双向流道泵站典型故障案例分析

肖忠明，颜红勤，蒋红樱，成 立，刘志泉

(1.丹阳市九曲河枢纽管理处，江苏 镇江 212000；2.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210029；3.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009)

在许多泵站建设中，为满足自引、自排及双向提水的需求，常常将流道设计成“X”形，即双向流道[1]，如图1所示。双向流道泵站虽然具有结构简单紧凑、占地面积小、工程投资省等优点[2]，但由于其箱式结构的特点，加之双向流道泵站对进水流道水力设计要求较高，目前在实际应用中水力性能普遍较低，运行稳定性普遍较差[3-4]，在实际运行中故障几率较高。

图1 双向流道泵站示意图

1 双向流道泵站常见故障类型

根据长期调研发现，双向流道泵站常见故障类型可分为水力故障、机械故障、电气故障3类。水力故障主要表现为不良压力脉动、水泵叶片和叶轮室的汽蚀；机械故障有叶调机构损坏、主水泵部件损坏、液压启闭机故障、清污机故障等；电气故障有站用变压器故障、直流系统故障等。本文选择其中的典型故障成因及其解决措施进行分析说明。

2 水力故障

2.1 不良压力脉动

2.1.1 成因

双向流道泵站由于其结构的特点，在运行时一端进水、一端封闭，在封闭端会形成一个死水区，即盲端。盲端的存在往往导致回流的产生，使进水流道内易产生涡带，造成叶轮及机组不良振动[5-6]而引发泵站故障，严重时可能危及机组和泵站安全。另外，双向流道型式本身存在不可避免的缺陷：出水流道顶板偏高，导轴泵轴长度增加，运行时摆度过大；出水流道为双向出水设计，主机组运行时，受盲端静水区影响，容易产生较大的水流脉动[7]。

2.1.2 解决措施

对水泵结构进行优化：适当缩小导叶扩散角度，提高扩散管出口断面高程，这样有利于改善出水流态和回收动能。对泵轴过长的缺点，在出水流道增设顶板，将电机基础高程下降，使泵轴长度得以缩短；或者通过增加泵轴直径，提高泵轴运行时的稳定性。对导水锥结构进行优化，选择合适的型式减少进出水涡带的产生；对其分段设计，采用哈夫连接，以便于对水导轴承进行检修；利用导水锥将泵轴包裹，减少水流对泵轴的冲击，从而减少泵轴振动的发生。

2.2 汽蚀

2.2.1 成因

某些泵站在建设时未充分考虑双向流道的特点，按照普通轴流泵站的泵型设计选择，导致水泵型号配套不当，结构形式不合理。例如某泵站为满足现场安装要求，加大叶片与叶轮室之间的间隙，导致叶顶间隙超规范，机组运行不稳定，振动偏大，诱发汽蚀。还有的泵站位于江河沿岸，进出口水位变化较大，水泵长期偏离高效区运行，水泵运转不稳定，导致水泵汽蚀。

2.2.2 解决措施

在进行泵站水泵选型时，应进行模型试验和数值模拟计算，合理设计选择泵站的前池和流道型式，使水流平顺地进入流道和叶轮室。水泵的汽蚀主要发生在叶轮室，首先应考虑优化叶轮室的结构。例如某双向流道泵站叶轮室由球形改为圆柱形，使叶轮可以直接从叶轮室中抽出和落下，解决了叶轮不便安装，叶顶间隙不均匀、间隙过大的问题，运行后发现叶轮室无汽蚀状况。其次可对水泵材质进行优化，叶片、泵壳等采用不锈钢等抗汽蚀材料，提高水泵的抗汽蚀性能；对于已被汽蚀破坏的过流部件可采用表面保护技术加以修复。另外应针对河流水位变化特点考虑更换或重新设计合适的泵型，避免水泵偏离设计工况运行。在泵站实际运行中，常在泵壳外部安装传感器监测振动，以判断汽蚀是否发生。

