海水设备选材与防腐小结

1、海水设备选材与防腐小结天津科技大学 陈文放众所周知，我们所生活的地球，大部分被海洋所覆盖（约占地球表面积的71%）。而我国又是海洋大国，拥有长达18000公里的漫长海岸线和320平方公里的广阔领海，随着我国国民经济和科技水平的发展，开发海洋和利用海洋资源的需求日益迫切。与此同时，海洋环境又十分复杂，开发利用难度很大，海水作为自然界含量最多且腐蚀性很强的天然电解质，对大部分陆地用材料都会产生很强的腐蚀作用。因此，海水用设备的选材与防腐问题在整个海洋工程中具有举足轻重的地位。1、腐蚀种类（1）电化学腐蚀不纯的金属跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化

2、学腐蚀。电化学腐蚀包括两大类：析氢腐蚀：负极： ； 正极： 电池反应 ：吸氧腐蚀：负极： 正极： 电池反应：析氢腐蚀和吸氧腐蚀所生成的被氧所氧化，生成，脱水生成（铁锈的主要成分）。析氢腐蚀主要发生在强酸性环境中，而吸氧腐蚀发生在弱酸性或中性环境中。（2）微生物腐蚀微生物腐蚀是指由微生物引起的腐蚀或受微生物影响所引起的腐蚀。微生物腐蚀也是一种电化学腐蚀，所不同的是介质中因腐蚀微生物的繁衍和新陈代谢而改变了与之相接触界面的某些理化性质。微生物细胞新陈代谢的中间产物和（或）最终产物的分泌物以及外酵素都能够引发材料失效。习惯上将细菌腐蚀分为厌氧腐蚀和好氧腐 蚀两种，实际上在生物膜与细菌群体之中，多种菌

3、类是共处在一起的，在发生厌氧腐蚀的同时也在发生好氧腐蚀。参与腐蚀的菌主要有以下几类：硫酸盐还原菌、硫氧化 菌、腐生菌、铁细菌和真菌。微生物腐蚀过程被公认为由以下现象组成：腐蚀，微生物污泥团，以及在厌氧系统中观察到硫化氢、氢氧化铁或氢氧化亚铁。这个过程与产能、化学过程、石油和船舶工业以及军事有关相当重要的关系。微生物腐蚀导致的经济损失是巨大的。据统计，微生物腐蚀在金属和建筑材料的腐蚀破坏中占20%，油井中75%以上的腐蚀以及埋地管道和线缆中50%的故障来自微生物的腐蚀(主要是硫酸盐还原过程)。近几十年对材料微生物腐蚀的大量研究表明，几乎所有常用材料都会产生由微生物引起的腐蚀。因此对这几类微生物的

4、腐蚀机理、特性以及对微生物腐蚀的防治的研究非常重要。（3）大气腐蚀大气腐蚀主要指海水中的溶解氧（海水中溶解氧气情况如表1-1所示），对金属材料的腐蚀和对处于海水-空气交界面材料的腐蚀。氧是在金属电化学腐蚀过程中阴极反应的去极化剂，对碳钢、低合金钢等在海水中不发生钝化的金属，海水中含氧量增加，会加速阴极去极化过程，使金属腐蚀速度增加；对那些依赖表面钝化膜提高耐蚀性的金属（如铝和不锈钢等），含氧量增加有利于钝化膜的形成和修补，使钝化膜的稳定性提高，点蚀和缝隙腐蚀的倾向性减小。海水中的溶解氧在中性和弱酸性的环境中，与水分子反应生成，直接参与导致金属腐蚀的吸氧腐蚀。而处于海水-空气交界面的金属材料，由

5、于海洋大气湿度很大，水蒸气在毛细管作用、吸附作用、化学凝结作用的影响下，附着在钢材表面上形成一层肉眼看不见的水膜，、和一些盐分溶解在水膜中，使之成为导电性很强的电解质溶液。由于钢材的主体元素铁和微量元素碳等元素的标准电极电位不同，当它们同时处于电解质溶液中时，就形成了很多原电池，铁作为阳极在电解质溶液(水膜)中被氧化而失去电子，变成铁锈。 表1-1 海水中氧气的饱和溶解量1（单位：）Table 1-1 Saturated solubility of oxygen in seawater (unit: )注：常用的标准海水总含盐量为35 000 mg/kg或35 000 mg/L（35 g/L）

