干冰清洗技术在发电机铁芯锈蚀处理中的应用

卢洪坤，许宏伟，李 晨，崔竹叶

（1.浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江浙能嘉兴发电有限公司，浙江 平湖 314201；3.杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014）

干冰清洗技术被广泛应用于众多领域，如橡胶工业中轮胎及其他橡胶模具的表面清理，食品工业中烤炉、输送带、食品模具的表面除垢，石油化工业中换热器、叶轮、设备外壳的表面清理等。在电力行业，也有用干冰清洗燃机喷头和叶片、电力设备外表面污垢在线清洗等应用[1]。本文介绍一起用干冰清洗大型同步发电机严重锈蚀的定子铁芯的案例。

1 发电机概况

由中国建设单位承建的巴基斯坦某电厂2号发电机采用法国某厂生产的6FA-TEWAC户外型全空冷燃机发电机，额定功率76MW，额定电压11.5kV，频率50 Hz，防护等级IP54。定子采用径向通风系统，分为4个风区，两端各设置1个空冷器，4个风区顶部对应位置各有1个盖板，打开盖板能观察各段铁芯背部的情况。该发电机于2008年初出厂，经海运到达电厂后，安装在室外发电机平台上。

2 锈蚀情况

2009年10月对2号发电机进行绝缘电阻测试，发现定子绕组三相绝缘电阻都只有2MΩ左右，判断该发电机严重受潮。拆开底部人孔门后，放出约100 L水，经化验含有盐及铁等成份。打开顶部4个盖板检查，发现发电机顶部铁芯已严重锈蚀：燃机侧冷风段0.5 m内的锈蚀最严重，布满黑色锈蚀，铁芯已被铁锈覆盖，看不出矽钢片间的绝缘层，通风道几乎全部堵塞；其余部位有黄色锈蚀，通风道20%～60%被堵塞。抽出发电机转子检查膛内，发现燃机侧空冷器对应位置的铁芯齿部也有矽钢片生锈，燃机侧转子外表面及部分通风孔内有少量定子铁芯掉落的铁锈，转子绕组及定子绕组未发现生锈痕迹。

经仔细检查后认为，2号发电机出厂时燃机侧空冷器的法兰安装有缝隙，在海运及现场放置期间漏进雨水。当地太阳直晒时室外温度可达50℃，内部积水受热产生的水蒸汽上行，夜晚环境温度降低后水蒸汽在发电机顶部凝结，从顶部滴落在铁芯上引起顶部铁芯锈蚀，由于燃机侧底部积水较多，部分滴到膛内下部的铁芯齿部，造成锈蚀。

3 用干冰清洗技术修复发电机

面对严重锈蚀的发电机定子铁芯，无法凭经验判断锈蚀清除后发电机能否正常运行，清洗前也不能贸然进行铁损试验，但可以判断会发生以下情况：

（1）铁芯通风孔堵塞，运行时冷却风量不足，发电机发热会引起铁芯及定子线棒烧毁。

（2）运行时铁锈被冷却风带动，汇集到转子某些部位，形成转子绕组匝间短路或阻塞通风孔引起局部发热，烧毁转子绕组。

（3）铁芯矽钢片齿部锈蚀后形成的短路会在发电机磁场建立后形成涡流，导致铁芯过热烧毁发电机。

由于没有相同型号的定子可以更换，重新制造、运输、安装需要约1年，因此决定对该发电机进行现场清洗。

3.1 清洗方式选择

通常情况下，清洗工艺分为机械清洗、物理清洗和化学清洗。

机械清洗以喷砂法为主，即用压缩空气将不同粒度的金属颗粒、河砂、石英砂或玻璃微粉等喷向处理物表面。用该类方法可能造成铁芯损坏及清洗介质难以清除等问题。

化学清洗是利用化学试剂的作用将污垢溶解脱离，以往在发电机检修中常采用浓度很低的硫酸或草酸来清除铁芯表面的毛刺或短路点。但该发电机采用弱酸清洗会遇到以下困难：

（1）锈蚀面积太大，需要用大量的酸液，对原有铁芯必然形成较大的损伤，造成二次污染。

（2）清洗的工期及质量难以保证，有的通风槽内锈蚀深度达5cm，酸液很难进入，无法彻底清除。

（3）铁芯背部有隔筋，打开顶部盖板后发电机两端的空间无法满足化学清洗的要求，需在顶部两端再开2个大孔才能开展工作。

物理清洗包括高压水、水蒸汽清洗和干冰清洗等。高压水清洗不一定能彻底清洗锈蚀还会使铁芯受潮。水蒸汽清洗的介质为100～150℃的水蒸汽，压力越高温度越高，高温对绝缘伤害严重，同时会使铁芯受潮。而干冰清洗工艺具有清洗彻底、二次污染少、对铁芯伤害小、需用空间小、可靠性高、清洗时间短等特点，所以最终选择干冰清洗工艺。

