DE3514750A1

DE3514750A1 - Dichtung fuer aggressive umgebungsbedingungen

Info

Publication number: DE3514750A1
Application number: DE19853514750
Authority: DE
Inventors: Daniel L. Red Bank N.J. Hertz
Original assignee: Seals Eastern Inc
Current assignee: Seals Eastern Inc
Priority date: 1983-12-27
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1986-10-30
Also published as: GB2172346A; GB2172346B; GB8506886D0; AU3979585A; FR2579712A1; AU568427B2; FR2579712B1; CA1327377C; US4524982A

Description

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S 114 P 102
Anmelder; Seals Eastern Inc., P.O.Box 509, Red Bank, New Jersey 07701, U.S.A.

Bezeichnung der

Erfindung; Dichtung für aggressive Umgebungsbedingungen

Beschreibung;

Die Erfindung bezieht sich auf eine Dichtung auseinem Polymer, wie sie verwendet wird, um zwei Bereiche voneinander zu trennen, in denen sich Fluide verschiedener Drücke und/oder Temperaturen befinden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Dichtung, die aggressiven Umgebungsbedingungen zu widerstehen vermag, wie sie bei mit geothermischen und Olwellen arbeitenden Einrichtungen vorliegen. Der Ausdruck "aggressive Umgebungsbedingungen" soll einschließen die Einflüsse von Hochdruckfluiden, Hochtemperaturfluiden und/oder korrisiven Fluiden.

Ein Dichtungsausfall läßt ein Durchdringen der Dichtung durch das Fluid zu und kann unterschiedliche Ursachen haben. Der polymere Werkstoff, aus dem die Dichtung insgesamt oder in Teilen besteht, kann sich unter der chemischen oder thermischen Beeinflussung durch das Fluid, gegen dessen Austreten aus einem umgrenzten Bereich eine Dichtwirkung erzielt werden soll, verformen oder generell verändern. Das Fluid kann beispielsweise das Dichtungsmaterial zum Quellen bringen, was die Dichtung schwächt. Auch kann die Dichtung durch mechanische Beeinflussung ausfallen, indem ein Dichtring in einen Spalt zwischen zwei Teilen hineingezogen wird, vor dem er liegen soll, um eine Dichtwirkung zu erzielen. So kann beispielsweise ein O-Ring dadurch als Dichtelement ausfallen, daß er in einen abzudichtenden Ringspalt hineinrollt und dabei in eienr Weise verformt wird, daß seine Außenhaut abgezogen wird, als würde dies mit einem scharfen Messer bewirkt.

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Der Dichtungsausfall infolge chemischer oder thermischer Einflüsse sowie infolge Aufquellens des Dichtungsmateriales kann weitgehend durch entsprechende Auswahl des für die Dichtung verwendeten Elastomer vermieden werden. Einen mechanischen Ausfall der Dichtung, d.h. einem Ausfall der Dichtung infolge mechanischer Einwirkungen, wird üblicherweise dadurch entgegengewirkt, daß die Härte des Dichtungsmateriales in Grenzen erhöht wird, um den Schermodul zu erhöhen. Dieser Maßnahme sind jedoch praktische Grenzen gesetzt, weil bei zu hartem Dichtungsmaterial diess nicht mehr die elastische Nachgiebigkeit haben kann, die zur Erlangung der Dichtungswirkung notwendig ist. Mit dem Ziel, die mechanische Widerstandsfähigkeit zu erhöhen, ist es auch bekannt, dem Dichtungsmaterial kurze Fasern hinzuzugeben, wie beispielsweise Aramid-, Asbest-, Zellulose- oder Glasfasern, um die Scherhärte, d.h. die Widerstandsfähigkeit des Elastomer gegen mechanische Einwirkungen zu erhöhen. Diese Mittel können jedoch nicht verhindern, daß ein Dichtring beispielsweise in einen zu dichtenden Spalt hineingezogen wird, insbesondere, wenn die beiden Teile, die den Spalt bilden, gegeneinander bewegt werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtung vorzuschlagen, die aggressiven Umgebungsbedingungen der genannten Arten über lange Zeit standzuhalten vermag.

