包封的定子組合件及製造方法
2023-06-10 18:47:16
包封的定子組合件及製造方法
【專利摘要】本發明涉及包封的定子組合件及製造方法。在操作期間使用磁性軸承來支撐轉子軸的轉子和定子組合件可以適合用於腐蝕環境如酸性氣體中。對於酸性氣體應用來說，轉子和定子組合件包括符合NACE的磁性軸承結構。一實施方案包括包封的定子組合件(60)，其包括磁性材料製成的定子套管(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製成的套管延伸部(152)，其中對連接點進行熱處理；和構造用於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)的非磁性材料製成的壁(70)。
【專利說明】包封的定子組合件及製造方法
本申請是以下申請的分案申請:申請日:2008年3月7日；申請號:200810095126.6 ;發明名稱:「包封的定子組合件及製造方法」。
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用磁性軸承並且可用於腐蝕環境中的轉子和定子組合件以及組裝磁性軸承的方法。轉子和定子組合件可用於渦輪膨脹機、泵、壓縮機、電動機和發電機以及用於油氣工業的相似渦輪機器。
【背景技術】
[0002]渦輪膨脹機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，渦輪膨脹機也能產生流出物物流。然後該流出物物流可以流經分離器或蒸餾塔將流出物分離成重質液體物流。渦輪膨脹機使用旋轉設備，其較昂貴並通常包括設置在具有徑向入口和軸向出口的殼體內的向心式(radial inflow)渦輪轉子。渦輪轉子通過固定於轉子上的軸旋轉設置在軸承內。針對以下事情，這種渦輪膨脹機可以用於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、來自相關過程的廢熱的熱能回收等。壓縮機作為從渦輪膨脹機取得功或僅耗散能量的裝置與渦輪膨脹機相聯。
[0003]可用於支撐渦輪機器如上述渦輪膨脹機或壓縮機中的轉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並支撐移動軸。軸可以轉動(旋轉)或往復運動(直線平移)。相反，流體-薄膜軸承和滾柱-元件軸承直接與轉子軸接觸，通常需要流體型潤滑劑，例如油。
[0004]磁性軸承提供了優於流體-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的負載容量。此外，不同於其他類型的軸承，磁性軸承並不需要潤滑，因而省去了油、閥門、泵、過濾器、冷卻器等，而這些增加了複雜性並且包括了工藝汙染的風險。
[0005]在通常的轉子和定子組合件的磁性軸承結構中，包含多個電磁線圈的定子圍繞著鐵磁材料形成的轉子軸。稱為磁性徑向軸承的每個電磁線圈，因它們徑向圍繞轉子，產生傾向於吸引轉子軸的磁場。轉子軸組合件由轉子軸附近適當位置處定子內的這些活化(active)磁性徑向軸承進行支撐。通過改變特定磁體的線圈中電流的數值，可對吸引力進行控制以使轉子保持在磁體的中心。定子內的傳感器圍繞著轉子並測量轉子與中心位置的偏離。數字處理器使用來自傳感器的信號來確定如何調整磁體中的電流以將轉子定位在磁體的中心。檢測軸位置、處理數據並調整線圈中電流的循環能夠以每秒鐘高達25，000次的速率發生。因為轉子「漂浮」在空間不接觸磁體，所以不需要任何種類的潤滑。
[0006]當磁性軸承未被供給能量時，耐磨軸承以及密封件可安裝在轉子軸的每個端部以支撐所述軸。這避免了轉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)」軸承通常是乾燥的、潤滑的，並在正常運行中保持空載。
[0007]油氣工業中，轉子和定子組合件可以運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汙染物。這些汙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的結合產生所謂的溼酸性氣體(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:能實現無縫(seal-less)系統,這消除了對緩衝(buffer)氣體(在上遊的油氣應用中通常不可得)的需要；和提高所安裝的渦輪機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汙染物的工藝氣體環境中的使用對磁性軸承的易損壞組件造成重大的風險。
