用于腐蚀环境中的磁性轴承的转子轴组合件的制作方法

专利名称：用于腐蚀环境中的磁性轴承的转子轴组合件的制作方法
技术领域：
本发明涉及^ffi磁性轴承并且可用于腐蚀环境中的转子和定子组合件。转 子和定子组合件可用于涡轮膨胀机、泵、压縮机、电动机和发电机以及用于油 气工业的相似涡轮机器。
背景技术：
涡轮膨胀机是降低原料气胸ffi力的縫。在这种情况下，舰期间可 以抽取出有用功。此外，涡轮膨胀机也能产生流出物物流。然后该流出物物流 可以流经分离器或蒸馏塔将流出物分离成重质液,流。涡轮膨胀机使用旋转 设备，其较昂贵并通常包括设置在具有径向入口和轴向出口的壳体内的向心式(radial inflow)涡轮舒。涡轮转子舰固定于转子上的轴旋转體在轴承内。针 对以下事情，这种涡轮膨胀机可以用于各种各样的不同气体物流，例如空气分 离、天然气加工和传送、回收来自膨胀过程的压力降低能量、来自相关过程的 废热的热能回收等。目机作为从涡轮膨胀机取得功或仅耗散能量的装置与涡 轮膨胀机相联。可用于支撑涡轮机器如上述涡轮膨胀机或压縮机中的转子轴的轴承有三 种主要类型。各种类型的轴承包括磁性轴承、滚柱-元辨roller《lement)轴承和流 体薄膜轴承。磁性轴承使用电磁力定位并支撑移动轴。轴可以转執旋转)或往 复运动(直线平銜。相反，流体薄膜轴斜喊柱-元件轴承直接与转刊接触， 通常需要流体型润滑剂，例如油。磁性轴承,了优于流体薄膜轴承和滚柱-元件轴承的性能。磁性轴鄉 常具有较低的阻力损対draglosses)、较高的刚度(stiffoess)和阻尼特性以及适当的负载容量。此外，不同于其他类型的轴承，磁性轴承并不需要润滑，因而省去 了油、阀门、泵、过滤器、冷却器等,而这些增加了复杂性并且包括了工艺污染 的风险。M常的转子和定子组合件的磁性轴承结构中，包含多个电磁线圈的定子围绕^^磁材料形成的转子轴。称为磁性径向轴承的旨电磁线圈，因它们径 向围绕转子，产生倾向于吸引转子轴的磁场。转子轴组合件由转子轴附近适当位置处定子内的这些活化(active)磁性径向轴糊行支撑。舰艘特定磁体的 线圈中电流的数值，可对吸引力进行控制以使转，持在磁体的中心。定子内 的传 围绕着转子并测量转子与中'11、位置的偏离。数字处理器使用来自传感 器的信号来确定如何调整磁体中的电流以将转子定位在磁体的中心。检测轴位 置、M数据并调整线圈中电流的循环會辦以每秒钟高达25,000次的速率发生。 因为转子"激孚"在空间不接触磁体，所以不需要任何种类的润滑。当磁性轴承未被供给能量时，耐磨轴承以及密封件可安装在^T轴的旨 端部以支撑所述轴。皿免了转子轴和定子径向磁性轴承之间有樹可接触。这 些辅助或'支撑(back-up)"轴細常是干燥的、润滑的，并在正常运行中保持空载。油气工业中，转子和定子组合件可以运行在也可用作冷却剂的工艺气体 中。工艺气体通常雖力在约10bar-约200bar下的天然气。遗憾的是，天然气 可能具有大量的污鄉。这些污鹏可能包括腐蚀剂例女嘛化i((H2S)、 7K、 CQz、 油以及其它。在最坏的情况下,7jC和H2S的结合产生所谓的湿酸性气俠sour gas)， 一种腐蚀性更高的气体。磁性轴承通常需要冷却以保持轴承组件中的可接受的 温度。使用工艺气体直接作为冷却剂提供了如下的显著的益处能实现无缝 (seal-less)系统，这消除了对缓冲(buffer)气俠在上游的油气应用中通常不可得)的需要；和提高所安装的涡轮机器的安全性和可操作性。然而，磁性轴承组合 件的冷却以及其在含有上述污染物的工艺气体环境中的使用对磁性轴承的易损 坏组件造成重大的风险。全国防腐工程师协会(The National Association of Corrosion Engineers) (NACE)标准MR0175, "Sulfide Stress Corrosion Cracking Resistant Metallic Materials for Oil Field Equipment"是油气工业中广泛j訓的标准,规定了提供在酸 性气俠sour gas)环境中^ffl的良好舰寿命的机M0 需的适宜材料、热处理条 件和5赎水平。符合NACE的材料鹏件基本上是耐腐蚀的，所鹏蚀是例如 将不符合NACE的材料暴露到酸性气術Q/或湿酸性气体时可能发生的。例如， 符合NACE的焊^^牛通常需要后焊接热处理过程以^l常giSia^蚀敏感 性的<封可焊接应力。目前，油气工业中使用的磁性轴承系统还没有完全是符合 NACE的。符合NACE是合乎需要的，因为转子轴组合件包括多个在运行中可能要暴 露于酸性气体环境的组件。