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 225009)

泵站故障的監測與預防一直都是泵站運行中的重點與難點，嚴重泵站故障會導致整個泵站停止運行，輕微的故障也可能會對泵站運行造成嚴重的影響，國內外很多泵站都有因為泵站故障而損失慘重的先例，因此，必須要對泵站各類典型故障及應對方式有一個清晰的認識。

燈泡貫流泵具有流量大，效率高，水力性能優的特點，南水北調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組，燈泡貫流泵結構復雜，故障種類繁多且原因復雜，國內泵站運維人員對于燈泡貫流泵的使用與管理經驗還有不足。

針對國內發生的大型燈泡貫流泵典型故障事故，國內有許多學者開展了大量研究，胡立新[1]對燈泡貫流泵軸承潤滑油系統故障進行了分析，并且提出相應的對策；孫洪斌等[2]對淮安三站運行中泵機組出現的異常振動、氣蝕嚴重、啟動困難，電機超功率運行問題進行了匯總，借助資料對故障原因進行了詳細分析總結；董于[3]對淮安三站葉輪氣蝕問題進行了詳細剖析，針對葉輪氣蝕提出了多個可能原因與解決措施；林琳等[4]總結了臥式貫流泵常見的故障類型，包括軸承故障，電機故障，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行過程中一次軸承故障事故與修復方案，該泵站的修復方案中將油潤滑方式改為了水潤滑，并且采用了加拿大賽龍軸承公司生產的賽龍軸承，為同類型泵站機組的運行提供了寶貴的經驗。

目前對于燈泡貫流泵典型故障的研究大多數是針對一種或一類典型故障進行分析，本文從軸承、葉輪、斷流設施、變壓器和勵磁設備等幾個方面對燈泡貫流泵存在的故障進行歸納和分析，并且給出了針對性解決方案與預防措施。

本文共統計了5座實際工程中的大型燈泡貫流泵站典型故障案例，5座泵站的部分參數如表1所示。

表1 泵站基本信息

典型燈泡貫流泵結構如圖1所示，主要包括：進水錐管，葉輪部件，導葉部件，外錐體，內錐體，電機殼體，導流帽，引水帽，機械密封，軸承，電機，出水管。

圖1 燈泡貫流泵結構圖

1 燈泡貫流泵典型故障案例

燈泡貫流泵常發生的典型故障事故有：軸承故障、葉輪故障、斷流設施故障、主變站變故障和勵磁系統故障等。很多故障雖然未引發嚴重的后果，但仍應當引起泵站運維人員足夠的重視。

1.1 軸承故障

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

(1)1號泵站近年來發生過數次軸承故障事故，大多及時發現未造成嚴重后果，2018年4#主機組運行時主軸承缺少油脂溫度異常升高，2019年接連發生4#機組推力軸承加油口漏油，油壓裝置故障。

(2)1號泵站貫流泵共設置了1套SKF推力軸承和3套徑向軸承來承受機組運行時的軸向力，徑向力與機組重力，推力軸承為一套滾動推力軸承組，采用油浴潤滑，冷卻水循環冷卻系統，葉輪前后導軸承為SKF滾動軸承，油脂潤滑，自然冷卻[6]。1號泵站軸承采用了油浴潤滑與油脂潤滑，以油液的相對運動代替固體間的摩擦，以此防止軸承的磨損與燒毀，但該潤滑方式對潤滑油質量、油膜厚度、油液補給等條件有較高要求，如果工作人員疏忽沒有及時加油，容易導致軸承溫度異常升高等類似事故。

(3)3號泵站發生過電機側軸承滲油的故障，該故障發生的原因是軸承的O型密封圈硬化而導致的漏油，這也是一種泵站運行中常見的故障。

(4)5號泵站也發生過與3號泵站類似的軸承漏油故障，發生原因是推力軸承的安裝質量沒有達到要求。除此之外5號泵站還發生過一起滾動軸承故障，電機側徑向圓柱滾子軸承內圈出現貫穿型裂紋，這是一起由于機組運行振動和軸承自身質量問題引起的故障。

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，多數故障與泵站運行環境有關，具體故障如下：

(1)1號泵站建立運行至今葉輪狀況良好，未發現葉輪嚴重氣蝕痕跡，但表面仍有少量氣蝕損傷痕跡，圖2為1號泵站葉輪損傷圖。根據該站近年運行情況分析可能原因為下游水位偏離運行工況。1號泵站葉輪為可調節式，經過精密設計，故應不存在安放角度不合適、水流入流方向等問題，但1號泵站在泄洪、排澇時需要長時間偏離工況運行，下游水位過低會導致機組過載，加重葉輪氣蝕。

