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摘要：同常規(guī)的電機(jī)軸頸修復(fù)方法相比，電鍍硬鉻技術(shù)具有可靠性高、可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。中海油湛江分公司w11-4D油田成功采用此項(xiàng)技術(shù)完成了注水泵電機(jī)軸頸的修復(fù)，取得了很好的經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：注水泵；負(fù)載；電鍍鉻；振動(dòng)值
前言
電機(jī)作為電力拖動(dòng)的重要設(shè)備，有著十分廣泛的用途。電機(jī)由于結(jié)構(gòu)、原理簡(jiǎn)單，日常僅需進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的軸承、轉(zhuǎn)子和定子的檢查保養(yǎng)工作。正常使用時(shí)，壽命一般可達(dá)十年甚至更長(zhǎng)。在電機(jī)使用過(guò)程中，隨著使用年限的增加，軸承會(huì)出現(xiàn)疲勞磨損，正常情況下當(dāng)這種疲勞磨損達(dá)到一定程度時(shí)，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的軸承更換就可以恢復(fù)電機(jī)的性能。軸頸是轉(zhuǎn)軸與軸承的配合部分，是轉(zhuǎn)軸最重要而又最易磨損的部位，它的強(qiáng)度和幾何尺寸決定電動(dòng)機(jī)能否正常運(yùn)行。[1]但是在電機(jī)的使用過(guò)程，可能會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑、對(duì)中、疲勞等原因造成電機(jī)軸頸的磨損。因此當(dāng)電機(jī)軸頸因?yàn)槟p導(dǎo)致橢圓度超標(biāo)時(shí)，必須首先對(duì)軸頸進(jìn)行修復(fù)，否則僅僅通過(guò)更換電機(jī)軸承，可能會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)軸頸磨損部位的缺陷，造成電機(jī)軸頸處潤(rùn)滑不良、發(fā)熱和電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)，無(wú)法恢復(fù)電機(jī)的性能。
2008年6月12日5：10分，中海石油湛江分公司W11-4D油田注水泵電機(jī)發(fā)生電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承燒毀故障，整個(gè)注水系統(tǒng)陷入癱瘓。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)緊急拆檢發(fā)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸頸及軸承嚴(yán)重?zé)龤В?qū)動(dòng)端軸頸原始外徑準(zhǔn)90mm，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)最大磨損量達(dá)到0.43mm，同時(shí)軸瓦和油封也都燒毀嚴(yán)重，具體損毀情況見(jiàn)下頁(yè)圖1。
1 電鍍修復(fù)工藝
事故發(fā)生后，油田現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)磨損軸頸表面進(jìn)行清洗、拋光、更換軸承進(jìn)行修復(fù)，但因?yàn)檩S頸磨損超標(biāo)最終沒(méi)有成功。現(xiàn)場(chǎng)搶修失敗后經(jīng)過(guò)研究論證，決定將注水泵和電機(jī)拆回陸上基地進(jìn)行全面解體大修，也希望借此機(jī)會(huì)徹底解決電機(jī)和泵因?yàn)殚L(zhǎng)期單腿運(yùn)轉(zhuǎn)所累積的泵體滲漏、電機(jī)定子內(nèi)部擋風(fēng)板開(kāi)裂和電機(jī)絕緣性能下降等隱患。
常用的電機(jī)軸頸磨損檢修方法包括堆焊法、錫焊法、粘膠修理法和鑲套法。這些方法同電鍍鉻技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，到堆焊法由于熱應(yīng)力易造成軸頸變形、錫焊法不適用于大功率電機(jī)、粘膠法可靠性差，而電鍍硬鉻具有技術(shù)成熟、可靠性高的特點(diǎn)，并且當(dāng)鍍層磨損超過(guò)規(guī)定范圍時(shí)，褪鍍和反復(fù)重鍍也較方便。結(jié)合電機(jī)軸頸受損的具體情況，我們決定采取電鍍硬鉻法對(duì)受損軸頸進(jìn)行修復(fù)。