这些包括，特别地，转子轴本身、绕转子轴的磁性 转子叠片(laminations)以及转子下落套管(rotor-landing sleeves)。作为对腐蚀齐i傲 感性的实例，已经发现，如果转子叠片暴露到湿酸性气体中，它们通常由于氢 脆和应力相关的腐蚀开裂而失效。应力相关的腐蚀开裂是一问题，因为磁性转 子叠片通常随冷縮配^(shrunk-fit)到转子轴上的冲压而制成。在以工作職运行 期间，由于冷縮配合应力和施加其上的径向力，这些组件经受较高的机鹏力。用于转子和定子组合件中的现有磁性轴承系统的另一弊端涉及通常用于 构建转子轴和/或转子叠片的钢合金。选择对酸性气体最有耐力的钢组分通常具 有差的磁性能。由此，转子轴上发生高的电磁损耗，导致热负载超过1.00 W/cm2(6.45W/in2)。暴露到热负载高温中会斷氐钢对酸性气体腐蚀的耐受力。考 虑到与较大组件相关的^和，foot prints),增大组件的尺寸以使热负载最小 是不现实的。除了,轴和叠片以外，转子轴组合件通常包括，配合到转，每端上 的转子下落套管。如果转子下落，该下落套管与滚柱-元件支撑轴承的内滚道 (innerrace)相啮合，在转子下落期间，磁性轴承失效并在随后的停jhMf呈中支撑 轴承不得不支撑转子。目前，軒下落套管由不符合NACE的材料制成，因此 在酸性气,境中遭受腐蚀。磁性轴承的定子是静止组件，为转子组合件悬浮提供了磁场源。空气空隙 将定子与转子轴分离开来。为了最大化磁场强度和浮力，该空气空隙要制得尽 可能的小，同时还要满足转子轴和定子之间的机械间隙要求。所述空隙尺寸通 常为毫米分数(millimeterfractions)的量级。如果所述空隙增大，定子中的线圈需 要更大的电流来浮起转子，或者不得不增加定子的直径或轴长，所有这些都增 加了整体的定子尺寸。如果定子尺寸有限且不能增大，那么倘若空气空隙大于 机械间隙所要求的，浮力就会陶氐。现有的定子棘被顿或者未包封。在包封定子的情况下，定子"蠘can)" 保护定子组件远离过程环境。现有的定子罐通常包括端部连接的相同材料的两 同心管。该管状罐部分设置在定子和转子轴之间的空隙中。如果罐材料是非磁 性的,那么^^f需的机械间隙上它增加了另外的磁空隙，这陶氐了承载量(bearing capacity)。为了保持承载量，可将管状罐部分的材料选择为磁性的。在目前的实践中，定子罐部分与磁性的符合NACE的合叙典型的实例是 具有15-18wtr。铬、3-5wty。镍和3-5wty。铜含量的镍铬合金,如174沉淀硬化(PH) 不,装配并焊接在一起。焊銜牛通常将会需要在超过600。C的,下后焊接 热处理以便完全符合NACE。然而，由于经包封的电子定子组件和现有制造方 法的、鹏限制，不进行热鹏是可能的，因此，焊^#目前并不符合NACE, 且例如因暴露到酸性气体中而遭受腐蚀和失效。Itl^卜，定子的一些组件，例如 传KI以及电力线和仪表线(power and instrumentation wires),并不肯&被⑩，并 且暴露到工艺气体环境。现在参照现有技术的附

图1,显示了一种示例性涡轮膨胀机-压缩机系统， 通常标示为附图数字10，其包括具有多个用于支撑转，的磁性轴承的转子和 定子组合件。系统10包括壳体16相对两端上的涡轮膨胀机12和压缩机14，壳 体包括多个用于支撑转子轴20的磁性轴承18。#^磁性轴承18都包括绕转子轴20设置的定子22。定子22包括定子杆、 定子叠片和设置用于提供磁场的定子线圈(未示出)。固定在转子轴20上的是转 子叠片24， ^,叠片与^定子22匹配(align)并^g自性通信。在适当 地供给能量时，定子22有效吸引转子叠片24，以便提供转子轴20的浮置和径 向设置。所例示的系统I0还包括另外的轴向磁性轴承26和28,以皿作用于 磁性軒推力盘(thnjst disk) 30而使軒轴20沿轴向对銜align)。滚柱-元件支撑 轴承32设置在转子轴每端的附近并进行定位，以当磁性轴承失效时或者当系统 10在断开状态时以使转子下落套管34啮合^g在转子轴16上。当配置系统10 舰应轴向或推力(thrust)负载时,要增加套管34的宽度鄉应任何的轴向运动。支撑轴承32通常由滚柱-元件轴承制成。在这种轴承中，内滚道和外滚道 需要高5贩(通常舰HRC 40)的钢合金以获得低磨损和长的轴承絲。然而， 在钢合金中，高硬度和耐腐蚀性是互相矛盾的要求。因此，现有的滚道(race)由 并不满足NACE腐蚀要求的髙5贼钢合誠喊。