KR100671245B1 - 개선된 스터핑 박스 패킹 조립체 - Google Patents

개선된 스터핑 박스 패킹 조립체 Download PDF

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Abstract

본 출원의 콤팩트한 스터핑 박스 패킹 조립체들은 경사진 대향 표면들을 지니도록 각각 다이 성형되는 흑연의 고밀도 금속 삽입 직조 단부링들과 다수의 중심 예비성형 링들을 포함한다. 하나의 실시예에 있어서, 경사진 대향 표면들을 지니는 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링들은 고밀도 직조 단부링들 사이에 포함된다. 예비성형 링들의 대향 표면들은, 직조된 단부링들의 대향 표면들에 대해서보다는 패킹 조립체의 종축에 대해 다른 각도로 연장한다. 직조된 단부링들은 스템 와이핑 기능뿐 아니라 예비성형 링들에 대해 지지 기능을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 단부링들과 동일한 재료로 만들어진 부가적인 예비성형 지지링들이 저밀도 예비성형 링들 사이에 배치된다. 개시된 또 다른 실시예는, 경사진 대향 표면들을 갖는 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링들중 2개를 경사진 대향 표면들을 지니도록 각각 다이 성형된 흑연의 고밀도 금속 삽입 직조 단부링들로 만들어진 예비성형 지지링들로 대체하는 것을 포함한다. 또 다른 실시예는, 각각 경사진 대향 표면들을 지니도록 다이 성형되는 흑연의 고밀도 금속 삽입 직조 단부링들로 만들어진 중심링들 및 단부링들을 지니는 것을 포함한다.

Description

개선된 스터핑 박스 패킹 조립체{IMPROVED STUFFING BOX PACKING ASSEMBLY}
본 출원은 본원에 참조로 인용되었으며 하렐슨에 의해 1996.3.22에 출원되어 공유된 미국출원 제08/620,406호의 일부계속출원(CIP)이다.
본 발명은 밸브 스템, 샤프트 및 피스톤 로드용 스터핑 박스 패킹 조립체(stuffing box packing assemblies)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고밀도의 콤팩트한 5개의 링 스터핑 박스 패킹 조립체를 포함하는 통상적인 사이즈의 5개의 링 스터링 박스 패킹 조립체에 대한 개선된 구조 또는 설계에 관한 것이다.
종래에 있어서, 도1에 횡단면으로 도시된 5링 스터핑 박스 패킹 조립체가 고성능의 결과를 요하지 않는 밸브용 스터핑 박스에 사용되고 있다. 이 5링 스터핑 박스 패킹 조립체는, 5링 세트의 상부 및 바닥에 배치되는 직조된 단부링(8,10) 세트의 중심에 함께 배치된 3개의 흑연 다이성형 테이프 링(graphite die-formed tape ring)(2,4,6)으로 구성되는 평탄한 조합형 세트(flat combination set)이다. 이 5개의 링은 밸브 스템(14)을 시일하기 위한 스터핑 박스(12)에 장착된다. 흑연 다이성형 테이프 링들은, 패킹마개(gland)가 조여질 때 스터핑 박스 또는 밸브 스템에 대해 변형되는 가요성 흑연 테이프로 형성된 저밀도 링들이다. 이 흑연 다이 성형 테이프링들은 약 1.1g/cc의 밀도로 생산되는 것이 일반적이다. 본출원의 발명자는, 제조업자가 가요성 흑연 테이프링들을 생산하기위해 구입할 수 있는 가장 낮은 가요성 흑연 테이프의 밀도는 약 0.7g/cc 인 것으로 알고 있다. 0.7g/cc 의 밀도로 가공된 링은 적소에 고착된 테이프 단부를 갖는 0.7g/cc 의 가요성 흑연 테이프의 나선형 래핑(wrapping) 이다. 많은 경우에 있어서, 이 링들은 밸브 스터핑 박스에 설치하기에 용이하도록 쪼개져야 한다.만일 링이 단지 가요성 흑연 테이프의 나선형 래핑이라면, 일측을 통해 절단하여 그 링을 밸브 스템 둘레로 미끄러지게 할 수 있어 각각의 테이프 래핑들로 하여금 갈라지게 하거나 분리되게 해야한다. 그러나, 테이프의 나선형 래핑이 다시 성형 작업중 비교적 낮은 양의 압력으로 압축된다면, 테이프 래핑은 링이 쉽게 쪼개져 설치 작업이 쉽게 이루어질 수 있는 각각의 층들 사이에 어코디언 주름형 접합부를 형성한다. 다이 성형 공정에서의 테이프의 압축은 약 0.7g/cc 이상의 수준으로, 정상적으로는 약 1.1g/cc의 수준까지 다이 성형 링의 밀도를 증가시킨다.
가요성 흑연은 높은 압축력의 결과로서 미세한 간극을 통해 누출될 부정적 기능의 원인을 지닌다. 누출을 제어하고 이를 방지하기 위해, 항 누출 직조임 단부링(8,10)이 가요성 흑연링(2,4,6) 외측에 배치되는 것이 통상적이다. 이 같은 직조 단부링들은 종종 부드러운 탄소 섬유로 꼬여진 패킹 재료로 형성된다.
5링 "패킹" 조합 패킹 조립체 구조는 조립이 매우 쉽고 간단하다. 모든 구성요소들은 사각형의 단면 형상을 지니며, 이것은 3개의 흑연 다이 성형 테이프 링들이 상부 및 바닥에 배치되는 접혀진 단부링들을 갖는 패킹 조립체의 중앙에 함께 배치되는 것으로 상업적으로 널리 공지된 원리이다. 5링 평탄 조합 패킹 조립체의 광범위한 사용의 결과로서, 산업상 많은 밸브의 설계들이 5링 평탄 조합체의 5링 패킹링 횡단면들만을 수용하기에 충분한 스터핑 박스 깊이를 지니도록 사용하기에 적합하게 되어 있다. 이 스터핑 박스 깊이는 현재 뚜렷한 시장적 동향이다.
비록 평탄한 5링 스터핑 박스 패킹 조립체가 제조 및 설치가 간단하고 쉽지만, 이것은 스템 스케일의 증가, 밸브 스템 마찰 및 시일 성능의 특성들에 의해 초래되는 손상을 흡수하기에 팽창 효율 및 그 저항이 제한적이다.
본원에 참조를 위해 인용된 리차드 이. 화이트등에 의해 허여된 미국 특허 제4,328,974호의 스터핑 박스 패킹 조립체는 고성능의 결과를 요구하는 석유 화학 및 동력 산업용 밸브와 같은 밸브에 향상된 방사상 팽창 및 시일성 특성을 제공하도록 개발되었다. 도2에 횡단면도로 도시된 11링 패킹 조립체는 더 높은 밀도의 흑연 어댑터 링(18,20)에 결합되며 균일하게 설계된 저밀도 흑연 예비성형 링(14,16)에 합체되는바, 이것은 이 같은 링들중 하나의 쌍이 외측 시일링 표면을 향해 배향된 반경 방향 팽창 성질을 지니며, 다른 하나의 링들의 쌍은 내측 시일링 표면을 향해 동일하게 배향되는 방식으로 합체된다. 어댑터 및 예비 성형링들은 다이성형전에 나선형 래핑이나 또는 박판형 포맷에 의해 층으로된 가요성 흑연 테이프로 구성된다. 예비성형 및 어댑터 링들중 인접 결합된 대향면 각(22,24)은 각각 45° 및 60°인 것이 전형적인다. 다른 각도로 다른 밀도의 재료를 결합시키는 조합의 효과는 패킹 조립체의 반경 방향 팽창 특성을 향상 시키는데 있다. 이같이 향상된 반경방향 팽창 성능은 단일 패킹 조립체로 하여금 그 통상적인 설계에서 가 능한 것보다 더 넓은 범위의 횡단면 스터핑 박스 간극을 커버하게 할 수 있으며, 이같은 향상된 팽창 성능은 고등급의 시일링 효과를 이끌어 낸다.
예비성형 링(14,16) 및 어댑터 링(18,20)은 상용적이고 전형적으로 가요성 흑연 테이프 재료 형태의 흑연으로 구성된다. 예비성형 링(14,16)은 약 0.5 내지 1.4g/cc의 밀도 범위를 갖는다. 어댑터링(18,20)은 약 1.4 내지 1.7g/cc의 밀도범위를 갖는다. 나머지 7개의 링들은 중요한 지지 기능을 제공하도록 존재한다. 4개의 금속 또는 GYLON 스페어링(25,26,28,30)은 장전력(loading forces)이 쌍으로된 예비성형 링(14,16) 및 어댑터링(18,20)의 압축 표면 둘레에 균일하게 분포된다. 패킹 조립체의 상부, 중심, 및 바닥에 배치된 3개의 직조된 링(32,34,36)은 탄성링, 항누출링, 및 와이퍼링으로서 선택적으로 수행하도록 제공된다. 직조된 링(32,34,36)은 압축성 탄소 또는 흑연으로 직조된 재료들이다.
미국특허 제4,328,974호는 도 3의 횡단면도에 도시된 변형적인 7링 패킹조립체를 개시한다. 7링 패킹 조립체와 도 2의 11링 패킹조립체의 주된 차이점은 예비성형 링(14,16)이 감소된 높이의 단일 예비성형 링(38)으로 통합된다는 점이고, 단일 예비성형 링(38)은 예비성형 링(14,16)의 내측방향(ID:inner direction) 및 외측방향(OD:outer direction)으로 각진 각각의 표면 특징(40,42) 모두를 포함한다. 도 2의 2개의 예비성형 링(14,16)을 단일 링(38)으로 합체함으로써, 도 2의 스페이서 링(25,26,28,30)들 중 2개와 직조된 링(32,34,36)들 중 하나의 필요성을 제거한다. 따라서, 예비성형 링(38)과 함께, 7링 패킹 조립체는 2개의 가요성 흑연 어댑터 링(44,46), 2개의 스페이서 링(48,50) 및 2개의 압축성 직조 탄소 또는 흑연 링(52,54)을 가진다. 도 3의 7링 패킹 조립체는 11링 조립체에서 가능했던 것보다 얕은 스터핑 박스를 지니는 밸브를 시일링하는데 사용될 수 있다. 그러나 얕은 스터핑 박스를 시일링할 수 있는 이러한 특징은 시일링 효과와 타협해야 했다. 이 접근법에서 사용된 예비성형 링 재료의 감소된 양은 7링 패킹 조립체의 상대적인 시일링 효과를 감소시켰다.
도1의 평탄한 5링 패킹 조립체에 대한 나란한 비교성 기능 테스트에서의 미국특허 제4,328,975호의 11 및 7 링 조립체는, 현저한 공정유닛의 비가동시간 또는 환경적으로 유해한 조건을 초래할 수 있는 누설이 있는 임계적인 프로세스 밸브에 사용하기 위한 최상의 기능적 제품이 되도록 입증되었다. 그러나, 11 및 7 링 조립체의 복잡성, 제조원가, 패킹 조립체의 높이 및 설치를 위한 요구 사항은 단점으로 나타났다.