鍍硬鉻，屬于功能性電鍍工藝，已磨損的或加工超差機(jī)器零件如汽缸、活塞環(huán)、模具、量具和軸桿等，可以通過(guò)電沉積產(chǎn)生超尺寸的鉻層，然后再加工打磨到需要的尺寸修復(fù)。[2]電鍍硬鉻工藝具有四個(gè)性能特點(diǎn)：①耐磨性好。鍍鉻層隨工藝規(guī)范不同，可獲得不同的硬度400～1200HV。[3]②耐腐蝕性較好。鍍硬鉻后會(huì)在鍍鉻層表面形成一層非常薄的氧化層，該層相當(dāng)強(qiáng)韌、難熔并且可以自動(dòng)封閉，從而可以阻止底層金屬的進(jìn)一步氧化。③耐高溫性能良好。研究發(fā)現(xiàn)溫度升到260℃鍍鉻層仍保持光亮，繼續(xù)在空氣中升溫到315℃，氧化膜增厚且變暗。更高溫度下則會(huì)產(chǎn)生回火色，且最終形成黑色或墨綠色氧化層。溫度達(dá)到1000℃以上時(shí)，表面形成氧化層，且在氧化層與未受化學(xué)影響的鍍層之間形成相當(dāng)硬的氮化鉻層。[4]④鍍鉻層強(qiáng)度隨厚度增加而降低，鍍鉻層與基體結(jié)合強(qiáng)度高于自身晶體間結(jié)合強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度隨鍍層厚度增加而下降，因此鍍鉻層厚度一般應(yīng)≤0.3mm。通過(guò)抗剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通常鋼件上鍍硬鉻工藝可獲得40-45Kg/mm2的結(jié)合力。
電鍍硬鉻工藝的制定必須結(jié)合工件形狀、鍍層厚度、硬度、鍍液溫度、電流密度等具體要求才能達(dá)到產(chǎn)品預(yù)期的質(zhì)量要求。在整個(gè)工藝過(guò)程中，如何控制好電流效率、鍍層覆蓋及分散能力、均鍍能力、深鍍能力，保證鍍層與基體材料結(jié)合的強(qiáng)度，達(dá)到預(yù)期的表面硬度和光潔度是整個(gè)工藝的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)所在。由實(shí)驗(yàn)得知，就耐磨性而言，在電流密度為40A/dm2和溫度為50℃時(shí)，獲得的的鍍層耐磨性最高，當(dāng)電流密度超過(guò)最高值時(shí)鍍層的耐磨性反而下降。其原因是由于氫對(duì)鍍鉻層的影響，使鍍鉻層的脆性增大，同時(shí)隨著溫度的增加，相當(dāng)于獲得具有較高耐磨性鍍層的電流密度范圍急劇變小。就硬度而言，隨著溫度和電流密度的變化，鍍鉻層的硬度也在劇烈變化。在溫度低于55℃時(shí)，增高電流密度，鍍鉻層硬度便會(huì)降低；而在溫度高于55℃時(shí)，電流密度增高會(huì)使鍍鉻層硬度增高；在溫度為55℃時(shí)，鍍鉻層的硬度不隨電流密度變化；當(dāng)溫度為50℃時(shí)，在任何電流密度下都能得到最高硬度。在此范圍內(nèi)鍍鉻層所含非金屬夾雜物（氧化鉻）增多。這些非金屬夾雜物本身就是硬磨料，因而增加了鍍層硬度。
2 電機(jī)軸頸鍍鉻修復(fù)工藝方案的確定
根據(jù)軸頸尺寸和磨損量，最終確定修復(fù)工藝。鍍鉻工藝流程如圖2，鍍液工藝規(guī)范見(jiàn)表1。軸戲曲鍍前機(jī)加工尺寸見(jiàn)圖3。
3 鍍鉻修復(fù)后實(shí)際使用效果
2008年8月9日17：00修復(fù)后的電機(jī)和泵完成了現(xiàn)場(chǎng)回裝和對(duì)中，并開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)測(cè)量機(jī)組的軸承溫度、運(yùn)轉(zhuǎn)電流、振動(dòng)值等關(guān)鍵參數(shù)都到達(dá)要求。但經(jīng)過(guò)27天平穩(wěn)運(yùn)行后，在9月6日電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承又出現(xiàn)一次異常高溫。再次停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)，由于甩油環(huán)工作不正常導(dǎo)致軸承潤(rùn)滑不良造成。拆檢驅(qū)動(dòng)端軸承發(fā)現(xiàn)軸承內(nèi)表面有磨損現(xiàn)象，最深磨損量達(dá)到0.20mm。但是檢查同時(shí)發(fā)現(xiàn)軸承接觸部位的電機(jī)軸頸面完好無(wú)損，見(jiàn)圖4。這次突發(fā)事故再次用事實(shí)證明了軸頸鍍層的硬度、光潔度和耐高溫性能均達(dá)到使用要求。后經(jīng)過(guò)對(duì)甩油環(huán)重新加工，于9月20日重新開(kāi)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，截止目前機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)一直非常平穩(wěn)，各項(xiàng)參數(shù)都達(dá)到和超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。