6、，相应的氯度为19.313 g/kg（4）氯离子腐蚀海水中含有大量氯离子，它能阻碍和破坏金属的钝化。氯离子的破坏作用主要表现在以下四个方面：破坏氧化膜、吸附作用、电场效应和形成络合物。海水中含有的氯离子, 具有很强的腐蚀性, 其对不锈钢换热器造成的腐蚀种类主要有两种: 应力腐蚀，是由于海水中氯离子使海洋平台用金属换热器(不锈钢)表面的钝化膜受到破坏，在拉伸应力的作用下，钝化膜被破坏的区域就会产生裂纹，成为腐蚀电池的阳极区，连续不断的电化学腐蚀最终可能导致金属的断裂。这种腐蚀与氯离子的浓度关系不大，即使是微量的氯离子，也可能产生应力腐蚀。点蚀，是由于海水中氯离子容易吸附在换热器钝化膜上，把氧原子

7、挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合形成可溶性氯化物，结果在换热器露出来的金属面上腐蚀了一个小坑，这些小坑被称为点蚀核2。这些氯化物容易水解，使小坑内溶液pH 值下降，使溶液呈酸性，溶解了一部分氧化膜，造成多余的金属离子，为了平衡腐蚀坑内的电中性，外部的氯离子不断向孔内迁移，使孔内金属又进一步水解。如此循环，奥氏体不锈钢不断的腐蚀，并越来越快，且向孔的深度方向发展，直至形成穿孔，造成点蚀(孔蚀)。2、腐蚀机理（1）异种金属接触腐蚀所谓异种金属接触腐蚀，是指不同材料的电位不同，材料在溶液中因导通所发生的微型电池腐蚀。不同的金属材料置于海水中时，会表现出其自身所特定的电位，把电位不同的金属材料接触在一

8、起使用时，通过电解质溶液（海水）会形成微型电池的现象。这样，电位低的材料就变成了阳极，加快了腐蚀。电位高的材料成为阴极，抑制腐蚀的发生，这一现象就是异种金属接触腐蚀。为了防止异种金属接触腐蚀现象的发生，可用如下方法：阴极防腐法就是将高电位的材料作阴极，从而抑制腐蚀；避免不同种类的金属接触在一起混合使用，在不得已混用在一起时，要用绝缘板和绝缘螺栓，使两者之间处于绝缘状态；要考虑阳极和阴极的面积比尽可能小；此外，喷漆时也不光要是喷涂阳极金属，阴极金属也要进行喷涂。（2）缝隙腐蚀许多金属构件是由螺钉、铆、焊等方式连接的，在这些连接件或焊接接头缺陷处可能出现狭窄的缝隙，其缝宽（一般在0.025-0.1

9、mm）足以使电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈的腐蚀，如图2-1所示，这种局部腐蚀称为缝隙腐蚀。为了防止缝隙腐蚀，可以使用间隙填充剂，防止海水侵入间隙内。同时也可以在间隙部位事先采用高级材料堆焊的方法来防止缝隙腐蚀。此外,阴极防腐蚀法也可以有效防止缝隙腐蚀现象的发生。图2-1 钢板间发生的缝隙腐蚀及其原理图Fig.2-1 Crevice corrosion between steels and its schematic diagram（3）应力裂痕腐蚀不锈钢的应力腐蚀裂痕是因为氯离子破坏静态膜产生的。在50以下不会发生应力腐蚀，所以一般海水用设备不需专门考

10、虑应力腐蚀。应力腐蚀的发生需要应力和腐蚀环境两方面，为了防止应力腐蚀首先需要降低应力（外部应力和残留应力）。应力腐蚀裂痕加深的主要原因是端部的阳极反应，采用阴极防蚀法来防止应力腐蚀3。3、海水用设备选材（1）钛及钛合金钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪5060年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展。表3-1 中国大陆地区钛

11、合金产品价格（2012年9月份）Table 3-1 The price of Titanium alloy product in China mainland (September 2012)钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于 HYPERLINK /view/24779.htm t _blank 不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、 HYPERLINK /view/1730.htm t _blank 硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。可以说，钛及钛合金优秀的防腐性能、力学性能和热学性能，非常适合被应用于

12、海洋环境中。然而，钛合金较高的成本（见表3-1），使一些中小型项目望而却步。（2）海军铜一种锌锡铜的合金，通常含有70%Cu、29%Zn、1%Sn，此种合金在海水中具有较好的耐腐蚀性。海军铜牌号一般为H62、H65、H70-1、H70Sn-1。其防蚀原理是牺牲阴极的阳极保护，就是说，在海水中，较为活泼的锌或锡先于铜失去电子，从而缓慢溶解于海水中，而铜作为阳极得电子，不溶于海水，从而得到了保护。（3）316L不锈钢316L不锈钢，又称为钛钢、316L精钢、钛材钢，材料牌号：00Cr17Ni14Mo2，是一种耐蚀性和加工性优异的奥氏体不锈钢，在海洋环境使用过程中，发现经钝化处理和表面黑化处理的31

