用于法兰连接的密封垫的制作方法

专利名称：用于法兰连接的密封垫的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于法兰连接的带有卷边的密封垫，它的泄漏率低于在“保持空气清洁的技术说明”中规定的极限值。
背景技术：
在现有技术例如化学工业的管道和设备中以及发电厂和供暖设备的蒸汽管道中，使用由石墨薄层或含有石墨薄层的层复合材料制成的密封垫。通过石墨添加化合物的热膨胀，和紧接着压缩通过膨胀得到的手风琴风箱状的颗粒制造石墨薄层。这些颗粒在压力下被压缩时互相啮合，因此不用添加粘接剂就能制成稳定、柔性的如薄片或板的平面形结构物。石墨薄层的特点在于，对高温和腐蚀性介质的稳定性，对液体的相对小的渗透性，高的可压缩性，好的回弹性能和在压力下非常小的泄漏倾向。这些特点使石墨薄层适合用作密封材料。
通过在两层石墨薄层之间置入由金属(薄板或薄片)制成的加强夹层，能够增强由石墨制成的密封垫的机械稳定性。因此对于按现有技术的密封垫大多使用总厚度1至4mm的、由多层只有数百μm、其间嵌入金属夹层的强化石墨制成的层复合材料。
由欧洲专利EP0616884已知一种由多层交替的金属层和石墨层制造层复合材料的方法。在金属层和石墨层之间形成一种不会松开的无粘接材料的连接，其中一层选自于有机硅化合物、全氟化化合物或金属皂的材料组的界面活性物质、以薄层形式至少涂覆在至少一个待粘接的表面上，接着使各层待粘接的表面接触，并且在压力和热作用下相互连接。
在该专利文件的实施例4中，描述了一种这样的层复合材料的典型结构。这种层复合材料由四层各层厚度为0.25mm的石墨薄层和三层每层都嵌于两层石墨薄层之间的厚度分别为0.05mm的薄铝板构成，以便产生层相互交替的结果。
当圆环形密封垫的内或/外圆周通过卷边1被围住时，法兰连接的这种层复合材料-密封垫的泄漏率能明显地变小。在图1中示出了一种这样的密封垫横截面，包括四层相同厚度的石墨薄层3′、3″、3和3″″以及嵌于每两层石墨薄层之间的金属薄片2’、2”和2。卷边1包围着层复合材料的所有层。卷边的作用是阻止扩散。石墨被卷边特别强烈地压缩，这样在卷边1和外石墨层3′或3之间实现液体的进一步密封。
根据这个原理制造的满足液体密封高要求的密封垫，例如可以买到名称为SIGRAFLEX Hochdruck的产品(参看SGL CARBON集团的SIGRAFLEX Hochdruck公司的商品说明书)。这种密封垫由多层相同厚度的相互堆叠在一起的石墨薄层构成，在各石墨薄层之间嵌入由金属薄片构成的加强夹层。典型的圆环形密封体的内或/和外圆周被一个卷边包围，这个卷边围夹住层复合材料的所有层。例如对于在欧洲通用的标准-法兰连接中的密封，厚度为2mm的密封垫由四层每层厚度为0.5mm的、其间嵌有三层厚度为0.05mm的不锈钢薄片的石墨薄层构成。这种密封垫装有不锈钢卷边。由这种总共七层的层复合材料制成的密封垫的透气率是0.9*10-5kPa*l/(s*m)(按照VDI-规程2440测量)，这是非常小的。这个泄漏率低于净化空气的技术指导(TA Luft)在24.7.2002为法兰连接规定的极限值10-5kPa*l/(s*m)。通过按照VDI-规程2440检测，也就是说在室温下借助氦质谱分析器在1bar的氦-压差和30Mpa的单位面积压力下进行泄漏测量，证明符合这个极限值。
也已知有按照上述原理制造的厚度较厚的密封垫。例如一种厚度为4mm的密封垫包括八层相同厚度的石墨薄层和七层嵌于其间的金属薄片，也就是说，层复合材料总共包括15层。
由于设备工作和运行安全性与环境保护的原因，特别是与在2002年新通过的TA Luft的实施有关，在工业中存在着对能保持低泄漏率的密封垫的越来越大的需求。

