캡슐화된 스테이터 조립체 및 그것을 제조하기 위한 방법 document_id A220623023394

터보팽창기는 공급 가스 스트림의 압력을 감소시키는 장치이다. 그러한 작동에 있어서, 압력 감소 동안 유용한 일이 추출될 수 있다. 더욱이, 유출 스트림이 또한 터보팽창기로부터 생성될 수 있다. 이어서 이 유출 스트림은 분리기 또는 증류관(distillation column)을 통과하여 유출물은 중액 스트림(heavy liquid stream)으로 분류될 것이다. 터보팽창기는, 상대적으로 고가이고 전형적으로 반경방향 입구 및 축방향 출구를 갖는 하우징 내에 장착된 반경방향 유입 터빈 로터(radial inflow turbine rotor)를 포함하는 회전 설비를 이용한다. 터빈 로터는 로터에 고정된 샤프트를 통해 베어링 내에 회전가능하게 장착된다. 그러한 터보팽창기는 공기 분리, 천연가스 처리 및 이송, 팽창 공정으로부터 압력 감소 에너지의 회복, 관련 처리의 폐열로부터 열에너지 회복 등과 같은 것을 위해 아주 다양한 상이한 가스 스트림과 함께 사용될 수 있다. 일을 유도하거나 단순히 터보팽창기로부터 에너지를 방산하기 위한 수단으로서 압축기가 터보팽창기와 결합될 수 있다. 상술된 터보팽창기 또는 압축기와 같은 터보기계류에 있어서 로터 샤프트를 지지하기 위해 사용될 수 있는 3가지 주요 타입의 베어링이 존재한다. 다양한 타입의 베어링은 자기 베어링, 롤러-요소 베어링 및 유체-필름 베어링을 포함한다. 자기 베어링은 전자기력을 사용하여 움직이는 샤프트를 위치결정 및 지지한다. 샤프트는 돌거나(회전하거나) 또는 왕복운동(선형 병진)할 수 있다. 대조적으로, 유체-필름 및 롤러-요소 베어링은 로터 샤프트와 직접적으로 접촉하고, 전형적으로 오일과 같은 유체계 윤활제를 필요로 한다. 자기 베어링은 유체 필름 베어링 및 롤러-요소 베어링에 비해 우수한 성능을 제공한다. 자기 베어링은 대체로 보다 낮은 저항 손실, 보다 높은 강성과 댐핑 특성 및 적당한 부하 용량을 갖는다. 추가하여, 다른 타입의 베어링과 달리, 자기 베어링은 윤활을 필요로 하지 않고, 따라서 복잡성을 추가하고 프로세스 오염의 위험을 포함하는 오일, 밸브, 펌프, 필터, 냉각기 등을 제거한다. 로터 및 스테이터 조립체용의 전형적인 자기 베어링 장치에 있어서, 복수의 전자기 코일을 포함하는 스테이터는 강자성 재료로 형성된 로터 샤프트를 둘러싼다. 로터를 반경방향으로 둘러싸기 때문에 자기 레이디얼 베어링(radial bearing)으로서 언급되는 전자기 코일 각각은 로터 샤프트를 끌어 당기는 경향이 있는 자계를 생성한다. 로터 샤프트 조립체는 로터 샤프트 둘레의 적당한 위치에서 스테이터 내측에서 이들 능동 자기 레이디얼 베어링에 의해 지지된다. 특정 자석의 코일 내의 전류의 양을 변화시킴으로써, 로터가 자석 사이에 중심설정되어 유지되도록 인력이 제어될 수 있다. 스테이터 내의 센서는 로터를 둘러싸고 중심설정된 위치로부터의 로터의 편차를 측정한다. 디지털 프로세서는 센서로부터의 신호를 사용하여 자석 사이에 로터를 중심설정하기 위해 자석 내의 전류를 어떻게 조정할 것인가를 결정한다. 샤프트 위치 검출, 데이터 처리, 코일 내의 전류 조정의 사이클은 초당 25,000번까지의 속도로 행해질 수 있다. 로터는 자석과의 접촉 없이 공간에 "떠있기" 때문에, 어떠한 종류의 윤활도 필요하지 않다. 자기 베어링이 여기되지 않을 때 샤프트를 지지하기 위해 시일(seal) 뿐만 아니라 마찰-방지 베어링이 로터 샤프트의 각 단부에 설치될 수 있다. 