系统10进一步包括多个表示为36的传感器以及与控制单对未示出)电通 信的电力线和仪表线38。传繊36通常用于lfi啭子轴20上的轴向和径向间 断性使得通过控制单元能够监测沿轴的径向和轴向位銜displacement)以在转子 轴20上产生合乎需要的磁性浮力。现有技术图2例示了示例性舒和定子组合件50的局部剖视图。该转子和定子组合件50包括转子轴组合件52，其包^^接到转子轴56上的转子叠片 54。包封的定子组合件60围绕着转子轴组合件50并且包括定子架62、包裹在 导电线圈66中的磁性定子叠片64和定子套管68 。定子套管68通常具有0.05-5.0 毫牧mm)范围内的厚度。，的定子组合件60包括由通常约1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处焊接的多个部分形成。这 ^^焊^i牛是不符合NACE的。其它未示出的定子组件是定子槽、杆、传感器以 及电力线和仪表线。空气空隙80将转刊由组合件52与定子组合件60分幵。运 行中，转子轴56悬浮在定子组合件60所产生的磁场中。考虑到利用磁性轴承系统的转子和定子组合件 蚀环境中的不断使用， 存在有一种不断增加的需求，以划艮，现有磁性轴承的缺点。发明简述本发明公开了一种耐腐蚀磁性轴承组件以及带腊和测试它们的方法。财卜 公开了一种显著耐腐蚀环境的磁性轴承。在一实施方案中，用于磁性轴承结构的转子轴组合件包括含有多个设置在 转子轴上的转子叠片的铁磁材料制成的转子轴；和形成在转子轴所选暴露表面 上的阻挡层，其中阻挡层相对于无阻挡层的表面可有效阻抗腐蚀。本发明所公幵的组件和方法的特征和优点通过参考以下的附图和详述以 及其中所包含的实施例会变得更容易理解。附图简述下文的附图是为示例的目的，其中相同的元素用相同的数字表示。图1是鄉脱明例如用于膨胀机-压缩机中的磁性轴承转子组合件禾啶子的磁性轴承系统的现有^:示意图。图2是显示了相对于转子组合件设置、具有3N^P^NACE的焊接件的定子罐的，的定子的现有fe^示意图。图3是显示了包覆有聚，阻挡层的转子组合件的示意图。图4是显示了构建具有符合NACE的焊接件的定子的步骤的示意图。图5是相对于转，由和转子下落套管设置的滚柱-元件支撑轴承的示意图。部件列表:10磁性轴承系统12涡轮膨胀机14压缩机16壳体18磁性轴承20转子轴22定子24转子叠片26轴向磁性轴承28轴向磁性轴承30磁性转子推力盘32滚柱-元件支撑轴承34转子下落套管36传繊38仪表线50定子组合件52转子轴组合件54转子叠片56转预60包封的定子组合件62定子架64定子叠片66导电线圈68定子套管70壁72界面80空气空隙100转^4组合件102转子轴104转子叠片106阻挡层108转子下落套管150152—繊性定子套管延长部部分154定子套管156界面158磁腿片160定子架162导电线圈164定子罐部分166界面200支撑轴承202转賴204下落套管206外滚道208内滚道发明详述本发明提供了一种包含磁性轴承的转子和定子组合件以及装配适用于腐蚀环境中的磁性轴承的方法。磁性轴承组合件可制成完全符合NACE的，正如 一些应用中所期望的。例如，符合NACE的转子轴组合件ffi^阻挡层薄膜包 覆磁性钢转子轴和转子叠片而获得。对于使用包封的定子组合件的磁性轴承系 统来说，使用用于包封的磁性和3N1性材料的组合获得了符合NACE的定子罐, 当它们焊接在一起时，仅需要在不同材料之间的结合点(joints)的热鹏。同样，通过使用下文更详细说明的具体原料可将转子下落套管、支撑轴承的内滚道和 外滚道以及电力线和仪表线制^^守合NACE的。涡轮膨胀mffl作示例性实例，但JW发明所公开的腐蚀环境用磁性轴承可 用于轴向轴承以及其他磁性轴承的设對implementations):例如泵、压縮机、马达、发电机和其他涡轮机。图3例示了一种使磁性轴承的軒组合件适用于腐蚀环境如酸性气体和湿 酸性气体环境的实施方案。转子轴组合件100包括转子轴102、绕轴设置的^ 叠片104和转子下落套管108。显示了阻挡层106设置在转子轴组合件的所有暴 露表面上。在任选的实施方案中，阻挡层形皿转子轴组合件的选定表面上。 例如，阻挡层可形鹏最容易腐蚀的转子组合件的选定区域上。这些包括转子 轴、转子叠片鄉于共同形離子叠片的冲压駒unchings)的选定区域。在一实 施方案中，阻挡层可施加到包含叠片的转子上，叠片由已知的不具有或仅具有 低的耐腐蚀性的铁趟(FeSi)制成。符合NACE的合金，例如174PH不糊通常不需要聚合物表面涂层，因为它们天性是耐腐蚀的。