[0008]全國防腐工程師協會(TheNational Association of Corrosion Engineers)(NACE)標準 MR0175, " Sulfide Stress Corrosion Cracking Resistant MetallicMaterials for Oil Field Equipment〃是油氣工業中廣泛使用的標準,規定了提供在酸性氣體(sour gas)環境中使用的良好使用壽命的機械所需的適宜材料、熱處理條件和硬度水平。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/或溼酸性氣體時可能發生的。例如，符合NACE的焊接件通常需要後焊接熱處理過程以減輕通常將會促進腐蝕敏感性的任何焊接應力。目前，油氣工業中使用的磁性軸承系統還沒有完全是符合NACE的。
[0009]符合NACE是合乎需要的，因為轉子軸組合件包括多個在運行中可能要暴露於酸性氣體環境的組件。這些包括，特別地，轉子軸本身、繞轉子軸的磁性轉子疊片(laminations)以及轉子下落套管(rotor-landing sleeves)。作為對腐蝕劑敏感性的實例，已經發現，如果轉子疊片暴露到溼酸性氣體中，它們通常由於氫脆和應力相關的腐蝕開裂而失效。應力相關的腐蝕開裂是一問題，因為磁性轉子疊片通常隨冷縮配合(shrunk-fit)到轉子軸上的衝壓而製成。在以工作速度運行期間，由於冷縮配合應力和施加其上的徑向力，這些組件經受較高的機械應力。
[0010]用於轉子和定子組合件中的現有磁性軸承系統的另一弊端涉及通常用於構建轉子軸和/或轉子疊片的鋼合金。選擇對酸性氣體最有耐力的鋼組分通常具有差的磁性能。由此，轉子軸上發生高的電磁損耗，導致熱負載超過1.0Off / cm2 (6.45W / in2)。暴露到熱負載高溫中會降低鋼對酸性氣體腐蝕的耐受力。考慮到與較大組件相關的成本和足跡(footprints)，增大組件的尺寸以使熱負載最小是不現實的。
[0011]除了轉子軸和疊片以外，轉子軸組合件通常包括冷縮配合到轉子軸每端上的轉子下落套管。如果轉子下落，該下落套管與滾柱-元件支撐軸承的內滾道(inner race)相嚙合，在轉子下落期間，磁性軸承失效並在隨後的停止過程中支撐軸承不得不支撐轉子。目前，轉子下落套管由不符合NACE的材料製成，因此在酸性氣體環境中遭受腐蝕。
[0012]磁性軸承的定子是靜止組件，為轉子組合件懸浮提供了磁場源。空氣空隙將定子與轉子軸分離開來。為了最大化磁場強度和浮力，該空氣空隙要製得儘可能的小，同時還要滿足轉子軸和定子之間的機械間隙要求。所述空隙尺寸通常為毫米分數(millimeterfractions)的量級。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子，或者不得不增加定子的直徑或軸長，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，那麼倘若空氣空隙大於機械間隙所要求的，浮力就會降低。
[0013]現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)」保護定子組件遠離過程環境。現有的定子罐通常包括端部連接的相同材料的兩同心管。該管狀罐部分設置在定子和轉子軸之間的空隙中。如果罐材料是非磁性的，那麼在所需的機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]在目前的實踐中，定子罐部分與磁性的符合NACE的合金(典型的實例是具有15-18wt%鉻、3-5wt%鎳和3-5wt%銅含量的鎳鉻合金，如17-4沉澱硬化(PH)不鏽鋼)裝配並焊接在一起。焊接件通常將會需要在超過600°C的溫度下後焊接熱處理以便完全符合NACE0然而，由於經包封的電子定子組件和現有製造方法的溫度限制，不進行熱處理是可能的，因此，焊接件目前並不符合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),並不能被包封，並且暴露到工藝氣體環境。
[0015]現在參照現有技術的附圖1，顯示了一種示例性渦輪膨脹機-壓縮機系統，通常標示為附圖數字10，其包括具有多個用於支撐轉子軸的磁性軸承的轉子和定子組合件。系統10包括殼體16相對兩端上的渦輪膨脹機12和壓縮機14，殼體包括多個用於支撐轉子軸20的磁性軸承18。
[0016]每個磁性軸承18都包括繞轉子軸20設置的定子22。定子22包括定子杆、定子疊片和設置用於提供磁場的定子線圈(未示出)。固定在轉子軸20上的是轉子疊片24，每個轉子疊片與每個定子22匹配(align)並設置成磁性通信。在適當地供給能量時，定子22有效吸引轉子疊片24，以便提供轉子軸20的浮置和徑向設置。所例示的系統10還包括另外的軸向磁性軸承26和28，以通過作用於磁性轉子推力盤(thrust disk) 30而使轉子軸20沿軸向對準(align)。滾柱-元件支撐軸承32設置在轉子軸每端的附近並進行定位，以當磁性軸承失效時或者當系統10在斷開狀態時以使轉子下落套管34嚙合設置在轉子軸16上。當配置系統10來適應軸向或推力(thrust)負載時，要增加套管34的寬度來適應任何的軸向運動。