Eine Lösung dieser Aufgabe soll erfindungsgemäß weiterhin eine Dichtung darstellen, die chemischen und thermischen Einwirkungen widersteht, die gegen ein Aufquellen resistent ist und deren mechanische Festigkeit ausreicht, ein Hineinziehen der Dichtung in einen Spalt zu verhindern, ohne die Elastizität der Dichtung soweit herabzusetzen, daß die gewollte Dichtwirkung nicht mehr gegeben ist.

Gemäß der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe in einem ersten Schritt des

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Herstellungsverfahrens ein mit einem Elastomer getränkter Asbestfaden zu einem ringförmigen Kern geformt. Um diesen Kern wird ein anderer mit einem Elastomer getränkter Asbestfaden schraubenförmig gewickelt. Dies wird vorgeschlagen in der Kenntnis der extremen Resistenz von Asbest gegen hohe Temperaturen. Darüberhinaus hat eine erfindungsgemäße Dichtung eine hohe Dehnfestigkeit, nämlich bis zu 800.000 psi, was dazu führt, daß der Faden des Kernes einer Längung der Dichtung entgegenwirkt, während der Faden der schraubenförmigen Wicklung eine hohe Scherfestigkeit ergibt, die einem Ausziehen der Dichtung entgegenwirkt. Die verwendeten Elastomere sind andererseits extrem widerstandsfähig gegen chemische und/oder thermische Beeinträchtigung.

In der US-PS 3,361,432 ist eine Dichtung offenbart, die mit einem Kern aus einem
Drahtgewebe versehen ist, wobei ein Asbestfaden schraubenförmig um den Kern gewickelt ist und über diese Wicklung ein polymerisierbares Dichtungsmaterial gelegt ist. Eine solche Dichtung kann in wesentlich geringerem Maße als eine erfindungsgemäße Dichtung aggressiven Umgebungsbedinungen widerstehen, weil sich der Kern aus Drahtgewebe verformen kann. Außerdem vermag der Kern nicht eine Längung der Dichtung zu verhindern, weil er seiner Natur nach selbst dehnbar ist. Schließlich vermag die bekannte Dichtung keinen aggressiven Umgebungsbedingungen zu widerstehen, was gerade die Aufgabe einer erfindungsgemäßen Dichtung ist.

Weitere mit der Erfindung gelöste Probleme und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig.l eine Ansicht auf die Stirnseite des Kernes einer Dichtung gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt senkrecht zur Dichtungsebene, wobei die schraubenförmige

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Wicklung um den Kern dargestellt ist, wobei sich die Wicklung über einen Teil der gesamten Länge des Kernes erstreckt, womit eine Zwischenstufe während der Herstellung einer erfindungsgemäßen Dichtung dargestellt ist,

Fig.3 einen Querschnitt senkrecht zur Umfangsrichtung der Dichtung in größerem Maßstab,

Fig.4 einen Querschnitt durch eine Form, wie sie verwendet wird, um eine erfindungsgemäße Dichtung herzustellen,

Fig.5 eine fertige Dichtung in perspektivischer Darstellung,

Fig.6 einen Teil einer perspektivischen Darstellung, teils im Schnitt, einer anderen Form einer Dichtung gemäß der Erfindung,

Fig.7 einen Teil eines Querschnittes einer Dichtung gemäß der Erfindung nach ihrem Einbau zwischen zwei nicht relativ zueinander bewegbaren Teilen,

Fig.8 einen Teil einer perspektivischen Darstellung einer Dichtung gemäß der Erfindung nach ihrem Einbau zwischen zwei gegeneinander bewegbaren Teilen und

Fig.9 einen Teil einer Stirnansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wobei einige Teile weggebrochen sind.

