專利名稱：低應(yīng)力模制墊片及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及流體密封和墊片連接領(lǐng)域，并且更具體地涉及用于在易 碎接頭中使用的低應(yīng)力模制墊片，所述易碎接頭為例如為塑料(舉例來說，
聚氯乙稀或"PVC")、纖維增強(qiáng)塑料(FRP)和玻璃襯里管，其中螺栓載荷相 對低以防止損壞法蘭連接。
背景技術(shù)：
墊片是夾在兩個可分離的構(gòu)件之間或機(jī)械連接的法蘭之間的材料或材 料組合。墊片起作用以實(shí)現(xiàn)法蘭之間的密封并且將密封維持一持久的時段。 圖l是夾在機(jī)械連接32的兩個法蘭24、 28之間的墊片20的橫截面圖。法 蘭24、 28通過螺栓36固定在一起。圖1也示出了可能作用在連接32上的 常見的力，例如螺栓載荷X、流體靜壓端面力Y和崩出壓力(blowout pressure ) Z。在許多應(yīng)用中，墊片20必須能密封配合表面40、 44,并且對于所密封 的介質(zhì)是不可滲透的并且耐所密封的介質(zhì)的。在許多應(yīng)用中，這樣的墊片20 也必須能經(jīng)受較高的溫度和壓力。在腐蝕性應(yīng)用中，例如在化工廠中遇到的 腐蝕性應(yīng)用中，通常使用PVC和FRP管道。應(yīng)理解，使用這些材料的管道 系統(tǒng)是有些易碎的并且需要在相對低的螺栓載荷下實(shí)現(xiàn)密封的墊片，從而不 會使法蘭破裂或以其它方式損壞法蘭。墊片也必須是尺寸穩(wěn)定的，以在加工 中的可能的熱變化范圍內(nèi)維持密封并且具有寬的化學(xué)適應(yīng)性。
處理與用于在易碎連接中使用的墊片相關(guān)的問題的先前嘗試已經(jīng)包括， 例如，包層墊片(envelope gasket)、橡膠墊片、橡膠/聚四氟乙烯(PTFE) 墊片、填充PTFE (filledPTFE)板、微孔/多孔PTFE板、和復(fù)合PTFE板。 因?yàn)镻FTE有許多用作墊片材料的優(yōu)良性能，PFTE通常被用于在極端環(huán)境 或腐蝕性化學(xué)環(huán)境中的墊片。例如，PTFE本身是堅(jiān)韌的、化學(xué)惰性的，具 有良好的抗拉強(qiáng)度，并且在寬范圍的溫度下是穩(wěn)定的。然而，純PTFE聚合 物在低的法蘭載荷下不是高度可壓縮的并且也傾向于蠕變，它們可能導(dǎo)致密 封壓力的損失。包層墊片是由PTFE包層組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該P(yáng)TFE包層填充有更可壓縮的填充物，例如可壓縮的纖維或毛氈。PTFE包層提供了耐化 學(xué)性同時通過填充材料提供了可變形能力。然而，PTFE包層是相對薄的 (0.010到0.020英寸)并且在制造期間或在使用中可能形成針孔，因此將填 充物暴露于不相容的腐蝕性介質(zhì)，這可能導(dǎo)致密封壓力的損失。這種包層墊 片也具有最小可壓縮的部件，即，作為最外面的墊片表面的PTFE包層在低 的法蘭載荷下不是高度可壓縮的或可變形的。
因?yàn)橄鹉z墊片的可壓縮性和彈性，以及它們在相對低的螺栓載荷下的密 封能力，在塑料和FRP法蘭中通常使用橡膠墊片。然而，橡膠墊片的耐化學(xué) 性和耐熱性有限，并且對于每個應(yīng)用必須確定適當(dāng)?shù)幕衔?compound )。 因此，使用相同管道的多種工業(yè)生產(chǎn)液流可能需要耗時的和高成本的墊片更 換。橡膠/PTFE墊片在橡膠墊片的內(nèi)尺寸(inner dimension)上結(jié)合有PTFE 包層。該包層提高了耐化學(xué)性，同時橡膠基片提供了可壓縮性和可變形性。 然而，PTFE包層再一次是薄的(0.010到0.020英寸)并且在制造期間或在 使用中可能形成針孔，因此使得橡膠基片暴露于不能共存的腐蝕性的介質(zhì)。 同樣地，在低的法蘭載荷下不是高度可壓縮的和可變形的PTFE包層位于橡 膠/PTFE墊片的最外面。