13、6L不锈钢仅出现很缓慢的均匀腐蚀，没有出现点蚀穿孔现象。316L不锈钢被广泛应用于海洋管道，和海水热交换器等设备。316L不锈钢产品外观光泽度好，光洁美观；同时由于添加了Mo（2-3%），提升了产品的耐腐蚀性能，尤其在耐点蚀性能方面表现十分优秀；此外，316L不锈钢的高温强度很高，也具有优秀的加工硬化性（加工后弱磁性），而固溶状态没有磁性；不过相对于常用的304不锈钢，316L不锈钢的价格较高。表3-2 316L不锈钢的物理性能和力学性能4Table 3-2 Physical and mechanical properties of 316L Stainless steel（4）碳化硼陶瓷碳化

14、硼（）陶瓷具有高硬度、低密度、高熔点、低膨胀系数、良好的中子吸收能力等优点，也是化学性能最稳定的化合物之一。现已被国内外广泛用作防弹材料、防辐射材料、耐磨和自润滑材料、特种耐酸碱侵蚀材料、切割研磨工具以及原子反应堆控制和屏蔽材料等。将高性能的陶瓷材料应用于海洋领域需要该陶瓷材料具备良好的耐海水腐蚀性能。表3-3 碳化硼的物理性能和力学性能5Table 3-3 Physical and mechanical properties of 通过机械合金化和热压烧结等工艺，以质量分数为10%的金属间化合物为烧结助剂制备出的材料中包含、石墨、等晶相，其中石墨和为导电相。材料的相关性能见表3-3。（5）特

15、种贝氏体钢海洋工程用结构钢由于受到海水腐蚀和海洋大气腐蚀，钢结构的使用寿命受到极大损害；利用涂层固然能够起到防腐作用，但提高钢结构本身的抗蚀性是延长其使用寿命的根本所在。现有的耐海水腐蚀钢和耐候钢大多碳含量较高，组织为铁素体和珠光体；而超低碳贝氏体钢降低了碳含量，组织为均匀的粒状贝氏体或板条贝氏体，在强度和韧性方面明显优于前者，但在耐海水腐蚀方面需要进一步的改进。（6）铸钢NMZ1新型低碳、高硅海洋用钢NMZ1是随着海洋技术的发展而开发的新材料6，其是以Cr-Si-Mn-Mo系为基础，适当调节碳含量及其它合金元素含量，并加入耐腐蚀元素Al、Nb，以及稀土变质处理而形成Cr-Si-Mn-Mo-A

16、l系无碳化合物贝氏体钢。在应用之前，NMZ1还要经过一系列热处理（1000完全奥氏体化，油淬至350，保温1.5h后空冷至室温）来进一步保证其力学性能，如表3-所示表3-3 NMZ1钢的力学性能Table 3-3 mechanical properties of NMZ1NMZ1钢耐海水腐蚀性能优于常用的Q345钢。在3.5%NaCl中，处于稳态腐蚀的NMZ1钢腐蚀速率为0.1212mm/a，约为Q345的2/3。通过河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心的曹晶晶、马爱斌等人的实验研究发现7：进入海水初期的NMZ1钢腐蚀速率较大，随着浸泡时间的延长，表面形成堆积的腐蚀产物，腐蚀速率降

17、低至稳定值。因合金元素的共同作用，沉积的腐蚀产物具有一定保护性且不易形成蚀孔，NMZ1钢表面呈均匀腐蚀形态。（7）17-4PH（沉淀）钢沉淀硬化（PH）不锈钢是通过热处理析出微细的金属间化合物和某些少量碳化物以产生沉淀硬化，从而获得高强度和一定耐腐蚀性相结合的高强不锈钢。17-4PH是这类钢的典型代表，它利用马氏体相变和沉淀硬化相结合的方式提高其力学性能，热处理工艺简单，且兼有良好的力学性能和耐腐蚀性能。被广泛应用于制造汽轮机叶片等海洋工程领域8。（8）铝合金铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性较好、易加工成型等诸多优点，可制成各种截面的型材、管材、板材等，使其在海洋环境中得到广泛的应用。铝合金

