高低溫膨脹機(jī)是氧氮液化裝置的核心裝備。長(zhǎng)期運(yùn)行后，低溫膨脹機(jī)因運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致其本身 機(jī)械性能改變，按照常規(guī)開機(jī)操作設(shè)備導(dǎo)致轉(zhuǎn)子失穩(wěn)高振動(dòng)跳機(jī)的異常情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，技術(shù)人員總 結(jié)歸納出現(xiàn)操作手冊(cè)之外的“過(guò)臨界轉(zhuǎn)速”區(qū)間，后續(xù)采取了一些方法與措施，確保了該裝置得以安全平 穩(wěn)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】高低溫膨脹機(jī)；臨界轉(zhuǎn)速；止推溫度；噴嘴；轉(zhuǎn)子

某公司從 2005 年開始使用法國(guó)科萊斯達(dá)低溫 設(shè)備（杭州）有限公司（以下簡(jiǎn)稱“CRYOSTAR”） 制造的增壓透平膨脹機(jī)，型號(hào) 2TC120/32-AS，隨著 公司規(guī)模的不斷發(fā)展，該機(jī)型陸續(xù)增加至 2 臺(tái)套， 在中國(guó)市場(chǎng) CRYOSTAR 同類型設(shè)備運(yùn)營(yíng)也有多 套。 

2TC120/32-AS 機(jī)型結(jié)構(gòu)布局緊湊，效率高，噪 音低。作為氣態(tài)氧氮液化裝置的關(guān)鍵核心設(shè)備，我 們?cè)诖_保膨脹機(jī)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與設(shè)備 維護(hù)保養(yǎng)方面，取得了一些經(jīng)驗(yàn)，分享討論如下。 

1、2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)組簡(jiǎn)介 

該套 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)包括進(jìn)出口過(guò)濾 器、高溫增壓膨脹機(jī)本體、低溫增壓膨脹機(jī)本體、 快速切斷系統(tǒng)、冷卻器系統(tǒng)、潤(rùn)滑油站、儀控系統(tǒng)、 防喘振系統(tǒng)等七大部分組成。 

1.1 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)高溫段技術(shù)參數(shù) 

1) 一體化機(jī)殼； 

2）單機(jī)為單軸形式，一端驅(qū)動(dòng)膨脹端，另一端制 動(dòng)增壓端； 

3）級(jí)間共一臺(tái)臥式中間冷卻器分別安裝在高溫膨 脹機(jī)增壓端出口； 

4）高溫膨脹機(jī) 

增壓端： 

入口壓力為 2.697MPa（A）；出口壓力為 4.147MPa （A）；流量為 34000Nm3/h；效率為 81.0%；轉(zhuǎn)速 37400rpm；

膨脹端： 

入口壓力為 2.685MPa（A）；出口壓力為 0.569MPa （A）；流量為 22500Nm3/h；效率為 88.5%；轉(zhuǎn)速 37400rpm； 

1.2 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)低溫段技術(shù)參數(shù) 

1) 一體化機(jī)殼； 

2）單機(jī)為單軸形式，一端驅(qū)動(dòng)膨脹端，另一端制 動(dòng)增壓端； 

3）級(jí)間共一臺(tái)臥式中間冷卻器分別安裝在低溫膨 脹機(jī)增壓端出口； 

4）低溫膨脹機(jī) 

增壓端： 

入口壓力為 4.105MPa（A）；出口壓力為 5.591MPa （A）；流量為 33900Nm3/h；效率為 81.0%；轉(zhuǎn)速 31400rpm； 

膨脹端： 

入口壓力為 5.530MPa（A）；出口壓力為 0.578MPa （A）；流量為 23500Nm3/h；效率為 86.5%；轉(zhuǎn)速 31400rpm

1.3 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)主要流程（圖 1）

1.4 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)主機(jī)主要結(jié)構(gòu)（圖 2）

圖 2 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)截面圖 

1）膨脹端； 

2）增壓端 

3）主機(jī)殼

2、某次開機(jī)異常情況和改進(jìn)措施 

在近 15 年運(yùn)行 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)的過(guò)程 中，從未發(fā)生較大以上影響生產(chǎn)的設(shè)備事故，該機(jī) 型總體運(yùn)行情況良好。在 2017 年 4 月 30 日我們遇 到了一起開機(jī)異常情況，我們通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，對(duì) 該設(shè)備開機(jī)操作模式進(jìn)行了調(diào)整，確保了順利開 機(jī)，具體情況及處理辦法如下： 

