CN101270777A - 用于腐蚀环境中的使用磁性轴承的转子和定子组合件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于腐蚀环境中的使用磁性轴承的转子和定子组合件。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。一实施方案包括使用设置在转子轴组合件(100)和/或定子组合件(60)的选定暴露表面上的阻挡层(106)。另外公开了用于形成具有耐腐性提高的包封的定子(60)的方法以及用于支撑轴承滚道(206)和(208)及下落套管(108)的耐腐蚀材料。

Description

用于腐蚀环境中的使用磁性轴承的转子和定子组合件
技术领域
本发明涉及使用磁性轴承并且可用于腐蚀环境中的转子和定子组合件以及组装磁性轴承的方法。转子和定子组合件可用于涡轮膨胀机、泵、压缩机、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体物流压力的装置。在这种情况下，减压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体物流。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)涡轮转子。涡轮转子通过固定于转子上的轴旋转设置在轴承内。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。压缩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缩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-元件(roller-element)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。轴可以转动(旋转)或往复运动(直线平移)。相反，流体-薄膜轴承和滚柱-元件轴承直接与转子轴接触，通常需要流体型润滑剂，例如油。
磁性轴承提供了优于流体-薄膜轴承和滚柱-元件轴承的性能。磁性轴承通常具有较低的阻力损失(drag losses)、较高的刚度(stiffness)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。
在通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着铁磁材料形成的转子轴。称为磁性径向轴承的每个电磁线圈，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)磁性径向轴承进行支撑。通过改变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子保持在磁体的中心。定子内的传感器围绕着转子并测量转子与中心位置的偏离。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、处理数据并调整线圈中电流的循环能够以每秒钟高达25,000次的速率发生。因为转子“漂浮”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转子轴的每个端部以支撑所述轴。这避免了转子轴和定子径向磁性轴承之间有任何接触。这些辅助或“支撑(back-up)”轴承通常是干燥的、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。工艺气体通常是压力在约10bar-约200bar下的天然气。遗憾的是，天然气可能具有大量的污染物。这些污染物可能包括腐蚀剂例如硫化氢(H2S)、水、CO2、油以及其它。在最坏的情况下，水和H2S的结合产生所谓的湿酸性气体(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)气体(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 MetallicMaterials for Oil Field Equipment″是油气工业中广泛使用的标准，规定了提供在酸性气体(sour gas)环境中使用的良好使用寿命的机械所需的适宜材料、热处理条件和硬度水平。符合NACE的材料或组件基本上是耐腐蚀的，所述腐蚀是例如将不符合NACE的材料暴露到酸性气体和/或湿酸性气体时可能发生的。例如，符合NACE的焊接件通常需要后焊接热处理过程以减轻通常将会促进腐蚀敏感性的任何焊接应力。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)。作为对腐蚀剂敏感性的实例，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缩配合(shrunk-fit)到转子轴上的冲压而制成。在以工作速度运行期间，由于冷缩配合应力和施加其上的径向力，这些组件经受较高的机械应力。
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1.00W/cm2(6.45W/in2)。暴露到热负载高温中会降低钢对酸性气体腐蚀的耐受力。考虑到与较大组件相关的成本和足迹(foot prints)，增大组件的尺寸以使热负载最小是不现实的。
除了转子轴和叠片以外，转子轴组合件通常包括冷缩配合到转子轴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(inner race)相啮合，在转子下落期间，磁性轴承失效并在随后的停止过程中支撑轴承不得不支撑转子。目前，转子下落套管由不符合NACE的材料制成，因此在酸性气体环境中遭受腐蚀。
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(millimeter fractions)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，浮力就会降低。
