大型立式軸流泵站典型故障調(diào)查分析

李松柏，孫 濤，成 立，張博文

（1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司，江蘇南京210029；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇揚州225000）

0 引 言

大型泵站機組的故障診斷與預(yù)防一直是泵站安全穩(wěn)定運行、發(fā)揮調(diào)水工程效益的關(guān)鍵，隨著我國南水北調(diào)后續(xù)工程高質(zhì)量建設(shè)的推進和全國大中型泵站改造的實施，泵站典型故障的診斷與分析顯得更加重要和迫切。

軸流泵流量大、揚程低，在平原地區(qū)灌溉排澇及城市供排水、排污等方面廣泛應(yīng)用［1］。南水北調(diào)東線梯級泵站使用立式軸流泵較多，江都水利樞紐、淮安一站、淮安二站、淮安四站、泗陽站、劉老澗二站、皂河二站等均采用立式軸流泵機組。由于泵站故障因素復(fù)雜，存在潛在性、模糊性，逐漸發(fā)生難以辨識，因此，典型故障分析有助于工作人員快速讀懂和識別故障，減少泵站工程現(xiàn)場管理對人員經(jīng)驗、能力和數(shù)量的依賴，提升泵站智能化管理效率。

針對國內(nèi)外發(fā)生的大中型泵站機組典型故障事故，許多學者對此展開了大量研究。張銳［2］調(diào)查收集南水北調(diào)泵站常見的故障，分析故障發(fā)生的位置以及原因；在分析影響泵站可靠性因素的基礎(chǔ)上，建立泵站典型故障樹模型，并形成基于故障樹理論的泵站故障分析系統(tǒng)。張宇等［3］分析了勵磁變壓器和整流可控硅運行不良的原因，解決了勵磁滅磁電阻和勵磁變得過熱以及可控硅受損的問題；采取順極性準確角投勵方式，優(yōu)化勵磁投勵電路，實現(xiàn)勵磁精準投勵。孫浩暉等［4］基于泵站電氣設(shè)備運行管理和現(xiàn)場實際發(fā)生故障處理經(jīng)驗，對電氣回路故障排查，方法具有很強的針對性和可操作性。張祺［5］開展了泵站機組狀態(tài)評價與故障分析方法兩方面研究，并結(jié)合南水北調(diào)東線工程管理的需要，開發(fā)了泵站群機組狀態(tài)監(jiān)測分析與遠程協(xié)作診斷系統(tǒng)的原型，能夠?qū)崿F(xiàn)泵站機組設(shè)備的遠程狀態(tài)監(jiān)測。為了提高水電機組運行穩(wěn)定性，徐東海［6］、朱正偉等［7］、錢華明［8］、張禮達等［9］等學者開發(fā)了故障診斷相關(guān)的研究技術(shù)和實測手段，對故障診斷數(shù)據(jù)庫進行歸納總結(jié)。Wei 等［10］研究和設(shè)計了大型水泵電機振動實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，并完成了系統(tǒng)方案設(shè)計、系統(tǒng)搭建和性能測試。Shahrooi 等［11］通過實驗和數(shù)值模擬，研究了泵主軸、支架、聯(lián)軸器和軸承因過度振動而發(fā)生的故障,并利用有限元法從故障源對系統(tǒng)進行修改，探明了疲勞失效的根源。JIANG 等［12］對泵站機組電機頂部、電機機架和聯(lián)軸器在出水方向的振動數(shù)據(jù)進行采集，并對振動信號進行測試分析，找出產(chǎn)生振動的原因，并提出了改進方案。Wang 等［13］對離心泵軸承故障進行診斷，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的解決方案。

泵站系統(tǒng)主要包含設(shè)備、水力、電力等因素耦合產(chǎn)生的復(fù)雜模塊，整體設(shè)備類型較多，因此故障信息源自不同部分，內(nèi)容龐大。當前，對于大型立式軸流泵站機組典型故障的研究大多數(shù)是針對其中一種或一類進行分析，本文從主機組、輔機系統(tǒng)、斷流設(shè)施及主變、站變等幾個方面對大中型立式軸流泵站存在的較為典型故障進行總結(jié)和分析，并且給出了針對性的預(yù)防策略和防治措施。

1 工程概況

本文共調(diào)查了5 座大型立式軸流泵站，泵站基本資料如表1所示。

表1 泵站基本資料

2 故障案例分析

根據(jù)本次收集到的立式軸流泵站故障資料，主要針對泵站的主機組、輔機系統(tǒng)、斷流系統(tǒng)進行故障案例分析，得出上述3 個系統(tǒng)中發(fā)生故障的主要部位以及故障發(fā)生的主要原因。

