雙向流道泵站典型故障案例分析

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.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009)

在許多泵站建設中，為滿足自引、自排及雙向提水的需求，常常將流道設計成“X”形，即雙向流道[1]，如圖1所示。雙向流道泵站雖然具有結構簡單緊湊、占地面積小、工程投資省等優點[2]，但由于其箱式結構的特點，加之雙向流道泵站對進水流道水力設計要求較高，目前在實際應用中水力性能普遍較低，運行穩定性普遍較差[3-4]，在實際運行中故障幾率較高。

圖1 雙向流道泵站示意圖

1 雙向流道泵站常見故障類型

根據長期調研發現，雙向流道泵站常見故障類型可分為水力故障、機械故障、電氣故障3類。水力故障主要表現為不良壓力脈動、水泵葉片和葉輪室的汽蝕；機械故障有葉調機構損壞、主水泵部件損壞、液壓啟閉機故障、清污機故障等；電氣故障有站用變壓器故障、直流系統故障等。本文選擇其中的典型故障成因及其解決措施進行分析說明。

2 水力故障

2.1 不良壓力脈動

2.1.1 成因

雙向流道泵站由于其結構的特點，在運行時一端進水、一端封閉，在封閉端會形成一個死水區，即盲端。盲端的存在往往導致回流的產生，使進水流道內易產生渦帶，造成葉輪及機組不良振動[5-6]而引發泵站故障，嚴重時可能危及機組和泵站安全。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，導軸泵軸長度增加，運行時擺度過大；出水流道為雙向出水設計，主機組運行時，受盲端靜水區影響，容易產生較大的水流脈動[7]。

2.1.2 解決措施

對水泵結構進行優化：適當縮小導葉擴散角度，提高擴散管出口斷面高程，這樣有利于改善出水流態和回收動能。對泵軸過長的缺點，在出水流道增設頂板，將電機基礎高程下降，使泵軸長度得以縮短；或者通過增加泵軸直徑，提高泵軸運行時的穩定性。對導水錐結構進行優化，選擇合適的型式減少進出水渦帶的產生；對其分段設計，采用哈夫連接，以便于對水導軸承進行檢修；利用導水錐將泵軸包裹，減少水流對泵軸的沖擊，從而減少泵軸振動的發生。

2.2 汽蝕

2.2.1 成因

某些泵站在建設時未充分考慮雙向流道的特點，按照普通軸流泵站的泵型設計選擇，導致水泵型號配套不當，結構形式不合理。例如某泵站為滿足現場安裝要求，加大葉片與葉輪室之間的間隙，導致葉頂間隙超規范，機組運行不穩定，振動偏大，誘發汽蝕。還有的泵站位于江河沿岸，進出口水位變化較大，水泵長期偏離高效區運行，水泵運轉不穩定，導致水泵汽蝕。

2.2.2 解決措施

在進行泵站水泵選型時，應進行模型試驗和數值模擬計算，合理設計選擇泵站的前池和流道型式，使水流平順地進入流道和葉輪室。水泵的汽蝕主要發生在葉輪室，首先應考慮優化葉輪室的結構。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，運行后發現葉輪室無汽蝕狀況。其次可對水泵材質進行優化，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；對于已被汽蝕破壞的過流部件可采用表面保護技術加以修復。另外應針對河流水位變化特點考慮更換或重新設計合適的泵型，避免水泵偏離設計工況運行。在泵站實際運行中，常在泵殼外部安裝傳感器監測振動，以判斷汽蝕是否發生。

3 機械故障

3.1 葉片調節機構損壞

3.1.1 原因

葉片調節機構損壞會導致水泵變角調節失靈或者出現偏差，影響泵站的高效運行。雙向流道泵站葉調機構損壞主要在工廠裝配和運行時產生。可能調節機構內的軸承的質量差、裝配間隙不符合規范。可能是葉調機構與主機轉動的同心度不符合要求，導致機組運行時葉調機構內的軸承徑向受力發生變形。也可能當葉調系統在停運狀態無油壓，在泵站監控系統或在葉調系統PLC觸摸屏進行葉片調節控制，由于沒有液壓油，機組葉片角度無變化，葉角電位計無葉片動作反饋信號，葉調系統PLC內部程序接收不到葉片角度達到設定值的反饋，導致程序一直給步進電機發調節信號，使步進電機帶動調節杠桿達到或甚至超過最大正或負角度，致使配壓閥處于完全打開狀態。當葉調系統再次投入運行時，系統建立工作油壓，因此時葉調系統配壓閥處打開位置，葉片角度迅速增大或減小，達到調節機構設定的限位角度，而此時葉調的上或下限位開關已無限位作用(限位開關僅在葉片調節超限時，斷開步進電機脈沖調節信號)，最終導致機組葉片角度至極限位置。因葉片止點不同，造成不同葉片不均勻受力導致操作架變形，從而導致葉調機構故障。葉調機構工作原理圖見圖2。