非必需地，在阻挡层施加之前可施加底涂层(primercoat)。底涂层的具体厚度将1 于所选的阻挡层材料的类型，但通常应该进行选择以有效用于设置磁 性轴承的具体环境中。根据聚合物的组成和预期的应用来最优化层的厚度是在 本领i^术人员的知识范畴内的。用于形成阻挡层106来W腐蚀环境中的转，组合j牛100的适宜材料包 括但并不旨在限制于各种全部氟化(也就是全氟化)和部分氟化的聚合物。适宜的 全部氟化聚，包括聚四氟乙烯(PTFE)和全g^fl^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《F2与全氟化烷基乙烯醚[f(CF2)nCF2COM:F2的共聚物。获得的聚^f包含典型的ptfe与全織氧基侧链的C-F主链。适合阻挡层的一种具体形式的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)。氟化聚合物的组合以Whitford公司的商标名XylanTM进行销售，且杜邦 (Dupont)的TeflonTM和Teflon-STM也是有用的阻挡层材料。XylanTM涂层部，括 PTFE、 PFA禾口FEP。 TeflonTM涂层部他括PTFE、 PFA、 FEP和ETFE碳氟化 ^i树脂。Teflon-STM是包含有粘合树脂的另一相关系列的碳氣化^^层，其提供了增加的硬度和抗磨性或其他合乎需要的性能。用于形成阻挡层的其他有机材料包括粉状的环氧树脂类、填充环氧树脂 类、填充硅酮和填充PPS(棘硫)。f^性的热固性环,月謝涂层包括但不旨 在限制于购自3M公司的SeotehkoteTM 134和ScotchkoteTM6258。ScotchkoteTM 134熔融粘结的环，脂凃M(FBEC)是一部分可热固化的热固性环氧树腊凃层，其部分包括二(4-羟苯酚)异亚丙基二环氧甘油赋diglcyddyl ether》二(4-羟苯酚)异亚丙基共聚物。ScotohkoteTM 6258熔融粘结的环糊臜凃 层(FBEC)是一部分可热固化的热固性环氧树脂涂层，其部分包括二(4-羟苯酚) 异亚丙基二环氧甘油醚-二(4-羟苯酚)异亚丙基共聚物和表氯醇-邻甲酚-甲醛聚 合物的混合物。ScotohkoteTM 134和ScotchkoteTM6258以干燥粉的形式非必需地 施加到25.4 mil)的苯酚底涂层上并在150°C-250°C的鹏下热固itt到30辦中达254-381 ,10-15 mil)的厚度。用于形成图3中的阻挡层106的其它材料包蹄化物、磷舰和铬,的 转化涂层(conversion coatings),更具体来说，转化材料以Sermatech的商标名 SermalonTM、 SermaloyTM、 SermagarcP"M和SermateP"M进行销售。SennalonTM涂层系统包括铅填充的络,憐^粘结涂层，中间的高温聚合抑制涂层和PTFE浸渍外涂层(topcoat)。涂层厚度范围为100-150微米。 SemiaLoyTM是具有富硅外层的金属间镍铝化物。Sermatel 是粘结到金属上产 生金属-陶瓷复合物的无机涂层系列。SermagarcFM是具有陶瓷粘结齐,7K基铝化涂层。聚^J阻挡层106的厚度范围可以从2 ，^600 ，0.079 mil-23.6 mil)。 聚合物阻挡层106可以以液体分散液，末形式施加到衬底(也就是在转 子组合件的全部表面或选定表面上)，非必需地^M(primer)之上。在水或,廿 悬浮液中含有聚合物材料的液体分散液可用喷涂(spray)和干燥涂膜法(bake coatingprocess)予以施加，其中将液体分散液喷雾到衬底上以供随后加热髙于在 所述分散液中所包含的聚合物材料的熔化温度。施加粉状聚合物材料的已知方 法包括例如使用静电聚焦电子枪(electrostatic gun)、静电流化床或静电植绒枪 (flockinggun)将粉末喷凃到衬底上。在另一实施例中，粉末可喷凃到已经加热至聚，材料靴、鹏之上的衬底上来形麟层，也称为热喷涂。4顿称为"旋转 加衬(R)tolining)"的方法施加涂层也是已知的，其中例如在聚，材料的熔化温度之上于炉体中加辦寸底和粉末，同时旋转衬底以在衬底上形成无缝的涂层。如上所述，阻挡层106被施加到^轴组合件100的至少一个暴露的选定 表面上，该表面可以包括一个或多个由转子叠片104、转子轴102、,下落套 管108所限定的表面，其它转子组合件表面或完^配的转子100。目的在于将 转子组合件的部分或全部包封到抑制例如暴露到酸性气体时可发生的腐蚀的保护涂层中。