Eine zur Erläuterung der Erfindung beispielhaft ausgewählte Dichtung gemäß Fig.l bis 5 ist zunächst durch Imprägnieren eines chrysotilen Asbestfadens mit einem ausgewählten Elastomer gefertigt. Das Imprägnieren kann im Tauchverfahren oder dadurch erfolgen, daß der Faden durch ein Elastomerbad gezogen wird, wobei sich

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der Elastomer in flüssigem oder halbfesten Zustand befindet. Die Beschaffenheit des Fadens kann die üblichen Nähgarnes sein, obwohl andere Garn- bzw. Fadenbeschaffenheiten nicht ausgeschlossen sein sollen.

Der au f diese Weise aufbereitete Asbestfaden wird in seiner gesamten Länge, beispielsweise unter Verwendung eines entsprechenden Kernes, gewickelt, um den Ringkörper 15 gemäß Fig.l zu bilden. Der Faden des Ringkörpers 15 ist in Fig.3 und

4 durch das Bezugszeichen 16a gekennzeichnet, während das den Faden 16a umhüllende Elastomermaterial mit dem Bezugszeichen 16b gekennzeichnet ist. Auf seiner gesamten Länge wird dann der Kern 15 mit einem an-deren Faden 18 schraubenförmig umwickelt, der ebenfalls aus einem mit einem Elastomer getränkten Asbestfaden besteht. Der Asbestfaden der schraubenförmigen Umwicklung ist in Fig.3 und 4 durch das Bezugszeichen 18a gekennzeichnet, während seine Elastomerumhüllung dort mit dem Bezugszeichen 18b gekennzeichnet ist. Obwohl in Fig.2 bis 4 nur eine einzige schraubenförmige Umwicklung dargestellt ist, können auch mehrere solche übereinanderliegende Wicklungen vorgesehen sein, wenn dies durch die Einsatzbedingungen für die Dichtung gefordert werden sollte.

Nach dem Aufbringen der schraubenförmigen Wicklung hat der die Wicklung tragende Kern 15 im wesentlichen einen Kreisquerschnitt gemäß Fig.3. Ist das die in der fertigen Dichtung geforderte Kontur, so wird der Kern mit seiner schraubenförmigen Umwicklung in ein Elastomerbad getaucht, und diese abschließende Elastomerbeschichtung bildet zusammen mit der Imprägnierung der Fäden den Elastomeranteil der fertigen Dichtung. Wird eine Dichtung mit anderem Querschnitt verlangt, beispielsweise eine Dichtung mit einem V-Querschnitt, so wird die Dichtung nach dem letzten Eintauchen in ein Elastomerbad in eine Form 19 (Fig.4) eingelegt, deren Hohlraum die gewollte Kontur hat und der Dichtung mitteilt. Dabei kann die äußere Beschichtung 20 aus Elastomer nach dem

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Einlegen der Dichtung in eine entsprechende Form einer Wärme- und Druckbehandlung unterworfen werden, um eine fertige Dichtung 21 gemäß Fig.5 entsprechender Kontur und mit entsprechendem Querschnitt zu erhalten.

Eine solche Dichtung, mit einem nicht runden Querschnitt, ist in Fig.6 dargestellt. In diesem Fall hat der Kern eine mehr langgestreckte Querschnittsform, so daß jede Windung der schraubenförmigen Umwicklung 26 eine ähnliche, eher langgestreckte, beispielsweise ovale Form hat. Das zeigt, daß mit der Erfindung der Dichtung jede Querschnittsform gegeben werden kann, wie sie auch von üblichen Dichtungen

gefordert wird.

Der für die Herstellung von erfindungsgemäßen Dichtungen vorzugsweise zu verwendende Elastomer ist Tetrafluoräthylen-Propylenco- oder -terpolymer, dessen Zusammensetzung entsprechend dem vorgesehenen Einsatzzweck der jeweiligen Dichtung gewählt wird. Ein solcher Elastomer widersteht einer Beeinträchtigung durch Öl selbst bei Temperaturen um oder über 25O⁰C. Für geringere Anforderungen, wenn beispielsweise Öleinwirkungen nur bei Temperaturen bis zu etwa 175⁰C zu erwarten sind, kann auch ein hydrogenisierter Butadienacrylnitril-Copolymer in entsprechender Zusammensetzung verwendet werden. Für geothermische Anwendungsfälle, bei denen Öleinflüsse kein beachtenswerter Faktor sind, kann ein Äthylenpropylenco- oder -terpolymer geeigneter Zusammensetzung Anwendung finden.

