鄧樓泵站機(jī)組葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)事故處理分析

張方磊，黃雪梅，劉 輝

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南250109）

鄧樓泵站是南水北調(diào)東線工程的第十二級抽水梯級泵站，山東境內(nèi)的第六級抽水泵站，工程位于山東省梁山縣。工程設(shè)計規(guī)模為100 m3/s，泵站共安裝4 套水泵機(jī)組，3 用1 備，總裝機(jī)容量8 960 kW。泵站設(shè)計揚(yáng)程為35.7 m，年運(yùn)行時間3 770 h，年調(diào)水量13.60 億m3。水泵葉輪直徑3150mm，轉(zhuǎn)速125r/min。主水泵采用3150ZLQ33.5-3.57 型立式機(jī)械全調(diào)節(jié)軸流泵，配套TL2240-48 型立式同步電動機(jī)，泵裝置采用肘形流道進(jìn)水，虹吸式流道出水，真空破壞閥斷流。額定功率2 240 kW。

鄧樓泵站于2013 年5 月試運(yùn)行驗(yàn)收后投入運(yùn)行，1#機(jī)組已安全累計運(yùn)行8 600 臺時，累計抽水量9.3 億m3。1#機(jī)組在后期運(yùn)行中逐漸顯現(xiàn)調(diào)節(jié)葉片角度時流量增減不明顯，葉片角度與流量不匹配，且運(yùn)行中存在機(jī)組振動擺度偏大，工況逐漸惡化。通過水下檢查發(fā)現(xiàn)葉片間隙不均勻，于2019 年非調(diào)水期對1#機(jī)組進(jìn)行了解體大修。

1 機(jī)組解體過程中的異?，F(xiàn)象

1.1 機(jī)組上導(dǎo)瓦上邊緣磨損痕跡明顯

解體中發(fā)現(xiàn)8 塊上導(dǎo)瓦均出現(xiàn)不同程度磨損，位置位于瓦面上半部位，約占導(dǎo)瓦面積的1/3～1/4，其中進(jìn)水側(cè)瓦磨損最嚴(yán)重，磨損約占瓦面積的2/3，平均磨損深度約0.06 mm。

1.2 水泵水導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸頸磨損

測量水導(dǎo)軸承內(nèi)徑，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出水方位內(nèi)徑變大磨損最嚴(yán)重，磨損部位在出水側(cè)，深度約0.9 mm，面積300 mm×500 mm。水導(dǎo)軸頸出現(xiàn)了偏磨，磨損面積約為400 mm×500 mm，占軸承軸頸總面積的1/3，經(jīng)與葉輪葉片位置比對，磨損方位為3#葉片出水方位。水導(dǎo)軸頸實(shí)際加工直徑尺寸為380 mm，經(jīng)測量最大磨損部位直徑為379.10 mm，磨損部位深度達(dá)0.90 mm。

1.3 水泵葉輪室不銹鋼襯套有明顯剮蹭現(xiàn)象

水泵葉輪室不銹鋼襯套有明顯剮蹭現(xiàn)象，剮蹭位置垂直方向在出水側(cè)兩半泵殼接縫處成基本對稱方位，水平方向在葉輪外殼中心線上方。剮蹭高度195 mm，寬度275 mm，剮蹭平均深度約0.5 mm。

1.4 水泵葉輪葉片安放角度不一致

檢查發(fā)現(xiàn)葉輪的三個葉片中1#葉片角度為-11.8°，2#、3#葉片角度均為-10°，1#葉片角度顯示值較其余兩片顯示值約小1.8°。2#、3#葉片上角邊緣有剮蹭痕跡，2#葉片剮蹭位置在葉片上邊緣，長度約100 mm，3#葉片剮蹭位置在葉片中上邊緣，長度約400 mm。

1.5 葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)操作架斷裂

由于3 個葉片安放角度不一致，分析轉(zhuǎn)子體內(nèi)部轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)存在定位偏差或發(fā)生故障，查找問題需進(jìn)入轉(zhuǎn)子體內(nèi)部進(jìn)行檢查。經(jīng)充分論證后決定打開轉(zhuǎn)子體下蓋進(jìn)行問題查找，發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)葉機(jī)構(gòu)操作架上部3 個肋板均存在不同程度裂縫，其中1#葉片對應(yīng)肋板部位裂痕明顯，呈開口狀裂縫寬度約3 mm，2#、3#葉片對應(yīng)肋板部位可見明顯裂痕。