圖2 泵站葉輪損傷圖

(2)3號泵站運行過程中出現了嚴重的葉片砂眼現象，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不過關和偏工況運行導致的。

(3)5號泵站葉輪外殼處發生過輕微氣蝕，也是由于偏揚程工況運行造成的，在低水位工況運行下有時甚至下游水位比上游水位高。

1.3 斷流設施故障

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

(1)1號泵站近3年運行過程中發生了8起不同工作門故障事件，故障原因大多為開度儀問題，如2019年發生了2起因開度儀器問題而導致的工作門故障，一起為開度儀上的傳感器附件漂浮物影響了傳感器的感應，鋼絲繩無法收回，造成工作門無法正常啟閉；另一起故障原因為開度儀固定桿斷裂，水流將固定桿沖向外側傾倒，使鋼絲繩無法向外拉伸，使得開度儀顯示為負值，見圖3。

圖3 泵站工作門故障

(2)3號泵站發生過工作門、事故門開啟后開度儀不顯示的故障，故障原因顯而易見為開度儀故障所致。

(3)4號泵站同樣發生過事故門工作門開度儀顯示故障，閘門無法開啟，該故障是由于靜磁柵位移傳感器滲水而導致主板路短路，進而導致傳感器損壞，最終造成事故門工作門故障。

(4)5號泵站液壓閘門、工作門、快速閘門均發生過故障，液壓閘門由于截止閥故障而導致油箱滿溢，事故門由于設備局限性而經常停止運行，快速閘門故障原因為其液壓桿長期浸泡在水中，容易形成污垢，閘門提升時容易卡阻，損壞液壓缸密封。

根據以上案例分析，雖然斷流設施故障原因各不相同，但事故門、閘門故障與其余機械故障相比出現頻率更高，這可能與燈泡貫流泵工作門運行環境惡劣有關。

1.4 主變、站變故障

主變、站變故障可歸結為過壓跳閘，接觸器、接線燒毀，開關柜故障等，具體故障如下：

(1)1號泵站在2018年11月運行期間發生主變后備保護零序過壓跳閘。經檢查1號泵站主變后備保護中零序過壓定值為18 V、0.5 s，運行過程中發生了過壓跳閘。

(2)110 kV主變零序過壓保護，零序額定電壓最大值300 V，在電壓升高的情況下鐵芯會飽和，故電壓無法完整傳遞到二次側，實際能傳出的電壓約為220～230 V，所以零序電壓的動作值不宜太大，動作電壓300 V，一般取150～180 V，當電壓超過此值時對主變中性點絕緣構成嚴重威脅，應該盡快跳開主變，為了躲過雷電過電壓和一些操作過電壓的影響，取動作時間為0.5 s，以防止誤動作。1號泵站零序過壓定值為18 V，和動作電壓相比過小，容易發生跳閘。

(3)4號泵站發生過110 kV主變接觸器燒毀故障與6 kV站邊進線柜接線故障。

(4)5號泵站發生過10 kV母聯開關柜和35 kV站變開關柜儀表盤故障。

1.5 勵磁系統故障

勵磁系統故障主要包括各個部件模塊故障，具體故障如下：

(1)2號泵站的勵磁系統自從投運以來有投勵可控硅經常損壞而導致的機組啟動失敗或無法開機運行問題、投勵可控硅擊穿所造成的電機啟繞組端部開焊等問題，2號泵站勵磁系統有投勵可控硅損壞擊穿的問題，該故障直接導致機組啟動困難，嚴重影響了泵站正常運行。經檢查該故障主要是由于上游閘門啟動較慢和勵磁可控硅開通電壓不能滿足電機啟動要求所導致的[7]。

(2)3號泵站運行過程中發生過勵磁系統故障，故障原因為轉子到滑環間的勵磁線斷裂。

(3)4號泵站勵磁觸摸裝置發生過故障，原因為自動空氣開關內部彈簧機構發生損壞，影響了機組的正常運行。

2 典型故障解決方案與預防措施

2.1 軸承故障

(1)建立安全合理的潤滑油循環系統。水泵的推力軸承與導軸承大多為油浴潤滑與油脂潤滑，金湖站便為油浴潤滑與油脂潤滑相結合的方式，因此，必須建立合理的油循環系統，且對油質要嚴格把控，低質量的油形成的油膜無法滿足軸承運作的需求，及時進行補油，避免因為少油而引起的油膜溫度升高，進而引起燒瓦。