通過將微球結(jié)合到PTFE板材料中能獲得具有良好的可壓縮性的填充 PTFE板。盡管PTFE板材料提供了由最終用戶進(jìn)行修整和修改的靈活性， 但是填充PTFE板材料典型地需要相對高的螺栓載荷以實(shí)現(xiàn)密封。能使用多 種技術(shù)生產(chǎn)微孔/多孔PTFE板，其中一種包括在修整板之前將填充物加入到 PTFE中并且然后在形成板之后去除填充物。這樣，避免殘存在板材料中， 這為它提供了期望的多孔性(也就是，微孔PTFE)。另一種方法包括特定順 序的擠壓、拉伸，并且然后加熱以形成被稱作多孔PTFE的產(chǎn)品。然而，微 孔和多孔PTFE通常是非常軟的和易彎曲的，并且在法蘭間隔可有限的情況 下難以安裝。而且，因?yàn)槲⒖缀投嗫譖TFE板是多孔的，由它們中的任一個 切割成的墊片必須完全壓縮以封閉孔隙從而防止通過墊片泄漏，并且由這些 板切割成的墊片典型地需要相對高的螺栓載荷以實(shí)現(xiàn)密封。為了處理與微孔 /多孔PTFE材料相關(guān)的硬度問題，已經(jīng)提議將多孔微孔和/或多孔PTFE板的 層疊壓在金屬或完全致密PTFE基片上，但是試驗(yàn)顯示，這些材料同樣需要 相對高的螺栓載荷以實(shí)現(xiàn)密封。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的多個方面提供了用于在腐蝕性或極端化學(xué)環(huán)境中使用的由重
構(gòu)的填充PTFE構(gòu)成的模制的不連續(xù)(discrete)的低應(yīng)力墊片。本發(fā)明的實(shí) 施方式包括切割重構(gòu)的填充PTFE環(huán)坯和在分批式爐內(nèi)將重構(gòu)的填充PTFE 環(huán)坯加熱到其凝膠點(diǎn)，并且其后將該坯傳送到處于室溫的壓模內(nèi)，該壓模配 置成在坯的相反面上模制例如兩個或三個凸起的同心密封環(huán)?？焖俚亻]合模 具并且然后在液壓機(jī)里在大約2000到3000磅每平方英寸的壓力下冷卻制 品。其后打開模具和取出制品并且使用鋼刀模(steel rule die )或等效切割設(shè) 備進(jìn)行修整。在最終的墊片中，在模制加工期間鄰近環(huán)的區(qū)域被較大的程度 地壓縮，導(dǎo)致填充PTFE的較高的致密性。這些區(qū)域?yàn)閴|片提供了強(qiáng)度和硬 度，而密封環(huán)的區(qū)域大體上原樣保留，形成了高可壓縮性區(qū)域。
在下面的描述中將部分地闡明本發(fā)明的另外的益處和新穎的特征，并且 基于下面的分析，部分地對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯然的。


圖1是夾在機(jī)械連接的兩個法蘭之間的墊片的橫截面視圖，其示出了影 響連接的力，例如螺栓載荷、流體靜壓端面力、和崩出壓力；
圖2是示例性的實(shí)施方式的具有兩個同心密封環(huán)的低應(yīng)力模制墊片的透 視圖3是示例性的實(shí)施方式的具有兩個同心密封環(huán)的低應(yīng)力模制墊片的頂 視圖4是沿著圖3中的截線A-A的橫截面圖； 圖5是圖4中的部分B的放大圖6示出了包括本發(fā)明的實(shí)施方式的墊片和多種其它類型的墊片材料的 對比試^r結(jié)果的實(shí)例；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的墊片和多種其它類型的墊片材料的 另外的對比試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)例；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的墊片和多種其它類型的墊片材料的 另一對比試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)例。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識到現(xiàn)有墊片材料的一些缺點(diǎn)，并且已經(jīng)開發(fā)出 這里所描述的具有一些特征和益處的墊片。例如，提供用于在腐蝕性的或極
