KR20190022932A - 압력 변화를 견디기 위한 상호연동 내경 밀봉 요소를 갖는 밀봉 시스템 - Google Patents

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Abstract

고압 응용을 위한 개스킷 밀봉부는 밀봉 요소와 리테이닝 요소 사이에서 축방향 및 반경방향으로 이동을 방지하기 위해 리테이닝 요소와 상호연동하는 내경 밀봉 요소를 갖는 리테이닝 요소를 포함한다. 고압 밀봉은 하나 또는 양 측면 상에 전기 절연 재료가 접합되는 금속 코어 리테이닝 요소를 사용하여 구현될 수 있다. 밀봉은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 내경 밀봉 링과 같은 내경 유전 밀봉 요소를 통하여 구현된다. 유체 유동 라인 내의 조인트의 플랜지는 사이에 개재된 개스킷 밀봉부로 볼트체결될 수 있다. 압력 변화 시에, 내경 밀봉부는 유동 라인 내로 흡인되고 리테이닝 요소에 밀봉부를 고정하는 듀얼 로킹 부재를 통하여 리테이닝 요소에 대한 축방향 운동을 방지한다.

Description

압력 변화를 견디기 위한 상호연동 내경 밀봉 요소를 갖는 밀봉 시스템{SEALING SYSTEM HAVING INTERLOCKING INNER DIAMETER SEAL ELEMENT TO RESIST PRESSURE CHANGES}
본 발명은 일반적으로 누출 없이 유체 유동을 위해 작동하는 유동 라인 내에서 파이프의 결합된 부분들 사이에서 압축되고 개재되도록 구성된 분리 개스킷에 관한 것이다. 본 발명의 밀봉 장치는 구체적으로 리테이닝 요소 내에서 상호연동되는 내경 밀봉 요소를 통하여 유동 라인 내에서의 압력 변화를 견디도록 구성된다.
개스킷 장치를 사용하는 밀봉 시스템은 잘 알려져 있으며, 결합된 부분들 사이에서 유체가 누출되는 것을 방지하기 위해 다양한 응용으로 사용되어 왔다. 예를 들어, 밀봉 장치는 유동 라인의 플랜지형 단부 연결부 사이에 삽입되고 압축된다. 경우에 따라 인라인 공정 제어 설비는 유동 라인의 다양한 지점에 설치되어야 하며 유체 라인의 플랜지형 단부 연결과 연계될 수 있다. 인라인 공정 제어 설비는 밸브, 펌프, 유량계, 온도 제어기, 압력 제어기 등과 같은 것을 포함할 수 있다. 또한 파이프 섹션의 단부는 플랜지가 제공되어 단면이 단-대-단 연결되어 유체 라인을 형성할 수 있다. 조인트에서의 유체 누출을 방지하기 위해 결합된 섹션의 계면에 개스킷 장치를 제공하는 것이 알려져 있다.
조인트의 특성에 관계 없이, 즉 파이프의 결합된 섹션들 사이에 있는지, 또는 예를 들어 인라인 공정 제어 설비를 연결하는데 사용되는 조인트와 같이 다른 목적을 위한 것이든지, 개스킷 장치 및 밀봉 시스템은 특정 조인트 및 조인트를 통해 이송되는 특정 매체와 관련된 다양한 요인에 기초하여 선택되어야 한다. 이러한 요인에는 파이프 라인을 흐르는 유체의 부식성뿐만 아니라 유동 매체의 물리적 특성도 포함된다. 이러한 물리적 특성에는 매체의 압력, 온도 및 속도뿐만 아니라 예상되는 압력 변화(파열로 인한 압력의 급격한 변화 포함), 매체의 온도 및 속도가 포함된다. 또한, 많은 경우에 조인트에 신뢰성있는 밀봉부를 제공할 뿐만 아니라 조인트의 일 측면을 다른 측면과 전기적으로 절연시킬 필요가 있다.
본 출원의 요지에 있어서, 압력의 상당한 변화를 견딜 수 있는 내경 밀봉 요소를 제공하고 고압을 수용할 수 있는 밀봉 시스템은 효과적인 유동 라인 밀봉 분야에 상당한 개선점을 제공할 수 있다. 본원에 개시된 실시예는 고압 응용을 위한 밀봉 시스템을 제공한다. 밀봉 시스템은 하나 이상의 내경 밀봉 요소를 갖는 내경을 포함한 하나 이상의 리테이닝 요소를 포함한다. 내경 밀봉 요소(들)는 밀봉 요소(들)와 리테이닝 요소(들) 사이에서 축방향 및 반경방향으로의 이동을 방지하기 위하여 리테이닝 요소(들)의 내경 부분과 상호연동한다. 리테이닝 요소(들)는 외부 및 내부 반경방향 둘 모두로의 이동을 방지하기 위하여 제공된다. 일 양태에서, 고압 밀봉은 하나 또는 양 측면 상에 전기 절연 재료가 접합되는 금속 코어 리테이닝 요소를 사용하여 구현될 수 있다. 밀봉은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 내경 밀봉 링과 같은 내경 유전 밀봉 요소를 통하여 구현된다. 유체 유동 라인 내의 조인트의 플랜지는 사이에 개재된 개스킷 밀봉부로 볼트체결될 수 있다. 압력 변화 시에, 내경 밀봉부는 유동 라인 내로 흡인되고 리테이닝 요소에 밀봉부를 고정하는 듀얼 로킹 부재를 통하여 리테이닝 요소에 대한 축방향 운동을 방지한다. 추가 양태에서, 본 발명은 리테이닝 요소 내의 하나 이상의 백업 밀봉부, 내경 밀봉부의 하나 이상의 백업 밀봉부 및 내경 밀봉부 또는 리테이닝 요소 내의 하나 이상의 압축 리미터를 포함하는 다른 구성으로 제공될 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 유체 통로에 대해 작용하는 유동 라인 내에서 결합된 부분들 사이에 사용하기 위한 개스킷 밀봉 장치를 제공한다. 