利用電鍍硬鉻法在最短時(shí)間內(nèi)修復(fù)注水泵電機(jī)，恢復(fù)整個(gè)油田的注水系統(tǒng)，對(duì)W11-4D油田具有非常重要的意義。因?yàn)?SPAN lang=EN-US>W11-4D油田的主發(fā)電機(jī)是2臺(tái)美國(guó)FM公司的雙燃料發(fā)電機(jī)，功率2370kW,電壓等級(jí)4160V。該機(jī)組燃?xì)饽Ｊ降淖畹凸β室笫菐лd50%以上,低于此負(fù)載主機(jī)只能在柴油模式下運(yùn)轉(zhuǎn)。油田注水系統(tǒng)癱瘓時(shí)，機(jī)組帶載只有30%左右，每天要消耗柴油4.5m3。如果要更換新電機(jī)，最短的采辦周期也要6個(gè)月。而采用電鍍鉻進(jìn)行修復(fù)包括現(xiàn)場(chǎng)拆除、海上運(yùn)輸、電機(jī)/泵解體大修和回裝調(diào)試總共只用了47天，同采用更換新電機(jī)維修方案相比較，時(shí)間上縮短了近120多天。通過(guò)減少柴油消耗創(chuàng)造的直接經(jīng)濟(jì)效益約275萬(wàn)元（120×4.5×0.85×6000=275萬(wàn)元，柴油密度0.85，按每噸6000元計(jì)算）。如果將節(jié)約的新電機(jī)購(gòu)置費(fèi)用約160萬(wàn)元計(jì)算在內(nèi)，此次維修帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)效益約435萬(wàn)元。而且如果主機(jī)在近半年的時(shí)間內(nèi)持續(xù)低負(fù)載燒油，極易造成噴嘴積碳和機(jī)組振動(dòng)值高導(dǎo)致停機(jī)，大大增加主機(jī)的日常維護(hù)工作量。同時(shí)主機(jī)持續(xù)燒油又會(huì)大幅增加柴油濾器等配件的消耗，這些都會(huì)增加主機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本。
4 結(jié)論
（1）夾具的設(shè)計(jì)對(duì)鍍鉻工藝十分關(guān)鍵，它是獲得厚度均勻鍍層的保證，對(duì)夾具的要求如下：
①夾具要適合零件的形狀和大小。
②夾具的材料在鍍鉻溶液中應(yīng)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不產(chǎn)生溶解和其他化學(xué)作用。
③掛具的導(dǎo)電部分應(yīng)具有足夠的截面積，以便于大電流順利通過(guò)且不發(fā)熱，保證鍍層質(zhì)量。
④夾具結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)采用焊接形式，以利于電流通過(guò)。夾具的非工作部分應(yīng)絕緣，以減少電流損耗。
（2）由于鍍硬鉻需要電鍍時(shí)間較長(zhǎng)，而鍍硬鉻的電流效率又低，為保證鍍層均勻，盡量避免和減少鍍件在電鍍中產(chǎn)生橢圓度和錐度，因此正確使用陽(yáng)極十分重要。一般情況下，陰、陽(yáng)極面積比為1：1.5~1：2。
（3）要獲得良好的耐磨鉻鍍層需要嚴(yán)格控制零件本身應(yīng)有良好的表面光亮度，鍍前必須經(jīng)過(guò)精磨、研磨，使表面粗糙度達(dá)到Ra0.20um以下。大型零件電鍍前必須在鍍槽中預(yù)熱。否則，由于零件基體金屬和鉻的膨脹系數(shù)差別很大，加之鍍硬鉻層的內(nèi)應(yīng)力大，鍍層硬度高，會(huì)產(chǎn)生剝皮現(xiàn)象。
（4）此次電機(jī)軸的成功修復(fù)，充分證明目前國(guó)內(nèi)電鍍硬鉻技術(shù)已完全可以進(jìn)行大功率、高壓、高轉(zhuǎn)速電機(jī)軸修復(fù)，避免了因?yàn)檩S頸磨損導(dǎo)致更換整個(gè)轉(zhuǎn)子或電機(jī)帶來(lái)的高昂成本。在實(shí)際應(yīng)用中，高壓大功率電機(jī)因?yàn)殚L(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)，在壽命中后期出現(xiàn)軸頸磨損的現(xiàn)象比較普遍，因此電鍍鉻技術(shù)的推廣應(yīng)用，必定會(huì)帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和資源節(jié)約。
參考資料：
[1]盛占石、尤德同主編，譚延良主審：《電動(dòng)機(jī)檢修》[M]；化學(xué)工業(yè)出版社，2008：89。
[2]張振華主編：《電鍍工》[M]；化學(xué)工業(yè)出版社，2007：207。
[3]方景禮著：《電鍍配合物（理論與應(yīng)用）》[M]；化學(xué)工業(yè)出版社，2008：514。
[4]（加）施萊辛格schlesinger.m、（美）龐諾威奇paunovic.m主編，范宏義等譯：