이것은 로터 샤프트와 스테이터의 레이디얼 자기 베어링 사이의 임의의 접촉을 피한다. 이들 보조 또는 "백업" 베어링은 대체로 건조하고, 윤활되며 정상 작동 동안 하중을 받지 않은 상태로 유지된다. 오일 및 가스 산업에 있어서, 로터 및 스테이터 조립체는 냉각제로서 또한 작용할 수 있는 프로세스 가스 내에서 작동할 수 있다. 프로세스 가스는 전형적으로 약 10바아 내지 약 200바아 압력의 천연 가스이다. 불행하게도, 천연 가스는 높은 정도의 오염물질을 가질 수 있다. 이들 오염물질은 황화 수소(H2S), 물, CO2, 오일 및 다른 것들과 같은 부식제를 포함할 수 있다. 최악의 경우에, 물과 H2S의 조합은 보다 부식성이 강한 가스인 액체 사워 가스(wet sour gas)로 불리는 것으로 이어진다. 자기 베어링은 베어링 구성요소에 있어서의 수용가능한 온도를 유지하기 위해 전형적으로 냉각을 필요로 한다. 냉각제로서 직접적으로 프로세스 가스를 사용하는 것은 시일없는 시스템(seal-less system)을 가능하게 하는 데에 있어서 상당한 장점을 제공하고, 이것은 버퍼 가스(상류측 오일 및 가스 적용에서 대체로 이용가능하지 않음)에 대한 필요성을 제거하고 설치된 터보-기계류의 안전 및 작동성을 향상시킨다. 하지만, 상기 오염물질을 함유하는 처리 가스 환경에서의 자기 베어링 조립체의 냉각 및 따라서 그것의 사용은 자기 베어링의 취약한 구성요소에 상당한 위험을 나타낸다. 미국 부식 공업회(National Association of Corrosion Engineers)(NACE) 표준 MR0175, "오일 분야 설비를 위한 황화 응력 부식 크래킹 저항성 금속 재료"는 사워 가스 환경에서 사용되는 기계류의 양호한 유효 수명을 제공하기 위해 필요한 적합한 재료, 열 처리 상태 및 경도 수준을 상세하게 설명하는 오일 및 가스 산업에 있어서 광범위하게 사용되는 표준이다. NACE에 부합하는 재료 또는 구성요소는 NACE에 부합하지 않는 재료가 사워 가스 및/또는 액체 사워 가스에 노출될 때 발생할 수 있는 것과 같은 부식에 상당히 저항적이다. 예를 들어, NACE에 부합하는 용접은 대체로 보통 부식에 대한 민감성에 공헌을 하는 임의의 용접 응력을 제거하기 위해 용접후 열처리 공정을 필요로 한다. 현재, 오일 및 가스 산업에 사용되는 것으로서 NACE에 완전히 부합하는 자기 베어링 시스템은 없다. 로터 샤프트 조립체가 작동 동안 사워 가스 환경에 노출될 수 있는 몇몇 구성요소를 포함하기 때문에 NACE에 부합하는 것이 바람직하다. 다른 것들 중에서 이들은 로터 샤프트 자체, 로터 샤프트 둘레의 자기 로터 적층체 및 로터-랜딩 슬리브(rotor-landing sleeve)를 포함한다. 부식제에 대한 민감도의 예로서, 만약 로터 적층체가 액체 사워 가스에 노출되면, 전형적으로 수소 취약화 및 응력-관련 부식 크래킹으로 인해 고장나는 것이 발견되었다. 응력 관련 부식 크래킹은 전형적으로 자기 로터 적층체가 로터 샤프트 상으로 수축-끼워맞춤되는 펀칭(punching)으로서 제조되기 때문에 문제이다. 작동 속도에서 동작 동안, 이들 구성요소는 수축-끼워맞춤 응력 및 그것들 상에 전해지는 반경방향 힘으로 인해 상대적으로 높은 기계적 응력을 받는다. 로터 및 샤프트 조립체에 사용되는 현재의 자기 베어링 시스템의 다른 결점은 로터 샤프트 및/또는 로터 적층체의 구성에 전형적으로 사용되는 스틸 합금(steel alloy)과 관련된다. 사워 가스에 가장 저항적인 스틸 합성물의 선택은 대체로 열등한 자기 특성을 갖는다. 