개스킷 밀봉부는 (A) 내부에 형성된 내경 개구 및 마주보는 측면 표면을 갖는 리테이닝 링을 포함하되, 상기 리테이닝 링은 (i) 내경 개구 상에 원주방향(circumferential) 요홈을 형성하는 축방향 로킹 요소, 및 (ii) 내경 개구 주위에 원주방향 림을 형성하는 반경방향 로킹 요소를 포함하고, (B) 내부 밀봉 표면, 외부 밀봉 표면 및 로킹 부분을 갖는 내경 밀봉 요소를 포함하되, 상기 로킹 부분은 (i) 축방향 로킹 요소와 작동가능하게 결합된 축방향 로킹 돌출부, 및 (ii) 반경방향 로킹 요소와 협력하여 결합된 후크를 포함하고, 반경방향 로킹 요소와 후크 및 축방향 로킹 요소와 축방향 로킹 돌출부의 협력하는 결합은 내경 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이의 상대 축방향 및 반경방향 이동을 실질적으로 방지한다. 축방향 및 반경방향 로킹 요소 및 부재는 내경 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이의 축방향 및 반경방향 운동을 실질적으로 방지하도록 상호연동된다. 리테이닝 링은 상기 마주보는 측면 표면들 중 적어도 하나 상에 배열된 유전 재료의 층 및 금속 코어를 가질 수 있거나, 또는 단지 2가지의 예시를 제공하도록 폴리이미드 재료로부터 형성될 수 있다. 리테이닝 링은 각각의 요홈 내에 배열된 이차 밀봉 요소 및 마주보는 측면 표면 각각 상에 형성된 요홈을 추가로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 반경방향 로킹 요소는 리테이닝 링 내에 리세스를 형성하는 돌출부 및 반경방향으로 연장된 플랜지형 표면을 포함하고, 내경 밀봉 요소 상의 반경방향 로킹 부재는 리테이닝 링과 로킹 부재의 상호연동을 허용하기 위하여 리세스를 형성하는 돌출부 및 상보적인 플랜지형 표면을 포함한다. 축방향 로킹 요소는 실시예에서, 리테이닝 링 내에 형성된 리세스를 포함하고, 축방향 로킹 부재는 리세스 내로 연장되는 상보적인 웨지형 또는 테이퍼진 형상의 돌출부를 포함한다. 내부 밀봉 표면은 예를 들어 쉐브론(chevron) 형상의 압력 작용 표면을 가질 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 유체 통로로 작동하는 유체 라인 내의 결합된 부분들 사이에 사용하기 위한 개스킷 밀봉 장치를 제공한다. 개스킷 밀봉부는 (A) 코어 내부 표면, 제1 측면 표면, 및 제1 측면 표면에 마주보는 제2 측면 표면을 갖는 코어 재료, 제1 측면 표면을 코팅하는 표면 재료의 제1 층 및 제2 측면 표면을 코팅하는 표면 재료의 제2 층을 포함하는 리테이닝 링을 포함하되, (i) 코어 재료는 제1 측면 표면 내에 리세스를 포함하고, 상기 리세스는 내경 원주방향 림을 형성하고, (ii) 표면 재료의 제1 층은 제1 재료 내부 표면 내에 원주방향 요홈을 포함하고, 제1 재료 내부 표면은 코어 내부 표면의 반경방향의 외측을 향하여 배열되고, (iii) 표면 재료의 제2 층은 코어 내부 표면과 실질적으로 정렬되는 제2 재료 내부 표면을 포함하고, (B) 내부 밀봉 표면, 외부 밀봉 표면, 후크 및 축방향 로킹 돌출부를 갖는 밀봉 요소를 포함하되, (i) 후크는 리세스를 형성하는 립 및 레그를 포함하고, 리세스는 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이에 상대적인 반경방향 운동을 방지하기 위하여 원주방향 림과 협력하도록 결합되며, (ii) 축방향 로킹 돌출부는 후크의 레그로부터 연장되고 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이에 상대 축방향 운동을 방지하기 위하여 원주방향 요홈과 협력하도록 결합된다.
추가 양태에서, 본 발명은 내부 면과 외부 면을 각각 갖는, 결합된 플랜지 부분들 사이에 계면을 제공하는 분리 시스템에 관한 것으로, 상기 분리 시스템은 개스킷 밀봉부를 포함하고, 상기 개스킷 밀봉부는 (A) 내부에 형성된 내경 개구 및 마주보는 측면 표면을 갖는 리테이닝 링을 포함하되, 상기 리테이닝 링은 (i) 내경 개구 상에 원주방향 요홈을 형성하는 축방향 로킹 요소, 및 (ii) 내경 개구 상에 형성된 림 및 직사각형 리세스를 포함하는 반경방향 로킹 요소, 및 (B) 외부 밀봉 표면과 내부 밀봉 표면을 갖는 밀봉 요소를 포함하되 상기 외부 밀봉 표면은 (i) 직사각형 요홈과 결합된 축방향 로킹 부재, 및 (ii) 림 및 직사각형 리세스와 결합된 반경방향 로킹 부재를 포함하고, 상기 축방향 및 반경방향 로킹 요소 및 부재는 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이의 상대적인 축방향 및 반경방향 운동을 실질적으로 방지하기 위해 협력하도록 결합되고, 상기 분리 시스템은 각각 결합된 플랜지 부분 내에 형성된 정렬된 보어 내에 수용될 수 있는 하나 이상의 절연 슬리브를 포함하고 상기 슬리브는 사이에 개재된 개스킷 밀봉부와 결합된 플랜지 부분의 외부 면들 사이의 거리와 실질적으로 동일한 길이를 가지며, 상기 분리 시스템은 마주보는 단부를 갖는 하나 이상의 신장된 금속 체결구를 포함하되 상기 체결구는 사이에 개재된 개스킷 밀봉부와 결합된 플랜지 부분을 서로에 대해 연결하기 위하여 절연 슬리브 내에 수용될 수 있고, 상기 분리 시스템은 플랜지 부분 외부 면들 중 하나 이상을 접하게 하는 하나 이상의 신장된 금속 체결구 상에 수용될 수 있는 하나 이상의 절연 와셔를 포함한다.