2.1 主機組

泵站機組的主要作用是轉(zhuǎn)換和傳遞能量，其功能包括翻水調(diào)水、提水排澇、灌溉等，確保主機組的正常運行是泵站安全調(diào)度的重要一環(huán)。根據(jù)前期收集的故障資料分析，主機組故障的主要發(fā)生部位如圖1所示。

圖1 泵站主機組故障主要發(fā)生部位

2.1.1 泵軸及軸承故障

泵站A存在水泵大軸磨損嚴重的現(xiàn)象。在汛前對6臺水泵大軸進行的檢查中曾發(fā)現(xiàn)過最深處的磨損約為3~4 mm。同時，電機推力軸承溫度過高導(dǎo)致燒瓦，造成該故障原因可能為推力軸承結(jié)構(gòu)性缺陷或者現(xiàn)場切割葉片造成的轉(zhuǎn)輪體不平衡。

泵站B 水導(dǎo)軸承磨損嚴重，泵軸局部偏磨較為嚴重。1#機組水導(dǎo)最大2.53 mm，填料2.6 mm；2#機組水導(dǎo)最大磨損2.20 mm，填料1.1 mm；3#機組水導(dǎo)最大磨損2 mm。返廠后經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，軸頸材料中Cr（鉻）含量為5.167%，低于設(shè)計要求。

泵站D的6#水泵軸軸頸磨損，軸頸磨損變?yōu)榇筝S磨損。造成該現(xiàn)象一方面是由于軸瓦原先采用的是橡膠，材質(zhì)選取不合適；另一方面因為前池船閘開啟頻繁，前池流態(tài)差，機組振動大。

泵站E 通過水下檢查發(fā)現(xiàn)，1~5#機組水導(dǎo)軸承磨損嚴重，導(dǎo)致機組運行不穩(wěn)定，振動加大，存在安全隱患。1#機組水導(dǎo)軸頸最大0.18 mm，2#機組水導(dǎo)軸頸最大0.86 mm，3#機組水導(dǎo)軸頸最大0.90 mm，4#機組水導(dǎo)軸頸最大1.6 mm，5#機組水導(dǎo)軸頸最大2.32 mm。在水泵軸、水導(dǎo)軸承返廠維修后，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，軸頸材料中Cr（鉻）含量為4.02%，低于設(shè)計要求。

2.1.2 葉輪及導(dǎo)葉體磨損故障

泵站A 后導(dǎo)葉體存在不同程度損壞，后導(dǎo)葉體螺絲孔變形或變大，無法固定住水導(dǎo)軸承。這是由于機組大修工作量增加，超過了正常周期性大修范圍。

泵站A轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部出現(xiàn)銹蝕，銅襯套損壞，液調(diào)節(jié)機構(gòu)卡死，無法調(diào)節(jié)葉片的角度。據(jù)調(diào)查分析，由于轉(zhuǎn)輪體密封條件不好，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)部進水，導(dǎo)致葉輪內(nèi)部小軸與上下銅套接觸部分銹死，無法通過小軸的上下移動來調(diào)節(jié)葉片。

泵站C 葉輪葉片不能維持固定角度，葉片與葉輪外殼磨擦傷嚴重，葉片角差超差，達37 mm。該故障主要由于機組長時間在惡劣環(huán)境下偏工況運行，如汛期時，加重了軸承的磨損與葉輪葉片汽蝕。

泵站E 葉輪外殼發(fā)生內(nèi)部間隙汽蝕，汽蝕位置為葉輪外殼內(nèi)壁不銹鋼帶下側(cè)寬約10 cm范圍。這同樣是由于機組長時間偏離工況運行，加重了葉輪汽蝕。

2.1.3 葉調(diào)機構(gòu)故障

泵站C 存在葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)存在滲油現(xiàn)象，葉片與葉輪室有碰撞摩擦導(dǎo)致嚴重變形。分析其原因為泵站巡檢檢測力度不到位，在設(shè)備開始出現(xiàn)老化損壞趨勢時就應(yīng)及時維修更換，而不應(yīng)該在損害影響到機組正常運行時才進行維護。

泵站D 發(fā)生過主機葉調(diào)機構(gòu)甩油現(xiàn)象，影響設(shè)備安全運行。分析故障原因為受上下游水位影響，船閘開啟頻繁，機組振動加劇，葉調(diào)機構(gòu)浮動套和小軸磨損其間隙增大，造成漏油量增大，無法及時排到回油箱。