Alle drei dieser Elastomere sind für Einsatzbedingungen geeignet, bei denen Wasserstoffsulfid eine Rolle spielt. Der Elastomer auf der Basis von Tetrafluoräthylenpropylen wird bevorzugt, weil er bei allen Umgebungsbedingungen verwen-

det werden kann, einschließlich solchen, bei denen aufgrund ihrer Eigenschaften Athylenpropylen- und hydrogenisierte Nitrilbutadien-Elastomere gut eingesetzt

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werden könnten. Der einzige Nachteil des besonders bevorzugten Elastomer ist, daß er teurer als die beiden anderen ist. Tetrafluoräthylenpropylencopolymer unterscheidet sich von anderen Fluorelastomeren dadurch, daß er keine Vinylidenfluorid(l,l-Difluoräthylen)-Monomere enthält. Diese neigen zu dehydrofluorinieren bei Hitze, in der Gegenwart von Dampf und bei basischen Umgebungseinflüssen unter Bildung von Wasserstofffluorid (HF). HF beeinträchtigt nicht nur die Güte der Asbestfaden, sondern kann auch zur Korrosion von Metallen führen.

Asbest wird gewählt, weil Asbestfaden besonders widerstandsfähig gegen hohe Temperaturen sind. Darüberhinaus erzeugt die Asbestoberfläche insbesondere in Gegenwart von Hydroxylgruppen eine gute Benetzungswirkung gegenüber dem Elastomer. Diese Wirkung ergibt eine extreme Widerstandsfähigkeit gegenüber aggressiven Fluiden und hohen Temperaturen. Im Gegensatz zu Asbestfasern würden andere Fasern, beispielsweise Aramid- oder Glasfasern, dieses Phänomen nicht erbringen. Die Haftung des Elastomers auf solchen Fasern erfolgt trotz der Ausbildung von Faser/EIastomerzwisehenphasen, die weniger gut aggressiven Umgebungseinflüssen, insbesondere den Einflüssen von Fluiden mit hoher Temperatur, widerstehen. Das Asbestfaden/Elastomer-Verhältnis sollte im Bereich zwischen 50/50 und 95/5 liegen, was abhängig von den angestrebten Abdichtwirkungen ist. Gegen Ende des Bereiches, wo der Asbestfadenanteil den Elastomeranteil weit überwiegt, hat der Elastomer die Aufgabe eines Binders oder Klebstoffes, um die einzelnen Windungen an Ort und Stelle zu halten.

In Fig.7 ist eine Dichtung 27 gemäß der Erfindung dargestellt, die zwischen zwei mechanischen Bauteilen 28 und 29 angeordnet ist. Diese beiden Bauteile können relativ zueinander festgelegt sein, oder Teil 29 kann um eine vertikale Achse sich drehen, die in Fig.7 dem Pfeil F gleichgerichtet ist, wobei Teil 28 feststeht. Es wird jedoch davon ausgegangen, daß sich die beiden Teile nicht in vertikaler Richtung

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relativ zueinander bewegen. Der Pfeil F soll einen Fluiddruck unterhalb der Dichtung darstellen, der größer ist, als ein Fluiddruck oberhalb der Dichtung. Diese Fluiddrücke bestehen in den Freiräumen 30 und 31 zwischen den beiden Bauteilen. Bauteil 29 ist mit einer Ringnut 32 zur Aufnahme der Dichtung 27 versehen, wobei Ringnut und Dichtung so bemessen sind, daß die Dichtung mit ihrem Außenumfang mit der der Nut gegenüberliegenden Fläche des Bauteiles 28 zusammenwirkt.

