肖忠明，顏紅勤，蔣紅櫻，成 立，劉志泉

(1.丹陽市九曲河樞紐管理處，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029；3.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

在許多泵站建設(shè)中，為滿足自引、自排及雙向提水的需求，常常將流道設(shè)計(jì)成“X”形，即雙向流道[1]，如圖1所示。雙向流道泵站雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占地面積小、工程投資省等優(yōu)點(diǎn)[2]，但由于其箱式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，加之雙向流道泵站對(duì)進(jìn)水流道水力設(shè)計(jì)要求較高，目前在實(shí)際應(yīng)用中水力性能普遍較低，運(yùn)行穩(wěn)定性普遍較差[3-4]，在實(shí)際運(yùn)行中故障幾率較高。

圖1 雙向流道泵站示意圖

1 雙向流道泵站常見故障類型

根據(jù)長(zhǎng)期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，雙向流道泵站常見故障類型可分為水力故障、機(jī)械故障、電氣故障3類。水力故障主要表現(xiàn)為不良?jí)毫γ}動(dòng)、水泵葉片和葉輪室的汽蝕；機(jī)械故障有葉調(diào)機(jī)構(gòu)損壞、主水泵部件損壞、液壓?jiǎn)㈤]機(jī)故障、清污機(jī)故障等；電氣故障有站用變壓器故障、直流系統(tǒng)故障等。本文選擇其中的典型故障成因及其解決措施進(jìn)行分析說明。

2 水力故障

2.1 不良?jí)毫γ}動(dòng)

2.1.1 成因

雙向流道泵站由于其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在運(yùn)行時(shí)一端進(jìn)水、一端封閉，在封閉端會(huì)形成一個(gè)死水區(qū)，即盲端。盲端的存在往往導(dǎo)致回流的產(chǎn)生，使進(jìn)水流道內(nèi)易產(chǎn)生渦帶，造成葉輪及機(jī)組不良振動(dòng)[5-6]而引發(fā)泵站故障，嚴(yán)重時(shí)可能危及機(jī)組和泵站安全。另外，雙向流道型式本身存在不可避免的缺陷：出水流道頂板偏高，導(dǎo)軸泵軸長(zhǎng)度增加，運(yùn)行時(shí)擺度過大；出水流道為雙向出水設(shè)計(jì)，主機(jī)組運(yùn)行時(shí)，受盲端靜水區(qū)影響，容易產(chǎn)生較大的水流脈動(dòng)[7]。

2.1.2 解決措施

對(duì)水泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：適當(dāng)縮小導(dǎo)葉擴(kuò)散角度，提高擴(kuò)散管出口斷面高程，這樣有利于改善出水流態(tài)和回收動(dòng)能。對(duì)泵軸過長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在出水流道增設(shè)頂板，將電機(jī)基礎(chǔ)高程下降，使泵軸長(zhǎng)度得以縮短；或者通過增加泵軸直徑，提高泵軸運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。對(duì)導(dǎo)水錐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，選擇合適的型式減少進(jìn)出水渦帶的產(chǎn)生；對(duì)其分段設(shè)計(jì)，采用哈夫連接，以便于對(duì)水導(dǎo)軸承進(jìn)行檢修；利用導(dǎo)水錐將泵軸包裹，減少水流對(duì)泵軸的沖擊，從而減少泵軸振動(dòng)的發(fā)生。

2.2 汽蝕

2.2.1 成因

某些泵站在建設(shè)時(shí)未充分考慮雙向流道的特點(diǎn)，按照普通軸流泵站的泵型設(shè)計(jì)選擇，導(dǎo)致水泵型號(hào)配套不當(dāng)，結(jié)構(gòu)形式不合理。例如某泵站為滿足現(xiàn)場(chǎng)安裝要求，加大葉片與葉輪室之間的間隙，導(dǎo)致葉頂間隙超規(guī)范，機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，振動(dòng)偏大，誘發(fā)汽蝕。還有的泵站位于江河沿岸，進(jìn)出口水位變化較大，水泵長(zhǎng)期偏離高效區(qū)運(yùn)行，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致水泵汽蝕。

2.2.2 解決措施

在進(jìn)行泵站水泵選型時(shí)，應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算，合理設(shè)計(jì)選擇泵站的前池和流道型式，使水流平順地進(jìn)入流道和葉輪室。水泵的汽蝕主要發(fā)生在葉輪室，首先應(yīng)考慮優(yōu)化葉輪室的結(jié)構(gòu)。例如某雙向流道泵站葉輪室由球形改為圓柱形，使葉輪可以直接從葉輪室中抽出和落下，解決了葉輪不便安裝，葉頂間隙不均勻、間隙過大的問題，運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)葉輪室無汽蝕狀況。其次可對(duì)水泵材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，葉片、泵殼等采用不銹鋼等抗汽蝕材料，提高水泵的抗汽蝕性能；對(duì)于已被汽蝕破壞的過流部件可采用表面保護(hù)技術(shù)加以修復(fù)。另外應(yīng)針對(duì)河流水位變化特點(diǎn)考慮更換或重新設(shè)計(jì)合適的泵型，避免水泵偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。在泵站實(shí)際運(yùn)行中，常在泵殼外部安裝傳感器監(jiān)測(cè)振動(dòng)，以判斷汽蝕是否發(fā)生。