现有的定子或者被包封或者未包封。在包封定子的情况下，定子“罐(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，那么在所需的机械间隙上它增加了另外的磁空隙，这降低了承载量(bearingcapacity)。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的合金(典型的实例是具有15-18wt％铬、3-5wt％镍和3-5wt％铜含量的镍铬合金，如17-4沉淀硬化(PH)不锈钢)装配并焊接在一起。焊接件通常将会需要在超过600℃的温度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温度限制，不进行热处理是可能的，因此，焊接件目前并不符合NACE，且例如因暴露到酸性气体中而遭受腐蚀和失效。此外，定子的一些组件，例如传感器以及电力线和仪表线(power and instrumentation wires)，并不能被包封，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子轴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。
每个磁性轴承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，每个转子叠片与每个定子22匹配(align)并设置成磁性通信。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10还包括另外的轴向磁性轴承26和28，以通过作用于磁性转子推力盘(thrust disk)30而使转子轴20沿轴向对准(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啮合设置在转子轴16上。当配置系统10来适应轴向或推力(thrust)负载时，要增加套管34的宽度来适应任何的轴向运动。
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硬度(通常超过HRC 40)的钢合金以获得低磨损和长的轴承寿命。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腐蚀要求的高硬度钢合金制成。
系统10进一步包括多个表示为36的传感器以及与控制单元(未示出)电通信的电力线和仪表线38。传感器36通常用于感测转子轴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移(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例示了示例性转子和定子组合件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，其包括连接到转子轴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毫米(mm)范围内的厚度。包封的定子组合件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。这些焊接件是不符合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将转子轴组合件52与定子组合件60分开。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在腐蚀环境中的不断使用，存在有一种不断增加的需求，以克服上述现有磁性轴承的缺点。
发明内容
本发明公开了一种包括转子和定子组合件的装置。
在一实施方案中，该装置包括转子轴组合件以及与转子轴组合件相隔且含有多个围绕转子轴的电磁线圈的定子组合件；所述转子轴组合件包括由铁磁材料制成的转子轴、设置在转子轴上的多个转子叠片和形成在转子轴、转子叠片和其组合的选定暴露表面上的阻挡层。
本发明所公开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是举例说明例如用于膨胀机-压缩机中的磁性轴承转子组合件和定子的磁性轴承系统的现有技术示意图。
图2是显示了相对于转子组合件设置、具有非符合NACE的焊接件的定子罐的包封的定子的现有技术示意图。
图3是显示了包覆有聚合物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是相对于转子轴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    传感器
38    仪表线
50    定子组合件
52    转子轴组合件
54    转子叠片
56    转子轴
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   转子轴组合件
102   转子轴
104    转子叠片
106    阻挡层
108    转子下落套管
150    过程/方法
152    非磁性定子套管延长部部分
154    定子套管
156    界面
158    磁性叠片
160    定子架
162    导电线圈
164    定子罐部分
166    界面
200    支撑轴承
202    转子轴
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的转子轴组合件通过用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非磁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)的热处理。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成符合NACE的。
涡轮膨胀机用作示例性实例，但是本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备(implementations)；例如泵、压缩机、马达、发电机和其他涡轮机。
图3例示了一种使磁性轴承的转子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、绕轴设置的转子叠片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，阻挡层形成在转子轴组合件的选定表面上。例如，阻挡层可形成在最容易腐蚀的转子组合件的选定区域上。这些包括转子轴、转子叠片或用于共同形成转子叠片的冲压器(punchings)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-硅(FeSi)制成。符合NACE的合金，例如17-4PH不锈钢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(primer coat)。底涂层的具体厚度将依赖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域技术人员的知识范畴内的。