18、在海洋环境中的腐蚀不但与合金自身有关，而且受海水环境因素的影响，甚至海水中的二氧化碳-碳酸盐体系的变化也会影响铝合金的海水腐蚀性能。目前，国内对铝合金在海水中的应用主要集中于表层海水9。铝合金的耐蚀性主要取决于其表面钝化膜的完好程度与破裂后的自修复能力，海水中的氯离子对钝化膜的破坏作用尤为强烈，造成了铝合金在海水中的钝态不稳，产生点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀，因此将铝合金应用于更广泛的海洋领域，还需要进一步研究理论和改善工艺水平。（9）Q345C-NHY3Q345-NHY3耐海水腐蚀钢是我国宝钢集团通过优化成分及采用合理轧制工艺, 开发出的综合性能优异的Cr-Cu-Mo系耐海水腐蚀钢, 并大批量应

19、用于上海洋山深水港码头的建设。通过宝山钢铁有限公司的钱余海等人的实验发现10，Q345C-NHY3+厚浆型环氧防锈漆涂装体系变色及失光为严重等级, 因此其不宜在阳光照射较为强烈的环境条件下应用。Q345C-NHY3+厚浆型环氧防锈漆涂装体系具有良好的耐阴极剥离性能, 因此该涂层体系具有较好的阴极保护适应性, 工程应用中可采用阴极保护进一步提高构件的使用寿命。（10）渗锌碳钢碳钢渗锌后耐蚀性提高，用热扩散的方法在碳钢表面获得的锌铁合金层即为渗锌层，可作为牺牲阳极对碳钢基体进行保护其消耗速率较纯锌低，具有较好的防腐蚀效果，在海水换热器中应用广泛11。碳钢渗锌层的硬度在313.7-347.5 HV之

20、间，厚度在77.1-81.2m，属于第4等级12。渗锌层与碳钢基体结合紧密；随渗锌层厚度增加，Fe含量降低，Zn含量先升高后降低。渗锌碳钢在20、40、60的天然海水中的腐蚀过程主要受阴极氧扩散控制，在60 海水中表面腐蚀产物的形成有利于减缓其均匀腐蚀速率。4、防腐措施（1）合理选材选材防腐是海水用设备防腐设计的首要原则。海水设备为达到抗腐蚀的目的，在设备设计和制造过程中就应该考虑使用耐蚀材料代替普通碳钢。目前高耐蚀材料应用于海水换热器包括不锈钢换热器，钛和钛合金换热器、石墨换热器、玻璃换热器、塑料材质换热器和陶瓷换热器。其它海水设备的选材，也同海水换热器相似，在保证设备功能的前提下，注重材料

21、自身的防腐特性。同时，在合理选材的前提下，可以采用其它手段来强化材料在海水中的防腐效果。（2）表面涂层管道涂层防腐即在金属表面涂敷一层保护膜使金属不与海水直接接触而达到防腐的目的，是海水冷却系统中重要防腐技术之一，主要用于低碳钢和低合金钢设备的防腐。其防腐效果主要取决于涂料的性能，一般管道涂层的涂料应该具备较低的水气渗透率和吸水率，特别应注意防止氯离子穿透，涂料与金属表面有足够高的粘结强度，耐蚀性好，耐磨损性强等。目前国内外普遍使用的海水涂料主要有环氧树脂漆、环氧沥青涂料以及硅酸锌漆等富锌涂料。涂层防腐技术极大降低了海水冷却系统成本。（3）腐蚀环境控制海洋环境十分复杂，不同的理化、热、磁场等环

22、境因素都会对材料的腐蚀起到不同的作用。海水的盐度分布取决于海区的地理、水文、气象等因素。在不同海区、不同纬度、不同海水深度，海水盐度会在一个不大的范围内波动。水中含盐量直接影响到水的电导率和含氧量，随着水中含盐量增加，水的电导率增加而含氧量降低，所以在某一含盐量时将存在一个腐蚀速度的最大值。一般说来，海水的pH值升高，有利于抑制海水对钢的腐蚀。海水的pH值主要影响钙质水垢沉积，从而影响到海水的腐蚀性。pH值升高，容易形成钙沉积层，海水腐蚀性减弱。在施加阴极保护时，这种沉积层对阴极保护是有利的。海水的流速以及波浪都会对腐蚀产生影响。随流速增加，氧扩散加速，阴极过程受氧的扩散控制，腐蚀速度增大；流