[0017]支撐軸承32通常由滾柱-元件軸承製成。在這種軸承中，內滾道和外滾道需要高硬度(通常超過HRC40(Rockwell C-級硬度))的鋼合金以獲得低磨損和長的軸承壽命。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，現有的滾道(race)由並不滿足NACE腐蝕要求的高硬度鋼合金製成。
[0018]系統10進一步包括多個表示為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通常用於感測轉子軸20上的軸向和徑向間斷性使得通過控制單元能夠監測沿軸的徑向和軸向位移(displacement)以在轉子軸20上產生合乎需要的磁性浮力。
[0019]現有技術圖2例示了示例性轉子和定子組合件50的局部剖視圖。該轉子和定子組合件50包括轉子軸組合件52，其包括連接到轉子軸56上的轉子疊片54。包封的定子組合件60圍繞著轉子軸組合件50並且包括定子架62、包裹在導電線圈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)範圍內的厚度。包封的定子組合件60包括由通常約I釐米厚的壁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、杆、傳感器以及電力線和儀表線。空氣空隙80將轉子軸組合件52與定子組合件60分開。運行中，轉子軸56懸浮在定子組合件60所產生的磁場中。
[0020]考慮到利用磁性軸承系統的轉子和定子組合件在腐蝕環境中的不斷使用，存在有一種不斷增加的需求，以克服上述現有磁性軸承的缺點。
發明簡述
[0021]本發明公開了一種耐腐蝕定子組合件(assembly)及製造它的方法。在一實施方案中，定子組合件包括由磁性材料製成的定子套管(sleeve);與定子套管共軸並固定連接到定子套管每端上的非磁性材料製成的套管延伸部，其中對連接點進行熱處理；以及構造用於密封容納(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製成的壁。
[0022]在另一實施方案中，定子組合件包括定子套管；包裹在與套管磁通信的導電線圈內的磁性定子疊片；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]用於形成包封的定子組合件的方法，包括將非磁性材料製成的定子套管延伸部焊接到磁性材料製成的定子套管上並隨後在有效減輕焊接應力的溫度下對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，其中所述殼體被構造用來包封和密封定子電磁組件。
[0024]本發明所公開的組件和方法的特徵和優點通過參考以下的附圖和詳述以及其中所包含的實施例會變得更容易理解。
附圖簡述
[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字表示。
[0026]圖1是舉例說明例如用於膨脹機-壓縮機中的磁性軸承轉子組合件和定子的磁性軸承系統的現有技術不意圖。
[0027]圖2是顯示了相對於轉子組合件設置、具有非符合NACE的焊接件的定子罐的包封的定子的現有技術示意圖。
[0028]圖3是顯示了包覆有聚合物阻擋層的轉子組合件的示意圖。
[0029]圖4是顯示了構建具有符合NACE的焊接件的定子的步驟的示意圖。
[0030]圖5是相對於轉子軸和轉子下落套管設置的滾柱-元件支撐軸承的示意圖。
部件列表:
10 磁性軸承系統 12 渦輪膨脹機 14 壓縮機 16 殼體 18 磁性軸承 20 轉子軸 22 定子 24 轉子疊片 26 軸向磁性軸承 28 軸向磁性軸承 30磁性轉子推力盤
32滾柱-元件支撐軸承
34轉子下落套管
36傳感器
38儀表線
50定子組合件
52轉子軸組合件
54轉子疊片
56轉子軸
60包封的定子組合件
62定子架
64定子疊片
66導電線圈
68定子套管
70壁
72界面
80空氣空隙
100轉子軸組合件
102轉子軸
104轉子疊片
106阻擋層
108轉子下落套管
150過程/方法
152非磁性定子套管延長部部分
154定子套管
156界面
158磁性疊片
160定子架
162導電線圈
164定子罐部分
166界面
200支撐軸承
202轉子軸
204下落套管
206外滾道
208內滾道
發明詳述
[0031]本發明提供了一種包含磁性軸承的轉子和定子組合件以及裝配適用於腐蝕環境
中的磁性軸承的方法。磁性軸承組合件可製成完全符合NACE的，正如一些應用中所期望的。例如，符合NACE的轉子軸組合件通過用阻擋層薄膜包覆磁性鋼轉子軸和轉子疊片而獲得。對於使用包封的定子組合件的磁性軸承系統來說，使用用於包封的磁性和非磁性材料的組合獲得了符合NACE的定子罐，當它們焊接在一起時，僅需要在不同材料之間的結合點(joints)的熱處理。同樣，通過使用下文更詳細說明的具體原料可將轉子下落套管、支撐軸承的內滾道和外滾道以及電力線和儀表線製成符合NACE的。
