專利名稱：測(cè)試轉(zhuǎn)子和定子組件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉M用磁軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件，特別涉及在絕緣前測(cè)試轉(zhuǎn)子和 軸組件的方法。轉(zhuǎn)子和定子組件可用于透平膨脹機(jī)，泵，壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)和發(fā) 電機(jī)，以及類似用于油氣工業(yè)的渦輪一機(jī)器。
背景技術(shù)：
透平膨脹機(jī)是一禾中降低原料物流壓力的體。這樣做，有用功能夠在壓力 斷氐過(guò)程中被提取出來(lái)。進(jìn)一步的，流出物流也可從透平膨脹機(jī)中被生產(chǎn)出來(lái)。 這種流出物流隨后可fflil分離器或蒸餾柱將流出物分離成重液體物流。透平膨 脹機(jī)使用旋轉(zhuǎn)設(shè)備，它相對(duì)昂貴并且通常包含安裝了具有徑向入口和軸向出口 的殼體的徑向流入渦f^轉(zhuǎn)子。該渦輪轉(zhuǎn)子通過(guò)固定在轉(zhuǎn)子上的軸被旋轉(zhuǎn)安裝在 軸承內(nèi)。這種透平膨脹機(jī)能被多種不同的氣體流用于像氣體分離，天然氣加工 和傳遞，從膨脹過(guò)程中恢復(fù)壓力減低的能量，相關(guān)過(guò)程廢熱的熱能咴復(fù)，等等 的這些事情中。壓縮機(jī)可以和透平膨脹機(jī)連在一起作為獲得功或僅僅耗散從透 平膨脹機(jī)而來(lái)的育g量的一種途徑。有三種初始型的軸承能被用于支持例如上述提及的透平膨脹機(jī)或壓縮機(jī)的 渦輪機(jī)器中的轉(zhuǎn)軸。各種類型的軸承包括磁性軸承，滾動(dòng)軸承和液膜軸承。磁 性軸承采用電磁力定位和支持移動(dòng)軸。軸可能是轉(zhuǎn)動(dòng)的(旋轉(zhuǎn))或往復(fù)的(線 性平移)。相反的，液膜和滾動(dòng)軸承與轉(zhuǎn)軸直^觸并且通常需要一種流體基的 潤(rùn)滑劑，比如油。磁性軸承提供優(yōu)于液膜軸承和滾動(dòng)軸承的性能。磁性軸承通常具有劍氐的 拖曳損失，較高的5更度和緩沖性，以及適度的負(fù)載量。另外，不像其它類型的 軸承，磁性軸承不需要潤(rùn)滑，這排除了增加復(fù)雜性和包含加工污染物風(fēng)險(xiǎn)的油， 閥，泵，過(guò)濾器，激冷器等類似物。在用于轉(zhuǎn)子和定子組件的一種典型磁性軸承設(shè)備中，定子包含多個(gè)圍繞由 鐵磁材料形成的轉(zhuǎn)軸的電磁線圈。每個(gè)電磁線圈，被稱為徑向磁力軸承，因?yàn)?他們徑向圍繞轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生一個(gè)趨向吸引轉(zhuǎn)軸的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)軸組件通過(guò)這些活性徑向磁軸承支持在定子中轉(zhuǎn)軸周圍的合適位置。通過(guò)改變?cè)谔厥獯朋w線圈中的電 流量，吸引力能夠被控制所以轉(zhuǎn)子能保持在磁體中間。定子中的傳感器圍繞轉(zhuǎn) 子并且測(cè)量轉(zhuǎn)子從中間位置的背離度。數(shù)字處理器采用傳感器中的信號(hào)以確定 如何調(diào)整磁體中的電流以使轉(zhuǎn)子處于磁體中間。觀糧軸的位置，處理數(shù)據(jù)和調(diào)整線圈中的電流的循環(huán)，能以每秒高達(dá)25,000次的皿進(jìn)行。因?yàn)檗D(zhuǎn)子"漂浮" 在空間中不與磁體接觸，在此不需要任何種類的潤(rùn)滑。
抗摩擦的軸承以及焊封被安裝在轉(zhuǎn)軸的每個(gè)末端從而在磁性軸承沒(méi)有能量 化時(shí)支持該軸。這避免了轉(zhuǎn)軸和定子的磁性徑向軸承的任何接觸。這些輔助或 "支持鄰M常是干燥的，術(shù)閏滑并且在通常的操作中保持無(wú)負(fù)載。
在油氣工業(yè)中，轉(zhuǎn)子和定子組件可以在能作為冷卻齊啲過(guò)程氣體中運(yùn)行。 典型的過(guò)程氣體是在約10bar到約200bar的壓力下的天然氣。不幸的是，天然 氣可能具有高濃度的污染物。這些污染物可能包括腐蝕性試齊,如硫化氫(H2S), 7k， COz,油，及其它。最壞的情況，水和H2S的組合導(dǎo)致所謂的濕酸氣，一種 更具腐蝕性的氣體。磁性軸承通常需要冷卻以在軸承部件中保持一個(gè)合適的溫 度。直接采用過(guò)程氣體作為冷卻劑4吏無(wú)焊縫系統(tǒng)具有一個(gè)重大優(yōu)勢(shì)，它不需要 緩沖氣體(它們?cè)谏嫌斡蜌鈶?yīng)用中通常不能獲得)并且增強(qiáng)了安裝的渦輪機(jī)器 的安全性和可操作性。但是，磁性軸承組件的冷卻，和因此在含有上述污染物 的過(guò)程氣體環(huán)境中它的使用，使纟 性軸承的脆弱部件具有高度風(fēng)險(xiǎn)性。