23、速的进一步增加，供氧充分，阴极过程受氧的还原控制，腐蚀速度相对稳定；当流速超过某一临界值时，金属表面的腐蚀产物膜被冲刷，腐蚀速度急剧增加。在水轮机叶片、螺旋桨推进器等装置中，由于高速运动，会形成流体空泡，产生高压冲击波，造成空泡腐蚀。控制海水流速，可有效的防止材料的腐蚀。我国有关海水冷却设备防腐要求对管束流速有如表4-1的推荐：表4-1 部分金属材料的海水流速推荐值Table 4-1 The recommended value of seawater flow for some metal海水温度升高，氧的扩散速度加快，这将促进腐蚀过程进行，同时，海水中氧的溶解度降低，促进保护性钙质水垢生成，

24、这又会减缓金属在海水中的腐蚀。温度升高的另一效果是促进海洋生物的繁殖和覆盖导致缺氧，或减轻腐蚀（非钝化金属），或引起点蚀、缝隙腐蚀和局部腐蚀（钝化金属）。（4）电化学保护电化学保护是利用金属电化学腐蚀的原理，将被保护的金属设备进行外加阴极极化以减轻或防止海水对冷却设备及管道的金属表面由于电化学原因引起的均匀和局部腐蚀的防腐技术。在绝大多数情况下，金属在海水中的腐蚀是由于腐蚀电池的作用，阴极保护技术包括外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方法。一般用活泼金属锌作牺牲阳极，对于换热器、金属输水管道可以用牺牲阳极的阴极保护措施加采取外加电流的阴极保护法，对于循环水泵可以采用外加电流的阴极保护措施1

25、3。阴极保护技术不仅可以防止海水泵、换热器、海水管线等的均匀腐蚀，对防止孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等也是有效的。（5）缓蚀剂化学缓蚀剂法抑制钢铁在自来水或海水中腐蚀不仅有效，而且较为简便。早期采用单一缓蚀物质，缓蚀率太低。现在通常采用复合缓蚀剂，诸如：PC-602 水质稳定剂。它是由多元醇磷酸酯、多元醇聚磷酸酯、聚磷酸盐和正磷酸盐组成的，在自来水介质中，当缓蚀剂浓度为300ppm 时，对A3钢的缓蚀率高达98%。又如：李海明等人的研究报告指出：由葡萄糖酸盐、有机多酸盐、钼酸盐、磷酸盐和锌盐组成的复合缓蚀剂浓度为150ppm 以上时，对海水中碳钢的缓蚀率高达90%。由郭良生等人开发的FX新型缓蚀剂

26、14是由醇胺磷酸脂、磷酸二氧锌、聚磷酸盐和六次甲基四胺所组成。对抑制钢铁在自来水或海水中腐蚀十分有效，测试数据如表4-2所示。这种缓蚀剂不仅高效，而且所需要剂量小，成本低。表4-2 FX缓蚀剂浓度对海水中A3钢腐蚀率的影响Table 4-2 The influence of concentration of FX corrosion inhibitor on A3 steels corrosion rate in seawater（6）合理的工艺采用合理的工艺，不仅可以保证设备产品的性能与可靠性，更可以消除材料的应力，减少应力腐蚀的作用。制造重点要注意两个方面：一是产品加工后消除残余应力.为了

27、产品的力学和热学性能，需对一些金属产品外表面进行热处理，热处理过程中产生的加工应力应予以消除，否则过高的残余应力会造成材料腐蚀开裂，或材料保护膜的破裂，引起点蚀；二是材料之间的连接方式。常用有三种：强度胀、强度焊、强度胀+密封焊。不管是哪一种形式，实际应用结果表明都有成功应用的例子，也有发生故障的情况。总结下来，主要还是工艺的完善程度.值得注意的是采用的焊接工艺，会对维修换管带来困难。因此，合理的工艺对产品的性能和防腐至关重要。参考文献1 Dr.rer.nat. H.E.Hmig. Seawater and Seawater DistillationM. Fichtner-Hanbook, 1

28、978.2 安维峥，王维民等. 海洋平台海水换热器腐蚀防护现状与趋势J. 广州化工，2010(38)：23-25.3 张洪兰，樊希春. 海水泵的腐蚀问题与对策J. 农业装备与车辆工程，2009(8)：60-61.4 张绳，张津. 不锈钢波纹管海水腐蚀失效机理对比分析J. 腐蚀与防护，2012，33(2): 106-109.5 李剑，张卫珂. 陶瓷基复合材料的海水腐蚀研究J. 装备环境工程，2009，12(6)：5-8.6 王秋月，马爱斌，等. 低碳高强耐磨铸钢NMZ1的热处理工艺研究J. 金属热处理，2009(34)：70-73.7 曹晶晶，马爱斌，等. 新型低碳高强耐磨铸钢NMZ1在模拟海水