圖2 葉調機構工作原理

3.1.2 解決措施

當葉調機構出現損壞時，應對分離器解體檢查，對損壞軸承進行更換，確保分離器的正常運行[8]。還需檢查軸承間隙，如果間隙偏小，調整軸承壓蓋及其間隙，將其控制在允許范圍內。校正調節機構與主機轉動部分的同心度及垂直度，使其符合安裝標準。在活塞上下增加限位塊，在運行操作不當時，使正負極限角度不致造成葉片不均勻受力現象。

3.2 主水泵部件損壞

3.2.1 原因

有的泵站由于受建造時技術及施工條件的限制，水泵選型配套不當，結構形式設計不合理，使水泵運行一段時間后部件發生磨損銹蝕。而且雙向流道泵站導葉體常為埋入式的整體，預埋在混凝土內，一旦導葉體發生故障，無法實施更換。

3.2.2 解決措施

對于水泵配套不當應考慮更換泵型號，或者對泵結構形式更新改造。比如某泵站針對該問題進行更新改造，由固定埋入式結構改為豎井筒體式軸流泵結構形式，改用鋼結構泵殼與預埋的上底座相連，拆卸安裝方便；在混凝土底座植筋預埋，使導葉與中底座連接起來，整個水泵部件置于豎井，可方便地從中吊出，大大方便了水泵的安裝維修。

3.3 液壓啟閉機故障

3.3.1 原因

有些雙向流道泵站建設時間較早，啟閉機型式老舊，加工粗糙，密封件容易出現損壞，導致活塞漏油，嚴重時甚至不能啟閉。當啟閉機下油封漏油時，水和雜質會隨活塞桿的往復運動進入油缸，導致液壓油發生乳化，沉積物增多，進而致使閥門銹蝕和堵塞，甚至造成系統失靈，啟閉機不能自動鎖定，發生跌落，不僅嚴重影響泵站運行，更易引發安全事故。這是因為原設計的液壓油在回油箱和凈油箱中只靠壓力濾油機凈化，如果液壓控制閥件加工精度差，在循環過程中壓力濾油機只能將液壓油過濾一次，導致液壓油凈化程度不能滿足液壓控制閥的技術要求。液壓油長期在含水和雜質的情況下運行，形成液壓油凈化不凈的惡性循環，油質不斷乳化，使閥組閥芯銹蝕、堵塞，最終使閥件失去自動復位功能，造成液壓系統故障，影響泵站安全運行。

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要求。為防止油缸內進氣銹蝕，保證系統工作可靠性，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上腔，保證在開啟或關閉閘門時無壓油均充滿啟閉機上腔。如果啟閉機柱塞泵仍不能滿足運行要求，應考慮換用新型優質的柱塞泵。

4 電氣故障

4.1 直流系統故障

4.1.1 原因

直流系統常見故障有系統失電、接地故障、熔斷器熔斷等。當無交流電輸入、元器件損壞、接觸不良時[10-11]，均可能導致電氣設備停止運行，使直流系統失電。直流系統常見接地故障有絕緣不良、一點接地、多點接地等，設備損壞、天氣引起的設備及端子受潮、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

對于直流系統失電故障，可先用電壓表測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、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。對于直流系統接地故障，處理方法有拉回路法和儀器定位法。應用拉回路法，切斷各直流回路時，切斷時間不能超過3 s，屆時無論故障報警信號是否消除均應合上。若接地出現在某一回路，有環路的先解環，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

雙向流道泵站運行水位常常變化較大，死水區的存在導致了回流的產生，這是誘發不良壓力脈動、汽蝕等水力故障的重要原因。雙向流道型式的特點往往導致泵軸過長，流道水流脈動壓強差更容易引發泵軸振擺，導致機組振動，發生機械故障。直流系統失電、絕緣不良等引發電氣故障。故障發生時應根據其類型和特點進行解決和預防，在日常運行中注意對泵站進行維護和檢修，減少泵站水力故障、機械故障和電氣故障的發生頻率。很多故障都是由于流道設計、水泵選型、安裝不合理引起的，設計人員應根據實際情況選擇合理的流道和水泵型式，這對減少故障的發生至關重要；制造人員應提高主機泵結構設計、加工制造工藝，生產合格優質的產品部件；泵站工作人員應結合工程實際不斷深入學習、探索和實踐，加強巡視和管理，及時將泵站故障隱患消滅在萌芽狀態。