彎管式混流泵導葉體維修探索

趙文軍，力 剛，蔡曉東，單翔宇

（江蘇省駱運水利工程管理處，江蘇 宿遷 223800）

水泵運行中常存在水泵氣蝕、水泵主軸頸磨損、水導軸承損壞等問題［1-4］。水泵氣蝕主要發(fā)生在葉片外緣進水邊背面及葉輪外殼中心偏下部位，主軸頸磨損主要發(fā)生在下橡膠軸承處、上橡膠軸承處和填函內盤根處，水導軸承故障主要表現(xiàn)為橡膠軸承嚴重磨損、燒瓦和橡膠瓦緊固螺釘松動等［5-8］。據(jù)調查，水泵運轉故障中大部分是導軸承故障，如果導軸承磨損過大或損壞，則會造成機組軸線動擺度增大，振動加劇，甚至發(fā)生葉片碰殼事故［9-10］。水導軸承故障通過中修更換橡膠軸承即可，水泵氣蝕和主軸頸磨損則需通過解體大修才能徹底解決。除上述故障外，導葉體損壞在彎管式混流泵中也發(fā)生較多，主要表現(xiàn)為導葉體上下止口損壞，導葉體止口與橡膠軸承之間的配后間隙增大，在電機不衡磁拉力、葉片不對稱、葉輪來流非軸向等原因引起的外力作用下，導葉體與橡膠軸承連接螺栓損壞，其后果更為嚴重甚至引起機組故障停機，嚴重影響工程效益的發(fā)揮。導葉體損壞致使故障停機雖不常見，但因維修困難，危害較大，必須引起高度重視。本文以沙集泵站為例，在初步分析導葉體損壞原因基礎上，得出控制導葉體與橡膠軸承上下止口的間隙是導葉體維修的關鍵。從適用情況、優(yōu)缺點等方面分析比較墊青稞紙、鑲內襯、加裝新法蘭、焊接連接螺栓和錐形止口等導葉體維修方案。對工程實際中的不同情況合理選擇維修方案，具有一定的借鑒意義。

1 基本情況

1.1 工程概況

江蘇省沙集閘站工程采用閘站合一的結構形式，中間為抽水能力50 m3/s 的抽水站，兩側布置設計流量為200 m3/s的節(jié)制閘。沙集站站身為堤身式塊基型結構，進水流道采用肘形管，出水流道采用平直管，快速門斷流，進水流道進口設置檢修閘門，快速閘門采用繩鼓式快速啟閉機操作。抽水站選用5臺套1800HD-10.5型立式混流泵，單機流量10 m3/s，設計揚程10.5 m，配套5臺TL1600-20/2150主電機，單臺功率1 600 kW，總裝機容量8 000 kW。該工程建成于1993 年，主要抽取洪澤湖水保障徐州地區(qū)工農業(yè)生產、航運、環(huán)保以及調節(jié)駱馬湖水位。2003年起，豐水季節(jié)可利用機組倒轉發(fā)電。2012年睢寧二站建成后，沙集站與其共同組成南水北調工程運西線第五梯級泵站，使用頻率與運行時間均較以往大幅增加。

1.2 機組結構

1800HD-10.5 型立式混流泵為彎管式混流泵，設置2 只導軸承，水泵上部導軸承（上水導）由雙頭螺栓固定在水泵的60°出水彎管的上半部位，水泵下部導軸承（下水導）則由雙頭螺栓固定在導葉體內。導軸承采用組合式水潤滑橡膠軸承，軸承體為分半式，軸瓦則為4塊，由螺釘固定在軸承體內。水泵的彎管、導葉體、軸承體均為鑄鐵材質，水潤滑橡膠導軸承由鉸制螺栓固定在導葉體內筒體上，導葉體軸窩上下止口與橡膠軸承為間隙配合。