2 操作架斷裂原因

2.1 操作架斷裂變形后加劇構(gòu)件磨損

1#葉片對應(yīng)操作架斷裂裂縫較大，變形嚴(yán)重，2#、3#葉片操作架只出現(xiàn)裂紋，變形較輕，與機(jī)組解體時1#葉片角度為-11.8°，2#、3#葉片角度均為-10°，葉片角度不一致方位相同，問題吻合。從機(jī)組解體原始數(shù)據(jù)測量1#葉片間隙相對2#、3#間隙較大，2#、3#葉片間隙小剮蹭葉輪外殼，實(shí)際測量數(shù)據(jù)與理論相符。

通過分析得知，1#機(jī)組上導(dǎo)瓦磨損、葉輪蹭殼、水導(dǎo)軸承磨損、水導(dǎo)軸頸偏磨的是原因?yàn)槿~片角度不一致，造成機(jī)組運(yùn)行工況變差，而葉片角度不一致跟操作架斷裂變形有關(guān)，因此1#機(jī)組出現(xiàn)問題的根源是操作架斷裂變形。

2.2 操作架斷裂變形影響因素

1）超工況運(yùn)行：每年4～6 月是鄧樓泵站水草高峰期，河道中大量水草聚集在泵站攔污柵前，擁堵攔污柵，導(dǎo)致前池進(jìn)水池水位下降，低于設(shè)計最低水位。近兩個調(diào)水年度鄧樓泵站機(jī)組直接通過梁濟(jì)運(yùn)河抽調(diào)南四湖水源，前池進(jìn)水池水位經(jīng)常低于設(shè)計最低值，機(jī)組長時間運(yùn)行，工況較差。

2）位置因素：泵站機(jī)組為肘型進(jìn)水流道，中間通過隔墩分為兩孔，1#機(jī)組處于泵站邊緣位置，整體過流條件差?？拷M(jìn)水池中心線的孔口，過流條件稍好，靠近邊墻的孔口，過流條件較差，兩股水流在隔墩末端交匯時，余能沒有完全抵消，不平衡力長期作用在葉片上。

3）基礎(chǔ)沉降機(jī)組垂直同軸度變化：泵站主廠房底板為整體性結(jié)構(gòu)一次澆筑成型，沒有分縫。根據(jù)鄧樓泵站12～16 年安全監(jiān)測結(jié)果顯示主廠房整體沉降約11 mm，其中上游左側(cè)沉降15 mm，上游右側(cè)沉降11 mm，下游左側(cè)沉降10 mm，下游右側(cè)沉降9 mm，16 年以后測量數(shù)據(jù)變化不大，廠房逐漸穩(wěn)定。廠房基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致機(jī)組垂直同軸度發(fā)生變化，惡化了機(jī)組運(yùn)行工況。

4）異物卡阻因素：過水水流混入大型異物，當(dāng)異物經(jīng)過葉輪室時突然撞擊卡阻葉片，導(dǎo)致操作架斷裂。

5）設(shè)計制造因素：設(shè)計中操作架受力分析不到位，加工制造工藝有瑕疵或存在缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，機(jī)組長期運(yùn)行，操作架疲勞受力出現(xiàn)裂縫。

3 處理措施

3.1 軸瓦處理

1）上導(dǎo)瓦的處理。上導(dǎo)瓦為巴氏合金瓦，對于磨損的導(dǎo)瓦重新研刮以滿足要求。

2）水導(dǎo)軸承處理。水導(dǎo)軸瓦為賽龍軸承，軸瓦采用條塊狀賽龍瓦塊插在鑄不銹鋼的分半式軸承體上，分半結(jié)構(gòu)便于檢修更換。機(jī)組解體后對原水導(dǎo)軸承再預(yù)裝檢查，內(nèi)徑明顯超標(biāo)，軸瓦磨損量已不適合再繼續(xù)使用，更換備用水導(dǎo)軸承。

3）水導(dǎo)軸頸處理。由于現(xiàn)場不具備加工條件，因此對泵軸進(jìn)行返廠維修。將水導(dǎo)軸頸單邊去除3 mm，然后PT 檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷焊補(bǔ)消除。水導(dǎo)軸頸底徑加工后，堆焊單邊厚度不小于3 mm不銹鋼材料，堆焊后保證留有車削余量。最后按設(shè)計要求恢復(fù)出廠尺寸：以兩端法蘭止口為基準(zhǔn)，校直泵軸，采用專用磨頭進(jìn)行磨加工，測量軸頸直徑尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)，表面粗糙度達(dá)到0.8 μm，合格后出廠。