29、中的腐蚀形貌J，腐蚀与防护，2011(32)：6-11.8 赵义，王福. 热处理工艺对17-4PH钢耐海水腐蚀性能的影响J. 中国腐蚀与防护学报，2011(31): 473-477.9 彭文才铝合金在海水中的腐蚀性能研究D. 长沙：湖南大学，201010 钱余海，齐慧滨. Q345-NHY3耐海水腐蚀钢的涂装腐蚀行为J. 世界钢铁, 2009(5): 23-26. 11 李兴华，李国喜，吴勇 钢铁制件热浸镀与渗镀M 北京: 化学工业出版社， 2009: 388-42012 章强，刘贵昌. 渗锌碳钢在天然海水中的腐蚀行为B. 材料保护, 44(5): 66-68.13 陈立勇. 循环冷却海水对碳

30、钢的腐蚀影响与防护措施A. 河北化工，2011(32)：67-70.14 郭良生,吴仲达,郭洵. 抑制钢铁在自来水或海水中腐蚀的新型缓蚀剂J. 厦门科技，2012(1)：52-54.附录资料：不需要的可以自行删除 电机绕组的绕制与嵌线项目二 电机绕组的绕制与嵌线实现目标通过对电机绕组的绕制和嵌线拆除，进一步了解电机的基本结构与原理，掌握绕制嵌线步骤、工艺规范及注意事项，学会正确的使用专业工具。主要内容1.定子绕组展开图的绘制。2.绕组的绕制。3.绕组的嵌放和接线。教学方法1、项目引导法2、启发式教学3、现场教学实施场景实训室、多媒体教室教学工具PPT、三相异步电动机、绕线嵌线工具总学时12应知

31、绕组展开图原理、步骤和方法；嵌线的工艺方法。应会1.绕组的绕制；2.绕组展开图的绘制；3.应用专用工具嵌线。项目评价总结能否正确绘制绕组展开图，能否绕制绕组，能否熟练嵌线项目实施过程设计项目导入从上一节的内容可以看出电机绕组的绕制和嵌线都是按照一定的规律排布和设置的。定子绕组的这种绕制和嵌线方法能够有利于电动机内部产生旋转磁场，提出问题，学生思考：绕组的绕制和嵌放是按照什么规律设置的？我们是否可以重新绕制定子绕组并嵌放到电动机内部呢？从而引入本节内容。项目实施1绕线专用工具介绍（实物展示、PPT演示、视频） (1)绕线机。在工厂中绕制线圈都采用专用的大型绕线机。对于普通小型电机的绕组，可用小型

32、手摇绕线机。 (2)绕线模。绕制线圈必须在绕线模上进行，绕线模一般用质地较硬的木质材料或硬塑料制成，不易破裂和变形。 (3)划线板。由竹子或硬质塑料等制成，如图3-6所示，划线端呈鸭嘴形或匕首形，划线板要光滑，厚薄适中，要求能划入槽内23处。 (4)压线板。一般用黄铜或低碳钢制成，形状如图37所示，当嵌完每槽导线后，就利用压线板将蓬松的导线压实，使竹签能顺利打入槽内。 2定子绕组展开图的绘制(PPT演示、模型展示、挂图) 现以4极24槽单层绕组的三相笼式异步电机为例来说明定子绕组展开图的绘制过程。什么是展开图呢?设想用纸做一个圆筒来表示定子的内圆，用画在圆筒内表面上的相互平行的直线表示定子槽内

33、的线圈边，用数字标明槽的号数，如图38(a)所示。然后，沿1号槽与最末一个槽之问的点划线剪开，如图38(b)所示。展开后就得到如图38(c)所示的平面图，把线圈和它们的连接方法画在这个平面图上，就是展开图。 (1)定子绕组展开图的绘制步骤。 画槽标号。在纸上等距离地把所修电动机的定子槽画成平行线。因电动机定子为24槽，故画24根平行线代表槽数，并标明每个槽的序号，如图3-9(a)所示。 定极距(分极性)。从第一槽的前半槽起，至最末一槽的后半槽画长线，线的长度代表电动机的总电角度。再按电动机的磁极数来等分，每一等份代表一个极距，相当于180。电角度，然后依次标出极性。极性的排列为N、S、N、S，

34、如图3-9(b)所示。 标电流方向。按照同一极性下导线的电流方向相同，不同极性下导线的电流方向相反的原则画出电流方向。在图3-9(b)中设N极下各线圈边的电流方向都向上，则S极下各线圈边的电流方向都向下。分相带。将每一极划分为3等份，即60度相带，在图3-9(b)中每一相占两槽；假如第l槽为u相的首端，则l、2、7、8、13、14、19、20槽均属于u相。V相首端应与u相首端相差120。电角度，即5、6、11、17、18、23、24槽均属V相，其他槽属于w相。最后在每一个三等份(即60度相带)上依次重复地标出相序号u、V、w。 分别连接各相绕组。按照采用的绕组类型及线圈节距，安置和连接每相线圈

