高低温膨胀机是氧氮液化装置的核心装备。长期运行后，低温膨胀机因运行环境导致其本身 机械性能改变，按照常规开机操作设备导致转子失稳高振动跳机的异常情况。通过数据分析，技术人员总 结归纳出现操作手册之外的“过临界转速”区间，后续采取了一些方法与措施，确保了该装置得以安全平 稳运行。
【关键词】高低温膨胀机；临界转速；止推温度；喷嘴；转子
某公司从 2005 年开始使用法国科莱斯达低温 设备（杭州）有限公司（以下简称“CRYOSTAR”） 制造的增压透平膨胀机，型号 2TC120/32-AS，随着 公司规模的不断发展，该机型陆续增加至 2 台套， 在中国市场 CRYOSTAR 同类型设备运营也有多 套。
2TC120/32-AS 机型结构布局紧凑，效率高，噪 音低。作为气态氧氮液化装置的关键核心设备，我 们在确保膨胀机长周期安全稳定经济运行与设备 维护保养方面，取得了一些经验，分享讨论如下。
1、2TC120/32-AS 型膨胀机组简介
该套 2TC120/32-AS 型膨胀机包括进出口过滤 器、高温增压膨胀机本体、低温增压膨胀机本体、 快速切断系统、冷却器系统、润滑油站、仪控系统、 防喘振系统等七大部分组成。
1.1 2TC120/32-AS 型膨胀机高温段技术参数
1) 一体化机壳；
2）单机为单轴形式，一端驱动膨胀端，另一端制 动增压端；
3）级间共一台卧式中间冷却器分别安装在高温膨 胀机增压端出口；
4）高温膨胀机
增压端：
入口压力为 2.697MPa（A）；出口压力为 4.147MPa （A）；流量为 34000Nm³/h；效率为 81.0%；转速 37400rpm；
膨胀端：
入口压力为 2.685MPa（A）；出口压力为 0.569MPa （A）；流量为 22500Nm³/h；效率为 88.5%；转速 37400rpm；
1.2 2TC120/32-AS 型膨胀机低温段技术参数
1) 一体化机壳；
2）单机为单轴形式，一端驱动膨胀端，另一端制 动增压端；
3）级间共一台卧式中间冷却器分别安装在低温膨 胀机增压端出口；
4）低温膨胀机
增压端：
入口压力为 4.105MPa（A）；出口压力为 5.591MPa （A）；流量为 33900Nm³/h；效率为 81.0%；转速 31400rpm；
膨胀端：
入口压力为 5.530MPa（A）；出口压力为 0.578MPa （A）；流量为 23500Nm³/h；效率为 86.5%；转速 31400rpm
1.3 2TC120/32-AS 型膨胀机主要流程（图 1）
1.4 2TC120/32-AS 型膨胀机主机主要结构（图 2）
图 2 2TC120/32-AS 型膨胀机截面图
1）膨胀端；
2）增压端
3）主机壳
2、某次开机异常情况和改进措施
在近 15 年运行 2TC120/32-AS 型膨胀机的过程 中，从未发生较大以上影响生产的设备事故，该机 型总体运行情况良好。在 2017 年 4 月 30 日我们遇 到了一起开机异常情况，我们通过大数据分析，对 该设备开机操作模式进行了调整，确保了顺利开 机，具体情况及处理办法如下：
2.1 2017 年 4 月 30 日开机异常过程描述
1）第一次振动高自停：
2017 年 4 月 30 日 7:55 二 号 液 化 装 置 2TC120/32-AS 型膨胀机组因高温机增压端轴振高 连锁自停,自停前高温膨胀机进口温度-19.2℃，出口 温度-103.8℃，各项机械性能指标正常。经人员检 查轴振动检测线路及检测元件正常，为了避免设备 本身机械故障，盲目二次开机造成事故扩大化，维 修人员将高温膨胀机增压端入口短管拆除，对设备进行盘车并对叶轮外观进行检查，各项机械检查均 正常。因没有发现明显故障点，经讨论决定再次开 机。
2）第二次振动高自停：