본 발명의 주 목적은, 통상적인 규격의 5링 스터핑 박스에서 설치단계 및 압축 절차를 단순화하기에 적합한 신규하고 개선된 콤팩트한 스터핑 박스 패킹 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 고성능 결과를 요구하는 통상적인 규격의 5링 스터핑 박스를 지니는 밸브에서 사용하기 위해 패킹 조립체의 적용성을 향상시킨 시일 성능 및 반경방향 팽창 성능을 지니는 신규하고 개선된 콤팩트한 스터핑 박스 패킹 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통상적인 규격의 5링 스터핑 박스에서 흡수성 및 누출성에 대한 높은 저항을 갖는 고밀도의 금속 삽입 직조 단부를 지니는 신규하고 개선된 콤팩트한 스터핑 박스 패킹 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통상 규격의 5링 스터핑 박스에서 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 고밀도 직조 단부링을 지니는 신규하고 개선된 콤팩트 스터핑 박스 패킹 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통상 규격의 5링 스터핑 박스에서 경사진 대향 표면을 갖도록 각각 다이성형된 흑연의 고밀도 금속 삽인 직조단부 링들을 지니는 신규하고 개선된 콤팩트 스터핑 박스 패킹 조립체를 제공하는데 있다.
이 같은 목적들 및 다른 목적들에 따라, 본 발명의 일면에 따른 스터핑 박스용 패킹은: 적어도 하나의 중심링; 및 축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 적어도 하나의 중심링으로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경방향으로 이동하도록 적어도 하나의 중심링의 제1단부의 하나의 반경방향 에지에 인접한 재료를 강제시키고 그 재료를 불침투성 및 유효한 시일로 압축시키며 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 직조된 흑연 테이프 스톡(braided graphite tape stock); 및 상기 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함한다.
본 발명의 다른 면에 따른 스터핑 박스용 패킹은: 적어도 2개의 저밀도 흑연 예비성형 링들; 상기 링들사이에 작동적으로 배치된 적어도 하나의 부가적인 링으로서, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및 2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하고 적어도 하나의 부가적인 링; 및 축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 적어도 2개의 저밀도 중심링들 중 하나의 제1단부의 하나의 반경방향 에지에 인접한 재료를 적어도 2개의 저밀도 중심링들 중 하나로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경방향으로 이동하도록 강제시키고 그 재료를 불침투성 및 유효한 시일로 더 압축하기 위한 단부링으로서, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 직조된 흑연 테이프 스톡(braided graphite tape stock); 및 상기 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 스터핑 박스용 패킹 조립체는 2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면을 지니는 적어도 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링들; 및 인접한 저밀도 예비성형 링들 사이에 작동적으로 배치되는 적어도 하나의 부가적인 링으로서, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및 2개의 단부 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 적어도 하나의 부가적인 링; 및 축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 적어도 3개의 저밀도 중심링들 중 하나의 제1단부의 하나의 반경방향 에지에 인접한 재료를 적어도 3개의 중심링들 중 하나로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경방향으로 이동하도록 강제시키고 그 재료를 불침투성 및 유효한 시일로 더 압축하기 위한 단부링으로서, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 직조된 흑연 테이프 스톡(braided graphite tape stock); 및 상기 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함한다.
본 발명의 또 다른 면에 따른 스터핑 박스용 패킹 조립체는 중심링 조립체로서, 경사진 대향 표면을 지니는 하나의 저밀도 흑연 예비성형 링; 2개의 예비성형 지지링으로서, 상기 저밀도 흑연 예비성형 링은 상기 2개의 예비성형 지지링 사이에 작동적으로 배치되며, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및 직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 2개의 예비성형 지지링을 포함하는 중심링 조립체; 및 축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 재료를 불침투성 및 유효한 시일로 압축하기 위한 단부링으로서, 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및 직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함한다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들이 후술설명, 첨부도면 및 첨부된 특허청구범위에 의해 명백해질 것이다.
도1은 종래의 스터핑 박스, 스템 및 평탄 5링 스터핑 박스 패킹 조립체를 통한 횡단면도;
도2는 종래의 11링 패킹 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도;
도3은 종래의 7링 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도;
도4는 본 발명의 스터핑 박스, 스템 및 5링 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도;
도5는 본 발명의 스터핑 박스, 스템 및 변형적인 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도;
도6은 본 발명의 스터핑 박스, 스템 및 제2의 변형적인 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도; 및
도 7은 본 발명의 스터핑 박스, 스템 및 제3의 변형적인 스터핑 박스 패킹 조립체의 횡단면도.
도 4를 참조하면, 본 발명의 통상 크기의 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)의 일실시예가 도 1의 통상 크기의 5링 스터핑 박스(12)에 장착된 상태로 도시된다. 도 3의 7링 패킹 조립체에서와 같이, 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)는 약 0.5 내지 1.4g/cc 범위 내의 밀도를 가진 3개의 다이성형된 가요성 흑연 테이프 저밀도 예비성형 링들(58)(각각의 링은 도3의 예비성형 링(38)과 같은 두께를 지님)을 포함한다. 예비성형 링들(58)은 분리형 링들로 될 수 있는바, 도시된 바와 같이, 각각의 링은 밸브스템(14)이 연장되는 스터핑 박스 패킹 조립체(56)의 종축에 대해 동일한 예각으로 연장되는, 대향하는 외측표면들(60,62)를 가진다. 3개의 예비성형 링들(58)이 사용되는 경우, 3개의 링들은 포개지고, 2개의 단부링들의 최외측표면(60,62)은 예비성형 링 조립체에 대해 각각 외측방향(OD) 및 내측방향(ID)으로 각진 표면특징들을 형성한다. 따라서, 최외측표면(60)은 패킹 조립체의 종축에 대해 축방 외측방향으로 예각으로 연장하고, 최외측표면(62)은 패킹 조립체의 종축에 대해 축방 내측방향으로 예각으로 연장하며, 이들 각각의 각도는 약 45°이다.
도2 및 3의 종래의 패킹 조립체에 있어서, 예비성형 링들과 어댑터링들의 밀도에서 가능한 차이를 폭넓게 유지하는 것이 바람직한 것으로 발견되었다. 이 같 은 2개의 구성 부품들의 다른 각도에 따른 밀도의 차이는 패킹 조립체의 향상된 시일 성능 및 반경방향 팽창 성능의 원인인 것으로 믿어진다. 패킹 조립체가 압축되면, 예비성형 링(14,16,38)은 시일을 형성하도록 팽창될 것이지만, 이 같은 압축은 또한 예비성형 링 구성요소들 자체의 밀도를 필수적으로 증가시킨다. 향상된 반경 방향 팽창 및 시일 성능은, 예비성형 링이 어댑터 링의 밀도 수준으로 도달되어 일치 될 때까지 후속적으로 가해진 압축의 결과로서 발생하도록 계속될 것이다. 이때, 예비성형 링과 어댑터링의 밀도가 같으면, 패킹 조립체는 도1의 통상의 조합형 평탄-링 패킹 조립체에 견주어 작용하도록 계속될 것이다. 성능을 향상시키고 도2 및 3의 종래의 패킹 조립체의 작동 수명을 향상시키기 위해, 예비성형 링의 밀도 값은 약 1.1g/cc 의 전형적인 값으로 조절되었으며, 어댑터 링 밀도는 약 1.7g/cc의 최대값으로 조절되었다. 약 1.7g/cc의 어댑터 링의 밀도는, 가요성 흑연 테이프가 다이성형 링 형태에 이르도록 압축될 수 있는 최대의 실제적인 밀도 한계치를 나타낸다.
도4에 개시된 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)를 향상시키기 위해, 어댑터 링(44,46)의 기능, 스페이서 링(48,50)의 지지기능 및 단지 2개의 부가적인 링들을 갖는 도3의 압축성의 직조 탄소 또는 흑연 링(52,54)의 와이퍼 기능을 수행할 필요가 있다. 이것은, 순수 가요성 흑연 테이프로 구성되는 것이 바람직한 금속이 삽입된 적합한 직조 스톡(히하 "MIC-직물" 칭함)에 지지 스페이서 및 와잉퍼 기능들을 수행할 수 있는 금속 또는 다른 재료로 된 스트립, 와이어, 필라멘트, 틴셀 등이 삽입되거나 포함될 수 있으며, 이로써 지지 스페이서 및 와이퍼 기능을 달성할 수 있었다. 뉴욕, 소더스, 갈록 인더스트리얼 패킹 프로덕츠에 의해 패킹 1303으로 판매된 테이프의 InconelTM 금속 인세트를 갖는 MIC 직물이 가장 바람직한 선택인 것으로 나타났지만, (금속, 구리, 황동, 알루미늄, 아연 등과 같은) 다른 금속 인서트 또한 선택적으로 사용될 수 있다. 금속 인서트로 인해, MIC-직물들은 다양한 형상, 사이즈, 각도등으로 다이 성형될 수 있는데 유용하게 된다. 금속 인서트는 마무리된 다이 성형 MIC-직조 링들을 가치있는 어떤 원하는 형상으로 견고하게 유지하고 이에 적합하게 한다.
다이성형 시험들이, MIC-직조링들이 목적을 달성하도록 생상될 수 있는 최대 밀도를 결정하기 위해 시도된다. 시험 결과들은, MIC-직조 다이성형 링들이 흑연 테이프 어댑터 링(18,20,44,46)에서 달성할 수 있는 약 1.7g/cc의 최대 밀도보다 매우 높은 약 2.60g/cc의 높은 밀도를 지닐 수 있음을 증명했다. 3개의 예비성형 링(58)(3개의 단면의 결합된 스택 높이를 지님)은 패킹 조립체(56)에 대해 바람직한 고성능 레벨을 유지하는 필요 부분이다. 예비성형 링(58)은, 압축 동안 예비성형 링(58)의 재료의 향상된 반경방향 팽창 유동을 발전시키도록 어떤 단부에서 형상화된 링(64,66)을 지녀야 한다. 이같은 특성들을 모두 지니는 2개의 단부 링(64,66)을 제공하기 위해, 단부 링(64,66)은 테이프 형태의 흑연을 사용하는 MIC 직물로 된다. 테이프 형태의 흑연을 사용하는 잇점들 중 하나는, 다이 성형시 결합 접촉을 위한 스므드한 저마찰 표면을 제공한다는 것이다. 단부 링들의 고밀도 표면(70,72)이 고압의 장전력하에서 예비성형 링들의 저밀도 표면(60,62)과 접촉할 때, 단부 링들의 표면(70,72)은 부드러운 예비성형 링(58) 재료의 외향 또는 내향의 활주 및 미끄러짐을 촉진하도록 스므드하며 비교적 매끄럽게 되어야 한다. 단부링 표면(70,72)이 가장 통상적인 다이 성형 직조 성형물과 공통으로 되는 성긴 표면 조직을 지녔다면, 결과적인 마찰은 패킹조립체의 팽창량의 대부분을 제거할 것이다. 성긴 단부링 표면(70)과 예비성형 재료간의 접촉은 그것의 접촉점 및 결속부에서 예비성형 재료를 보지할 것이다.
반경방향 팽창이 예비성형 링들(58)의 주요 기능이기 때문에, 다이성형된 MIC-직조 링들의 경도는 전혀 단점이 아니라 사실상 장점이다. 매우 강성이기 때문에, 이 단부링들(64,66)은 압축 하중력(compressive loading force)에 의해 영향받지 않게 될 것이고, 통상의 가요성 흑연 테이프 어댑터(18,20,44,46)로 가능했던 것보다 우수한 정도로 매끈한 접촉표면(70,72)을 유지할 것이며, 예비성형 링들(58)을 지지할 것이다. 각각의 단부링(64,66)은 외측표면(68)이 패킹 조립체의 종축에 대해 90°각으로 연장하고 내표면은 60°각으로 연장하게 다이 성형되는 것이 바람직하다. 단부링(64)의 내 표면(70)은 패킹조립체의 종축에 대해 약 60°인 예각으로 연장하고, 상부 예비성형 링의 각진 표면(60)과 함께 작동하여 내측방향(ID)으로 각진 표면 특징을 형성한다. 유사하게, 단부링(66)의 내부표면(72)은 패킹조립체의 종축에 대해 약 60°인 예각으로 연장하고, 하부 예비성형 링의 각진 표면(62)과 함께 작동하여 외측방향(OD)으로 각진 표면 특징을 형성한다. MIC-직조 단부링들(64,66)의 금속 성분은 패킹마개(packing gland)(미도시)에 의한 압축을 받을 때 단부링들의 형상이 유지되게 하며, 전술된 바와 같이 단부링들(64,66)과 예비성형 링들(58)의 밀도 사이의 밀도 범위가 넓을수록 결과적인 패킹조립체(56)에 대한 향상된 반경방향 팽창 및 시일링 특성의 범위가 넓게 된다.