美國(guó)國(guó)家腐卞lr程師協(xié)會(huì)(NACE)標(biāo)準(zhǔn)MR0175，"用于油領(lǐng)域設(shè)備的抗 硫化物應(yīng)力腐t蟲W^金屬材料"是在油氣領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，它詳細(xì)說(shuō)明了 在酸氣環(huán)境中提供優(yōu)良使用壽命的機(jī)械所需的合適的材料，熱處理?xiàng)l件，和硬 度水平。NACE認(rèn)證的(compliant)材料或組分是基本上抗像將非NACE認(rèn)證材 料暴露于,或濕酸氣中可能出現(xiàn)的腐蝕的。比如，NACE認(rèn)證的焊接通常要 求一個(gè)后焊接熱處理過(guò)程以減少通常導(dǎo)致腐蝕敏感性的任何焊接應(yīng)力。目前， 沒(méi)有在油氣工業(yè)中使用的磁性軸承系統(tǒng)是得到NACE充分認(rèn)證的。
NACE認(rèn)證是所期望的，因?yàn)檗D(zhuǎn)軸組件包括在操作中可能暴露于酸性氣體 環(huán)境的多個(gè)部件。其中，這些部件包括，轉(zhuǎn)軸本身，磁性軸周圍的磁性轉(zhuǎn)子疊 片，和轉(zhuǎn)子一落地套筒。作為對(duì)腐蝕性試劑敏感的一個(gè)例子，發(fā)現(xiàn)如果轉(zhuǎn)子疊 片被暴露于濕酸氣體，它們通常由于氫變脆和應(yīng)力相關(guān)腐蝕,而損毀。應(yīng)力 相關(guān)腐蝕破裂是由于磁性轉(zhuǎn)子疊片被典型地制備作為在冷縮配合于轉(zhuǎn)軸上的穿孔時(shí)的一個(gè)問(wèn)題。在以工作速度的操作中，這些部分由于冷縮配合應(yīng)力和在此 給予的徑向力而承受相對(duì)高的機(jī)械應(yīng)力。目前在轉(zhuǎn)子定子組件中使用的磁性轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的另一個(gè)缺點(diǎn)涉及通常用于轉(zhuǎn) 軸和/或轉(zhuǎn)子疊片結(jié)構(gòu)的鋼合金。大多數(shù)耐酸性氣體的鋼組合物的選擇通常具有 弱磁性。因?yàn)檫@樣，在轉(zhuǎn)軸上的高電磁損耗產(chǎn)生導(dǎo)致熱負(fù)載超過(guò)1.00W/cm2(6.45W/in2)。暴露于熱負(fù)載的高溫能斷氏鋼對(duì)于酸氣腐蝕的抵抗力。 增加組件的大小使熱負(fù)載最小化從成本和^:組件關(guān)聯(lián)的占地面積(foot print)來(lái) 看是不切實(shí)際的。除了轉(zhuǎn)軸和疊片，轉(zhuǎn)軸組件典型地包括冷縮配合于轉(zhuǎn)軸的每個(gè)末端的轉(zhuǎn)子 落地套筒。該落地套筒在轉(zhuǎn)子落地過(guò)程中嚙合滾動(dòng)支承軸承的內(nèi)部溝槽，在這 個(gè)過(guò)程中，磁性軸承失效并且支承軸承不得不在后來(lái)的關(guān)閉過(guò)程中支持轉(zhuǎn)子。 目前轉(zhuǎn)子落地套筒由一種非NACE認(rèn)證的材料制成，因此在酸性氣體環(huán)境中遭 受腐蝕。磁性軸承定子是一個(gè)提供使轉(zhuǎn)子組件漂浮的磁場(chǎng)的來(lái)源的固定部件。 一個(gè) 氣隙將定子和轉(zhuǎn)軸分離。為了最大化磁場(chǎng)強(qiáng)度和浮力，該氣隙被制成盡可能的 小，盡管仍然符合在轉(zhuǎn)軸和定子中機(jī)械間隙的要求。該間隙大小典型地在毫米 數(shù)量級(jí)上。如果這個(gè)間隙增大，在定子上的線圈需要更大的電流浮起轉(zhuǎn)子，或 者定子的直徑或軸長(zhǎng)必須增加，所有這些增加了定子的整體大小。如果定子大 小被限制并且不能被增加，如果氣隙大于機(jī)械間隙需要的大小時(shí)浮力就減小。目前定子或者是封裝的或者是不封裝的。在封裝的定子的情況下，定子"罐' 保護(hù)定子部件隔離工藝環(huán)境。目前定子罐主要由相同材料的兩個(gè)同心管末端連 接構(gòu)成。這種管狀罐部件位于轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的間隙中。如果罐材料是一夂磁性的那 么在所需機(jī)械間隙的頂端加入額外的磁性間隙，這減少了軸承的容量。為了保 持軸承容量，管狀罐部分的材料選定為磁性的。在目前的實(shí)踐中，定子罐部分由磁性NACE認(rèn)證的合M配(典型例子為 具有15—18wt。/。的鉻，3—5wt^的鎳，禾口3—5wty。的銅，例如17—4沉積硬化 (PH)不辦閃的鉻一鎳合金)并且焊接在一起。該焊接為了完全符合NACE通 常需要在皿60(TC的溫度下后焊接熱處理。但是，由于封裝的電動(dòng)定子組件溫 度限和目前的制備方法，沒(méi)有熱鵬是可行的。所以，焊接目前并不是NACE 認(rèn)證的并在例如暴露于酸性氣體時(shí)遭受腐蝕和損毀。此外，定子的一些部件，例如傳感器，以及電源和設(shè)備線路，不育^^裝并且被暴露于過(guò)程氣體環(huán)境中。涉及現(xiàn)有技術(shù)的圖1，顯示了一種一般指定為10的附圖標(biāo)記的范例渦輪膨 脹一壓縮系統(tǒng)，包括具有支持轉(zhuǎn)軸的多個(gè)磁性轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)子和定子組件。系統(tǒng)io包括在包裹支持轉(zhuǎn)軸20的多個(gè)磁性軸承18的殼體16的相對(duì)末端的渦輪膨脹機(jī) 12和壓縮機(jī)14。^h磁性軸承18包含安置在轉(zhuǎn)軸20周圍的定子22。定子22包括排列以提 供磁場(chǎng)的定子電極，定子疊片，定子線圈(未顯示)。