当日 21:30 第二启动液化膨胀机，操作人员按 正常操作对膨胀机进行加负荷升速，当高温膨胀机 转速突破临界转速，达到约 32000rpm 时高温膨胀 机膨胀端轴振动值在一分钟之内达到高连锁停机 值，异常停机。
3）第三次振动高自停：
考虑到开机升速期间各项机械性能指标正常， 仅安排仪控人员对高温膨胀机两个振动前置放大 器进行备件更换，处理后于当日 23:38 第二次启动 膨胀机，当高温膨胀机转速达到 28000rpm 时再次 发生振动高连锁自停事件。
4）优化操作后第三次开机正常
根据 4 月 30 日整改开停机事件分析，并结合 各项机械数据指标（振动、轴温、油压、油温、负 载等），该公司设备专家初步判断，该高温膨胀机 转子因 2017 年年初大修更换主轴后，虽然进行过 动平衡调教，但运行数月后动态平衡发生了变化， 导致该机加载升速在一定转速区间时转子失稳。分 析大数据后设备专家考虑到当日前面几次开机时 各项机械指标正常，排除轴承问题，认为目前高温 膨胀机新出现了临界转速区，通过优化操作能够解 决该问题。经与工艺人员磋商优化操作程序后，于 2017 年 5 月 1 日 1:40 第三次启动该膨胀机组，过 新出现的临界转速时在一分钟内提升转速超过 32000rpm 后，顺利越过振动异常区，后续转为正常 操作，整体液化装置 2:00 液氮液氧合格进罐。
2.2 开机过程高振动异常区域原因分析
结合 2017 年 4 月 30 日开机过程趋势图（图 3）， 并复盘当天运行状态，我们就造成此次振动异常转 子失稳的原因进行了如下总结：
图 3 2017 年 4 月 30 日几次开机过程趋势图
1）第一次振动高自停的原因是：当时操作人员现 场点检，正在用手机接打电话，信号受到干扰。我 们通过后续停机进行模拟测试，印证了此原因。
2）后面振动高自停的原因是：2017 年 2 月该液化
装置进行大修时发现高温膨胀机转子叶轮磨损严 重（见图 4），考虑无叶轮备件仅更换新主轴，进行 动平衡调教，大修开机后其振动值一直处于 20μm 左右高位。由此可见其机械性能受叶轮系统的影响 确实大打折扣，机械性能受系统影响较大、较敏感。连续运行数月后，其临界转速发生偏移。转子在慢 速通过该区时失稳。
图 4 高温膨胀机增压端磨损的叶轮照片
3）考虑设备在停机前能够到达满负荷工作状态， 同时，在 4 月 30 日当天几次开机过程中，各项机 械运行指标未见异常，证明机械设备本身没有致命 的问题，具备优化操作后开机基本条件。
4）4 月 30 日 7:55 分的停机从数据来看疑似喘振， 喘振原因疑似为入口过滤器因气液夹带堵塞，但从 拆卸短管检查来看并未有发现相关证据。2.3 工艺操作优化调整要点
经过 2017 年 5 月 1 日凌晨成功加载升速开机， 我们总结了几点，关于高低温膨胀机在转子失稳， 出现新的临界转速区的情况下，优化操作的关键 点，具体如下：
1）前序工艺中循环氮压机出口压力（正常运行 2.6MPa（G））在膨胀机升速中≥2.2MPa（G），确 保膨胀机得到持续的气源保证。
2）高低温膨胀机在启机前如果是冷态开车，必须 在开机前对膨胀机加温 20 分钟左右，以确保高温 膨胀机入口温度-30℃以上，低温膨胀机入口温度 -115℃以上，以降低膨胀机加载时的负载。
3）高低温膨胀机油压维持 9.5~10bar。
4）确保密封气与轮背差压约 5bar，以确保背压。
5）高温膨胀机转速在突破 22700rpm~27800rpm 第 二临界转速区后保持在 28500rpm 约 2 分钟。将低 温膨胀机导叶开度缓慢开至 30%同时关注低温膨 胀机止推轴承温度控制 80℃以内，高温膨胀机振动控制在8~11μm。以确保后续突破新临界转速区前， 各项运行指标稳定。
6）高温膨胀机在突破新转速区时，必须在 2 分钟 之内快速开大导叶至 48%，以确保高温膨胀机快速 通过这个新增的临界转速区 — — 29000rpm~31000rpm,当快速通过该区后，稳定高温 膨胀机转速至 32500rpm，低温膨胀机导叶缓慢开大 至 75%同时关小回流阀。
