燈泡貫流泵典型故障診斷分析

施 偉， 蔡瑞民， 李松柏， 孫 濤， 成 立， 羅 燦

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司， 江蘇 南京 210029；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院， 江蘇 揚(yáng)州 225009)

泵站故障的監(jiān)測(cè)與預(yù)防一直都是泵站運(yùn)行中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，嚴(yán)重泵站故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)泵站停止運(yùn)行，輕微的故障也可能會(huì)對(duì)泵站運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，國(guó)內(nèi)外很多泵站都有因?yàn)楸谜竟收隙鴵p失慘重的先例，因此，必須要對(duì)泵站各類典型故障及應(yīng)對(duì)方式有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。

燈泡貫流泵具有流量大，效率高，水力性能優(yōu)的特點(diǎn)，南水北調(diào)工程有多組泵站采用燈泡貫流泵，金湖站、淮安三站、淮陰三站、泗洪站、藺家壩站都采用了燈泡貫流泵機(jī)組，燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障種類繁多且原因復(fù)雜，國(guó)內(nèi)泵站運(yùn)維人員對(duì)于燈泡貫流泵的使用與管理經(jīng)驗(yàn)還有不足。

針對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)生的大型燈泡貫流泵典型故障事故，國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究，胡立新[1]對(duì)燈泡貫流泵軸承潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障進(jìn)行了分析，并且提出相應(yīng)的對(duì)策；孫洪斌等[2]對(duì)淮安三站運(yùn)行中泵機(jī)組出現(xiàn)的異常振動(dòng)、氣蝕嚴(yán)重、啟動(dòng)困難，電機(jī)超功率運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了匯總，借助資料對(duì)故障原因進(jìn)行了詳細(xì)分析總結(jié)；董于[3]對(duì)淮安三站葉輪氣蝕問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)剖析，針對(duì)葉輪氣蝕提出了多個(gè)可能原因與解決措施；林琳等[4]總結(jié)了臥式貫流泵常見(jiàn)的故障類型，包括軸承故障，電機(jī)故障，主軸磨損等，并提出了故障維修處理措施；黃建[5]研究了蘇州裴家圩泵站運(yùn)行過(guò)程中一次軸承故障事故與修復(fù)方案，該泵站的修復(fù)方案中將油潤(rùn)滑方式改為了水潤(rùn)滑，并且采用了加拿大賽龍軸承公司生產(chǎn)的賽龍軸承，為同類型泵站機(jī)組的運(yùn)行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

目前對(duì)于燈泡貫流泵典型故障的研究大多數(shù)是針對(duì)一種或一類典型故障進(jìn)行分析，本文從軸承、葉輪、斷流設(shè)施、變壓器和勵(lì)磁設(shè)備等幾個(gè)方面對(duì)燈泡貫流泵存在的故障進(jìn)行歸納和分析，并且給出了針對(duì)性解決方案與預(yù)防措施。

本文共統(tǒng)計(jì)了5座實(shí)際工程中的大型燈泡貫流泵站典型故障案例，5座泵站的部分參數(shù)如表1所示。

表1 泵站基本信息

典型燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：進(jìn)水錐管，葉輪部件，導(dǎo)葉部件，外錐體，內(nèi)錐體，電機(jī)殼體，導(dǎo)流帽，引水帽，機(jī)械密封，軸承，電機(jī)，出水管。

圖1 燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)圖

1 燈泡貫流泵典型故障案例

燈泡貫流泵常發(fā)生的典型故障事故有：軸承故障、葉輪故障、斷流設(shè)施故障、主變站變故障和勵(lì)磁系統(tǒng)故障等。很多故障雖然未引發(fā)嚴(yán)重的后果，但仍應(yīng)當(dāng)引起泵站運(yùn)維人員足夠的重視。

1.1 軸承故障

燈泡貫流泵軸承故障歸結(jié)起來(lái)主要有軸承缺油、漏油，密封圈老化損壞等，具體故障如下：

(1)1號(hào)泵站近年來(lái)發(fā)生過(guò)數(shù)次軸承故障事故，大多及時(shí)發(fā)現(xiàn)未造成嚴(yán)重后果，2018年4#主機(jī)組運(yùn)行時(shí)主軸承缺少油脂溫度異常升高，2019年接連發(fā)生4#機(jī)組推力軸承加油口漏油，油壓裝置故障。