2 故障情況及原因分析

2.1 故障情況

沙集泵站水泵運行中除發(fā)生水泵氣蝕、水泵主軸頸磨損、水泵導軸承損壞等問題外，還多次發(fā)生導葉體損壞故障。如2014年運行期間，運行值班人員在巡視時聽到2號機組水泵處發(fā)生輪胎爆破似的異響，緊急停機。隨后將2 號機上游工作門開高至大約50 cm，手放在導葉體和葉輪外殼處，能感覺到金屬間有摩擦，將工作門繼續(xù)開高，則發(fā)出金屬間刺耳的碰擊聲。初步判斷是水泵葉片處纏繞異物（鐵鏈）或水泵導軸承松動導致葉片碰殼。落上游工作門和下游檢修門封堵進出水流道后，對橡膠軸承與導葉體進行檢查。發(fā)現(xiàn)橡膠軸承外殼法蘭螺絲孔變形，與導葉體連接螺栓已脫落；橡膠軸承可自由地從導葉體內取出，導葉體上下止口損壞嚴重。

2.2 原因分析

導葉體除了起到擴散水流，回收部分動能和將葉輪抽出的水流的旋轉運動變?yōu)檩S向運動的作用外［11］，還將來自橡膠軸承的徑向力和軸向力傳導到泵墩上。理想對稱情況下，對立式泵機組，機組轉動部分所受徑向力的合力為零，導軸承荷載為零。但由于設計制造、施工安裝存在誤差及某些結構問題，導軸承不可避免地受徑向力作用。水泵運行過程中，橡膠軸承將由電機不衡磁拉力、轉動部件偏心旋轉慣性離心力、葉片不對稱、葉輪來流非軸向等原因引起的力經(jīng)導葉體連接的螺栓及導葉體導軸窩的上下止口傳遞給導葉體，再由導葉體傳導至中間接管和泵墩上。

沙集站導葉體導軸窩上、下止口均為間隙配合，上止口的間隙范圍為0.00～0.22 mm，下止口的間隙范圍為0.076～0.256 mm，下止口的間隙范圍更大一些。水泵運行過程中，水泵大軸在橡膠軸承中旋轉，將對橡膠軸承產生軸向力、徑向力和周向力，其中以徑向力和周向力產生破壞為主。導葉體與橡膠軸承的相對固定是通過螺栓預緊力作用下，導葉體上止口法蘭與橡膠軸承頂部法蘭的連接表面產生摩擦力保持的。橡膠軸承所受的徑向力均在導葉體與橡膠軸承連接表面以下，其合力使橡膠軸承在導葉體下止口的間隙范圍內晃動，加之運行時劇烈的汽蝕振動產生沖擊荷載，極易導致連接螺栓松動，連接表面的摩擦力減小。當傳導的徑向力和周向力大于摩擦力后，導葉體與橡膠軸承之間將在間隙范圍內產生滑移。周期性的徑向力（沖擊荷載）和周向力將對導葉體法蘭上的連接螺栓孔產生破壞，引起螺栓松動、絲牙斷裂、螺栓孔增大。此后，徑向力主要依靠導葉體上下止口與橡膠軸承之間來傳導，因其本為間隙配合，在長期沖擊荷載作用下，加之長期浸泡在水中發(fā)生化學腐蝕與電化學腐蝕，配合間隙將逐漸增大，引起導葉體上下止口損壞，進而引發(fā)水泵蹭殼，甚至產生葉片斷裂等嚴重的后果。

因此，導葉體與橡膠軸承上下止口之間的配合間隙是水泵維修時的關鍵控制因素。沙集站多年機組大修的實踐經(jīng)驗證明，導葉體與橡膠軸承緊配合（通常橡膠軸承是由千斤頂壓入導葉體內），則在大修周期內水泵運行不會產生故障，如果橡膠軸承很容易安裝到導葉體內，往往水泵沒到大修周期就會產生問題。

3 維修方案

沙集站機組大修過程中，當導葉體上、下止口損壞時，根據(jù)止口損壞嚴重程度，分別采取分半軸承體之間墊青稞紙、車止口鑲內襯、止口法蘭面加裝新法蘭、連接螺栓焊接固定和錐形止口固定等方法，下面分別闡述并進行分析比較。

