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Die vorliegende Erfindung betrifft bevorzugt ringförmige Dichtungselemente, umfassend fluorhaltige Polymere, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polytetrafluorethylen, welches mit fluorierten Co-Monomeren chemisch modifiziert ist, mit planparallelen Dichtflächen, ein Verfahren zur Herstellung dieser Dichtungselemente sowie die Verwendung von bevorzugt ringförmigen Dichtungselementen mit planparallelen Dichtflächen zur Abdichtung von Rohrleitungsflanschen an Kunststoffleitungen, emaillierten Rohrleitungsflanschen und anderen Flanschsystemen mit geringer zulässiger maximaler Flächenpressung zum Beispiel aufgrund niedriger Beanspruchungsfestigkeit bzw. geringen möglichen Verspannungskräften an den Flanschsystemen.
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Zur Förderung aggressiver Medien, wie zum Beispiel korrosiver und/oder abrasiver Medien, werden häufig Rohrleitungssysteme aus Kunststoff oder Rohrleitungssysteme mit emaillierter Oberfläche eingesetzt. Stahlrohrleitungssysteme, deren Flanschsysteme eine hohe Festigkeit aufweisen, haben auch bei guter Qualität das Problem, sich beim Transport von korrosiven oder abrasiven Medien zu zersetzen. Dies kann zum Versagen der Rohrleitungen führen, so dass diese erneuert werden müssen, wodurch der Einsatz von Stahlrohrleitungssystemen oftmals schon aufgrund wirtschaftlicher Erwägungen ausgeschlossen ist.
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Kunststoffleitungssysteme bzw. Rohrleitungssysteme mit emaillierter Oberfläche sind daher unter Umständen für solche Medien besser geeignet. Jedoch weisen derartige Rohrleitungssysteme wiederum andere Probleme auf, wie beispielsweise die Schwierigkeit eine über lange Zeit andauernde Abdichtung der Flanschelemente zu gewährleisten, aufgrund geringer zulässiger maximaler Flächenpressung wegen beispielsweise niedriger Beanspruchungsfestigkeit bzw. geringen möglichen Verspannungskräften an den Flanschelementen.
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Dichtungen aus Elastomer und auch aus Polytetrafluorethylen (PTFE) sind im Stand der Technik beschrieben. Dichtungen aus Elastomer können aber beispielsweise für Kunststoff-Verbundleitungssysteme wegen den teilweise unzureichenden Materialeigenschaften und der dadurch verursachten schnellen Alterung und Versagen (durch chemischen Angriff oder Sprödbruch) häufig nicht eingesetzt werden. Selbiges trifft auf Profildichtungen aus Elastomeren zu.
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Wie vorstehend erwähnt, sind auch PTFE-Dichtungen ohne bzw. mit Profilierung bereits im Stand der Technik bekannt. Auf Grund der chemischen Beständigkeit sowie der langen Lebensdauer und der damit verbundenen Langzeitsicherheit wird bevorzugt Polytetrafluorethylen (PTFE) mit oder ohne Füllstoff als Dichtungsmaterial in Kunststoffleitungen (besonders auch in ausgekleideten Kunststoffleitungen, sogenannten Kunststoffverbundsystemen) oder Rohrleitungssystemen mit emaillierter Oberfläche verwendet. Anders als zum Beispiel in Stahlleitungen stellt jedoch die sehr geringe maximale Flächenpressung der Kunststoffflansche bzw. der emaillieren Rohrleistungsflansche für die bisher üblichen Polytetrafluorethylen-Dichtungen ein Problem dar.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Dichtungselement, umfassend fluorhaltige Polymere, insbesondere Polytetrafluorethylen (PTFE) oder modifiziertes PTFE mit oder ohne Füllstoffen. Das Dichtungselement weist Dichtflächen auf, die planparallel angeordnet sind und insbesondere zur Abdichtung von Flanschsystemen geringer (Beanspruchungs-)Festigkeit geeignet sind. Das Dichtungselement weist mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufende Zonen auf, in denen das Dichtungsmaterial unterschiedliche Dichte aufweist, so dass das Dichtungsmaterial ein nicht-konstantes Dichteprofil bezüglich seines Querschnitts im Wesentlichen senkrecht zu einer (lokalen) Umfangsrichtung des Dichtungselements aufweist.
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Das erfindungsgemäße Dichtungselement weist Bereiche höherer Materialdichte auf, was im eingebauten Zustand aufgrund der dichteabhängigen Elastizität des Dichtungsmaterials des Dichtungselements, vorteilhafterweise zwischen den Dichtflächen des Dichtungselements und den jeweils korrespondierenden Dichtflächen eines Flanschsystems, einen höheren Flächendruck bewirkt, als in Bereichen mit geringerer Dichte des Dichtungsmaterials. Bereiche mit höherer Materialdichte weisen eine geringere Elastizität auf als Bereichen mit geringerer Materialdichte, die eine höhere Elastizität ausweisen.