转子轴组合件的组件通常由磁性钢制成。在一实駄案中，转子叠片由铁硅(FeSi)材料制成且其上设置有聚糊阻挡涂层。在另一实脏案中，軒叠片覆盖有含耐氢麟合金的阻挡层，以鶴合 金的总重Si十，该合始有40-90wt"/o(重量百分数)的镍。本文中"X-Ywtr。"意味 着"Xwtc/o"Ywt^",其中X和Y为数值。特别地，耐氢镍^^金是Haynes国际 (HaynesInternational)的HASTELLOY⑧C22⑧，以HS合金的总重量计，包括约 56wty。的镍、约2.5wf/。钴、约22wty。铬、约13wt"/。钼、约3w^/。钩、约3wt。/o铁、 约0.5wf/o锰、约0.08wt。/遞、约0.35wt。/om和约0.010wt0/0^0在另一实施方案中，转B由由型不锈钢合金的磁性钢，一种以沉 淀硬化的马氏体不自的总重fii十包含10-20wty。铬并进一步包含铜和铌的添加 物的沉淀硬化的马氏^^锈钢制成。更具体来说，以沉淀硬化的马氏体不, 的总重量计，所述沉淀硬化的马氏体不,包含约16.5wf/。铬、约4,5wt"/。镍、 约3.3wtT。铜和约0.3wtM铌。磁性钢的^ffi肖滩构建具有紧凑尺寸的转子轴组合 件。聚合物阻挡层離子叠片上非必需的HASTELLOY C22⑧涂层为如来自暴 露到酸性气体的腐蚀提供了附加的耐受性。然而，耐酸性气体的合金例如174PH 型合金的<顿，与例如铁硅合錄eSi)相比，影响了转子的磁性能，因而增加了 电磁损耗。这提出了重要的挑战，特别是在美国石油学会(American Petroleum Institute)所要求的装Sem器的环境空气湖!li式中。环境空气具有显著劍氏的压力， 因而，相比于加压的工艺气体，具有更低的7賴P能力。此外，其热性能和输运 性能劣于许多工艺气体与加压工艺气体相比，进一步减低了其)ti卩能力。对 此补偿的一种方法是增加转子的尺寸以便增加暴露的区域，从而斷氐转子表面 热通量并增加冷却能力。然而，这降低了目的应用中磁性轴承的吸引力。如果 不增加转子尺寸，获得的转子可具有ffii 1 W/cm2(6.45 W/in"的转子表面热通 量。如果在环境空气中测试，这会容易地导致过热升高,叠片式转刊aminated rotor)隔热材料能力。所有这些弊端都可通过在空气或其他气俠例如氮气)中于 维持轴承组件的可接受鹏的足够高的压力下和/^J^够低的、鹏下测微船几 器 免。所需压力和温度的确切组合在设计上是相关的并需要在适当选择的 测试^#下对预期转子损耗的认识。除了 17"4PH合金以外的合金，例如西部电 子公司OVestem Electric Company)的PERMALLOY^和Allegheny Ludlum公司的MOLYPERMALLOY^合金、低碳马氏#^,、或樹糾才料，也可用于制 造转子叠片。以合金的总重量计，PERMALLOYtm和MOLY PERMALLOY 包括约80wf/。镍、约14wtr。铁、约4.8wtc/。钼、约0.5wto/。锰和约0.3wto/。的硅o 以低碳马氏,锈钢的总重量计，低碳马氏体不锈钢包括约11.5-17.0wt。/o铬、 约3.5^6.0wf/。镍、和不舰0.060wty。的碳。在另一实 案中，如图3中所示的转子下落套管108由以钴基超合錢 制成，以钴基超合錢的总重影十，其含有40-70wtr。的钴。i顿钴基超合錢 有利地使得转子下落套管符合NACE。更具体来说，适宜的钴基超合，包括 但不旨在限制于Haynes国际公司(Haynes International Coip.)销售的商标名为 ULTIMET⑧的钴^^合金钢，以钴基超合金钢的总重量计，包括约54wt"/o钴、 约26wt"/。铬、约9wf/。镍、约5wf/。钼、约3wf/。铁、约2wt。/。鸨、约0.8wt。/o锰、 约0.3wf/。硅、约0.8wt。/。氮和约0.06wt。/。碳。其它适宜的钴基超合金钢包括 HAYNEStm 6B以及由Armoloy公司以商标名Araiolo)KE)销售的铬涂层，其中 HAYNEStm 6B以钴基超合金钢的总S4i十包括约51wf/o钴、约10wf/。镍、约 20wt。/。铬、约15wty。钩、约3wty。铁、约1.5wf/。锰、约0.4wty遞和约0.10wt% 碳。ULTIMET⑧和HAYNEStm 6B合金主要包括钴、铬和镍。这醜基超合金 显示出突出的摩擦特性，该性肖被当转子轴縱滚柱-元件支撑轴承上时在磁性 轴承失效期间防止对转子轴表面的损害是必需的，此时同时满足了耐腐蚀性的 要求。