包封的定子組合件及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及包封的定子組合件及制造方法。在操作期間使用磁性軸承來支撐轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)子和定子組合件可以適合用于腐蝕環(huán)境如酸性氣體中。對(duì)于酸性氣體應(yīng)用來說，轉(zhuǎn)子和定子組合件包括符合NACE的磁性軸承結(jié)構(gòu)。一實(shí)施方案包括包封的定子組合件(60)，其包括磁性材料制成的定子套管(154)；與定子套管(154)共軸的、固定連接到定子套管(154)每端上的非磁性材料制成的套管延伸部(152)，其中對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行熱處理；和構(gòu)造用于密封容納定子且形成包封的定子組合件(60)的固定連接到套管延伸部(152)的非磁性材料制成的壁(70)。
【專利說明】包封的定子組合件及制造方法
本申請(qǐng)是以下申請(qǐng)的分案申請(qǐng):申請(qǐng)日:2008年3月7日；申請(qǐng)?zhí)?200810095126.6 ;發(fā)明名稱:“包封的定子組合件及制造方法”。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用磁性軸承并且可用于腐蝕環(huán)境中的轉(zhuǎn)子和定子組合件以及組裝磁性軸承的方法。轉(zhuǎn)子和定子組合件可用于渦輪膨脹機(jī)、泵、壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)以及用于油氣工業(yè)的相似渦輪機(jī)器。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪膨脹機(jī)是降低原料氣體物流壓力的裝置。在這種情況下，減壓期間可以抽取出有用功。此外，渦輪膨脹機(jī)也能產(chǎn)生流出物物流。然后該流出物物流可以流經(jīng)分離器或蒸餾塔將流出物分離成重質(zhì)液體物流。渦輪膨脹機(jī)使用旋轉(zhuǎn)設(shè)備，其較昂貴并通常包括設(shè)置在具有徑向入口和軸向出口的殼體內(nèi)的向心式(radial inflow)渦輪轉(zhuǎn)子。渦輪轉(zhuǎn)子通過固定于轉(zhuǎn)子上的軸旋轉(zhuǎn)設(shè)置在軸承內(nèi)。針對(duì)以下事情，這種渦輪膨脹機(jī)可以用于各種各樣的不同氣體物流，例如空氣分離、天然氣加工和傳送、回收來自膨脹過程的壓力降低能量、來自相關(guān)過程的廢熱的熱能回收等。壓縮機(jī)作為從渦輪膨脹機(jī)取得功或僅耗散能量的裝置與渦輪膨脹機(jī)相聯(lián)。
[0003]可用于支撐渦輪機(jī)器如上述渦輪膨脹機(jī)或壓縮機(jī)中的轉(zhuǎn)子軸的軸承有三種主要類型。各種類型的軸承包括磁性軸承、滾柱-元件(roller-element)軸承和流體-薄膜軸承。磁性軸承使用電磁力定位并支撐移動(dòng)軸。軸可以轉(zhuǎn)動(dòng)(旋轉(zhuǎn))或往復(fù)運(yùn)動(dòng)(直線平移)。相反，流體-薄膜軸承和滾柱-元件軸承直接與轉(zhuǎn)子軸接觸，通常需要流體型潤(rùn)滑劑，例如油。
[0004]磁性軸承提供了優(yōu)于流體-薄膜軸承和滾柱-元件軸承的性能。磁性軸承通常具有較低的阻力損失(drag losses)、較高的剛度(stiffmess)和阻尼特性以及適當(dāng)?shù)呢?fù)載容量。此外，不同于其他類型的軸承，磁性軸承并不需要潤(rùn)滑，因而省去了油、閥門、泵、過濾器、冷卻器等，而這些增加了復(fù)雜性并且包括了工藝污染的風(fēng)險(xiǎn)。
[0005]在通常的轉(zhuǎn)子和定子組合件的磁性軸承結(jié)構(gòu)中，包含多個(gè)電磁線圈的定子圍繞著鐵磁材料形成的轉(zhuǎn)子軸。稱為磁性徑向軸承的每個(gè)電磁線圈，因它們徑向圍繞轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生傾向于吸引轉(zhuǎn)子軸的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子軸組合件由轉(zhuǎn)子軸附近適當(dāng)位置處定子內(nèi)的這些活化(active)磁性徑向軸承進(jìn)行支撐。通過改變特定磁體的線圈中電流的數(shù)值，可對(duì)吸引力進(jìn)行控制以使轉(zhuǎn)子保持在磁體的中心。定子內(nèi)的傳感器圍繞著轉(zhuǎn)子并測(cè)量轉(zhuǎn)子與中心位置的偏離。數(shù)字處理器使用來自傳感器的信號(hào)來確定如何調(diào)整磁體中的電流以將轉(zhuǎn)子定位在磁體的中心。檢測(cè)軸位置、處理數(shù)據(jù)并調(diào)整線圈中電流的循環(huán)能夠以每秒鐘高達(dá)25，000次的速率發(fā)生。因?yàn)檗D(zhuǎn)子“漂浮”在空間不接觸磁體，所以不需要任何種類的潤(rùn)滑。
[0006]當(dāng)磁性軸承未被供給能量時(shí)，耐磨軸承以及密封件可安裝在轉(zhuǎn)子軸的每個(gè)端部以支撐所述軸。這避免了轉(zhuǎn)子軸和定子徑向磁性軸承之間有任何接觸。這些輔助或“支撐(back-up)”軸承通常是干燥的、潤(rùn)滑的，并在正常運(yùn)行中保持空載。