Die Dichtung 27 schließt, wie oben beschrieben, eine ringförmige Kernwindung 15 aus einem mit einem Elastomer imprägnierten Asbestfaden ein, die von einer oder mehreren schraubenförmigen Wicklungen 18 aus einem mit einem Elastomer imprägnierten Asbestfaden umwickelt ist. Die Dichtung kann einen ursprünglich V-f örmigen Querschnitt gehabt haben (Fig.5), den jedoch der hohe Druck F, der auf die Dichtung einwirkt, in einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt verformt hat. Eine Möglichkeit, in der eine gemäß Fig.7 angeordnete übliche Dichtung ausfallen kann, ist die, daß ihr Außenumfang durch den Fluiddruck F in den Spalt 31 hineingezogen wird. Die Dichtung wird dadurch um ihre in Umfangsrichtung verlaufende Längsachse um sich selbst gedreht, so daß die Dichtung zunehmend in den Spalt 31 gelangt, was schließlich zu ihrem Ausfall führt. Demgegenüber wird bei einer erfindungsgemäßen Dichtung 27 die Gefahr, in den Spalt 31 hineingezogen zu werden, absolut vermieden sein, weil ihr die Windungen der schraubenförmigen Wicklung bzw. Wicklungen eine extreme Scherfestigkeit infolge der hohen Dehnfestigkeit des schraubenförmig gewickelten Asbestfadens geben.

In Fig.8 ist eine Dichtung 35 gemäß der Erfindung dargesellt, die als Kolbenring zwischen einem Zylinderblock 36 und einem Kolben 37 angeordnet ist. Der Kolben 37 wird in der Darstellung der Fig.8 horizontal hin- und herbewegt, während der Zylinderblock 36 ortsfest ist. Dabei muß die Dichtung 35 abwechselnd einem Druck in dem Spalt 38 widerstehen, wenn sich der Kolben nach links bewegt, und

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einem Druck in dem Spalt 39, wenn sich der Kolben nach rechts bewegt. Auch in diesem Fall wird eine Dichtung gemäß der Erfindung nicht in die Spalte 38 und 39 hineingezogen, während die Anordnung im Betrieb ist.

In Fig.2 und 3 ist jede Windung der schraubenförmigen Wicklung 18 in einer Ebene dargestellt, die im wesentlichen parallel zu einem Durchmesser des Kernes 15 liegt, der durch diese Windung geführt ist. Eine derart aufgebaute Dichtung kann in hohem Maße verdreht werden, wobei sie keine Längung erfährt, weil der Asbestkernfaden eine große Dehnfestigkeit hat. Wird eine Dichtung mit hoher Torsionssteifigkeit verlangt, kann sie gemäß Fig.9 ausgebildet werden. Ein mit einem Elastomer imprägnierter Asbestfaden 116 wird zu einem ringförmigen Kern 115 gewickelt. Eine erste schraubenförmige Wicklung 118 aus einem mit einem. Elastomer imprägnierten Asbestfaden wird um den Kern 115 gelegt. 3ede Windung der Wicklung kann wie die Windungen der Wicklung 18 in einer Ebene liegen, die im wesentlichen parallel zum Durchmesser D des Kernes 115 liegt, der durch diese Windung geführt ist. Über diese Wicklung 118 wird eine zweite Wicklung 140 gelegt, von der jede Windung in einer Ebene liegt, die mit dem Durchmesser D¹ des Kernes 115, der durch diese Windung geführt ist, einen spitzen Winkel einschließt. Zusätzlich zu dieser Wicklung 140 ist auf dieser eine dritte Wicklung 141 angeordnet, wobei jede Windung der Wicklung 141 in einer Ebene liegt, die mit einem Durchmesser D" des Kernes 115 einen spitzen Winkel bildet, der durch die Windung geht. Zusätzlich ist die Ebene jeder Windung der Wicklung 141 unter einem spitzen Winkel zu der Ebene jeder Windung der Wicklung 140 angeordnet, über der sie liegt. Eine weitere Wicklung 142 kann über der Wicklung 141 liegen, die entsprechend der Wicklung 118 angeordnet ist. Weitere Abwandlungen in Anzahl und Ausrichtung der Wicklungen können vorgesehen sein, wenn nur jede Wicklung auf ihrer gesamten Länge ein mit einem Polymer getränkter Asbestfaden ist, der sich über die gesamte Länge des Kernes 118 erstreckt. Da einige der Wicklungen,

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z.B. die Wicklungen 140 und 141 Windungen haben, die einander kreuzen, hat die Dichtung eine hohe Torsionsfestigkeit.

