电镀硬鉻进行大功率电机轴颈修复的应用

郑虎斌

摘要: 同常规的电机轴颈修复方法相比,电镀硬鉻技术具有可靠性高、可以重复使用等优点。中海油湛江分公司w11-4D油田成功采用此项技术完成了注水泵电机轴颈的修复,取得了很好的经验和经济效益。

关键词: 注水泵;负载;电镀鉻;振动值

中图分类号:TM307文献标识码:A

文章编号:1006-4311(2009)11-0108-03

0前言

电机作为电力拖动的重要设备,有着十分广泛的用途。电机由于结构、原理简单,日常仅需进行一些简单的轴承、转子和定子的检查保养工作。正常使用时,寿命一般可达十年甚至更长。在电机使用过程中,随着使用年限的增加,轴承会出现疲劳磨损,正常情况下当这种疲劳磨损达到一定程度时,只需要进行简单的轴承更换就可以恢复电机的性能。轴颈是转轴与轴承的配合部分,是转轴最重要而又最易磨损的部位,它的强度和几何尺寸决定电动机能否正常运行。[1]但是在电机的使用过程,可能会因为润滑、对中、疲劳等原因造成电机轴颈的磨损。因此当电机轴颈因为磨损导致椭圆度超标时,必须首先对轴颈进行修复,否则仅仅通过更换电机轴承,可能会因为电机轴颈磨损部位的缺陷,造成电机轴颈处润滑不良、发热和电机振动超标,无法恢复电机的性能。

2008年6月12日5:10分,中海石油湛江分公司W11-4D油田注水泵电机发生电机驱动端轴承烧毁故障,整个注水系统陷入瘫痪。经过现场紧急拆检发现电机驱动端轴颈及轴承严重烧毁,驱动端轴颈原始外径?准90mm,经测量发现最大磨损量达到0.43mm,同时轴瓦和油封也都烧毁严重,具体损毁情况见下页图1。

1电镀修复工艺

事故发生后,油田现场通过对磨损轴颈表面进行清洗、抛光、更换轴承进行修复,但因为轴颈磨损超标最终没有成功。现场抢修失败后经过研究论证,决定将注水泵和电机拆回陆上基地进行全面解体大修,也希望借此机会彻底解决电机和泵因为长期单腿运转所累积的泵体渗漏、电机定子内部挡风板开裂和电机绝缘性能下降等隐患。

常用的电机轴颈磨损检修方法包括堆焊法、锡焊法、粘胶修理法和镶套法。这些方法同电镀鉻技术进行对比,到堆焊法由于热应力易造成轴颈变形、锡焊法不适用于大功率电机、粘胶法可靠性差,而电镀硬铬具有技术成熟、可靠性高的特点,并且当镀层磨损超过规定范围时,褪镀和反复重镀也较方便。结合电机轴颈受损的具体情况,我们决定采取电镀硬鉻法对受损轴颈进行修复。

镀硬铬,属于功能性电镀工艺,已磨损的或加工超差机器零件如汽缸、活塞环、模具、量具和轴杆等,可以通过电沉积产生超尺寸的铬层,然后再加工打磨到需要的尺寸修复。[2] 电镀硬铬工艺具有四个性能特点:①耐磨性好。镀铬层随工艺规范不同,可获得不同的硬度400～1200HV。[3] ②耐腐蚀性较好。镀硬铬后会在镀铬层表面形成一层非常薄的氧化层,该层相当强韧、难熔并且可以自动封闭,从而可以阻止底层金属的进一步氧化。③耐高温性能良好。研究发现温度升到260℃镀铬层仍保持光亮,继续在空气中升温到315℃,氧化膜增厚且变暗。更高温度下则会产生回火色,且最终形成黑色或墨绿色氧化层。温度达到1000℃以上时,表面形成氧化层,且在氧化层与未受化学影响的镀层之间形成相当硬的氮化铬层。[4 ]④镀铬层强度随厚度增加而降低,镀铬层与基体结合强度高于自身晶体间结合强度,而抗拉强度与疲劳强度随镀层厚度增加而下降,因此镀铬层厚度一般应≤0.3mm。通过抗剪切试验发现通常钢件上镀硬铬工艺可获得40-45Kg/mm2的结合力。