금속 체결구는 마주보는 단부들 중 하나 이상의 단부 상에서 너트를 수용하기 위해 나사산이 형성된 금속 샤프트 및 너트를 추가로 포함한다. 상기 리테이닝 링은 각각의 상기 요홈 내에 배열된 이차 밀봉 요소 및 마주보는 측면 표면 각각에 형성된 요홈을 추가로 포함한다. 상기 반경방향 로킹 요소는 리테이닝 링 내에 형성된 웨지-형 리세스를 포함하고, 상기 반경방향 로킹 부재는 상기 웨지-형 리세스 내로 연장되는 상보적인 웨지-형 돌출부를 포함한다. 상기 축방향 로킹 요소는 상기 리테이닝 링 내에 형성된 반-원 형상의 리세스를 포함하고, 상기 축방향 로킹 부재는 상기 반-원 형상의 리세스 내로 연장되는 상보적인 반-원 형상의 돌출부를 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 장점들 및 신규한 특징들은 현재 바람직한 실시예를 포함하는 다양한 실시예들을 개시하는 다음의 설명에서 부분적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른 분리 개스킷 및 밀봉 시스템을 도시하는 부분적인 측면 단면도.
도 2는 다양한 예시적인 실시 형태에 대한 플랜지 조인트를 전기적으로 절연하기 위하여 다양한 절연 구성요소와 함께 사용되는 대표적인 너트 및 볼트 세트를 도시하는 부분적인 단면의 확대된 측면도.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 개스킷을 도시하는 플랜지 조인트의 절반의 측면 단면도.
도 4는 예시적인 실시예에 대한 개스킷의 내경 밀봉 부재의 단면도.
도 5는 예시적인 실시예의 리테이닝 부재의 단면도.
도 6은 또 다른 예시적인 실시예의 리테이닝 부재의 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 복수의 예시적인 실시예에 따른 압력 작용 밀봉 부재의 단면도.
도 8a 내지 도 8d는 예시적인 실시예에 따른 상이한 수직 로킹 요소를 갖는 밀봉 부재의 단면도.
도 9a 내지 도 9c는 예시적인 실시예에 따른 상이한 반경방향 로킹 요소를 갖는 밀봉 부재의 단면도.
도 10은 예시적인 실시예의 리테이닝 부재의 단면도.
도 11은 예시적인 실시예에 대한 개스킷의 밀봉 부재의 단면도.
본 출원의 기술에 대한 더욱 완전한 이해를 위해, 도면에 도시된 바와 같은 몇몇 예시적인 실시예들에 대해 다음의 상세한 설명이 참조되며, 동일한 도면 부호는 동일하거나 또는 유사한 요소를 나타낸다. 다양한 실시예들이 본 명세서에서 기술되며, 많은 예로 제공되는 특정 예시가 본 발명에 포함된 다양한 사상들을 예시하고 논의하기 위해 제공된다. 제공된 특정 실시예 및 예시는 다른 실시예 및/또는 예시보다 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석되지는 않는다. 또한, 본 명세서에 기술된 사상은 밀봉 개스킷 및 밀봉 시스템의 다수의 다른 변형과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어, "분리 개스킷, 시스템 및 방법"이라는 명칭의 미국 특허 제7,976,074호(2011년 7월 12일 허여)에 기술된 바와 같이, 내경 밀봉부가 유지 부재 및 제2 밀봉 요소 및/또는 압축 리미터와 함께 사용될 수 있고, 이의 전체 개시는 참조로서 본 명세서에 인용된다.
전술된 바와 같이, 본 출원의 기술은 특히 현재 공지된 내경 밀봉부에서 발생할 수 있는 문제점에 대한 해결 방법을 제공하는데, 이는 진공이 파이핑 시스템 내로 가해질 때 및/또는 흡입이 밀봉부를 지나 매체의 유동에 의해 야기될 때 파이핑 압력의 신속한 감압을 포함하는 파이핑 압력 내의 변화 중에 파이핑 시스템의 보어 내로 붕괴된다.
밀봉부가 보어 내로 붕괴되면 상당한 문제점이 야기될 수 있는데, 특정 상황에서 시스템이 재가압될 때 매체는 붕괴된 밀봉부를 지나 빠져나가고, 리테이너와 접촉하며 파이핑의 시스템 외측에서 또는 환경으로 배출될 수 있다. 추가로, 붕괴된 밀봉부가 파이핑 시스템 아래로 이송될 수 있으며, 여기서 다른 파이핑 구성요소로의 차단, 펌프 등과 같은 이동 구성요소에 대한 손상 등, 처리 시스템의 오염, 및/또는 재밍 및 피깅 작업과 같은 다른 문제점이 야기될 수 있다.
일반적으로 본 출원의 기술은 일반적으로 파이핑 시스템에 있는 조인트의 보어 내로의 밀봉부 붕괴의 가능성을 억제, 방지 또는 실질적으로 감소시키는 조인트 내에서 사용되도록 구성된 분리 개스킷(isolation gasket)에 관한 것이다. 이러한 조인트는 단-대-단(end-to-end relation) 연결되는 파이프라인의 2개의 섹션들 사이에 플랜지 연결부일 수 있다. 다른 양태에서, 조인트는 플랜지형 또는 다른 유형의 연결부일 수 있는 유동 라인에 모니터링 설비를 연결하기 위해 사용된 연결부일 수 있다. 다른 조인트는 위에서 참조된 종래의 조인트와 같이 플랜지형 표면을 포함하지 않을 수 있다. 따라서, 본 출원에 개시된 기술은 예를 들어 한 쌍의 파이프라인 섹션의 단-대-단 연결부로 사용되는 플랜지형 연결부과 같은 종래의 플랜지형 연결부을 참조하여 설명되지만, 본 발명은 이러한 플랜지 연결부에 제한되지 않는다.
