耐高温高压、耐腐蚀的压力容器配套的高效异步电动机

山东省荣成市第三中学高二年级｜田乙钧



耐高温高压、耐腐蚀的压力容器配套的高效异步电动机

山东省荣成市第三中学高二年级｜田乙钧

橡胶、化工、纺织等诸多行业的生产工艺过程需要在压力环境下进行，因此压力容器广泛地应用于各工业部门，且这些工艺大都需要电机实现搅拌混匀功能，随着化工和石油化学工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽；新工作介质的出现还要求压力容器具有良好的耐腐蚀特性；因此迫切需求可安全应用于高温腐蚀介质压力容器的特种功能电机。压力容器；异步电动机；耐高温高压；耐腐蚀；冷却技术

研究背景和意义

如何使电机与耐高温高压、耐腐蚀的压力容器相配套，当前较为常见的解决方案是为电机与高温、腐蚀、压力环境相对隔离，通过联轴器将动力引入压力容器内部搅拌器；联轴器与压力容器壳体之间的转动自由度导致压力容器密封困难，必须采用复杂的动密封装置实现高压介质与外部的隔离，这种连接方式结构复杂、操作要求高，难度大，且使用过程中经常出现跑、冒、漏故障，存在严重的安全隐患。

本项目研究提出的直连式电动机：电机输出轴直接进入压力容器，将电机壳体法兰与压力容器法兰密封，使得压力容器内压窜至电机内部，将动密封问题转化为电机腔体的静密封问题，然后着力解决电机的耐高温高压与腐蚀能力即可实现安全的压力容器搅拌器。项目的成果可极大程度提高压力容器的可靠性与安全性，具有重要的社会意义与经济价值，且一体化水冷式散热技术、耐腐蚀工艺等成果可推广至其他领域，具有很好的科学意义。为确保压力容器系统的长期无泄漏安全运行，应避免采用联轴器方案传递转矩，因为动密封装置复杂，且频发跑、冒、漏等故障，存在严重的安全隐患。本项目提出的压力容器用直连式耐高温、耐腐蚀异步电动机可彻底解决此安全隐患，具有很好的社会意义和经济价值。

研究内容

为实现上述目标，本课题研究将围绕耐压密封装置、高效水冷散热方式、耐腐蚀工艺、电机性能优化设计这四个关键点展开研究。

a耐压密封装置。研究电机法兰与压力容器法兰间的密封及电机壳体的静密封，确保密封装置寿命长、耐高温、耐工作压力。

b高效水冷散热方式。通过FLUENT等计算机辅助流场分析软件，优化设计电机的水冷散热效率，实现电机可耐受高温介质窜入电机内部。

c耐腐蚀工艺研究。对轴用材料及热处理、表面处理工艺进行优化与实验，通过实验分析腐蚀原因，并选用相应工艺处理电机绕组及接触腐蚀介质的电机内腔表面，并通过实验验证耐腐蚀性能。

d电机性能优化设计。引进上海电器科学研究所的电动机计算机辅助设计程序，建立电机结构及电磁场的三维精确模型，全面分析并优化电磁方案，以确保电动机具有更高的效率、功率因数及合理的过载能力。

研究创新点

a首创“直连式压力容器用耐腐蚀耐高温三相异步电机”，将传统的联轴器“动密封难题”转化为电机壳体的“静密封问题”，有效解决了传统压力容器的跑、冒、漏等安全隐患。

b将电机与压力容器系统整合，利用电机热损对压力容器的工作介质进行预热，既可实现电机高效散热，又可实现介质预热。具有良好的节能降耗功能。

c采用一系列工艺改进措施，强化了电机耐压、耐高温、耐腐蚀能力，采用FLUENT进行散热效率优化，采用计算机辅助优化设计电磁场，提高了电机的性能与效率。

产品技术路线和自主知识产权

a根据该电机的主要特点和难点，与国内知名压力容器公司紧密合作，对国内外同类产品发展现状及顾客要求进一步调查分析，以确定详实的产品方案。

b依据分工明确责任及研发进度，确立电动机的结构方案，并计算各项参数，完成设计后由压力容器生产厂家对初步方案进行评审，然后购置必要的生产设备和检验设备准备投产。样机试制，解决工艺难题，对样机进行全面测试，使样机达到设计要求。

c实际工况试用，根据最终用户配合完成的试用、使用报告，进一步完善和改进设计与工艺，以达到用户的使用要求，并最终投入批量生产。

d本课题研究为完全自主知识产权，可申报专利2项。分别为“直连式压力容器用耐高温耐腐蚀三相异步电机机”与“介质预热与紊流散热一体式压力容器用电机冷却技术”。

主要难题的解决方案

a耐压密封装置。该电机内部需耐受8-15KG压力，不同于普通电机的无耐压能力，所以需对机壳、端盖连接处进行严格密封；因两处密封皆属静密封问题，较动密封方案复杂度小，通过选用耐高温耐腐蚀材料可实现有效密封。

b高效水冷散热方式。电机机壳不同于普通电机，采用双层无缝圆钢管焊接、夹层用水循环冷却，结构方式可耐受压力容器的工作压力；此外，采用FLUENT软件建立冷却机构的三维模型，优化冷却水流路径及轨迹；利用压力容器的低温进料工作介质作为冷却源，即可实现进料介质的预热，又可实现高效冷却，实现压力容器与电机的系统级优化，达到节能降耗的目的。

c耐腐蚀工艺。电机轴伸比普通电机更长，需采用不同材料，分别用于高温高压干燥气体或高温高压的腐蚀性气体环境；引进转子表面氧化处理设备，采用交流变频电源，在转子表面产生感应磁场及涡流，待转子表面达到设定温度后加冷水喷洒，使转子铝导条与冲片脱离，达到绝缘效果，可提高电机效率1%左右，并显著提高转子的防锈防腐蚀能力；定子绕组真空压力浸漆，使绝缘浸漆的更饱满，电机的绝缘性能及防腐蚀性能将更高。

d电机性能优化设计：引用上海电器科学研究所的电动机计算机辅助设计程序，建立电机结构及电磁场的三维精确模型，全面分析并优化电磁方案，并降低电机工作温升，以确保电动机具有更高的效率、功率因数及合理的过载能力。

实验研究

通过与合作研发单位（压力容器生产单位）紧密合作，对样机进行全面试验，既可保证研发周期，又可保证产品质量。