단부링(64,66)을 형성하는 MIC-직물이 현저한 가요성 흑연 내용물을 지니며 순수 가요성 흑연 다이 성형 테이프 링들의 특징이 있는 스므드한 표면 마무리를 지니는 반면, 그것의 금속 삽입 직조 구조는 링이 누출을 저지하는 것을 보장한다. MIC 직조 재료는 또한 매우 효과적인 와이퍼링 재료이다. 가요성 흑연 테이프 재료는, 그 자체를 특정 형태로 금속 표면에 부착하기 위한 유연성을 지닌다. 와이퍼링이 예비성형 링들의 상부 및 하부에 배치되지 않는다면, 흑연의 입자들은 스템(14)에 부착될 것이며, 스템이 개방 위치 및 폐쇄 위치에서 작동될 때 스터핑 박스의 와부로 이동될 것이다. 가요성 흑연 예비성형 링(58)들로부터의 흑연 재료의 결과적인 손실은 패킹조립체 세트(56)를 통한 누출경로의 발전을 신속하게 초래할 것이다. 시도된 시험에 있어서, MIC-직조 단부링(64,66)은, 예비성형 링(58)으로부터 어떠한 흑연재료의 손실이 있는 경우 스템(14)을 적당하게 전체적으로 깨끗하게 씻어낼 수 있는 작은 양이 존재하는 상태로 유지할 수 있는 능력을 보여준다.
공지된 바와 같이, 흑연은 금속 표면에 자체적으로 부착되는 성질을 지니고 금속내의 작은 홈을 채우는 금속 표면에 대한 천연적인 특성을 지닌다. 상승 스템(rising stems)으로 지칭되는데 있어서, 스템들은 왕복동하거나 수직 헤리컬 작동을 통해 이동하며, 스템의 모든 부품들은 궁극적으로 와이퍼링을 지나 이동되며, 스템의 흑연 재료를 씻어내고 스터핑 박스내에 포함된 흑연 재료를 유지하여 그 흑연으로 하여금 시일링 기능을 계속적으로 수행하게 할 수 있다. 단부링이 없 다면, 흑연은 스터핑 박스 외부로 이동될 것이며 바람직하게는 바람의 결과로 인해 밸브 본넷 포위체의 내표면과 접촉하는 결과로서 스템에서 분출되거나 문질러질 것이며, 패킹 종료부의 외측 상부면, 또는 스템이 접촉할 수 있는 어떤 다른 기계적 부품들과의 접촉의 결과로서 그 같은 작용이 행해질 수 있다. 그 같은 흑연의 손실은 궁극적으로 시일의 실패를 초래할 것이며 밸브의 지속적인 작용 및 조절을 이루기 위해서는 유지 보수원을 필요로 할 것이다.
MIC-직조 단부링들내의 금속 삽입 재료는 밸브스템(14) 표면상의 비마찰성 스크랩퍼로 작용한다. 일부 분야의 적용에 있어서, 매체 또는 외부 분위기는 금속 스템 표면상에 스케일 빌드업을 발생시킨다. 이같은 적용들은, 밸브 스템이 패킹 조립체 세트(56)를 통해 작동할 때 스케일의 절단 성능으로 인해 성공적으로 시일을 행하는데 특히 어려움이 있다. 이 스케일/파편 빌드업은 통상의 압축성 직조 탄소 또는 흑연 단부링(8,10,32,34,36,52,54)을 통한 홈들을 쉽게 깍아낸다. 그러나, MIC-직조 단부링(64,66)의 인성 및 고위 부식 저항은 스케일을 제거하고 스케일의 홈 형성 작용을 저지한다.
도4의 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)는, 도1-3의 종래의 패킹 조립체들에 현저한 장점을 제공하는 것으로 나타난 작용을 하는 여러 가지 방법에 의해 테스트되었다.
1) 비교 표준 방출 테스트
이 테스트는 매채 노출이 750F/500 psi 헬륨인 밸브 기능 테스트를 패킹 조 립체에 적용하는 단계를 포함한다. 스템(14)은 3일동안 500 완료 작동/일로 순환된다. 가열 테스트 기간 또는 열사이클이 매일 6시간동안 취해졌으며, 전체 3개의 열사이클을 생기게 한다. 이 테스트 절차는, 제품의 기능적 수행 능력들에 대한 매우 어려운 테스트이다. 다음표는 통상의 7링 패킹 조립체(도3), 5링 패킹 조립체(56)(도4), 및 5링 평탄 조합형 패킹조립체(도1)에서 시도된 테스팅으로부터의 결과이다.
형태 평균스템 마찰력 조절 최대누출 설치단계 마개하중(psi)
7링(도3) 658 0 0 ppm 2 3800
5링(도4) 519 0 0 ppm 1 3800
5링 평탄형 (도1) 1014 1 800 ppm 2 3800
상기 3개의 모든 제품들은, 성능 비교가 추출될 수 있도록 동일한 마개 장전력(3800psi)으로 압축되었다. 종래의 7링 패킹 조립체와 5링 평탄형의 통상의 조합형 패킹 조립체는 2단계의 설치 방식을 사용하여 설치되었다. 2단계 설치는 최상의 성능을 생산하지만 더 많은 양의 시간을 소모한다. 새로운 5링 패킹 조립체(56)는 1단계의 설치 절차를 사용했다. 도 3 및 4의 조립체 모두의 설계는 전체 테스트 절차를 통해 검출할 수 있는 0ppm 누출을 지니는 반면, 도1의 5링 평탄 조합형 패킹 조립체는 최대 800ppm으로 기록된 누출 수준으로 검출된 7개의 누출 지점을 지녔다. 도3의 패킹 조립체 뿐 아니라 도4의 5링 패킹 조립체 모두는 테스트 동안 어떤 후속적인 조절들을 필요로 하지 않는 반면, 도1의 5링 평탄 조합형 패킹 조립체는 목적치 500ppm(깨끗한 공기 법률 제한치)이하의 누출 수준들을 유지하도록 하나의 조절을 필요로 했다. 조절 밸브 산업에 관계된 임계치로되는 스템 마찰력의 측정치는, 5링 패킹 조립체(56)가 도3의 7링 패킹 조립체보다 21.2% 더 낮은 평균 마찰을 지녔으며 또한 도1의 5링의 통상적인 조합 패킹 조립체 설계보다는 48.8% 작은 마찰을 지닌 것을 보여주고 있다.
요약:(금속 삽입 정합성 직조 단부링(64,66)을 갖는) 5링 구조의 스터핑 박스 패킹 조립체(56)는 7링 조립체(도3)의 시일성 성능과 일치했으며, 5링의 통상적인 조립체(도1) 보다 현저하게 우수했다. 도4의 5링 패킹 조립체(56)는, 그것의 더 낮은 스템 마찰 결과를 갖는 다른 패킹 조립체들 모두 보다 현저하게 우수했다.
약 3800psi는, 종래의 7 및 11링 조립체와 통상의 종래의 조합형 5링 평탄 조립체 누출 시험 시도에서 적합한 결과를 취하는데 필요한 최소량의 패킹 마개 장전력이다. 종래의 조립체에 통상적으로 사용되는 압축성 직조 탄소 또는 흑연 섬유 단부링들은 비교적 부드럽고 가요성이다. 밸브 스터핑 박스에 압축되면, 인가된 패킹마개 장전력은 이같은 압축성 직조 단부링들로 하여금 스템 및 박스 보어 표면에 대해 확실한 접촉을 이루도록 신속하게 팽창되게 한다. 장전력은 약 3800psi로 증가함으로써, 상부의 직조된 압축성 단부링(8,32,52)은 밸브 스템(14) 표면상에 강한 마찰 파지력을 발전시킨다. 이 마찰 파지력은 장전력의 일부가 패킹 조립체의 중심에 배치된 시일링(2,4,6,14,16,38)까지 단부링을 통해 하방으로 전달되는 것을 방지한다.
고밀도 단부링(64 또는 66)으로 다이성형된 MIC-직물은 압축성 직조 탄소들의 부드러운 탄성을 지니지 못한다. 단부링(64,66)은 효과적인 와이퍼/항누출 링 으로 작동하기에 충분한 접촉을 이룰 것인 반면, MIC-직조 링은 너무 견고하면 크게 가해진 하중의 결과로서 스템 표면에 대해 강한 마찰 파지력을 생산할 수 없다. 마찰 파지력의 부족은, 패킹 마개 장전력의 더 큰 비율이 패킹 조립체의 중심에 배치된 주요 시일링 링(성형 링(58))에 효과적으로 전달됨을 의미한다. 이 같은 이론을 입증하기 위해, MIC-직조 단부링들을 갖는 5링 패킹 조립체(56)는 더 낮은 패킹 마개 압력으로 약 500ppm 시일보다 작은 압력으로 달성될 수 있다.
방출 테스트가 전술된 상태와 같은 서비스 조건하에서 취해졌지만, 패킹 마개 장전력만이 약 3000psi로 다르다.
그 결과는 다음 표와 같다.
형태 평균스템 마찰력 조절 최대누출 설치단계 패킹 마개 장전력(psi)
5링(56) (도4) 481lbs 0 350ppm 1 3000
7링(도3) 650lbs 1 1300ppm 2 3000/4038*
* = 초기/최종(조절후)
MIC-직조 단부링(64,66)을 갖는 5링 패킹 조립체(56)는 단부링을 통해 예비성형 시일링 링(58)까지 패킹 마개 장전력을 더 효과적으로 전달할 수 있다. 이것의 최대 누출 포인트는, 맑은 공기 법률에 의해 지정된 500ppm 수준에 적합한 약 350ppm 이었다. 어떠한 조절이 필요없으며, 1 단계 설치 절차가 후속되었다. 우수한 2 단계 설치 방법 및 동일한 약 3000psi의 패킹 마개 장전력으로 설치된 종래의 7링 패킹 조립체는 약 1300ppm의 초기 누출이 있었으며, 약 500ppm 이하의 값까지 누출을 감소시키도록 약 4038psi의 패킹 마개 장전력까지의 조절을 필요로 했 다. 7링 패킹 조립체에서 압축성 직조 단부 링들에 의해 형성된 마찰 파지력은 약 3000psi의 초기 패킹마개 장전력의 일부가 중앙 예비성형 시일링 링(38)을 효과적으로 이르게 하는 것을 차단했다. 그 결과로서, 7링 패킹 조립체의 예비성형 링(38)들은, 5링 MIC-직조 패킹 조립체(56)에서 실행된 것에 비교할만한 시일을 생성하고 반경방향으로 팽창하는데 필요한 압축에너지를 수용하지 못했다. 더 적은 링을 지니거나 적합한 단부링(64,66)을 확립하며 MIC-직조 단부링(64,66)을 포함하는 5링 패킹 조립체(56)는 더 효율적이고 효과적으로 인가된 힘을 사용한다.