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Durch die Bereiche höherer Materialdichte wird eine sehr gute Leckageeigenschaft des Dichtungselements, d. h. eine möglichst geringe Leckagerate, erzielt. Die Bereiche mit geringerer Materialdichte zeigen im eingebauten Zustand aufgrund der höheren Elastizität eine verbesserte Anpassungsfähigkeit zwischen den Dichtflächen des Dichtungselements und den jeweils korrespondierenden Dichtflächen des Flanschsystems.
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Zudem ist in den Bereichen höherer Materialdichte des erfindungsgemäßen Dichtungselements die Porosität verringert. Dies stellt sicher, dass bei Anwendung des Dichtungselements keine bzw. zumindest eine im Wesentlichen verringerte Diffusion von zum Beispiel Prozessmedium oder Reinigungsmittel durch diese Bereiche erfolgt. Hierdurch können zum Beispiel Kontaminationen beim Wechsel des Prozessmediums oder nach Reinigung (äußere und/oder innere Reinigung von Rohrleitungssystemen) vermeiden werden.
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Vorteilhafterweise weist das Dichtungselement eine Oberseite, eine Unterseite, einen Innenrand und einen Außenrand auf. Die Oberseite und die Unterseite sind jeweils vorgesehen, um jeweils in dichtenden Kontakt mit einer Dichtfläche eines abzudichtenden Elements, wie zum Beispiel den Dichtflächen eines Flanschsystems, zu kommen. Die Oberseite und die Unterseite sind im Wesentlichen planparallel ausgerichtet. Die mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Zonen grenzen jeweils aneinander an: Die Zonen erstecken sind insbesondere über die gesamte Dicke des Dichtungselements.
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Vorteilhafterweise weist das Dichtungsmaterial des Dichtungselements einen im Wesentlichen konstanten Dichteprofilverlauf bezüglich der Umfangsrichtung des Dichtungselements auf.
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Das erfindungsgemäße Dichtungsmaterial umfasst fluorhaltige Polymere, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyfluorethylenpropylen, Polyperfluoraloxyethylen, Polytrifluorchlorethylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymerisat, Copolymerisaten von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkyvinylether, Copolymerisaten von Ethylen und Tetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Terpolymerisaten aus Ethylen, Tetrafluorethylen und Vinylidenfluorid, wobei gefülltes oder ungefülltes Polytetrafluorethylen bevorzugt ist.
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Vorteilhafterweise wird bei der Herstellung des Dichtungselements für die mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Zonen unterschiedlicher Dichte PTFE-Pulver unterschiedlicher Dichte verwendet. Es werden PTFE-Pulver mit Füllstoffen, sogenannte Compounds, oder ohne Füllstoffe verwendet.
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Vorteilhafterweise umfasst das Dichtungsmaterial Polytetrafluorethylen ohne Füllstoffe, Polytetrafluorethylen mit Füllstoffen, und/oder expandiertes Polytetrafluorethylen.
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Vorteilhafterweise umfassen die Füllstoffe einen oder mehrere der folgenden Stoffe: Mikro-Kugeln, Mikro-Hohlkugeln Mikro-Fasern und/oder Partikel aus Glas, Silizium, Siliziumverbindungen, Bariumsulfat, generell anorganische Verbindungen wie Salze, Metalle, Kohlenstoffe und deren Modifikationen oder Verbindungen und/oder organische Verbindungen auf Kohlenstoff.
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In einer anderen Ausführungsform kann der Füllstoff ein Expandat von Graphit oder blattstrukturierten Silikaten sein, dessen Teilchen im wesentlichen vollständig von dem thermoplastischen Fluorkunststoff, d. h. von dem Polytetrafluorethylen, umhüllt sind und das zusammen mit dem thermoplastischen Fluorkunststoff verpresst ist.
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Der Füllstoffgehalt liegt bevorzugt unter 25 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 15 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt unter 3 Gew.-%. Ferner bevorzugt liegt der Füllstoffgehalt in einem Bereich von ungefähr 15 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 8 Gew.-% bis 5 Gew.-% Die mittlere Partikelgröße des Füllstoffs liegt normalerweise unter 0,5 mm.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement eine Flachdichtung.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement ein im Wesentlichen ringförmiges Dichtungselement.
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Vorteilhafterweise umfassen die abzudichtenden Elemente ein Flanschsystem eines Rohrleitungssystems. Insbesondere ist das Rohrleitungssystem ein Kunststoff rohrleitungssystem, ein Rohrleitungssystem aus einem Kunststoffverbundmaterial, ein Rohrleitungssystem mit zumindest bereichsweise emaillierten Oberflächen oder ein Rohrleitungssystem mit geringer zulässiger maximaler Flächenpressung. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Dichtungselement auch für normal belastbare Flanschsysteme von Rohrleitungssystemen, d. h. deren Oberflächen mit einer höheren maximalen Flächenpressung belastbar sind, und weist eine sehr geringe Leckagerate auf.
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Vorteilhafterweise ist der Dichteprofilverlauf im Wesentlichen zonenweise konstant.
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Vorteilhafterweise weist der Dichteprofilverlauf mindestens ein lokales Maximum im Bereich des Innenrandes des Dichtungselements auf.
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Vorteilhafterweise weist der Dichteprofilverlauf mindestens ein lokales Maximum im Bereich des Außenrandes des Dichtungselements auf.
