[发明专利]用于腐蚀环境中的使用磁性轴承的转子和定子组合件

说明书

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。