TWI481789B - 螺旋捲繞的密合墊以及用於螺旋捲繞的密合墊之組合件 - Google Patents

Description

螺旋捲繞的密合墊以及用於螺旋捲繞的密合墊之組合件

本發明係關於密合墊，而且更特別地係關於一種具有外環與內環之改良型螺旋捲繞的密合墊。本發明的密合墊被製作成能夠放置在管子或導管的凸緣之間，以防止流體外漏。多段管子被連接起來而形成一條輸送管，以便將各種流體從一個位置導引至另一位置。為了促進這些管子的連接，所以在管子的末端上形成凸緣，而此末端可以利用複數個螺栓連接至下一個管子的凸緣。密合墊被插入於凸緣之間以防止流體外漏。

從標準氟化氫(HF)烷化的螺旋捲繞型密合墊(蒙耐合金捲繞物，PTTE填充物、及外碳鋼環)到更加專業並堅固的密合墊類型之使用於氟化氫(HF)烷化單元的新式密合墊的發展是基於最小化凸緣面的腐蝕、克服操作限制及增進密封性能的需求。一項設計目標是要保護碳鋼凸緣面免受侵蝕性HF酸的腐蝕而引起氟化鐵的銹片，同時增進HF連接部位的可靠性與密封性。想要達到的效果是要防止高成本的凸緣損壞、潛在的洩漏，以及需要修理的相關單元之停工。

氫氟酸的侵蝕性所引起的凸緣腐蝕多年來在化學單元中早已相當普遍，因而導致保養、維修與更換成本上的大量支出。具有莫涅爾合金捲繞物，聚四氟乙烯(PTTE)填充物及碳鋼外定位環的標準ASME B16.20螺旋捲繞型密合 墊使得密合墊內徑中的凸緣面很容易暴露於腐蝕過程而受到傷害。

為了防止沿著整個凸緣面的腐蝕，密合墊需要在孔徑處開始密封住腐蝕過程，藉此防止酸朝外移動及污染配合的凸緣面(參考圖1)。

保護凸緣面免受腐蝕性氫氟酸影響之第一種嘗試方案是標準內環的詳細規格。在1993年，ASME B16.20明文規定在具有PTFE填充材料的所有標準螺旋捲繞型密合墊上使用內環，藉此防止螺旋捲繞物朝內鼓起。由於起初的密合墊設計缺乏內環，所以新的標準規格包括一個莫涅爾合金內環。然而，即使具有此內環，當為了例行保養而打開凸緣時，從孔徑到隆起表面的內徑普遍地發生凸緣面腐蝕。

顯然地，單獨包括內環並非解決方案。雖然螺旋捲繞型密合墊的內環強化了捲繞元件的內徑且防止鼓起，但很不幸地，它並未產生如同一個直接密封元件的功能。事實上，已經發現這種結構使得腐蝕過程從內環底下漏出，反而對凸緣面造成比沒有內環的情形下更大範圍的損壞(參考圖2)。

對密合墊來說，不僅需要密封住腐蝕過程，而且還要防止配合的凸緣面內徑之腐蝕，這一點非常重要。為了達成此目的，密合墊必須密封住在孔洞的腐蝕過程，而非僅在隆起的面而已。此意味著內環需要更有效的密封。

保護凸緣面的第二種嘗試方案是標準螺旋捲繞型密合墊內之PTFE內環的標準規格。將一個0.15”厚的燒結PTFE 環切割成符合根據ASME B16.20的標準內環尺寸，且插入具有莫涅爾合金捲繞物、PTFE內環及碳鋼外定位環之ASME B16.20螺旋捲繞型密合墊。此種0.15”厚的PTFE內環容許施加壓縮負載，且提昇密合墊內環部位上之密封效果，而不會影響螺旋捲繞物的可壓縮性。不幸地，由於熱膨脹係數很大，眾所皆知地，特別是在操作期間，此種PTFE內環會收縮且會脫離螺旋捲繞物(參考圖3)。

顯然地，PTFE薄片密合墊材料並不是可達到如內環般的密封件之耐用的解決方案。因此決定恢復採用金屬內環。然而，具有高成本莫涅爾合金內環之螺旋捲繞型密合墊標準結構，已經被證實無法防止整個凸緣面上的腐蝕。