3.2 干冰清洗技术原理和特点

干冰清洗技术从1945年开始应用[3]，经过多年的发展，该技术已被广泛应用于众多领域，其设备和工艺非常成熟，有专业的干冰清洗公司为许多行业提供清洗服务。

干冰是CO2的固态存在形式。在-78℃低温时，CO2以固体形式存在，常压下，固体CO2直接升华，没有液化过程，干冰清洗技术完美地利用了干冰低温和直接升华的特性。干冰清洗设备分为单喉管喷嘴和双喉管喷嘴两类，现场选择喷射冲击力更大的单喉管喷嘴干冰清洗机，该系统将干冰处理成直径约1～3mm的小颗粒，由机械方式供入压缩空气管道，与空气混合、加速后从喷嘴喷出，喷出压力约为0.5 MPa。

携带干冰颗粒的空气以0.5 MPa的压力冲击铁锈表面，加上空气及干冰颗粒的温度极低（-78℃），与铁锈表面存在较大温差，将产生热冲击作用。铁锈层温度降低、脆性增大，产生龟裂，铁锈层与铁芯本体的温度差破坏了两者的结合。干冰颗粒在千分之几秒内体积膨胀近800倍，在冲击点造成“微型爆炸”，将铁锈层吹扫剥离。干冰清洗铁锈的过程如图1所示。

干冰清洗具有以下特点：

（1）使用空间要求小，可以对人无法进入的狭小空间进行清洗。喷头可从2号发电机两端隔板的孔中伸入，对端部铁芯进行清洗。

（2）清洗效率高。

（3）对铁芯形成的二次伤害小。

（4）清洗过程干燥。

（5）不会对铁芯造成新的污染。

但是，采用干冰清洗方式时，要考虑－78℃的低温是否会对铁芯及线棒等部位的绝缘材料造成损害、局部热胀冷缩后是否会引起铁芯松动、是否会引起铁芯结露受潮等问题。经查阅相关资料，干冰清洗过程中，铁芯表面温度随时间变化的曲线如图2所示[2]。距铁芯表面0.5mm以下部位的最低温度约为－5℃，短时间内绝缘不至于严重受损，即使有裂纹，由于深度较浅也不会引起矽钢片间的短路，但需要在清洗后进行铁损试验。由于清洗时间短、影响深度浅，热胀冷缩对铁芯的影响也可不考虑。若干冰碰到定子绕组表面，会造成其主绝缘外层防晕材料和绝缘漆的剥落，直线段线棒因有槽内垫条的保护可以不用考虑，而端部绕组在清洗前则要用棉纱进行保护。

图1 干冰清洗铁锈过程

图2 干冰清洗过程中受件表面温度随时间的变化曲线

3.3 清洗过程

清洗工作由专业干冰清洗公司完成。设备调试及定子绕组端部保护等准备工作完成后，打开发电机定子顶部盖板，将喷头从铁芯背部伸入，对顶部铁芯进行清洗，剥离的锈渣顺着通风道掉在事先铺设在发电机膛内的布上。齿部清洗从膛内底部开始，无锈迹的部位未清洗，锈渣用吸尘器在内窥镜的协助下清理干净，所有工作在2天内全部完成。

4 清洗效果

4.1 外观检查

经干冰清洗后，2号发电机铁芯表面干净平整，无遗留杂质，通风道内铁锈几乎全部清除，与新机无明显差别。未发现铁芯矽钢片间绝缘有裂纹现象。

4.2 铁损试验

对铁芯进行干冰清洗后，进行磁通密度为1.4 T的铁损试验，用红外成像仪扫描铁芯各部位的温度，膛内温差仅为4 K，温度较高部位是燃机端膛内齿部已清洗的位置，且清洗过的部位温度相同，分析温度高的原因不是铁芯涡流影响，而是由于铁芯表面与油漆表面的反射率不一致。由此判断锈蚀及干冰清洗未对2号发电机定子铁芯造成不可接受的伤害，该定子铁芯仍可使用。另外，为了彻底清除定子铁芯中的水分，铁芯试验持续了19 h，期间用风机从励端送入空气，待定子铁芯温度上升至90℃后停止。

4.3 铁芯温度

2号发电机并网后，在满负荷下进行迟相功率因数0.80和进相功率因数0.95的无功容量试验，发现在2种工况下，2号发电机的定子铁芯温度与未发生铁芯锈蚀缺陷的同机型1号发电机相比并无明显差异，温度最高点出现在相同位置，各点的温度差在3 K以内。

5 结语

从2号发电机定子铁芯锈蚀及采用干冰清洗的经验可以看出，干冰清洗发电机定子铁芯不会引起铁芯矽钢片间绝缘的损坏，该方法安全可靠。虽然发电机定子铁芯发生锈迹的情况较少，但是有可能会遇到空冷发电机定子铁芯受油污和灰尘污染、水力发电机受油污和刹车片粉末混合物污染的情况，此时采用干冰清洗是非常好的选择。

[1]谢广文，赵程，石玉龙，等.喷射干冰表面清理技术的原理及应用[J].化工设备与防腐，2000（3）∶23-24.

[2]史近海，赵庆良，路安.干冰冷喷射清洗技术及其应用[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2005（10）∶588-591.

[3]王鸿晓.干冰清洗技术[J].清洗技术，2004（8）∶36-38.

[4]王鸿晓.干冰清洗系统简介[J].清洗技术，2004（10）∶27-29.