[0032]渦輪膨脹機用作示例性實例，但是本發明所公開的腐蝕環境用磁性軸承可用於軸向軸承以及其他磁性軸承的設備(imp I ementat ions);例如泵、壓縮機、馬達、發電機和其他渦輪機。
[0033]圖3例示了一種使磁性軸承的轉子組合件適用於腐蝕環境如酸性氣體和溼酸性氣體環境的實施方案。轉子軸組合件100包括轉子軸102、繞軸設置的轉子疊片104和轉子下落套管108。顯示了阻擋層106設置在轉子軸組合件的所有暴露表面上。在任選的實施方案中，阻擋層形成在轉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子組合件的選定區域上。這些包括轉子軸、轉子疊片或用於共同形成轉子疊片的衝壓器(punchings)的選定區域。在一實施方案中，阻擋層可施加到包含疊片的轉子上，疊片由已知的不具有或僅具有低的耐腐蝕性的鐵-矽(FeSi)製成。符合NACE的合金，例如17-4PH不鏽鋼通常不需要聚合物表面塗層，因為它們天性是耐腐蝕的。
[0034]非必需地，在阻擋層施加之前可施加底塗層(primer coat)。底塗層的具體厚度將依賴於所選的阻擋層材料的類型，但通常應該進行選擇以有效用於設置磁性軸承的具體環境中。根據聚合物的組成和預期的應用來最優化層的厚度是在本領域技術人員的知識範疇內的。
[0035]用於形成阻擋層106來保護腐蝕環境中的轉子軸組合件100的適宜材料包括但並不旨在限制於各種全部氟化(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公司的商標名Xylan?進行銷售,且杜邦(Dupont)的Teflon?和Teflon-S?也是有用的阻擋層材料。Xylan?塗層部分包括PTFE、PFA和FEP。Teflon?塗層部分包括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系列的碳氟化合物塗層，其提供了增加的硬度和抗磨性或其他合乎需要的性能。
[0037]用於形成阻擋層的其他有機材料包括粉狀的環氧樹脂類、填充環氧樹脂類、填充矽酮和填充PPS (聚苯硫)。代表性的熱固性環氧樹脂粉塗層包括但不旨在限制於購自3M公司的 Scotchkote?134 和 Scotchkote?6258。
[0038]Scotchkote?134熔融粘結的環氧樹脂塗層(FBEC)是一部分可熱固化的熱固性環氧樹脂塗層，其部分包括二(4-輕苯酹)異亞丙基二環氧甘油醚(diglcycidyl ether)-二(4-羥苯酚)異亞丙基共聚物。SC0tChk0te?6258熔融粘結的環氧樹脂塗層(FBEC)是一部分可熱固化的熱固性環氧樹脂塗層，其部分包括二(4-羥苯酚)異亞丙基二環氧甘油醚-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以乾燥粉的形式非必需地施加到254微米(Imil)的苯酚底塗層上並在150°C _250°C的溫度下熱固化直到30分鐘達254-381微米(10_15mil)
的厚度。
[0039]用於形成圖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化塗層(conversion coatings),更具體來說,轉化材料以Sermatech的商標名Sermalon?、Sermaloy?、Sermagard? 和 Sermatel? 進行銷售。
[0040]Sermalon?塗層系統包括鋁填充的鉻酸鹽/磷酸鹽粘結塗層，中間的高溫聚合抑制塗層和PTFE浸潰外塗層(topcoat)。塗層厚度範圍為100-150微米。SermaLoy?是具有富矽外層的金屬間鎳鋁化物。Sermatel?是粘結到金屬上產生金屬-陶瓷複合物的無機塗層系列。Sermagard?是具有陶瓷粘結劑的水基鋁化塗層。
[0041]聚合物阻擋層106的厚度範圍可以從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塗(spray)和乾燥塗膜法(bake coating process)予以施加，其中將液體分散液噴霧到襯底上以供隨後加熱高於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)將粉末噴塗到襯底上。在另一實施例中，粉末可噴塗到已經加熱至聚合物材料熔化溫度之上的襯底上來形成塗層，也稱為熱噴塗。使用稱為「旋轉加襯(rotolining)」的方法施加塗層也是已知的，其中例如在聚合物材料的熔化溫度之上於爐體中加熱襯底和粉末，同時旋轉襯底以在襯底上形成無縫的塗層。
[0043]如上所述，阻擋層106被施加到轉子軸組合件100的至少一個暴露的選定表面上，該表面可以包括一個或多個由轉子疊片104、轉子軸102、轉子下落套管108所限定的表面，其它轉子組合件表面或完全裝配的轉子100。目的在於將轉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可發生的腐蝕的保護塗層中。