此外，存在有银钴齡叙例如MP35N合金)，其可进行加工硬化(work hardened)和老化来增加它们的^g以及由此的强度并且仍保持符合NACE。图5显示了滚柱-元件支撑轴承200的一般性示意图，其包括相对于转子轴 202和下落套管204的内滚道208和外滚道206。在另一实施方案中，滚柱-元件 支撑轴承的内滚道和外滚道由马氏体皿不锈钢制成，以马氏体，不锈钢的 总重量计，其包含10-20wf/。铬和0.1-1.0wtr。氮。以组成的总重fii十，典型的组 成为约0.25"0.35wtyo碳、约0.35-0.45wtro氮、约0.5>0.6wt%^、约14.5-15.5wt% 铬和约0.95-1.05w^/o钼。这些马氏体含氮不糊是以Cronidur-30^市购自Barden 公司或者以VC444市购自SKFBearings USA。这些马氏体，不锈钢可获得足 够高的硬度以用于滚柱-元件支撑轴承滚道中(HRC高于55),另夕碟供了优良的 耐腐蚀性。在又一实li^案中，可M31向选定表面施加阻挡层材料使各种定子组fK寻以保护免受腐蚀性气体环境。这M括定子罐表面、电力线和仪表线、定子传 §和定子套管。对于未包封的定子组合件来说，这是有利的。在另一实施方案中，本发明公开的测试方法會滩，在现场安装前，于工厂环境下，测试转子表面热通量舰1 W/cm2(6.45 W/in2)的紧凑的磁性轴承。与在 石油开采地点所使用的甲烷或天然气相反，这需要在空气或其他惰性气体的加 压气氛下在工厂中运转轴承。空气或其他惰性气体通过冷却器或换热器预冷或 者任选地是一种在被供给到磁性轴承之前膨胀到选定温度和压力的低温流体。 气氛的温度范围是-260。C至40。C。气氛加压到至少2 bar以增加其排热能力同 时保持转子M在工程限制内-如上所述，转子和定子组合件可包括包封的定子组合件，本发明也称为定 子敏statorcan)。在一实施方案中，定子罐用符合NACE的材料构造^HCT磁性 和与 性钢合金的组合进行焊接。磁性钢合金设置在磁性钢提供电磁优点的定 子罐的区域例如定子套管中。 性钢(例如Incond)具有较好的耐腐蚀性且不 需要后焊接热处理，因此其被设置在不需要磁性钢性能的区域中。在一实施方案中，包封的定子的磁性钢合金包括沉淀fi更化的马氏体不锈 钢，以沉淀硬化的马氏餅锈钢的总重量计，其含有10-20wty。铬。更具体来说， 以沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量计，该沉淀硬化的马氏体不锈钢包括约 16.5wtT。铬、约4.5wf/。镍、约3.3wtT。铜和约0.3wty。的铌。在一实施方案中，敏的定子的一隨性材料包括麟合金，以镍齡金的 总重量计，其含有40-70wtTo镍。更具体来说，以,合金的总重量计，该HS 合金含有约58wf/。镍、约21.5^!%铬、约9wtT。钼和约5wf/。铁。图4示意性地例示了制造符合NACE的定子罐的，方法。该敏i/方法 150包括在界面156处将一隨性定残管延伸部部分152焊接到定子套管154。 iia形成其上没有^g樹可定子组件的套管的组成部併composite),符合NACE 的焊接件可通过将该焊接组成部分暴露到保证焊接区域和所有热影响区域有低 i^t(低于HRC 33)的后焊接热M而制成。焊銜牛JlitJ见有M中允许后焊接 热处理的任何焊接方法制成，以便减轻因不同材料焊接而弓l起的焊接应力并达 到小于HRC 33的硬度。示例性的焊接方法包括自生(autogenous)电子束和填充 电子束(electron-beamwithfiller)、激光焊接、TIG焊接、MG焊接、电弧焊街arc weld)、吹管焊銜torch weld)和包括至少一种上述方法的组合。例如，定子套管延伸部部分152可包括焊接到包括型磁性钢的定子套管154每端的一Ni 性超合金钢。更具体来说，非磁性超合金钢可以包括镍基合金，以镍基合金的 总重量计，其含有40-70%镍。甚至更具体的是，镍S^金可以包括市购自Inco Alloys International (Inco合金国际)的Inconel 625 ,其包括约58wf/。镍、约 21.5wte/。铬、和约9wf/。钼和约5wt"/。铁。随后对所得的单元(unit)进行热处理以 在界面156处形成符合NACE的焊接件。