3.1 分半軸承體間墊青稞紙

導葉體上止口與橡膠軸承之間的配合間隙在0.06～0.1 mm區(qū)間時，通過施加外力（20～40 kN）將橡膠軸承壓入導葉體內，可達到兩者緊配合的目的；當兩者之間的配合間隙小于0.05 mm 時，安裝時通過外力很難將橡膠軸承壓入導葉體內；當兩者之間的配合間隙大于0.1 mm時，通過外力容易將橡膠軸承壓入導葉體，間隙大于0.15 mm 時依靠橡膠軸承自重便可自由落體至導葉體內。若導葉體與橡膠軸承連接螺栓未損壞，可在分半軸承體間加墊青稞紙的方法減小橡膠軸與導葉體上止口的間隙，實現(xiàn)緊配。青稞紙的厚度有0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm、0.3 mm等，可根據(jù)橡膠軸承與導葉體止口的間隙選用。根據(jù)研究［11］，作用于橡膠軸承上徑向力大多指向左側偏出水側的45°方向［12］，因此安裝時，分半式橡膠軸承的裝配平面（青稞紙平面）與作用于橡膠軸承徑向力方向垂直，可有效緩沖承載這個徑向力，延長使用壽命。

3.2 車止口鑲內襯

導葉體上止口損壞比較嚴重情況下，可通過車止口鑲內襯的方法修復導葉體止口，具體方案以沙集站導葉體修復為例進行介紹。將導葉體原上止口（內徑540 mm，深45 mm的孔）自上而下加工成內徑555 mm，深40 mm的孔，底部留有5 mm的臺階不車削用于承載內襯。將內圓直徑540 mm，外圓直長555 mm，高度40 mm的內襯（圓環(huán)體）鑲嵌至前面加工而成的內徑555 mm，深40 mm的孔里面。在內襯與導葉體上止口結合部位（直徑555 mm）的圓周面上均勻鉆4-M8 深18 mm 的螺紋孔，用M8×10 螺釘將內襯與導葉體固定。通過車止口鑲內襯的方法可以達到橡膠軸承與導葉體上止口緊配合的目的，但安裝時所使用的外力將作用于車削止口時所留的5 mm厚的臺階上，所以使用外力不可過大，配合不宜過緊。

3.3 上止口法蘭面加裝新法蘭

導葉體上止口損壞比較嚴重情況下，還可以在上止口法蘭面上加裝新法蘭的方法，實現(xiàn)橡膠軸承與導葉體緊配合。先將導葉體上止口法蘭面上損壞的螺紋孔塞焊，車平上止口法蘭面，在原螺紋孔位置重新鉆孔。用8顆M20螺栓將外圓直徑647 mm，內圓直徑540 mm，厚度25 mm 的法蘭面固定在導葉體上止口法蘭面上。車出新增法蘭內止口尺寸為φ540 mm，偏原螺紋孔22.5°位置鉆深40 mm螺紋孔，用于固定橡膠軸承。此方案在導葉體上止口法蘭面上鉆8 只通孔和8 只螺栓孔，法蘭面強度有所下降，通過與導葉體螺栓連接的加裝法蘭面固定橡膠軸承，對連接栓螺的防松要求較高。運行中，一旦連接螺栓松動，導葉體與橡膠軸承的緊配合就會遭到破壞。

3.4 焊接固定導葉體連接螺栓

在農業(yè)大用水期間或泵站進行排澇時，水泵發(fā)生故障后必須盡快恢復運行，不允許對水泵進行解體大修，可以采取將連接螺栓焊接固定的方法進行搶修。此搶修不需將機組解體，只需將導水錐、水箱和橡膠軸承拆卸后，將導葉體上止口法蘭面清理干凈。用磁電鉆或手電鉆將法蘭面上的8 只盲孔（用于連接固定橡膠軸承的螺栓孔）打通，并自上而下用M20絲錐手動攻絲成通孔。將8只全螺紋六角頭螺栓分別從導葉體法蘭面自下而上旋轉直至螺栓根部，并用板手加力固定。用與橡膠軸承法蘭面相同尺寸的模具檢查連接螺栓位置，必要時可在螺栓處旋上螺母后用錘子進行校正。如導葉體上止口法蘭面螺栓孔損壞嚴重，成橢圓形或比原尺寸增大很多，還可用電焊將六角頭螺栓與導葉體上止口法蘭面固定后再校正位置。連接螺栓位置校正完成后，安裝橡膠軸承，并檢查調整軸承間隙。橡膠軸承單邊間隙規(guī)范要求大于0.08 mm，總間隙小于0.4 mm，可適當放大總間隙，不大于0.6 mm。最后按順序安裝水箱和導水錐，提上游工作門倒轉檢查無異常后試運行。

