淺談壓縮機橇的主電機制造及質(zhì)量控制

李夏玲，孟祥立，殷麗君，葉露，付立智

（海洋石油工程股份有限公司天津 300452）

前言

海上石油平臺的某氣田開發(fā)工程項目，其中心平臺設(shè)置2臺干式壓縮機和3臺濕式壓縮機，其中濕式壓縮機和干式往復(fù)式壓縮機分別由1800kW和2240kW的電機驅(qū)動，共5臺電機額定電壓6.3kV，均為隔爆型、變頻、恒轉(zhuǎn)矩。針對5臺電機在制造過程中出現(xiàn)了一系列質(zhì)量問題，進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量管理及控制，最終滿足壓縮機的各項性能指標(biāo)。

1 電機基礎(chǔ)知識

1.1 電機分類

電機有很多種不同的分類方式，可分別按電源、勵磁方式、啟動與運行方式等進(jìn)行分類，比較常用的按結(jié)構(gòu)和工作原理分類見圖1。

圖1 按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分電動機

1.2 電機結(jié)構(gòu)

該項目壓縮機橇中使用的電機整體結(jié)構(gòu)為筒式結(jié)構(gòu)，臥式安裝，冷卻方式為全封閉空—空冷，強迫冷卻型，三軸承支撐，驅(qū)動端兩軸承，非驅(qū)動端一個軸承。定子主要有機座、定子鐵心、定子線圈、定子繞組加熱器等組成。轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、導(dǎo)條、端環(huán)、內(nèi)風(fēng)扇組成。其結(jié)構(gòu)示意見下圖：

圖2 電機結(jié)構(gòu)示意圖

該電機內(nèi)風(fēng)路選擇冷卻效果較好的雙側(cè)對稱內(nèi)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，電機冷卻風(fēng)路分為外風(fēng)路和內(nèi)風(fēng)路。

外風(fēng)路由機座、端罩和強迫風(fēng)機小電機及風(fēng)扇組成。強迫風(fēng)機小電機帶動外風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，通過離心作攪動空氣從機座的非軸伸端進(jìn)風(fēng)，通過機座分布的散熱管內(nèi)，最終從機座的軸伸端出風(fēng)。機座為鋼板焊接，散熱管在機座外罩內(nèi)部和定子鐵心之間圓周均布。

內(nèi)風(fēng)路采用徑向?qū)ΨQ內(nèi)風(fēng)路，由機座、端蓋、內(nèi)風(fēng)扇擋風(fēng)板、內(nèi)風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道、轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道和定子徑向通風(fēng)道組成。內(nèi)風(fēng)扇為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量一部分用于定子線圈端部散熱，另一部分流經(jīng)轉(zhuǎn)子和定子鐵心設(shè)有的徑向通風(fēng)道冷卻定轉(zhuǎn)子鐵心。鐵心通風(fēng)道寬度10 mm按鐵心分段間隔排列。兩臺冷卻風(fēng)路通過定子線圈端部和定轉(zhuǎn)子鐵心后將熱量帶出，在機座散熱管表面與外風(fēng)路進(jìn)行熱交換，使內(nèi)風(fēng)路溫度降低，然后經(jīng)過機座兩端回到內(nèi)風(fēng)扇入口處，如此循環(huán)起到對電機內(nèi)部冷卻作用。風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 電機風(fēng)路示意圖

1.3 電機型號及部分公式

該項目的5臺電機有兩種型號：YB-800S2-6H、YB-800M2-6H。第一部分漢語拼音字母Y表示異步電動機，B表示隔爆；第二部分?jǐn)?shù)字800表示機座中心高800mm；第三部分英文字母為機座長度代號（S-短機座、M-中機座、L-長機座），字母后的數(shù)字2為鐵心長度代號；第四部分6表示電機極數(shù)為6極，H表示船用電機。從型號可以獲得的信息：異步防爆電機、外形大小中心高800mm、6級、船用電機。計算其轉(zhuǎn)速：n=60f/p

上式中，

n—電機的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；

60—每分鐘（秒）；

f—電源頻率（赫芝）；

p—電機旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)。

我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為f=50周/秒，所以旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速的大小只與磁極對數(shù)有關(guān)。磁極對數(shù)多，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速成就低。極對數(shù)P=1時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=3000；極對數(shù)P=2時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=1500；極對數(shù)P=3時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=1000；極對數(shù)P=4時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=750；極對數(shù)P=5時，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n=600。實際上，由于轉(zhuǎn)差率的存在，電機實際轉(zhuǎn)速略低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，根據(jù)公式n=60f/p可知：改變頻率f就可改變轉(zhuǎn)速以迎合現(xiàn)場工況：降低頻率f，轉(zhuǎn)速就變?。辉黾宇l率f，轉(zhuǎn)速就加大。需要注意區(qū)分所謂的變頻電機是變頻啟動還是變頻使用。另外本項目的電機變頻電機，確切的說是變頻、恒轉(zhuǎn)矩電機（型號中沒有體現(xiàn)需要參考其他的技術(shù)參數(shù)）。從而引出轉(zhuǎn)矩公式：T=9549×P/n，即轉(zhuǎn)矩=9549×輸出功率/輸出轉(zhuǎn)速。