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Vorteilhafterweise weist der Dichteprofilverlauf mindestens ein lokales Maximum in einem Bereich auf, der im Wesentlichen zwischen dem Innenrand und dem Außenrand des Dichtungselements angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise weist der Dichteprofilverlauf mindestens ein lokales Maximum in einem Bereich auf, der im Wesentlichen zwischen dem Innenrand und dem Außenrand des Dichtungselements mittig angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement herstellbar durch Bereitstellen eines Profilrohlings und Verdichten des Profilrohlings, so dass die Oberseite und die Unterseite des Dichtungselements im Wesentlichen planparallel sind. Der Profilrohling weist ein nicht-konstantes Dickenprofil bezüglich eines Querschnitts senkrecht zur Umfangsrichtung und insbesondere ein konstantes Dickenprofil bezüglich eines Querschnitts in Umfangsrichtung auf.
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Vorteilhafterweise ist der Profilrohling herstellbar durch Bereitstellen eines Rohlings des Dichtungselements mit im Wesentlichen konstanter Dicke und Bearbeiten des Rohlings, so dass der Profilrohling erhalten wird.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement herstellbar durch Verpressen und Sintern von PTFE-Pulver oder von Compounds unterschiedlicher Dichte in mindestens zwei Zonen, die in Umfangsrichtung des Dichtungselements angeordnet sind, in einem Hohlraum eines Werkzeugs. Es werden PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffe verwendet. Die mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufenden Zonen grenzen jeweils aneinander an.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtungselement herstellbar durch Bereitstellen eines Profilrohlings des Dichtungselements und Verdichten des Profilrohlings, so dass die Oberseite und die Unterseite des Dichtungselements im Wesentlichen planparallel sind. Der Profilrohling des Dichtungselements weist mindestens zwei in Umfangsrichtung verlaufende Zonen auf, in denen das Dichtungsmaterial unterschiedliche Dichte aufweist, so dass das Dichtungsmaterial ein nicht-konstantes Dichteprofil eines Querschnitts im Wesentlichen senkrecht zu einer Umfangsrichtung des Profilrohlings des Dichtungselements aufweist. Der Profilrohling weist ein nicht-konstantes Dickenprofil bezüglich eines Querschnitts senkrecht zur Umfangsrichtung und insbesondere ein konstantes Dickenprofil bezüglich eines Querschnitts in Umfangsrichtung auf.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im Rahmen von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Dabei zeigt
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1 eine erste beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht und im radialen Querschnitt;
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2 eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht und im radialen Querschnitt;
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3 eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht und im radialen Querschnitt;
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4 eine vierte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht und im radialen Querschnitt; und
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5 eine fünfte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht und im radialen Querschnitt.
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Die folgende Beschreibung betrifft erfindungsgemäße Ausführungsformen von Dichtungselementen. Das Dichtungsmaterial der Dichtungselemente kann aus reinem Polytetrafluorethylen (PTFE) oder modifiziertem PTFE bestehen oder das Polytetrafluorethylen (PTFE) kann mit einem oder mehreren Füllstoffen versetzt sein. Die erfindungsgemäßen Dichtungselemente weisen planparallele Dichtflächen aus. Insbesondere wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Flachdichtungen als Dichtungselemente beschrieben.
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Das Polytetrafluorethylen (PTFE) kann in seiner speziell verarbeiteten Form, die als expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) bekannt ist, für die Herstellung der erfindungsgemäßen Dichtungselemente eingesetzt werden. Expandiertes Polytetrafluorethylen zeichnet sich dadurch aus, dass während des Verarbeitungsprozesses die PTFE-Molekülfasern orientiert werden, wodurch im Material verbesserte Festigkeits- und Kaltflusseigenschaften, im Vergleich zu nicht-orientiertem Polytetrafluorethylen (PTFE), erzeugt werden.
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Es kann unterschieden werden zwischen monodirektionalem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) und multidirektionalem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE). Bei monodirektionalem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) werden die Molekülfasern im Wesentlichen in eine Richtung orientiert. Bei multidirektionalem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) sind die Molekülfasern in unterschiedliche Richtungen orientiert, so dass eine komplexe Faserstruktur entsteht, die dem Material außerordentliche Festigkeit und Kriechbeständigkeit in Längs- wie auch in Querrichtung verleiht.
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Als Füllstoffe können zum Beispiel Mikro-Kugeln, Mikro-Hohlkugeln, Mikro-Fasern und/oder Partikel jeweils bevorzugt aus Glas, Silizium, Siliziumverbindungen, Bariumsulfat, generell anorganische Verbindungen wie Salze, Metalle, Kohlenstoffe und deren Modifikationen oder Verbindungen und/oder organische Verbindungen auf Kohlenstoff verwendet werden.