2.1.4 定子與轉(zhuǎn)子故障

泵站A在運行中6 kV總進線跳閘，導(dǎo)致了全站停機。經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)是電機定子繞組匝間短路的故障。分析其事故原因是由于定子繞組在生產(chǎn)過程中浸漆處理時存在空隙，在潮濕環(huán)境下繞組易吸潮，使得絕緣電阻偏低。加之，當日空氣濕度較大，在操作過電壓作用下，造成電機絕緣損壞，導(dǎo)致本次故障的發(fā)生。

2.2 輔機系統(tǒng)故障

大型立式軸流泵站輔機系統(tǒng)的故障種類多，原因復(fù)雜。輔機系統(tǒng)由于關(guān)系到供排水、潤滑油、液壓油、斷流設(shè)施等，其故障對泵站運行有較大影響，嚴重時可造成泵站停機。輔機系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在以下部位，如圖2所示。

圖2 輔機系統(tǒng)故障主要發(fā)生部位

泵站E 供水母管出現(xiàn)不均勻沉陷現(xiàn)象，造成供水母管受力，加之供水母管老化，管道薄弱處破裂，導(dǎo)致水流大量向外噴射。據(jù)調(diào)查，管道材料為鑄鐵管，斷裂部位位于第一段鑄鐵管中間接縫部位，且破裂部位外部包裹石棉制品，因此管道受損情況無法被及時發(fā)現(xiàn)。

泵站E 的油壓裝置發(fā)生過2 次壓力不足現(xiàn)象，在排查了壓力開關(guān)后，檢修人員發(fā)現(xiàn)是卸荷閥與手動泄壓閥損壞引起了本次故障。在更換故障閥件后，裝置運行恢復(fù)正常，壓力穩(wěn)定。此外，該站1 號油壓裝置運行過程中發(fā)生異常，工作人員檢查后發(fā)現(xiàn)是PLC模塊故障導(dǎo)致，在對其進行更換后再次運行，裝置運行良好。

2.3 斷流設(shè)施故障

斷流設(shè)施根據(jù)機組結(jié)構(gòu)和出水流道不同，立式軸流泵站大多使用真空破壞閥斷流、快速閘門斷流及拍門斷流。斷流設(shè)施一方面需要確保機組在日常以及出現(xiàn)事故時可以迅速停穩(wěn)，防止飛逸事故的發(fā)生；另一方面確保人民財產(chǎn)安全，免受洪澇威脅。根據(jù)調(diào)查資料，斷流設(shè)施故障主要發(fā)生部位如圖3所示。

圖3 斷流設(shè)施故障主要發(fā)生部位

泵站C 快速閘門開度值偏差較大，閘門開啟時到達一定高度才顯示開度值，而閉門時閘門未完全關(guān)閉時，開度顯示值已經(jīng)顯示0，且停止閉門動作。低溫時閘門開度傳感器顯示跳躍幅度更大。分析其故障原因為內(nèi)置式的閘門傳感器發(fā)生故障，該傳感器位于活塞桿中間，導(dǎo)致開度值發(fā)生較大偏差。

泵站E出現(xiàn)閘門開啟過載現(xiàn)象。卷揚機在運行工況下，短時內(nèi)有過載報警。分析其故障原因為閘門肋板設(shè)計不盡合理，導(dǎo)致水流流動正負壓過大，且設(shè)計時卷揚機選用余量不大。

2.4 主變、站變故障

過壓跳閘，接觸器、接線燒毀、開關(guān)柜故障等，均可歸納為主變、站變故障。

泵站C運維人員檢查發(fā)現(xiàn)高壓開關(guān)柜進線開關(guān)靜觸頭故障。同時檢查發(fā)現(xiàn)進線開關(guān)A 相靜觸頭有局部燒損放電痕跡，開關(guān)體動、靜觸頭到達工作位后實際工作接觸面不夠，接觸深度?。?~10 mm），造成間隙放電，該結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷。

泵站D出現(xiàn)110 kV主變輕瓦斯故障報警，影響了設(shè)備正常投入使用，這是由于35 kV 側(cè)分接開關(guān)觸頭接觸不良造成的。

3 典型故障預(yù)防策略和防治措施

根據(jù)上述主機組、輔機系統(tǒng)、斷流設(shè)施及主變、站變故障現(xiàn)象，總結(jié)了如下針對大型立式軸流泵站典型故障的預(yù)防策略和防治措施。