(2)1號(hào)泵站貫流泵共設(shè)置了1套SKF推力軸承和3套徑向軸承來(lái)承受機(jī)組運(yùn)行時(shí)的軸向力，徑向力與機(jī)組重力，推力軸承為一套滾動(dòng)推力軸承組，采用油浴潤(rùn)滑，冷卻水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，葉輪前后導(dǎo)軸承為SKF滾動(dòng)軸承，油脂潤(rùn)滑，自然冷卻[6]。1號(hào)泵站軸承采用了油浴潤(rùn)滑與油脂潤(rùn)滑，以油液的相對(duì)運(yùn)動(dòng)代替固體間的摩擦，以此防止軸承的磨損與燒毀，但該潤(rùn)滑方式對(duì)潤(rùn)滑油質(zhì)量、油膜厚度、油液補(bǔ)給等條件有較高要求，如果工作人員疏忽沒(méi)有及時(shí)加油，容易導(dǎo)致軸承溫度異常升高等類似事故。

(3)3號(hào)泵站發(fā)生過(guò)電機(jī)側(cè)軸承滲油的故障，該故障發(fā)生的原因是軸承的O型密封圈硬化而導(dǎo)致的漏油，這也是一種泵站運(yùn)行中常見(jiàn)的故障。

(4)5號(hào)泵站也發(fā)生過(guò)與3號(hào)泵站類似的軸承漏油故障，發(fā)生原因是推力軸承的安裝質(zhì)量沒(méi)有達(dá)到要求。除此之外5號(hào)泵站還發(fā)生過(guò)一起滾動(dòng)軸承故障，電機(jī)側(cè)徑向圓柱滾子軸承內(nèi)圈出現(xiàn)貫穿型裂紋，這是一起由于機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)和軸承自身質(zhì)量問(wèn)題引起的故障。

1.2 葉輪故障

燈泡貫流泵葉輪故障主要為葉輪氣蝕、砂眼等造成的葉輪損傷，多數(shù)故障與泵站運(yùn)行環(huán)境有關(guān)，具體故障如下：

(1)1號(hào)泵站建立運(yùn)行至今葉輪狀況良好，未發(fā)現(xiàn)葉輪嚴(yán)重氣蝕痕跡，但表面仍有少量氣蝕損傷痕跡，圖2為1號(hào)泵站葉輪損傷圖。根據(jù)該站近年運(yùn)行情況分析可能原因?yàn)橄掠嗡黄x運(yùn)行工況。1號(hào)泵站葉輪為可調(diào)節(jié)式，經(jīng)過(guò)精密設(shè)計(jì)，故應(yīng)不存在安放角度不合適、水流入流方向等問(wèn)題，但1號(hào)泵站在泄洪、排澇時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間偏離工況運(yùn)行，下游水位過(guò)低會(huì)導(dǎo)致機(jī)組過(guò)載，加重葉輪氣蝕。

圖2 泵站葉輪損傷圖

(2)3號(hào)泵站運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的葉片砂眼現(xiàn)象，大部分分散在葉片背面，5只葉片約450余處，砂眼深淺不一，約3～8 mm。其中1只葉片外緣存在貫穿至背面的孔洞。該故障主要是由于葉片材質(zhì)不過(guò)關(guān)和偏工況運(yùn)行導(dǎo)致的。

(3)5號(hào)泵站葉輪外殼處發(fā)生過(guò)輕微氣蝕，也是由于偏揚(yáng)程工況運(yùn)行造成的，在低水位工況運(yùn)行下有時(shí)甚至下游水位比上游水位高。