[0044]轉子軸組合件的組件通常由磁性鋼製成。在一實施方案中，轉子疊片由鐵矽(FeSi)材料製成且其上設置有聚合物阻擋塗層。
[0045]在另一實施方案中，轉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，該合金含有40-90wt% (重量百分數)的鎳。本文中「X-Ywt%」意味著"Xwt % -Ywt % 」，其中X和Y為數值。特別地，耐氫鎳基合金是Haynes國際(HaynesInternational)的HASTELLOY? C22?,以鎳基合金的總重量計，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]在另一實施方案中，轉子軸由17-4PH型不鏽鋼合金的磁性鋼，一種以沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼的總重量計包含10-20wt%鉻並進一步包含銅和鈮的添加物的沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼製成。更具體來說，以沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼的總重量計，所述沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼包含約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建具有緊湊尺寸的轉子軸組合件。聚合物阻擋層或轉子疊片上非必需的HASTELLOY?C22?:塗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，與例如鐵矽合金(FeSi)相比，影響了轉子的磁性能，因而增加了電磁損耗。這提出了重要的挑戰，特別是在美國石油學會(AmericanPetroleum Institute)所要求的裝配機器的環境空氣測試中。環境空氣具有顯著較低的壓力，因而，相比於加壓的工藝氣體，具有更低的冷卻能力。此外，其熱性能和輸運性能劣於許多工藝氣體，與加壓工藝氣體相比，進一步減低了其冷卻能力。對此補償的一種方法是增加轉子的尺寸以便增加暴露的區域，從而降低轉子表面熱通量並增加冷卻能力。然而，這降低了目的應用中磁性軸承的吸引力。如果不增加轉子尺寸，獲得的轉子可具有超過lW/cm2(6.45W/in2)的轉子表面熱通量。如果在環境空氣中測試，這會容易地導致過熱升高超過疊片式轉子(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(例如氮氣)中於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試裝配機器來避免。所需壓力和溫度的確切組合在設計上是相關的並需要在適當選擇的測試條件下對預期轉子損耗的認識。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、低碳馬氏體不鏽鋼、或相似材料，也可用於製造轉子疊片。以合金的總重量計，PERMALLOY? 和 MOLY PERMALLOY? 包括約 8(^丨％鎳、約 14wt%#、約 4.8wt%.、約
0.5wt%錳和約0.3wt%的矽。以低碳馬氏體不鏽鋼的總重量計，低碳馬氏體不鏽鋼包括約11.5-17.0界七％鉻、約3.5-6.0界七％鎳、和不超過0.060wt%的碳。
[0047]在另一實施方案中，如圖3中所示的轉子下落套管108由以鈷基超合金鋼製成，以鈷基超合金鋼的總重量計，其含有40-70wt%的鈷。使用鈷基超合金鋼有利地使得轉子下落套管符合NACE。更具體來說，適宜的鈷基超合金鋼包括但不旨在限制於Haynes國際公司(Haynes International Corp.)銷售的商標名為ULTIMET?的鈷基超合金鋼，以鈷基超合金鋼的總重量計，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公司以商標名Armoloy?銷售的鉻塗層，其中HAYNES?6B以鈷基超合金鋼的總重量計包括約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，該性能在當轉子軸落在滾柱-元件支撐軸承上時在磁性軸承失效期間防止對轉子軸表面的損害是必需的,此時同時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)，其可進行加工硬化(work hardened)和老化來增加它們的硬度以及由此的強度並且仍保持符合 NACE。