根據業界另一種密合墊類型的成功所推導出，標準0.125”厚的內環被添加到具有莫涅爾合金捲繞物、PTFE填充物及碳鋼定位環之標準螺旋捲繞型密合墊上，且被修改成在環面上包括加工的鋸齒狀突起，如同齒形(kammprofile)或鋸齒狀金屬密合墊中所見到的一樣。「(齒形)kammprofile」一詞是指一種“梳子輪廓”，且被用來描述一種密合墊設計或在每個面上具有鋸齒的密合墊的一部分，例如內環。以下本文中，該一詞被界定成包括這類鋸齒狀結構，此結構覆蓋有PTFE且其面上塗有石墨或PTFE。選擇碳鋼作為內環金屬，且加入一個U形PTFE封套，以保護此碳鋼內環的內徑與表面。此種修改過的螺旋捲繞型密合墊現在包含“雙重”的密封組件：kammprofile齒形內環及用於在隆起表面上產生密封的螺旋捲繞元件(參考圖4)。

當凸緣連接部位在使用過此類型的密合墊之後而打開時，發現在一些情形中由於以下各種因素導致PTFE封套妨礙了內環的成功密封，這些因素為：(1)也許是在安裝期間，封套很容易摺疊，使得鋸齒狀的金屬區域被暴露出來而發生腐蝕；(2)在一些已經發生腐蝕的凸緣中，觀察到U形封套的接縫被切斷，且PTFE被擠入孔洞內；及(3)在其他情形中，發現到PTFE封套會在下游處完全從密合墊的鋸齒狀內環脫離開來。

再次修改內環的設計。保持根據ASME B16.20內環的標準尺寸，而且如同先前一般將kammprofile齒狀形式鋸齒加工於每個環的面上。然而，這一次將鋸齒狀的內環塗覆以PTFE，以防止腐蝕過程直接接觸到金屬。然後，以PTFE塗覆的加工過的鋸齒上塗有0.020”厚的撓性石墨。維持莫涅爾合金捲繞金屬，然而，將填充材料從PTFE換成撓性石墨，藉此提供防火災安全(fire-safe)的特徵(參考圖5)。雖然先前的密合墊發展產生一種解決上述數種性能問題的結構，但是仍然有機會對密合墊的設計作出進一步改良。如下文所揭示的，這些進一步改良著重於針對密合墊的螺旋捲繞部位的結構與配置，及該部位與密合墊結構其餘部位之組合。

一種螺旋捲繞的密合墊，係用於HF烷化單元且被定位於相向的導管凸緣之間。該密合墊包括一外環、一內環、及一個位於外環與內環之間的低壓縮螺旋捲繞部。此螺旋 捲繞部具有連續交錯的金屬捲繞物與密封帶。內環具有多個溝槽及一個撓性石墨塗層。

本發明的一個目的是要揭示一種用於HF烷化單元中的螺旋捲繞的密合墊。

為了促進對本發明的了解，以下將參考圖式中的實施例並運用特定的表達方式來描述本發明。然而，要了解的是，本發明的範圍並未打算被侷限於此，所屬技術領域具有通常知識者仍可以構思出圖中所示的裝置與用途作出其他變化與修改，以及說明書所揭示的原理的進一步修改。

簡單參考關於先前技術的圖1至圖5，圖1的密合墊20代表「先前技術」內容中所討論的一開始的HFA密合墊。如所述的第一種發展產生了圖2的密合墊22，如所述的第二種發展產生了圖3的密合墊24，如所述的第三種發展產生了圖4的密合墊26，如所述的第四種發展產生了圖5的密合墊28。

現在參考圖6至圖9，顯示出本發明的新式密合墊結構。考量最後的密合墊28設計，其結構與性能的評估涉及螺旋捲繞部的壓縮型態之分析。如圖6所示，密合墊30包括一內環31、一外環32及一個在徑向上位於內環31與外環32之間的螺旋捲繞部33。

繼續參考圖6至圖9，內環31沿著其頂表面與底表面具有多個溝槽36(參考圖8)，此等溝槽可以為例如鋸齒狀邊緣。在範例性實施例中，內環31是一個具有鋸齒狀表面的 溝槽碳鋼環。然而，將可察知的是內環可以由任何適當的包括但不侷限於金屬、聚合物、複合材料等材料製成，而且可以包含或不包含溝槽或鋸齒狀表面。

