks und wenigstens eines V-Dichtrings zwischen dem eindringenden Paßstück und dem aufnehmenden Paßstück. Das eindringende Paßstück und das aufnehmende Paßstück sind aus einem fasergefüllten PTFE gebildet, während der Dichtring aus kohlenstoffgefülltem PTFE gebildet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die in Patentanspruch 1 beanspruchte Erfindung löst das Problem der Schaffung einer Ventildichtung mit besonders niedrigen Emissionsniveaus in kosteneffektiver Weise.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt einer Ventildichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schrägansicht einer bevorzugten Ventildichtung der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Ventildichtungen bzw. -packungen der vorliegenden Erfindung bestehen aus mehreren einzelnen Ringen, was in der Querschnittsdarstellung von Fig. 1 und 2 zu sehen ist. Dort befindet sich ein eindringendes Paßstück 1 am stromauf gelegenen Ende der Dichtung, während sich ein aufnehmendes Paßstück 2 am atmoshärichen oder stromab gelegenen Ende der Dichtung befindet. Perfluorelastomere Dichtringe 3 sind V-förmig ausgebildet und stehen in Eingriff mit dem Rücken 4 des eindringenden Paßstücks und der Nut 5 des aufnehmenden Paßstücks.
Wenn bei den Dichtungen der vorliegenden Erfindung zwei oder mehrere Dichtringe Verwendung finden, sind die Dichtringe durch Abstandsringe E getrennt. Diese Abstands- oder Stützringe sind aus den gleichen Materialien wie die eindringenden und aufnehmenden Paßstücke hergestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die eindringenden und aufnehmenden Paßstücke und die Abstandsringe aus fasergefülltem nicht elastomerem Hochtemperaturpolymer hergestellt. Für dieses Bauteil werden vorzugsweise Fluorpolymere verwendet, die folgendes enthalten können: Polytetrafluorethylene, etwa solche, die als Teflon PTFE Fluorpolymerharze von der Du Pont Company im Handel erhältlich sind; durch Schmelzen verarbeitbare Copolymere von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen, wie solche, die als Teflon FEP Fluorpolyiner von der Du Pont Coinpany im Handel erhältlich sind; und selbstverständlich thermoplastische Fluorpolymere, wie solche Tetrafluorethylen/Fluorvinylethercopolyinere, die als Teflon PFA von der Du Pont Company im Handel erhältlich sind. Weitere Fluorpolymere, die bei der vorliegenden Erfindung wirksam verwendet werden können, sind solche modifizierten Copolymere von Ethylen und Tetrafluorethylen, die als Tefzel Fluorpolymere von der Du Pont Company im Handel erhältlich sind.
Das für die Abstandselemente und Paßstücke verwendete Fluorpolymer wird mit ungefähr 1 bis 50 Gew.-% Faserfüller, vorzugsweise wenigstens ungefähr 10 Gew-.% Faserfüller, insbesondere wenigstens ungefähr 20 Gew.-% Faserfüller, innig vermischt. Die Gewichtsprozente basieren auf dem Gesaintgewicht von Fluorpolymer und Füller.
Vorteilhaft verwendbare Füller enthalten Glas, Graphit und Kohlenstoffaser, von denen Kohlenstoffaser bevorzugt wird. Diese Materialien mit ungefähr 20 Gew.-% an Zugemischtem Kohlenstoffüller sind als korrosionsfeste Verbundsysteme von der Du Pont Company im Handel erhältlich. Repräsentativ für diese Materialien und deren Herstellung sind die in US-Patent 4 163 742 (Mansure) und US-Patent 4 414 356 (Michel) beschriebenen, auf die beide hier Bezug genommen wird. Diese Materialien können durch das Verfahren hergestellt werden, das in US-Patent 4 422 992 (Michel) beschrieben ist, auf das hier Bezug genommen wird.
Die gefüllten Fluorpolymerharze stellen eine besonders wünschenswerte Kombination von physikalischen und mechanischen Eigenschaften dar. Die Kombination des Fluorpolymerharzes und des Faserfüllers, insbesondere Kohlenstoffaserfüllers, widersteht nicht nur besonders hohen Temperaturen in normaler Arbeitsumgebung, sondern der Faserfüller und die Marzmatrix sehen im Fall von Feuer eine Dichtungsfunktion vor, die die Fähigkeit des Harzes allein übersteigt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ventildichtungen der vorliegenden Erfindung befindet sich auf der atmosPhärischen Seite des aufnehmenden Teilstücks ein Ring aus flexiblem Graphit, vergleiche das Element 7 in Fig. 1 und 2. Die verwendbaren flexiblen Graphite umfassen denjenigen, der als Graphoil von der Union Carbide Corporation im Handel erhältlich ist. Dieser flexible Graphit sieht als weitere Verbesserung eine Dichtwirkung vor, wenn die Dichtungen außergewöhnlich hohen Temperaturen, wie im Fall von Feuer, ausgesetzt sind. Der flexible Graphit bildet in Verbindung mit den Fasern des Verbundmaterials zwischen dem Schaft und dem Ventilkörper eine Dichtung sogar über Temperaturen, bei denen das Dichtungselement selbst nachfolgend zerstört wird.
Bei der Herstellung der Dichtringe der vorliegenden Erfindung verwendbare Perfluorelastomere umfassen zum Beispiel die Perfluorelastomere, die in US-Patent 4 281 092 (Breazeale) beschrieben sind. Perfluorelastomere von Tetrafluorethylen und Perfluor (Methylvinylether) sind als Kalrez Perfluorelastomere von der Du Pont Company im Handel erhältlich. Diese Perfluorelastomere haben zur Erleichterung des Härtens im allgemeinen ein Termonomer, wie CF&sub2;=CF-O-CF&sub2;-CF(CF&sub3;)-O-C&sub6;F&sub5;, CH&sub2;=CH-CF&sub2;-CF&sub2;Br, CF&sub2;=CF-O-CF&sub2;CF(CF&sub3;)OCF&sub2;CF&sub2;CH und CF&sub2;=CH&sub2;.
Weitere verwendbare Perfluorelastomere sind solche Copolymere von Tetrafluorethylen und einem Gemisch aus Perfluormethylvinylether und höher molekularem Vinylether, die ein die Aushärtungsstelle bildendes Monomer aufweisen, das vom Perfluoralkyldijodid abgeleitet ist. Diese Copolymere sind als Perfluor Perfluorelastomer von Daikin Kogyo Co., Ltd. im Handel erhältlich und werden als Chemraz Perfluorelastomer von Green, Tweed vertrieben. Ein weiteres bei der vorliegenden Erfindung anwendbares Perfluorelastomer ist dasjenige, das als Simraz Perfluorelastomer von NOK-Freudenberg im Handel erhältlich ist.
Bei solchen Anwendungen, bei denen Temperaturen von über ungefähr 400 ºF angetroffen werden, zeigen Kalrez Perfluorelastomere außergewöhnliche Stabilität und besseres Langzeitverhalten als andere im Handel erhältliche Perfluorelastomere. Diese Materialien werden demnach bevorzugt.
Die Ausbildung der vorliegenden Dichtungen variiert natürlich mit dem abzudichtenden speziellen Schaft und dem zugehörigen Hohlraum. Abzudichtende Ventilschäfte haben typisch einen Außendurchmesser von 0,64 bis 3,81 cm (1/4 bis 1 1/2 Zoll), was dem Innendurchmesser der Dichtung entspricht. Der Durchmesser des Hohlraums, in dem sich der Schaft befindet, entspricht dem Außendurchmesser der Dichtung und beträgt im allgemeinen das 1 1/2- bis 2-fache des Schaftdurchmessers.
Die Dichtungen der vorliegenden Erfindung stellen bezüglich Dichtungsleistung gegenüber den bisher verwendeten üblichen Fluorpolymer- oder flexiblem Graphitdichtungen eine merkliche Verbesserung dar. Dies ist bei industriellen chemischen Geräten besonders vorteilhaft, wo die Emissionen von toxischen oder korrosiven Fluiden, wie Benzol, Butadien oder anderen karzinogenen oder toxischen Substanzen, auf weniger als 500 ppm verringert werden können. Die Emissionen können in vielen Fällen auf weniger als 10 ppm verringert oder im wesentlichen beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung wird weiter durch die folgenden speziellen Beispiele erläutert, in denen Teile und Prozentsätze, sofern nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen sind.