이 때문에, 로터 샤프트 상에 있어서의 높은 전자기 손실은 1.00 W/cm2(6.45 W/in2)을 초과하는 열 부하로 귀착된다. 열 부하로부터의 높은 온도에의 노출은 사워 가스 부식에 대한 스틸의 저항을 낮출 수 있다. 열 부하를 최소화하기 위해 구성요소의 크기를 증가시키는 것은 비용 및 보다 큰 구성요소와 관련된 풋프린트(footprint) 면에서 실용적이지 않다. 로터 샤프트 및 적층체에 추가하여, 로터 샤프트 조립체는 전형적으로 로터 샤프트의 각 단부 상으로 수축-끼워맞춤된 로터 랜딩 슬리브를 포함한다. 이 랜딩 슬리브는 로터의 랜딩의 경우에 롤러-요소 백업 베어링의 내륜과 맞물리고, 그 동안에 자기 베어링은 작동하지 않으며 백업 베어링은 후속하는 중단 절차 동안 로터를 지지한다. 현재, 로터 랜딩 슬리브는 NACE에 부합하지 않는 재료로 형성되고, 따라서 사워 가스 환경에서 부식하기 쉽다. 자기 베어링 스테이터는 로터 조립체를 공중 부양시키기 위한 자계의 공급원(source)을 제공하는 고정 구성요소이다. 공기 갭(gap)은 로터 샤프트로부터 스테이터를 분리한다. 자계 강도 및 공중 부양력을 최대화하기 위해, 이 공기 갭은 로터 샤프트와 스테이터 사이의 기계적 간극 요건을 만족시키면서 가능한 한 작게 만들어진다. 갭 사이즈는 전형적으로 밀리미터 분수의 차수이다. 만약 갭이 증가되면, 스테이터 내의 코일은 로터를 공중 부양시키기 위해 더 많은 전류를 필요로 하거나, 또는 스테이터의 직경 또는 축방향 길이는 증가되어야 하며, 이 모든 것들은 전체 스테이터 크기를 증가시킨다. 만약 스테이터 크기가 제한되어 증가될 수 없는 경우, 공기 갭이 기계적 간극에 의해 요구되는 것보다 크다면 공중 부양력은 감소된다. 현재의 스테이터는 캡슐화되거나 또는 비캡슐화된다. 캡슐화된 스테이터의 경우에, 스테이터는 프로세스 환경으로부터 스테이터 구성요소를 "보호할 수 있다". 현재의 스테이터는 대체로 단부에서 접합된 동일 재료의 2개의 동심 튜브로 구성된다. 이 관형 캔 섹션(can section)은 스테이터와 로터 샤프트 사이의 갭 내에 위치될 수 있다. 만약 캔 재료가 비자성이면, 필요한 기계적 간극의 상부 상에 부가적인 자기 갭을 추가하고, 이것은 베어링 용량을 감소시킨다. 베어링 용량을 유지하기 위해, 관형 캔 섹션의 재료는 자성이도록 선택될 수 있다. 현재의 실시에 있어서, 스테이터 캔 섹션은 자성의 NACE에 부합하는 합금[전형적인 예는 17-4 석출 경화(precipitation hardened)(PH) 스테인리스 스틸과 같이 15-18wt% 크롬, 3-5w% 니켈 및 3-5w% 구리 함유량을 갖는 크롬-니켈 함급이다]으로부터 조립되어 함께 용접된다. 용접은 보통 NACE에 완전히 부합하기 위해 600℃를 초과하는 온도에서 용접후 열처리를 필요로 한다. 하지만, 캡슐화된 전기 스테이터 구성요소 및 현재의 제조 방법의 온도 한계로 인해, 열처리는 불가능하다. 따라서, 용접은 현재의 NACE에 부합하지 않고, 사워 가스에의 노출 등으로부터 부식 및 고장하기 쉽다. 더욱이, 전력 및 계기 와이어 뿐만 아니라 센서와 같은 스테이터의 몇몇 구성요소는 캡슐화될 수 없어 프로세스 가스 환경에 노출된다. 이제 종래 기술 도 1을 참조하면, 로터 샤프트를 지지하는 다수의 자기 베어링을 갖는 로터 및 스테이터 조립체를 포함하는, 대체로 참조번호(10)로 지시되는 예시적인 터보 팽창기-압축기 시스템이 도시된다. 