2.1 2017 年 4 月 30 日開機(jī)異常過(guò)程描述 

1）第一次振動(dòng)高自停：

2017 年 4 月 30 日 7:55 二 號(hào) 液 化 裝 置 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)組因高溫機(jī)增壓端軸振高 連鎖自停,自停前高溫膨脹機(jī)進(jìn)口溫度-19.2℃，出口 溫度-103.8℃，各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)正常。經(jīng)人員檢 查軸振動(dòng)檢測(cè)線路及檢測(cè)元件正常，為了避免設(shè)備 本身機(jī)械故障，盲目二次開機(jī)造成事故擴(kuò)大化，維 修人員將高溫膨脹機(jī)增壓端入口短管拆除，對(duì)設(shè)備進(jìn)行盤車并對(duì)葉輪外觀進(jìn)行檢查，各項(xiàng)機(jī)械檢查均 正常。因沒有發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，經(jīng)討論決定再次開 機(jī)。 

2）第二次振動(dòng)高自停： 

當(dāng)日 21:30 第二啟動(dòng)液化膨脹機(jī)，操作人員按 正常操作對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)行加負(fù)荷升速，當(dāng)高溫膨脹機(jī) 轉(zhuǎn)速突破臨界轉(zhuǎn)速，達(dá)到約 32000rpm 時(shí)高溫膨脹 機(jī)膨脹端軸振動(dòng)值在一分鐘之內(nèi)達(dá)到高連鎖停機(jī) 值，異常停機(jī)。 

3）第三次振動(dòng)高自停： 

考慮到開機(jī)升速期間各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)正常， 僅安排儀控人員對(duì)高溫膨脹機(jī)兩個(gè)振動(dòng)前置放大 器進(jìn)行備件更換，處理后于當(dāng)日 23:38 第二次啟動(dòng) 膨脹機(jī)，當(dāng)高溫膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到 28000rpm 時(shí)再次 發(fā)生振動(dòng)高連鎖自停事件。 

4）優(yōu)化操作后第三次開機(jī)正常 

根據(jù) 4 月 30 日整改開停機(jī)事件分析，并結(jié)合 各項(xiàng)機(jī)械數(shù)據(jù)指標(biāo)（振動(dòng)、軸溫、油壓、油溫、負(fù) 載等），該公司設(shè)備專家初步判斷，該高溫膨脹機(jī) 轉(zhuǎn)子因 2017 年年初大修更換主軸后，雖然進(jìn)行過(guò) 動(dòng)平衡調(diào)教，但運(yùn)行數(shù)月后動(dòng)態(tài)平衡發(fā)生了變化， 導(dǎo)致該機(jī)加載升速在一定轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。分 析大數(shù)據(jù)后設(shè)備專家考慮到當(dāng)日前面幾次開機(jī)時(shí) 各項(xiàng)機(jī)械指標(biāo)正常，排除軸承問(wèn)題，認(rèn)為目前高溫 膨脹機(jī)新出現(xiàn)了臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，通過(guò)優(yōu)化操作能夠解 決該問(wèn)題。經(jīng)與工藝人員磋商優(yōu)化操作程序后，于 2017 年 5 月 1 日 1:40 第三次啟動(dòng)該膨脹機(jī)組，過(guò) 新出現(xiàn)的臨界轉(zhuǎn)速時(shí)在一分鐘內(nèi)提升轉(zhuǎn)速超過(guò) 32000rpm 后，順利越過(guò)振動(dòng)異常區(qū)，后續(xù)轉(zhuǎn)為正常 操作，整體液化裝置 2:00 液氮液氧合格進(jìn)罐。 

2.2 開機(jī)過(guò)程高振動(dòng)異常區(qū)域原因分析 

結(jié)合 2017 年 4 月 30 日開機(jī)過(guò)程趨勢(shì)圖（圖 3）， 并復(fù)盤當(dāng)天運(yùn)行狀態(tài)，我們就造成此次振動(dòng)異常轉(zhuǎn) 子失穩(wěn)的原因進(jìn)行了如下總結(jié)：

圖 3 2017 年 4 月 30 日幾次開機(jī)過(guò)程趨勢(shì)圖 

1）第一次振動(dòng)高自停的原因是：當(dāng)時(shí)操作人員現(xiàn) 場(chǎng)點(diǎn)檢，正在用手機(jī)接打電話，信號(hào)受到干擾。我 們通過(guò)后續(xù)停機(jī)進(jìn)行模擬測(cè)試，印證了此原因。 