发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于法兰连接的密封垫，这种密封垫具有相对现有技术改善的构造，也就是说，在满足TA Luft要求的不变厚度的情况下，具有减少的高纯低灰的石墨薄层的份额或/和减少的金属夹层的数量，也就是说，在单位面积压力为30Mpa和氦-压差为1bar时，泄漏率低于10-5kPa*l/(s*m)。
这个目的通过在独立权利要求中所述的密封垫结构实现。各从属权利要求给出按照本发明的密封垫的其他有利特征和实施形式。


由下面的说明、附图和实施例得出按照本发明的密封垫的其他特征、细节和优点。附图中图1 按照现有技术带有卷边的法兰密封垫的横截面；图2 带有卷边的法兰密封垫的横截面；图3 按照本发明带有卷边的法兰密封垫的另一种实施形式的横截面。
具体实施例方式
图2表示按照本发明的密封垫的横截面。按照本发明的密封垫有一个由至少一层石墨薄层构成的厚的平面形耐压的内部中心部分5，它嵌在两层没有开孔的金属薄片2’、2”之间。金属薄片背离中心部分的表面用由石墨薄层构成的与中心部分相比薄的覆盖层4’、4”覆盖。典型的圆环形密封体的与待密封空腔邻接的内圆周被一个卷边1包围。卷边1包住组成密封垫的所有各层层复合材料。除内卷边外，也可以设有一个外卷边(在图2中未画出)。通过附加的外卷边提高密封垫的吹出安全性。
对于按照本发明的密封垫功能决定性的是，形成覆盖层的石墨薄层的单位面积重量与形成中心部分的石墨薄层的单位面积重量的比在1∶3和1∶7之间。单位面积重量(单位为g/m2)是石墨薄层的厚度(单位为m)和密度(单位为g/m3)的乘积。各层的单位面积重量根据这些层在按照本发明的层复合中所担负的不同功能来选择。
由石墨薄层构成的外覆盖层的功能在于，与法兰密封垫地匹配并且与卷边形成一个液体密封的终端，这样尽可能地防止泄漏路径的形成。位于卷边下面的覆盖层区域被非常强烈地挤压，使得在该区域的石墨透液性明显减小。覆盖层石墨薄层的单位面积重量越小，则泄漏率越低。因此，用于按照本发明密封垫的覆盖层的石墨薄层的单位面积重量最高为350g/m2，并且最好是150到250g/m2。根据现有技术可以制造出密度最小为0.7g/cm3的石墨薄层，因此在最大单位面积重量为350g/m2时得出覆盖层的最大厚度为0.5mm。然而值得追求的是，使石墨覆盖层尽可能的薄，从而使渗入的颗粒尽可能快地撞击到作为一个难于通过的扩散隔膜的金属薄片上。因此在特别优先的实施形式中，覆盖层的厚度在0.15和0.35mm之间。覆盖层的最小厚度由它的功能决定，与法兰密封垫地匹配并补偿法兰的粗糙度。钢制法兰的一般粗糙度最大为Rz＝80到90μm。因此最小厚度为0.15mm的覆盖层足以补偿法兰表面的粗糙度。
外覆盖层与流过待密封空间的介质接触，因此它们必须用特别纯的并从而化学稳定的、灰值(Aschewert，按照DIN51903确定)最高为1％(相应于石墨质量含量至少为99％)的石墨薄层制造。此外，在覆盖层中使用高纯度低灰的石墨薄层对减小由于污染腐蚀法兰的危险是必要的。由于覆盖层必须用特别纯的石墨薄层制造，也由于经济上的原因与中心部分相比减少覆盖层的厚度是有利的。
在按照本发明的层复合中中心部分的功能在于，满足密封垫的机械要求，也就是说，保证足够的可压缩性和回弹，以及给予密封垫对于填满法兰之间空间的必要厚度。当密封垫中心部分的石墨薄层单位面积重量不超过1500g/m2时，可以得到足够的中心部分抗压强度。对于中心部分最好使用单位面积重量在600和1200g/m2之间以及密度在0.7和1.3g/cm3之间的石墨薄层。