이제 도 1을 참조하면, 밀봉 개스킷(10)이 유동 라인 응용에서 2개의 파이프 섹션(14)들 사이의 플랜지 연결부(12) 내에 배치된다. 각각의 파이프 섹션(14)은 이들 사이에 개스킷(10)과 마주보게 배치될 수 있는 플랜지(16)를 포함할 수 있다. 플랜지(16)는 서로 정렬되는 보어(20)가 제공되고, 플랜지(16)는 종래 기술에 공지된 바와 같이 너트(32) 및 볼트(18) 세트에 의해 연결될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일부 실시예는 각각 정렬된 쌍의 보어(20)와 연계된 복수의 상이한 구성요소에 의해 수행될 수 있는 플랜지(16)들 간의 전기적 절연(electrical isolation)을 제공한다. 이 실시예에서, 에폭시, 페놀 및 노멕스 재료와 같은 다른 재료가 적절히 이용될 수 있을지라도 한 쌍의 정렬된 보어(20)는 예를 들어, 유리 보강 중합체로 구성된 비-전도성 절연 슬리브(22)가 제공된다. 슬리브(22)는 이들 사이에 개재된 개스킷(10)의 두께와 플랜지의 외부 표면(24)사이의 거리와 동일한 길이를 갖도록 치수화된다. 슬리브(22)가 한 쌍의 정렬된 보어(20) 내로 삽입되면, 절연 와셔(26)가 플랜지(16)의 외부 표면 상에서 보어(20)의 일 측면에 배열된다. 이 실시예에서, 선택적 금속 와셔(28)가 와셔(26)에 대해 배열되고, 볼트(30)가 너트(32)에 의해 고정된 후에 와셔 및 슬리브(22)를 통과한다. 일부 경우에, 절연 와셔(26)는 선택적 금속 와셔(28)가 필수적이지 않도록 강도 등을 위해 금속 코어를 가질 수 있다. 이 조립은 각각의 정렬된 보어(20)에 대해 수행되고 그 후에 너트(32)가 원하는 압력으로 개스킷(10)을 압축하기 위해 체결될 수 있다. 너트(32) 및 볼트(18) 세트의 마주보는 측면 상의 너트(32) 이외에 볼트(18)가 너트(32)들 중 하나의 너트 대신에 헤드가 제공될 수 있다.
파이프 섹션(14)들 사이에 전기적 절연을 돕기 위하여, 개스킷(10)은 유전 재료의 외부 층을 포함할 수 있다. 따라서, 본원에 기재된 다양한 실시예는 개별 파이프 섹션(14)의 전기적 절연을 제공하기 위하여 하나 또는 양 측면 상에 유전 코팅을 갖는 개스킷(10), 절연 와셔(26), 및 비-전도성 절연 슬리브(22)를 이용한다. 유전 코팅은 단지 개스킷(10)의 전도성 부분 상에 배치될 필요가 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 절연 와셔(26)는 플랜지(16)의 외부 표면(24)에 대해 배열되고 슬리브(22)와 조합하여 플랜지(16) 및 너트(32)와 볼트(18) 사이에 전기적 절연을 제공한다. 절연 와셔(26)는 유전 재료로 코팅되는 금속 코어 와셔일 수 있다. 유사하게, 개스킷(10) 상의 유전 외부 층은 플랜지(16)의 대향하는 플랜지 표면 사이에 전기적 절연을 제공한다.
도 3은 본 발명의 기술에 따른 개스킷(50)을 갖는 플랜지 연결부의 일부의 단면도이다. 이 예시에서 개스킷(50)은 리테이닝 링(54) 및 내경 밀봉 요소(58)를 포함한다. 내경 밀봉 요소(58)는 리테이닝 링(54)의 내경 내에 끼워맞춤되도록 크기가 형성된다. 이 실시예에서 리테이닝 링(54)은 금속 코어(62) 및 금속 코어(62)의 각각의 측면 상에 재료(66)의 코팅을 갖는다. 다른 실시예에서, 리테이닝 링(54)은 금속 코어(62) 및 금속 코어(62)의 각각의 측면 상에 재료(66)의 코팅을 갖는다. 다른 실시예에서, 개스킷(50)은 강도를 위해 비-금속 코어를 가질 수 있다. 개스킷(50)이 비-금속 코어를 가질 때, 재료(66)의 코팅은 전기적 절연을 위해 필요하지 않을 수 있다. 일 예시적인 실시예에서, 재료(66)의 코팅은 유전 재료이다. 재료(66)의 코팅은 코팅 재료가 밀봉 요소(58)가 저하되는 이차 밀봉부로서 기능을 할 수 있도록 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 다른 플루오르화 중합체와 같은 밀봉 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 양태에서, 코팅 재료(66)는 PFTE 및 폴리플루오로에틸렌(PFE)의 복합물과 같은 공중합체 PTFE일 수 있다. 코팅 재료(66)가 유전 재료일 때, 리테이닝 링(54)은 플랜지(70)들 사이에 전기적 절연을 제공한다. 플랜지(70)는 파이프 섹션(74)을 연결하고, 전술된 볼트(18) 및 너트(32) 또는 압축 로딩 하에서 조인트 구성요소를 서로 결합하기 위한 다른 수단과 같은 볼트 및 너트 조립체를 수용할 수 있는 축방향 보어(78)를 포함한다. 전기적 절연을 돕기 위하여, 분리 슬리브(isolation sleeve, 22)가 도 1 및 도 2에 대해 전술된 바와 같이 유사 방식으로 플랜지(70)를 서로 결합하기 위해 분리 와셔(26)를 따라 제공될 수 있다. 대안으로, 볼트(18) 및 너트(32)가 전기적 불활성 재료로부터 제조될 수 있다. 지금 이해할 수 있는 바와 같이, 개시 내용을 읽고 도면을 검토할 때, 밀봉 요소(58)는 예를 들어 전술한 PTFE 또는 다른 플루오르화 중합체와 같은 유전 또는 비-전도성 재료를 포함하지만 밀봉 요소(58)에 대한 2가지의 잠재적 조성물을 포함한다.
