鳳凰頸泵站機組故障原因分析

甘衛國

(安徽省機電排灌總站，安徽 合肥 230022)

鳳凰頸泵站始建于1986年，泵站主體結構為“X”型雙向流道，泵站主要功能為解決巢湖及西河流域洪水出路以及干旱年份為巢湖提供水源， 受益面積近期為2.4×105hm2，遠景為3.9×105hm2農田補充水源，灌溉保證率為90%，直接排灌面積為1.8×105hm2。鳳凰頸泵站自建成以來，汛期開機排澇13次30256.6臺時，排澇56.23×108m3，自流排澇72.58×108m3；提水灌溉5次，提水4.63×108m3，自流引江水抗旱46.66×108m3。運行30年來，總計經濟效益46億元，同時改善了巢湖流域水環境及生態環境，提高內河航道通航能力，改善了受益區農業生產條件，促進了流域內社會經濟發展。但水泵機組運行時間久，故障頻發，本文探究鳳凰泵站機組故障原因，以確保泵站安全運行。

1 機組故障特點

鳳凰頸泵站自1991年投入運行以來，水泵機組主要運行時段集中在6月下旬至7月上旬汛期低揚程排澇，每年運行時間基本在2～9天(2016年開機52天、2020年開機94天)。多年運行發現，主機組運行稍長時就出現法蘭處擺度大、機組振動。檢修時發現水泵導軸承損壞、軸頸磨損嚴重、水導螺絲松動、葉片根部及葉片固定螺絲斷裂、電機抗重螺栓松動、上下導瓦架支撐螺栓松動等問題。嚴重影響泵站安全運行，致使泵站維修頻繁，且維修后仍不能從根本上解決機組的故障問題。

針對泵站主機組存在問題，泵站管理單位也進行了相應的改造：在泵軸外加設不銹鋼護套管來阻隔引起泵軸振動和偏向力的動力源，起到降擺減振，改善機組運行狀況。加裝護套管在機組運行初期的確起到了一定的降擺減振作用，但隨著機組長時間運行，出現護套基座的固定螺栓斷裂，致使護套管脫落，造成機組振動加劇。

2016年汛期，部分機組轉輪室產生異常的金屬撞擊聲，管理單位被迫停機。后經多方專家會診，初步判斷為固定葉片的螺栓折斷，造成轉輪掃膛現象。由于停機無法進行排澇，給受益區工農業生產和人民群眾帶來巨大損失。2020年2#機組出現異響后解體檢修時發現：固定葉片的螺栓部分松動且折、裂，葉片及轉輪室汽蝕嚴重；大軸銹蝕、軸徑磨損較大。

2 機組故障原因

2.1 進水流道水流分析

鳳凰頸泵站進水流道采用箱涵雙向進水流道，進出水流道示意圖如圖1所示。通過流道閘門實現雙向自引、自排、抽引、抽排等功能，采用進水喇叭口吸水。進水流道內水流在進入葉輪室前的流動可分為在流道內向喇叭口處匯集階段和在喇叭管內流場調整階段。在水流向喇叭口處匯集時，一部分水流直接沖向非運行側盲端區再折回流入喇叭口，由于盲端區滯流空間大，折回流入喇叭口的水流形成回流和旋渦，造成水泵進水喇叭口下方流速分布嚴重不均。由于軸流泵進水管較短，進入水泵喇叭口后水流流場無法進行充分調整，從而進入葉輪室的流態紊亂、不均勻，水流壓力脈動大，導致水泵葉輪運行時在交變荷載的作用下產生振動且葉片根部易產生應力集中，長期運行將導致葉片根部產生疲勞破壞、葉片固定螺栓松動，甚至發生斷裂。試驗研究表明流道寬度與水泵葉輪直徑比為≥2.84時，水流對機組裝置性能影響較小。進水流寬度與水泵葉輪直徑比越小，進水流道內流速越大，水泵進口流速越復雜，甚至產生渦帶進入水泵引起機組甚至泵房振動，影響工程安全運行。鳳凰頸泵站進水流寬度與水泵葉輪直徑比僅2.38，導致進水流道的喇叭口下方流速分布嚴重不均，葉輪室的流態紊亂，葉片在交變荷載的作用下產生振動和疲勞破壞。

圖1 機組運行時水流在進、出水流道示意圖

2.2 出水流道水流分析

鳳凰頸泵站出水流道采用箱涵雙向出水流道，由于軸流泵導葉出口擴散段較短，水流從出水管進入出水流道后，雙向出水流道閘門關閉側滯流空間大，水流流入后折回進入出水流道，如圖1所示，由于流道寬度偏小，造成水流排出不暢，其壓力明顯高于流入閘門開啟側水流壓力，水流從導葉體出來后明顯偏流，出水流道流態紊亂，造成出水流道的泵軸兩側的壓力分布不均勻，機組運行時泵軸不僅受到軸向力的作用，而且受到脈動性的水平力作用，增加了泵軸的擺度，加大填料涵、推力瓦和導軸承的磨損，降低了其使用壽命。出水流道泵軸兩側的壓力分布不均勻又反作用于水泵葉輪，進一步增加了葉輪的交變荷載作用，增加了葉片斷裂的風險。出水流寬度越小，出水流道流速越大，泵軸兩側脈動性的水平力越大，泵軸的擺度越大。

3 結束語

由于鳳凰頸泵站是我國較早建設的雙向流道泵站，受當時技術水平限制，無法進行CFD仿真計算，且缺乏同類泵站設計經驗借鑒，流道的控制尺寸設置不合理，進、出水流道寬度較小(包含隔墩厚度在內的進、出水流道總凈寬度7.4 m，現在相同葉輪直徑雙向流道泵站的流道一般約9.0 m)，導致進水流道的喇叭管下方流速分布不均，使水泵葉輪運行時受到交變荷載的作用，在葉片根部易產生應力集中，長期運行造成葉片固定螺絲斷裂、葉片根部產生疲破壞等故障。

建議泵站管理單位應積極爭取泵站改造資金，加快實施進出水流道改造，消除鳳凰頸泵站存在安全隱患，確保泵站安全運行。同時每年汛后抓緊做好機組運行維護，確保來年汛期能安全運行，保護受益區人民群眾生命、財產安全。