按照本发明密封垫的中心部分5不与流过待密封空间的介质接触，因为它的表面被金属薄片2’、2”封闭，并且它的向着待密封空间的边缘被卷边1封闭。因此，对石墨中心部分5在不透性和化学稳定性方面不必提出高的要求。这样，中心部分可以经济地用与覆盖层使用的薄膜相比纯度较低的石墨薄层制造，但符合密封垫的机械要求。石墨含量＞96％，也就是说，质量方面的灰值＜4％的石墨薄层是合适的。
对中心部分不透性的较低要求使得，在按照本发明的层复合内部能够存在一个不带附加的由金属构成的扩散隔膜的相对厚的石墨层。中心部分厚度取决于法兰连接密封所需要的密封垫总厚度。对于在欧洲通常使用的法兰连接，通常需要厚度为2mm的密封垫，对于在美国通常使用的法兰连接密封垫的厚度为1.6mm。
中心部分厚于1.5mm的密封垫可以按照本发明特别有利地构成，其中，中心部分由至少两层单位面积重量分别最多为1500g/m2的石墨薄层构成，在各层石墨薄层之间分别嵌入一层金属夹层。嵌于中心部分各石墨薄层之间的金属夹层可以由插入式薄板(Spiessblech)或拉制金属板构成，因为它必须不能作为扩散隔膜，由于中心部分在其两个表面和卷边处被金属薄片完全包住。嵌于中心部分石墨薄层层之间的金属夹层的概念应该理解为，不仅是没有开孔的金属薄片而且是插入式薄板或拉制金属板。
对于按照本发明包括具有多层石墨薄层的中心部分的密封垫的功能决定性的也在于，形成覆盖层的石墨薄层的单位面积重量小于350g/m2，形成中心部分各层的石墨薄层的单位面积重量小于1500g/m2，以及形成覆盖层的石墨薄层的单位面积重量与形成中心部分各层的石墨薄层的单位面积重量的比在1∶3和1∶7之间。
例如一种按照本发明4mm厚的密封垫具有以下的层结构一层由0.25mm厚的石墨薄层形成的覆盖层4′、一层作为扩散隔膜的0.05mm厚的金属薄片2′、一个包括三层各1.1mm厚的石墨薄层的中心部分，在这些石墨薄层之间嵌入用于加固的金属薄片、厚度为0.05mm的插入式薄板或拉制金属板6’、6”、另一层作为扩散隔膜的0.05mm厚的金属薄片2″和一层由0.25mm厚的石墨薄层形成的覆盖层4″。中心部分中和覆盖层4’、4”中的石墨薄层5′、5″、5的密度都分别是1g/cm3。图3表示这种层结构横截面的示意图，在中心部分5的石墨薄层5’、5”、5之间嵌入金属薄片6’、6”。所有层都被卷边1包围。
在按照本发明的层复合材料的各覆盖层和中心部分之间，一方面对与卷边和法兰共同作用的液体的介质稳定性和密封的功能的分离，以及另一方面可压缩性、回弹性能和充满空间的功能的分离，使得能够降低高纯低灰的石墨的份额，并且减少与石墨层厚度有关的作为扩散隔膜所需要的金属中间层的数量，而不会提高密封垫的泄漏率。
除了作为内部扩散隔膜的作用外，嵌入中心部分和覆盖层之间的金属薄片的功能还在于，机械地加强层复合材料。一般使用由不锈钢、钢、铁、铝、镍、铜、钛或锌或者由镍、铜、铝或锌构成的合金制成的金属薄片或金属片。金属夹层的厚度在0.02和1mm之间，最好是0.02到0.2mm。
在使用多层式中心部分时，在中心部分中位于各层石墨薄层5′、5″...之间的金属夹层6’、6”...可以由插入式薄板或拉制金属板构成，因为它们不必用作为扩散隔膜。对于按照本发明密封垫的功能决定性的是，平面形的、必要时多层的中心部分的两个表面被没有开孔的、用作为扩散隔膜的金属薄片2’、2”覆盖。
通过石墨添加化合物例如石墨盐类，诸如石墨硫酸氢盐和石墨硝酸盐的热膨胀，以及接着不添加粘接剂在压力作用下把这些膨胀产物压缩成片状结构，以已知的方式制造用于按照本发明密封垫的中心部分和覆盖层的石墨薄层。