3.1 泵軸及軸承故障

3.1.1 及時更換軸承、導(dǎo)軸瓦材料

江都站采用了塑料軸瓦，代替巴氏合金瓦；皂河二站軸頸重新堆焊加工，并根據(jù)軸頸加工尺寸對水導(dǎo)軸承配合加工；劉山站將水導(dǎo)材質(zhì)更換為聚氨酯，部分機組水導(dǎo)材質(zhì)更換為研龍。以上泵站通過更換軸承、導(dǎo)軸瓦材料都得到了較為理想的效果，因此在泵站設(shè)計時，應(yīng)充分考慮各種材料的優(yōu)缺點，選取適合該泵站的軸承、導(dǎo)軸瓦。

3.1.2 加注潤滑脂材料

機組運行過程中，若出現(xiàn)軸承溫度異常上升，表明軸承潤滑脂缺少，可通過加注潤滑脂解決該故障。

3.1.3 加強泵站管理

及時發(fā)現(xiàn)缺陷，防止故障擴大，加強運行過程軸承磨損的檢查，及時掌握不同軸承的運用效果。

3.2 葉輪及導(dǎo)葉體磨損故障

3.2.1 噴涂抗汽蝕材料

針對葉輪發(fā)生葉輪外殼內(nèi)壁汽蝕嚴重現(xiàn)象，可以噴涂高強度耐汽蝕的材料，加強其抗汽蝕性能。5 號泵站在發(fā)現(xiàn)葉輪汽蝕損傷后及時使用TS101 鑄鐵修補劑及環(huán)氧樹脂對其進行修補，使用后水泵運行平穩(wěn)，修復(fù)效果好。

3.2.2 優(yōu)化泵裝置

對于因為泵裝置自身性能缺陷而引起的葉輪汽蝕，可以通過優(yōu)化泵裝置來消除故障，即優(yōu)化葉調(diào)機構(gòu)、葉輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、流道布置形式［7］。此外，若機組長時間在偏工況、低效區(qū)運行，同樣會加重水泵汽蝕，除特殊情況外應(yīng)當避免水泵偏工況運行，使水泵在高效率區(qū)間運行。

3.3 葉調(diào)機構(gòu)故障

3.3.1 更換葉調(diào)機構(gòu)浮動環(huán)、浮動套和小軸等

受上下游水位影響，機組振動加劇，葉調(diào)機構(gòu)浮動套和小軸磨損其間隙增大，造成漏油量增大，無法及時排到回油箱，影響設(shè)備安全運行，此時應(yīng)及時更換葉調(diào)機構(gòu)浮動環(huán)、浮動套和小軸。

3.3.2 受油器放氣閥選用較長和較大的堵絲

若機組葉調(diào)機構(gòu)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，設(shè)計時受油器放氣閥應(yīng)選用較長和較大的堵絲，且安裝時在堵絲上包裹耐油生膠帶，防止?jié)B油和脫落。

3.4 電機定子短路故障

電機定子繞組匝間短路的故障一旦發(fā)生，需及時返廠更換線圈。若旱情緊張，可采用現(xiàn)場臨時處理方案“丟線圈法”對電機定子繞組進行應(yīng)急處理，等到水情緩解以后再返廠維修。但需要對電機繞組進行“丟線圈法”處理，并通過直流耐壓及泄漏電流和交流耐壓試驗。

3.5 斷流設(shè)施故障

3.5.1 定期巡檢

定期檢查閘門，閘門的門槽、門庫、門底坎和門蓋座等位置應(yīng)重點維護，檢查閘門是否能夠正常運行。

3.5.2 采用與泵裝置匹配的閥組（件）

很多故障都是由于閥件本身缺陷或者閥件與泵裝置匹配度差而引起的，因此對于閥組（件）的采購測試應(yīng)當引起足夠的重視。

3.5.3 及時更換傳感器，日常護理開度儀

加大對開度儀定期巡檢的力度，組織人員對閘門附近的雜物進行定期清理以提高傳感器精度，可以避免很多由于開度儀引起的故障發(fā)生。

3.6 主變、站變故障

3.6.1 更換適宜的勵磁設(shè)備

在當前設(shè)備不符合泵站運行要求時，需要結(jié)合泵站運行環(huán)境與運行要求等多方面因素，選擇更加合適的勵磁設(shè)備。

3.6.2 定期進行檢修

定期對分接開關(guān)等重要部位進行檢修，對老化損壞的主變、站變各類儀器及時更換。

4 結(jié) 論

本文調(diào)查歸納了部分大型立式軸流泵站的典型故障，重點分析了故障發(fā)生原因并提出相應(yīng)解決方案與預(yù)防措施?？梢钥闯隽⑹捷S流泵機組故障原因繁多且復(fù)雜，因此，合理的防治措施可大大減少泵站故障帶來的損失與危害，提高泵站安全運行效率。