3.5 采用錐形止口

前面幾種維修方法均是恢復導葉體與橡膠軸承原來的配合結構。為增加承載力，延長使用壽命，提高運行可靠性，可以在導葉體下止口與橡膠軸承的配合上采用錐形止口緊密配合。

導葉體下止口處圓孔自上而下由圓孔和錐形孔（錐度1∶10）組成，橡膠軸承與導葉體下止口配合處外圓柱面同樣加工成錐形（錐度相同）。導葉體上止口與橡膠軸承維持原設計間隙配合不變。導葉體上止口法蘭面與橡膠軸承上端面法蘭由8-M20螺栓連接固定，為確保下止口錐度緊密配合，導葉體上止口法蘭面與橡膠軸承間留0.5 mm 左右間隙。為克服上止口橡膠軸承的徑向力，與8-M20螺栓孔錯開布置4-16 錐銷（錐度1∶50），錐銷上部有分半式壓住錐銷上的彈簧，確保錐銷與錐孔即使遭到劇烈振動也能緊密配合。橡膠軸承所承受的徑向力和周向力，通過導葉體下止口和錐銷2 個部位傳導至導葉體上，保證徑向力受力的平衡性。彈簧可有效減小劇烈振動引起的沖擊破壞，也可預防螺栓松動。

4 維修方案分析比較

分半軸承體間墊青稞紙后，導葉體與橡膠軸配合間隙沿圓周方向并不一致，在青稞紙垂直面方向形成緊配受力較好，青稞紙所在平面方向間隙較大，受力未得到改善。因此，只能用在當導葉體與橡膠軸上止口配合間隙不太大時使用，一般多用在周期性機組大修。

車止口鑲內襯、上止口法蘭面加裝新法蘭和焊接固定連接螺栓3種方法均可用于導葉體上下止口損壞嚴重情況下。車止口鑲內襯，由于止口底部留有5 mm的臺階，承受不了太大的壓力，導葉體與橡膠軸承之間的配合間隙不宜過小，否則安裝時用力過大會損壞留有的臺階。運行過程中，在沖擊力作用下，留有的臺階也極易損壞，引起導葉體上止口所鑲的內襯脫落，故實踐中車止口鑲內襯的方法效果較差。沙集站1#主水泵和2#主水泵在機組大修時采用車止口鑲內襯方案，1#主水泵運行2 a 后內襯脫落，2#主水泵運行2.5 a后內襯脫落。上止口法蘭面加裝新法蘭方案的關鍵是加裝的新法蘭與導葉體連接螺栓的防松，一旦螺栓松動就有可能造成葉片蹭殼，同時上止口法蘭面上打16 只孔，法蘭面強度降低，存在安全隱患。2014 年，沙集站2#機大修時，采用此方案維修，運行5 a（1 個大修周期）后機組大修前，導葉體與橡膠軸承配合已發(fā)生松動。焊接固定連接螺栓主要用于搶修，施工難度較大，焊接螺栓后調整橡膠軸承與水泵主軸之間間隙困難。

采用錐形止口要求重新鑄造加工導葉體和橡膠軸承，費用高，可在水泵改造時采用。此方案安裝方便，導葉體受力平衡，增加了承載力，延長使用壽命，提高運行可靠性。

上述維修方案分析對比見表1。

表1 維修方案對比

5 結 語

彎管式混流泵運行中有葉片氣蝕、主軸頸磨損和水導軸承損壞等常見故障，導葉體損壞并不常見，但因維修困難，危害較大，必須引起高度重視。本文以沙集泵站為例，分析比較導葉體維修5 種方案，得出如下結論：

（1）通過分析導葉體損壞原因，得出控制導葉體上下止口與橡膠軸承之間的配合間隙是保證長期運行的關鍵因素。

（2）分半軸承體間墊青稞紙方法簡單，導葉體止口受力未得到完全改善，適合在導葉體與橡膠軸承配合間隙不太大情況下使用。

（3）鑲內襯和加裝法蘭方案實踐中證明均存在缺陷，焊接螺栓適用于搶修。

（4）錐形止口受力平衡，承載力大，運行可靠性高，但費用也高，可在水泵改造時采用。