[0007]油氣工業(yè)中，轉(zhuǎn)子和定子組合件可以運(yùn)行在也可用作冷卻劑的工藝氣體中。工藝氣體通常是壓力在約IObar-約200bar下的天然氣。遺憾的是，天然氣可能具有大量的污染物。這些污染物可能包括腐蝕劑例如硫化氫(H2S)、水、CO2、油以及其它。在最壞的情況下，水和H2S的結(jié)合產(chǎn)生所謂的濕酸性氣體(sour gas)，一種腐蝕性更高的氣體。磁性軸承通常需要冷卻以保持軸承組件中的可接受的溫度。使用工藝氣體直接作為冷卻劑提供了如下的顯著的益處:能實(shí)現(xiàn)無縫(seal-less)系統(tǒng),這消除了對(duì)緩沖(buffer)氣體(在上游的油氣應(yīng)用中通常不可得)的需要；和提高所安裝的渦輪機(jī)器的安全性和可操作性。然而，磁性軸承組合件的冷卻以及其在含有上述污染物的工藝氣體環(huán)境中的使用對(duì)磁性軸承的易損壞組件造成重大的風(fēng)險(xiǎn)。
[0008]全國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)(TheNational Association of Corrosion Engineers)(NACE)標(biāo)準(zhǔn) MR0175, " Sulfide Stress Corrosion Cracking Resistant MetallicMaterials for Oil Field Equipment〃是油氣工業(yè)中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了提供在酸性氣體(sour gas)環(huán)境中使用的良好使用壽命的機(jī)械所需的適宜材料、熱處理?xiàng)l件和硬度水平。符合NACE的材料或組件基本上是耐腐蝕的，所述腐蝕是例如將不符合NACE的材料暴露到酸性氣體和/或濕酸性氣體時(shí)可能發(fā)生的。例如，符合NACE的焊接件通常需要后焊接熱處理過程以減輕通常將會(huì)促進(jìn)腐蝕敏感性的任何焊接應(yīng)力。目前，油氣工業(yè)中使用的磁性軸承系統(tǒng)還沒有完全是符合NACE的。
[0009]符合NACE是合乎需要的，因?yàn)檗D(zhuǎn)子軸組合件包括多個(gè)在運(yùn)行中可能要暴露于酸性氣體環(huán)境的組件。這些包括，特別地，轉(zhuǎn)子軸本身、繞轉(zhuǎn)子軸的磁性轉(zhuǎn)子疊片(laminations)以及轉(zhuǎn)子下落套管(rotor-landing sleeves)。作為對(duì)腐蝕劑敏感性的實(shí)例，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果轉(zhuǎn)子疊片暴露到濕酸性氣體中，它們通常由于氫脆和應(yīng)力相關(guān)的腐蝕開裂而失效。應(yīng)力相關(guān)的腐蝕開裂是一問題，因?yàn)榇判赞D(zhuǎn)子疊片通常隨冷縮配合(shrunk-fit)到轉(zhuǎn)子軸上的沖壓而制成。在以工作速度運(yùn)行期間，由于冷縮配合應(yīng)力和施加其上的徑向力，這些組件經(jīng)受較高的機(jī)械應(yīng)力。
[0010]用于轉(zhuǎn)子和定子組合件中的現(xiàn)有磁性軸承系統(tǒng)的另一弊端涉及通常用于構(gòu)建轉(zhuǎn)子軸和/或轉(zhuǎn)子疊片的鋼合金。選擇對(duì)酸性氣體最有耐力的鋼組分通常具有差的磁性能。由此，轉(zhuǎn)子軸上發(fā)生高的電磁損耗，導(dǎo)致熱負(fù)載超過1.0Off / cm2 (6.45W / in2)。暴露到熱負(fù)載高溫中會(huì)降低鋼對(duì)酸性氣體腐蝕的耐受力?？紤]到與較大組件相關(guān)的成本和足跡(footprints)，增大組件的尺寸以使熱負(fù)載最小是不現(xiàn)實(shí)的。
[0011]除了轉(zhuǎn)子軸和疊片以外，轉(zhuǎn)子軸組合件通常包括冷縮配合到轉(zhuǎn)子軸每端上的轉(zhuǎn)子下落套管。如果轉(zhuǎn)子下落，該下落套管與滾柱-元件支撐軸承的內(nèi)滾道(inner race)相嚙合，在轉(zhuǎn)子下落期間，磁性軸承失效并在隨后的停止過程中支撐軸承不得不支撐轉(zhuǎn)子。目前，轉(zhuǎn)子下落套管由不符合NACE的材料制成，因此在酸性氣體環(huán)境中遭受腐蝕。
[0012]磁性軸承的定子是靜止組件，為轉(zhuǎn)子組合件懸浮提供了磁場(chǎng)源。空氣空隙將定子與轉(zhuǎn)子軸分離開來。為了最大化磁場(chǎng)強(qiáng)度和浮力，該空氣空隙要制得盡可能的小，同時(shí)還要滿足轉(zhuǎn)子軸和定子之間的機(jī)械間隙要求。所述空隙尺寸通常為毫米分?jǐn)?shù)(millimeterfractions)的量級(jí)。如果所述空隙增大，定子中的線圈需要更大的電流來浮起轉(zhuǎn)子，或者不得不增加定子的直徑或軸長(zhǎng)，所有這些都增加了整體的定子尺寸。如果定子尺寸有限且不能增大，那么倘若空氣空隙大于機(jī)械間隙所要求的，浮力就會(huì)降低。
[0013]現(xiàn)有的定子或者被包封或者未包封。在包封定子的情況下，定子“罐(can)”保護(hù)定子組件遠(yuǎn)離過程環(huán)境?，F(xiàn)有的定子罐通常包括端部連接的相同材料的兩同心管。該管狀罐部分設(shè)置在定子和轉(zhuǎn)子軸之間的空隙中。如果罐材料是非磁性的，那么在所需的機(jī)械間隙上它增加了另外的磁空隙，這降低了承載量(bearing capacity)。為了保持承載量，可將管狀罐部分的材料選擇為磁性的。