用于形成阻挡层106来保护腐蚀环境中的转子轴组合件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]与全氟化烷基乙烯醚[F(CF2)nCF2OCF＝CF2]的共聚物。获得的聚合物包含典型的PTFE与全氟烷氧基侧链的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涂层部分包括PTFE、PFA和FEP。TeflonTM涂层部分包括PTFE、PFA、FEP和ETFE碳氟化合物树脂。Teflon-STM是包含有粘合树脂的另一相关系列的碳氟化合物涂层，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(聚苯硫)。代表性的热固性环氧树脂粉涂层包括但不旨在限制于购自3M公司的ScotchkoteTM 134和ScotchkoteTM 6258。
ScotchkoteTM 134熔融粘结的环氧树脂涂层(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(diglcycidylether)-二(4-羟苯酚)异亚丙基共聚物。ScotchkoteTM 6258熔融粘结的环氧树脂涂层(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。ScotchkoteTM 134和ScotchkoteTM 6258以干燥粉的形式非必需地施加到25.4微米(1mil)的苯酚底涂层上并在150℃-250℃的温度下热固化直到30分钟达254-381微米(10-15 mil)的厚度。
用于形成图3中的阻挡层106的其它材料包括氧化物、磷酸盐和铬酸盐的转化涂层(conversion coatings)，更具体来说，转化材料以Sermatech的商标名SermalonTM、SermaloyTM、SermagardTM和SermatelTM进行销售。
SermalonTM涂层系统包括铝填充的铬酸盐/磷酸盐粘结涂层，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。SermaLoyTM是具有富硅外层的金属间镍铝化物。SermatelTM是粘结到金属上产生金属-陶瓷复合物的无机涂层系列。SermagardTM是具有陶瓷粘结剂的水基铝化涂层。
聚合物阻挡层106的厚度范围可以从2微米-600微米(0.079mil-23.6mil)。
聚合物阻挡层106可以以液体分散液或粉末形式施加到衬底(也就是在转子组合件的全部表面或选定表面上)，非必需地在底层(primer)之上。在水或溶剂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(bakecoating process)予以施加，其中将液体分散液喷雾到衬底上以供随后加热高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(flocking gun)将粉末喷涂到衬底上。在另一实施例中，粉末可喷涂到已经加热至聚合物材料熔化温度之上的衬底上来形成涂层，也称为热喷涂。使用称为“旋转加衬(rotolining)”的方法施加涂层也是已知的，其中例如在聚合物材料的熔化温度之上于炉体中加热衬底和粉末，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被施加到转子轴组合件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、转子下落套管108所限定的表面，其它转子组合件表面或完全装配的转子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。在一实施方案中，转子叠片由铁硅(FeSi)材料制成且其上设置有聚合物阻挡涂层。
在另一实施方案中，转子叠片覆盖有含耐氢镍基合金的阻挡层，以镍基合金的总重量计，该合金含有40-90wt％(重量百分数)的镍。本文中“X-Ywt％”意味着“Xwt％-Ywt％”，其中X和Y为数值。特别地，耐氢镍基合金是Haynes国际(Haynes International)的
Figure A20081009512500131
以镍基合金的总重量计，包括约56wt％的镍、约2.5wt％钴、约22wt％铬、约13wt％钼、约3wt％钨、约3wt％铁、约0.5wt％锰、约0.08wt％硅、约0.35wt％矾和约0.010wt％碳。
在另一实施方案中，转子轴由17-4PH型不锈钢合金的磁性钢，一种以沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量计包含10-20wt％铬并进一步包含铜和铌的添加物的沉淀硬化的马氏体不锈钢制成。更具体来说，以沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量计，所述沉淀硬化的马氏体不锈钢包含约16.5wt％铬、约4.5wt％镍、约3.3wt％铜和约0.3wt％铌。磁性钢的使用能够构建具有紧凑尺寸的转子轴组合件。聚合物阻挡层或转子叠片上非必需的
Figure A20081009512500132
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17-4PH型合金的使用，与例如铁硅合金(FeSi)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 PetroleumInstitute)所要求的装配机器的环境空气测试中。环境空气具有显著较低的压力，因而，相比于加压的工艺气体，具有更低的冷却能力。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，进一步减低了其冷却能力。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，从而降低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，获得的转子可具有超过1W/cm2(6.45W/in2)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超过叠片式转子(laminatedrotor)隔热材料能力。所有这些弊端都可通过在空气或其他气体(例如氮气)中于维持轴承组件的可接受温度的足够高的压力下和/或足够低的温度下测试装配机器来避免。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条件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(Western Electric Company)的PERMALLOYTM和Allegheny Ludlum公司的MOLY PERMALLOYTM合金、低碳马氏体不锈钢、或相似材料，也可用于制造转子叠片。以合金的总重量计，PERMALLOYTM和MOLY PERMALLOYTM包括约80wt％镍、约14wt％铁、约4.8wt％钼、约0.5wt％锰和约0.3wt％的硅。以低碳马氏体不锈钢的总重量计，低碳马氏体不锈钢包括约11.5-17.0wt％铬、约3.5-6.0wt％镍、和不超过0.060wt％的碳。