該內環包括一個塗鍍至該溝槽36中的塗層。內環31亦具有一塗層37，此塗層例如可以是PTFE及/或撓性石墨。因此，內環31不會由於溫度變化的緣故而收縮或脫離。而且，塗層37能夠使密合墊30進入個別管子凸緣39的密合墊安置區域38(亦即：凸緣面)的表面防護層之中。因此，密合墊30仍舊維持在正確位置上以實現密封效果。塗層37消除了對於PTFE封套的需求以及與使用PTFE封套相關的問題，同時防止了直接接觸腐蝕性過程與金屬環。理想地，密合墊30維持標準ASME B16.20的尺寸。然而，密合墊30並未被限制於這些尺寸，所屬技術領域具有通常知識者可以理解到密合墊30在很廣泛的尺寸範圍內仍然有效。而且，在所示的實施例中，內環31的內徑實質上類似於個別管子凸緣39的通孔42之直徑，致使當密合墊30位於凸緣39之間的適當位置時，內環31的內面31a實質上與通孔42平齊。有利地，內環31消除了一些通常會在管子凸緣39配合處發現到的縫隙；且因此，消除這些縫隙可增進流體以層流方式通過管子，藉此延長管子、管子凸緣39與密合墊30之使用壽命。

在考慮過圖5的密合墊之性能觀點之後，發現藉由將螺旋捲繞部33的結構改變成低壓縮設計，可以提供性能上的增進。因為考慮到圖1至圖5的早期密合墊結構，特別 是圖5的密合墊28，已提出增加密合墊與凸緣39的接觸面積大小。藉由將對此特定應用的密合墊結構改變成低壓縮密合墊，以密合墊30表示，可減少壓縮密合墊所需之負載。

一種低壓縮類型的密合墊揭示於1998年8月18日公告之美國專利第5,794,946號中。這種密合墊係被建構及配置成在各種負載下進行壓縮與密封。這種密合墊設計一般包括一個螺旋捲繞部及一個外導引環，用以限制密合墊的壓縮。螺旋捲繞物是由金屬與彈性體密封劑的中間插入捲繞物所形成。此金屬捲繞物具有非平面的剖面，藉此抑制在壓縮之下的鼓起。密合墊之尺寸被製作成使得彈性體密封捲繞物的寬度大於金屬捲繞物之寬度，而此金屬捲繞物的寬度大於導引環的厚度。

現在被當作一部分密合墊30使用的特殊形態螺旋捲繞部33係詳細說明於圖7與圖9中。此螺旋捲繞部33一般具有環狀形式(參考圖6)，且包括一個具有第一預定寬度的金屬帶或金屬線，且一個具有較大寬度的密封帶51被插入於金屬捲繞物52之間以形成一個由螺旋捲繞部33所代表的層疊式螺旋捲繞物。提供累積群組的金屬捲繞物52之金屬帶係作為彈性支撐材料，且可以具有曲線或人字形輪廓，以便如彈簧般地作用且在壓縮期間阻止鼓起。然而，將理解的是形成金屬帶的金屬捲繞物52也可以由任何足夠耐用且具彈性的材料形成，包括但不侷限於聚合物或複合材料。密封帶51是一種軟性密合墊材料，例如可以是聚合材料。在一實施例中，根據應用情形而定，每個金屬捲繞 物52具有介於0.145英吋與0.165英吋之間的寬度，而每個密封帶51具有介於0.175英吋與0.185英吋之間的寬度。然而，將可察知的是每個金屬帶捲繞物52及每個密封帶51可以具有任何適當的寬度。此外，在一個實施例中，金屬帶的寬度顯著地大於外環32的高度，但是再次要說明的是，此金屬帶也可以具有任何適當的寬度。

圖6至圖9所示的實施例是典型的二英吋密合墊，而且相關尺寸可以被應用於此尺寸的密合墊上。然而，本文的提到的尺寸關係可以完全應用於所有依據本發明廣義範圍所建構及配置的所有密合墊尺寸。這一點包括密封帶51的高度大於金屬捲繞物52的高度之事實，另外還包括金屬捲繞物52的高度大於外環32的高度之事實。就尺寸方面來說，「高度」係指平行於密合墊30的軸向中心線之方向。