[0014]在目前的實(shí)踐中，定子罐部分與磁性的符合NACE的合金(典型的實(shí)例是具有15-18wt%鉻、3-5wt%鎳和3-5wt%銅含量的鎳鉻合金，如17-4沉淀硬化(PH)不銹鋼)裝配并焊接在一起。焊接件通常將會(huì)需要在超過600°C的溫度下后焊接熱處理以便完全符合NACE0然而，由于經(jīng)包封的電子定子組件和現(xiàn)有制造方法的溫度限制，不進(jìn)行熱處理是可能的，因此，焊接件目前并不符合NACE，且例如因暴露到酸性氣體中而遭受腐蝕和失效。此外，定子的一些組件，例如傳感器以及電力線和儀表線(power and instrumentation wires),并不能被包封，并且暴露到工藝氣體環(huán)境。
[0015]現(xiàn)在參照現(xiàn)有技術(shù)的附圖1，顯示了一種示例性渦輪膨脹機(jī)-壓縮機(jī)系統(tǒng)，通常標(biāo)示為附圖數(shù)字10，其包括具有多個(gè)用于支撐轉(zhuǎn)子軸的磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組合件。系統(tǒng)10包括殼體16相對(duì)兩端上的渦輪膨脹機(jī)12和壓縮機(jī)14，殼體包括多個(gè)用于支撐轉(zhuǎn)子軸20的磁性軸承18。
[0016]每個(gè)磁性軸承18都包括繞轉(zhuǎn)子軸20設(shè)置的定子22。定子22包括定子桿、定子疊片和設(shè)置用于提供磁場(chǎng)的定子線圈(未示出)。固定在轉(zhuǎn)子軸20上的是轉(zhuǎn)子疊片24，每個(gè)轉(zhuǎn)子疊片與每個(gè)定子22匹配(align)并設(shè)置成磁性通信。在適當(dāng)?shù)毓┙o能量時(shí)，定子22有效吸引轉(zhuǎn)子疊片24，以便提供轉(zhuǎn)子軸20的浮置和徑向設(shè)置。所例示的系統(tǒng)10還包括另外的軸向磁性軸承26和28，以通過作用于磁性轉(zhuǎn)子推力盤(thrust disk) 30而使轉(zhuǎn)子軸20沿軸向?qū)?zhǔn)(align)。滾柱-元件支撐軸承32設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸每端的附近并進(jìn)行定位，以當(dāng)磁性軸承失效時(shí)或者當(dāng)系統(tǒng)10在斷開狀態(tài)時(shí)以使轉(zhuǎn)子下落套管34嚙合設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸16上。當(dāng)配置系統(tǒng)10來適應(yīng)軸向或推力(thrust)負(fù)載時(shí)，要增加套管34的寬度來適應(yīng)任何的軸向運(yùn)動(dòng)。
[0017]支撐軸承32通常由滾柱-元件軸承制成。在這種軸承中，內(nèi)滾道和外滾道需要高硬度(通常超過HRC40(Rockwell C-級(jí)硬度))的鋼合金以獲得低磨損和長(zhǎng)的軸承壽命。然而，在鋼合金中，高硬度和耐腐蝕性是互相矛盾的要求。因此，現(xiàn)有的滾道(race)由并不滿足NACE腐蝕要求的高硬度鋼合金制成。
[0018]系統(tǒng)10進(jìn)一步包括多個(gè)表示為36的傳感器以及與控制單元(未示出)電通信的電力線和儀表線38。傳感器36通常用于感測(cè)轉(zhuǎn)子軸20上的軸向和徑向間斷性使得通過控制單元能夠監(jiān)測(cè)沿軸的徑向和軸向位移(displacement)以在轉(zhuǎn)子軸20上產(chǎn)生合乎需要的磁性浮力。
[0019]現(xiàn)有技術(shù)圖2例示了示例性轉(zhuǎn)子和定子組合件50的局部剖視圖。該轉(zhuǎn)子和定子組合件50包括轉(zhuǎn)子軸組合件52，其包括連接到轉(zhuǎn)子軸56上的轉(zhuǎn)子疊片54。包封的定子組合件60圍繞著轉(zhuǎn)子軸組合件50并且包括定子架62、包裹在導(dǎo)電線圈66中的磁性定子疊片64和定子套管68。定子套管68通常具有0.05-5.0毫米(mm)范圍內(nèi)的厚度。包封的定子組合件60包括由通常約I厘米厚的壁70和定子套管68所限定的密封罐。罐由在各界面72處焊接的多個(gè)部分形成。這些焊接件是不符合NACE的。其它未示出的定子組件是定子槽、桿、傳感器以及電力線和儀表線?？諝饪障?0將轉(zhuǎn)子軸組合件52與定子組合件60分開。運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子軸56懸浮在定子組合件60所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中。
[0020]考慮到利用磁性軸承系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子和定子組合件在腐蝕環(huán)境中的不斷使用，存在有一種不斷增加的需求，以克服上述現(xiàn)有磁性軸承的缺點(diǎn)。
發(fā)明簡(jiǎn)述
[0021]本發(fā)明公開了一種耐腐蝕定子組合件(assembly)及制造它的方法。在一實(shí)施方案中，定子組合件包括由磁性材料制成的定子套管(sleeve);與定子套管共軸并固定連接到定子套管每端上的非磁性材料制成的套管延伸部，其中對(duì)連接點(diǎn)進(jìn)行熱處理；以及構(gòu)造用于密封容納(house)定子且形成包封的定子組合件的、固定連接到套管延伸部的非磁性材料制成的壁。
[0022]在另一實(shí)施方案中，定子組合件包括定子套管；包裹在與套管磁通信的導(dǎo)電線圈內(nèi)的磁性定子疊片；和形成在定子套管、磁性定子疊片和它們的組合上的阻擋層。
[0023]用于形成包封的定子組合件的方法，包括將非磁性材料制成的定子套管延伸部焊接到磁性材料制成的定子套管上并隨后在有效減輕焊接應(yīng)力的溫度下對(duì)所焊接的定子套管延伸部和定子套管熱處理；以及將非磁性材料制的殼體焊接到定子套管延伸部，其中所述殼體被構(gòu)造用來包封和密封定子電磁組件。