스템 마찰 비교:
다음 표는 도3의 7링 패킹 조립체와 도4의 5링 패킹 조립체에서의 일부의 기본적인 마찰력 비교 데이터를 제공한다. 두 번째열 값은 뜨거운 상태에서 측정된 슬라이딩 스템 마찰 계수이다.
형태 초기스템 절단 마찰 계수 750°F/500psi에서의 스템 마찰 계수
7링 세트(도3) f= 0.08 f=0.06
5링 세트(56)(도4) f=0.075 f=0.049
전술된 테스트에서 알 수 있듯이, 7링 패킹 조립체는 마찰 성능에 있어서 도1의 5링 평탄링 조합 패킹 조립체를 능가한다. 이 테스트 결과는, 도4의 5링 패킹 조립체가 절단(녹색) 및 고온 마찰 모두의 경우에서 7링 패킹 조립체를 능가한다.
가요성 흑연 테이프에 대한 MIC의 밀도 범위 장점들
다음표는 약 0.7g/cc(dir 43.7 lbs./ft3)의 초기 가요성 흑연 테이프 밀도로부터 이들 값에 이르는데 필요한 상응하는 압축성 장전력 및 다수의 밀도값의 목록이다.

가요성 흑연 다이-성형 테이프 재료
밀도값 압축성
측정치(영국단위) 장전력
--------------------------------------------------
0.7g/cc(43.7 lbs/ft3) 0psi
1.0g/cc(62.4 lbs/ft3) 350psi
1.1g/cc(68.6 lbs/ft3) 750psi
1.4g/cc(87.3 lbs/ft3) 1900psi
1.5g/cc(93.6 lbs/ft3) 2900psi
1.6g/cc(99.6 lbs/ft3) 3650psi
1.7g/cc(106.0 lbs/ft3) 5000psi
1.8g/cc(112.3 lbs/ft3) 5850psi
1.812g/cc(113.0 lbs/ft3) 6000psi
출원인이 다이 성형 가요성 흑연 테이프 링에 대해 입증한 최고의 독립적인(압축성 장전력에 가해짐으로 초래된 인장력이 없는) 밀도는 약 1.81 g/cc(약 113 lbs/ft3)이다. 약 113 lbs/ft3의 다이 성형 테이프 링 밀도를 원한다면, 약 43.7 lbs/ft3 가요성 흑연 테이프의 나선형 랩핑은 몰드에 배치되어 거의 6000psi의 압력하에서 압축된다. 제거중에 다이 성형 테이프 링 밀도는 약 113lbs/ft3으로 될 것이다. 테이프가 약 6000psi 보다 높은 압력에서 다이 성형된다면, 테이프링의 밀도는 압축성 장전력의 영향하에서 유지되는 한 약 113 lbs/ft3 보다 높은 수준을 달성할 것이다. 그러나, 다이로부터의 제거중에, 다이 성형 테이프 링은 약 113 lbs/ft3의 밀도로 즉시 이완되어 복귀될 것이다. 그러므로 약 1.81 g/cc(또는 약 113 lbs/ft3)는 가요성 흑연 재료들을 사용하는 어댑터 링(18,20,44,46)의 밀도를 설정할 때 임계적 한계치로 된다. 가요성 흑연 테이프가 어댑터 링에 대한 시작 원료 재료로 사용되는한, 획득 가능한 최대 밀도는 약 113 lbs/ft3 이다.
예비성형 링(14,16,38)은 약 1.1g/cc 의 밀도에서 생산되는 것이 전형적이다. 전술된 바와 같이, 예비성형 링들과 어댑터 링들 사이의 밀도차를 최대화하는 것은 패킹 조립체의 향상된 반경방향 팽창 유효 수명을 최대화하는데 임계적이다. 가요성 흑연 다이 성형 테이프링은, 그것의 이전 경험을 초과하는 압축성 부하가 가해질때까지 변형, 팽창 또는 압축을 시작하지 않을 것이다.
예컨대, 도 2 및 3의 종래기술 패킹 조립체에 대한 약 1.1g/cc 밀도의 예비성형 링이 약 750psi의 압축 하중 하에서 다이성형된 후 밸브 스터핑 박스에서 링 구성요소들의 나머지와 결합하게 되면, 예비성형 링은 패킹 마개의 후속하는 압축 하중력이 약 750psi를 초과할 때까지 변형되거나 팽창 운동을 시작하지 않을 것이다. 약 750psi가 초과하자마자, 예비성형 링은 그것의 설계 초점에 따라 내측방향(ID)이나 외측방향(OD)으로 선택적인 팽창을 시작할 것이다.
초기 시일이 약 3650psi 패킹마개 장전 압축력의 결과로 취득된다면, 예비성형 링(약3650 psi 패킹마개 하중을 받고 있음)은 약 1.6g/cc의 밀도로 될 것이다. 후일 누설이 발전되고 패킹 조립체가 부가적인 압축을 필요로 한다면, 예비성형 링은 팽창을 시작할 것이며 압축성 장전력이 약 3650 psi를 초과하자마자 시일을 회복할 것이다.
가요성 흑연 테이프로 다이 성형된 종래의 어댑터링들은 약 1.7g/cc(dir 106 lbs/ft3)의 밀도로 생산되는 것이 전형적이다. 약 1.7g/cc는 가능한한 최대로 달성 가능한 밀도 수준(약1.81g/cc)에 가깝게 될 것이며 제조 관점에서 실제적이다. 모든 사이즈의 모든 가요성 흑연링들은 약 1.7g /cc 밀도로 다이 성형될 수 있지만; 그러나 모든 제조 등급에서 모든 링의 모든 사이즈의 1.81g/cc의 최대 밀도의 실현은 실제적이지 않다. 1.7g/cc는 제조의 일관성을 일상적으로 달성할 수 있는 최대 밀도로 선택되었다. 이 밀도 수준은, 다이 성형 공정동안 약 5000psi의 압축성 장전력을 필요로 한다. 어댑터링은 패킹 조립체의 다른 구성 요소들과 합체될 때, 약 5000psi의 장전력이 초과될 때 까지 어떤 현저한 변형 또는 팽창이 일어나지 않을 것이다.
약 1.1g/cc의 가요성 흑연 테이프 다이성형된 예비성형 링들과 약 1.7g/cc의 가요성 흑연 테이프 다이성형된 어댑터들 사이에 존재하는 갭, 또는 밀도 차이는 이러한 원재료를 사용하여 실제로 달성될 수 있는 최대값이다. 도 2 또는 3의 종래의 패킹 조립체가 밸브에 설치되어 압축되면, 압축 하중은 보다 부드러운 예비성형 링들(14,16,38)이 변형되고 반경방향으로 팽창하게 하여 밸브 스터핑 박스 표면들과 내측방향(ID) 및 외측방향(OD) 시일링 접촉을 형성한다. 밀도의 차이(약 1.1g/cc 대 약 1.7g/cc) 및 각도의 차이(약 45°대 60°)는 팽창능률을 도 1의 표준 평탄 조합형 링 패킹 조립체의 팽창능률의 수 배의 크기 차수까지 향상시킨다. 패킹 조립체가 점점 높은 하중력 하에서 압축됨에 따라, 약 45°의 예비성형 링(14,16,38) 각도는 어댑터 링들(18,20,44,46)의 60°의 각도와 부합하도록 변형될 것이지만, 밀도 차이는 약 5000psi의 패킹 마개 하중 압축압력에 도달할 때까지 패킹 조립체의 특성일 것이다. 약 5000psi에서, 예비성형 링들(14,16,38)의 밀도는 어댑터 링들(18,20,44,46)의 밀도와 부합할 것이다. 약 5000psi 지점에 도달하면, 종래의 패킹 조립체 구조의 팽창능률은 도 1의 통상의 평탄-링 조합 패킹 조립체의 팽창능률까지 감소할 것이다. 가요성 흑연 테이프 재료의 사용에 있어서 내재적인 제한치의 결과로서 필요한 약 5000psi 능률 장벽(efficiency barrier)은 고밀도의 적절하게 성형된 어댑터들이 이용 가능하다면 산업적으로 누릴 수 있었던 성능, 가동연한 등에 대에 역(counter)으로서 작용한다.
도4의 단부링(64,66)에 사용된 MIC-직조 재료로 시도된 다이-성형 시험은, 이같이 직조된 재료의 형태가 단부링 형상으로 다이 성형 될 때 5000psi 배리어를 현저히 지나 대향하는 예비성형 링(58)들의 향상된 팽창 범위까지 현저하게 연장할 수 있음을 입증했다. 다음표는, 가요성 흑연 다이 성형 테이프링들의 용량을 현저 히 초과하는 MIC-직조 재료에 대한 힘 값들에 대한 어떤 예시적인 밀도의 리스트들이다.
MIC-직조 다이 성형
밀도값 압축성
측정치(영국단위) 장전력
--------------------------------------------------
1.44g/cc(90 lbs/ft3) 750psi
1.68g/cc(105 lbs/ft3) 1500psi
1.84g/cc(115 lbs/ft3) 2500psi
1.96g/cc(122 lbs/ft3) 3500psi
2.12g/cc(132 lbs/ft3) 4500psi
2.18g/cc(136 lbs/ft3) 5500psi
2.22g/cc(139 lbs/ft3) 6500psi
2.28g/cc(142 lbs/ft3) 7500psi
2.32g/cc(145 lbs/ft3) 8500psi
2.36g/cc(145 lbs/ft3) 9500psi
2.40g/cc(150 lbs/ft3) 10,500psi
2.44g/cc(152 lbs/ft3) 11,500psi
2.57g/cc(160+lbs/ft3) 38,000psi
전술된 상태와 같이, 종래의 7 및 11 링 패킹 조립체의 향상된 반경방향 팽창능력의 제한은 어댑터링들을 생산하는데 사용된다. 그 제한치는 약 5000내지 6000psi이다. 예비성형 링들이 이같은 6000psi의 제한치 이상으로 그들의 향상된 반경방향 팽창 능력을 존속 유지할 수 있는 반면, 그같은 존속은 단지 상응하게 높은 재료값으로 조밀화되는 재료에 대해 압축 되는 경우에만 가능하다. 상기 MIC-직조 표에 나타난 바와 같이, MIC-직조 단부링들은 약 160+ lbs/ft3 만큼 높은 밀도로 다이 성형 되는 능력을 지닌다. 이같은 밀도값을 달성하기 위해, 약 38,000psi의 압축성 장전력이 다이 성형에 필요하게 된다. 약 160+lbs/ft3에 대해 나타난 압축성 장전력 값은 약 1" x 약 1/2" MIC 링들을 다이 성형하는 결과로 측정되었다. 약1" x 1/2"링들은 약 0.982 in2의 표면적을 지닌다. 이같은 동일한 장전력이 약 1/2" ×약3/4"링(약 0.245in2의 표면적)에 가해졌다면, 효과적인 다이-성형 압력은 약 150,000psi 이상으로 될 것이며 약 170 lbs/ft3의 단부링 밀도가 획득될 것이다. 약 1×1 1/2 패킹 조립체 사이즈의 경우, 약 160 lbs/ft3으로 다이 성형된 MIC-직조 단부링들에 대해서, 향상된 예비성형 반경방향 팽창 능력은 약 750psi 내지 38,000psi의 압축성 장전 압력 범위를 커버하도록 향상될 것이다.
밸브 패킹 조립체는 종종 밸브의 유효 수명 능력과 유효 범위에의 부족한 연결을 나타낸다. 도3의 종래의 패킹 조립체와 같은 우수한 성능의 패킹 조립체는 향상된 팽창을 제공할 수 없으며 또한 약 6000psi 이상의 재료의 유동을 제공할 수 없다. MIC 직조 단부링(64,66)에 결합되고 정합된 표준 예비성형 링(58)들에 대해서, 도4의 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)는 약 38,000psi 만큼 높은 수준까지 향상된 성능 특정을 제공할 수 있는바, 이는 현존하는 종래의 패킹 조립체들의 능력을 초과할 것이다.