3.2 操作架更換

原操作架采用ZG270-500 整體鑄造，斷裂上肋板寬度30 mm，操作架板整體厚度30 mm，已無法再用，廠家訂做鑄造新件。新訂做操作架采用ZG310-570 整體鑄造，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度更高，肋板尺寸寬度加大到56 mm，并且在3 個斷裂的肋板附近兩面均增加了一圈寬度30 mm 環(huán)形肋，操作架板整體厚度也增加到40 mm，大大提高了其強(qiáng)度。鑄造加工完畢后做靜平衡檢查，最大外圓處允差小于250 g，合格后出廠。

3.3 葉片安放角度一致性處理

檢修現(xiàn)場條件有限，準(zhǔn)確恢復(fù)3 個葉片角度一致性及如何測量驗(yàn)收是安裝難點(diǎn)。安裝操作架調(diào)整葉片角度。安裝操作架3 個葉片準(zhǔn)確恢復(fù)設(shè)計0°角。連接操作桿與電機(jī)拉桿、電機(jī)拉桿與轉(zhuǎn)輪體，在推力頭與操作桿間安裝2 個25 t 千斤頂，用千斤頂升降操作桿。打緊操作架主軸螺栓，松開操作架連接的3 個葉片拐臂的螺栓，操作架升降時葉片拐臂不動。把3 個葉片按機(jī)械指示位置都調(diào)整到0°。用千斤頂升降操作桿，先升后降再緩緩上升，上升時觀察操作架與3 個葉片拐臂相對位置，當(dāng)有一個拐臂頂住操作架后，停止上升，測量另2 個拐臂與操作架高度，此高度就是葉片拐臂位置需加墊量，加墊后打緊螺栓，測量角度一致性及葉片開度，反復(fù)調(diào)整直至符合標(biāo)準(zhǔn)。

葉輪葉片開度測量。首先將葉片角度調(diào)至設(shè)計0°角，在0°角時葉片開度L 設(shè)計值652.6 mm，葉片為扭曲狀，現(xiàn)場測量工具無法直接測出葉片開度L。間接測量葉片開度L，以固定導(dǎo)葉體止口下平面為基準(zhǔn)，分別測量葉片上下邊緣至固定導(dǎo)葉體止口下平面距離，兩個距離差即為葉片開度。依據(jù)測量結(jié)果，3 個葉片開度均在誤差范圍內(nèi)，操作架安裝驗(yàn)收完成，進(jìn)入下步工序。2#、3#葉片及葉輪外殼剮蹭處不做處理。

3.4 機(jī)組固定部件垂直同軸度調(diào)整

機(jī)組固定部件垂直同軸度調(diào)整分兩步進(jìn)行，首先調(diào)整定子垂直。使定子鐵芯垂直東邊升高0.66 mm，南邊需升高0.3 mm。調(diào)整時兩個方位分別進(jìn)行，在基礎(chǔ)板與下機(jī)架結(jié)合面上加紫銅片墊，注意加墊量不超過三層。其次調(diào)整定子中心，調(diào)整定子中心時以水導(dǎo)軸承軸窩中心為基準(zhǔn)。東西向定子與水泵軸窩的不同軸度為1.83 mm，由于所測半徑東大西小，故定子向西平移才能使定子居中，平移距離為0.915 mm。南北向使定子居中需向北平移距離0.875 mm。平移時兩個方位分別進(jìn)行。由東向西平移時在下機(jī)架梁東邊放一螺桿千斤頂，緩慢頂移，在對面放百分表監(jiān)視平移距離，在垂直方位放百分表監(jiān)視以防偏移。東西向調(diào)整完畢后，再調(diào)整南北向，直至符合要求為止。調(diào)整完畢，進(jìn)行后續(xù)工序。

4 結(jié) 論

大中型水泵機(jī)組葉片調(diào)解機(jī)構(gòu)采用機(jī)械全調(diào)節(jié)是穩(wěn)定可靠的，結(jié)構(gòu)相對簡單，維護(hù)成本低，是水泵發(fā)展的主流形式。本文對鄧樓泵站1#機(jī)組大修過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析研究，找出了問題根源是操作架斷裂造成的，并對斷裂原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析和妥善處理，對泵站設(shè)計、運(yùn)行維護(hù)及設(shè)備制造等提供了借鑒和參考。