Bei Vergleichsversuchen haben sich erfindungsgemäße Dichtungen deutlich überlegen gezeigt unter Verwendung von Tetrafluoräthylenperfluorvinylmethyläther-Copolymer (z.B. der Marke Kalrez). Bei 45O⁰F fiel eine solche Dichtung bei dynamischer Beanspruchung bei 5.000 psi aus. Bei gleicher Temperatur blieb demgegenüber eine erfindungsgemäße Dichtung bis 20.000 psi funktionsfähig. Eine erfindungsgemäße Dichtung arbeitete auch bei 5OQ⁰F und einem Druck von 800 psi zufriedenstellend.

Damit ist die Erfindung nur beispielhaft beschrieben. Ihr Kern ergibt sich aus den Ansprüchen. Im Rahmen der Ansprüche sind Abwandlungen ohne weiteres möglich.

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Claims

S 114 P 102 Anmelder; Seals Eastern Inc., P.O.Box 509, Red Bank, New Jersey 07701, U.S.A. Bezeichnung der Erfindung; Dichtung für aggressive Umgebungsbedingungen Patentansprüche;

1. Dichtung für aggressive Umgebungsbedingungen, gekennzeichnet durch

1.1 einen ringförmigen Kern mit einer Wicklung aus Asbestfaser, die mit einem Elastomer imprägniert ist und

1.2 eine schraubenförmige Wicklung, die um den Kern auf dessen gesamter Länge gewickelt ist, wobei die Wicklung einen mit einem Elastomer imprägnierten Asbestfaden aufweist, wobei dieser Elastomer aggressiven Umgebungsbedingungen gegenüber widerstandsfähig ist.

2. Dichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Beschichtung aus einem Elastomer, der widerstandsfähig gegen aggressive Umgebungsbedinungen ist und die schraubenförmige Wicklung umgibt.

3. Dichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer ein Tetrafluoräthylen-Propylen- Copolymer oder -Terpolymer ist.

4. Dichtung gemäß einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomer ausgewählt ist aus der Gruppe Ä'thylenpropylen-Copolymer oder Terpolymer, hydrogenisierter Butadien-Acrylonitril-Copolymer und Tetrafluoräthylen-Propylen-Copolymer oder -Termpolymer.

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5. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Wicklungen aus mit einem Elastomer imprägnierten Asbestfäden, die den Kern umgeben und übereinander gewickelt sind.

. 6. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung jeder schraubenförmigen Wicklung in einer Ebene liegt, die im wesentlichen parallel zu einem Durchmesser des ringförmigen Kerns liegt, der durch die jeweilige Windung geführt ist.

7. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung zumindest einer der schraubenförmigen Wicklungen in einer Ebene angeordnet ist, die unter einem spitzen Winkel zu einem Durchmesser des ringförmigen Kerns liegt, der durch diese Windung geführt ist.

8. Dichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung von zumindest zwei schraubenförmigen Wicklungen in einer Ebne angeordnet ist, die unter einem spitzen Winkel zu einem Durchmesser des ringförmigen Kerns liegt, der durch diese Windung geführt ist, wobei die Ebene jeder Windung einer der beiden Wicklungen unter einem spitzen Winkel zu der Ebene von jeder der Windungen der anderen der Wicklungen liegt, um die sie gewickelt ist.

9. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen im wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt hat.

10. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt hat.

11. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Asbestfaden : Elastomer im Bereich von 50 : 50 bis 95 : 5 bezogen auf das jeweilige Gewicht liegt.

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