端的化學(xué)環(huán)境中使用的由重構(gòu)的填充PTFE構(gòu)成的模制的不連續(xù)的低應(yīng)力墊 片是本發(fā)明的特征和益處。提供用于在腐蝕性的或極端的化學(xué)環(huán)境中使用的 在低載荷下實(shí)現(xiàn)密封因此減少可能由于在傳統(tǒng)的墊片上實(shí)現(xiàn)密封所需要的 相對高的螺栓載荷導(dǎo)致的易碎法蘭的可能損壞的模制的低應(yīng)力墊片是本發(fā) 明的另一示例性的特征和益處。本發(fā)明的另一示例性的特征和益處是提供用 于在腐蝕性的或極端的化學(xué)環(huán)境中使用的具有良好的回縮性并且在熱循環(huán)
時保持密封的模制低應(yīng)力墊片。本發(fā)明的另一示例性的特征和益處是提供高 可壓縮性的和可變形性的模制低應(yīng)力墊片使它適應(yīng)相配合的法蘭的變形和
波動。本發(fā)明的再一示例性的特征和益處是提供剛性的模制低應(yīng)力墊片以便 于安裝。本發(fā)明的再一示例性的特征和益處是提供不會粘附于連接法蘭上因 此使替換簡化的模制低應(yīng)力墊片。本發(fā)明的另一示例性的特征和益處是提供 寬范圍的耐化學(xué)性和耐熱性的模制低應(yīng)力墊片。
現(xiàn)在詳細(xì)地參照本發(fā)明的各個示例性的實(shí)施方式，在附圖中示出了實(shí)施 方式的一個或多個例子。每個例子是為了解釋而被提供的，并且不被認(rèn)為是 對本發(fā)明的限制。在不脫離發(fā)明的范圍或精神的情況下能對所披露的各個實(shí) 施方式進(jìn)行各種改良和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯然的。例如，作為 一個實(shí)施方式的一部分而被示出或描述的特征能被用在另一個實(shí)施方式中 以形成再一實(shí)施方式。因此，本發(fā)明旨在覆蓋落入本發(fā)明的范圍內(nèi)的這樣的 改良和變化。
本發(fā)明的實(shí)施方式提供了模制PTFE墊片，其中基體材料是通過處理和 通過結(jié)合填充物以形成可壓縮的和比純PTFE更不傾向于蠕變的材料而被強(qiáng) 化的PTFE。而且，多個示例性的實(shí)施方式結(jié)合有在墊片的兩相反表面上模 制的凸起的同心密封環(huán)。這樣的凸起的同心密封環(huán)用于減少墊片的接觸區(qū)域 并且在減小的螺栓載荷下在密封環(huán)上形成的增大的密封應(yīng)力。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的墊片可以具有兩個或三個模制在其外表面上 并且具有相對于墊片的其余表面凸起的表面的同心密封環(huán)，其減少了法蘭上 的墊片的接觸區(qū)域。應(yīng)注意，其它實(shí)施方式也可以僅僅有一個密封環(huán)或有三 個或更多個密封環(huán)。擰緊法蘭螺栓所產(chǎn)生的法蘭載荷因此被分布在相對小的 表面區(qū)域上，在密封環(huán)的區(qū)域上產(chǎn)生相對高的應(yīng)力。密封環(huán)因此能使得墊片在減小的螺栓載荷下實(shí)現(xiàn)密封。
現(xiàn)在參考圖2-5,描述了一實(shí)施方式，其中低應(yīng)力模制墊片具有兩個同 心密封環(huán)。圖2示出了墊片100的透視圖，并且圖3示出了墊片100的頂視 圖，該墊片100具有墊片表面104并且包括外密封環(huán)108和內(nèi)密封環(huán)112。 外密封環(huán)108和內(nèi)密封環(huán)112各自具有相對于墊片表面104凸起的表面，并 且也由比與墊片表面104相關(guān)的材料更易于變形的材料形成。墊片的與墊片 表面104相關(guān)的部分被稱作肋。這個實(shí)施方式和多個其它實(shí)施方式的墊片 100由重構(gòu)(restructure )的填充PTFE材料制成，該重構(gòu)的填充PTFE材料 是商業(yè)上可購得的，如紐約Palymra的卡勒克密封技術(shù)有限公司(Garlock Sealing Technologies )的商標(biāo)為GYLON⑧的產(chǎn)品。