精对苯二甲酸（PTA）是合成聚酯的重要原料，主要是以对二甲苯（PX）为原料，醋酸为溶剂，在高温、高压下氧化生成的，广泛应用于日常生活中，是合成纤维的最主要的品种之一，占全球合成纤维总量的80%。今年来随着人民生活水平的不断提高，对精对苯二甲酸的需求量不断增大，这也给我国PTA装置提出了更高的要求。G-410A/B进料加压泵是PTA装置提供进料、加压的关键动设备，其安全稳定运行对精对苯二甲酸的生产起到了基础保障作用，由某外资品牌商提供，该泵自安装运行以来一直存在高频振动，期间多次出现轴裂或断、叶轮开裂等故障。深入研究发现，叶轮叶片设计不合理造成了在高速运转时，流体介质发生了空化，空化改变了主流的流体流动，诱发高频振动，长时间在这种环境下运行时，出现了空蚀加剧流体扰动，是造成上述故障的主要原因。基于此，本文以某石化PTA装置中G-410A/B进料加压泵为研究对象，借助计算流体动力学（CFD）数值模拟和现场试验测试技术对现有泵空化性能进行分析，找出空化产生的主要原因，提出相应的性能优化措施，为我国同类泵型国产化改造提供参考和依据。

1.问题描述

1.1 G-410A/B泵的工艺环境
某石化PTA装置中G-410A/B进料加压泵的主要参数如下：设计流量Q=690 m³/h，正常流量Q=592 m³/h，设计扬程H=98 m，转速n=1480r/min，汽蚀余量NPSHr=3.3m，叶轮外径D2为585mm，其外形结构示意图如图1所示。运行介质为未经处理的TA泥浆（Untreated TA Slurry），密度为ρ=1085kg/m³，介质最大温度为tmax=128℃。

图1 原泵（FLOWSERVE）结构示意图

1.2 故障描述

1.2.1 数值模拟

PTA装置中G-410A/B进料加压泵自2015年投入运行以来，一直存在高振动而引起多次故障，主要体现在叶轮与耐摩盘接触、轴裂或断何叶轮开裂。深入研究发现，该泵常温水工况运行振动正常，当泵在工艺介质和工艺流量运行时，泵的整体振动大幅升高。

通过上述分析发现，泵的设计流量点为Q=690 m³/h，而泵的实际运行流量为0.858Q（592 m³/h），该泵在小流量工况下运行。由泵基础理论可以知道，当泵在小流量工况下运行时易发生汽蚀现象，泵汽蚀余量计算公式如下：

（1）式中，v1为叶轮进口绝对速度，m/s；w1为叶轮进口相对速度，m/s；式中的 ，对进口流态较为敏感（λ=0.15~0.4），当液流冲角发生变化时，λ取大值，在λ的表达式中，wk为空化位置处相对速度，m/s。由公式（1）可知，NPSHr与v1和w1有关，减小v1或减小w1均能改善泵的汽蚀性能。由进口绝对速度可以看出，v1与轮毂直径dh、叶轮进口直径D1和进口排挤系数ψ1有关。dh和ψ1值一般是不变的，汽蚀与与D1有关。为了验证理论分析的准确性，本文借助计算流体动力学（CFD）技术对现场工艺条件进行数值模拟。主要采用有限体积法（Finite volume method）对CG-410A/B进料加压泵内部全流场进行计算，流体介质的对流项采用高精度格式(High resolution scheme)，其他函数项采用中心差分格式（Central difference scheme）。边界条件：进口为压力进口，通过改变进口压力获得泵的汽蚀性能；出口采用质量流量出口，改变出口流量可以得到不同工况下汽蚀性能；壁面函数采用无滑移壁面，参考压力为 0 Pa；旋转部件（叶轮）与静止部件（蜗壳）之间的能量传递采用“Frozen Rotor”方式连接，计算收敛标准设为10-4。通过上述计算方法得到泵的空化性能，如图2所示。

从图2中可以看到，当泵在设计工况（Q=690 m³/h）下运行时，泵进口附近已经出现了汽蚀现象，有少量气泡在叶片进口附近出现，当流量减小至640 m³/h时，气泡明显增多，研轴向和径向方向扩展。当流量进一步减小，减小至泵现场工艺流量时（Q=592 m³/h）叶片内部出现了大量气泡，空化现象严重。