압축성 흑연 실 링들보다 크게 가해진 패킹 마개 장전력의 결과로서 종래의 탄소 압축성 직조 단부링들이 덜 비싸고 제조 손상에 대해 더 큰 저항을 지니는 반면, 탄소 실 직물들은 흑연의 고온 노출 저항을 지니지 않는다. 흑연 실 직물이 약 1200F 까지의 노출에서 견딜 수 있거나 또는 유해한 효과가 전혀 없는 반면, 단소 실들은 약 1100F 이상의 일정한 노출에서 다소 작은 열화를 경험할 것이다. 흑연 실 직물은 현저하게 더 비싸지만, 4000psi를 초과하는 패킹마개 장전압 압력에서 이미 파열 손상을 격게 될 것이다. 탄소 압축성 직물은 4000 psi를 많이 초과하는 경우에도 파단 손상에 의해 영향을 받지 않게 된다.
5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)에 대한 단부링(64,66)은 순수한 흑연 및 인코넬로 구성된 인코넬 MIC-직조 단부링들이다. 특히, MIC-직조 단부링들은 약 95% 이상으로 되는 가요성 흑연의 탄소 분석값을 갖는 약 32%의 InconelTM과, 약 68%의 가요성 흑연 포일을 포함하는 것이 현재 바람직하다. 약 50% 가요성 흑연의 낮은 비율과 약 99.5%에 대해 약 70%의 탄소 분석값의 낮은 비율을 지니는 것을 사용할 수 있다. 사용된 가요성 흑연의 양은 그것에 따라 상응하게 조절되는 InconelTM의 퍼센트 중 최고 약 85%와 최저 약 50% 사이에서 변할 수 있다.
MIC-직물의 온도 저항 특성은 압축성 흑연 실 단부링들과 동일하지만, 금속의 삽입으로 인해 그 직물은 흑연 압축성 실 직물들을 초과하는 파단 저항 특성을 갖는다. 그 결과는, 종래의 통상의 유효한 패킹 조립체의 어떤 것 이상으로 상승된 온도/고압 노출을 패킹 조립체(56)가 견딜 수 있음을 나타낸다.
본질적으로 이해되는바와 같이, 전술된 5링 스터핑 박스 패킹 조립체는 밸브 스템의 전체 길이 또는 거의 그 전체 길이를 작동시키는 밸브들에서 효과가 입증되었다. 그러나, 이같은 특정의 5링 패킹 조립체가 예컨대 콘트롤 밸브와 같은 어떠한 적용을 위한 밸브에 사용되었다면, 결점들이 관찰된다. 밸브 스템이 완전히 개방된 상태와 완전히 폐쇄된 상태 사이를 전체 길이를 통해 이동하는 통상의 온-오프형 밸브와 다른 콘트롤 밸브는, 통상적으로 파이핑 시스템을 통한 유량을 조절하는데 사용된다. 이같은 조절 적용에 있어서, 콘트롤 밸브내의 스템은 유효 스템 행정 길이의 약 10% 내지 20%를 통해 작동하는 시간의 대부분을 소비할 수 있다. 이같은 분위기에 있어서, 스템 이동의 결과로서 흑연 입자들이 박스 외부로 전달되는 경우를 감소시키기 위해 와이퍼 구성요소들로서 작용하도록 패킹 조립체의 상부와 바닥에서 직조된 단부링들을 이용하는 전형적인 직조 단부링/가요성 흑연 중심링 조합 패킹 조립체가 요구되는 것으로 발견되었다. 전술된 바와 같이, 밸브가 전체 스템 길이를 통해 작동한다면, 이 와이핑 작용은 밸브가 작동될 때마다 효과적인 역할을 하게 된다. 그러나, 스템 밸브 길이에서 링들중 단지 하나 내지 2개(또는 그미만)의 단면만으로 될 수 있는 매우 작은 스템 작동들에 대해 그들의 기능적 유효 수명들의 대부분을 충당하는 콘트롤 밸브에 있어서, 스터핑 박스 챔버를 통과하는 스템 표면적의 대부분은 이같은 짧은 스템 작동 동안 단부 와이퍼 링과의 접촉을 이루지 않는다.
단지 단부 와이퍼 링들만이 사용되기 때문에, 와이핑 작동은 패킹 조립체의 단부에서만 발생한다. 흑연 입자들이 패킹조립체의 중심에서 가요성 흑연링 재료로부터 분리되고 외이핑 작용이 발생하는 패킹 조립체의 단부들에 대한 스템 표면 이동 방식에 의해 이동된다면, 이같은 이동 활동은 일정기간 이상 유지되어 재료 변위로 인한 중심 패킹 조립체 영역에 공간들을 남기게 될 것이다. 흑연 재료가 하나의 유닛으로서 스터핑 박스로부터 손실되지 않을 것이라면, 스터핑 박스 전체를 통한 시일링 재료의 분산을 고정적으로 증가하는 재료의 비율이 와이퍼링들에 후속하는 스템의 단부들에 집중됨으로써 점차적으로 변경될 것이다.
이같은 문제점들을 제거하거나 적어도 최소화하는 노력에 있어서, 도5에 도시된 바와 같이 하나의 변형적인 구조가 개발되었다. 전체 스템 길이에 비해 상대적으로 짧은 작동 행정을 지니는 콘트롤 밸브로 주로 사용하기 위한 이같은 변형적인 스터핑 박스 패킹 조립체 구조는 상술된 구조와 동일 어댑터(64,66) 및 예비성형 링(58) 구성요소를 포함한다. 전술된 구성요소에 부가하여, 금속 보강 가요성 흑연 직조링 또는 전형적으로 약 1/8"두께로 다이성형된 MIC 직조 예비성형 지지링(102,104,106)이 각각의 예비성형 링(58)들 하부에 배치된다. 그 결과, 도5에 도시된 바와 같이, 각각의 예비성형링(58)은 한쌍의 MIC-직조 예비성형 지지링(102) 사이에 샌드위치된다. 그와같이 배치된 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)은, 그들이 접촉하는 예비성형 링(58)들과 동일한 약 45°의 요철각을 지닌다. 바람직하게는, 이같은 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)의 두께는 특정 스터핑 박스 패킹 조립체의 특정 기능 및 설계의 필요성에 따라(약 1/16" 두께에서 두께의 전체 단면 또는 그 이상까지)변할 수 있다. 도시된 특정 실시예가 8개의 링 구성요소(2개의 어댑터 또는 단부링(64,66), 3개의 예비성형 링(58), 및 3개의 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)을 포함하고 약 3/8"의 5개의 단면의 패킹 조립체 스톡 높이를 지니는 반면, 예비성형 링들의 개수 및 MIC-직조 예비성형 지지링 구성요소들의 개수와 링 각각의 두께 또는 축방 높이는 특정 밸브 스터핑 박스 차워늬 기능 및 설계의 필요성과 수반되는 특정 적용에 따라 변할 수 있다.
도4의 5링 스터핑 박스 패킹 조립체(56)의 구조를 부가적인 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)을 포함하도록 변형시킴으로써 상술된 결함을 수정하는 것으로 발견되었다. 도5에 도시된 형상에 있어서, 직조된 지지링들은 내측 와이퍼 구성요소로서 수행되며, 하나의 예비성형 링(58)의 하나의 단면에 대해 약1 1/2보다 큰 어떤 스템(14)의 이동은, 스템의 표면 전체로 하여금 MIC-직조 예비성형 지지링들 또는 와이퍼 링들(102,104,106) 중 적어도 하나와 접촉되게 할 것으로 발견되었다. 각각의 예비성형 링(58)들의 측면상에서 MIC-직조 지지링(102,104)을 구비함으로써 각각의 개별적 예비성형 링의 횡단면내에 구획된 가요성 흑연재료를 유지할 수 있는바, 즉, 가요성 흑연 재료의 이동이 패킹 조립체(100)의 극단 단부를 향해 발생할 수 있다. MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)의 약 45°의 요철 각은 패킹 조립체의 다른 각도 및 다른 밀도 설계치의 향상된 반경 방향 팽창 특성들을 지지하며, 또한 그것을 감소시키지 않을 것이다.
특히, 단부링(64,66)은 매우 강하며, 이에 따라 바닥 예비성형 링(58)의 바 닥면과 상부 예비성형 링(58)의 상부면은 예비성형 링 조립체의 중앙부에 있는 부드러운 비지지 재료보다 더 변형된다. 도5 내지 도4의 실시예에서 일어날 것으로 믿어지는 것은, 예비성형 구성요소(58)들 사이에 배치된 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104)들이 예비성형 링(58)보다 현저히 큰 밀도를 지니는 MIC-직조 단부링(64,66)과 같이 견고하고 비교적 강성으로 된다는 점이다. 따라서, 부하가 증가함으로써 중심 예비성형 링(58)의 45°각은 조립체(100)의 상부에서 단부링(64)의 60°의 각을 향해 강제되는바, 이들간의 접촉은 그들의 인접부에서 제1 예비성형 링(58)의 변형을 시작한다. 이것은, 예비성형 링(58)들 사이에 있는 보강되어 강한 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104) 때문에 하나의 예비성형 링(58)으로부터 다음의 예비성형 링(58) 및 그 다음의 예비성형 링(58)까지 더 균일하고 효과적으로 하중을 전달하는 결과가 되는 것으로 믿어진다. 따라서, 강한 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)은 조임 중에 예비성형 링(58)과 같이 실제로 이동할 것이다. 더 부드러운 예비성형 링(58)들 사이 및 그것의 인접 위치에 배치된 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)이 더 강한 재료로 되면 부드러운 3개의 예비성형 구성요소(58) 모두를 그들이 도4에 도시된 바와 같이 각각의 예비성형 링(58)들 사이에 배치되는 MIC-직조 예비성형 지지링들이 없는 상태로 이동하는 것보다 60°의 각도를 향해 더 이동하게 강제시키는 특성을 지닐 것이다.
MIC-직조 단부링(64,66)사이에 배치된 5개의 모든링, 적어도 2개의 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104) 및 가능하게는 제3링(106) 및 3개의 예비성형 링(58)들이 압축될 때, 이들은 스템(14)에 대해 회전함으로써 단부링(64)과 제1 예비성형 링간의 갭이 폐쇄될 수 있다. 따라서, 스템(14)에 가장 인접한 MIC-직조된 예비성형 링(102)/예비성형 링(58) 접촉라인(112)의 일부(110)는 초기에 스템(14)에 대해 더 높은 위치에 배치되어 회전하면서 하방으로 이동할 뿐 아니라 MIC-직조 예비성형 지지링(102)/예비성형 링(58) 계면라인의 외측부분(114)은 스터핑 박스의 개방 부분을 향해 상방으로 회전 이동된다. 즉, 접촉 라인들은 스터핑 박스의 상부로부터 멀리 바닥을 향해 스템 표면을 따라 이동할 것이며 45°각도의 외측변은 스터핑 박스의 하부로부터 상부를 향해 멀리 상방으로 이동할 것이다. 따라서 MIC-직조 링-예비성형 지지링/예비성형 링 접촉라인(110,112,116-126)은 이동할 것이며, 가능하면 어떤 지점에서는 스템(14)에 수직하게 될 것이다. 다양한 구성 요소들 사이의 다른 각도들의 기본적인 반경 방향 팽창 성질들은 각각의 예시적인 실시예들에서 중요하며, 또한 도5의 실시예의 장점을 제공하는데 유효하다.