固定于轉(zhuǎn)軸20上的是轉(zhuǎn) 子疊片24， ^轉(zhuǎn)子疊片對(duì)準(zhǔn)并且安置和每個(gè)定子22磁性聯(lián)系。當(dāng)纟^合適的 能量，定子22有效的吸引轉(zhuǎn)子疊片24以提供浮力和轉(zhuǎn)軸的20的徑向布局。該 闡述的系統(tǒng)10進(jìn)一步包括額外的軸向磁性軸承26和28以ffi31反作用于磁性轉(zhuǎn) 子lta盤30將轉(zhuǎn)軸20于軸向方向?qū)?zhǔn)。當(dāng)磁性軸承失效或當(dāng)系統(tǒng)10處于關(guān)閉 狀態(tài)時(shí)，滾動(dòng)支承軸承32在^5每個(gè)轉(zhuǎn)軸末端方燈且被定位以嚙合方爐在轉(zhuǎn)軸 16上的落地套筒34。當(dāng)系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)成適應(yīng)軸向或推進(jìn)負(fù)載時(shí)，增加套筒34的寬度以適應(yīng)任何軸向運(yùn)動(dòng)。支承軸承32通常由滾動(dòng)軸承制成。在這些軸承中，內(nèi)部和外部溝槽需要高 石賊的鋼合金(通常超過(guò)HRC40)以達(dá)到低磨損和長(zhǎng)耐魏命。但是，在鋼合 金中，高硬度和耐腐蝕性質(zhì)是相矛盾的需求。結(jié)果，目前用不符合NACE腐蝕 要求的高IM^鋼合MU備溝槽。系統(tǒng)10進(jìn)一步包括多個(gè)標(biāo)記為36的傳感器以及和控制單元(未顯示)電 連接的電源和設(shè)備線路38 。傳感器36通常應(yīng)用于感應(yīng)在轉(zhuǎn)軸20上的軸向和徑 向不連續(xù)性，這樣在轉(zhuǎn)軸上的軸向和徑向位移能夠通過(guò)控制單元監(jiān)控使得在轉(zhuǎn) 軸20上產(chǎn)生所需的磁浮力?，F(xiàn)有技術(shù)圖2說(shuō)明了范例的轉(zhuǎn)子和定子組件50的部分咅靦圖。轉(zhuǎn)子和定子 組件50包括具有和轉(zhuǎn)軸56連接的轉(zhuǎn)子疊片54的轉(zhuǎn)軸組件52。封裝的定子組件 60圍繞轉(zhuǎn)軸50并且包括定子基座62，被傳導(dǎo)線圈66包裹的磁性定子疊片64， 和定子套筒68。定子套筒68通常具有從0.05-5.0毫米(mm)的厚度范圍。封 裝的定子組件60包括由壁70和定子套筒68限定的通常約一厘米厚的密封焊接 罐。該罐由在各種界面72焊接的多個(gè)部分形成。這些焊接是非NACE認(rèn)證的。 其它未顯示的定子部件為定子槽，電極，傳感器，電源和設(shè)備線路。氣隙80將 轉(zhuǎn)軸組件52和定子組件60分離。在操作中，轉(zhuǎn)軸56在由定子組件60產(chǎn)生的磁場(chǎng)中懸浮。由于在腐蝕環(huán)境中采用磁型軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子和定子組件的使用增加，愈發(fā) 需要克服目前磁性軸承的，缺點(diǎn)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明公開了在安裝前測(cè)試采用磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件的方法。在一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)試采用磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件的方法包含在至少2bar的壓 力下^4卩空氣或惰性氣體氣氛到一260。C到40。C的溫度以形成一個(gè)測(cè)試氣氛;并 且在測(cè)試氣氛中操作轉(zhuǎn)子和定子組件。在另一個(gè)實(shí)施例中，方法包括膨胸氐溫流體到選定溫度和壓力以形成一個(gè) 測(cè)試氣氛，該測(cè)試氣氛中溫度從一26(TC到4(TC并且壓力為至少2bar;并且在該 測(cè)試氣氛中操作轉(zhuǎn)子和定子組件。在此公開的部件和過(guò)程的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)參考下列附圖和具體說(shuō)明，和在 此包括的實(shí)施例更容易被理解。


下列附圖，其中相似部件用樹以數(shù)字編號(hào)，用于示例性說(shuō)明。圖1為磁性軸承系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)示意圖，示例了在膨脹一壓縮機(jī)中〗頓的磁性軸承轉(zhuǎn)子組件和定子。圖2為封裝的定子現(xiàn)有技術(shù)示意圖，顯示了相對(duì)于轉(zhuǎn)子組##歹啲具有非NACE認(rèn)證的焊接的定子罐。圖3為顯示了涂覆聚合物屏蔽層的轉(zhuǎn)子組件的示意圖。圖4為顯示了用NACE認(rèn)證的焊接構(gòu)造定子罐的步驟的示意圖。圖5為相對(duì)于轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子落地套筒布置的滾動(dòng)，軸承的示意圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供包括磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件和裝,于在腐蝕性環(huán)境中使 用的磁性軸承的過(guò)程。