【摘 要】PTA裝置是國內(nèi)生產(chǎn)精對苯二甲酸最常用的裝置，在其運行過程中關(guān)鍵設(shè)備干燥風機易出現(xiàn)葉片斷裂。以干燥風機為研究對象，采用有限元法對葉片受力進行分析，結(jié)合現(xiàn)場排查，提出了相應的改進措施。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當r/R＜0.78時，葉片表面應力變化相對較小，這一區(qū)域為應力較大的區(qū)域；風機入口處過濾器過濾效果差，且載氣中的雜質(zhì)易附著在葉片表面，改變了葉輪的動平衡。通過增長加強板長度，改變加強板的布置方式，重新設(shè)計風機葉片，并定期地清理干燥機風機入口處的過濾器濾芯，取得了良好的優(yōu)化效果。研究成果能夠為分析類似的干燥風機葉片斷裂的原因提供參考。

　　【關(guān)鍵詞】干燥機風機 葉片斷裂 PTA裝置

　　一、前言

　　精對苯二甲酸（PTA）是生產(chǎn)聚酯的主要原料之一，與乙二醇縮聚反應生成聚對苯二甲酸二乙二醇酯，即聚酯。聚酯廣泛應用于日常生活，如聚酯經(jīng)加工可制成長絲、短纖維、聚酯薄膜和聚酯漆等。PTA裝置是國內(nèi)生產(chǎn)精對苯二甲酸最常用的裝置，主要分為精對苯二甲酸生產(chǎn)裝置區(qū)、公用區(qū)和灰漿沉降區(qū)三個區(qū)域。作為裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，粗對苯二甲酸（CTA）氧化干燥機為裝置循環(huán)輸送氣體，要求氧化干燥機連續(xù)運行周期超過6個月，因此，其安全穩(wěn)定運行對PTA主裝置起到基礎(chǔ)保障的作用。

　　受工藝條件的影響，干燥機運行過程中易出現(xiàn)載氣壓力不均和氣流不暢等現(xiàn)象，造成干燥風機葉片頻繁地受到不穩(wěn)定應力沖擊，長時間在這種工況下運行易出現(xiàn)疲勞損傷，甚至會出現(xiàn)葉片斷裂，造成機組不能正常工作。因此，以有限元為手段，通過模擬干燥風機的現(xiàn)場工作環(huán)境，提取葉片表面應力分布，開展PTA主裝置氧化區(qū)域干燥風機葉片斷裂原因相關(guān)研究，并提出相應的優(yōu)化處理措施，對PTA裝置安全生產(chǎn)具有重要的工業(yè)意義。

　　二、工藝流程及工作原理

　　PTA 裝置流程一般可分為CTA加氫精制和P X氧化過程。P X在乙酸溶劑和催化劑的作用下與壓縮空氣氧化反應生成對苯二甲酸（TA），對苯二甲酸經(jīng)過結(jié)晶、過濾和干燥得到 CTA。

　　干燥機載氣流程的關(guān)鍵設(shè)備為干燥風機。干燥機風機的工作原理：當電動機帶動葉輪轉(zhuǎn)動時，由于葉輪的旋轉(zhuǎn)，迫使葉輪中葉片之間的氣體跟著旋轉(zhuǎn)，因而產(chǎn)生了離心力。在離心力的作用下，這些氣體被甩向機殼，并從風機出口排出，而在葉輪中央則形成負壓，由于入口呈負壓，使外界的氣體在大氣壓力的作用下立即補入，葉輪不停旋轉(zhuǎn)，氣體便不斷地排出和補入，從而達到了風機連續(xù)輸送氣體的目的。

　　三、干燥風機葉片斷裂原因

　　以某PTA主裝置氧化區(qū)域干燥機風機為研究對象，對其葉片斷裂原因進行分析。葉片幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要外形尺寸分別如下：葉片外徑為1 289mm，輪轂直徑為150mm，葉片厚度為20mm，葉片輪轂到輪緣最外側(cè)傾斜角為87°，其中靠近輪轂處為最大值。借助三維建模軟件CREO3.0對葉輪進行三維建模，如圖2所示。

　　采用有限元法對原始干燥機風機進行數(shù)值模擬，在使用有限元計算之前，需要對葉片模型進行前處理，主要包括計算模型建立和網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果有較大的影響，此研究對象的幾何結(jié)構(gòu)尺寸較大（葉片外徑為1 289mm），如果整體網(wǎng)格劃分的話，網(wǎng)格數(shù)量將會急劇增大，可能達到億量級，這將對計算機性能提出了非常高的挑戰(zhàn)，一般計算機很難完成。