1.3 斷流設(shè)施故障

斷流設(shè)施包括工作門、液壓閘門、快速閘門等，斷流設(shè)施故障主要包括傳感器、開(kāi)度儀損壞，閥件、液壓桿損壞等，具體故障如下：

(1)1號(hào)泵站近3年運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了8起不同工作門故障事件，故障原因大多為開(kāi)度儀問(wèn)題，如2019年發(fā)生了2起因開(kāi)度儀器問(wèn)題而導(dǎo)致的工作門故障，一起為開(kāi)度儀上的傳感器附件漂浮物影響了傳感器的感應(yīng)，鋼絲繩無(wú)法收回，造成工作門無(wú)法正常啟閉；另一起故障原因?yàn)殚_(kāi)度儀固定桿斷裂，水流將固定桿沖向外側(cè)傾倒，使鋼絲繩無(wú)法向外拉伸，使得開(kāi)度儀顯示為負(fù)值，見(jiàn)圖3。

圖3 泵站工作門故障

(2)3號(hào)泵站發(fā)生過(guò)工作門、事故門開(kāi)啟后開(kāi)度儀不顯示的故障，故障原因顯而易見(jiàn)為開(kāi)度儀故障所致。

(3)4號(hào)泵站同樣發(fā)生過(guò)事故門工作門開(kāi)度儀顯示故障，閘門無(wú)法開(kāi)啟，該故障是由于靜磁柵位移傳感器滲水而導(dǎo)致主板路短路，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器損壞，最終造成事故門工作門故障。

(4)5號(hào)泵站液壓閘門、工作門、快速閘門均發(fā)生過(guò)故障，液壓閘門由于截止閥故障而導(dǎo)致油箱滿溢，事故門由于設(shè)備局限性而經(jīng)常停止運(yùn)行，快速閘門故障原因?yàn)槠湟簤簵U長(zhǎng)期浸泡在水中，容易形成污垢，閘門提升時(shí)容易卡阻，損壞液壓缸密封。

根據(jù)以上案例分析，雖然斷流設(shè)施故障原因各不相同，但事故門、閘門故障與其余機(jī)械故障相比出現(xiàn)頻率更高，這可能與燈泡貫流泵工作門運(yùn)行環(huán)境惡劣有關(guān)。

1.4 主變、站變故障

主變、站變故障可歸結(jié)為過(guò)壓跳閘，接觸器、接線燒毀，開(kāi)關(guān)柜故障等，具體故障如下：

(1)1號(hào)泵站在2018年11月運(yùn)行期間發(fā)生主變后備保護(hù)零序過(guò)壓跳閘。經(jīng)檢查1號(hào)泵站主變后備保護(hù)中零序過(guò)壓定值為18 V、0.5 s，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了過(guò)壓跳閘。

(2)110 kV主變零序過(guò)壓保護(hù)，零序額定電壓最大值300 V，在電壓升高的情況下鐵芯會(huì)飽和，故電壓無(wú)法完整傳遞到二次側(cè)，實(shí)際能傳出的電壓約為220～230 V，所以零序電壓的動(dòng)作值不宜太大，動(dòng)作電壓300 V，一般取150～180 V，當(dāng)電壓超過(guò)此值時(shí)對(duì)主變中性點(diǎn)絕緣構(gòu)成嚴(yán)重威脅，應(yīng)該盡快跳開(kāi)主變，為了躲過(guò)雷電過(guò)電壓和一些操作過(guò)電壓的影響，取動(dòng)作時(shí)間為0.5 s，以防止誤動(dòng)作。1號(hào)泵站零序過(guò)壓定值為18 V，和動(dòng)作電壓相比過(guò)小，容易發(fā)生跳閘。

(3)4號(hào)泵站發(fā)生過(guò)110 kV主變接觸器燒毀故障與6 kV站邊進(jìn)線柜接線故障。

(4)5號(hào)泵站發(fā)生過(guò)10 kV母聯(lián)開(kāi)關(guān)柜和35 kV站變開(kāi)關(guān)柜儀表盤故障。

1.5 勵(lì)磁系統(tǒng)故障

勵(lì)磁系統(tǒng)故障主要包括各個(gè)部件模塊故障，具體故障如下：

(1)2號(hào)泵站的勵(lì)磁系統(tǒng)自從投運(yùn)以來(lái)有投勵(lì)可控硅經(jīng)常損壞而導(dǎo)致的機(jī)組啟動(dòng)失敗或無(wú)法開(kāi)機(jī)運(yùn)行問(wèn)題、投勵(lì)可控硅擊穿所造成的電機(jī)啟繞組端部開(kāi)焊等問(wèn)題，2號(hào)泵站勵(lì)磁系統(tǒng)有投勵(lì)可控硅損壞擊穿的問(wèn)題，該故障直接導(dǎo)致機(jī)組啟動(dòng)困難，嚴(yán)重影響了泵站正常運(yùn)行。經(jīng)檢查該故障主要是由于上游閘門啟動(dòng)較慢和勵(lì)磁可控硅開(kāi)通電壓不能滿足電機(jī)啟動(dòng)要求所導(dǎo)致的[7]。