恒轉(zhuǎn)矩電機有能力在改變轉(zhuǎn)速的情況下保持恒定的電流，電流不變，繞組發(fā)熱不變（Q=I2R）而又因為轉(zhuǎn)速改變會影響內(nèi)風(fēng)路（內(nèi)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變慢）從而降低散熱能力所以有必要做低頻率下的溫升試驗，試驗頻率應(yīng)根據(jù)實際工況來定。這里需要注意：只是有能力保持電流不變從而輸出恒定轉(zhuǎn)矩，但如果實際工況下功率要求沒有達(dá)到滿負(fù)荷，相應(yīng)的電流是會降低的。

2 電機制造流程

2.1 標(biāo)準(zhǔn)識別

GB 755 旋轉(zhuǎn)電機 定額和性能

GB/T 997 旋轉(zhuǎn)電機結(jié)構(gòu)型式、安裝型式及接線盒位置的分類(IM代號)

GB/T 1032 三相異步電動機試驗方法

GB/T 1993 旋轉(zhuǎn)電機冷卻方法

GB 1971 旋轉(zhuǎn)電機 線端標(biāo)志與旋轉(zhuǎn)方向

GB/T 4772 旋轉(zhuǎn)電機尺寸和輸出功率等級

GB/T 10069.1 旋轉(zhuǎn)電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉(zhuǎn)電機噪聲測定方法

GB 3836.1 爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求

GB 3836.2 爆炸性環(huán)境 第2部分: 由隔爆外殼“d” 保護(hù)的設(shè)備

2.2 制造流程

制造流程主要包括：定子，轉(zhuǎn)子（風(fēng)扇生產(chǎn)、轉(zhuǎn)子裝配平衡、轉(zhuǎn)子合成），整機裝配，型式試驗，電機完善，噴漆包裝。

定子：下料---沖片---裝壓---下線---浸漆---與機座裝壓。

鑄鋁轉(zhuǎn)子：下料---沖槽---裝壓---鑄鋁---插軸---磨削---車加工外圓---裝配內(nèi)風(fēng)扇等---動平衡。

銅條轉(zhuǎn)子：下料---沖槽---裝壓---串導(dǎo)條---車導(dǎo)條---焊端環(huán)---車加工外圓---裝配內(nèi)風(fēng)扇等---動平衡。

3主要質(zhì)量控制點

3.1 原材料控制

輻筋軸：有焊接的也有直接鍛造機加工的，電機的轉(zhuǎn)子軸叫刨筋軸，軸上的加強筋是與軸是整體刨出來的，這樣提高了整個軸的強度，材質(zhì)是35CrMo（鉻鉬），這種鋼的碳當(dāng)量較大（Ceq=0.72%），硬傾向較強，可焊性較差，為了改善通風(fēng)采取在軸上焊接擋板的方式，但經(jīng)MT發(fā)現(xiàn)有裂紋并最終導(dǎo)致?lián)Q軸，其中一臺電機軸焊接擋板取出后發(fā)現(xiàn)很多缺陷，如圖4所示。

圖4 電機軸焊接擋板缺陷

硅鋼片：主要的參數(shù)為兩點，磁感和發(fā)熱功率。國標(biāo)根據(jù)單位重量的發(fā)熱功率來標(biāo)牌號。最大鐵損越小，做出來的定子鐵芯的鐵耗也越小，這可以降低電機運行時產(chǎn)生的散熱量，以滿足電機F級絕緣溫度和B級溫升考核的要求，另外，最小磁感關(guān)系到磁導(dǎo)率的大小，磁導(dǎo)率越高，屏蔽磁場效果越好，應(yīng)盡量選用鐵損小、磁感大的硅鋼片。2240kW電機的定子鐵芯就是由50WW470改為更好的50WW350硅鋼片制作。另外，對硅鋼片可以做入廠檢驗，利用愛波斯坦方圈試驗方法（圖5）檢測硅鋼片的各項參數(shù)（表1）

圖5 愛波斯坦方圈試驗

表1 硅鋼片的各項參數(shù)