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[HERSTELLUNG – Allgemein]
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Zur Herstellung eines Dichtungselements wird PTFE-Pulver bzw. PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffe bei Raumtemperatur in Metallformen auf hydraulischen Pressen zu Vorformlingen einfacher geometrischer Form verdichtet und anschließend in Heißluftöfen – beispielsweise unter Schutzgas z. B. Stickstoffatmosphäre – gesintert. Der Sinterprozess ist abhängig von der Größe und Abmessungen der Vorformlinge und erfolgt durch kontrolliertes Aufheizen, Halten der Temperatur und Abkühlen. Der Pressdruck im Werkzeug beim Verdichten des Pulvers liegt ja nach Pulvertyp mit oder ohne Füllstoffe bei beispielsweise ungefähr 200 bar bis 400 bar für ungefülltes, d. h. reines, PTFE-Pulver, bei PTFE-Pulver mit Füllstoffen (sogenannte Compounds) bei beispielsweise bis zu ungefähr 1000 bar.
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Das Verdichtungsverhältnis (Dichte des Presslings zu Schüttgutdichte des Presspulvers) kann ferner beispielsweise zwischen ungefähr 3:1 und 7:1 liegen. Die Verdichtungsgeschwindigkeit – abhängig von den Abmessungen und Verdichtungsverhältnis – kann beispielsweise zwischen ungefähr 10 mm/min und 100 mm/min gewählt werden. Typische Sintertemperaturen liegen bei ungefähr 330°C bis 380°C.
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Die Verdichtung während der Pressverarbeitung kann bevorzugt nur in eine Richtung erfolgen. Alternativ ist auch isostatisches Verpressen möglich, um eine Verdichtung von allen Seiten zu ermöglichen. Bevorzugt wird der Druck während des Sinterns konstant gehalten. Das PTFE-Pulver (mit oder ohne Füllstoffe) wird beispielsweise mit Hilfe eines druckausübenden, flüssigen Mediums zu geometrisch komplexen Formteilen verpresst, um anschließend gesintert zu werden.
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Die Extrusionsverarbeitung ist eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines PTFE-Dichtungselements und stellt ein kontinuierliches Press-Sinterverfahren bereit. PTFE-Pulver wird über eine Dosiervorrichtung in ein Extrusionsrohr eingebracht, mittels eines Stempels verdichtet und dabei im auf Sintertemperatur erhitzten Rohr weiterbefördert. Die einzelnen Dosierchargen sintern zu einem endlosen Extrudat zusammen. Geeignet hierzu sind zum Beispiel rieselfähige und thermisch vorbehandelte Pulvertypen, die bei Extrusionsdrücken zwischen beispielsweise ungefähr 100 bar und 450 bar und Temperaturen in der Heizstrecke, die in mehrere Regelzonen aufgeteilt sein können, von beispielsweise ungefähr 340°C bis 380°C verarbeitet werden. Extrusionsgeschwindigkeit, d. h. Stempelgeschwindigkeit, Verweilzeit in der Sinterzone, Verwendung von Bremsvorrichtungen sind vorzugsweise von Größe und Form des Extrudates abhängig.
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Die Pastenextrusion ist ein ebenfalls kontinuierliches Pressverfahren von PTFE-Feinpulver mit Gleitmittelzusatz, anschließendem Verdampfen des Gleitmittels und Sintern des Extrudates.
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Die durch Pressen und Extrudieren hergestellten Halbzeuge lassen sich durch übliche Zerspanungstechniken – Sägen, Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen – zum Beispiel auf den bekannten Werkzeugmaschinen mit Werkzeugen, die denen der Holzverarbeitung gleichen – zu Fertigteilen verarbeiten. Die geringe Wärmeleitfähigkeit und der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient können bei ungünstigen Bearbeitungsbedingungen Fehlerursachen bilden. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten sollte bevorzugt – zum Beispiel mit Luft – gekühlt werden. Zu beachten ist weiterhin, dass PTFE zwischen 19°C und 23°C einen Umwandlungspunkt des kristallinen Gefüges aufweist, der eine Volumenänderung von ca. 1% bedingt.
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[HERSTELLUNG]
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Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Dichtungselements kann einer gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wie nachfolgend beschrieben unter Bezugnahme auf ein beispielhaftes Zwei-Komponenten-System bzw. Dichtungselement mit zwei Dichtezonen erfolgen. Weiterhin betrifft das nachfolgend beschriebene Herstellungsverfahren eine im Wesentlichen ringförmige Flachdichtung. Es soll jedoch verstanden werden, dass die ringförmige Flachdichtung lediglich eine mögliche Geometrie des erfindungsgemäßen Dichtungselements ist und die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
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Ein Metallrohr mit mindestens zwei innerhalb und bevorzugt koaxial angeordneten Innenrohren wird bereitgestellt. Der Innendurchmesser des (äußeren) Metallrohrs entspricht im Wesentlichen dem Außendurchmesser der ringförmigen Flachdichtung. Der Außendurchmesser des Innenrohrs mit dem geringsten Außendurchmesser entspricht im Wesentlichen dem Innendurchmesser der ringförmigen Flachdichtung.
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Das (äußere) Metallrohr wird mit einem PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffen befüllt. Die Innenrohre, ausgenommen das Innenrohr mit dem geringsten Außendurchmesser, werden ebenso mit PTFE-Pulvern mit oder ohne Füllstoffen befüllt.