(2)3號(hào)泵站運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生過(guò)勵(lì)磁系統(tǒng)故障，故障原因?yàn)檗D(zhuǎn)子到滑環(huán)間的勵(lì)磁線斷裂。

(3)4號(hào)泵站勵(lì)磁觸摸裝置發(fā)生過(guò)故障，原因?yàn)樽詣?dòng)空氣開(kāi)關(guān)內(nèi)部彈簧機(jī)構(gòu)發(fā)生損壞，影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。

2 典型故障解決方案與預(yù)防措施

2.1 軸承故障

(1)建立安全合理的潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)。水泵的推力軸承與導(dǎo)軸承大多為油浴潤(rùn)滑與油脂潤(rùn)滑，金湖站便為油浴潤(rùn)滑與油脂潤(rùn)滑相結(jié)合的方式，因此，必須建立合理的油循環(huán)系統(tǒng)，且對(duì)油質(zhì)要嚴(yán)格把控，低質(zhì)量的油形成的油膜無(wú)法滿足軸承運(yùn)作的需求，及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)油，避免因?yàn)樯儆投鸬挠湍囟壬?，進(jìn)而引起燒瓦。

(2)更換軸承、導(dǎo)軸瓦材料。推力軸承材料主要為巴氏合金推力軸承、滾動(dòng)潤(rùn)滑油推力軸承等，江都站采用了塑料軸瓦代替巴氏合金瓦，得到了較為理想的效果，因?yàn)橥屏ν邽榻?jīng)常燒毀的部件，因此應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況選擇合適的軸瓦材料。

(3)更換合適的潤(rùn)滑系統(tǒng)。水泵導(dǎo)軸承有油潤(rùn)滑金屬軸承與水潤(rùn)滑非金屬軸承，水泵多采用油潤(rùn)滑金屬軸承，但該軸承需要完備的油潤(rùn)滑系統(tǒng)，安裝更換時(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)如果長(zhǎng)時(shí)間不開(kāi)機(jī)運(yùn)行油脂會(huì)產(chǎn)生老化，故如果環(huán)境不允許可以采用水潤(rùn)滑系統(tǒng)。

(4)優(yōu)化軸承密封的安裝精度。由以上案例可以看到有很多起由于軸承密封問(wèn)題而引起的滲油、漏油故障，該類故障往往在更換密封之后便不了了之，但一段時(shí)間之后便會(huì)重復(fù)出現(xiàn)同樣故障。事實(shí)上，該類滲、漏油故障為泵站運(yùn)行中的常見(jiàn)故障，其根本原因?yàn)檩S承密封的安裝問(wèn)題，安裝精度達(dá)不到要求或設(shè)備自身缺陷等，常常出現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組相同的安裝人員卻出現(xiàn)1臺(tái)漏油1臺(tái)正常運(yùn)行的現(xiàn)象，想要徹底解決該類故障，需要從根本上解決技術(shù)問(wèn)題、設(shè)備問(wèn)題，提升設(shè)備自身精度和設(shè)備安裝精度，以此杜絕該類故障的發(fā)生。

2.2 葉輪氣蝕故障

(1)采用高強(qiáng)度耐氣蝕的材料?？梢圆捎酶邚?qiáng)度耐氣蝕的涂料，涂抹在葉片表面防止氣蝕，加強(qiáng)其抗氣蝕性能。1號(hào)泵站在發(fā)現(xiàn)葉輪氣蝕損傷后及時(shí)用耐氣蝕材料進(jìn)行了修補(bǔ)，之后水泵運(yùn)行平穩(wěn)，修復(fù)效果良好。