도 3의 실시예에서, 내경 밀봉 요소(58) 및 리테이닝 링(54)은 리테이닝 링(54)에 대한 내경 밀봉 요소(58)의 고정을 돕는 하나 이상의 로킹 메커니즘(55)을 포함한다. 일반적으로, 로킹 메커니즘(55)은 제1 부분과 제2 부분들 사이에 로크를 제공하기 위하여 결합되는 밀봉 요소(58) 상에 제2 부분 및 리테이닝 링(54) 상에 제1 부분을 포함한다. 본 출원에 기재된 로킹 메커니즘(55)은 다른 특징부가 단지 하나 또는 다른 것 상에 있는 것으로 기재될 수 있을지라도 리테이닝 링(54)과 밀봉 요소(58) 사이에서 상호교환가능하다. 도 4는 이 실시예의 내경 밀봉 요소(58)의 단면도를 도시하고 도 5는 이 실시예의 리테이닝 링(54)의 단면도를 도시한다. 도 4 및 도 5에 도시된 예시적인 실시예에서, 리테이닝 링(54)은 반경방향 로킹 요소(82)와 축방향 로킹 요소(86)를 포함한다. 본원에 사용된 바와 같이, 반경방향은 조인트의 단면의 반경을 따라 형성되고 축방향은 조인트와 연결된 매체 유동 방향을 따라 형성된다. 내경 밀봉 요소(58)는 상보적인 반경방향 로킹 특징부(90), 및 축방향 로킹 특징부(94)를 포함한다. 이러한 방식으로, 반경방향 로킹 요소(82) 및 상보적인 반경방향 로킹 특징부(90)는 연동하여 내경 밀봉 요소(58)를 리테이닝 링(54)에 고정하는 것을 돕고 이 둘 사이의 상대적인 반경방향 운동을 방지한다. 반경 방향 로킹 특징부가 없는 종래의 설계에서, 유동 라인 내의 압력 변화는 내경 밀봉부 내에서 잠재적으로 관련된 리테이닝 부재로부터 박리되어 유동 라인으로 끌어 당겨져서 플랜지 조인트에서 밀봉의 손실을 초래할 수 있고, 가능한 다른 바람직하지 못한 결과를 야기한다. 축방향 로킹 요소(86) 및 상보적인 축방향 로킹 특징부(94)는 또한 내경 밀봉 요소(58)를 리테이닝 링(54)에 고정하는 것을 돕고 이들 사이의 축방향 이동을 방지하기 위해 상호연동된다. 이 실시예에서, 반경방향 로킹 요소(82) 및 상보적인 반경방향 로킹 특징부(90)는 반경방향 로킹 요소(82)와 반경방향 로킹 특징부(90)를 결합해제하기 위해 밀봉 요소(58)가 리테이닝 링(54)에 대해 축방향으로 이동될 필요가 있도록 기울어지거나 또는 웨지-형 표면을 통해 상호연동된다. 축방향 로킹 요소(86) 및 축방향 로킹 특징부(94)는 이러한 운동을 방지하도록 작용하여 내경 밀봉 요소(58)와 리테이닝 링(54) 사이의 박리의 경향을 감소시키도록 리테이닝 링(54)에 내경 밀봉 요소(58)를 결합된 상태로 유지하는 것을 돕는다. 이러한 방식으로, 내경 밀봉 요소(58)와 리테이닝 링(54) 사이의 상보적인 반경방향 및 축방향 로킹 메커니즘은 파이프 섹션(74)을 통하여 유동하는 매체로부터의 음압, 신속한 감압 또는 흡입과 같은 압력 변화 중에 보어 내로 밀봉부가 유입되는 것을 방지한다.
내경 밀봉 요소(58)는 임의의 개수의 밀봉 재료로부터 형성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 밀봉 요소(58)는 리테이닝 링(54)에 의해 제 위치에 고정되는 PTFE와 같은 화학적 불활성 재료로 구성된다. 내경 밀봉 요소(58)는 이 실시예에서 고무 또는 다른 유형의 탄성중합체 재료와 같은 다른 유형의 재료가 사용될 수 있을지라도 PTFE 재료의 빌릿으로부터 기계가공된다. 또한, 기계가공 대신에, PTFE는 몰딩, 압출 또는 다른 형성 방법을 사용하여 형성될 수 있다. 도 3 및 도 4의 실시예에서, 내경 밀봉 요소(58)의 내부 면은 플랜지(70)들 사이의 파이핑 매체의 밀봉을 수행하고 작용하는 압력에 따라 쉐브론 스타일 구성(chevron style configuration)을 구성된다. 즉, 내경 밀봉 요소는 밀봉되는 매체의 압력이 인가된 밀봉력을 야기하고 내경 표면을 곧게 펼치는 밀봉력을 제공하도록 V 또는 오목한 형상을 형성하는 내부 반경방향 표면을 갖는다. 물론, 내경 밀봉 요소(58)는 도 7a 내지 도 7c로 도시되는 이러한 V 또는 오목한 구성 및 V 또는 오목한 형상 이외에 파이핑 매체의 밀봉을 제공하는 임의의 개수의 상이한 구성으로 형성될 수 있다. 내경 밀봉 요소(58)는 밀봉이 사용될 특정 응용에 기초하여 선택될 수 있는 다양한 다른 구성을 가질 수 있는 것이 당업자에 의해 쉽게 인식될 것이다.