[0024]本發(fā)明所公開的組件和方法的特征和優(yōu)點(diǎn)通過參考以下的附圖和詳述以及其中所包含的實(shí)施例會(huì)變得更容易理解。
附圖簡(jiǎn)述
[0025]下文的附圖是為示例的目的，其中相同的元素用相同的數(shù)字表示。
[0026]圖1是舉例說明例如用于膨脹機(jī)-壓縮機(jī)中的磁性軸承轉(zhuǎn)子組合件和定子的磁性軸承系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)不意圖。
[0027]圖2是顯示了相對(duì)于轉(zhuǎn)子組合件設(shè)置、具有非符合NACE的焊接件的定子罐的包封的定子的現(xiàn)有技術(shù)示意圖。
[0028]圖3是顯示了包覆有聚合物阻擋層的轉(zhuǎn)子組合件的示意圖。
[0029]圖4是顯示了構(gòu)建具有符合NACE的焊接件的定子的步驟的示意圖。
[0030]圖5是相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子下落套管設(shè)置的滾柱-元件支撐軸承的示意圖。
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 殼體 18 磁性軸承 20 轉(zhuǎn)子軸 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)子推力盤
32滾柱-元件支撐軸承
34轉(zhuǎn)子下落套管
36傳感器
38儀表線
50定子組合件
52轉(zhuǎn)子軸組合件
54轉(zhuǎn)子疊片
56轉(zhuǎn)子軸
60包封的定子組合件
62定子架
64定子疊片
66導(dǎo)電線圈
68定子套管
70壁
72界面
80空氣空隙
100轉(zhuǎn)子軸組合件
102轉(zhuǎn)子軸
104轉(zhuǎn)子疊片
106阻擋層
108轉(zhuǎn)子下落套管
150過程/方法
152非磁性定子套管延長(zhǎng)部部分
154定子套管
156界面
158磁性疊片
160定子架
162導(dǎo)電線圈
164定子罐部分
166界面
200支撐軸承
202轉(zhuǎn)子軸
204下落套管
206外滾道
208內(nèi)滾道
發(fā)明詳述
[0031]本發(fā)明提供了一種包含磁性軸承的轉(zhuǎn)子和定子組合件以及裝配適用于腐蝕環(huán)境
中的磁性軸承的方法。磁性軸承組合件可制成完全符合NACE的，正如一些應(yīng)用中所期望的。例如，符合NACE的轉(zhuǎn)子軸組合件通過用阻擋層薄膜包覆磁性鋼轉(zhuǎn)子軸和轉(zhuǎn)子疊片而獲得。對(duì)于使用包封的定子組合件的磁性軸承系統(tǒng)來說，使用用于包封的磁性和非磁性材料的組合獲得了符合NACE的定子罐，當(dāng)它們焊接在一起時(shí)，僅需要在不同材料之間的結(jié)合點(diǎn)(joints)的熱處理。同樣，通過使用下文更詳細(xì)說明的具體原料可將轉(zhuǎn)子下落套管、支撐軸承的內(nèi)滾道和外滾道以及電力線和儀表線制成符合NACE的。
[0032]渦輪膨脹機(jī)用作示例性實(shí)例，但是本發(fā)明所公開的腐蝕環(huán)境用磁性軸承可用于軸向軸承以及其他磁性軸承的設(shè)備(imp I ementat ions);例如泵、壓縮機(jī)、馬達(dá)、發(fā)電機(jī)和其他渦輪機(jī)。
[0033]圖3例示了一種使磁性軸承的轉(zhuǎn)子組合件適用于腐蝕環(huán)境如酸性氣體和濕酸性氣體環(huán)境的實(shí)施方案。轉(zhuǎn)子軸組合件100包括轉(zhuǎn)子軸102、繞軸設(shè)置的轉(zhuǎn)子疊片104和轉(zhuǎn)子下落套管108。顯示了阻擋層106設(shè)置在轉(zhuǎn)子軸組合件的所有暴露表面上。在任選的實(shí)施方案中，阻擋層形成在轉(zhuǎn)子軸組合件的選定表面上。例如，阻擋層可形成在最容易腐蝕的轉(zhuǎn)子組合件的選定區(qū)域上。這些包括轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子疊片或用于共同形成轉(zhuǎn)子疊片的沖壓器(punchings)的選定區(qū)域。在一實(shí)施方案中，阻擋層可施加到包含疊片的轉(zhuǎn)子上，疊片由已知的不具有或僅具有低的耐腐蝕性的鐵-硅(FeSi)制成。符合NACE的合金，例如17-4PH不銹鋼通常不需要聚合物表面涂層，因?yàn)樗鼈兲煨允悄透g的。
[0034]非必需地，在阻擋層施加之前可施加底涂層(primer coat)。底涂層的具體厚度將依賴于所選的阻擋層材料的類型，但通常應(yīng)該進(jìn)行選擇以有效用于設(shè)置磁性軸承的具體環(huán)境中。根據(jù)聚合物的組成和預(yù)期的應(yīng)用來最優(yōu)化層的厚度是在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范疇內(nèi)的。
[0035]用于形成阻擋層106來保護(hù)腐蝕環(huán)境中的轉(zhuǎn)子軸組合件100的適宜材料包括但并不旨在限制于各種全部氟化(也就是全氟化)和部分氟化的聚合物。適宜的全部氟化聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)和全氟烷氧基-四氟乙烯共聚物(PFA)、氟化乙烯-丙烯共聚物(FEP)等。PFA是四氟乙烯[CF2 = CF2]與全氟化烷基乙烯醚[F(CF2)nCF2OCF = CF2]的共聚物。獲得的聚合物包含典型的PTFE與全氟烷氧基側(cè)鏈的C-F主鏈。適合阻擋層的一種具體形式的PFA是四氟乙烯-全氟甲基乙烯基醚共聚物(MFA)。部分氟化的聚合物包括乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)。