(2)更換軸承、導軸瓦材料。推力軸承材料主要為巴氏合金推力軸承、滾動潤滑油推力軸承等，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，因為推力瓦為經常燒毀的部件，因此應當根據具體情況選擇合適的軸瓦材料。

(3)更換合適的潤滑系統。水泵導軸承有油潤滑金屬軸承與水潤滑非金屬軸承，水泵多采用油潤滑金屬軸承，但該軸承需要完備的油潤滑系統，安裝更換時費時費力，同時如果長時間不開機運行油脂會產生老化，故如果環境不允許可以采用水潤滑系統。

(4)優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，但一段時間之后便會重復出現同樣故障。事實上，該類滲、漏油故障為泵站運行中的常見故障，其根本原因為軸承密封的安裝問題，安裝精度達不到要求或設備自身缺陷等，常常出現2臺機組相同的安裝人員卻出現1臺漏油1臺正常運行的現象，想要徹底解決該類故障，需要從根本上解決技術問題、設備問題，提升設備自身精度和設備安裝精度，以此杜絕該類故障的發生。

2.2 葉輪氣蝕故障

(1)采用高強度耐氣蝕的材料。可以采用高強度耐氣蝕的涂料，涂抹在葉片表面防止氣蝕，加強其抗氣蝕性能。1號泵站在發現葉輪氣蝕損傷后及時用耐氣蝕材料進行了修補，之后水泵運行平穩，修復效果良好。

(2)優化泵裝置。對于因為泵裝置自身性能缺陷而引起的葉輪氣蝕，可以通過優化泵裝置來消除預防故障，這也是從根本上解決氣蝕問題的方法之一，可以從改善葉調機構、優化葉輪導葉結構、優化流道布置[8]形式等方面入手。

(3)避免讓水泵在偏工況狀態下運行。水泵長時間在偏工況、低效區運行會加重水泵氣蝕，除特殊情況外，應當避免水泵偏工況運行，使水泵在高效率區間運行。

2.3 斷流設施故障

(1)加大例行巡檢力度。在泵站運行中應當重視對于閘門及相關部件的定期巡檢更換，因為很多故障都是由于部件老化引起的，如果巡檢時發現問題并及時更換便可避免很多故障事故的發生，可以節約很多人力物力財力。

(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，對于閥件的采購測試應當引起足夠的重視。

(3)選擇合適的開度儀，加強對開度儀的維修與護理。開度儀也是很多閘門故障事故發生的原因，開度儀的故障原因多種多樣，除了開度儀本身的原因還有可能是與開度儀匹配的傳感器發生故障，因此，應當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事故的發生。

2.4 主變、站變故障與勵磁系統故障

(1)采用與泵站相配套的電機設備

在選擇機組前事先考察機組運行環境，選擇與泵站適配的機組，如電氣方面避免出現電機配套功率偏低而機組啟動困難，還有投勵電壓過低無法滿足機組啟動要求等的故障[7]。

(2)更換合適的裝置。在當前設備不符合泵站運行要求時則需要結合泵站運行環境與運行要求等多方面因素選擇更加合適的設備，如2號泵站勵磁系統故障案例中最終更換了整套勵磁設備[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老化損壞是很常見的，在老化損壞問題出現時如果可以及時發現并更換損壞設備，則可以把故障帶來的危害控制在最低。

(4)采用質量合格的設備，優化設備安裝方法與精度。很多裝置設備如接線頭、儀表盤等也需要采用質量優秀的產品，很多由于小型設備損壞而導致的故障都可以通過改善設備本身來解決，同時很多由于設備安裝精度的設備自身局限性而引發的故障，則需要從根本技術層面來進行改善與解決。

3 結 語

本文介紹了大型燈泡貫流泵站典型故障，重點分析了其發生原因并且提出解決方案與預防措施。可以看出，燈泡貫流泵結構復雜，在惡劣的運行環境下故障原因繁多且復雜，泵站故障發生時，合理的評估與正確的應對方法可以有效減少泵站故障帶來的損失與危害，該成果可為同類型泵站的運行管理提供一定的參考。