电镀硬铬工艺的制定必须结合工件形状、镀层厚度、硬度、镀液温度、电流密度等具体要求才能达到产品预期的质量要求。在整个工艺过程中,如何控制好电流效率、镀层覆盖及分散能力、均镀能力、深镀能力,保证镀层与基体材料结合的强度,达到预期的表面硬度和光洁度是整个工艺的难点和关键点所在。由实验得知,就耐磨性而言,在电流密度为40A/dm2和温度为50℃时,获得的的镀层耐磨性最高,当电流密度超过最高值时镀层的耐磨性反而下降。其原因是由于氢对镀铬层的影响,使镀铬层的脆性增大,同时随着温度的增加,相当于获得具有较高耐磨性镀层的电流密度范围急剧变小。就硬度而言,随着温度和电流密度的变化,镀铬层的硬度也在剧烈变化。在温度低于55℃时,增高电流密度,镀铬层硬度便会降低;而在温度高于55℃时,电流密度增高会使镀铬层硬度增高;在温度为55℃时,镀铬层的硬度不随电流密度变化;当温度为50℃时,在任何电流密度下都能得到最高硬度。在此范围内镀铬层所含非金属夹杂物(氧化铬)增多。这些非金属夹杂物本身就是硬磨料,因而增加了镀层硬度。

2电机轴颈镀铬修复工艺方案的确定

根据轴颈尺寸和磨损量,最终确定修复工艺。镀铬工艺流程如图2,镀液工艺规范见表1。轴戏曲镀前机加工尺寸见图3。

3镀铬修复后实际使用效果

2008年8月9日17:00修复后的电机和泵完成了现场回装和对中,并开机运转。经测量机组的轴承温度、运转电流、振动值等关键参数都到达要求。但经过27天平稳运行后,在9月6日电机驱动端轴承又出现一次异常高温。再次停机检查发现,由于甩油环工作不正常导致轴承润滑不良造成。拆检驱动端轴承发现轴承内表面有磨损现象,最深磨损量达到0.20mm。但是检查同时发现轴承接触部位的电机轴颈面完好无损,见图4。这次突发事故再次用事实证明了轴颈镀层的硬度、光洁度和耐高温性能均达到使用要求。后经过对甩油环重新加工,于9月20日重新开机运转,截止目前机组的运转一直非常平稳,各项参数都达到和超过标准要求。

利用电镀硬鉻法在最短时间内修复注水泵电机,恢复整个油田的注水系统,对W11-4D油田具有非常重要的意义。因为W11-4D油田的主发电机是2台美国FM公司的双燃料发电机,功率2370kW,电压等级4160V。该机组燃气模式的最低功率要求是带载50%以上,低于此负载主机只能在柴油模式下运转。油田注水系统瘫痪时,机组带载只有30%左右,每天要消耗柴油4.5m3。如果要更换新电机,最短的采办周期也要6个月。而采用电镀鉻进行修复包括现场拆除、海上运输、电机/泵解体大修和回装调试总共只用了47天,同采用更换新电机维修方案相比较,时间上缩短了近120多天。通过减少柴油消耗创造的直接经济效益约275万元(120×4.5×0.85×6000=275万元,柴油密度0.85,按每吨6000元计算)。如果将节约的新电机购置费用约160万元计算在内,此次维修带来的直接经济效益约435万元。而且如果主机在近半年的时间内持续低负载烧油,极易造成喷嘴积碳和机组振动值高导致停机,大大增加主机的日常维护工作量。同时主机持续烧油又会大幅增加柴油滤器等配件的消耗,这些都会增加主机的运行维护成本。

4结论

(1)夹具的设计对镀铬工艺十分关键,它是获得厚度均匀镀层的保证,对夹具的要求如下:

①夹具要适合零件的形状和大小。

②夹具的材料在镀铬溶液中应具有良好的化学稳定性,不产生溶解和其他化学作用。

③挂具的导电部分应具有足够的截面积,以便于大电流顺利通过且不发热,保证镀层质量。

④夹具结构的连接应采用焊接形式,以利于电流通过。夹具的非工作部分应绝缘,以减少电流损耗。

(2)由于镀硬铬需要电镀时间较长,而镀硬铬的电流效率又低,为保证镀层均匀,尽量避免和减少镀件在电镀中产生椭圆度和锥度,因此正确使用阳极十分重要。一般情况下,阴、阳极面积比为1:1.5~1:2。

(3)要获得良好的耐磨铬镀层需要严格控制零件本身应有良好的表面光亮度,镀前必须经过精磨、研磨,使表面粗糙度达到Ra0.20um以下。大型零件电镀前必须在镀槽中预热。否则,由于零件基体金属和铬的膨胀系数差别很大,加之镀硬铬层的内应力大,镀层硬度高,会产生剥皮现象。

(4)此次电机轴的成功修复,充分证明目前国内电镀硬铬技术已完全可以进行大功率、高压、高转速电机轴修复,避免了因为轴颈磨损导致更换整个转子或电机带来的高昂成本。在实际应用中,高压大功率电机因为长期运转,在寿命中后期出现轴颈磨损的现象比较普遍,因此电镀鉻技术的推广应用,必定会带来巨大的社会经济效益和资源节约。