磁性軸承組件由于為一些應(yīng)用所需可以被制備得被 NACE充分認(rèn)證。比如，NACE認(rèn)證的轉(zhuǎn)軸組件通過(guò)用屏M涂覆磁性鋼轉(zhuǎn)軸 和轉(zhuǎn)子疊片得到。由于磁性軸承系統(tǒng)采用一個(gè)封裝的定子組件，NACE認(rèn)證的 定子罐通過(guò)4頓用于封裝的磁性和3繊性材料的組合得到，故只在不同材料焊 接在一起時(shí)需要熱處理。相似的，轉(zhuǎn)子落地套筒，支撐軸承的內(nèi)部和外部溝槽， 以及電源和設(shè)備線路能通逝OT特殊材料成為NACE認(rèn)證的，以上將在下文非常詳細(xì)的闡述。一種透平膨脹機(jī)為例，但在此公開的用于腐蝕性環(huán)境的磁性軸承在軸向軸 承和其它磁性軸承的應(yīng)用中有用；例如，泵，壓縮機(jī)，馬達(dá)，發(fā)動(dòng)機(jī)，和其它 渦輪機(jī)械。圖3闡述了使磁性軸承的轉(zhuǎn)子組件的適用于像酸性氣體和濕酸氣環(huán)境的腐 蝕性環(huán)境的一個(gè)實(shí)施例。轉(zhuǎn)軸組件100包括轉(zhuǎn)軸102，方文置在軸周圍的轉(zhuǎn)子疊片 104,和轉(zhuǎn)子落地套筒108。屏^jl 106被顯示安置于所有轉(zhuǎn)軸組件的外露表面。 在一個(gè)任選的實(shí)施例中，屏蔽層被形成于轉(zhuǎn)軸組件的選定表面。比如，屏蔽層 能夠被形成于大多數(shù)傾向于腐蝕的轉(zhuǎn)子組件的選定區(qū)域。這包括轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)子疊 片或用于共同形成轉(zhuǎn)子疊片的沖孔的選定區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施例中，屏蔽層被應(yīng) 用于包括由公知的不具有^m剤氐耐腐蝕性的硅鐵(FeSO律喊的疊片的轉(zhuǎn)子中。 NACE認(rèn)證的合金，例如17—4PH不銹鋼通常不需要聚合物表面涂層因?yàn)樗麄?本身耐腐蝕。ttit的，基底涂層能夠先于屏蔽層的^頓而使用。基底層的具體厚度取決 于選擇的屏蔽材料種類，但是通常必須選定在磁性軸承安裝的特殊環(huán)境中能夠 有效使用。對(duì)于普通的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，從現(xiàn)有技術(shù)中在聚合物組成和所需應(yīng)用 的基礎(chǔ)上優(yōu)化層厚度是顯而易見的。用于形成保護(hù)在腐蝕性環(huán)境中的轉(zhuǎn)軸組件100的屏蔽層106的適合的材料 包括但是不僅限于，各種全部的(例如全氟化的)和部分氟化的聚合物。合適 的全氟聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)和全M^氧基四氟乙烯共聚物(PFA), 氟乙烯一丙烯共聚物(FEP)及類似物。PFA是四氟乙烯[CF2《F2]和全氟烷氧 乙烯醚[F(CF^ CF20CF《F2]的共聚物。合成的聚合物含有具有全織氧割則鏈 的典型的PTFE碳一氟主鏈。適用于屏蔽層的PFA的典型結(jié)構(gòu)是四氟乙烯一全 氟甲基乙烯醚共聚物(MFA)。特別地氟化聚合物包括乙烯一氯三氟乙烯共聚物 (ECTFE),乙烯—四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。氟聚合物組合由Whitford公司以商品名Xylan，出售，Dupont的Teflon 和Teflon-S，也是有用的屏,材料。Xylan 涂層包含部分PTFE,PF入和FEP。 Teflon 涂層包含部分PTFE,PFA^FEP和ETFE氟碳樹脂。氟碳^^層的另一種相 關(guān)家族是Teflon-S ,其含有提供加大硬度和耐磨損或其它所需性質(zhì)的粘合樹 脂。其它有利于形成屏 的有機(jī)材料包 狀環(huán)氧化合物，填充環(huán)氧化合物， 填充硅樹脂，填充PPS (聚苯硫化物)。代表性的熱固性環(huán)氧粉末涂層包括，但是不限于，3M公司的Scotchkote，134和Scotchkote，6258。Scotchkote，134i^七粘合環(huán)氧涂層(FBEC)是一種部分，可熱固化的，含 有部分二 (4—羥基苯酚)異亞丙基1水甘油醚一二 (4一羥基苯酚羥基苯酚) 異亞丙基共聚物的熱固性環(huán)氧涂層。Scotchkote，6258熔化粘合環(huán)氧涂層 (FBEC)是一種部分，可熱固化的，含有部分二 (4-羥基苯酚)異亞丙基:i^ 7jC甘油醚一二 (4—羥基苯酚)異亞丙基共聚物，和表氯醇一鄰一甲酚一甲醛聚 合物的混合物的熱固性環(huán)氧涂層。Scotchkote，134和Scotchkote 6258被用作 干粉任選覆蓋在25.4微米(lmil)石碳酸基底涂層上，并且在150°C—250。C溫 度下加熱超30分鐘熱固化成254—381 M (10-15mil)的厚度。還有其它用于形成圖3中屏蔽層106的材料包,化物，磷酸鹽，和鉻酸 鹽的轉(zhuǎn)化涂層，而更具體的，Semiatech 公司以 Sermalon，,Sermaloy，,Sennagard，和Sermatel，商品名銷售的轉(zhuǎn)化材料。