[0036]氟化聚合物的組合以Whitford公司的商標(biāo)名Xylan?進(jìn)行銷售,且杜邦(Dupont)的Teflon?和Teflon-S?也是有用的阻擋層材料。Xylan?涂層部分包括PTFE、PFA和FEP。Teflon?涂層部分包括PTFE、PFA、FEP和ETFE碳氟化合物樹脂。Teflon-S?是包含有粘合樹脂的另一相關(guān)系列的碳氟化合物涂層，其提供了增加的硬度和抗磨性或其他合乎需要的性能。
[0037]用于形成阻擋層的其他有機(jī)材料包括粉狀的環(huán)氧樹脂類、填充環(huán)氧樹脂類、填充硅酮和填充PPS (聚苯硫)。代表性的熱固性環(huán)氧樹脂粉涂層包括但不旨在限制于購(gòu)自3M公司的 Scotchkote?134 和 Scotchkote?6258。
[0038]Scotchkote?134熔融粘結(jié)的環(huán)氧樹脂涂層(FBEC)是一部分可熱固化的熱固性環(huán)氧樹脂涂層，其部分包括二(4-輕苯酹)異亞丙基二環(huán)氧甘油醚(diglcycidyl ether)-二(4-羥苯酚)異亞丙基共聚物。SC0tChk0te?6258熔融粘結(jié)的環(huán)氧樹脂涂層(FBEC)是一部分可熱固化的熱固性環(huán)氧樹脂涂層，其部分包括二(4-羥苯酚)異亞丙基二環(huán)氧甘油醚-二(4-羥苯酚)異亞丙基共聚物和表氯醇-鄰甲酚-甲醛聚合物的混合物。Scotchkote?134和Scotchkote?6258以干燥粉的形式非必需地施加到254微米(Imil)的苯酚底涂層上并在150°C _250°C的溫度下熱固化直到30分鐘達(dá)254-381微米(10_15mil)
的厚度。
[0039]用于形成圖3中的阻擋層106的其它材料包括氧化物、磷酸鹽和鉻酸鹽的轉(zhuǎn)化涂層(conversion coatings),更具體來說,轉(zhuǎn)化材料以Sermatech的商標(biāo)名Sermalon?、Sermaloy?、Sermagard? 和 Sermatel? 進(jìn)行銷售。
[0040]Sermalon?涂層系統(tǒng)包括鋁填充的鉻酸鹽/磷酸鹽粘結(jié)涂層，中間的高溫聚合抑制涂層和PTFE浸潰外涂層(topcoat)。涂層厚度范圍為100-150微米。SermaLoy?是具有富硅外層的金屬間鎳鋁化物。Sermatel?是粘結(jié)到金屬上產(chǎn)生金屬-陶瓷復(fù)合物的無機(jī)涂層系列。Sermagard?是具有陶瓷粘結(jié)劑的水基鋁化涂層。
[0041]聚合物阻擋層106的厚度范圍可以從2微米-600微米(0.079mil_23.6mil)。
[0042]聚合物阻擋層106可以以液體分散液或粉末形式施加到襯底(也就是在轉(zhuǎn)子組合件的全部表面或選定表面上)，非必需地在底層(primer)之上。在水或溶劑懸浮液中含有聚合物材料的液體分散液可用噴涂(spray)和干燥涂膜法(bake coating process)予以施加，其中將液體分散液噴霧到襯底上以供隨后加熱高于在所述分散液中所包含的聚合物材料的熔化溫度。施加粉狀聚合物材料的已知方法包括例如使用靜電聚焦電子槍(electrostatic gun)、靜電流化床或靜電植絨槍(flocking gun)將粉末噴涂到襯底上。在另一實(shí)施例中，粉末可噴涂到已經(jīng)加熱至聚合物材料熔化溫度之上的襯底上來形成涂層，也稱為熱噴涂。使用稱為“旋轉(zhuǎn)加襯(rotolining)”的方法施加涂層也是已知的，其中例如在聚合物材料的熔化溫度之上于爐體中加熱襯底和粉末，同時(shí)旋轉(zhuǎn)襯底以在襯底上形成無縫的涂層。
[0043]如上所述，阻擋層106被施加到轉(zhuǎn)子軸組合件100的至少一個(gè)暴露的選定表面上，該表面可以包括一個(gè)或多個(gè)由轉(zhuǎn)子疊片104、轉(zhuǎn)子軸102、轉(zhuǎn)子下落套管108所限定的表面，其它轉(zhuǎn)子組合件表面或完全裝配的轉(zhuǎn)子100。目的在于將轉(zhuǎn)子組合件的部分或全部包封到抑制例如暴露到酸生氣體時(shí)可發(fā)生的腐蝕的保護(hù)涂層中。
[0044]轉(zhuǎn)子軸組合件的組件通常由磁性鋼制成。在一實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)子疊片由鐵硅(FeSi)材料制成且其上設(shè)置有聚合物阻擋涂層。
[0045]在另一實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)子疊片覆蓋有含耐氫鎳基合金的阻擋層，以鎳基合金的總重量計(jì)，該合金含有40-90wt% (重量百分?jǐn)?shù))的鎳。本文中“X-Ywt%”意味著"Xwt % -Ywt % ”，其中X和Y為數(shù)值。特別地，耐氫鎳基合金是Haynes國(guó)際(HaynesInternational)的HASTELLOY? C22?,以鎳基合金的總重量計(jì)，包括約56wt %的鎳、約2.5wt %鈷、約22wt %鉻、約13wt %鑰、約3wt %鶴、約3wt %鐵、約0.5wt %猛、約0.08wt%娃、約 0.35wt%帆和約 0.010wt%碳。
