PTA主装置氧化区域干燥风机叶片断裂原因分析及优化措施

　　【摘 要】PTA装置是国内生产精对苯二甲酸最常用的装置，在其运行过程中关键设备干燥风机易出现叶片断裂。以干燥风机为研究对象，采用有限元法对叶片受力进行分析，结合现场排查，提出了相应的改进措施。结果发现，当r/R＜0.78时，叶片表面应力变化相对较小，这一区域为应力较大的区域；风机入口处过滤器过滤效果差，且载气中的杂质易附着在叶片表面，改变了叶轮的动平衡。通过增长加强板长度，改变加强板的布置方式，重新设计风机叶片，并定期地清理干燥机风机入口处的过滤器滤芯，取得了良好的优化效果。研究成果能够为分析类似的干燥风机叶片断裂的原因提供参考。

　　【关键词】干燥机风机 叶片断裂 PTA装置

　　一、前言

　　精对苯二甲酸（PTA）是生产聚酯的主要原料之一，与乙二醇缩聚反应生成聚对苯二甲酸二乙二醇酯，即聚酯。聚酯广泛应用于日常生活，如聚酯经加工可制成长丝、短纤维、聚酯薄膜和聚酯漆等。PTA装置是国内生产精对苯二甲酸最常用的装置，主要分为精对苯二甲酸生产装置区、公用区和灰浆沉降区三个区域。作为装置中的关键设备，粗对苯二甲酸（CTA）氧化干燥机为装置循环输送气体，要求氧化干燥机连续运行周期超过6个月，因此，其安全稳定运行对PTA主装置起到基础保障的作用。

　　受工艺条件的影响，干燥机运行过程中易出现载气压力不均和气流不畅等现象，造成干燥风机叶片频繁地受到不稳定应力冲击，长时间在这种工况下运行易出现疲劳损伤，甚至会出现叶片断裂，造成机组不能正常工作。因此，以有限元为手段，通过模拟干燥风机的现场工作环境，提取叶片表面应力分布，开展PTA主装置氧化区域干燥风机叶片断裂原因相关研究，并提出相应的优化处理措施，对PTA装置安全生产具有重要的工业意义。

　　二、工艺流程及工作原理

　　PTA 装置流程一般可分为CTA加氢精制和P X氧化过程。P X在乙酸溶剂和催化剂的作用下与压缩空气氧化反应生成对苯二甲酸（TA），对苯二甲酸经过结晶、过滤和干燥得到 CTA。

　　干燥机载气流程的关键设备为干燥风机。干燥机风机的工作原理：当电动机带动叶轮转动时，由于叶轮的旋转，迫使叶轮中叶片之间的气体跟着旋转，因而产生了离心力。在离心力的作用下，这些气体被甩向机壳，并从风机出口排出，而在叶轮中央则形成负压，由于入口呈负压，使外界的气体在大气压力的作用下立即补入，叶轮不停旋转，气体便不断地排出和补入，从而达到了风机连续输送气体的目的。

　　三、干燥风机叶片断裂原因

　　以某PTA主装置氧化区域干燥机风机为研究对象，对其叶片断裂原因进行分析。叶片几何结构如图1所示，其主要外形尺寸分别如下：叶片外径为1 289mm，轮毂直径为150mm，叶片厚度为20mm，叶片轮毂到轮缘最外侧倾斜角为87°，其中靠近轮毂处为最大值。借助三维建模软件CREO3.0对叶轮进行三维建模，如图2所示。

　　采用有限元法对原始干燥机风机进行数值模拟，在使用有限元计算之前，需要对叶片模型进行前处理，主要包括计算模型建立和网格划分。由于网格数量和网格质量对计算结果有较大的影响，此研究对象的几何结构尺寸较大（叶片外径为1 289mm），如果整体网格划分的话，网格数量将会急剧增大，可能达到亿量级，这将对计算机性能提出了非常高的挑战，一般计算机很难完成。

　　为了能够得到较为准确的计算结果，采用了局部网格加密技术，对影响叶轮内部流场流动较大的区域（靠近叶片）进行加密，而对计算结果影响较小的区域采用大尺度网格进行处理，这样既能获得较为准确的流场流动，又能节约计算机资源。最后经过网格无关系验证后，最终网格数量为1 130万个时，风机的扬程变化为1.23%，此时认为计算结果能够准确地预测风机内部流场变化，叶片表面受力情况。

　　如图3所示，叶片表面靠近轮毂处受力较大，轮缘处应力相对较小。由于PTA主装置氧化区域工艺条件变化较大，干燥机风机流量变化较大，其受力情况也发生较大的变化。原始方案没有考虑叶片表面的受力分布，叶片根部位置厚度设计偏小，强度不够。当r/R=0.78时出现局部应力下降，其中r为叶片径向位置的半径，R为叶片半径，当r/R＜0.78时应力变化相对较小。结合现场干燥机叶片出现裂纹的位置（见图4），发现裂纹出现在叶片靠近轮毂附近，与有限元数值模拟后主要应力较大的位置相吻合，这也从侧面证明了数值模拟结果的准确性。

　　另外，经过现场排查发现，风机入口处过滤器的过滤效果差，导致载气中杂质附着在叶片上，改变了叶轮动平衡，致使叶片动平衡不达标，叶片长期在交变载荷作用下运行时，叶片出现了疲劳断裂。

　　四、改进措施

　　通过上述分析得到叶片断裂的根本原因，针对性地提出了改进措施。在应力分布较大的区域增加加强筋，且增加加强筋的长度，将加强筋的长度增加至r/R=0.78位置处，如图5所示。将原始方案整体8mm的背板，改为5mm的背板加上5mm背板加强板，且加强板的长度增大为原来的1.2倍，这样就很好地增强了叶片能够承载的强度，更加适合在变工况条件下运行。

　　图5 叶片改进方案三维示意新的叶片设计方案制定后，在叶片根部位置打磨后重新补焊，增加叶片承载强度，扩宽风机的应用范围。当叶片重新加固后需要对整个叶轮重新进行动平衡测试，现场校正叶轮动平衡。工艺方面，定期清理干燥机风机入口过滤器滤芯，防止叶片表面因结垢而改变干燥机风机叶轮动平衡，使叶片运行更加平稳。改进后的干燥机风机从2018年6月装机运行后，经过了大约1年半的时间未出现叶片断裂现象，运行状态良好。

　　五、结语

　　以某石化PTA主装置氧化区域干燥机风机为研究对象，采用了有限元方法对风机的运行工况进行了数值模拟，并对叶片的受力情况进行了分析，得到了叶片断裂的主要原因，并提出了相应的优化措施，主要结论如下。

　　1）干燥机风机叶片靠近轮毂处应力较大，且随着轮毂到轮缘的变化过程中，应力分布不断减小，且在r /R =0.78处出现局部应力下降，在r/R＜0.78处应力变化相对较小。

　　2）从叶片设计的角度出发，增长了加强板长度，将加强板增长至出现局部应力下降的位置；从现场工艺出发，定期清理干燥机风机入口过滤器的滤芯，防止叶片表面结垢而改变干燥机风机叶轮动平衡，使叶片运行更加平稳。

　　综上所述，经过对干燥机风机叶片结构优化和工艺条件的优化后，自2018年6月装机运行后，未出现叶片断裂现象，且运行平稳，运行状态良好。

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　　陈海恩 吴新梅 蔡明虎