Sermalon 涂層系統(tǒng)包括鋁一填充的鉻^/磷Kk粘合涂層，中等高溫聚 合抑制涂層，和PTFE浸漬夕卜層。涂層厚度從100—150' 。 Sermaby^是具 有富磁卜層的金屬間鎳鋁合金。Sermatel 是一種粘合到生成金屬的金屬一陶瓷 復(fù)合物的無(wú)機(jī)涂層家族。Sermagard 是一種具有陶瓷粘合劑的水基鋁化涂層。 聚合物屏蔽層106的厚度可從2微米到600微米(0.079mil到23.6mil)。 聚合物屏蔽層106育的多以液態(tài)分散體系或粉末形式應(yīng)用于S^才(即在轉(zhuǎn)子 組件的所有鵬擇性表面)，任i&t也覆蓋于基底涂層上。液體分散體系，包括在 水中或溶劑懸浮體中的聚合物材料，能用于噴霧^);共烤涂覆的過(guò)程中，在此過(guò) 程中液體分散體系涂覆于基材隨后在高于分散體系中聚合物材料熔點(diǎn)的溫度下 加熱。已知的以粉末形式使用聚合物材料的方法包括用例如靜電槍，靜電流化 床或聚集槍噴霧粉末于基材上。在另一個(gè)例子中，粉末能被噴霧于己經(jīng)在高于 聚合物材料熔點(diǎn)溫度加熱的基材上形成涂層，被稱為熱噴霧。在公知的 "rotolinmg"過(guò)程中4頓涂層是A^周知的，在這一過(guò)程中，S^和粉末在例如烤 爐中，在高于聚合物材料熔點(diǎn)的溫度下被加熱同時(shí)基材被旋轉(zhuǎn)以在基材上形成 無(wú)縫涂層。正如前述討論的，屏蔽層106用于轉(zhuǎn)軸組件100的至少一個(gè)外露的選擇性表面，它可以包括由轉(zhuǎn)子疊片104，轉(zhuǎn)軸102，轉(zhuǎn)子落地SM 108限定形成的一 個(gè)或多個(gè)表面，其它轉(zhuǎn)子組件表面或整個(gè)組合轉(zhuǎn)子100。其目的是將部分^t 轉(zhuǎn)子組件封裝入抑制像暴露于,中可能產(chǎn)生的腐蝕的保護(hù)性涂層。轉(zhuǎn)軸組件的部件通常由磁性鋼制成。在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子疊片由鐵一硅 (FeSi)材料制成并且在其上安裝聚合物屏蔽^^層。在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子疊片被含有包含基于鎳基合金的總重量40—90wt % (重量百分比)的鎳的耐氫鎳基合金的屏蔽層覆蓋。在此，"X-YwtW表示'X wt。/。-Ywf/。"其中X和Y為數(shù)字。特別的，耐氫鎳基合金為Haynes International 的HASTELLOY C22 ，含有基于鎳基合金總重的約56wt^的鎳，約2.5wt %的鈷，約22wt。/。的鉻，約13wt。/。的鉬，約3wt^的鎢，約3wt^的鐵，約0.5wt %的錳，約0.08wt^的硅，約0.35wt^的釩和約0.010wt^的碳。在另一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)軸由17-4PH類不糊合金的磁性鋼制成，沉積硬 化馬氏體不辦閃含有基于沉積硬化馬氏軒鏃ra總重10—2歸％的鉻，進(jìn)一步 含有銅和鈮附加物。更特別地，沉積硬化馬氏體不銹鋼含有基于沉積硬化馬氏 軒糊總重約16.5wt^的鉻，約4.5wt^的銀約3.3wtX的銅和約0.3wtX的鈮。 磁性鋼的使用使得轉(zhuǎn)軸組件的結(jié)構(gòu)具有緊湊的尺寸。在轉(zhuǎn)子疊片上的聚合物屏 蔽層或可選的HASTELLOY C22⑧涂層提供了像由暴露于酸氣而來(lái)的腐蝕的 額外抵抗力。但是，像17-4PH類合金的抗,合金的{頓相比于，例如，鐵-硅合金(FeSO ,影響轉(zhuǎn)子的磁性，這增加了電磁損耗。這提出了一個(gè)重大的挑 戰(zhàn)，尤其在美國(guó)石油助會(huì)要求的組裝機(jī)器環(huán)境空氣測(cè)試期間。環(huán)境空氣具有非 常低的壓力所以比加壓過(guò)程氣體具有更低的冷卻能。另外，它的熱和傳導(dǎo)性差 于很多過(guò)程氣體，與加壓過(guò)程氣體相比進(jìn)一步減少了它的冷卻能。彌補(bǔ)它的一 種辦法是增加轉(zhuǎn)子大小以增加外露面積，這樣減少了轉(zhuǎn)子表面熱流量并且增加 了冷卻能。但是，這減少了將要應(yīng)用的磁性軸承的吸引力。如果轉(zhuǎn)子尺寸不被 增加，得到的轉(zhuǎn)子將有一愧過(guò)1W/cm2 (6.45W/in2)的轉(zhuǎn)子表面熱流量。如果在環(huán)境空氣中測(cè)試，它很容易導(dǎo)致超過(guò)層壓轉(zhuǎn)子絕緣材料容量的過(guò)熱升高。所 有這些缺點(diǎn)育,如JW免ffl31在壓力足夠提高和/或^j^足夠低以維持軸承部 件能夠承受的溫度時(shí)測(cè)量在空氣或其它氣體(比如氮?dú)?中的組裝機(jī)器。所需 壓力和溫度的精確組合依賴于設(shè)計(jì)和需要對(duì)在洽當(dāng)選擇的觀賦條件下所希望的 轉(zhuǎn)子損耗的了解。除了 174PH合金之外的其它合金，例如Western ElectricCompany的PERMALLOY 禾B Allegheny Ludlum Corporation的MOLY PERMALLOY 合金，低碳馬氏體不辦1或類似材料，也能被用于制備轉(zhuǎn)子 疊片。PERMALLOY 和MOLY PERMALLOY 包含基于合金總重的約80wt %鎳，約14wt^鐵，約4.8wt。