至於此代表性二英吋尺寸密合墊的一些其他尺寸，內環31的內徑大約是2.19英吋，且其結合螺旋捲繞部33處的外徑大約是2.75英吋。螺旋捲繞部33的內徑係對應於內環31的外徑，螺旋捲繞部33的外徑及因此外環32的內徑大約是3.375英吋，外環32的外徑及因此密合墊的外徑大約是4.125英吋。

在圖6至圖9所示的實施例中，外環32是一個習知的外導引環，其具有金屬核心，用以對密合墊30提供強固性。為達此目的，外環32對密合墊30提供額外的徑向強度，以防止密合墊的爆裂，而且，更特別是作用如同用於螺旋捲繞部33的壓縮擋止件。此外，外環32被用來使密合墊 30定心於一凸緣面38上。在所示的實施例中，對應於外環32軸向寬度之「高度」係小於螺旋捲繞部33的高度或軸向寬度。一般來說，外環32的金屬部具有介於0.115英吋與0.131英吋之間的高度。因此，螺旋捲繞部33的金屬帶(亦即：捲繞物52)比外環32更高、軸向上更寬或更厚，而且密封帶51比金屬帶更高。然而，要知道的是外環32、金屬帶及密封帶51可以根據想要的應用、尺寸界面與材料，而具有與本文中所揭示之結構關係一致之任何適當寬度。

現在參考圖9，密合墊30係被放置於一對相鄰的管子凸緣39之間，各凸緣具有一個供流體流過的通孔42。典型地，每個凸緣39具有一個凸緣面38及一個周圍肩部55。密合墊30係被放置於凸緣39之間，致使內環31係被放置於凸緣面38之間，而且內環31的內面31a係與通孔42齊平。此外，螺旋捲繞部33係被放置於凸緣面38之間，且外環32延伸到凸緣肩部55之間的間隙中。藉由複數個亦壓縮著密合墊30的螺栓而將這些凸緣39靠在一起而耦合在一起。因此，密合墊30藉由螺旋捲繞部33與內環31密封。該內環31包括該塗鍍至所述溝槽36中的塗層37。起初，內環31的塗層37滲透到溝槽36內開始產生密封，同時螺旋捲繞部33的密封捲繞物51被壓縮而亦開始產生密封。之後，金屬捲繞物52與密封帶捲繞物51兩者之壓縮會持續，直到外環32所產生的壓縮極限到達為止。有利地，比起其他密合墊來說，本發明密合墊30中內環31與螺旋捲繞部33之組合，能允許密合墊30在較小的負載下產生 密封效果。而且，內環31能允許在內環31處產生主要密封，而在螺旋捲繞部33產生輔助密封。因此，能夠保護凸緣面38免受腐蝕，而仍能夠維持通過此通孔42的層流。

繼續參考圖9以及螺旋捲繞部33，已經提到如螺旋捲繞部33所代表之低壓縮結構以及此種低壓縮形式的獨特實施方式，可以對氫氟酸烷化單元的環境具有正面的應用性。促成低壓縮品質的一項結構特點是利用具有縮小寬度的金屬(不銹鋼)線。藉由變成較窄的寬度以用於低壓縮類型，在此種密合墊30中，用以壓縮密合墊所需的負載較小。