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Mindestens zwei der PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffe, mit dem die Rohre befüllt werden, unterscheidet sich hinsichtlich ihrer Dichte und/oder Zusammensetzung.
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PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffe unterschiedlicher Dichte kann zum Beispiel erhalten werden, indem PTFE-Pulver mit unterschiedlichem Molekulargewicht verwendet wird, unterschiedliche Füllstoffanteile zugegeben werden und/oder unterschiedliche Füllstoffe oder Füllstoffkombinationen zugefügt werden.
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Die Innenrohre, ausgenommen das Innenrohr mit dem geringsten Außendurchmesser, werden nach dem Befüllen ausgezogen. Anschließend wird nun das sich zonenweise unterscheidende PTFE-Pulver mit oder ohne Füllstoffe verpresst und gesintert.
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Nach dem Sintern wird ein rohrförmiger Rohling erhalten, von dem einzelne Dichtungselemente abgestochen werden können.
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Entsprechend der zugegebenen, sich zonenweise unterscheidenden PTFE-Pulver weist das abgestochene Dichtungselement nun ein nicht-konstantes Dichteprofil im radialen Querschnitt durch das Dichtungselement auf.
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Mit einem der vorstehend beschriebenen Verfahren ist es möglich, die dieser Erfindung zugrundeliegenden Dichtungselemente herzustellen. Jedoch ist die Erfindung nicht als darauf beschränk zu verstehen. Ein erfindungsgemäßes Dichtungselement mit zwei oder mehreren Zonen unterschiedlicher Dichte kann auch durch Zuhilfenahme von im Stand der Technik bekannten Werkzeugen erfolgen, indem Vorkehrungen getroffen werden, um PTFE-Pulver (mit oder ohne Füllstoffen) unterschiedlicher Dichte zonenweise einzubringen, um anschließend verpresst und gesintert zu werden.
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Zusätzlich ist es möglich, einen sogenannten Profilrohling des Dichtungselements nach vorstehend beschriebenem Verfahren herzustellen, der zwei oder mehrere Zonen aufweist, in denen sich die Dichten des Dichtungsmaterials unterscheiden. Zum Beispiel kann von dem vorstehend beschriebenen rohrförmigen Rohling ein Profilrohling konisch abgestochen werden.
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Alternativ und oder nachfolgend kann das vom rohrförmigen Rohling abgestochene Dichtungselement einer Bearbeitung unterzogen werden, die Profile in die Dichtflächen des Dichtungselements erzeugt. Nach erfolgter Bearbeitung wird ein sogenannter Profilrohling erhalten, der vorbestimmte Abmessungen und ein vorbestimmtes nicht-konstantes Dickenprofil aufweist. Das nicht-konstante Dickenprofil ist vorzugsweise ein Dickenprofil des Profilrohlings bezüglich eines Querschnitts senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung. Das Dickenprofil des Profilrohlings in Umfangsrichtung ist bevorzugt konstant.
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Unabhängig von dem gewählten Verfahren zur Herstellung des Profilrohlings, kann das Dickenprofil des Profilrohlings senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung von außen nach innen und/oder von innen nach außen abnehmend ausgebildet sein. Ebenso kann das Dickenprofil senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung von außen nach innen und/oder von innen nach außen zunehmend ausgebildet sein. Das Dickenprofil kann hierbei vorzugsweise bereichsweise konstant sein. Ferner kann das Dickenprofil vorzugsweise bereichsweise konstant abnehmend bzw. zunehmen ausgebildet sein. Das Innere des Dichtungselements bezeichnet hierbei den Bereich, der von dem Dichtungselement eingeschlossen wird.
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Die Dickenprofilierung senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung kann hierbei auf einer der die Dichtflächen bildenden Unterseite oder Oberseite ausgebildet sein, während die gegenüberliegende Dichtfläche im Wesentlichen eben ist. Die Dickenprofilierung senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung kann ebenso auf beiden Seiten, d. h. der Unterseite und der Oberseite, ausgebildet sein. Die Dickenprofilierung ist bevorzugt spiegelsymmetrisch auf der Unterseite und der Oberseite des Profilrohlings ausgebildet. Hierbei können die Unterseite und die Oberseite auch unterschiedliche Dickenprofilierungen senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung aufweisen.
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Weiterhin ist möglich, dass das Dickenprofil senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung ein oder mehrere konzentrischen Stege auf der Oberseite und/oder der Unterseite (d. h. die Profilierung) des Dichtungselements nach der Bearbeitung aufweist.
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Das (idealisierte) Dickenprofil der die Dichtflächen bildenden Oberseite und/oder der Unterseite kann vorzugsweise eine nicht-stetige, stufenförmige Funktion sein, d. h. die Dicke senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung ist auf der Oberseite und/oder der Unterseite bereichsweise im Wesentlichen konstant, wie bei einem oder mehrere konzentrischen auf der Oberseite und/oder der Unterseite angeordneten Stegen.