3 機(jī)械故障

3.1 葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)損壞

3.1.1 原因

葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)損壞會(huì)導(dǎo)致水泵變角調(diào)節(jié)失靈或者出現(xiàn)偏差，影響泵站的高效運(yùn)行。雙向流道泵站葉調(diào)機(jī)構(gòu)損壞主要在工廠裝配和運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生?？赡苷{(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)內(nèi)的軸承的質(zhì)量差、裝配間隙不符合規(guī)范?？赡苁侨~調(diào)機(jī)構(gòu)與主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同心度不符合要求，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)葉調(diào)機(jī)構(gòu)內(nèi)的軸承徑向受力發(fā)生變形。也可能當(dāng)葉調(diào)系統(tǒng)在停運(yùn)狀態(tài)無油壓，在泵站監(jiān)控系統(tǒng)或在葉調(diào)系統(tǒng)PLC觸摸屏進(jìn)行葉片調(diào)節(jié)控制，由于沒有液壓油，機(jī)組葉片角度無變化，葉角電位計(jì)無葉片動(dòng)作反饋信號(hào)，葉調(diào)系統(tǒng)PLC內(nèi)部程序接收不到葉片角度達(dá)到設(shè)定值的反饋，導(dǎo)致程序一直給步進(jìn)電機(jī)發(fā)調(diào)節(jié)信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)節(jié)杠桿達(dá)到或甚至超過最大正或負(fù)角度，致使配壓閥處于完全打開狀態(tài)。當(dāng)葉調(diào)系統(tǒng)再次投入運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)建立工作油壓，因此時(shí)葉調(diào)系統(tǒng)配壓閥處打開位置，葉片角度迅速增大或減小，達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)定的限位角度，而此時(shí)葉調(diào)的上或下限位開關(guān)已無限位作用(限位開關(guān)僅在葉片調(diào)節(jié)超限時(shí)，斷開步進(jìn)電機(jī)脈沖調(diào)節(jié)信號(hào))，最終導(dǎo)致機(jī)組葉片角度至極限位置。因葉片止點(diǎn)不同，造成不同葉片不均勻受力導(dǎo)致操作架變形，從而導(dǎo)致葉調(diào)機(jī)構(gòu)故障。葉調(diào)機(jī)構(gòu)工作原理圖見圖2。

圖2 葉調(diào)機(jī)構(gòu)工作原理

3.1.2 解決措施

當(dāng)葉調(diào)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損壞時(shí)，應(yīng)對(duì)分離器解體檢查，對(duì)損壞軸承進(jìn)行更換，確保分離器的正常運(yùn)行[8]。還需檢查軸承間隙，如果間隙偏小，調(diào)整軸承壓蓋及其間隙，將其控制在允許范圍內(nèi)。校正調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與主機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的同心度及垂直度，使其符合安裝標(biāo)準(zhǔn)。在活塞上下增加限位塊，在運(yùn)行操作不當(dāng)時(shí)，使正負(fù)極限角度不致造成葉片不均勻受力現(xiàn)象。

3.2 主水泵部件損壞

3.2.1 原因

有的泵站由于受建造時(shí)技術(shù)及施工條件的限制，水泵選型配套不當(dāng)，結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)不合理，使水泵運(yùn)行一段時(shí)間后部件發(fā)生磨損銹蝕。而且雙向流道泵站導(dǎo)葉體常為埋入式的整體，預(yù)埋在混凝土內(nèi)，一旦導(dǎo)葉體發(fā)生故障，無法實(shí)施更換。

3.2.2 解決措施

對(duì)于水泵配套不當(dāng)應(yīng)考慮更換泵型號(hào)，或者對(duì)泵結(jié)構(gòu)形式更新改造。比如某泵站針對(duì)該問題進(jìn)行更新改造，由固定埋入式結(jié)構(gòu)改為豎井筒體式軸流泵結(jié)構(gòu)形式，改用鋼結(jié)構(gòu)泵殼與預(yù)埋的上底座相連，拆卸安裝方便；在混凝土底座植筋預(yù)埋，使導(dǎo)葉與中底座連接起來，整個(gè)水泵部件置于豎井，可方便地從中吊出，大大方便了水泵的安裝維修。