2）后面振動(dòng)高自停的原因是：2017 年 2 月該液化

裝置進(jìn)行大修時(shí)發(fā)現(xiàn)高溫膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪磨損嚴(yán) 重（見圖 4），考慮無(wú)葉輪備件僅更換新主軸，進(jìn)行 動(dòng)平衡調(diào)教，大修開機(jī)后其振動(dòng)值一直處于 20μm 左右高位。由此可見其機(jī)械性能受葉輪系統(tǒng)的影響 確實(shí)大打折扣，機(jī)械性能受系統(tǒng)影響較大、較敏感。連續(xù)運(yùn)行數(shù)月后，其臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生偏移。轉(zhuǎn)子在慢 速通過(guò)該區(qū)時(shí)失穩(wěn)。

圖 4 高溫膨脹機(jī)增壓端磨損的葉輪照片 

3）考慮設(shè)備在停機(jī)前能夠到達(dá)滿負(fù)荷工作狀態(tài)， 同時(shí)，在 4 月 30 日當(dāng)天幾次開機(jī)過(guò)程中，各項(xiàng)機(jī) 械運(yùn)行指標(biāo)未見異常，證明機(jī)械設(shè)備本身沒有致命 的問(wèn)題，具備優(yōu)化操作后開機(jī)基本條件。 

4）4 月 30 日 7:55 分的停機(jī)從數(shù)據(jù)來(lái)看疑似喘振， 喘振原因疑似為入口過(guò)濾器因氣液夾帶堵塞，但從 拆卸短管檢查來(lái)看并未有發(fā)現(xiàn)相關(guān)證據(jù)。2.3 工藝操作優(yōu)化調(diào)整要點(diǎn) 

經(jīng)過(guò) 2017 年 5 月 1 日凌晨成功加載升速開機(jī)， 我們總結(jié)了幾點(diǎn)，關(guān)于高低溫膨脹機(jī)在轉(zhuǎn)子失穩(wěn)， 出現(xiàn)新的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的情況下，優(yōu)化操作的關(guān)鍵 點(diǎn)，具體如下： 

1）前序工藝中循環(huán)氮壓機(jī)出口壓力（正常運(yùn)行 2.6MPa（G））在膨脹機(jī)升速中≥2.2MPa（G），確 保膨脹機(jī)得到持續(xù)的氣源保證。 

2）高低溫膨脹機(jī)在啟機(jī)前如果是冷態(tài)開車，必須 在開機(jī)前對(duì)膨脹機(jī)加溫 20 分鐘左右，以確保高溫 膨脹機(jī)入口溫度-30℃以上，低溫膨脹機(jī)入口溫度 -115℃以上，以降低膨脹機(jī)加載時(shí)的負(fù)載。 

3）高低溫膨脹機(jī)油壓維持 9.5~10bar。 

4）確保密封氣與輪背差壓約 5bar，以確保背壓。 

5）高溫膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速在突破 22700rpm~27800rpm 第 二臨界轉(zhuǎn)速區(qū)后保持在 28500rpm 約 2 分鐘。將低 溫膨脹機(jī)導(dǎo)葉開度緩慢開至 30%同時(shí)關(guān)注低溫膨 脹機(jī)止推軸承溫度控制 80℃以內(nèi)，高溫膨脹機(jī)振動(dòng)控制在8~11μm。以確保后續(xù)突破新臨界轉(zhuǎn)速區(qū)前， 各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)穩(wěn)定。 

6）高溫膨脹機(jī)在突破新轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)，必須在 2 分鐘 之內(nèi)快速開大導(dǎo)葉至 48%，以確保高溫膨脹機(jī)快速 通過(guò)這個(gè)新增的臨界轉(zhuǎn)速區(qū) — — 29000rpm~31000rpm,當(dāng)快速通過(guò)該區(qū)后，穩(wěn)定高溫 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速至 32500rpm，低溫膨脹機(jī)導(dǎo)葉緩慢開大 至 75%同時(shí)關(guān)小回流閥。 

7）當(dāng)液氮液氧產(chǎn)品進(jìn)儲(chǔ)槽后，穩(wěn)定 87%左右液化 負(fù)荷約 24 小時(shí)后再調(diào)整高溫膨脹機(jī)導(dǎo)葉至 55%， 期間循環(huán)氮壓機(jī)出口壓力逐步增至 25bar。上述過(guò)新臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的優(yōu)化措施一直到新的 轉(zhuǎn)子更換后才結(jié)束執(zhí)行。