전술된 바와 같이, 가요성 흑연으로 만들어진 MIC-직조 예비성형 지지링(102,104,106)들은 다이 성형되며, 예비성형 링(58)들 보다 전형적으로 큰 밀도 및 강도를 지닌다. 예비성형 링(58)의 전형적인 밀도는 약 0.50 내지 1.4g/cc 이다. MI-직조 예비성형 지지링(102,104,106)의 현재 바람직한 밀도는 약 1.8g/cc 또는 그 이상이다. 또한 스터핑 박스 패킹 조립체의 내부에 대한 MIC-직조 예비성형 지지링들의 포함은, 스템(14)이 작동중 그것의 축방향의 중심에 유지되는 것을 보장하는데 도움을 주는 부가적인 스템의 안내/베어링지지 이익을 제공한다. 예비성형 링(58)들 밀도 단독적으로는 스템 안내/베어링지지 기능에 대해 어떠한 현저한 기여를 이루는데 불충분한 것으로 됐다.

실험예1
도5에 도시된 바와 같은 스터핑 박스 패킹 조립체의 장점을 적합하게 하기 위한 2개의 기능적 테스팅 실험예들이 후술된다. 하나의 실험적 테스트는 연속적으로 작동하는 콘트롤 밸브 테스트 설비를 이용하며, 다른 테스트 실험예는 밸브 스템이 완전한 행정 거리를 통해 반복적으로 작동되는 테스트 설비를 이용한다.
콘트롤 밸브 테스트:
이 테스트에 사용된 테스트링은, 스템 밸브 거리의 약 10%를 통해 작동하도록 설정된 4인치(4") 300 파운드(300lbs)의 클래스 설크 글로콘 밸브(Serk Glocon valve)인바, 여기서 스테의 이동은 그것의 중앙 지점(공통의 유효 작동 상태)상에 중심이 잡혀진다. 테스트 동안, 스템은 약 6½사이클/분으로 작동했으며, 이때 약 10초간 사이클들 사이에 체재한다. 테스트 동안 기록된 온도/압력/매체 상태는 약 392F, dir 654psi, 메탄이었다. 테스트의 목적은, 누설 방출이 3개의 다른 스터핑 박스 패킹 조립체들에 대해 10,000ppm을 초과할 때까지 축적될 수 있는 스템 작동의 수를 결정하여 기록하는데 있다. 테스트 결과는 다음과 같다.
1. 도1의 5링 평탄형 조합 스터핑 박스 패킹 조립체.
32시간 후 1000ppm 초과 누설,
52시간 후 5000ppm 초과 누설, 및
78시간 후 10,000ppm 초과 누설.
2. 도3의 7링 스터핑 박스 패킹 조립체.
68시간 후 1000ppm 초과 누설,
102시간 후 5000ppm 초과 누설, 및
126시간 후 10,000ppm 초과 누설.
3. 도5에 도시된 바와 같은 스터핑 박스 패킹 조립체.
335시간 후 1000ppm 초과 누설,
410시간 후 5000ppm 초과 누설, 및
455시간 후 10,000ppm 초과 누설.
공지된 바와 같이, 스템에 대한 흑연 입자의 이동은 가요성 흑연 패킹 링들에 연마 효과를 제공하기 때문에 패킹링 ID 시일링 표면에 긁혀진 홈을 발생시킨다. 스템 표면상에서의 흑연 빌드업의 연속적인 측정에 따라, 이같은 홈들은 점진적으로 커지게 되어, 더 많은 양의 매체가 외부 환경으로 누설되게 한다. 상기 비교 테스트 결과에서 알수 있듯이, 7링 스터핑 박스 조립체는 5링 평탄 조합형 스터핑 박스 조립체를 능가하는 현저한 기능적 성능의 개선점을 제공한다. 7링 패킹 조립체 구조 및 5링 조합형 패킹 조립체 구조 상의 와이퍼링들이 패킹 조립체의 단부에 배치되기 때문에, 그들의 위치 선정은 패킹 조립체/스템 시일링 영역의 중심에서 흑연 입자 빌드업이 발생되는 것을 방지하는데 그들의 유용성을 제거한다. 그결과 조립체의 중심에서의 와이핑 작동은 매우 제한적이다. 부가적으로, 흑연 재료의 일부의 이동은 스템 작동의 경로를 지나 패킹 조립체 모두의 극단부를 향해 발생되어야 한다.
알 수 있는바와 같이, 도5의 패킹 조립체의 성능은 5링 평탄 조합형 패킹 조립체의 결과를 초과하는 매우 극적인 개선점을 나타내며, 또한 7링 패킹 조립체의 결과를 능가하는 현저한 개선점을 나타낸다. 이 개선점은, 더 우수한 와이핑 작용, 더 우수한 구획화, 더 우수한 스템 안내지지 및 더 우수한 시일링 결과를 결과로 하는 MIC-직조 예비성형 지지링들의 3개의 부가적인 스트립들의 내측 와이핑 효과 때문이 것으로 믿어진다.
밸브테스트-전체 행정 길이 거리를 통한 스템 사이클링(시뮬레이팅 모터 작동 밸브 적용);
이 밸브테스트는 모터 작동 액튜에이터를 갖는 퍼시픽 밸브 테스트 리그(Pacific valve test rig)를 사용했다. 사용된 매체는 약 392°F 및 약 564psi의 메탄이었다. 밸브 스템은 완전히 개방된 위치와 완전히 폐쇄된 위치 사이에서 반복적으로 순환된다.
패킹 세트의 단지 2개의 재조절이 테스트의 코스동안 허용되었다.
테스트 목적은, 테스트되는 스터핑 박스 패킹 조립체 각각에 대해 누출이 10,000ppm을 초과하기 전에 축적될 수 있는 스템 행정의 수를 결정하는데 있다.
1. 도1의 5링 평탄 조합형 패킹 조립체:
2300 사이클 후에 10,000ppm 초과 누출.
2. 도3의 7링 패킹 조립체:
6000 사이클 후 10,000ppm 초과 누출.
3. 도4의 패킹 조립체:
6500 사이클 후 10,000ppm 초과 누출.
4. 도5의 패킹 조립체:
28,500 사이클 후 10,000ppm 초과 누출.
다른 패킹 조립체들에 대한 도5의 패킹 조립체의 성능의 개선을 위한 이유들은 전술된 테스트 결론에서 사전에 정해진 상태와 동일하다. 더 우수한 구획화 조절은, 사전의 테스트에서 나타난 개선점에 대해 이같은 테스트에서 나타난 증가된 개선점을 주로 신뢰할 수 있는 것으로 믿어졌다. 이 결과들은 또한, 도5의 패킹 조립체가 도4의 표준 구조를 능가하는 기능적 장점을 달성했다. 제2 변형 스터핑 박스 패킹 조립체 실시예가 도6에 도시되어 있다. 도6에 도시된 패킹 조립체(130)는, 전체적으로 도4의 패킹 조립체(56)의 어댑터 링(64,66)의 구성에 사용되는 것과 동일 형태의 재료인 다이 성형 MIC-직물 직조 재료로 구성된다. MIC-직물 내부 또는 중심 링(132,134,136)에 사용된 현재 바람직한 실재료는 가요성 흑연 포일 또는 플레이크(flake) 재료로 구성되는 것이 원리적인 재료이다. 그 실은 또한 그것의 본체내에서, 본체에서 또는 그 주위에서(예컨대, 포일 스트립, 와이어 필라멘트, 등과 같은) 하나 이상의 금속성 스트랜드를 합체한다.
공지된 바와 같이, 가요성 흑연 자체는 광범위한 온도 및 화학적 저항성 범위를 갖는 독특한 시일링 재료이다. 가요성 흑연을 금속 표면에 대해 우수한 시일링 접촉을 형성하고, 비 마찰식이며, 순응적이다. 그러나, 가요성 흑연은 또한 예컨대, 측방 장전력에 가해질 때 부족한 마멸저항, 부족한 반경방향 회복력(부족한 베어링 지지성능)과 같은 일부의 음성적 특성들을 지니며, 또한 가요성 흑연은 활동적 이동 또는 압축성 장전력에 가해질때 작은 간극을 통해 용이하게 누출되는 음성적 특성을 지닌다.
금속성 보강재가 가요성 흑연사에 부가되면, 상기 음성적 특성의 대부분이 제거된다. 도6의 MIC-직조에 사용된 현재 바람직한 것 즉, 가요성 흑연 포일 코어상의 인코넬 필라멘트(약 0.0035"직경)을 포위하는 골격형 니트에 있어서, 마무리된 직조 제품은 비 마찰성이고 우수한 시일링 특성을 지니며 높은 마찰 저항, 우수한 누출 저항을 나타냈으며, 우수한 베어링 지지재료인 것으로 나타났다.
도6의 패킹 조립체는 그것이 어댑터 또는 단부링(64,66)과 예비성형 구성요소/링(132,134,136) 모두에 대한 다이 성형 MIC-직물 가요성 흑연 직조링들을 사용한다. 특정 패킹 조립체(130)는 1/4회전(또는 회전) 밸브 적용에 고유한 문제 특성들을 방해하도록 개발되었다. 1/4회전 밸브들은(칼, 케이트 및 글로부밸브에 공통적으로 사용되는 왕복 및 선형 스템 작동에 대해) 스템 축에 대해 90°의 회전을 통해 통상적으로 자동하는 스템들을 지닌다. 이같은 회전 작동을 발생 시키기 위해 스템(14)의 상부에 힘을 인가하는 작동은, 교유적으로 패킹 재료에 대해 가해진 반경 방향 압축력을 결과로 하는 스템(14)에 일정 등급의 측방 장전력을 가한다. 다이 성형 가요성 흑연 링(58)(비보강형)이 시일링 재료로 사용되면, 측방 장전력은 시일링 재료의 반경 방향 압축을 조금이라도 발생시키지 않아 스템이 그것의 중심위치로 복귀할 때 발생하는 반경 방향 회복을 없게 한다. 결과적인 갭은 패킹 조립체의 시일링 및 유효 수명을 단축시킬 명백한 누출 경로를 개방한다. 조립체 의 중심에서 가요성 흑연 테이프 링들을 사용하는 다이 성형 조합 패킹 조립체들은 선형 스템 운동 적용을 위한 시일링 선택을 빈번하게 하지만, 상기 문제점은 회전 적용을 위한 그들의 선택을 엄격하게 제한한다.
원리적인 시일 부재로서 MIC-직물 가요소 흑연 다이 성형 직조링들을 갖는 패킹 조립체의 변형을 제공함으로써 전술된 측방 장전 유출을 효과적으로 대처한다. 도6의 패킹 조립체에서의 MIC-직조 예비성형 링(132,134,136)의 보강 밀도는, 스템(14)에 대한 고등급의 베어링 지지를 제공하며, 밸브 작동중 스템의 반경 방향 이동을 효과적으로 저지한다. 이것은 가요성 흑연 재료들의 시일링 특성의 완전한 이익을 역작용하는 부족한 반경 방향 회복 단점을 경험함이 없이 회전 밸브에서 유일하게 적용될 수 있다.
