泵空化性能分析及優化設計

文/陳海恩 楊巍 李嵐翔

PTA 裝置用G-410A/B 泵空化性能分析及優化設計——PTA裝置是國內生產精對苯二甲酸最常用的裝置之一，在其運行過程中關鍵設備G-410A/B泵頻繁出現故障現象。本文以G-410A/B泵為研究對象，采用數值模擬和現場測試的方法對其內部流場進行了分析，提出了相應的改進措施。結果發現，該泵在設計工況下時，泵內部已出現少量氣泡，隨著流量的減小，氣泡量明顯增多；通過現場測試發現，該泵的振頻主要體現在流體激振，在高頻是出現了明顯的波動，表現出明顯的汽蝕現象；經過優化后的新泵，無論是內部流場，還是外特性均均能滿足設計要求，汽蝕性能得到了明顯改善。研究成果能夠為類似泵高頻振動分析提供參考。

圖1 原泵（FLOWSERVE）結構示意圖

精對苯二甲酸（PTA）是合成聚酯的重要原料，主要是以對二甲苯（PX）為原料，醋酸為溶劑，在高溫、高壓下氧化生成的，廣泛應用于日常生活中，是合成纖維的最主要的品種之一，占全球合成纖維總量的80%。今年來隨著人民生活水平的不斷提高，對精對苯二甲酸的需求量不斷增大，這也給我國PTA 裝置提出了更高的要求。G-410A/B 進料加壓泵是PTA 裝置提供進料、加壓的關鍵動設備，其安全穩定運行對精對苯二甲酸的生產起到了基礎保障作用，由某外資品牌商提供，該泵自安裝運行以來一直存在高頻振動，期間多次出現軸裂或斷、葉輪開裂等故障。深入研究發現，葉輪葉片設計不合理造成了在高速運轉時，流體介質發生了空化，空化改變了主流的流體流動，誘發高頻振動，長時間在這種環境下運行時，出現了空蝕加劇流體擾動，是造成上述故障的主要原因。基于此，本文以某石化PTA 裝置中G-410A/B進料加壓泵為研究對象，借助計算流體動力學（CFD）數值模擬和現場試驗測試技術對現有泵空化性能進行分析，找出空化產生的主要原因，提出相應的性能優化措施，為我國同類泵型國產化改造提供參考和依據。

問題描述

某石化PTA 裝置中G-410A/B進料加壓泵的主要參數如下：設計 流 量Q=690 m3/h， 正 常 流 量Q=592 m3/h，設計揚程H=98 m，轉速n=1 480 r/min，汽蝕余量NPSHr=3.3 m，葉輪外徑D2 為585 mm，其外形結構示意圖如圖1 所示。運行介質為未經處理的TA 泥漿（Untreated TA Slurry），密度為ρ=1 085 kg/m3，介質最大溫度為tmax=128℃。

故障描述

數值模擬

PTA 裝置中G-410A/B 進料加壓泵自2015年投入運行以來，一直存在高振動而引起多次故障，主要體現在葉輪與耐摩盤接觸、軸裂或斷何葉輪開裂。深入研究發現，該泵常溫水工況運行振動正常，當泵在工藝介質和工藝流量運行時，泵的整體振動大幅升高。

通過上述分析發現，泵的設計流量點為Q=690 m3/h，而泵的實際運行流量為0.858Q（592 m3/h），該泵在小流量工況下運行。由泵基礎理論可以知道，當泵在小流量工況下運行時易發生汽蝕現象，泵汽蝕余量計算公式如下：

式中，v1為葉輪進口絕對速度，m/s；w1為葉輪進口相對速度，m/s；式中的 ，對進口流態較為敏感（λ=0.15～0.4），當液流沖角發生變化時，λ 取大值，在λ的表達式中，wk為空化位置處相對速度，m/s。由公式（1）可知，NPSHr 與v1和w1有關，減小v1或減小w1均能改善泵的汽蝕性能。由進口絕對速度

可以看出，v1 與輪轂直徑dh、葉輪進口直徑D1 和進口排擠系數ψ1 有關。dh 和ψ1 值一般是不變的，汽蝕與與D1 有關。

圖2 不同流量下泵的汽蝕分布圖

圖3 泵的故障類型

為了驗證理論分析的準確性，本文借助計算流體動力學（CFD）技術對現場工藝條件進行數值模擬。主要采用有限體積法（Finite volume method）對CG-410A/B 進料加壓泵內部全流場進行計算，流體介質的對流項采用高精度格式(High resolution scheme)，其他函數項采用中心差分格式（Central difference scheme）。邊界條件：進口為壓力進口，通過改變進口壓力獲得泵的汽蝕性能；出口采用質量流量出口，改變出口流量可以得到不同工況下汽蝕性能；壁面函數采用無滑移壁面，參考壓力為0 Pa；旋轉部件（葉輪）與靜止部件（蝸殼）之間的能量傳遞采用“Frozen Rotor”方式連接，計算收斂標準設為10-4。通過上述計算方法得到泵的空化性能，如圖2所示。