在另一实施方案中，如图3中所示的转子下落套管108由以钴基超合金钢制成，以钴基超合金钢的总重量计，其含有40-70wt％的钴。使用钴基超合金钢有利地使得转子下落套管符合NACE。更具体来说，适宜的钴基超合金钢包括但不旨在限制于Haynes国际公司(Haynes International Corp.)销售的商标名为的钴基超合金钢，以钴基超合金钢的总重量计，包括约54wt％钴、约26wt％铬、约9wt％镍、约5wt％钼、约3wt％铁、约2wt％钨、约0.8wt％锰、约0.3wt％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
Figure A20081009512500142
销售的铬涂层，其中HAYNESTM 6B以钴基超合金钢的总重量计包括约51wt％钴、约10wt％镍、约20wt％铬、约15wt％钨、约3wt％铁、约1.5wt％锰、约0.4wt％硅和约0.10wt％碳。
Figure A20081009512500143
和HAYNESTM 6B合金主要包括钴、铬和镍。这些钴基超合金显示出突出的摩擦特性，该性能在当转子轴落在滚柱-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，存在有镍-钴基合金(例如MP35N合金)，其可进行加工硬化(workhardened)和老化来增加它们的硬度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含氮不锈钢制成，以马氏体含氮不锈钢的总重量计，其包含10-20wt％铬和0.1-1.0wt％氮。以组成的总重量计，典型的组成为约0.25-0.35wt％碳、约0.35-0.45wt％氮、约0.5-0.6wt％硅、约14.5-15.5wt％铬和约0.95-1.05wt％钼。这些马氏体含氮不锈钢是以Cronidur-30TM市购自Barden公司或者以VC444市购自SKF Bearings USA。这些马氏体含氮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)，另外提供了优良的耐腐蚀性。
在又一实施方案中，可通过向选定表面施加阻挡层材料使各种定子组件得以保护免受腐蚀性气体环境。这些包括定子罐表面、电力线和仪表线、定子传感器和定子套管。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能够，在现场安装前，于工厂环境下，测试转子表面热通量超过1W/cm2(6.45W/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℃至40℃。气氛加压到至少2bar以增加其排热能力同时保持转子温度在工程限制内。
如上所述，转子和定子组合件可包括包封的定子组合件，本发明也称为定子罐(stator can)。在一实施方案中，定子罐用符合NACE的材料构造并使用磁性和非磁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。非磁性钢(例如Inconel)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硬化的马氏体不锈钢，以沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量计，其含有10-20wt％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16.5wt％铬、约4.5wt％镍、约3.3wt％铜和约0.3wt％的铌。
在一实施方案中，包封的定子的非磁性材料包括镍基合金，以镍基合金的总重量计，其含有40-70wt％镍。更具体来说，以镍基合金的总重量计，该镍基合金含有约58wt％镍、约21.5wt％铬、约9wt％钼和约5wt％铁。
图4示意性地例示了制造符合NACE的定子罐的过程/方法。该过程/方法150包括在界面156处将非磁性定子套管延伸部部分152焊接到定子套管154。通过形成其上没有设置任何定子组件的套管的组成部分(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硬度(低于HRC 33)的后焊接热处理而制成。焊接件通过现有技术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引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-beam with filler)、激光焊接、TIG焊接、MIG焊接、电弧焊接(arcweld)、吹管焊接(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17-4PH型磁性钢的定子套管154每端的非磁性超合金钢。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，镍基合金可以包括市购自IncoAlloys International(Inco合金国际)的Inconel
Figure A20081009512500161
其包括约58wt％镍、约21.5wt％铬、和约9wt％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 hardeningprocess)，根据NACE MR0175，进行以下热循环之一：1)溶液在1040±14℃退火(anneal)并空冷或液体淬火到低于32℃；然后在620±14℃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℃；然后在620±14℃下进行第二次沉淀硬化循环，在该温度下最少4小时并空冷或液体淬火到低于32℃；或者2)溶液在1040±14℃退火并空冷或液体淬火到低于32℃；然后在760±14℃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℃；然后在620±14℃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火到低于32℃。