(2)優(yōu)化泵裝置。對(duì)于因?yàn)楸醚b置自身性能缺陷而引起的葉輪氣蝕，可以通過(guò)優(yōu)化泵裝置來(lái)消除預(yù)防故障，這也是從根本上解決氣蝕問(wèn)題的方法之一，可以從改善葉調(diào)機(jī)構(gòu)、優(yōu)化葉輪導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流道布置[8]形式等方面入手。

(3)避免讓水泵在偏工況狀態(tài)下運(yùn)行。水泵長(zhǎng)時(shí)間在偏工況、低效區(qū)運(yùn)行會(huì)加重水泵氣蝕，除特殊情況外，應(yīng)當(dāng)避免水泵偏工況運(yùn)行，使水泵在高效率區(qū)間運(yùn)行。

2.3 斷流設(shè)施故障

(1)加大例行巡檢力度。在泵站運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)重視對(duì)于閘門及相關(guān)部件的定期巡檢更換，因?yàn)楹芏喙收隙际怯捎诓考匣鸬?，如果巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)更換便可避免很多故障事故的發(fā)生，可以節(jié)約很多人力物力財(cái)力。

(2)采用與泵裝置匹配的閥件。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(duì)于閥件的采購(gòu)測(cè)試應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

(3)選擇合適的開(kāi)度儀，加強(qiáng)對(duì)開(kāi)度儀的維修與護(hù)理。開(kāi)度儀也是很多閘門故障事故發(fā)生的原因，開(kāi)度儀的故障原因多種多樣，除了開(kāi)度儀本身的原因還有可能是與開(kāi)度儀匹配的傳感器發(fā)生故障，因此，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)開(kāi)度儀定期巡檢的力度，組織人員對(duì)閘門附近的雜物進(jìn)行定期清理以提高傳感器精度，可以避免很多由于開(kāi)度儀引起的故障事故的發(fā)生。

2.4 主變、站變故障與勵(lì)磁系統(tǒng)故障

(1)采用與泵站相配套的電機(jī)設(shè)備

在選擇機(jī)組前事先考察機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，選擇與泵站適配的機(jī)組，如電氣方面避免出現(xiàn)電機(jī)配套功率偏低而機(jī)組啟動(dòng)困難，還有投勵(lì)電壓過(guò)低無(wú)法滿足機(jī)組啟動(dòng)要求等的故障[7]。

(2)更換合適的裝置。在當(dāng)前設(shè)備不符合泵站運(yùn)行要求時(shí)則需要結(jié)合泵站運(yùn)行環(huán)境與運(yùn)行要求等多方面因素選擇更加合適的設(shè)備，如2號(hào)泵站勵(lì)磁系統(tǒng)故障案例中最終更換了整套勵(lì)磁設(shè)備[7]。

(3)加大日常巡檢力度。主變、站變的各類儀器在常年使用中出現(xiàn)老化損壞是很常見(jiàn)的，在老化損壞問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)如果可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換損壞設(shè)備，則可以把故障帶來(lái)的危害控制在最低。

(4)采用質(zhì)量合格的設(shè)備，優(yōu)化設(shè)備安裝方法與精度。很多裝置設(shè)備如接線頭、儀表盤等也需要采用質(zhì)量?jī)?yōu)秀的產(chǎn)品，很多由于小型設(shè)備損壞而導(dǎo)致的故障都可以通過(guò)改善設(shè)備本身來(lái)解決，同時(shí)很多由于設(shè)備安裝精度的設(shè)備自身局限性而引發(fā)的故障，則需要從根本技術(shù)層面來(lái)進(jìn)行改善與解決。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了大型燈泡貫流泵站典型故障，重點(diǎn)分析了其發(fā)生原因并且提出解決方案與預(yù)防措施。可以看出，燈泡貫流泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在惡劣的運(yùn)行環(huán)境下故障原因繁多且復(fù)雜，泵站故障發(fā)生時(shí)，合理的評(píng)估與正確的應(yīng)對(duì)方法可以有效減少泵站故障帶來(lái)的損失與危害，該成果可為同類型泵站的運(yùn)行管理提供一定的參考。