리테이닝 링(54)은 폴리이미드, 유리 보강 에폭시, 카본 스틸, 스테인레스 스틸 또는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 일 측면에 접합된 라미네이트 재료를 갖는 스틸의 "샌드위치(sandwich)"와 같은 많은 다양한 재료로 구성될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 리테이닝 링(54)은 편평한 대향 표면을 갖는 것으로 도시된다. 일부 양태에서, 리테이닝 링(54)은 이차 밀봉부로서 사용될 수 있는데, 이 경우 프로파일은 일련의 리지 및 요홈 또는 도 3에 도시된 비교적 평평한 플랜지 표면에 대향하는 볼록 표면을 포함하는 캠프로파일(kammprofile)일 수 있다.
리테이닝 링(54)은 내경 밀봉 요소(58)의 상호연동 특징부를 수용하도록 내경 밀봉 요소(58)의 외부 표면과 대응하는 형상으로 기계가공, 몰딩 또는 이와는 달리 성형될 수 있다. 리테이닝 링(54)은 플랜지(70)의 볼트 상에 배치하기에 충분한 외경을 가질 수 있다. 따라서, 리테이닝 링(54) 및 따라서 내경 밀봉 요소를 정렬하기 위해 리테이닝 링(54)이 볼트(18)(분리 슬리브(22)가 있거나 없는)에 수용된다. 리테이닝 링(54)은 이 경우에, 개스킷(50)이 플랜지 보어에 적절히 정렬되도록 보장하기 위하여 개스킷 센트럴라이저(gasket centralizer)로 기능을 한다. 일 예시적인 실시예에서, 플랜지(70)의 면들 중 하나의 면에 정렬되고, 내경 밀봉 요소(58)는 내경 밀봉 요소(58)의 횡방향 면에 작용하는 시팅 응력을 형성하여 조립체로부터 매체가 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 축방향 보어(78)를 통하여 볼트와 플랜지(70)를 고정하기 전에 개스킷(50)을 형성하도록 리테이닝 링(54) 상에 조립된다. 전기적 절연이 필요한 경우에, 그 뒤에 분리 슬리브 및 와셔가 도 1 및 도 2에 대해 전술된 바와 같이 유사하게 패키지 내에 포함될 것이다.
본원에 개시된 특정 양태에서, 리테이닝 링(54)은 이차 밀봉 요소 및/또는 압축 리미터를 수용하는 하나 이상의 요홈을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예의 리테이닝 링(100)이 도 6에 도시된다. 이 실시예에서, 리테이닝 링(100), 유사하게는 리테이닝 링(54)은 금속 코어(62) 및 유동 라인 내의 플랜지들 사이에 전기적 절연을 제공하기 위하여 금속 코어(62)의 각각의 측면 상에 코팅 재료(66)를 갖는다. 리테이닝 링(100)은 하나 이상의 측면 상에 배치된 요홈(104)을 포함하고 일부 양태에서 상기 요홈은 리테이닝 링(100)의 도 6에 도시된 양 측면 상에 배열된다. 예시적인 실시예에서 요홈(104)은 반경방향으로 수직으로 정렬된다. 특정 양태에서, 요홈(104)은 반경방향으로 오프셋 배열될 수 있다.
O-링, E-밀봉부, 스프링-에너자이징 PTFE 립 밀봉부 등과 같은 이차 밀봉 요소는 요홈 또는 요홈(104)들 내에 배치되어 내경 밀봉 요소(58)의 고장 시에 누출을 방지하기 위해 이차 또는 고장 안전(fail safe) 밀봉부를 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 이차 밀봉 요소는 금속 밀봉부)이고, 압축 리미터가 상술한 미국 특허 제7,976,074호에 기술된 것과 유사하게 요홈(104) 내에 배치되며, 이의 전체 개시는 참조로 인용된다. 요홈(104)의 축방향 연장 측면(105)은 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 반경방향으로 외측을 향하는 측면(105)과 같이 약 75° 내지 90°의 각도로 경사질 수 있다. 이러한 경사진 표면은 매체가 립 밀봉부에 압력을 가할 때 밀봉부가 경사진 요홈(104)의 내부 표면에 대해 가압되어 강제적으로 요홈(104)에 가압되도록 요홈(104) 중 하나 또는 모두에 배치될 수 있는 립 밀봉부의 강화된 보류를 제공한다. 이해되는 바와 같이, 도 6의 실시예의 치수는 예시적인 것이고, 다른 적합한 치수가 당업자에게 자명한 바와 같이 다양한 상이한 응용에 사용될 수 있다. 고장 없는 작동에서, 리테이닝 링(54 또는 100)을 포함하는 개스킷(50)은 조인트 내에 설치되며, 내경 밀봉 요소(58)는 조인트 내에 매체를 수용한다. 밀봉 요소(58)의 일차 밀봉부의 고장 시에, 요홈(104) 내에 배치된 이차 밀봉부는 조인트 내에 매체의 구속을 도울 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예는 둘 사이의 상대적인 이동을 방지하도록 상호연동되는 내경 밀봉부 및 리테이닝 링을 제공한다. 당업자는 밀봉부와 리테이닝 링 사이의 로킹 메커니즘이 다양한 상이한 구성을 취할 수 있음을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 도 8a 내지 도 8d는 내경 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이의 축방향 이동을 방지하기 위해 사용될 수 있는 다양한 상이한 구성을 도시한다. 도 9a 내지 도 9c는 내경 밀봉 요소와 리테이닝 링 사이의 반경방향 운동을 방지하기 위해 사용될 수 있는 다양한 상이한 구성을 도시한다. 리테이닝 링 및 내경 밀봉 요소의 물리적 로킹을 향상시키기 위해 다른 구성뿐만 아니라 이들 예시된 특징부의 임의의 조합이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다양한 실시예에서, 기술 된 유형과 같은 개스킷 밀봉부는 두 개를 함께 고정하기 위해 리테이닝 링과 밀봉 요소 사이의 접착제를 포함한다.