[0048]圖5顯示了滾柱-元件支撐軸承200的一般性示意圖，其包括相對於轉子軸202和下落套管204的內滾道208和外滾道206。在另一實施方案中，滾柱-元件支撐軸承的內滾道和外滾道由馬氏體含氮不鏽鋼製成，以馬氏體含氮不鏽鋼的總重量計，其包含10-20wt%鉻和0.1-1.0?丨％氮。以組成的總重量計，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。這些馬氏體含氮不鏽鋼是以Cronidur-30?市購自Barden公司或者以VC444市購自SKF BearingsUSA。這些馬氏體含氮不鏽鋼可獲得足夠高的硬度以用於滾柱-元件支撐軸承滾道中(HRC高於55)，另外提供了優良的耐腐蝕性。
[0049]在又一實施方案中，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免受腐蝕性氣體環境。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。對於未包封的定子組合件來說，這是有利的。
[0050]在另一實施方案中，本發明公開的測試方法能夠，在現場安裝前，於工廠環境下，測試轉子表面熱通量超過lW/cm2(6.45W/in2)的緊湊的磁性軸承。與在石油開採地點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轉軸承。空氣或其他惰性氣體通過冷卻器或換熱器預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。氣氛的溫度範圍是_260°C至40°C。氣氛加壓到至少2bar以增加其排熱能力同時保持轉子溫度在工程限制內。
[0051]如上所述，轉子和定子組合件可包括包封的定子組合件，本發明也稱為定子罐(stator can)。在一實施方案中，定子罐用符合NACE的材料構造並使用磁性和非磁性鋼合金的組合進行焊接。磁性鋼合金設置在磁性鋼提供電磁優點的定子罐的區域例如定子套管中。非磁性鋼(例如Inconel)具有較好的耐腐蝕性且不需要後焊接熱處理，因此其被設置在不需要磁性鋼性能的區域中。
[0052]在一實施方案中，包封的定子的磁性鋼合金包括沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼，以沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼的總重量計，其含有10-20wt%鉻。更具體來說，以沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼的總重量計，該沉澱硬化的馬氏體不鏽鋼包括約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，其含有40-70wt%鎳。更具體來說，以鎳基合金的總重量計，該鎳基合金含有約58wt%鎳、約21.5wt%鉻、約9wt%鑰和約5wt%鐵。
[0054]圖4示意性地例示了製造符合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域和所有熱影響區域有低硬度(低於HRC33)的後焊接熱處理而製成。焊接件通過現有技術中允許後焊接熱處理的任何焊接方法製成，以便減輕因不同材料焊接而引起的焊接應力並達到小於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)、雷射焊接、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,其含有40-70%鎳。甚至更具體的是,鎳基合金可以包括市購自Inco AlloysInternational (Inco 合金國際)的 Inconel625 ? ,其包括約 58wt%鎮、約 21.5wt%絡、和約9wt%鑰和約5wt%#。隨後對所得的單元(unit)進行熱處理以在界面156處形成符合NACE的焊接件。
[0055]—種適宜的後焊接熱處理方法是雙老化硬化方法(double age hardeningprocess),根據NACE MR0175,進行以下熱循環之一:1)溶液在1040± 14°C退火(anneal)並空冷或液體淬火到低於32°C;然後在620± 14°C下進行第一次沉澱硬化循環，在該溫度下最少4小時並空冷或液體淬火到低於32°C;然後在620±14°C下進行第二次沉澱硬化循環，在該溫度下最少4小時並空冷或液體淬火到低於32°C ;或者2)溶液在1040±14°C退火併空冷或液體淬火到低於32°C;然後在760± 14°C下進行第一次沉澱硬化循環，在該溫度下最少4小時並空冷或液體淬火到低於32°C ;然後在620±14°C下進行第二次沉澱硬化循環，在該溫度下最少2小時並空冷或液體淬火到低於32°C。