這個實(shí)施方式的重構(gòu)的填 充PTFE包括具有雙軸取向的聚合物鏈，以提供增強(qiáng)的機(jī)械性能并且減少蠕 變(與傳統(tǒng)的PTFE化合物相比)。在一個實(shí)施方式中填充物是^:球，其提 高可壓縮性以提供當(dāng)承受最小壓力時，例如在易碎連接中的減少的螺栓載荷 時的嚴(yán)密密封。封有填充物的PTFE基體提供了墊片100的化學(xué)惰性結(jié)構(gòu)。 在這種方式中，墊片100在密封環(huán)108、 112上具有相對易變形材料的區(qū)域， 和相對剛性材料的肋區(qū)域104。
圖4示出了沿著圖3的截線A-A的橫截面圖，且圖5是圖4的部分B 的放大圖。在這個例子中，墊片100具有在墊片100內(nèi)與密封環(huán)108、 112 形成的同心環(huán)的圓形結(jié)構(gòu)。墊片100具有外直徑OD和內(nèi)直徑ID。密封環(huán) 108具有環(huán)直徑RD,并且密封環(huán)112具有環(huán)直徑RD2。在這個實(shí)施方式中， 密封環(huán)108和112是凸起的并且具有相對于表面104的高度h，其中墊片具 有相對于區(qū)域104的厚度t,,和相對于密封環(huán)108和112的區(qū)域的厚度t2。 盡管示出的是圓形墊片100，容易理解，根據(jù)本發(fā)明，墊片可以被制造成許 多不同的結(jié)構(gòu)。
在多個實(shí)施方式中，根據(jù)若干加工步驟形成墊片。 一個實(shí)施方式的墊片 由適當(dāng)厚度的重構(gòu)的填充PTFE板形成，其由已知的加工技術(shù)形成。重構(gòu)的 填充PTFE板在225°F下干燥6小時以去除可能殘留在形成的板內(nèi)的溶劑。 使用鋼刀?；虻刃懈钤O(shè)備切割出具有內(nèi)尺寸和外尺寸(ID和OD )的環(huán)坯。 將該坯在通風(fēng)的分批式爐內(nèi)加熱到大約700°F的凝膠點(diǎn)保持15分鐘。其后， 快速地將坯從分批式爐內(nèi)傳送到處于室溫的壓模內(nèi)。該壓模配置成在墊片的 相反表面上模制出凸起的同心密封環(huán)108和112?？焖俚亻]合該模具并且然后在液壓才幾內(nèi)在大約2000到3000磅每平方英寸的壓力下冷卻制品大約1分 鐘。其后打開模具和取出墊片，并且最后使用鋼刀?；虻刃懈钤O(shè)備修整墊片。
前面的加工，被稱為模壓，與凸起的同心密封環(huán)的幾何形狀一起在墊片 100內(nèi)形成了具有不同的壓縮性/致密性的區(qū)域。在模壓加工過程中鄰近環(huán) 108和112的區(qū)域被較大程度地壓縮，產(chǎn)生較高致密性的填充PTFE。這些 區(qū)域?yàn)閴|片100的對應(yīng)于墊片表面104的部分(也被稱作肋)提供了強(qiáng)度和 硬度。在密封環(huán)108和112的區(qū)域，減少程度的致密性形成環(huán)特征，產(chǎn)生高 可壓縮性區(qū)域。應(yīng)注意，對于多個應(yīng)用可以選擇肋的可壓縮性，以支撐和將 螺栓載荷傳遞到相反的法蘭面，而不發(fā)生過度變形。
在可選的實(shí)施方式中，能使用其它合適的填充物，例如硫酸鋇、二氧化 硅、石墨以及微球，以提供用于多個應(yīng)用的期望機(jī)械性能和/或耐化學(xué)性的 PTFE。其它的實(shí)施方式可以包括被結(jié)合到墊片內(nèi)的金屬或其它材料。例如， 兩個大約0.008'，厚的穿孔(perforated)不銹鋼板環(huán)可以被包裹在墊片的內(nèi)周 邊和外周邊上。這些環(huán)能達(dá)到雙重目的，即增加墊片的抗拉強(qiáng)度以為它提供 較高的壓力性能，并且也作為用于使用感應(yīng)加熱裝置的在模具內(nèi)燒結(jié)的發(fā)熱 元件。