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Ebenso kann der (idealisierte) Dickengradient, d. h. die Ableitung der Dicke in Schnittrichtung, vorzugsweise eine nicht-stetige, stufenförmige Funktion sein, d. h. die Dicke ist bereichsweise im Wesentlichen konstant bzw. nimmt bereichsweise ab oder zu, wie bei einem Rohling mit sich zumindest bereichsweise abnehmender oder zunehmender Dicke.
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Im Fall eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements ist unmittelbar ersichtlich, dass das vorstehende diskutierte Dickenprofil senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung einem Dickenprofil in radialen Querschnittrichtung entspricht, während der vorstehende diskutierte Dickenprofil in Umfangsrichtung einem Dickenprofil in Tangentialrichtung entspricht. Die vorliegende Erfindung soll jedoch nicht auf ringförmige Dichtungselemente beschränkt verstanden werden. Die Dichtungselemente können ebenso zum Beispiel eine in der Aufsicht im Wesentlichen elliptische oder rechteckförmige Gestalt aufweisen.
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[VERDICHTUNG]
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Nachdem der Profilrohling des Dichtungselements zum Beispiel gemäß einem der vorbeschriebenen beispielhaften Verfahren hergestellt wurde, wird der Profilrohling abschließend zu einem Dichtungselement mit planparallelen Dichtflächen verarbeitet.
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Der Profilrohling des Dichtungselements wird anschließend gezielt verdichtet. Die Verdichtung erfolgt vorzugsweise durch Verpressen. Der bearbeite Rohling wird derart verdichtet, dass die die Dichtflächen bildende Unterseite und Oberseite planparallel sind. Das durch die anschließende Verdichtung des Rohlings erhaltene Dichtungselement weist ein Dickenprofil senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung auf, das im Wesentlichen konstant ist, d. h. das abschließend erhaltene Dichtungselement weist eine im Wesentlichen konstante Dicke senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung auf.
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Das resultierende Dichtungselement weist nun einen Dichteverlauf senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung auf, der einerseits durch die unterschiedlichen Zonen und andererseits durch die Verdichtung des Profilrohlings zu einem Dichtungselement mit planparallelen Dichtflächen bestimmt ist.
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Das Verdichten erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur in einem Bereich von ungefähr 150°C bis 380°C und besonders bevorzugt in einem Bereich von ungefähr 150°C bis 260°C, ganz besonders bevorzugt bei ungefähr 150°C bzw. ungefähr 260°C. Bei der Verdichtung wird ferner ein Flächenpressdruck von ungefähr 1 MPa bis 20 MPa, besonders bevorzugt von ugefär 1 MPa bis 10 MPa, und ganz besonders bevorzugt von ungefähr 5 MPa eingestellt.
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Es soll verstanden werden, dass die vorstehend näher beschriebenen Herstellungsverfahren lediglich beispielhaft sind und die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
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[DAS PRODUKT]
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Durch die vorstehend beispielsweise ausgeführten Herstellungsverfahren wird ein Dichtungselement, umfassend Polytetrafluorethylen (PTFE) ohne oder mit einem oder mehreren Füllstoffen erhalten. Das Dichtungselement weist planparallele Dichtflächen, d. h. planparallele die Dichtflächen bildende Oberseite und Unterseite auf und zeigt ein nicht-konstantes Dichteprofil entlang eines Querschnitts senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung, während das Dichtungselement bevorzugt ein im Wesentliches konstantes Dichteprofil entlang der Umfangsrichtung ausweist. Das heißt, dass zum Beispiel eine im Wesentlichen ringförmige erfindungsgemäße Flachdichtung ein nicht-konstantes Dichteprofil im radialen Querschnitt aufweist und ferner bevorzugt ein bevorzugt konstantes Dichteprofil im tangentialen Querschnitt aufweist.
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Das Dichteprofil kann bevorzugt einen Dichtebereich von ungefähr 0,9 g/cm3 bis ungefähr 3,0 g/cm3 umfassen. Insbesondere bevorzugt kann das Dichteprofil einen Dichtebereich von ungefähr 1,9 g/cm3 bis 2,2 g/cm3 für Bereiche mit relativ hoher Dichte auf und einen Dichtebereich von ungefähr 0,9 g/cm3 bis 1,8 g/cm3 für Bereiche mit relativ niedriger Dichte umfassen. Der Bereich relativ hoher Dichte weist beispielsweise der Innenringbereich der in 1 gezeigten Ausführungsform auf und der Bereich relativ geringer Dichte ist beispielsweise der Außenringbereich der in 1 gezeigten Ausführungsform. Die in 1 gezeigte Ausführungsform wird nachfolgend noch näher beschrieben.
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In Rohrleitungssystemen, die von Prozessmedien durchflossen werden, ist die Dichtigkeit der als Verbindungelemente eingesetzten Flanschsysteme von zentraler Bedeutung. Flanschverbindungen bestehen in den meisten Fällen aus den Bauteilen Flansch, Schraube und Dichtung. Diese Bauteile müssen gewährleisten, dass über den kompletten Betriebszeitraum der Dichtverbindung eine bestimmte Leckagerate nicht überschritten wird.