Beispiel 1

Ventildichtungen wurden im wesentlichen gemäß Fig. 1 zusammengebaut zur Aufnahme von Ventilen mit einem Schaftdurchmesser von 0,97 cm (3/8 Zoll). In jeder Dichtung wurden die eindringenden und aufnehmenden Paßstücke sowie das Abstandsstück aus Teflon Fluorpolymer hergestellt, das mit 20 Gew.-% Kohlenstoffaser vermischt war und als CRCC-Komponenten Teflon PFA Fluorpolymer erhältlich ist. Die beiden V-Dichtringe wurden aus einer Verbindung von Kalrez 3018 Perfluorelastomer hergestellt. Der Außendurchmesser der Dichtungskomponenten betrug 2,22 cm (0,873 Zoll). Das Abstandsstück und die Perfluorelastomerdichtungen waren jeweils 0,70 cm (0,274 Zoll) dick, das eindringende Paßstück war 0,47 cm (0,184 Zoll) dick und das aufnehmende Paßstück war 0,61 cm (0,242 Zoll) dick.
Wenn die Dichtungen in Benzol und Butadien steuernden Ventilen in Systemen montiert wurden, in denen die Drücke bis ungefähr 1,36 MPa (200 psi) und die Temperaturen bis zu 260 ºC (500 ºF) betragen, sind die Niveaus während einer Zeitdauer von 8 Wochen durchschnittlich kleiner als 20 ppm für Benzol oder Butadien. Zusätzlich weisen die Dichtungen ein geringes Kriechen und Kaltfließen sowie geringe Kompressibilität auf.