[0046]在另一實(shí)施方案中，轉(zhuǎn)子軸由17-4PH型不銹鋼合金的磁性鋼，一種以沉淀硬化的馬氏體不銹鋼的總重量計(jì)包含10-20wt%鉻并進(jìn)一步包含銅和鈮的添加物的沉淀硬化的馬氏體不銹鋼制成。更具體來說，以沉淀硬化的馬氏體不銹鋼的總重量計(jì)，所述沉淀硬化的馬氏體不銹鋼包含約16.5wt%鉻、約4.5wt%鎳、約3.3wt%銅和約0.3wt%銀。磁性鋼的使用能夠構(gòu)建具有緊湊尺寸的轉(zhuǎn)子軸組合件。聚合物阻擋層或轉(zhuǎn)子疊片上非必需的HASTELLOY?C22?:涂層為如來自暴露到酸性氣體的腐蝕提供了附加的耐受性。然而，耐酸性氣體的合金例如17-4PH型合金的使用，與例如鐵硅合金(FeSi)相比，影響了轉(zhuǎn)子的磁性能，因而增加了電磁損耗。這提出了重要的挑戰(zhàn)，特別是在美國(guó)石油學(xué)會(huì)(AmericanPetroleum Institute)所要求的裝配機(jī)器的環(huán)境空氣測(cè)試中。環(huán)境空氣具有顯著較低的壓力，因而，相比于加壓的工藝氣體，具有更低的冷卻能力。此外，其熱性能和輸運(yùn)性能劣于許多工藝氣體，與加壓工藝氣體相比，進(jìn)一步減低了其冷卻能力。對(duì)此補(bǔ)償?shù)囊环N方法是增加轉(zhuǎn)子的尺寸以便增加暴露的區(qū)域，從而降低轉(zhuǎn)子表面熱通量并增加冷卻能力。然而，這降低了目的應(yīng)用中磁性軸承的吸引力。如果不增加轉(zhuǎn)子尺寸，獲得的轉(zhuǎn)子可具有超過lW/cm2(6.45W/in2)的轉(zhuǎn)子表面熱通量。如果在環(huán)境空氣中測(cè)試，這會(huì)容易地導(dǎo)致過熱升高超過疊片式轉(zhuǎn)子(laminated rotor)隔熱材料能力。所有這些弊端都可通過在空氣或其他氣體(例如氮?dú)?中于維持軸承組件的可接受溫度的足夠高的壓力下和/或足夠低的溫度下測(cè)試裝配機(jī)器來避免。所需壓力和溫度的確切組合在設(shè)計(jì)上是相關(guān)的并需要在適當(dāng)選擇的測(cè)試條件下對(duì)預(yù)期轉(zhuǎn)子損耗的認(rèn)識(shí)。除了 17-4PH合金以外的合金，例如西部電子公司(Western Electric Company)的 PERMALLOY? 和 Allegheny Ludlum 公司的 MOLYPERMALLOY?合金、低碳馬氏體不銹鋼、或相似材料，也可用于制造轉(zhuǎn)子疊片。以合金的總重量計(jì)，PERMALLOY? 和 MOLY PERMALLOY? 包括約 8(^丨％鎳、約 14wt%#、約 4.8wt%.、約
0.5wt%錳和約0.3wt%的硅。以低碳馬氏體不銹鋼的總重量計(jì)，低碳馬氏體不銹鋼包括約11.5-17.0界七％鉻、約3.5-6.0界七％鎳、和不超過0.060wt%的碳。
[0047]在另一實(shí)施方案中，如圖3中所示的轉(zhuǎn)子下落套管108由以鈷基超合金鋼制成，以鈷基超合金鋼的總重量計(jì)，其含有40-70wt%的鈷。使用鈷基超合金鋼有利地使得轉(zhuǎn)子下落套管符合NACE。更具體來說，適宜的鈷基超合金鋼包括但不旨在限制于Haynes國(guó)際公司(Haynes International Corp.)銷售的商標(biāo)名為ULTIMET?的鈷基超合金鋼，以鈷基超合金鋼的總重量計(jì)，包括約54wt%鈷、約26wt%鉻、約9wt%鎳、約5wt%鑰、約3wt%鐵、約2wt%鶴、約0.8wt%猛`、約0.0.8wt%氮和約0.06wt%碳。其它適宜的
鈷基超合金鋼包括HAYNES?6B以及由Armoloy公司以商標(biāo)名Armoloy?銷售的鉻涂層，其中HAYNES?6B以鈷基超合金鋼的總重量計(jì)包括約51被％鈷、約10被％鎳、約20wt%鉻、約 15wt%鶴、約 3wt%鐵、約 1.5wt%猛、約 0.4wt%娃和約 0.10wt%碳。ULTIMET?,和HAYNES?6B合金主要包括鈷、鉻和鎳。這些鈷基超合金顯示出突出的摩擦特性，該性能在當(dāng)轉(zhuǎn)子軸落在滾柱-元件支撐軸承上時(shí)在磁性軸承失效期間防止對(duì)轉(zhuǎn)子軸表面的損害是必需的,此時(shí)同時(shí)滿足了耐腐蝕性的要求。此外,存在有鎳-鈷基合金(例如MP35N合金)，其可進(jìn)行加工硬化(work hardened)和老化來增加它們的硬度以及由此的強(qiáng)度并且仍保持符合 NACE。
[0048]圖5顯示了滾柱-元件支撐軸承200的一般性示意圖，其包括相對(duì)于轉(zhuǎn)子軸202和下落套管204的內(nèi)滾道208和外滾道206。在另一實(shí)施方案中，滾柱-元件支撐軸承的內(nèi)滾道和外滾道由馬氏體含氮不銹鋼制成，以馬氏體含氮不銹鋼的總重量計(jì)，其包含10-20wt%鉻和0.1-1.0?丨％氮。以組成的總重量計(jì)，典型的組成為約0.25-0.35?丨％碳、約
0.35-0.45界七％氮、約 0.5-0.6wt% —、約 14.5-15.5wt%鉻和約 0.95-1.05wt%鑰。這些馬氏體含氮不銹鋼是以Cronidur-30?市購(gòu)自Barden公司或者以VC444市購(gòu)自SKF BearingsUSA。這些馬氏體含氮不銹鋼可獲得足夠高的硬度以用于滾柱-元件支撐軸承滾道中(HRC高于55)，另外提供了優(yōu)良的耐腐蝕性。
[0049]在又一實(shí)施方案中，可通過向選定表面施加阻擋層材料使各種定子組件得以保護(hù)免受腐蝕性氣體環(huán)境。這些包括定子罐表面、電力線和儀表線、定子傳感器和定子套管。對(duì)于未包封的定子組合件來說，這是有利的。