一种适宜的后焊接热处理方法是双老化硬化方法(double age hardening process),根据NACEMR0175,进行以下热循环之一1)溶液在1040±14°C退 火(anneal)并空冷或液^^卒火到低于32°C;然后在620±14°C下进行第一次沉淀 硬化循环，在该温度下最少4小时并空冷或液体淬火到低于32°C;然后在 620±14°C下进行第二次沉淀硬化循环，在该鹏下最少4小时并空冷或液^^卒 火到低于32°C;或者2)溶液在1040±14°C退火并空冷或液^^卒火至舰于32°C; 然后在760hl4。C下进行第一次沉淀硬化循环，在该温叟下最少4小时并空冷或 液術卒火到低于32。C;然后在620±14°C下进行第二次沉淀硬化循环，在该温 度下最少2小时并空冷或液体淬^ij低于32°C。此外，连接有定子组件，例如包括包裹在导电线圈162中的磁性定子叠片 158的定子架160。然后在界面166处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一,性钢制成,例如，的InconelTM625 超合金钢。因为焊接相似的材料，所以界面166处的焊接件是符合NACE的， 且不需要后焊接热处理。因此，符合NACE的包封的定子可以进^配并且内 部的定子电子组件不遭受破坏水平的热量。接下来，电力线和仪表线连接到定子组件。为提供最大的腐蚀防护，外部 电力线和仪表线可制成符合NACE的，其中所述的线(wires)包括线套管，其包 括围绕导电材料的一一磁性耐腐蚀合金。这种符合NACE的线实例是使用符合 NACE的材料如Inconel合金作为线套管材料。线套管包封了，例如用陶瓷，如 在加压条件下提供了优良电绝缘性的氧化《KMgO)，进fi^色缘的导电体。以下的实施例落在战更广泛描述的方法的范围内并用来執i脱明书。实 施例仅为示例的目的而呈现，并不旨在限制本发明的保护范围。实施例1在这个实施例中，单个的金属样品粉末包覆有ScotchkoteTM 6258热固性环 輸脂作为阻挡层涂层，并热固化成厚度为300 327 (之间)。在施加粉末之前，将该部分预热到150。C-246T的M。然后在177。C固化粉末30分 钟。这些样品在具有工艺气体的高压釜中进行测试以确定涂层在酸性气体环境 中的适用性。进行了一系歹啲测试，其中天然气中的硫化氨含量在6,000 ppm(百 万分之一)至20,000 ppm之间变化，水汽含量在50 ppm水到饱和之间变化。样 品也暴露到30°O130°C的不同温叟中。在低于79。C的温度下，在暴露到硫化氢和水中的样品中并未观察至鹏蚀。实施例2在这个实施例中，小规格的转子(2-3英寸外径的数量级)粉末包覆有 Scotohkote 134。在施加粉&前，将转子预热到150。C-246。C的旨。然后 在177°C下固化粉末30併中至厚度为300微米-327 。同,这些样品在具有工艺气体的高压釜中进行测试以确定涂层在酸性气,境中的适用性。当暴露到高水平的硫化敦6,000-20,000 ppm)和7jC(50 ppm至饱禾卩)和80 °C时，样品并未显示出腐蚀。 实施例3在这个实施例中，两个全尺寸产品转^&覆有厚度为178微米406 ，7 mil-16mil)的SermalonTM。在生产^j牛TJ见场对它们进行测试并通过。这些产品 转子5ji!^安装，涂层经受腐蚀性操作气,自过2，000小时并且防止,气体 对下風underlying)金属组件的腐蚀。样品没有显示出腐蚀。实施例4在这个实施例中，对典型的支撑轴承滚道的Cronidur 30样品进行NACE 环境测试。该材料M31标准耐720小时环测i攻standard 720 hour proof ring tests), 根据NACE TM0177方案A，在典型的支撑轴承滚道的应力7jC平下，而没有腐 蚀的迹象。实施例5在这个实施例中，对典型的支撑轴承下落套管的Haynes 6-B样品进行 NACE环境测试。该材料M51标准耐720小时环测试，根据NACE TM0177方 案A,在典型的支撑轴承下落套管的应力水平下，而没有腐蚀的迹象。实施例6在这个实施例中，对典型的定子罐焊樹牛的Incoiid 625和174 PH焊接样 品进行NACE环境测试。该材料通过标准耐720小时环测试，根据NACE TM0177修改方案A,在典型的定子罐的应力水平下，而焊接件中没有腐蚀的迹象。上述各种实施方案的组合提供了一种对例如在酸性气体环境中可遇到的 腐贩素具有优良耐受性的磁性轴承。单数形式盼'a(—种)"、"an(—种)"和'化e(嫁所述)"包括鄉的指示物，除非 上下文另外清楚地说明。涉及相同特征或组分的所有范围的端值可独立地组合 并包括所列举的端值。本说明书使用了实施例来公开本发明，包括最佳实施方式并且也能使任何 本领域的技术人员实施本发明，包括制造和〗柳任何设备或系统并进行任何所 弓l入的方法。本发明的专利性范围由权利要求进行限定，并包括本领域的技术 人员想到的其他实例。这种其他实例意欲落在权利要求的范围内，条件是它们 具有并非不同于权利要求的文字语言的结构元件或者^1牛是它们包括与权利要 求文字语言没有实质性差异的等同结构元件。