7）当液氮液氧产品进储槽后，稳定 87%左右液化 负荷约 24 小时后再调整高温膨胀机导叶至 55%， 期间循环氮压机出口压力逐步增至 25bar。上述过新临界转速区的优化措施一直到新的 转子更换后才结束执行。
3、经验总结
通过对 2017 年 4 月 30 日高低温膨胀机异常停 机事件原因分析与总结，使得我们对 CRYOSTAR 品牌的 2TC120/32-AS 型膨胀机有了更深刻的了解 与认识。为了确保机组长周期安全稳定运行，出现 类似故障后能及时恢复生产，我们将多年以来对该 型膨胀机的运行维护经验总结如下：
3.1 定期状态监测与分析
从 2005 年开始至今，我们坚持对关键旋转设 备进行频谱、润滑油品质以及趋近温差等系统性监 测。一方面我们对设备能够实时监控，另一方面， 我们保留了设备的监测大数据，为后续各项数据分 析提供了有效帮助。3.2 振动异常停机时处理思路
旋转设备出现高振动异常停机后，我们必须明 确一点，不能盲目重新开机，必须进行机电仪的相 关检查后才能重新开机，这样可以避免事故扩大 化。该厂同一款机型在 2007 年 12 月的一次高振动 停机后，各专业并未对膨胀机进行检查，怀有侥幸 心理盲目开机，当时因为后冷却器泄漏，冷却水进 入蜗壳，开机后导致轴承及转子损坏，影响生产长 达近 20 天。
3.3 大数据分析在故障分析中的作用
设备运行时的各项数据作为设备基础信息保 存后，为后续故障分析提供了第一手资料。能够给 工程师判断问题提供强有力保证。有些振动高的问 题确实不一定是机械设备本身的原因，和工艺数据 变化息息相关。
3.4 高低温膨胀机定期维保
膨胀机在工业气体行业作为关键设备，很多同 行觉得膨胀机可靠性高，没有什么可以检修的内 容，但是，数次血淋淋的教训告诉我们，坚持定期维护，能够及时发现潜在隐患，避免非计划停机， 杜绝重大设备事故。对于膨胀机的检修维护我总结 了如下经验：
1） 安装过程中管道清洁决定着膨胀机的正常使用 年限。
2） 增压端入口法兰与外部管道法兰无应力检查不 仅仅在安装调试时需要，在年度性维护时同样 需要进行。
3） 主油泵联轴器检查。
4） 高低温膨胀机解体大修机会难得，建议对影响 密封效果的密封部件一次性整体更换，以避免 重复检修的发生。
5） 开机前对膨胀端、增压端底部排污口检查的必 要性，以排除漏油或进水的可能。
6） 膨胀机现场就地柜单独接地与屏蔽网的设置， 避免电话或对讲机信号干扰。
4 结束语
作为液化装置的核心，2TC120/32-AS 型膨胀机 的长期、安全、稳定连续运行对于液化装置的生产 至关重要。在长期的实践中，我们对其膨胀机或同 类似机型的运行与维护进行了众多有益探索，部分 经验具有推广价值。特此撰文，供大家一起探讨。
作者简介：李享（1981—），男，2012 年毕业于中 南大学机械与电子工程专业，中级工程师，工程硕 士研究生，现从事空分设备与工程相关的管理工 作。
作者：李享
联系电话：13975276614
单位：湖南中益邦达能源科技有限公司
邮编：411101
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参考文献：
[1] 现代空分设备技术与操作原理[M]. 杭州出版 社 , 毛绍融,朱朔元,周智勇主编, 2005
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[3] 机械设备故障诊断实用技术[M]. 中国石化出 版社 , 杨国安, 2007
[4] 设备故障诊断[M]. 化学工业出版社 , 沈庆根, 郑水英主编, 2006
[5] 设备故障诊断原理、技术及应用[M]. 科学出 版社 , 黄文虎等编著, 1996