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Gleichzeitig ist die Ausblassicherheit sicher zu stellen, d. h. die Dichtverbindung muss eine plötzlich auftretende hohe Leckagerate verhindern können. Zu berücksichtigen sind dabei verschiedenste Betriebsbedingungen, wie Temperaturschwankungen, äußere Kräfte und Momente, die auf die Dichtverbindung einwirken, oder auch unterschiedlichste Medien.
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Maßgebliche Einflussgrößen auf das Leckageverhalten sind neben der Temperatur die Dichtungsgeometrie, die Flächenpressung, der Innendruck und das Medium. Aus Strömungsmodellen lässt sich ableiten, dass die Flächenpressung bei der Optimierung des Leckageverhaltens als erstes berücksichtigt werden muss, da bei ihrer Änderung der größte Effekt, d. h. eine möglichst geringe Leckagerate, erzielt wird.
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Ferner ist das Verformungsverhalten und das Relaxationsverhalten des Dichtungselements hinsichtlich der Ausblassicherheit in Betracht zu ziehen. Es gibt im Wesentlichen zwei Verformungsverhalten von Flanschverbindungen und insbesondere des Dichtmaterials, die einen Verlust an Flächenpressung vermeiden: ideal elastisches und ideal steifes Verhalten. Das ideal steife Verhalten ist anzustreben, da sich das Dichtmaterial unter zusätzlicher Last, etwa durch Temperaturschwankungen, in diesem Fall nur noch sehr gering verformt.
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Die Flächenpressung während des Betriebs stellt sich nach Abschluss von Kriech-Relaxationsvorgängen in dem Dichtungselement ein. Ein ideales Kriech-Relaxationsverhalten liegt vor, wenn die beim Einbau der Dichtung aufgebrachte Flächenpressung unter Betriebsbedingungen vollständig erhalten bleibt. Da aber alle Bauteile einer Flanschverbindung einer gewissen plastischen Verformung unterliegen, wird ein ideales Kriech-Relaxationsverhalten nie erreicht. Es zeigt sich, dass eine erhöhte Einbauflächenpressung die größte positive Auswirkung auf die Restflächenpressung und damit auf die Ausblassicherheit hat.
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Das erfindungsgemäße Dichtungselement mit dem nicht-konstanten Dichteprofil im Querschnitt senkrecht zur (lokalen) Umfangsrichtung trägt den vorbeschriebenen Erkenntnissen Rechnung. In den Bereichen des erfindungsgemäßen Dichtungselements mit hoher Dichte weist das Dichtungselement eine verringerte Elastizität, eine höhe Steifigkeit und eine verminderte plastische Verformbarkeit auf. Dementsprechend wird eine hohe Flächenpressung unter Betriebsbedingungen erzielt und somit eine erhöhte Ausblassicherheit gewährleistet. Hinsichtlich des Leckageverhaltens ist neben der erhöhten Flächenpressung unter Betriebsbedingungen ebenso die Anpassungsfähigkeit des Dichtungselements in Bereichen mit geringerer Dichte des Dichtungsmaterials zu berücksichtigen, insbesondere wenn nicht nur das Dichtungselement selbst sondern auch die Komponenten des zu dichtenden Flanschsystems Verformungen unterliegen.
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In den nachfolgend beschriebenen Figuren sind beispielhafte, im Wesentlichen ringförmige, flächige Dichtungselemente, jeweils in der Aufsicht auf die Oberseite bzw. die Unterseite und im radialen Querschnitt gezeigt. Im Wesentlichen ringförmig heißt, dass die Dichtungselemente einen im Wesentlichen kreisförmigen Innenrand mit einem Innendurchmesser aufweisen, der einen durch das Dichtungselement umschlossenen Innenbereich definiert, und einen im Wesentlichen kreisförmigen Außenrand mit einem Außendurchmesser aufweisen.
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Der Verlauf der Dichten der Dichtungselemente, d. h. die Dichteprofile, ist mit Hilfe von Schattierungen schematisch illustriert. Bereiche relativ höherer Dichte sind dunkel schattiert und Bereiche relativ geringerer Dichte sind hell schattiert bzw. unschattiert. Die unschattierte Bereiche weisen eine vorbestimmte Dichte auf, die als Bezugsgröße für die Schattierungen dient.
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Die 1(a) bis 1(c) zeigen eine erste beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht, in radialem Querschnitt und einen vergrößerten Ausschnitt des radialen Querschnitts. Das gezeigte Dichtungselement weist zwei ringförmig verlaufende, aneinandergrenzende Zonen unterschiedlicher Dichte auf. Das Dichtungselement hat in der Zone im Innenbereich, das heißt in dem an dem Innenrand angrenzenden Bereich, eine erhöhte Dichte und in der Zone im Außenbereich, das heißt in dem an dem Außenrand angrenzenden Bereich, eine geringere Dichte.
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Wie in den radialen Schnitten erkannt werden kann, ist die Dichte im Wesentlichen zonenweise konstant. Es soll verstanden werden, dass die schematische Darstellung in 1 insofern idealisiert ist, dass kein Übergangsbereich zwischen den Zonen gezeigt ist Zwischen den Zonen findet sich in einem nach vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Dichtungselement ein Übergangsbereich und das Dichtungselement hat in dem Übergangsbereich eine Dichte, die zwischen den Dichten der zwei Zonen liegt.