优选按照EP0616884B中描述的方法制造按本发明的层复合材料。该方法的优点在于，为了在各层之间产生不会松开的粘接，不需要传统的经受老化、软化和/或化学或热分解的粘接剂。代替传统的粘接剂，为了连接金属薄膜和石墨薄层，使用由界面活性物质、例如有机硅化合物、金属皂或全氟化化合物组成的组的增加附着力物质。在涂层的面在压力和高温下作用与待粘接的面接触时，这在特别薄的涂覆层，也就是说只有几个nm的层厚时，在要相互粘接的金属表面和石墨表面上形成一个不会松开的连接。
如果密封垫的使用条件允许，作为选择也可以通过用已知的粘接剂使各层相互粘接来制造按照本发明的层复合材料。
中心部分的石墨薄层和位于其间的插入式薄板之间的连接，可以用已知的方式通过压制来形成，使插入式薄板突出的表面结构挤进石墨薄层内或/和使石墨挤进插入式薄板的开孔内。
如果外覆盖层以已知的方式用树脂浸渍，外覆盖层相对于液体的密封性还能进一步改善。适用的浸渍剂是例如在固化催化剂作用下浓缩成呋喃树脂的糠醇，酚醛树脂、环氧树脂和丙烯酸树脂。
对按照本发明的层复合材料的内圆周和必要时也对外圆周的卷边按照已知的方法进行。通常用于法兰连接的密封垫的卷边用厚度为0.15到0.2mm的不锈钢制造。然而已经确定，由用上述层复合材料制成的带有厚度为0.1mm的卷边的密封垫具有特别低的泄漏率。对于按照本发明的密封垫合适的卷边材料是铬-镍-钢、镍、含有镍的合金、铜和铝。
例子按照VDI-准则2440检测一个具有在表1中说明的结构和用不锈钢(材料编号14401)制造的0.1mm厚的内卷边的密封垫的泄漏率。
表1

为了测量，把密封垫用平的密封条夹紧在DIN-法兰DN40 PN40之间。密封条的粗糙深度为Ra≤6.3μm。用一个导致30MPa单位面积压力的力旋紧螺栓。在装配后把张紧的法兰包放在一个炉子中，在300℃下时效处理48小时。冷却后在1bar的氦-压差下、用氦-检漏器(质谱分析器)测量绝对泄漏率。为了测得比泄漏率，使用实际处于压力下的密封面的平均圆周。
对于按照本发明的密封垫，比泄漏率为0.95*10-5kPa*l(/s*m)。因此按照本发明的密封垫低于TA Luft规定的极限值1*10-5kPa*l(/s*m)。
附图标记清单1 卷边2’、2”、2 金属薄片3’、3”、3、3”” 石墨薄层4’、4” 由石墨薄层形成的覆盖层5 中心部分5’、5”、5 中心部分内的石墨薄层层6’、6”中心部分内的金属薄片
权利要求
1.用于法兰连接的密封垫，它具有一种层复合材料，该层复合材料包括一个平面形的嵌在两层金属薄片(2’、2”)之间的中心部分(5)，该中心部分由一层单位面积重量最高为1500g/m2的石墨薄层或多层单位面积重量最高分别为1500g/m2的石墨薄层(5’、5”…)交替地与各金属夹层(6’、6”…)构成，还包括两层外覆盖层(4’、4”)，它们由单位面积重量最高分别为350g/m2的石墨薄层构成并且覆盖背向中心部分的金属薄片(2’、2”)的表面，以及还包括一个包围层复合材料的所有层的内卷边(1)，其特征在于，所述覆盖层的石墨薄层的单位面积重量与中心部分的石墨薄层的单位面积重量之比在1∶3和1∶7之间。
2.按照权利要求1所述的密封垫，其特征在于，嵌在形成中心部分(5)的各层石墨薄层(5’、5”…)之间的金属夹层(6’、6”…)设计为插入式薄板或拉制金属板。
3.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄层的单位面积重量为500到1200g/m2，形成覆盖层(4’、4”)的石墨薄层的单位面积重量为150到250g/m2。
4.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄层的质量灰值最高为4％，形成覆盖层(4’、4”)的石墨薄层的质量灰值最高为1％。