축방향 로킹 요소(86)와 정합되도록 볼록한 축방향 로킹 특징부(94) 및 반경방향 로킹 요소(82)와 정합되도록 웨지형인 반경방향 로킹 특징부(90)와 테이퍼지거나 또는 경사진 형상을 갖는 반경방향 로킹 요소(82) 및 오목한 형상을 갖는 축방향 로킹 요소(86)와 같은 곡선형 또는 테이퍼진 표면을 포함한 리테이닝 링(54)은 감압 또는 열 변화의 결과로서 밀봉 팽창 중에 내경 밀봉 요소가 내측으로 버클링되는 것을 방지하기 위해 제공된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 축방향 및 반경방향 로킹 요소의 상호작용은 개스킷의 박리 등을 야기할 수 있는 움직임에 저항하도록 이상적인 반응 벡터 미만을 제공한다.
도시된 바와 같이, 경사진 반응 벡터는 약 45°이며, 반면 요홈 및 비드 반응 벡터는 대략 수직으로부터 접선에 위치될 것이다. 도 10 및 도 11을 참조하면, 리테이너 링(200)(도 10) 및 내경 밀봉 요소(250)(도 11)가 제공된다. 후술하는 바와 같이 로킹 요소 및 특징부의 수직 및 수평 배열은 반응 벡터가 이동 방향에 수직이므로 상대 이동에 대한 개선된 저항성을 제공한다.
도 10을 참조하면, 리테이닝 링(200)이 더 상세히 도시된다. 리테이닝 링(200)은 하기에서 추가로 설명되는 높이(Hr)를 갖는다. 리테이닝 링(200)은 금속 또는 탄성 재료와 같은 코어 재료(202) 및 코어 재료(202)의 마주보는 측면 상에 코팅된 표면 재료(204(1), 204(2))를 포함하며 특정 양태에서 코어 재료(202)의 단지 하나의 측면만이 코팅되거나 또는 코팅되지 않는다. 코팅 재료는 후술된 임의의 재료일 수 있다. 리테이닝 링(200)은 반경방향 로킹 요소(206)를 제공한다. 반경방향 로킹 요소(206)는 금속 코어(202) 내에 형성된 직사각형 리세스(208)를 포함한다. 리세스(208)는 금속 코어(202)의 내부 주변 주위에서 내부 림(212)을 형성하는 코어 내부 표면(210)으로부터 외측으로 반경방향 거리가 금속 코어(202) 내에 형성된다.
도 10에 도시된 바와 같이, 리테이닝 링(200)은 또한 축방향 로킹 요소(214)를 포함한다. 축방향 로킹 요소(214)는 반경방향 로킹 요소(206)에 인접한 표면 재료(204) 내에 형성된 직사각형 요홈(216)이다. 이 예시적인 실시예에서, 직사각형 요홈(216)은 코어 재료(202) 상에 배열되는 레그(220)를 형성하기 위하여 코어 재료로부터의 축방향 거리가 제1 재료 내부 표면(218)의 주변에 형성된다. 제1 재료 내부 표면(218)은 표면 재료(204(1)) 내에 형성된다. 제2 재료 내부 표면(222)은 코어 재료(202)의 마주보는 측면 상에 표면 재료(204(2)) 내에 형성된다. 제1 재료 내부 표면(218)은 제2 재료 내부 표면(222)으로부터 외측을 향하여 반경방향으로 오프셋배열된다. 제2 재료 내부 표면(222)은 코어 내부 표면(210)과 정렬된다. 제1 재료 내부 표면(218)은 금속 코어(202) 내에 형성된 리세스(208)의 거리를 더한 내부 림(212)의 거리에 의해 제2 재료 내부 표면(222)으로부터 반경방향의 외측을 향하여 오프셋배열된다.
이제 도 11을 구체적으로 참조하면, 내경 밀봉 요소(250)가 보다 상세히 도시된다. 내경 밀봉 요소(250)는 Hr보다 큰 높이(Hs)를 갖는다. 내경 밀봉 요소(250)가 리테이너 링(200)의 높이(Hr)보다 큰 높이(Hs)를 가짐에 따라 다수의 이점이 제공된다. 하나의 이점은 형성되는 포지티브 밀봉을 용이하게 하는 마주보는 플랜지 표면에 의해 내경 밀봉 요소(250)의 압축을 보장하는 것과 관련된다. 또 다른 이점은 제어된 압축 확장을 제공하는 것이다. 다시 말하면, 축방향으로 압축될 때, 내경 밀봉 요소(250)는 반경 방향으로 팽창하려고 한다.
리테이닝 링(200)은 내경 밀봉 요소(250)가 반경방향의 내측으로 확장되도록 외측 반경 방향 확장을 억제한다. 반경방향 내측으로의 팽창은 밀봉 보어가 조인트 보어와 더 근접한 크기로 정렬되도록 부피 공극률을 감소시켜 내부식성을 향상시키는 하나의 이점을 나타낸다. 내경 밀봉 요소(250)는 내측 표면(252)을 갖는다. 내측 표면(252)은 내측 표면(252) 상의 매체 압력이 플랜지(도 10 및 11에 도시되지 않음)에 대해 내경 밀봉 요소(250)를 안착시키는 화살표(A)로 나타낸 바와 같은 힘을 가하도록 전술한 바와 같이 쉐브론 형상이다. 쉐브론 또는 일반적로 오목한 형상(들) 등은 표면 내부의 지점, 이 경우에는 중심 지점으로 내측을 향하여 수렴하는 표면으로 간주될 수 있다.