　　為了能夠得到較為準確的計算結(jié)果，采用了局部網(wǎng)格加密技術(shù)，對影響葉輪內(nèi)部流場流動較大的區(qū)域（靠近葉片）進行加密，而對計算結(jié)果影響較小的區(qū)域采用大尺度網(wǎng)格進行處理，這樣既能獲得較為準確的流場流動，又能節(jié)約計算機資源。最后經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)系驗證后，最終網(wǎng)格數(shù)量為1 130萬個時，風機的揚程變化為1.23%，此時認為計算結(jié)果能夠準確地預測風機內(nèi)部流場變化，葉片表面受力情況。

　　如圖3所示，葉片表面靠近輪轂處受力較大，輪緣處應力相對較小。由于PTA主裝置氧化區(qū)域工藝條件變化較大，干燥機風機流量變化較大，其受力情況也發(fā)生較大的變化。原始方案沒有考慮葉片表面的受力分布，葉片根部位置厚度設(shè)計偏小，強度不夠。當r/R=0.78時出現(xiàn)局部應力下降，其中r為葉片徑向位置的半徑，R為葉片半徑，當r/R＜0.78時應力變化相對較小。結(jié)合現(xiàn)場干燥機葉片出現(xiàn)裂紋的位置（見圖4），發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)在葉片靠近輪轂附近，與有限元數(shù)值模擬后主要應力較大的位置相吻合，這也從側(cè)面證明了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

　　另外，經(jīng)過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，風機入口處過濾器的過濾效果差，導致載氣中雜質(zhì)附著在葉片上，改變了葉輪動平衡，致使葉片動平衡不達標，葉片長期在交變載荷作用下運行時，葉片出現(xiàn)了疲勞斷裂。

　　四、改進措施

　　通過上述分析得到葉片斷裂的根本原因，針對性地提出了改進措施。在應力分布較大的區(qū)域增加加強筋，且增加加強筋的長度，將加強筋的長度增加至r/R=0.78位置處，如圖5所示。將原始方案整體8mm的背板，改為5mm的背板加上5mm背板加強板，且加強板的長度增大為原來的1.2倍，這樣就很好地增強了葉片能夠承載的強度，更加適合在變工況條件下運行。

　　圖5 葉片改進方案三維示意新的葉片設(shè)計方案制定后，在葉片根部位置打磨后重新補焊，增加葉片承載強度，擴寬風機的應用范圍。當葉片重新加固后需要對整個葉輪重新進行動平衡測試，現(xiàn)場校正葉輪動平衡。工藝方面，定期清理干燥機風機入口過濾器濾芯，防止葉片表面因結(jié)垢而改變干燥機風機葉輪動平衡，使葉片運行更加平穩(wěn)。改進后的干燥機風機從2018年6月裝機運行后，經(jīng)過了大約1年半的時間未出現(xiàn)葉片斷裂現(xiàn)象，運行狀態(tài)良好。

　　五、結(jié)語

　　以某石化PTA主裝置氧化區(qū)域干燥機風機為研究對象，采用了有限元方法對風機的運行工況進行了數(shù)值模擬，并對葉片的受力情況進行了分析，得到了葉片斷裂的主要原因，并提出了相應的優(yōu)化措施，主要結(jié)論如下。

　　1）干燥機風機葉片靠近輪轂處應力較大，且隨著輪轂到輪緣的變化過程中，應力分布不斷減小，且在r /R =0.78處出現(xiàn)局部應力下降，在r/R＜0.78處應力變化相對較小。

　　2）從葉片設(shè)計的角度出發(fā)，增長了加強板長度，將加強板增長至出現(xiàn)局部應力下降的位置；從現(xiàn)場工藝出發(fā)，定期清理干燥機風機入口過濾器的濾芯，防止葉片表面結(jié)垢而改變干燥機風機葉輪動平衡，使葉片運行更加平穩(wěn)。

　　綜上所述，經(jīng)過對干燥機風機葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝條件的優(yōu)化后，自2018年6月裝機運行后，未出現(xiàn)葉片斷裂現(xiàn)象，且運行平穩(wěn)，運行狀態(tài)良好。

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　　陳海恩 吳新梅 蔡明虎

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