5.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，形成覆盖层(4’、4”)的石墨薄层的质量灰值最高为0.15％。
6.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，形成中心部分(5)的石墨薄层的质量灰值最高为2％。
7.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，嵌在各覆盖层(4’、4”)和中心部分(5)之间的金属薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄层(5’、5”…)之间的金属薄片、插入式薄板或拉制金属板(6’、6”…)最厚为1mm。
8.按照权利要求1至7之一所述的密封垫，其特征在于，嵌在各覆盖层(4’、4”)和中心部分(5)之间的金属薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄层(5′、5″…)之间的金属薄片、插入式薄板或拉制金属板(6’、6”…)的厚度为0.02到0.2mm。
9.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，嵌在各覆盖层(4’、4”)和中心部分(5)之间的金属薄片(2’、2”)和嵌在中心部分的各石墨薄层(5′、5″…)之间的金属薄片、插入式薄板或拉制金属板(6’、6”…)由选自于包括不锈钢、钢、铁、铝、镍、铜、钛或锌或者由镍、铜、铝或锌组成的合金的材料组的材料制成。
10.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，所述金属薄片与石墨薄层通过一种选自于有机硅化合物、金属皂或全氟化化合物组的界面活性的增加附着力物质或者通过一种粘接剂连接。
11.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，所述由石墨薄层构成的各覆盖层(4’、4”)用呋喃树脂、酚醛树脂、环氧树脂或丙烯酸树脂浸渍。
12.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，通过一个包围层复合材料所有层的外卷边包住密封垫的外圆周。
13.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，所述卷边的厚度最大为0.2mm。
14.按照权利要求1至13之一所述的密封垫，其特征在于，所述卷边的厚度最大为0.1mm。
15.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，所述卷边由一种选自于铬-镍-钢、镍、镍合金、铝或铜材料组的材料制成。
16.按照上述权利要求之一所述的密封垫，其特征在于，按照VDI-准则2440测量的密封垫的泄漏率小于或等于10-5kPa*1(s*m)。
全文摘要
泄漏率低于TA Luft极限值的用于法兰连接的法兰密封垫，包括一个嵌于两层金属薄片之间的厚的平面形耐压的中心部分，它由至少一层单位面积重量最大为1500g/m
文档编号F16L23/00GK1540195SQ200410032518
公开日2004年10月27日 申请日期2004年4月8日 优先权日2003年4月8日
发明者沃尔夫冈·诺特, 阿洛伊斯·鲍曼, 奥斯文·奥廷格, 海科·莱因菲尔德, 马丁·赖因塔勒, 西尔维娅·梅申, 于尔根·巴赫尔, 奥廷格, 巴赫尔, 娅 梅申, 斯 鲍曼, 沃尔夫冈 诺特, 莱因菲尔德, 赖因塔勒 申请人:Sgl碳股份公司