3、經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 

通過(guò)對(duì) 2017 年 4 月 30 日高低溫膨脹機(jī)異常停 機(jī)事件原因分析與總結(jié)，使得我們對(duì) CRYOSTAR 品牌的 2TC120/32-AS 型膨脹機(jī)有了更深刻的了解 與認(rèn)識(shí)。為了確保機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，出現(xiàn) 類似故障后能及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)，我們將多年以來(lái)對(duì)該 型膨脹機(jī)的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下： 

3.1 定期狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析 

從 2005 年開始至今，我們堅(jiān)持對(duì)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)設(shè) 備進(jìn)行頻譜、潤(rùn)滑油品質(zhì)以及趨近溫差等系統(tǒng)性監(jiān) 測(cè)。一方面我們對(duì)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控，另一方面， 我們保留了設(shè)備的監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)，為后續(xù)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分 析提供了有效幫助。3.2 振動(dòng)異常停機(jī)時(shí)處理思路 

旋轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)高振動(dòng)異常停機(jī)后，我們必須明 確一點(diǎn)，不能盲目重新開機(jī)，必須進(jìn)行機(jī)電儀的相 關(guān)檢查后才能重新開機(jī)，這樣可以避免事故擴(kuò)大 化。該廠同一款機(jī)型在 2007 年 12 月的一次高振動(dòng) 停機(jī)后，各專業(yè)并未對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)行檢查，懷有僥幸 心理盲目開機(jī)，當(dāng)時(shí)因?yàn)楹罄鋮s器泄漏，冷卻水進(jìn) 入蝸殼，開機(jī)后導(dǎo)致軸承及轉(zhuǎn)子損壞，影響生產(chǎn)長(zhǎng) 達(dá)近 20 天。 

3.3 大數(shù)據(jù)分析在故障分析中的作用 

設(shè)備運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作為設(shè)備基礎(chǔ)信息保 存后，為后續(xù)故障分析提供了第一手資料。能夠給 工程師判斷問(wèn)題提供強(qiáng)有力保證。有些振動(dòng)高的問(wèn) 題確實(shí)不一定是機(jī)械設(shè)備本身的原因，和工藝數(shù)據(jù) 變化息息相關(guān)。 

3.4 高低溫膨脹機(jī)定期維保 

膨脹機(jī)在工業(yè)氣體行業(yè)作為關(guān)鍵設(shè)備，很多同 行覺得膨脹機(jī)可靠性高，沒有什么可以檢修的內(nèi) 容，但是，數(shù)次血淋淋的教訓(xùn)告訴我們，堅(jiān)持定期維護(hù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在隱患，避免非計(jì)劃停機(jī)， 杜絕重大設(shè)備事故。對(duì)于膨脹機(jī)的檢修維護(hù)我總結(jié) 了如下經(jīng)驗(yàn)： 

1） 安裝過(guò)程中管道清潔決定著膨脹機(jī)的正常使用 年限。 

2） 增壓端入口法蘭與外部管道法蘭無(wú)應(yīng)力檢查不 僅僅在安裝調(diào)試時(shí)需要，在年度性維護(hù)時(shí)同樣 需要進(jìn)行。 

3） 主油泵聯(lián)軸器檢查。 

4） 高低溫膨脹機(jī)解體大修機(jī)會(huì)難得，建議對(duì)影響 密封效果的密封部件一次性整體更換，以避免 重復(fù)檢修的發(fā)生。 

5） 開機(jī)前對(duì)膨脹端、增壓端底部排污口檢查的必 要性，以排除漏油或進(jìn)水的可能。 

6） 膨脹機(jī)現(xiàn)場(chǎng)就地柜單獨(dú)接地與屏蔽網(wǎng)的設(shè)置， 避免電話或?qū)χv機(jī)信號(hào)干擾。 

4 結(jié)束語(yǔ) 

作為液化裝置的核心，2TC120/32-AS 型膨脹機(jī) 的長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行對(duì)于液化裝置的生產(chǎn) 至關(guān)重要。在長(zhǎng)期的實(shí)踐中，我們對(duì)其膨脹機(jī)或同 類似機(jī)型的運(yùn)行與維護(hù)進(jìn)行了眾多有益探索，部分 經(jīng)驗(yàn)具有推廣價(jià)值。特此撰文，供大家一起探討。 

作者簡(jiǎn)介：李享（1981—），男，2012 年畢業(yè)于中 南大學(xué)機(jī)械與電子工程專業(yè)，中級(jí)工程師，工程碩 士研究生，現(xiàn)從事空分設(shè)備與工程相關(guān)的管理工 作。 

作者：李享 

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