鄧樓泵站機組葉片調節機構事故處理分析

張方磊，黃雪梅，劉 輝

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南250109）

鄧樓泵站是南水北調東線工程的第十二級抽水梯級泵站，山東境內的第六級抽水泵站，工程位于山東省梁山縣。工程設計規模為100 m3/s，泵站共安裝4 套水泵機組，3 用1 備，總裝機容量8 960 kW。泵站設計揚程為35.7 m，年運行時間3 770 h，年調水量13.60 億m3。水泵葉輪直徑3150mm，轉速125r/min。主水泵采用3150ZLQ33.5-3.57 型立式機械全調節軸流泵，配套TL2240-48 型立式同步電動機，泵裝置采用肘形流道進水，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 月試運行驗收后投入運行，1#機組已安全累計運行8 600 臺時，累計抽水量9.3 億m3。1#機組在后期運行中逐漸顯現調節葉片角度時流量增減不明顯，葉片角度與流量不匹配，且運行中存在機組振動擺度偏大，工況逐漸惡化。通過水下檢查發現葉片間隙不均勻，于2019 年非調水期對1#機組進行了解體大修。

1 機組解體過程中的異常現象

1.1 機組上導瓦上邊緣磨損痕跡明顯

解體中發現8 塊上導瓦均出現不同程度磨損，位置位于瓦面上半部位，約占導瓦面積的1/3～1/4，其中進水側瓦磨損最嚴重，磨損約占瓦面積的2/3，平均磨損深度約0.06 mm。

1.2 水泵水導軸承、水導軸頸磨損

測量水導軸承內徑，發現進出水方位內徑變大磨損最嚴重，磨損部位在出水側，深度約0.9 mm，面積300 mm×500 mm。水導軸頸出現了偏磨，磨損面積約為400 mm×500 mm，占軸承軸頸總面積的1/3，經與葉輪葉片位置比對，磨損方位為3#葉片出水方位。水導軸頸實際加工直徑尺寸為380 mm，經測量最大磨損部位直徑為379.10 mm，磨損部位深度達0.90 mm。

1.3 水泵葉輪室不銹鋼襯套有明顯剮蹭現象

水泵葉輪室不銹鋼襯套有明顯剮蹭現象，剮蹭位置垂直方向在出水側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

檢查發現葉輪的三個葉片中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 葉片調節機構操作架斷裂

由于3 個葉片安放角度不一致，分析轉子體內部轉葉機構存在定位偏差或發生故障，查找問題需進入轉子體內部進行檢查。經充分論證后決定打開轉子體下蓋進行問題查找，發現：轉子體轉葉機構操作架上部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件磨損

1#葉片對應操作架斷裂裂縫較大，變形嚴重，2#、3#葉片操作架只出現裂紋，變形較輕，與機組解體時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。從機組解體原始數據測量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，實際測量數據與理論相符。

通過分析得知，1#機組上導瓦磨損、葉輪蹭殼、水導軸承磨損、水導軸頸偏磨的是原因為葉片角度不一致，造成機組運行工況變差，而葉片角度不一致跟操作架斷裂變形有關，因此1#機組出現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，導致前池進水池水位下降，低于設計最低水位。近兩個調水年度鄧樓泵站機組直接通過梁濟運河抽調南四湖水源，前池進水池水位經常低于設計最低值，機組長時間運行，工況較差。

2）位置因素：泵站機組為肘型進水流道，中間通過隔墩分為兩孔，1#機組處于泵站邊緣位置，整體過流條件差。靠近進水池中心線的孔口，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）基礎沉降機組垂直同軸度變化：泵站主廠房底板為整體性結構一次澆筑成型，沒有分縫。根據鄧樓泵站12～16 年安全監測結果顯示主廠房整體沉降約11 mm，其中上游左側沉降15 mm，上游右側沉降11 mm，下游左側沉降10 mm，下游右側沉降9 mm，16 年以后測量數據變化不大，廠房逐漸穩定。廠房基礎不均勻沉降導致機組垂直同軸度發生變化，惡化了機組運行工況。

4）異物卡阻因素：過水水流混入大型異物，當異物經過葉輪室時突然撞擊卡阻葉片，導致操作架斷裂。

5）設計制造因素：設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，導致結構強度不夠，機組長期運行，操作架疲勞受力出現裂縫。

3 處理措施

3.1 軸瓦處理

1）上導瓦的處理。上導瓦為巴氏合金瓦，對于磨損的導瓦重新研刮以滿足要求。

2）水導軸承處理。水導軸瓦為賽龍軸承，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，分半結構便于檢修更換。機組解體后對原水導軸承再預裝檢查，內徑明顯超標，軸瓦磨損量已不適合再繼續使用，更換備用水導軸承。

3）水導軸頸處理。由于現場不具備加工條件，因此對泵軸進行返廠維修。將水導軸頸單邊去除3 mm，然后PT 檢查，發現缺陷焊補消除。水導軸頸底徑加工后，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。最后按設計要求恢復出廠尺寸：以兩端法蘭止口為基準，校直泵軸，采用專用磨頭進行磨加工，測量軸頸直徑尺寸符合標準，表面粗糙度達到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，屈服強度和抗拉強度更高，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 環形肋，操作架板整體厚度也增加到40 mm，大大提高了其強度。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

檢修現場條件有限，準確恢復3 個葉片角度一致性及如何測量驗收是安裝難點。安裝操作架調整葉片角度。安裝操作架3 個葉片準確恢復設計0°角。連接操作桿與電機拉桿、電機拉桿與轉輪體，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 個葉片按機械指示位置都調整到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，反復調整直至符合標準。

葉輪葉片開度測量。首先將葉片角度調至設計0°角，在0°角時葉片開度L 設計值652.6 mm，葉片為扭曲狀，現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，以固定導葉體止口下平面為基準，分別測量葉片上下邊緣至固定導葉體止口下平面距離，兩個距離差即為葉片開度。依據測量結果，3 個葉片開度均在誤差范圍內，操作架安裝驗收完成，進入下步工序。2#、3#葉片及葉輪外殼剮蹭處不做處理。

3.4 機組固定部件垂直同軸度調整

機組固定部件垂直同軸度調整分兩步進行，首先調整定子垂直。使定子鐵芯垂直東邊升高0.66 mm，南邊需升高0.3 mm。調整時兩個方位分別進行，在基礎板與下機架結合面上加紫銅片墊，注意加墊量不超過三層。其次調整定子中心，調整定子中心時以水導軸承軸窩中心為基準。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行。由東向西平移時在下機架梁東邊放一螺桿千斤頂，緩慢頂移，在對面放百分表監視平移距離，在垂直方位放百分表監視以防偏移。東西向調整完畢后，再調整南北向，直至符合要求為止。調整完畢，進行后續工序。

4 結 論

大中型水泵機組葉片調解機構采用機械全調節是穩定可靠的，結構相對簡單，維護成本低，是水泵發展的主流形式。本文對鄧樓泵站1#機組大修過程中發現的問題進行了分析研究，找出了問題根源是操作架斷裂造成的，并對斷裂原因進行了系統分析和妥善處理，對泵站設計、運行維護及設備制造等提供了借鑒和參考。