片材料的對比試驗(yàn)的例子。在低載荷和室溫下基于DIN3535標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖6 的試驗(yàn)，其中使用壓力計(jì)采集和測量了在各種墊片應(yīng)力和內(nèi)部壓力下通過密 封的氣體泄漏。進(jìn)一步參考圖6，試驗(yàn)用的墊片材料包括用于本發(fā)明的各個 實(shí)施方式的模制的重構(gòu)的微球填充PTFE墊片[模制的Gylon墊片(Gylon 3504)];重構(gòu)的微球填充PTFE的成品平板[Gylon 3504(1/8"板)];用于本發(fā) 明的其它可選實(shí)施方式的模制的重構(gòu)的硫酸鋇填充PTFE墊片[模制的Gylon 墊片(Gylon 3510)];和重構(gòu)的硫酸鋇填充PTFE墊片的成品平板[Gylon 3510(1/8"板)]。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的墊片與使用多種其它類型的墊片材料的 另外對比試驗(yàn)結(jié)果的表。參考圖7,采用6英寸150磅的全工作面(fbll face) FRP法蘭，使用水作為介質(zhì)進(jìn)行的FRP法蘭試驗(yàn)所使用的墊片材料包括重 構(gòu)的微球填充PTFE的成品平板[Gylon 3504 (1/8"板)];具有多孔PTFE外層 和完全致密PTFE內(nèi)層的成品平板[Gylon3545 (l/8"板)];具有多孔PTFE外層和完全致密PTFE內(nèi)層，帶有未填充的PTFE包層的成品平才反[Gylon3545 w/PTFE包層];膨脹的PTFE墊片[竟?fàn)幃a(chǎn)品式樣(Competitive Product Style ) 800];和用于本發(fā)明的實(shí)施方式的模制的重構(gòu)的微球填充PTFE墊片[模制的 Gylon墊片(Gylon 3504)]。
另一對比試驗(yàn)結(jié)果的表。參考圖8,進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)的墊片材料包括重構(gòu)的 微球填充PTFE成品平板[Gylon 3504 (118"板)];和用于本發(fā)明的實(shí)施方式的 模制的重構(gòu)的微球填充PTFE墊片[模制的Gylon墊片(Gylon 3504)]。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這里所描述的各個示例性的實(shí)施方式僅僅是為了示出本發(fā) 明的原理。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，它的多種改進(jìn)和修改對 本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是非常顯然的。
權(quán)利要求
1. 一種模制的PTFE墊片，包括凸起的密封環(huán)；和鄰近所述凸起的密封環(huán)的肋區(qū)域，其中所述凸起的密封環(huán)由致密度小于所述凸起的密封環(huán)的PTFE的PTFE形成，所述肋區(qū)域?yàn)樗鰤|片提供強(qiáng)度和硬度，并且相對于所述肋區(qū)域所述凸起的密封環(huán)具有高可壓縮性。
全文摘要
一種模制的不連續(xù)的低應(yīng)力墊片由重構(gòu)的填充PTFE構(gòu)成，用于在相對低的螺栓載荷下在腐蝕性或極端化學(xué)環(huán)境中使用。該墊片具有墊片表面并且包括凸起的外密封環(huán)和凸起的內(nèi)密封環(huán)。該墊片可以由重構(gòu)的填充PTFE構(gòu)成，密封環(huán)在較低的壓力下比墊片的其余部分變形大。
文檔編號F16L17/06GK101535702SQ200780041257
公開日2009年9月16日 申請日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者T·S·坦納, 斯蒂芬·皮托拉杰 申請人:卡勒克密封技術(shù)有限責(zé)任公司