공지된 바와 같이, 흑연은 흑연 입자 트랜스퍼라 칭하는 기능적 특성을 갖는다. 이것은, 흑연이 이동중인 금속 표면에 대해 압축될 때, 흑연 입자들이 금속 표면 자체를 갈라내고 그들 자체를 그 금속 표면 자체에 첨부될 것이다. 이같은 성질은 다수의 장점(예컨대, 마찰감소, 금속표면 미세 폴리싱 등)을 지니는 반면, 만드는 모든 선형 작동에서 게이트, 글로브, 나이프 밸브를 시일링 챔버를 벗어난 흑연의 미립자 이동을 촉진시킨다. 이같은 성질은, 흑연 입자 이동을 저지하도록 가요성 흑연 포함세트의 마주하는 단부들에 직조된 와이퍼 링들을 사용하기 위한 경우에 이써서 통상적인 실시로 된다. 와이퍼 링들은 스터핑 박스의 범위내에서 트랩된 가요성 흑연 재료를 유지한다. 선형 방식으로 이동하는 스템들을 갖는 밸브에 대해 와이퍼 시스템 작업의 부가가 매우 바람직한 반면, 도5에서와 같이 회전 작동 밸브들에서 아연 입자 이동을 감소시키기 위해 단부 와이퍼 구성요소 또는 내측 와이퍼 구성요소(102,104,106)의 사용은 무용하다. 스템(14)의 작동으로 인해, 조립체(100)의 단부들 위에 와이퍼(64,66)는 전현 활동을 시작하지 않는다. 흑연 입자 빌드업이 스템(14)에서 발생하므로, 스템의 이동은 체류중인 가요성 흑연 시일링 링(58)의 ID 시일링 표면들내에 주변홈들의 긁힘을 결과로 한다. 가요성 흑연 재료는 자체적으로 벗겨지며, 결과적인 홈들은 시일링 패킹 조립체를 통한 누출 경로를 형성한다.
도6의 패킹 조립체에 있어서, 직물을 생산하는데 사용되는 가요성 흑연 실들은 각각의 실 스트랜드에 친밀한 그들 자신의 금속 보강 스트랜드 구조체를 포함한다. 직물의 구조체에서 이같은 금속 보강재의 존재는 회전 작동 스템에 대해 효과적인 성장 와이퍼 시스템으로서 작동하는 중에 우수한 작업을 수행한다. 스템 표면에 자체적으로 고착되는 어떤 아연은, 단일 직조된 실 트랜드의 폭을 이동시킬 수 있기전에 씻겨질 것이다.
전술된 바와 같이, 상기 2개의 문제 영역으로 인해, 압축 패킹 산업은 회전 서비용으로 바람직한 시일링 제품들로서 통상의 직조된 패킹 세트(탄소 또는 흑연 필라멘트 주성분 실 시스템을 사용함)에 크게 의존해야 한다. 가요성 흑연 제품들의 우수한 수행 능력은 널리 공지되어 있는 반면, 상기 2개의 문제 영역들(부족한 반경 방향 회복 또는 베어링지지 특성, 및 효과적인 와이퍼 시스템의 부족)은 회전 서비스에서 가요성 흑연의 사용을 제한했다. 도6의 패킹 조립체(130)에 대해서, 2가지 문제 영역 모두가 효과적으로 제거되며, 가요성 흑연의 수행 장점을 완전히 누리게 된다.
실험예2
비교성 기능적 시험 평가에 있어서, 비교성 테스트는
2개의 다른 패킹 조립체 구조를 갖는 산업상 공통의 회전 밸브를 사용하여 시도 되었음:
1. 도6과 유사하지만 단지 2개의 중앙링을 갖는 패킹 조립체, 및
2. 도1과 유사하지만 단지 2개의 중앙 가요성 흑연 패킹링들을 갖는 4링 평탄 조합형 패킹 조립체.
조합형 패킹 조립체 (도1)는 2개의 제곱 단면을 갖는 가요성 흑연 중심링들을 지니는 상부 및 바닥 직조 탄소 항 누출 단부링들로 구성된다. 가요성 흑연링들은 링 금속 보강재를 포함하지 못하며, 그들의 시일성능의 균형 및 베어링 지지 특성을 최대화 하기 위해 약 1.4g/cc의 밀도로 다이 성형된다. 사용된 테스트 장비는 Unitorq M148 DA 액튜에이터를 갖는 Kuka 3" 150# 클래스 볼 밸브였다. 시스템은 300psi에서 물로 압축되었다. 테스트의 목적은, 물의 침투가 스터핑 박스로부터 누출되는 것이 검출된 시간까지 1/4회전 스템 사이클(6 스템 사이클/분 또는 3000 스템 사이클/일)을 통해 밸브를 작동시키는데 있다. 테스트 결과는 다음과 같다.
도1과 유사한 4링 평탄 조합형 패킹 조립체에 있어서, 10,000 스템 사이클에서 스터핑 박스의 상부에서 검출 가능하고 수집 가능한 양으로 물의 누출이 나타났 다. 테스트 후 패킹 마개 및 스템 표면에 대한 시험은, 흑연입자 빌드업의 현저한 등급의 발생했으며 스템이 패킹 마개 종동기와 측방 장전 접촉하는 결과로서 마멸 손상을 격게 되었음을 보여주었다.
도6과 유사한 패킹조립체에 있어서, 100.05의 스템 사이클의 최종적으로 간략하게 되는 테스트로 검출된 물의 누출은 없었다. 테스트후의 스템 표면 및 패킹 마개의 시험은 마멸 또는 흑연 빌드업의 징후가 없는 것으로 나타났다.
도6과 유사한 패킹 조립체는 그것의 축에 스템(14)이 중심이 잡히도록 필요한 베어링 지지를 제공할 수 있으며, 가요성 흑연 링 구성요소들에 내의 금속성 보강재는 흑연 입자의 빌드업이 발생되는 것을 방지하는 것으로 믿어진다.
선형 스템 운동 밸브에 관련하여, 회전 밸브에서의 성능에 대해서는 임계적인 스템 베어링 지지 특징은 많은 선형 스템 운동 밸브에서의 매우 가치있는 기능적 특징이다. 마멸, 기계적 제어 또는 정확도에서의 실수 또는 오차, 액튜에이터 접속에 대한 밸브의 오정렬등으로 인해, 선형 스템 이동 밸브들은 종종, 부가적인 베어링 지지 구성요소을(예컨대, 부싱, 정크링, 베어링 블록 등)이 패킹 조립체에 부가 된다면 그들의 시일링 성능이 개선될 것이다. 스터핑 박스가 충분히 깊다면, 이같은 부가적인 구성요소들에 대해 필요한 실내는 기꺼이 유효할 것이다. 그러나, 이것은 협소한(5링 또는 그 이하) 스터핑 박스 깊이를 지니도록 새로운 스터핑 박스에 대한 산업에서 공통적인 부분으로 된다.
도6의 패킹 조립체(130)는, 시일링 구성요소들이 베어링 지지 구성요소들과 같은 기능을 하는 단일의 장점을 갖는다. 따라서, 도6과 유사한 패킹 조립체를 사 용할 때 협소한 박스 구조는 이것에 관련한 더 이상의 관심사가 아니다. 도6의 패킹 조립체(130)는 선형 및 회전성 밸브 서비스에서 장점을 지니며, 패킹 스탬의 높이는, 링 구성요소의 다이 성형 두께와 어떻게 많은 링이 패킹 조립체에 합체되는가에 따라 2개의 단면의 길이의 성정 및 상승으로 인해 어디에서든지 변화될 수 있다. 또한 도6의 패킹 조립체가 다른 각도로 인해 반경 방향 팽창 향상 장점을 지니는 것으로 이해된다.
도7에 예시된 스터핑 박스 패킹 조립체(140)는 도5 및 도6에 도시된 스터핑 박스 패킹 조립체(100,130)의 조합이다. 도7에 도시된 바와 같이, 상부(142) 및 하부(144) 예비 성형링들을 MIC-직물 스타일# 1303 다이성형 요철 링들이며, 단지 중앙 예비성형 링(58)만이 다이 성형 가일성 흑연 테이프로 구성된다.
도5 및 6의 패킹 조립체에서와 같이, 특정 밀로의 다이 성형 MIC-직물 예비성형 지지링(142,144)의 특정 구조는 개선된 와이핑 및 더 우수한 베어링 지지를 위해 제공된다. 이같은 특정 패킹 조립체는, 스템으로 하여금 그것이 작동될 때 흔들림 운동을 통해 이동하는 성질을 지니게 하는 서투르게 설계된 베어링 지지체를 지니는 비 회전 적용에 유용하다. 도7에 예시된 패킹 조립체(140)는 스터핑 박스에 비교적 중심이 잡힌 스템을 유지하도록 필요한 부가적인 베어링 지지체를 제공한다.
임시적으로, 어떠한 산업적인 밸브의 적용들은, 선정된 적용을 위해 정확하게 선택된 우수한 성능 밸브 패킹 조립체 설계들로 적합하게 패킹된다는 사실에도 불구하고 수용 가능한 시일링 성능을 제공하지 못한다. 성능 결필의 원인들은 (예 컨대, 기계적으로 손상된 밸브 구성요소, 예측 불가능하고 계획될 수 없는 서비스 노출 상태, 등과 같이) 다양하게 될 수 있다. 이같은 원인들에 빈번하게 부딪히는 하나의 특정한 경우는 스터핑 박스의 중심축의 외측에서 작동하는 스템들을 포함한다. 이같은 정렬을 벗어난 작동 문제들은 액튜에이터힘의 결과로서 측방 장전 또는 변위 운동, 밸브 본넷 요크 너트 나선의 마노의 결과로 인한 흔들림 작용, 스터핑 박스의 중심축에 정렬되지 않게 기계 가공된 스템, 수평축을 지니는 큰 직경 밸브 스템(대부분의 스템 중량은 스터핑 박스 패킹 세트에 의해 지지됨)의 유발에 의해 초래될 수 있다. 스터핑 박스가 현저히 깊다면, 이같은 정렬의 잘못은 부싱, 베어링 블록 등과 같은 부가적인 베어링 지지 장치들의 사용을 통해 수정될 수 있다. 불행하게도, 꾸준히 증가하는 추세로서, 이같은 밸브들은 또한 부가적인 베어링 지지 구성요소들의 사용을 합체하는데 불충분한 협소한 박스 깊이를 지닌다.
도7에 도시된 바와 같은 패킹 조립체(140) 구조는 이같은 부가적인 박스 깊이 필요성 및/또는 어떠한 부가적인 베어링 지지 성분에 대한 필요성을 제거하는 것으로 발견됐다. 도7에 예시된 바와 같이, 패킹 조립체(140)는 2개의 조밀한 MIC-직조 어댑터 단부 링(64,66) 및 2개의 조밀한 MIC-직조 예비성형 링(142,144)을 포함하는 5개의 링을 지닌다. 이 4개의 링(64,666,142,144)은 어떤 스템들에 대한 향상된 베어링지지, 슬리빙(sleeving), 또는 그 스템들이 접촉하는 샤프팅(shafting)을 제공한다.
도7에 예시된 패킹 조립체(140)는, 2개의 고밀도 MIC-직조 예비성형 링(142,144)과 하나의 저밀도 중심 가요성 흑연 예비성형 링(58)이 모두 MIC-직조 어댑터 단부 링(64,66)으로부터 다른 각도에 있는 향상된 시일 성능 특징을 제공한다. 다른 각도들은 인가된 압축성 하중의 결과로서 향상된 반경 방향 팽창을 보장한다. 도7에 도시된 실시예는 시일링 구성요소를 분리하거나 베어링 지지 구성요소들을 분리할 필요성을 제거하는바, 이같은 기능들 모두는 이같은 구조에 존재하는 다중롤 구성요소(multi-role components)에 의해 제공된다.