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In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements ist ebenso kein Übergangsbereich zwischen den Zonen gezeigt. Es soll jedoch verstanden werden, dass die vorstehende Bemerkung hinsichtlich des Übergangbereichs ebenso auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen zutrifft.
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Die 2(a) bis 2(c) zeigen eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht, in radialem Querschnitt und einen vergrößerten Ausschnitt des radialen Querschnitts. Das gezeigte Dichtungselement weist zwei ringförmig verlaufende, aneinandergrenzende Zonen unterschiedlicher Dichte auf. Das Dichtungselement hat in der Zone im Innenbereich, das heißt in dem an dem Innenrand angrenzenden Bereich, eine geringere Dichte und in der Zone im Außenbereich, das heißt in dem an dem Außenrand angrenzenden Bereich, eine erhöhte Dichte. Wie in den radialen Schnitten erkannt werden kann, ist die Dichte im Wesentlichen zonenweise konstant.
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Die 3(a) bis 3(c) zeigen eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht, in radialem Querschnitt und einen vergrößerten Ausschnitt des radialen Querschnitts. Das gezeigte Dichtungselement weist drei ringförmig verlaufende, aneinandergrenzende Zonen unterschiedlicher Dichte auf. Das Dichtungselement hat in der Zone im Innenbereich, das heißt in dem an dem Innenrand angrenzenden Bereich, eine erhöhte Dichte und in der Zone im Außenbereich, das heißt in dem an dem Außenrand angrenzenden Bereich, eine erhöhte Dichte. Das Dichtungselement weist ferner in einer in der Aufsicht mittig angeordneten Zone des Dichtungselements eine geringere Dichte auf. Die mittig angeordnete Zone grenzt jeweils an die Zone im Innenbereich und an die Zone im Außenbereich an. Wie in den radialen Schnitten erkannt werden kann, ist die Dichte im Wesentlichen zonenweise konstant.
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Die 4(a) bis 4(c) zeigen eine vierte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht, in radialem Querschnitt und einen vergrößerten Ausschnitt des radialen Querschnitts. Das gezeigte Dichtungselement weist drei ringförmig verlaufende, aneinandergrenzende Zonen unterschiedlicher Dichte auf. Das Dichtungselement hat in der Zone im Innenbereich, das heißt in dem an dem Innenrand angrenzenden Bereich, eine geringere Dichte und in der Zone im Außenbereich, das heißt in dem an dem Außenrand angrenzenden Bereich, eine geringere Dichte. Das Dichtungselement weist ferner in einer in der Aufsicht mittig angeordneten Zone des Dichtungselements eine erhöhte Dichte auf. Die mittig angeordnete Zone grenzt jeweils an die Zone im Innenbereich und an die Zone im Außenbereich an. Wie in den radialen Schnitten erkannt werden kann, ist die Dichte im Wesentlichen zonenweise konstant.
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Die 5(a) bis 5(c) zeigen eine fünfte beispielhafte Ausführungsform eines im Wesentlichen ringförmigen Dichtungselements in der Aufsicht, in radialem Querschnitt und einen vergrößerten Ausschnitt des radialen Querschnitts. Das gezeigte Dichtungselement weist fünf ringförmig verlaufende, aneinandergrenzende Zonen unterschiedlicher Dichte auf.
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Es soll verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu verstehen ist. Vielmehr sind weitere Dichteprofilverläufe auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung realisierbar. So kann beispielsweise anhand der vorstehenden Beschreibung verstanden werden, dass ein erfindungsgemäßes Dichtungselement mit Dichteprofil ferner bereichsweise unterschiedliche Füllstoffe, bevorzugt auch in Kombination mit einer bereichsweisen Variation des Gehalts an den jeweiligen Füllstoffen aufweisen kann. Die verwendeten Füllstoffe können Zusammensetzungen aus verschiedenen Füllstoffen sein. Das heißt, dass ebenso die Zusammensetzung des Füllstoffs bzw. die Zusammensetzungen der Füllstoffe auch in Kombination einer der vorstehenden Maßnahmen variiert werden kann bzw. können.
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Insbesondere soll verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf bereichsweise konstante Verläufe des Dichteprofils beschränkt ist, auch wenn die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen im Hinblick auf im Wesentlichen konstante Verläufe von Dichteprofilen beschrieben sind. Vielmehr sind auch sich stetig ändernde Verläufe von Dichteprofilen realisierbar, indem beispielsweise bei der Herstellung eines Dichtungselements der Gehalt an Füllstoffen kontinuierlich (entlang des radialen Querschnitts bei einer runden Flachdichtung) geändert wird, wie zum Beispiel vom Innenrand zum Außenrand kontinuierlich zunehmend oder abnehmend. Anhand der Beschreibung wird verstanden, dass sich durch Variation des Gehalts an Füllstoffen, eventuell in Kombination mit einem Verdichtungsschritt, eine Vielzahl von unterschiedlichen Verläufen von Dichteprofilen umsetzten lassen.