圖4 G-410A/B 泵譜圖

圖5 優化后的泵裝備示意圖

從圖2 中可以看到，當泵在設計工況（Q=690 m3/h）下運行時，泵進口附近已經出現了汽蝕現象，有少量氣泡在葉片進口附近出現，當流量減小至640 m3/h 時，氣泡明顯增多，研軸向和徑向方向擴展。當流量進一步減小，減小至泵現場工藝流量時（Q=592 m3/h）葉片內部出現了大量氣泡，空化現象嚴重。

現場拆機檢測

G-410A/B 泵自2015年以來多次出現了故障，其中由故障拆機3次，其中故障類型主要可以分為3類，一是葉輪與耐摩盤接觸，如圖3（a）；二是主軸斷裂，如圖3（b）；三是葉輪開裂，如圖3（c）。通過對現場泵運行情況進行了測試，獲得了G-410A/B 泵的頻譜特性曲線，如圖4 所示。

從圖4 中可以看到，G-410A/B泵的主要振動頻率為6 倍頻葉片通過頻率，在3000 Hz 附近出現了高頻振動，但此時的頻率幅值相對較弱，說明此時泵內部已經發生汽蝕，但汽蝕不是很嚴重，還沒有擾亂主流，振動頻譜尚未上升為主要因素。綜上所述，經過上數值模擬和現場測試，判斷該泵在規定的介質和操作條件下，基本處于汽蝕狀態。

汽蝕性能優化

優化措施

從上節可以得到，G-410A/B 泵反復出現故障的原因為汽蝕引起的高頻振動。所以，在性能優化方面，本文重新對泵頭進行設計，葉輪采用高抗汽蝕水力設計方法，降低泵的必須汽蝕余量，借助CFD 技術對泵內部流場進行性能預測，達到優化的目的。其中，在高抗汽蝕葉片水力模型設計時，主要采取的措施有：

（1）增加了葉輪進口直徑，減少進口流速；

（2）增大了葉片進口安放角，減少葉片的彎曲，增大葉片進口過流面積，減少葉片的排擠；

（3）增加了葉片進口寬度，進口過流面積增加，減少進口流速；

（4）增加了前蓋板的曲率半徑，減少前蓋板的流速和改善速度分布的均勻性；

（5）葉片進口邊適當向進口延伸并減薄，葉片提早接受液體的作用，增加葉片的表面積，減少葉片工作面和背面的壓差。

另外，在汽蝕性能優化時，在保證現場工藝所需流量、揚程重要工藝參數的基礎上，降低了設計流量（Q=530 m3/h、揚程H=105 m），改善運行過程中的泵的必須汽蝕余量NPSHr，降低至NPSHr=2.5 m。其中，優化后的葉輪外形尺寸示意圖如5 所示。性能預測

本文采用數值模擬技術對優化后的泵內部流場進行了預測，如圖6 所示。其中圖6（a）為壓力分布，圖6（b）為速度云圖，圖6（c）為速度矢量分布。從壓力分布圖可以看出，在葉輪進口附近存在低壓區，隨著流體從進口到出口的流動中，壓力不斷增大；從速度云圖可以看出，整體速度分布相對較為均勻，高速區域主要出現在流體進入葉片以后，隨著流道不不斷減小，速度逐漸增大；從速度矢量圖可以看出，整體速度矢量分布較為合理，但靠近葉片附近仍存在局部回流現象，對應壓力分布發現，該處的壓力遠大于臨界空化壓力，不會發生汽室現象。

圖6 優化后的泵葉輪內部流場分布

圖7 為新G-410A/B 泵 的試驗性能曲線圖。從圖中可以得到，優化后的泵揚程和汽室余量均能達到設計的要求。此泵在泵體內具有前后襯板（如圖5 所示），對在腐蝕、磨蝕程度高的工況中，只需更換前后襯板即可，增加了泵體、泵蓋的使用壽命。前襯板為可調式襯板，后襯板的調整可通過調整軸承前后調整墊的厚度，在葉輪及襯板發生磨損而導致泵性能下降時，可以通過調節前襯板以及后襯板繼續使用，增加易損件的壽命，從而達到節約成本的目的。

圖7 外特性曲線

結語

本文以某石化PTA 中的G-410A/B 加壓進料泵為研究對象，采用了數值模擬方法對泵現場運行工況下的汽蝕性能進行了分析，得到不同條件下的汽蝕分布，并對現場泵振動特性進行了測試，得到了泵的頻譜特性曲線，獲得了泵頻繁故障的主要原因，并提出了相應的優化措施，主要結論如下：

（1）當泵在設計工況下運行時，泵葉片進口附近已經出現了汽蝕現象，但氣泡量較少。隨著流量的減小，氣泡明顯增多，當流量減小至現場工藝工況時，泵內部已經出現了明顯的汽蝕現象。

（2）優化后的新葉輪內部流場分布相對較為合理，速度和壓力分布較為均勻，經試驗驗證，無論是泵的揚程還是必須汽蝕余量均能滿足設計要求。

綜上所述，經過優化后的G-410A/B 加壓進料泵，自2018年10月裝機運行后，運行平穩，運行狀態良好，未出現任何故障現象。本文研究結果能夠為類似的泵高頻振動分析提供參考。