雖然已經藉由圖式與前文的敘述詳細說明本發明的較佳實施例，但是這些僅被認為是說明性而非限制性，在不背離本發明精神之前提下，仍可以產生許多變化與修改。

<先前技術>

20‧‧‧密合墊

22‧‧‧密合墊

24‧‧‧密合墊

26‧‧‧密合墊

28‧‧‧密合墊

<本發明>

30‧‧‧密合墊

31‧‧‧內環

31a‧‧‧內面

32‧‧‧外環

33‧‧‧螺旋捲繞部

36‧‧‧溝槽

37‧‧‧塗層

38‧‧‧凸緣面

39‧‧‧凸緣

42‧‧‧通孔

51‧‧‧密封帶

52‧‧‧金屬捲繞物

55‧‧‧肩部

圖1是代表先前技術的原始結構之已安裝HFA密合墊的局部剖面的概略視圖。

圖2是代表先前技術第一種發展之已安裝HFA密合墊的局部剖面的概略視圖。

圖3是代表先前技術第二種發展之已安裝HFA密合墊的局部剖面的概略視圖。

圖4是代表先前技術的第三種發展之已安裝HFA密合墊的局部剖面的概略視圖。

圖5是代表先前技術的第四種發展之已安裝HFA密合墊的局部剖面的概略視圖。

圖6是本發明螺旋捲繞的密合墊之平面俯視圖。

圖7是沿著圖6的直線7-7對圖6的螺旋捲繞的密合墊所作之全部剖面的前視圖。

圖8是圖6螺旋捲繞的密合墊之內環部的內部結構之放大細部的局部前視圖。

圖9是安裝於相向管子凸緣之間之圖6的螺旋捲繞密合墊之完全剖面的局部前視圖。

30‧‧‧密合墊

31‧‧‧內環

31a‧‧‧內面

32‧‧‧外環

33‧‧‧螺旋捲繞部

36‧‧‧溝槽

37‧‧‧塗層

51‧‧‧密封帶

52‧‧‧金屬捲繞物

Claims (18)

1. 一種螺旋捲繞的密合墊，具有環形形狀且使用於相結合的流體導管區段之相向凸緣之間，該螺旋捲繞的密合墊包含：一外環；一內環，其具有沿著該內環的上表面與下表面的多個溝槽；以及一低壓縮螺旋捲繞部，係定位於該外環與該內環之間，該螺旋捲繞部具有一連串交錯的金屬捲繞物與密封帶，該等金屬捲繞物各具有第一寬度尺寸，而該等密封帶各具有第二寬度尺寸，該第二寬度尺寸係大於該第一寬度尺寸。
2. 如申請專利範圍第1項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該外環具有一厚度尺寸，而且該第二寬度尺寸係大於該厚度尺寸。
3. 如申請專利範圍第2項之螺旋捲繞的密合墊，其中，所述密封帶是由聚合材料所製成。
4. 如申請專利範圍第3項之螺旋捲繞的密合墊，其中，所述內環包括一個塗鍍至所述溝槽中的塗層。
5. 如申請專利範圍第4項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該塗層是撓性石墨。
6. 如申請專利範圍第5項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該第一寬度尺寸係介於0.145英吋與0.165英吋之間。
7. 如申請專利範圍第6項之螺旋捲繞的密合墊，其中， 該第二寬度尺寸係介於0.175英吋與0.185英吋之間。
8. 如申請專利範圍第7項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該厚度尺寸係介於0.115英吋與0.131英吋之間。
9. 如申請專利範圍第1項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該第一寬度尺寸係介於0.145英吋與0.165英吋之間。
10. 如申請專利範圍第9項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該第二寬度尺寸係介於0.175英吋與0.185英吋之間。
11. 如申請專利範圍第1項之螺旋捲繞的密合墊，其中，所述密封帶是由聚合材料所製成。
12. 如申請專利範圍第1項之螺旋捲繞的密合墊，其中，所述內環包括一個塗鍍至所述溝槽中的塗層。
13. 如申請專利範圍第12項之螺旋捲繞的密合墊，其中，該塗層是撓性石墨。
14. 一種組合件，其包含：一對相結合的流體導管區段，其被建構且配置成具有相向的凸緣；以及一螺旋捲繞的密合墊，其具有環形形狀且被定位於所述相向凸緣之間，所述螺旋捲繞的密合墊包含：一外環；一內環，其具有沿著該內環的上表面與下表面的多個溝槽；以及一低壓縮螺旋捲繞部，其係定位於該外環與該內環之間，該螺旋捲繞部具有一連串交錯的金屬捲繞物與密封帶，該等金屬捲繞物每個都具有第一寬度尺寸，而該等密 封帶每個都具有第二寬度尺寸，該第二寬度尺寸係大於該第一寬度尺寸。
15. 如申請專利範圍第14項之組合件，其中，該外環具有一厚度尺寸，而且該第二寬度尺寸係大於該厚度尺寸。
16. 如申請專利範圍第15項之組合件，其中，所述密封帶是由聚合材料所製成。
17. 如申請專利範圍第16項之組合件，其中，該內環包括一個塗鍍至所述溝槽中的塗層。
18. 如申請專利範圍第17項之組合件，其中，所述塗層是撓性石墨。