/。鉬，約0.5wt^錳，和約0.3wt^硅。低碳馬氏體 不銹鋼包含基于低碳馬氏體不銹鋼總重的約11.5—17.0wt^鉻，約3.5-6.0wt% 鎳，和不超過(guò)0.060wt^碳。在另一個(gè)實(shí)施例中，顯示于圖3中的轉(zhuǎn)子落地套筒108由含有基于鈷基超 合金鋼總重40—70wt^的鈷的鈷基超合金鋼制成。鈷基超合射岡的^f柳有利地 使轉(zhuǎn)子落地套筒得到NACE認(rèn)證。更加特殊的，合適的鈷基超合^fil包括，但 是不僅限于，Haynes International Corp.以商品名ULTIMET⑧銷售的鈷基超合金 鋼，含有基于鈷基超合勉ra總重約54wt^的鈷，約26wt^的鉻，約歸％的鎳， 約5wt^的鉬，約3wt^的鐵，約2wt^的鎢，約0.8wt^的錳，約0.3wt^的硅， 約0.8wt^的氮，和約0.06wt^的碳。其它合適的鈷基超合金鋼包括 HAYNES，6B,包含基于鈷基超合金鋼總重約51wt^的鈷，約10wt^的鎳，約 20wt^的鉻，約15wt^的鉤，約3wt。/。的鐵，約1.5wtX的錳，約0.4wt^的硅， 和約0.10wt^的碳，和由Armoloy Corporation以商品名Armolo，銷售的鉻涂層。 ULTMET⑧和HAYNES^6B合金主要含有鈷，鉻，禾口鎳。這些鈷基超合金顯 示了當(dāng)轉(zhuǎn)軸掉在滾動(dòng)支承軸承上，磁性軸承損壞時(shí)防止轉(zhuǎn)軸表面損壞所必須的 卓越的摩擦學(xué)性質(zhì)，同時(shí)符合耐腐蝕的要求。另外，鎳一鈷基合金(例如MP35N 合金)能夠被加工硬化和老化以增加他們的石販和強(qiáng)度且仍然符合NACE的要 求。圖5顯示了相對(duì)于轉(zhuǎn)軸202及落地 204包含內(nèi)溝槽208禾口外溝槽206 的滾動(dòng)支承軸承200的一般示意圖。在另一個(gè)實(shí)施例中，滾動(dòng)支承軸承的內(nèi)部 和外部溝槽由含有基于馬氏體氮不銹鋼總重10—20wt^的鉻和0.1-1.0wt^的氮 的馬氏體氮不銹鋼制成。典型的組成為含基于組合物總重約0.25到0.35wt^的 碳，約0.35wt。/。到0.45wt。/D的氮，約0.5-0.6wt。/。的硅，約14.5-15.5wt^的鉻，和 約0.95-1.05wt^的鉬。這些馬氏體氮不銹鋼能作為Cronidur—30 從Barden Corporation購(gòu)買得到或作為VC444從SKF Bearings USA購(gòu)買得到。這些馬氏體 氮不銹鋼可得到足夠高的硬度以用于滾動(dòng)支撐軸承溝槽(高于55的HRC)并 且也提供優(yōu)良的耐腐蝕性。在另一個(gè)實(shí)施例中，各種定子組件能夠通過(guò)涂覆屏蔽性材料于選定的表面 以避免腐蝕性氣體環(huán)境。這些包括定子罐表面，電源和設(shè)備電路，定子傳感器， 定子套筒。它對(duì)于非封裝定子組件是有利的。在另一個(gè)實(shí)施例中，在此公開的測(cè)試方法允許在組裝定位之前在工廠環(huán)境下測(cè)試轉(zhuǎn)子表面熱流量超過(guò)1W/cm2 (6.45W/in2)的緊密磁性軸承。這需要在工 廠在空氣或其它與在石油生產(chǎn)方面使用的甲烷或天然氣相反的惰性氣體的加壓 氣氛下操作軸承?？諝饣蚱渌栊詺怏w被激冷器或熱交換器 頁(yè)冷，或是在被用 于磁性軸承之前任選膨脹到預(yù)定的溫度和壓力的低溫流體。氣氛的溫度范圍從 一26(TC到4(TC。該氣氛被加壓到至少2bar以增加它的熱排除能力同時(shí)保持有 動(dòng)力限制的轉(zhuǎn)子溫度。正如前述所討論的，轉(zhuǎn)子和定子組件可以包括一個(gè)封裝的定子組件，在此 稱為定子罐。在一個(gè)實(shí)施例中，定子罐由NACE認(rèn)證的材料和焊接(使用磁性 或非磁性鋼合金的組合)構(gòu)成。磁性鋼合金被放置于定子罐中磁性鋼提供電磁 優(yōu)勢(shì)的地方，例如，定子套筒。 一隨性鋼(例如Inconel)具有^J子的抗腐蝕性 且不需要后焊接熱處理因此它被放置于不需要磁性鋼性質(zhì)的地方。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝的定子的磁性鋼合金包含具有基于沉積硬化馬氏體 不辦船、重10—20wt柳勺鉻的沉積硬化馬氏1W銹鋼。更特別的，沉積硬化馬 氏^銹鋼含有基于沉積硬化馬氏體不辦閃總重約16.5wt^的鉻，約4.5wt^的 鎳，約3.3wt^的銅和約0.3wtX的鈮。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝定子的一繊性材料包括含有基于鎳基合金總重40— 70w^的鎳的鎳基合金。更具體的，^S合金包含基于鎳基合金總重約58wt% 的鎳，約21.5wty。的鉻，約9wt^的鉬，和約5wt^的鐵。圖4示意性的闡述了制備一個(gè)NACE認(rèn)證的定子罐的斑呈。過(guò)程150包括 在界面156上焊接一隨性定子套筒延長(zhǎng)部分152于定子套筒154。 M:形成一個(gè) 不含有任何放置其上的定子組分的套筒復(fù)合體，NACE認(rèn)證的焊接育^Iil將焊 接復(fù)合體進(jìn)行后焊接熱處理形成以確保焊接部位和所有熱影響領(lǐng)域的低硬度 (低于HRC33)。