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非磁性钢制成，例如上述的InconelTM 625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行装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非磁性耐腐蚀合金。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镁(MgO)，进行绝缘的导电体。
以下的实施例落在上述更广泛描述的方法的范围内并用来举例说明书。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热固性环氧树脂作为阻挡层涂层，并热固化成厚度为300微米和327微米(之间)。在施加粉末之前，将该部分预热到150℃-246℃的温度。然后在177℃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。进行了一系列的测试，其中天然气中的硫化氢含量在6,000ppm(百万分之一)至20,000ppm之间变化，水汽含量在50ppm水到饱和之间变化。样品也暴露到30℃-130℃的不同温度中。
在低于79℃的温度下，在暴露到硫化氢和水中的样品中并未观察到腐蚀。
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ScotchkoteTM 134。在施加粉末之前，将转子预热到150℃-246℃的温度。然后在177℃下固化粉末30分钟至厚度为300微米-327微米。同样将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。
当暴露到高水平的硫化氢(6,000-20,000ppm)和水(50ppm至饱和)和80℃时，样品并未显示出腐蚀。
实施例3
在这个实施例中，两个全尺寸产品转子包覆有厚度为178微米-406微米(7mil-16mil)的SermalonTM。在生产条件下现场对它们进行测试并通过。这些产品转子现场安装，涂层经受腐蚀性操作气体环境超过2,000小时并且防止酸性气体对下层(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。该材料通过标准耐720小时环测试(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水平下，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。该材料通过标准耐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，对典型的定子罐焊接件的Inconel 625和17-4PH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NACETM0177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蚀元素具有优良耐受性的磁性轴承。
单数形式的“a(一种)”、“an(一种)”和“the(该/所述)”包括复数的指示物，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，包括制造和使用任何设备或系统并进行任何所引入的方法。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条件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。

Claims (10)

1.一种装置，包括：
转子轴组合件(100)，其包括由铁磁材料制成的转子轴(102)、设置在转子轴(102)上的多个转子叠片(104)、转子下落套管(108)和在转子轴(102)、转子叠片(104)、转子下落套管(108)或其组合的选定暴露表面上形成的阻挡层(106)，以及
与转子轴组合件(100)相隔、包括多个围绕转子轴(102)的电磁线圈(66)的定子组合件(50)。
2.权利要求1所述的装置，其中对定子组合件进行包封，所述包封的定子组合件(60)的特征在于具有由磁性材料制成的定子套管(154)；与由非磁性材料制成的定子套管(154)共轴并固定连接到定子套管(154)每端上的套管延伸部(152)，其中对连接点进行热处理；和构造用来密封容纳定子并形成包封的定子组合件(60)的、固定连接到套管延伸部(152)的、非磁性材料制成的壁(164)。
3.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中所述转子叠片(104)包括磁性钢合金并基本上与定子组合件(60)的电磁线圈(162)对准。
4.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中所述阻挡层(106)由选自环氧树脂类、填充环氧树脂类、填充硅酮、PFA、ETFE、ECTFE、PTFE、PFA、FEP、MFA、PVDF、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、氧化物转化材料、磷酸盐转化材料、铬酸盐转化材料、以及包括上述材料中的至少一种的组合的材料制成。
5.根据前述权利要求任一项所述的装置，其中所述转子下落套管(108)由，以钴基超合金钢的总重量计，含40-70wt％钴的钴基超合金钢制成。
6.根据前述权利要求任一项所述的装置，进一步特征在于，定子套管(154)由，以沉淀硬化的马氏体不锈钢的总重量计，含10-20wt％铬的沉淀硬化的马氏体不锈钢制成。
7.根据前述权利要求任一项所述的装置，进一步特征在于，与电磁线圈电通信的电线，其中所述电线的特征是具有围绕导电材料的非磁性耐腐蚀合金。
8.根据前述权利要求任一项所述的装置，进一步特征在于，与下落套管(108)对准的滚柱-元件支撑轴承(200)，其中所述滚柱-元件支撑轴承(200)包括由以马氏体含氮不锈钢的总重量计含10-20wt％铬和0.1-1.0wt％氮的马氏体含氮不锈钢制成的内滚道(208)和外滚道(206)。
9.根据权利要求8所述装置，其中所述内滚道(208)和外滚道(206)由，以组成的总重量计，含0.25-0.35wt％碳、0.35-0.45wt％氮、0.5-0.6wt％硅、约14.5-15.5wt％铬和0.95-1.05wt％钼的合金制成。
10.根据前述权利要求任一项所述的装置，进一步特征在于具有介于阻挡层(106)和选定表面之间的底涂层。
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