[0056]此外，連接有定子組件，例如包括包裹在導電線圈162中的磁性定子疊片158的定子架160。然後在界面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製成，例如上述的InConelTM625超合金鋼。因為焊接相似的材料，所以界面166處的焊接件是符合NACE的，且不需要後焊接熱處理。因此，符合NACE的包封的定子可以進行裝配並且內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，外部電力線和儀表線可製成符合NACE的，其中所述的線(wires)包括線套管，其包括圍繞導電材料的非磁性耐腐蝕合金。這種符合NACE的線實例是使用符合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良電絕緣性的氧化鎂(MgO)，進行絕緣的導電體。
[0058]以下的實施例落在上述更廣泛描述的方法的範圍內並用來舉例說明書。實施例僅為示例的目的而呈現，並不旨在限制本發明的保護範圍。
實施例1
[0059]在這個實施例中，單個的金屬樣品粉末包覆有Scotchkote?6258熱固性環氧樹脂作為阻擋層塗層，並熱固化成厚度為300微米和327微米(之間)。在施加粉末之前，將該部分預熱到150°C _246°C的溫度。然後在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行測試以確定塗層在酸性氣體環境中的適用性。進行了一系列的測試，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]在低於79°C的溫度下，在暴露到硫化氫和水中的樣品中並未觀察到腐蝕。
實施例2
[0061]在這個實施例中，小規格的轉子(2-3英寸外徑的數量級)粉末包覆有Sc0tchk0teTM134。在施加粉末之前，將轉子預熱到150°C _246°C的溫度。然後在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行測試以確定塗層在酸性氣體環境中的適用性。
[0062]當暴露到高水平的硫化氫(6，000-20, OOOppm)和水(50ppm至飽和)和80°C時，樣品並未顯不出腐蝕。
實施例3
[0063]在這個實施例中，兩個全尺寸產品轉子包覆有厚度為178微米-406微米(7mil-16miI)的Sermalon?。在生產條件下現場對它們進行測試並通過。這些產品轉子現場安裝，塗層經受腐蝕性操作氣體環境超過2，000小時並且防止酸性氣體對下層(underlying)金屬組件的腐蝕。樣品沒有顯示出腐蝕。
實施例4[0064]在這個實施例中，對典型的支撐軸承滾道的Cronidur30樣品進行NACE環境測試。該材料通過標準耐720小時環測試(standard720hour proofring tests),根據NACETM0177方案A，在典型的支撐軸承滾道的應力水平下，而沒有腐蝕的跡象。
實施例5
[0065]在這個實施例中，對典型的支撐軸承下落套管的Haynes6-B樣品進行NACE環境測試。該材料通過標準耐720小時環測試，根據NACE TMO177方案A，在典型的支撐軸承下落套管的應力水平下，而沒有腐蝕的跡象。
實施例6
[0066]在這個實施例中，對典型的定子罐焊接件的Inconel625和17-4PH焊接樣品進行NACE環境測試。該材料通過標準耐720小時環測試，根據NACE TMO177修改方案A，在典型的定子罐的應力水平下，而焊接件中沒有腐蝕的跡象。
[0067]上述各種實施方案的組合提供了一種對例如在酸性氣體環境中可遇到的腐蝕元素具有優良耐受性的磁性軸承。
[0068]單數形式的「a (—種)」、「an ( 一種)」和「the (該/所述)」包括複數的指示物，除非上下文另外清楚地說明。涉及相同特徵或組分的所有範圍的端值可獨立地組合併包括所列舉的端值。
[0069]本說明書使用了實施例來公開本發明，包括最佳實施方式並且也能使任何本領域的技術人員實施本發明，包括製造和使用任何設備或系統並進行任何所引入的方法。本發明的專利性範圍由權利要求進行限定，並包括本領域的技術人員想到的其他實例。這種其他實例意欲落在權利要求的範圍內，條件是它們具有並非不同於權利要求的文字語言的結構元件或者條件是它們包括與權利要求文字語言沒有實質性差異的等同結構元件。
【權利要求】
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電線圈內的磁性定子疊片；和形成在定子套管、磁性定子疊片或其組合上的阻擋層。
2.權利要求1的定子組合件，進一步包括與定子組合件操作通信的傳感器。
3.權利要求1的定子組合件，其中包裹在導電線圈內的定子疊片是未包封的。
【文檔編號】F16C32/04GK103498870SQ201310403919
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2008年3月7日 優先權日:2007年3月8日
【發明者】K.R.韋伯, M.A.阿利, M.埃特沙米, R.加丹吉, R.索德拉, J.D.範丹 申請人:通用電氣公司