35、组。在上图中，先将u相的两个线圈顺着电流方向连接成线圈组，再依照电流方向将U相各线圈连起来组成u相绕组，如图3-9(c)所示。根据三相间隔120电角度的原则，U相、V相和W相绕组的首端应依次各移过l20电角度，即移过一个极距的23；如u相首端是从第一槽开始，那么，v相的首端就从第5槽开始，w相的首端就从第9槽开始，再按上述方法将V相和w相的各线圈组串接起来，组成V相和W相绕组，这样就构成了一个完整的三相定子绕组展开图，如图3-9(d)所示。图中所示为24槽4极的定子绕组展开图，其极距P为： P=Q2P=244=6(槽) 相应的电度角为180O；U、V相问间隔l20电角度；每极下相占60O相带。

36、 用上述方法画出的各相绕组在定子槽中的位置和所占的槽数清晰明了，可以清楚地看出各相绕组的连接方式和端部接线的方法，因此展开图是嵌线的重要依据。掌握上述的基本概述及绘制步骤后，就可以着手画展开图了。画展开图时，最好用3种不同颜色的笔来画，这样就能更清楚、更容易地区别各相绕组定子槽内的分布情况、安置位置以及连接方法。(2)绕组的连接方法。三相24槽4极电机的单链绕组有短节距和全节距之分。图310为单层链式短节距绕组展开图。画图时先将u相绕组画出，U相绕组的有效边分别安置在线槽l6、712、1318、1924之中，然后再将各线圈连接起来，如图311所示。可以设定任意一个线槽为U相的首端。 图310三

37、相24槽4极电动机的单链(短节距)绕组展开图 同理，W相和V相绕组的安置和连接方法与u相是一样的，只不过w和V相绕组的首端相对第一相绕组的首端依次移过l20的电角度，即移过一个极距的23。如果u相绕组的首端U1从第6号线槽引出，移过一个极距的23，也就是4槽(623)。因此，w相绕组的首端W1应从第2号线槽内引出，V相绕组的首端V1应从第l0号线槽内引出。注意w相绕组的各线圈的连接方向应与另外两相绕组相反，这样可使三相绕组的6根首尾端引出线比较集中，便于和电动机接线板连接。 线圈与线圈的连接方法有反串联和顺串联两种。当每相绕组中线圈组的数目等于电动机磁极数时，每相绕组中各线圈之问的连接次序就是

38、首端接首端，尾端接尾端，即反串联；当每相绕组中线圈组的数目等于电动机磁极数的一半时，每相绕组中各线圈之间的连接次序是首端接尾端，即顺串联。这两种方法是绝大多数电动机同一相绕组中各线圈组问的连接规律。 图312为单层链式全节距绕组展开图。图中每两只线圈连绕成一个线圈组，每相共有两个线圈组，正好等于电动机磁极数的一半，因而绕组的连接为顺串联。这个规律对于任何类型的绕组、不同槽数与极数的电动机都是适用的。 图312三相24槽4极电动机的单链绕组(全节距)展开图3绕组的绕制方法（互动方法、学生参与，现场教学） (1)绕线模尺寸的确定。在线圈嵌线过程中，有时线圈嵌不下去，或嵌完后难以整形；线圈端部凸出，

39、盖不上端盖，即便勉强盖上也会使导线与端盖相碰触而发生接地短路故障。这些都是因为绕线模的尺寸不合适造成的。绕线模的尺寸选得太小会造成嵌线困难；太大又会浪费导线，使导线难以整形且绕组电阻和端部漏抗都增大，影响了电动机的电气性能。因此，绕线模尺寸必须合适。 选择绕线模的方法：在拆线时应保留一个完整的旧线圈，作为选用新绕组的尺寸依据。新线圈尺寸可直接从旧线圈上测量得出。然后用一段导线按已决定的节距在定子上先测量一下，试做一个绕线模模型来决定绕线模尺寸。端部不要太长或太短，以方便嵌线为宜。 (2)绕线注意事项。 新绕组所用导线的粗细、绕制匝数以及导线面积，应按原绕组的数据选择。 检查一下导线有无掉漆的地