焊接由現(xiàn)有技術(shù)中允許后焊接熱處理的任何焊接過(guò)程形成，這 樣由于不同材料焊接形成的焊接應(yīng)力被減低同時(shí)得到一刊氐于HRC33的硬度。 示例性的焊接過(guò)程包括自動(dòng)電子束和有填料的電子束，激光焊接，TIG焊接， MIG焊接，電弧焊接，吹管焊接和包含至少一種前述工藝組合。，U來(lái)說(shuō)，定子套筒延伸部件152可包含焊接于含有17—4PH型磁性鋼的定子套筒154的每 個(gè)末端的非磁性超合紹ra。特殊地， 一隨性超合織可含有具有基于鎳基合金 總重40—70wt^的鎳的鎳基合金。更具體的，HS合金可以包含能從IncoAlloys International中購(gòu)買的Inconel625 ，含有約58wt^鎳，約21.5wt^鉻，和約9wt %鉬，和約5wt^鐵。得到的單元隨后熱處理以在界面156處形成NACE認(rèn)證 的焊接。一種合適的后熱處理過(guò)程是依照NACE MR0175對(duì)下述熱循環(huán)之一的二次 時(shí)效硬化過(guò)程(double age hardening process): 1)溶液在1040il4。C下退火且空氣 ^4口或液體淬火到低于32i:;跟隨著在620il4。C下最少4小時(shí)的第一次沉積硬 化循環(huán)且空氣冷卻或液術(shù)卒火至IJ低于32。C;跟隨著在620±14°。最少4小時(shí)的第 二次沉積硬化循環(huán)且空氣7轉(zhuǎn)口或液體淬火到低于32。C;或2)溶液在1040±14°C 下退火且空氣冷卻或液體淬火劍氐于32"C;跟隨著在760il4"下至少4小時(shí)的 第一次沉積硬化循環(huán)且空氣冷卻或液體淬火至U低于32°C;跟隨著在620士14。C下 至少2小時(shí)的第二次沉積硬化循環(huán)且空氣冷卻或液體淬火到低于32°C。接著，連接定子部件，例如包含包裹于傳導(dǎo)線圈162的磁性定子疊片158 的定子基座160。剩下的定子罐部件164隨后被焊接于界面166以形成定子罐。 罐部件164由先前使用的相同或類似的非磁性鋼制成，例如前述提到的 Inconel，625超合金鋼。因?yàn)楹附宇愃频牟牧?，在界?66上的焊縫是NACE 認(rèn)證的并且不需要后焊接熱處理。這樣，NACE認(rèn)證的封裝定子罐在不需將內(nèi) 部定子電部件進(jìn)行破壞性熱水平的情況下即可組裝。接著，電源和設(shè)備電路被連接于定子部件。為了提供最大的腐蝕保護(hù)，外 部電源和設(shè)備電路可以由NACE認(rèn)證的材料制成，線路具有一個(gè)包裹電傳導(dǎo)材 料的含有非磁性耐腐蝕合金的線路套管。這種NACE認(rèn)證的線路的例子是將 NACE認(rèn)證材料例如Inconel合金用作線圈套筒材料。線圈 封裝電傳 ， 其被例如像在加壓條件下提供良好電絕緣性的氧化鎂(MgO)的陶瓷絕緣。下列實(shí)施例在上述一般說(shuō)明的方法的范圍之內(nèi)，用于舉例說(shuō)明。實(shí)施例僅 出于舉例說(shuō)明的目的給出，不傾向于限定本發(fā)明的范圍。實(shí)施例1在該實(shí)施例中，單個(gè)金屬樣品用Scotchkote，6258熱固性環(huán)氧化合物粉末 涂覆作為一屏蔽層，并且加熱固化到300微鄰327微米的厚度。該部分在涂覆粉末前預(yù)加熱到15(TC至246。C的溫度。然后粉末在177"固化30射中。這些 樣品在高壓釜中用過(guò)程氣體測(cè)試以確定涂層在酸氣氣氛中的適合度。 一系列測(cè) 試被進(jìn)行，在這些測(cè)試中，硫化氫的水平在天然氣中從6000份每百萬(wàn)份(ppm) 到20000ppm變化且S^7jC平從50ppm水到飽和變化。樣品也暴露在從3(TC到 13(TC的變化的^^中。在暴露于硫化氫的樣品中沒(méi)有發(fā)5鵬蝕的跡象，7jC溫低于79°C。實(shí)施例2在該實(shí)施例中，小尺度轉(zhuǎn)子(約為2 — 3英寸數(shù)量級(jí)外直徑)用 Scotchkote 134粉末涂覆。在粉末涂覆之前轉(zhuǎn)子預(yù)加熱到150。C至246。C的溫度。 然后粉末在177。C固化30併中以形成300微米-327微米的厚度。這些樣品也在 高壓釜中用過(guò)程氣懶ij試以確定涂層在,環(huán)境中的適合度。當(dāng)暴露于高水平硫化氫(6000—20000ppm)，水(50份每百萬(wàn)份(ppm) 至飽和)和8(TC時(shí)樣品中沒(méi)有顯示腐蝕的跡象。實(shí)施例3在該實(shí)施例中，兩個(gè)全尺寸的產(chǎn)品轉(zhuǎn)子用Sermalon，粉末涂層到178 至406微米的厚度(7mil到16mil)。他們?cè)谏a(chǎn)條件下在野外測(cè)試并通過(guò)。這 些生產(chǎn)轉(zhuǎn)子被安裝就位并且涂層經(jīng)受腐蝕性的操作氣,境皿2， 000小時(shí)并 且避免下面金屬部件的酸性氣體侵襲。這些樣品沒(méi)有顯示腐蝕的跡象。實(shí)施例4在該實(shí)施例中，在iW，軸承溝槽的Cronidur30的樣品上進(jìn)行NACE環(huán) 境測(cè)試。所述材料ffi31了標(biāo)準(zhǔn)720小時(shí)驗(yàn)證環(huán)i微，其經(jīng)由NACE TM0177溶 液A在^^沒(méi)有顯示出腐蝕的支承軸承溝槽應(yīng)力7jC平下進(jìn)行。