내경 밀봉 요소(250)는 리테이닝 요소(200)의 축방향 로킹 요소(214) 및 반경방향 로킹 요소(206)에 대응하는 부분을 포함하는 로킹 부분(254)을 갖는다. 로킹 부분(254)은 전술한 림(212)에 주위에 후크고정되는 후크(256)를 포함한다. 후크(256)는 본 기술의 이 양태에 대해 반경방향 로킹 부재로 간주될 수 있다. 로킹 부분(254)의 후크(256)는 리세스(262)를 함께 형성하는 레그(258) 및 립(260)을 포함한다. 리세스(262)는 내부 림(212) 내에 끼워맞춤되도록 크기가 형성된다. 레그(258)는 직사각형 리세스(208) 내에 끼워맞춤되도록 크기가 형성된다. 립(260)은 코어 내부 표면(210) 및 제2 재료 내부 표면(222)을 따라 연장된다. 일 양태에서, 내측 반경방향 운동은 표면 대 표면 접촉에 의해 억제된다.
로킹 부분(254)은 또한 축방향 로킹 돌출부(264)를 포함한다. 축방향 로킹 돌출부(264)는 직사각형 요홈(216) 내에 끼워맞춤되도록 크기가 형성되고 일반적으로 립(260) 이외의 레그(258)로부터 돌출된다. 축방향 로킹 돌출부(264)는 직사각형 요홈(216)의 적어도 하나의 벽에 접하는 원주방향 선반 표면(264s)을 형성한다. 도시된 바와 같이, 상기 축방향 로킹 돌출부(264)는 단면이 삼각형인 웨지 형상으로 형성된다. 웨지 형상은 직사각형 요홈(216)과 결합하는 축방향 로킹 돌출부(264)를 용이하게 한다. 원주방향 선반 표면(264s)은 일반적으로 축방향 이동에 대한 표면 저항에 표면을 제공하도록 대향하여 하류에 배열된다. 웨지 형상은 축방향 로킹 돌출부(264)의 삽입을 용이하게 하지만, 축방향 로킹 돌출부(264)는 직사각형 요홈(216)에 협력하여 끼워맞춤되도록 크기가 형성된 형상을 가질 수 있고, 예를 들어, 블록 형상일 수 있다.
당업자라면 알 수 있듯이, 석유 및 가스 산업과 같은 산업은, 예를 들어, 파이프 라인을 통해 그리고 파이프라인 내의 금속-금속 플랜지 연결부를 가로질러 자연스럽게 흐르는 흐름에 영향을 받는 수십 마일의 연결된 금속 파이프 라인을 이용하여 플랜지 연결부가 부식되고 배터리 단자와 유사한 부식을 야기된다. 본 발명의 실시예에 대한 분리 개스킷은 파이프 라인을 통해 흐르는 흐름을 차단하고, 플랜지가 금속-금속 밀봉부로 부식 및 부식 발생을 방지한다.
본 발명의 실시예에 대한 개스킷 재료를 제조하는 방법은 라미네이션의 균일 성을 보장하기 위해 대형 시트 내에서 금속 기판의 양면에 유전체 라이닝 재료를 결합시키는 단계를 포함한다. 이러한 방법에 따르면, 이후 대형 시트로부터 개스킷에 대한 적절히 치수화된 ID 및 O.D. 원을 절단하기 위해 워터 제트(water jet)가 이용되며, 로킹 요소는 선반 상에 장착된 원형 개스킷과 절단된 원형 개스킷 재료의 내경 원 상에 형성된다. 본 발명의 실시예에 대한 결과적인 분리 개스킷은 우수한 내부식성을 갖는 스테인레스 스틸 코어를 갖는 금속 개스킷의 안정성 및/또는 강성을 가지며, 개스킷의 대향 표면에 적층된 유리 강화 에폭시는 우수한 절연 특성을 제공하고, 로킹 요소는 내경 밀봉부가 이에 연동될 수 있도록 제공된다. 이차 밀봉 요소용 요홈을 사용하는 실시예에서, 요홈은 선반을 사용하여 원형 개스킷 재료로 절단될 수 있다.
개시된 실시예의 이전 설명은 당업자가 본 발명을 제조 또는 사용할 수 있도록 제공된다. 이들 실시예들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 용이하게 자명할할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 도시된 실시예들에 한정되는 것으로 의도되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 신규 한 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위가 주어질 것이다.

Claims (1)

  1. 내부에 유체를 수용하도록 구성된 유동 라인 내에서 결합된 부품들 간에 사용하기 위한 개스킷 밀봉 장치로서,
    (A) 내부에 형성된 내경 개구 및 마주보는 측면 표면을 갖는 리테이닝 링(200)을 포함하되, 상기 리테이닝 링(200)은
    (i) 내경 개구 상에 원주방향(circumferential) 요홈(216)을 형성하는 축방향 로킹 요소(214), 및
    (ii) 내경 개구 주위에 원주방향 림(212)을 형성하는 반경방향 로킹 요소(206)를 포함하고,
    (B) 내부 밀봉 표면, 외부 밀봉 표면 및 로킹 부분(254)을 갖는 내경 밀봉 요소(250)를 포함하되, 상기 로킹 부분(254)은
    (i) 축방향 로킹 요소(214)와 작동가능하게 결합되는 축방향 로킹 돌출부(264), 및
    (ii) 반경방향 로킹 요소(206)와 협력하여 결합되는 후크(256)를 포함하고,
    반경방향 로킹 요소(206)와 후크(256) 및 축방향 로킹 요소(214)와 축방향 로킹 돌출부(264)의 협력하는 결합은 내경 밀봉 요소(250)와 리테이닝 링(200) 사이의 축방향 및 반경방향의 상대적인 운동을 실질적으로 방지하는 개스킷 밀봉 장치의 용도.
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