3.3 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)故障

3.3.1 原因

有些雙向流道泵站建設(shè)時(shí)間較早，啟閉機(jī)型式老舊，加工粗糙，密封件容易出現(xiàn)損壞，導(dǎo)致活塞漏油，嚴(yán)重時(shí)甚至不能啟閉。當(dāng)啟閉機(jī)下油封漏油時(shí)，水和雜質(zhì)會(huì)隨活塞桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入油缸，導(dǎo)致液壓油發(fā)生乳化，沉積物增多，進(jìn)而致使閥門銹蝕和堵塞，甚至造成系統(tǒng)失靈，啟閉機(jī)不能自動(dòng)鎖定，發(fā)生跌落，不僅嚴(yán)重影響泵站運(yùn)行，更易引發(fā)安全事故。這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的液壓油在回油箱和凈油箱中只靠壓力濾油機(jī)凈化，如果液壓控制閥件加工精度差，在循環(huán)過程中壓力濾油機(jī)只能將液壓油過濾一次，導(dǎo)致液壓油凈化程度不能滿足液壓控制閥的技術(shù)要求。液壓油長(zhǎng)期在含水和雜質(zhì)的情況下運(yùn)行，形成液壓油凈化不凈的惡性循環(huán)，油質(zhì)不斷乳化，使閥組閥芯銹蝕、堵塞，最終使閥件失去自動(dòng)復(fù)位功能，造成液壓系統(tǒng)故障，影響泵站安全運(yùn)行。

3.3.2 解決措施

若要有效除去油中水分，可在回油箱與凈油箱之間增加真空加熱濾油裝置[9]，使液壓油的凈化程度滿足液壓控制閥的技術(shù)要求。為防止油缸內(nèi)進(jìn)氣銹蝕，保證系統(tǒng)工作可靠性，可改造提升油箱高度，改用寬徑不銹鋼管母管，通過不銹鋼支管連接啟閉機(jī)上腔，保證在開啟或關(guān)閉閘門時(shí)無壓油均充滿啟閉機(jī)上腔。如果啟閉機(jī)柱塞泵仍不能滿足運(yùn)行要求，應(yīng)考慮換用新型優(yōu)質(zhì)的柱塞泵。

4 電氣故障

4.1 直流系統(tǒng)故障

4.1.1 原因

直流系統(tǒng)常見故障有系統(tǒng)失電、接地故障、熔斷器熔斷等。當(dāng)無交流電輸入、元器件損壞、接觸不良時(shí)[10-11]，均可能導(dǎo)致電氣設(shè)備停止運(yùn)行，使直流系統(tǒng)失電。直流系統(tǒng)常見接地故障有絕緣不良、一點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地等，設(shè)備損壞、天氣引起的設(shè)備及端子受潮、電纜表皮絕緣破損、裸露金屬積有灰塵、控制電纜的接頭被滲漏油侵蝕等均可能引起接地故障。

4.1.2 解決措施

對(duì)于直流系統(tǒng)失電故障，可先用電壓表測(cè)量蓄電池組兩端電壓，若電壓顯示240V左右，說明蓄電池組正常連接，電池性能正常；然后沿蓄電池組放電回路依次檢査輸出電壓，看各進(jìn)、出線端是否有電壓顯示；若某處無電壓顯示，說明故障極有可能出在此處；之后再通過拆線檢查，確定其故障原因。對(duì)于直流系統(tǒng)接地故障，處理方法有拉回路法和儀器定位法。應(yīng)用拉回路法，切斷各直流回路時(shí)，切斷時(shí)間不能超過3 s，屆時(shí)無論故障報(bào)警信號(hào)是否消除均應(yīng)合上。若接地出現(xiàn)在某一回路，有環(huán)路的先解環(huán)，再采用取熔絲和拆端子的方法，直至找到故障位置并解決。

5 總 結(jié)

雙向流道泵站運(yùn)行水位常常變化較大，死水區(qū)的存在導(dǎo)致了回流的產(chǎn)生，這是誘發(fā)不良?jí)毫γ}動(dòng)、汽蝕等水力故障的重要原因。雙向流道型式的特點(diǎn)往往導(dǎo)致泵軸過長(zhǎng)，流道水流脈動(dòng)壓強(qiáng)差更容易引發(fā)泵軸振擺，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，發(fā)生機(jī)械故障。直流系統(tǒng)失電、絕緣不良等引發(fā)電氣故障。故障發(fā)生時(shí)應(yīng)根據(jù)其類型和特點(diǎn)進(jìn)行解決和預(yù)防，在日常運(yùn)行中注意對(duì)泵站進(jìn)行維護(hù)和檢修，減少泵站水力故障、機(jī)械故障和電氣故障的發(fā)生頻率。很多故障都是由于流道設(shè)計(jì)、水泵選型、安裝不合理引起的，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的流道和水泵型式，這對(duì)減少故障的發(fā)生至關(guān)重要；制造人員應(yīng)提高主機(jī)泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造工藝，生產(chǎn)合格優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品部件；泵站工作人員應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際不斷深入學(xué)習(xí)、探索和實(shí)踐，加強(qiáng)巡視和管理，及時(shí)將泵站故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)。