시스템(10)은 로터 샤프트(20)를 지지하는 다수의 자기 베어링(18)을 둘러싸는 하우징(16)의 대향 단부에 터보 팽창기(12) 및 압축기(14)를 포함한다. 각각의 자기 베어링(18)은 로터 샤프트(20) 둘레에 배치된 스테이터(22)를 포함한다. 스테이터(22)는 자계를 제공하도록 배치된 스테이터 자극, 스테이터 적층체, 스테이터 권선(도시되지 않음)을 포함한다. 로터 샤프트(20) 상에 로터 적층체(24)가 고정되고, 각 로터 적층체는 각 스테이터(22)와 정렬되고 자기적으로 연통하도록 배치된다. 적당하게 여기되면, 스테이터(22)는 로터 샤프트(20)의 공중 부양 및 반경방향 배치를 제공하도록 로터 적층체(24)를 끌어당기기에 효과적이다. 예시된 시스템(10)은 자성 로터 스러스트 디스크(magnetic rotor thrust disk)(30)에 대해서 작용함으로써 축방향으로 로터 샤프트(20)를 정렬하기 위해 추가의 축방향 자기 베어링(26, 28)을 더 포함한다. 롤러-요소 백업 베어링(32)은 로터 샤프트의 각 단부 근처에 배치되고, 자기 베어링이 작동하지 않거나 또는 시스템(10)이 오프 상태(off state)일 때 로터 샤프트(16) 상에 배치된 로터 랜딩 슬리브(34)와 결합하도록 위치된다. 시스템(10)이 축방향 또는 스러스트 하중을 수용하도록 구성되면, 슬리브(34)의 폭은 임의의 축방향 이동을 수용하도록 증가된다. 백업 베어링(32)은 전형적으로 롤러-요소 베어링으로 제조된다. 그러한 베어링에 있어서, 내륜 및 외륜은 낮은 마모 및 긴 베어링 수명을 달성하기 위해 높은 경도[전형적으로 HRC 40(로크웰 C-스케일 경도)을 초과]의 스틸 합금을 필요로 한다. 하지만, 스틸 합금에 있어서, 높은 경도 및 부식 저항의 특성은 모순된 요건이다. 결과적으로, 현재의 내륜 및 외륜은 NACE 부식 요건을 만족하지 않는 고경도 스틸 합금으로 제조된다. 시스템(10)은 제어기 유닛(도시되지 않음)과 전기적으로 연통하는 전력 및 계기 와이어(38) 뿐만 아니라 참조번호(36)로 표시된 복수의 센서를 더 포함한다. 센서(36)는 전형적으로 로터 샤프트(20) 상에 있어서의 축방향 및 반경방향 불연속을 감지하기 위해 채용되어, 샤프트를 따른 반경방향 및 축방향 변위는 로터 샤프트(20) 상에 바람직한 자성 공중 부양력을 생성하도록 제어기 유닛을 통해 감시될 수 있다. 종래 기술 도 2는 예시적인 로터 및 스테이터 조립체(50)의 부분 횡단면도를 예시한다. 로터 및 스테이터 조립체(50)는 로터 샤프트(56)에 부착된 로터 적층체(54)를 포함하는 로터 샤프트 조립체(52)를 포함한다. 캡슐화된 스테이터 조립체(60)는 로터 샤프트 조립체(50)를 둘러싸고, 스테이터 프레임(62), 전도성 권선(66)에 싸여진 자성 스테이터 적층체(62) 및 스테이터 슬리브(68)를 포함한다. 스테이터 슬리브(68)는 대체로 0.05 내지 5.0밀리미터(mm) 범위의 두께를 갖는다. 캡슐화된 스테이터 조립체(60)는 대체로 약 1센티미터 두께인 벽(70)과 스테이터 슬리브(68)에 의해 형성된 기밀하게 밀봉된 캔을 포함한다. 캔은 여러 인터페이스(72)에서 용접된 다수의 섹션으로부터 형성된다. 이들 용접은 NACE에 부합하지 않는다. 도시되지 않은 다른 스테이터 구성요소는 스테이터 슬롯, 자극, 센서와 전력 및 계기 와이어이다. 공기 갭(80)은 스테이터 조립체(60)로부터 로터 샤프트 조립체(52)를 분리한다. 작동시, 로터 샤프트(56)는 스테이터 조립체(60)에 의해 생성된 자계에서 공중 부양한다.