1.2.2现场拆机检测

G-410A/B泵自2015年以来多次出现了故障，其中由故障拆机3次，其中故障类型主要可以分为3类，一是叶轮与耐摩盘接触，如图3（a）；二是主轴断裂，如图3（b）；三是叶轮开裂，如图3（c）。通过对现场泵运行情况进行了测试，获得了G-410A/B泵的频谱特性曲线，如图4所示。

图4 G-410A/B泵谱图图

从图4中可以看到，G-410A/B泵的主要振动频率为6倍频叶片通过频率，在3 000 Hz附近出现了高频振动，但此时的频率幅值相对较弱，说明此时泵内部已经发生汽蚀，但汽蚀不是很严重，还没有扰乱主流，振动频谱尚未上升为主要因素。综上所述，经过上数值模拟和现场测试，判断该泵在规定的介质和操作条件下，基本处于汽蚀状态。

2.汽蚀性能优化

2.1 优化措施

从上节可以得到，G-410A/B泵反复出现故障的原因为汽蚀引起的高频振动。所以，在性能优化方面，本文重新对泵头进行设计，叶轮采用高抗汽蚀水力设计方法，降低泵的必须汽蚀余量，借助CFD技术对泵内部流场进行性能预测，达到优化的目的。其中，在高抗汽蚀叶片水力模型设计时，主要采取的措施有：

（1）增加了叶轮进口直径，减少进口流速；
（2）增大了叶片进口安放角，减少叶片的弯曲，增大叶片进口过流面积，减少叶片的排挤；
（3）增加了叶片进口宽度，进口过流面积增加，减少进口流速；
（4）增加了前盖板的曲率半径，减少前盖板的流速和改善速度分布的均匀性；
（5）叶片进口边适当向进口延伸并减薄，叶片提早接受液体的作用，增加叶片的表面积，减少叶片工作面和背面的压差。

另外，在汽蚀性能优化时，在保证现场工艺所需流量、扬程重要工艺参数的基础上，降低了设计流量（Q=530 m³/h、扬程H=105 m），改善运行过程中的泵的必须汽蚀余量NPSHr，降低至NPSHr=2.5 m。其中，优化后的叶轮外形尺寸示意图如5所示。

图5 优化后的泵装备示意图

2.2 性能预测

本文采用数值模拟技术对优化后的泵内部流场进行了预测，如图6所示。其中图6（a）为压力分布，图6（b）为速度云图，图6（c）为速度矢量分布。从压力分布图可以看出，在叶轮进口附近存在低压区，随着流体从进口到出口的流动中，压力不断增大；从速度云图可以看出，整体速度分布相对较为均匀，高速区域主要出现在流体进入叶片以后，随着流道不不断减小，速度逐渐增大；从速度矢量图可以看出，整体速度矢量分布较为合理，但靠近叶片附近仍存在局部回流现象，对应压力分布发现，该处的压力远大于临界空化压力，不会发生汽室现象。

图7为新G-410A/B泵的试验性能曲线图。从图中可以得到，优化后的泵扬程和汽室余量均能达到设计的要求。此泵在泵体内具有前后衬板（如图5所示），对在腐蚀、磨蚀程度高的工况中，只需更换前后衬板即可，增加了泵体、泵盖的使用寿命。前衬板为可调式衬板，后衬板的调整可通过调整轴承前后调整垫的厚度，在叶轮及衬板发生磨损而导致泵性能下降时，可以通过调节前衬板以及后衬板继续使用，增加易损件的寿命，从而达到节约成本的目的。

结语

本文以某石化PTA中的G-410A/B加压进料泵为研究对象，采用了数值模拟方法对泵现场运行工况下的汽蚀性能进行了分析，得到不同条件下的汽蚀分布，并对现场泵振动特性进行了测试，得到了泵的频谱特性曲线，获得了泵频繁故障的主要原因，并提出了相应的优化措施，主要结论如下：

（1）当泵在设计工况下运行时，泵叶片进口附近已经出现了汽蚀现象，但气泡量较少。随着流量的减小，气泡明显增多，当流量减小至现场工艺工况时，泵内部已经出现了明显的汽蚀现象。
（2）优化后的新叶轮内部流场分布相对较为合理，速度和压力分布较为均匀，经试验验证，无论是泵的扬程还是必须汽蚀余量均能满足设计要求。
综上所述，经过优化后的G-410A/B加压进料泵，自2018年10月装机运行后，运行平稳，运行状态良好，未出现任何故障现象。本文研究结果能够为类似的泵高频振动分析提供参考。