Beispiel 2

Eine Ventildichtung wurde im wesentlichen wie in Beispiel 1 mit dem Unterschied montiert, daß ein weiterer Ring aus flexiblem Graphoil Graphit mit einer Dicke von 0,64 cm (0,250 Zoll) der Oberseite des aufnehmenden Paßstück hinzugefügt wurde. Die Ventildichtung wurde in einem Ventil montiert und in einem Feuereignungstest getestet.
Der Druck der Leitung, die während des Tests durch das Ventil gesteuert wurde, betrug durchschnittlich 1,36 MPa (200 psi) bei einem minimalen Druck von 1,33 MPA (195 psi) und einem maximalen Druck von 151 MPA (222 psi). Das in der Leitung befindliche Fluid war heißes Wasser oder Dampf.
Das Ventil wurde während einer gesamten Testdauer von 30 Minuten in einer Testkammer drei Flammen eines Erdgasbrenners ausgesetzt. Der Test erhöhte die Temperatur des Ventilkörpers innerhalb von 12 Minuten, 50 Sekunden auf 674 ºC (1245 ºF) und am Ende des Tests auf 777 ºC (1430 ºF). Der Test erhöhte die Temperatur der Dichtung innerhalb von 12 Minuten, 50 Sekunden auf 649 ºC (1200 ºF) und am Ende des Tests auf 751 ºC (1383 ºF).
Nach dem Flammentest wurde das Ventil bei einem niedrigen Druck von ungefähr 0,20 MPa (30 psig) auf Leckverluste getestet. Das Ventil hatte einen Leckverlust von 3,4 ml/min. Der Feuertest Nr. 607 des American Petroleum Institute (API) gestattet 20 ml/min.
Das Ventil wurde nach dem Flammentest bei einem hohen Druck von ungefähr 1,36 MPa (200 psig) auf Leckverluste getestet. Das Ventil hatte einen Leckverlust von 8,7 ml/min. Die API-Normen gestatten 200 ml/min.
Im Verlauf des Tests oder Abkühlens nach dem Test wurden keine Leckverluste nach außen festgestellt. Die API- Normen gestatten 100 ml/min.

Claims

1. Ventildichtung aus abwechselnden Lagen, wobei die Dichtung aus mehreren einzelnen Ringen besteht, enthaltend:

a) ein eindringendes Paßtstück (1),

b) ein aufnehmendes Paßstück (2),

c) wenigstens zwei V-Dichtringe (3) zwischen dem eindringenden und dem aufnehmenden Paßstück (1, 2)

d) wenigstens einen V-Abstandsring (6) zwischen jedem Paar der V-Dichtringe (3),

wobei die V-Dichtringe aus einem Perfluorelastomer hergestellt sind, und

die eindringenden und die aufnehmenden Paßstücke (l, 2) und jeder Abstandsring (6) aus einem im wesentlichen nichtelastomeren Hochtemperaturpolymer mit ungefähr 1 bis 50 Gew.-% innig beigemischtem faserförmigem Füller hergestellt sind.

2. Ventildichtung nach Anspruch 1, wobei der faserförmige Füller aus Kohlenstoff, Graphit und Glas ausgewählt ist.

3. Ventildichtung nach Anspruch 2, wobei der faserförmige Füller wenigstens ungefähr 10 Gew.-% des nichtelastomeren Hochtemperaturpolymers enthält.

4. Ventildichtung nach Anspruch 3, wobei der faserförmige Füller wenigstens ungefähr 20 Gew.-% des nichtelastomeren Hochtemperaturpolymers enthält.

5. Ventildichtung nach Anspruch 1, wobei das Hochtemperaturpolymer im wesentlichen aus Fluorpolymer besteht.

6. Ventildichtung nach Anspruch 5, wobei das Fluorpolymer im wesentlichen aus Tetrafluorethylencopolymer besteht.

7. Ventildichtung nach Anspruch 1, ferner enthaltend einen Ring aus flexiblem Graphit auf der Atmosphärenseite des aufnehmenden Paßstücks.