實(shí)施例5在該實(shí)施例中，在代表支承軸承落地套筒的Haynes6—B的樣品上進(jìn)行 NACE環(huán)境測(cè)試。所述材料通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)720小時(shí)驗(yàn)證環(huán)試驗(yàn)，其經(jīng)由NACE TM0177溶液A在lt^沒(méi)有顯示出腐蝕的支承軸承溝槽應(yīng)力水平下進(jìn)行。實(shí)施例6在該實(shí)施例中，在代表定子罐焊縫的Inconel625和17—4PH焊接樣品上進(jìn) 行NACE環(huán)境測(cè)試。所述材料通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)720小時(shí)驗(yàn)證環(huán)試驗(yàn)，其經(jīng)由NACE TM0177溶液A在4，沒(méi)有顯示出焊接腐蝕的定子的應(yīng)力水平下進(jìn)行。上述敘述的各種實(shí)施例組合提供了一種對(duì)例如可能在酸性氣體環(huán)境中產(chǎn)生 的腐蝕性元素具有優(yōu)異抵抗力的磁性軸承。單數(shù)形式"a"、 "an"和"the"，除非文中另有清楚的說(shuō)明包括復(fù)W"象。涉及 具有相同的性質(zhì)或者組分的所有范圍的端點(diǎn)是單獨(dú)組合的并且包含所述的端 占。"、、o本文采用實(shí)施例表述本發(fā)明，包括最佳實(shí)施例，并使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能 夠?qū)嵤┍景l(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)和實(shí)施任何所引入的方法。本 發(fā)明的專利木又范圍通過(guò)權(quán)利要求定義，可以包括其它本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的實(shí) 施例。這些其它實(shí)施例在禾又利要求的范圍之內(nèi)，如果它們具有不能和豐又利要求 字面上的語(yǔ)言相區(qū)別的結(jié)構(gòu)元素，或者它們包括和豐又利要求字面上的文字有非 實(shí)質(zhì)性區(qū)另啲等同結(jié)構(gòu)元素。部件列表10磁性軸承系統(tǒng)12渦輪膨脹機(jī) 14壓縮機(jī) 16外殼 18磁性軸承 20轉(zhuǎn)軸 22定子 24轉(zhuǎn)子疊片 26軸向磁性軸承 28軸向磁性軸承 30磁性轉(zhuǎn)子職盤 32滾動(dòng)支承軸承 34轉(zhuǎn)子落地套筒 36傳繊 38設(shè)備電路50定子組件 52轉(zhuǎn)軸組件 54轉(zhuǎn)子疊片 56轉(zhuǎn)軸60封裝的定子組件 62定子基座 64定子疊片 66傳導(dǎo)線圈 68定子套筒 70壁 72界面80氣隙100轉(zhuǎn)軸組件102轉(zhuǎn)軸104轉(zhuǎn)軸疊片106屏,108轉(zhuǎn)子落地套筒150制備鵬152非磁性定子套筒延伸部分154定子套筒156界面158磁性疊片160定子基座162傳導(dǎo)線圈164定子罐部件166界面200支承軸承 202轉(zhuǎn)軸 204落地套筒 206外部溝槽 208內(nèi)部溝槽
權(quán)利要求
1.一種測(cè)試采用磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件的方法，其中轉(zhuǎn)子組件包含超過(guò)1W/cm2的表面熱流量，該方法包括在至少為2bar的壓力下冷卻空氣或惰性氣體氣氛到溫度-260℃至40℃以形成測(cè)試氣氛；和在該測(cè)試氣氛下操作轉(zhuǎn)子和定子組件。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述氣氛在熱交換器中冷卻。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中所述氣氛在激冷器中冷卻。
4. 一種測(cè)i^^用磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件的方法，其中轉(zhuǎn)子組件包含超 過(guò)lMVcm2的表面熱流量，該方法包括膨鵬氏溫流體到選定的溫度和壓力以形^^則試氣氛，其中溫度為一26(TC至 40°C，且壓力為至少2bar;和在該測(cè)試氣氛下操作轉(zhuǎn)子和定子組件。
全文摘要
在安裝前測(cè)試采用磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組件的方法。該測(cè)試方法主要包括在安裝之前在大于2bar壓力的測(cè)試氣氛下運(yùn)行轉(zhuǎn)子和定子組件。該測(cè)試氣氛可以由空氣，惰性氣體，或膨脹低溫氣體形成。
文檔編號(hào)G01M13/04GK101271040SQ20081009207
公開日2008年9月24日 申請(qǐng)日期2008年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月8日
發(fā)明者B·W·布里森, K·R·韋伯, M·A·阿利, M·埃特沙米, R·加丹吉, W·D·格爾斯特勒 申請(qǐng)人:通用電氣公司