MIC-직조 고밀도 예비성형 링(142,144)에 의해 측면에 단일 가요성 흑연(비-보강됨) 예비성형 링(58)이 포함됨으로써 도7의 구조를 제어 밸브에 사용하기에 적합하게 하는바, 여기서 도5의 패킹 조립체(100)의 설명에서 개시된 내측 와이퍼 이익들이 장점으로 될 것이다.
도7에 예시된 패킹 조립체 구조는 또한, (예컨대, 화학적 슬러리 적용과 같이) 마찰력이 높은 적용 환경으로부터 최적의 시일 성능의 결과를 필요로하는 협소한 스터핑 박스들을 지니는 밸브에 대한 매우 적합한 선택으로 될 것이다. 2개의 MIC-직조 어댑터 단부링(64,66) 및 2개의 MIC-직조 예비성형 링(142,144)은 더 부드러운 중심 가요성 흑연 예비성형 링(58)을 접촉시켜 열화시키는 것으로부터 마찰 매체를 유지시키기 위해 향상된 마멸 저항 지지체를 제공할 것이다.
도7에 도시된 다양한 링(64,66,142,144,58)의 각각의 두께는 어떤 특정 밸브 스터핑 박스 구조의 필요성에 따라 완성된 패킹 조립체의 스톡 높이를 변경시키도록 변경될 수 있다.
명확하게, 밸브 산업은 밸브 스터핑 박스 패킹 조립체들로부터 전달될 수 있는 성능면에서 확고한 발전을 볼 수 있다. 이같은 발전은 석면 직조 스타일, 탄소 및 흑연직물, 조합형 패킹 조립체 구조(도1)로부터 예컨대, 11 구성요소 EVSP 조립체(도2), 7 구성요소 EVSP 조립체(도3)와 같은 컵 앤드 콘(cup-and-cone) 조합형 패킹 조립체 기술로 유도될 수 있다. 각각의 경우에 있어서, 성능의 개선점이 달성되었는바; 대부분의 경우, 시일링 패킹 조립체의 구조는 더 단순하게 되고 밸브 유지 실시에 더 쉽게 적용할 수 있으므로, 스터핑 박스에 패킹 조립체를 더 쉽게 배치시킬 수 있으며 이에 따른 시간 및 노동력을 절감할 수 있다. 도4 내지 7에 예시된 스터핑 박스 패킹 조립체들은 또 다른 입증의 실시예들이며, 점진적으로 협소해지는 스터핑 박스 공동(cavities)내로 장착될 수 있는 다중 롤 구성요소들을 포함하는 새로운 패킹 조립체를 이용하여(종래의 패킹 조립체들보다) 더 우수한 성능 결과를 생산해 냈다.
본원에 설명된 물품들이 본 발명의 바람직한 실시예들을 구성하는 반면, 본 발명은 이같은 특정 물품들에 한정되는 것이 아니며 첨부된 특허청구범위에 한정된 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 변형예들이 이루어질 수 있음이 이해된다.

Claims (30)

  1. 스터핑 박스용 패킹에 있어서,
    하나 이상의 중심링; 및
    축방향 압축력이 패킹에 가해질 때, 상기 중심링의 제1단부의 반경방향 에지에 인접한 재료를 상기 중심링으로부터 멀어지게 축방향 및 반경방향으로 움직이게 하고, 상기 재료를 불침투성 및 유효한 시일 내로 더 압축시키기 위해 반응하는 단부링;
    을 포함하며, 상기 단부링은:
    1.8g/cc 이상의 밀도를 가진 직조된 흑연 테이프 스톡; 및
    상기 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트;
    를 포함하는 패킹.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단부링의 제1단부가 내측방향(ID) 시일을 형성하고, 상기 중심링과 단부링의 대항 표면들은 축방향 내측방향으로 각각 45° 및 60°로 예각으로 연장되는 패킹.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단부링은 누출 및 마찰에 대한 높은 저항을 지니는 패킹.
  4. 제1항에 있어서, 단부링은 적어도 하나의 중심링을 지지하고 밸브 스템을 씻어내는 패킹.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 중심링은 2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니는 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링들을 포함하는 패킹.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 중심링은
    적어도 2개의 저밀도 흑연 예비성형 링들; 및
    상기 예비성형 링들 사이에 작동적으로 배치되는 적어도 하나의 부가적인 링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡 및;
    2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하고 적어도 하나의 부가적인 링을 포함하는 패킹.
  7. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 중심링은
    2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면을 지니는 적어도 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링들; 및
    인접한 저밀도 예비성형 링들 사이에 작동적으로 배치되는 적어도 하나의 부 가적인 링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및
    2개의 단부 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 적어도 하나의 부가적인 링을 포함하는 패킹.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 중심링은
    상기 2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치되는 2개의 부가적인 링들 사이에 작동적으로 배치되는 경사진 대향 표면들을 지니는 하나의 저밀도 흑연 예비성형 링을 포함하며, 상기 부가적 링들은
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및
    2개의 단부링들 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 패킹.
  9. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 중심링은 각각
    적어도 3개의 링을 포함하며, 상기 각각의 링은
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및
    상기 2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 배치된 인서트를 포함하는 패킹.
  10. 제1항에 있어서, 직조된 흑연 테이프 스톡의 인서트들은
    지지 스페이서(support spacer) 및 와이퍼 기능을 수행할 수 있는 금속성 또는 다른 재료의 스트립, 와이어, 필라멘트, 쇠조각(tinsel)을 포함하는 패킹.
  11. 제6항에 있어서, 상기 금속은
    강, 구리, 황동, 알루미늄 및 아연을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 패킹.
  12. 제1항에 있어서, 단부링은 InconelTM을 갖는 MIC 직물을 포함하는 패킹.
  13. 제6항에 있어서, 인서트들은 단부링들을 어떤 원하는 형상으로 견고하게 보지시키고 그것에 일치시키는 패킹.
  14. 제10항에 있어서, 각각의 단부링은 약 750psi 내지 38,000psi 의 범위내의 압축 장전값들로 다이성형되는 패킹.
  15. 스터핑 박스용 패킹에 있어서,
    적어도 2개의 저밀도 흑연 예비성형 링들;
    상기 링들사이에 작동적으로 배치된 적어도 하나의 부가적인 링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프
    스톡; 및
    2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들 을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분산된 인서트를 포함하는 적어도 하나의 부가적인 링; 및
    축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 적어도 2개의 저밀도 중심링들 중 하나의 제1단부의 하나의 반경방향 에지에 인접한 재료를 적어도 2개의 저밀도 중심링들 중 하나로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경방향으로 이동하도록 강제시키고 그 재료를 불침투성 및 유효한 시일내로 압축시키기 위한 단부링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 직조된 흑연 테이프 스톡(braided graphite tape stock); 및
    상기 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함하는 스터핑 박스용 패킹.
  16. 제1항에 있어서, 상기 단부링의 제1단부는 축방 내측 방향으로 예각을 이루는 ID 시일(seal)을 형성하며, 적어도 하나의 중심링과 단부링 대향 표면들의 예각들은 각각 약 45° 및 60°인 패킹.
  17. 제1항에 있어서, 상기 단부링은 누출 및 마찰에 대한 높은 저항을 지니는 패킹.
  18. 제1항에 있어서, 단부링은 적어도 하나의 중심링을 지지하고 밸브 스템을 씻어내는 패킹.
  19. 제1항에 있어서, 직조된 흑연 테이프 스톡의 인서트들은
    지지 스페이서(support spacer) 및 와이퍼 기능을 수행할 수 있는 금속성 또는 다른 재료의 스트립, 와이어, 필라멘트, 쇠조각(tinsel)을 포함하는 패킹.
  20. 제1항에 있어서, 단부링은 InconelTM을 갖는 MIC 직물을 포함하는 패킹.
  21. 스터핑 박스용 패킹에 있어서,
    2개의 단부링 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면을 지니는 적어도 3개의 저밀도 흑연 예비성형 링; 및
    인접한 저밀도 예비성형 링들 사이에 작동적으로 배치되는 적어도 하나의 부가적인 링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프
    스톡; 및
    2개의 단부 사이에 작동적으로 배치된 경사진 대향 표면들을 지니며 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 적 어도 하나의 부가적인 링; 및
    축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 적어도 3개의 저밀도 중심링들 중 하나의 제1단부의 하나의 반경방향 에지에 인접한 재료를 적어도 3개의 중심링들 중 하나로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경방향으로 이동하도록 강제시키고 그 재료를 불침투성 및 유효한 시일내로 압축하기 위한 단부링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 갖는 직조된 흑연 테이프 스톡(braided graphite tape stock); 및
    상기 직조된 흑연 테이프 스톡 전체를 통해 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함하는 스터핑 박스용 패킹(packing).
  22. 제1항에 있어서, 상기 단부의 제1단부는 축방 내측 방향으로 예각을 이루는 ID 시일(seal)을 형성하며, 적어도 하나의 중심링과 단부링 대향 표면들의 예각들은 각각 약 45° 및 60°인 패킹.
  23. 제1항에 있어서, 상기 단부링은 누출 및 마찰에 대한 높은 저항을 지니는 패킹.
  24. 제1항에 있어서, 단부링은 적어도 하나의 중심링을 지지하고 밸브 스템을 씻어내는 패킹.
  25. 제1항에 있어서, 직조된 흑연 테이프 스톡의 인서트들은
    지지 스페이서(support spacer) 및 와이퍼 기능을 수행할 수 있는 금속성 또는 다른 재료의 스트립, 와이어, 필라멘트, 쇠조각(tinsel)을 포함하는 패킹.
  26. 제1항에 있어서, 단부링은 InconelTM을 갖는 MIC 직물을 포함하는 패킹.
  27. 제10항에 있어서, 각각의 단부링은 약 750psi 내지 38,000psi 의 범위내의 압축 장전값들로 다이성형되는 패킹.
  28. 스터핑 박스용 패킹에 있어서,
    중심링 조립체로서,
    경사진 대향 표면을 지니는 하나의 저밀도 흑연 예비성형 링;
    2개의 예비성형 지지링으로서, 상기 저밀도 흑연 예비성형 링은 상기 2개의 예비성형 지지링 사이에 작동적으로 배치되며,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연
    테이프 스톡; 및
    직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된
    인서트를 포함하는 2개의 예비성형 지지링을 포함하는 중심링 조립체; 및
    축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하며, 재료를 불침투성 및 유효한 시일로 압축하기 위한 단부링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프
    스톡; 및
    직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 단부링을 포함하는 스터핑 박스용 패킹.
  29. 제10항에 있어서, 각각의 단부링은 약 750psi 내지 38,000psi 의 범위내의 압축 장전값들로 다이성형되는 패킹.
  30. 스터핑 박스용 패킹에 있어서,
    적어도 3개의 중심 예비성형 링으로서,
    경사진 대향 표면을 지니고 적어도 약 1.8g/cc의 밀도를
    지니는 직조된 흑연 테이프 스톡; 및
    직조된 흑연 테이프 스톡 전체에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 적어도 3개의 중심 예비성형 링; 및
    축방 압축력이 패킹에 가해질 때 반응하고, 적어도 중심링들중 하나의 제1단부의 하나의 반경 방향 에지에 인접한 재료를 적어도 3개의 중심링들 중 하나로부터 이격되는 방향으로 축방 및 반경 방향으로 이동하도록 강제시키고 그 재료를 비침투성 및 유효한 시일내로 압축시키기 위한 적어도 2개의 단부링으로서,
    적어도 약 1.8g/cc의 밀도를 지니는 직조된 흑연 테이프
    스톡; 및
    직조된 흑연 테이프 스톡스톡에 작동적으로 분포된 인서트를 포함하는 적어도 2개의 단부링을 포함하는 스터핑 박스용 패킹.
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