[0050]在另一實(shí)施方案中，本發(fā)明公開的測(cè)試方法能夠，在現(xiàn)場(chǎng)安裝前，于工廠環(huán)境下，測(cè)試轉(zhuǎn)子表面熱通量超過lW/cm2(6.45W/in2)的緊湊的磁性軸承。與在石油開采地點(diǎn)所使用的甲烷或天然氣相反，這需要在空氣或其他惰性氣體的加壓氣氛下在工廠中運(yùn)轉(zhuǎn)軸承。空氣或其他惰性氣體通過冷卻器或換熱器預(yù)冷或者任選地是一種在被供給到磁性軸承之前膨脹到選定溫度和壓力的低溫流體。氣氛的溫度范圍是_260°C至40°C。氣氛加壓到至少2bar以增加其排熱能力同時(shí)保持轉(zhuǎn)子溫度在工程限制內(nèi)。
[0051]如上所述，轉(zhuǎn)子和定子組合件可包括包封的定子組合件，本發(fā)明也稱為定子罐(stator can)。在一實(shí)施方案中，定子罐用符合NACE的材料構(gòu)造并使用磁性和非磁性鋼合金的組合進(jìn)行焊接。磁性鋼合金設(shè)置在磁性鋼提供電磁優(yōu)點(diǎn)的定子罐的區(qū)域例如定子套管中。非磁性鋼(例如Inconel)具有較好的耐腐蝕性且不需要后焊接熱處理，因此其被設(shè)置在不需要磁性鋼性能的區(qū)域中。
[0052]在一實(shí)施方案中，包封的定子的磁性鋼合金包括沉淀硬化的馬氏體不銹鋼，以沉淀硬化的馬氏體不銹鋼的總重量計(jì)，其含有10-20wt%鉻。更具體來說，以沉淀硬化的馬氏體不銹鋼的總重量計(jì)，該沉淀硬化的馬氏體不銹鋼包括約16.5wt%鉻、約4.5wt%鎳、約
3.3wt%銅和約0.3wt%的銀。
[0053]在一實(shí)施方案中，包封的定子的非磁性材料包括鎳基合金，以鎳基合金的總重量計(jì)，其含有40-70wt%鎳。更具體來說，以鎳基合金的總重量計(jì)，該鎳基合金含有約58wt%鎳、約21.5wt%鉻、約9wt%鑰和約5wt%鐵。
[0054]圖4示意性地例示了制造符合NACE的定子罐的過程/方法。該過程/方法150包括在界面156處將非磁性定子套管延伸部部分152焊接到定子套管154。通過形成其上沒有設(shè)置任何定子組件的套管的組成部分(composite)，符合NACE的焊接件可通過將該焊接組成部分暴露到保證焊接區(qū)域和所有熱影響區(qū)域有低硬度(低于HRC33)的后焊接熱處理而制成。焊接件通過現(xiàn)有技術(shù)中允許后焊接熱處理的任何焊接方法制成，以便減輕因不同材料焊接而引起的焊接應(yīng)力并達(dá)到小于HRC33的硬度。示例性的焊接方法包括自生(autogenous)電子束和填充電子束(electron-beam with filler)、激光焊接、TIG焊接、MIG焊接、電弧焊接(arc weld)、吹管焊接(torch weld)和包括至少一種上述方法的組合。例如，定子套管延伸部部分152可包括焊接到包括17-4PH型磁性鋼的定子套管154每端的非磁性超合金鋼。更具體來說，非磁性超合金鋼可以包括鎳基合金，以鎳基合金的總重量計(jì),其含有40-70%鎳。甚至更具體的是,鎳基合金可以包括市購(gòu)自Inco AlloysInternational (Inco 合金國(guó)際)的 Inconel625 ? ,其包括約 58wt%鎮(zhèn)、約 21.5wt%絡(luò)、和約9wt%鑰和約5wt%#。隨后對(duì)所得的單元(unit)進(jìn)行熱處理以在界面156處形成符合NACE的焊接件。
[0055]—種適宜的后焊接熱處理方法是雙老化硬化方法(double age hardeningprocess),根據(jù)NACE MR0175,進(jìn)行以下熱循環(huán)之一:1)溶液在1040± 14°C退火(anneal)并空冷或液體淬火到低于32°C;然后在620± 14°C下進(jìn)行第一次沉淀硬化循環(huán)，在該溫度下最少4小時(shí)并空冷或液體淬火到低于32°C;然后在620±14°C下進(jìn)行第二次沉淀硬化循環(huán)，在該溫度下最少4小時(shí)并空冷或液體淬火到低于32°C ;或者2)溶液在1040±14°C退火并空冷或液體淬火到低于32°C;然后在760± 14°C下進(jìn)行第一次沉淀硬化循環(huán)，在該溫度下最少4小時(shí)并空冷或液體淬火到低于32°C ;然后在620±14°C下進(jìn)行第二次沉淀硬化循環(huán)，在該溫度下最少2小時(shí)并空冷或液體淬火到低于32°C。
[0056]此外，連接有定子組件，例如包括包裹在導(dǎo)電線圈162中的磁性定子疊片158的定子架160。然后在界面166處焊接剩下的定子罐部分164以完成定子罐。罐部分164由前面所用的相同或相似的非磁性鋼制成，例如上述的InConelTM625超合金鋼。因?yàn)楹附酉嗨频牟牧希越缑?66處的焊接件是符合NACE的，且不需要后焊接熱處理。因此，符合NACE的包封的定子可以進(jìn)行裝配并且內(nèi)部的定子電子組件不遭受破壞水平的熱量。
[0057]接下來，電力線和儀表線連接到定子組件。為提供最大的腐蝕防護(hù)，外部電力線和儀表線可制成符合NACE的，其中所述的線(wires)包括線套管，其包括圍繞導(dǎo)電材料的非磁性耐腐蝕合金。這種符合NACE的線實(shí)例是使用符合NACE的材料如Inconel合金作為線套管材料。線套管包封了，例如用陶瓷，如在加壓條件下提供了優(yōu)良電絕緣性的氧化鎂(MgO)，進(jìn)行絕緣的導(dǎo)電體。
[0058]以下的實(shí)施例落在上述更廣泛描述的方法的范圍內(nèi)并用來舉例說明書。實(shí)施例僅為示例的目的而呈現(xiàn)，并不旨在限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1