权利要求
1.一种用于磁性轴承结构的转子轴组合件(100)，其特征在于由铁磁材料制成的转子轴(102)、设置在转子轴(102)上的下落套管(108)和设置在转子轴(102)上的多个转子叠片(104)，其中改进在于在转子轴(102)的选定暴露表面上形成有阻挡层(106)，其中所述阻挡层(106)相对于没有阻挡层(106)的表面是有效耐腐蚀的。
2. 权利要求1所述的转，由组合#(100),其中转子轴叠片(104)由磁性钢合 金、铁硅合金或以麟合金的总重量i憎有40-90wty。镍的H^金、以沉淀硬 化的马氏#^锈钢的总重量计含10-20wtW铬的沉淀硬化的马氏体不锈钢、或以 低碳马氏^PFW9的总重量计含11.5-n.0wf/。铬、约3.5"6.0wf/。镍、和不超过 0.060wt。/凍的低碳马氏体不鄉制成。
3. 权利要求2所述的转子轴组合辨100)，其中所述麟合金的特征在于， 以镍基合金的总重量计，'含有约56wtr。镍、约2.5wtr。钴、约22wtV。铬、约13wt% 钼、约3wtn/o铒、约3wtn/o铁、约0.5wt。/o锰、约0.08wtVo硅、约0.35wtro砜和约 0.010wt%^。
4. 权利要求2所述的转，由组合辨100)，其中所述镍基合金的特征在于， 以IIS合金的总重量计，含有约80w^/。镍、约14wty。铁、约4.8w^/。钼、约0.5wt% 锰和约0.3wty墓
5. 权利要求2所述的转^由组合辨100)，其中以沉淀硬化的马氏^T、糊 的总SS计，所述沉淀硬化的马氏体不锈钢包括约16.5wtr。铬、约4.5wtr。镍、 约3.3 wto/o铜禾口约0.3 wt"/o铌。
6. 根据前述任一权利要求所述的转子轴组合辨IOO)，其中所述阻挡嵐106) 由选自环 脂类、填充的环 脂类、填充的硅酮、含氟聚合物、PFA、 ETFE、 ECTFE、 PTFE、 PFA、 FEP、 MFA、 PVDF、氧化物转化材料、磷,转化材料、 铬酸盐转化材料、二(4-羟苯酚)异亚丙基二环氧甘油勝二(4-羟苯酚)异亚丙基共 聚物、以及包括±3^材料中的至少一种的组合的材料制成。
7. 根据前述任一权利要求所述的转子轴组合#(00)，其中所述的多个转子 叠片(104)中的每一个的特征在于其上體有阻挡离106)。
8. 根据前述任一权利要求所述的转子轴组合辨100),其中下落套管(108)由以钴基超合金钢总重量计具有40-70wty。钴的钴基超合，制成。
9. 根据前述任一权禾腰求所述的转刊由组合辨IOO),其中所述钴基超合金 钢的特征在于，以钴基超合金钢的总重量计，约54w^/。钴、约26wt"/。铬、约9wt% 镍、约5wt%H约3wtTo铁、约2wt%^、约0.8wtVo锰、约0.3wt% i、约0.8wt% 氮和约O.O6wt0/0^。
10. 根据前述权利要求8或9任一项所述的,由组合辨100)，其中所述钴 基超合，的特征在于，以钴基超合金钢的总重量计，约51wtr。钴、约10wt% 镍、约20wty。铬、约15wf/。钩、约3wty。铁、约1.5wt。/。锰、约0.4wt。/。硅、和约
全文摘要
本发明涉及用于腐蚀环境中的磁性轴承的转子轴组合件。在操作期间使用磁性轴承来支撑转子轴的转子和定子组合件可以适合用于腐蚀环境如酸性气体中。对于酸性气体应用来说，转子和定子组合件包括符合NACE的磁性轴承结构。在一实施方案中，用于磁性轴承结构的转子轴组合件(100)包括由铁磁材料制成并包含有在其上设置的多个转子叠片(104)的转子轴(102)；以及形成在转子轴(102)选定暴露表面上的阻挡层(106)，其中阻挡层(106)相对于没有阻挡层(106)的表面是有效耐腐蚀的。
文档编号F16C32/04GK101270778SQ20081009512
公开日2008年9月24日 申请日期2008年3月7日 优先权日2007年3月8日
发明者B·W·布里森, E·焦尔尼, G·D·默菲尔德, J·D·范丹, K·R·韦伯, M·A·阿利, M·埃特沙米, P·C·欧文, R·加丹吉, R·索德拉, W·D·格尔斯特勒 申请人:通用电气公司