40、方，如有，需涂绝缘漆，晾干后才可绕线。 绕线前，将绕线模正确地安装在绕线机上，用螺钉拧紧，导线放在绕线架上，将线圈始端留出的线头缠在绕线模的小钉上。 摇动手柄，从左向右开始绕线。在绕线的过程中，导线在绕线模中要排列整齐、均匀、不得交叉或打结，并随时注意导线的质量，如果绝缘有损坏应及时修复。 若在绕线过程中发生断线，可在绕完后再焊接接头，但必须把焊接点留在线圈的端接部分，而不准留在槽内，因为在嵌线时槽内部分的导线要承受机械力，容易被损坏。 将扎线放入绕线模的扎线口中，绕到规定匝数时，将线圈从绕线槽上取下，逐一清数线圈匝数，不够的添上，多余的拆下，再用线绳扎好。然后按规定长度留出接线头，剪断导线，

41、从绕线模上取下即可。 采用连绕的方法可减少绕组间的接头。把几个同样的绕线紧固在绕线机上，绕法同上，绕完一把用线绳扎好一把，直到全部完成。按次序把线圈从绕线模上取下，整齐地放在搁线架上，以免碰破导线绝缘层或把线圈搞脏、搞乱，影响线圈质量。 绕线机长时间使用后，齿轮啮合不好，标度不准，一般不用于连绕；用于单把绕线时也应即时校正，绕后清数，确保匝数的准确性。4嵌线的基本方法（互动方法、学生参与，现场教学） (1)绝缘材料的裁制。为了保证电动机的质量，新绕组的绝缘必须与原绕组的绝缘相同。小型电动机定子绕组的绝缘，一般用两层0.12mm厚的电缆纸，中间隔一层玻璃(丝)漆布或黄蜡绸。绝缘纸外端部最好用双层

42、，以增加强度。槽绝缘的宽度以放到槽口下角为宜，下线时另用引槽纸，如图313所示。 如果是双层绕组，则上下层之间的绝缘一定要垫好，层间绝缘宽度为槽中间宽度的1.7倍，使上下层导线在槽内的有效边严格分开。为了方便，不用引槽纸也可以，只要将绝缘纸每边高出铁心内径2530mm即可，如图314所示。我们用0.2mm厚的绝缘纸（复合纸）长度=槽长+52=90+10=100mm，宽度=槽深22=1522=60mm。 图3-13伸出槽外的绝缘 图3-14绝缘的大小线圈端部的相间绝缘可根据线圈节距的大小来裁制，保持相间绝缘良好。(2)嵌线方法。单链短节距绕组的嵌线的方法(线圈展开图参见图310)。 a先将第一个

43、线圈的一个有效边嵌入槽6中，线圈的另一个有效边暂时还不能嵌入1槽中。因为线圈的另一个有效边要等到线圈十一和十二的一个有效边分别嵌入槽2、槽4中之后，才能嵌到槽l中去。为了防止未嵌入槽内的线圈边和铁心角相磨破坏导线绝缘层，要在导线的下面垫上一块牛皮纸或绝缘纸。嵌线示意图如图3-15所示。 空一槽暂暂时不嵌入槽内 时不嵌线 第l号线槽 第3号线槽 （a） （b） 图315三相24槽4极电动机的单链绕组嵌线程序示意图 b空一个槽(7号槽)暂时不下线，再将第二个线圈的一个有效边嵌入槽8中。同样，线圈二的另一个有效边要等线圈十二的一个有效边嵌入槽4以后才能嵌入槽3中，如图315(a)所示。然后，再空一个

44、槽(9号槽)暂不嵌线，将线圈三的一个有效边嵌入槽l0中。这时，由于第一、二线圈的有效边已嵌入槽6和槽8中去了，所以，第三个线圈的另一个有效边就可以嵌入槽5中。接下来的嵌法和第三个线圈一样，依次类推，直到全部线圈的有效边都嵌入槽中后，才能将开始嵌线的线圈一和线圈二的另一个有效边分别嵌入槽1和槽3中去，如图315(b)所示。 单链全节距绕组的嵌线方法(线圈展开图参见图312)。全节距线圈的嵌线方法和上面介绍的嵌线方法基本相同，不同的是每两只线圈连绕一起作为一个线圈组。所以在嵌线时要将第一组的两只线圈的有效边分别嵌入槽7和槽8中，第一组线圈的另外两只有效边暂时不嵌入槽l和槽2中；然后，空两个槽(9、10)不嵌线；再嵌另一组的两只线圈的有效边(4个有效边都可以嵌入槽ll、12及5、6内)；然后，再空两个槽(13、14)不嵌线，再将另一组的两只线圈的有效边嵌入槽15、16及9、10