3.2 制造過程控制

首先是對電機進(jìn)行機械檢查，包括的部分有：軸、機座、定子沖片、定子鐵芯、轉(zhuǎn)子、端蓋、電機總裝配、噴漆包裝。

其次是半成品電氣性能檢驗和試驗。定子線圈的繞制、包段部及引線、單支線圈試驗，其中線圈試驗重點關(guān)注耐電壓試驗、匝間沖擊試驗、絕緣電阻試驗。對于有繞組定子鐵芯檢查有嵌線接線檢查、半成品電氣試驗、浸漆、烘焙，需重點關(guān)注匝間沖擊耐壓試驗和三相電流平衡試驗。

最后，對于整機電氣性能試驗，需檢查空載試驗、振動的測定、軸承溫度的測定、溫升試驗、效率/功率因素的測定、最大轉(zhuǎn)矩的測定、短時過轉(zhuǎn)矩試驗。

3.3 試驗控制點

高壓船用隔爆型三相異步電動機的出廠試驗主要有：

1）耐壓試驗：測試電機絕緣強度。

2）負(fù)載試驗：測試電機效率，功率因數(shù)，轉(zhuǎn)速，電流等。

3）空載試驗：測試電氣氣隙、鐵芯質(zhì)量、機械安裝質(zhì)量等。

4）堵轉(zhuǎn)試驗：測試電機極限轉(zhuǎn)矩、過負(fù)荷能力等。

5）溫升試驗：測試電機額定運行到穩(wěn)定后，各發(fā)熱元件的溫升值，決定電機絕緣的使用壽命。

6）噪音試驗、振動試驗等。

在過程中出現(xiàn)了繞組溫升超標(biāo)的現(xiàn)象，經(jīng)過分析討論，分別從裝配、內(nèi)風(fēng)路、內(nèi)風(fēng)扇、外風(fēng)扇、外風(fēng)機、消音罩等出進(jìn)行了調(diào)整最終保證了電機各項指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。上述措施都是為了加大冷卻效果，滿足電機F級絕緣溫度和B級溫升考核。但需要注意電機在初始設(shè)計的時候，會根據(jù)電機的功率選擇合適的機座號，機座號的選擇很重要，決定了電機后期的一系列設(shè)計，2240kW屬于6級電機，選用的800M2機座號，是4個800中心高機座系列的上限值，也就是電機的一系列設(shè)計沒有留余量，主要對電機的扭矩、溫升有較大的影響。所以此次溫升問題，經(jīng)分析有機座選到臨界余量太小的因素。

3.4 防爆性能參數(shù)控制

海上平臺通常都選型為隔爆型電機，防爆的要求對平臺安全環(huán)境非常重要，因此電機的防爆性能參數(shù)控制也尤為關(guān)鍵。主要控制點有：

1）按要求檢查防爆標(biāo)志是否齊全正確，其內(nèi)容包括：制造商的名稱或注冊商標(biāo)、制造商規(guī)定的型號標(biāo)識、產(chǎn)品編號或批號、防爆合格證編號、防爆標(biāo)志、防護(hù)等級標(biāo)識等。

2）檢查電機上的涂裝是否滿足要求，同時不能影響接地要求。

3）檢查電機上的緊固件、引入裝置、接地是否合格。

4）證書的齊全性，包括防爆合格證書、防護(hù)證書、第三方證書、CCC證書、合格證、產(chǎn)品出廠檢驗證書、原材料證書、說明書。

5）防爆合格證必須由國家授權(quán)的質(zhì)量監(jiān)督檢驗機構(gòu)頒發(fā)，且證書與發(fā)證機構(gòu)網(wǎng)站查詢的內(nèi)容應(yīng)保持一致。

4 結(jié)論

通過該項目電機的制造過程及質(zhì)量控制，了解到在對電機前期的設(shè)計文件（如技術(shù)規(guī)格書、數(shù)據(jù)表等），除了仔細(xì)核對電機的各項參數(shù)和性能，還應(yīng)與制造廠家多交流溝通，反饋關(guān)于海洋平臺的高要求、高規(guī)格，提高制造廠家設(shè)計余度（不要選取臨界中心高機座），避免后期的被動應(yīng)付。在電機驗收時，除了外觀尺寸的驗收之外還應(yīng)對于購買電機的型號等參數(shù)了解清楚：異步、防爆、變頻（是變頻啟動、還是變頻運行）、恒轉(zhuǎn)矩還是恒功率、實際工況下預(yù)期的轉(zhuǎn)速、功率要求等。同時掌握電機的主要性能和工況，再對電機出廠實驗中的相關(guān)主要參數(shù)進(jìn)行靈活控制，這有助于現(xiàn)場決策一些出現(xiàn)的問題。通過對電機質(zhì)量問題及措施進(jìn)行分析總結(jié)，為今后開展相關(guān)質(zhì)量控制工作有一定指導(dǎo)意義。