[0059]在這個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)的金屬樣品粉末包覆有Scotchkote?6258熱固性環(huán)氧樹脂作為阻擋層涂層，并熱固化成厚度為300微米和327微米(之間)。在施加粉末之前，將該部分預(yù)熱到150°C _246°C的溫度。然后在177°C固化粉末30分鐘。這些樣品在具有工藝氣體的高壓釜中進(jìn)行測(cè)試以確定涂層在酸性氣體環(huán)境中的適用性。進(jìn)行了一系列的測(cè)試，其中天然氣中的硫化氫含量在6，OOOppm(百萬分之一)至20，OOOppm之間變化，水汽含量在50ppm水到飽和之間變化。樣品也暴露到30°C _130°C的不同溫度中。
[0060]在低于79°C的溫度下，在暴露到硫化氫和水中的樣品中并未觀察到腐蝕。
實(shí)施例2
[0061]在這個(gè)實(shí)施例中，小規(guī)格的轉(zhuǎn)子(2-3英寸外徑的數(shù)量級(jí))粉末包覆有Sc0tchk0teTM134。在施加粉末之前，將轉(zhuǎn)子預(yù)熱到150°C _246°C的溫度。然后在177°C下固化粉末30分鐘至厚度為300微米-327微米。同樣將這些樣品在具有工藝氣體的高壓釜中進(jìn)行測(cè)試以確定涂層在酸性氣體環(huán)境中的適用性。
[0062]當(dāng)暴露到高水平的硫化氫(6，000-20, OOOppm)和水(50ppm至飽和)和80°C時(shí)，樣品并未顯不出腐蝕。
實(shí)施例3
[0063]在這個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)全尺寸產(chǎn)品轉(zhuǎn)子包覆有厚度為178微米-406微米(7mil-16miI)的Sermalon?。在生產(chǎn)條件下現(xiàn)場(chǎng)對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試并通過。這些產(chǎn)品轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)安裝，涂層經(jīng)受腐蝕性操作氣體環(huán)境超過2，000小時(shí)并且防止酸性氣體對(duì)下層(underlying)金屬組件的腐蝕。樣品沒有顯示出腐蝕。
實(shí)施例4[0064]在這個(gè)實(shí)施例中，對(duì)典型的支撐軸承滾道的Cronidur30樣品進(jìn)行NACE環(huán)境測(cè)試。該材料通過標(biāo)準(zhǔn)耐720小時(shí)環(huán)測(cè)試(standard720hour proofring tests),根據(jù)NACETM0177方案A，在典型的支撐軸承滾道的應(yīng)力水平下，而沒有腐蝕的跡象。
實(shí)施例5
[0065]在這個(gè)實(shí)施例中，對(duì)典型的支撐軸承下落套管的Haynes6-B樣品進(jìn)行NACE環(huán)境測(cè)試。該材料通過標(biāo)準(zhǔn)耐720小時(shí)環(huán)測(cè)試，根據(jù)NACE TMO177方案A，在典型的支撐軸承下落套管的應(yīng)力水平下，而沒有腐蝕的跡象。
實(shí)施例6
[0066]在這個(gè)實(shí)施例中，對(duì)典型的定子罐焊接件的Inconel625和17-4PH焊接樣品進(jìn)行NACE環(huán)境測(cè)試。該材料通過標(biāo)準(zhǔn)耐720小時(shí)環(huán)測(cè)試，根據(jù)NACE TMO177修改方案A，在典型的定子罐的應(yīng)力水平下，而焊接件中沒有腐蝕的跡象。
[0067]上述各種實(shí)施方案的組合提供了一種對(duì)例如在酸性氣體環(huán)境中可遇到的腐蝕元素具有優(yōu)良耐受性的磁性軸承。
[0068]單數(shù)形式的“a (—種)”、“an ( 一種)”和“the (該/所述)”包括復(fù)數(shù)的指示物，除非上下文另外清楚地說明。涉及相同特征或組分的所有范圍的端值可獨(dú)立地組合并包括所列舉的端值。
[0069]本說明書使用了實(shí)施例來公開本發(fā)明，包括最佳實(shí)施方式并且也能使任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員實(shí)施本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)并進(jìn)行任何所引入的方法。本發(fā)明的專利性范圍由權(quán)利要求進(jìn)行限定，并包括本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到的其他實(shí)例。這種其他實(shí)例意欲落在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，條件是它們具有并非不同于權(quán)利要求的文字語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)元件或者條件是它們包括與權(quán)利要求文字語(yǔ)言沒有實(shí)質(zhì)性差異的等同結(jié)構(gòu)元件。
【權(quán)利要求】
1.一種定子組合件，其包括定子套管；包裹在與套管磁通信的導(dǎo)電線圈內(nèi)的磁性定子疊片；和形成在定子套管、磁性定子疊片或其組合上的阻擋層。
2.權(quán)利要求1的定子組合件，進(jìn)一步包括與定子組合件操作通信的傳感器。
3.權(quán)利要求1的定子組合件，其中包裹在導(dǎo)電線圈內(nèi)的定子疊片是未包封的。
【文檔編號(hào)】F16C32/04GK103498870SQ201310403919
【公開日】2014年1月8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】K.R.韋伯, M.A.阿利, M.埃特沙米, R.加丹吉, R.索德拉, J.D.范丹 申請(qǐng)人:通用電氣公司