3 机械故障

3.1 叶片调节机构损坏

3.1.1 原因

叶片调节机构损坏会导致水泵变角调节失灵或者出现偏差，影响泵站的高效运行。双向流道泵站叶调机构损坏主要在工厂装配和运行时产生。可能调节机构内的轴承的质量差、装配间隙不符合规范。可能是叶调机构与主机转动的同心度不符合要求，导致机组运行时叶调机构内的轴承径向受力发生变形。也可能当叶调系统在停运状态无油压，在泵站监控系统或在叶调系统PLC触摸屏进行叶片调节控制，由于没有液压油，机组叶片角度无变化，叶角电位计无叶片动作反馈信号，叶调系统PLC内部程序接收不到叶片角度达到设定值的反馈，导致程序一直给步进电机发调节信号，使步进电机带动调节杠杆达到或甚至超过最大正或负角度，致使配压阀处于完全打开状态。当叶调系统再次投入运行时，系统建立工作油压，因此时叶调系统配压阀处打开位置，叶片角度迅速增大或减小，达到调节机构设定的限位角度，而此时叶调的上或下限位开关已无限位作用(限位开关仅在叶片调节超限时，断开步进电机脉冲调节信号)，最终导致机组叶片角度至极限位置。因叶片止点不同，造成不同叶片不均匀受力导致操作架变形，从而导致叶调机构故障。叶调机构工作原理图见图2。

图2 叶调机构工作原理

3.1.2 解决措施

当叶调机构出现损坏时，应对分离器解体检查，对损坏轴承进行更换，确保分离器的正常运行[8]。还需检查轴承间隙，如果间隙偏小，调整轴承压盖及其间隙，将其控制在允许范围内。校正调节机构与主机转动部分的同心度及垂直度，使其符合安装标准。在活塞上下增加限位块，在运行操作不当时，使正负极限角度不致造成叶片不均匀受力现象。

3.2 主水泵部件损坏

3.2.1 原因

有的泵站由于受建造时技术及施工条件的限制，水泵选型配套不当，结构形式设计不合理，使水泵运行一段时间后部件发生磨损锈蚀。而且双向流道泵站导叶体常为埋入式的整体，预埋在混凝土内，一旦导叶体发生故障，无法实施更换。

3.2.2 解决措施

对于水泵配套不当应考虑更换泵型号，或者对泵结构形式更新改造。比如某泵站针对该问题进行更新改造，由固定埋入式结构改为竖井筒体式轴流泵结构形式，改用钢结构泵壳与预埋的上底座相连，拆卸安装方便；在混凝土底座植筋预埋，使导叶与中底座连接起来，整个水泵部件置于竖井，可方便地从中吊出，大大方便了水泵的安装维修。

3.3 液压启闭机故障

3.3.1 原因

有些双向流道泵站建设时间较早，启闭机型式老旧，加工粗糙，密封件容易出现损坏，导致活塞漏油，严重时甚至不能启闭。当启闭机下油封漏油时，水和杂质会随活塞杆的往复运动进入油缸，导致液压油发生乳化，沉积物增多，进而致使阀门锈蚀和堵塞，甚至造成系统失灵，启闭机不能自动锁定，发生跌落，不仅严重影响泵站运行，更易引发安全事故。这是因为原设计的液压油在回油箱和净油箱中只靠压力滤油机净化，如果液压控制阀件加工精度差，在循环过程中压力滤油机只能将液压油过滤一次，导致液压油净化程度不能满足液压控制阀的技术要求。液压油长期在含水和杂质的情况下运行，形成液压油净化不净的恶性循环，油质不断乳化，使阀组阀芯锈蚀、堵塞，最终使阀件失去自动复位功能，造成液压系统故障，影响泵站安全运行。

3.3.2 解决措施

若要有效除去油中水分，可在回油箱与净油箱之间增加真空加热滤油装置[9]，使液压油的净化程度满足液压控制阀的技术要求。为防止油缸内进气锈蚀，保证系统工作可靠性，可改造提升油箱高度，改用宽径不锈钢管母管，通过不锈钢支管连接启闭机上腔，保证在开启或关闭闸门时无压油均充满启闭机上腔。如果启闭机柱塞泵仍不能满足运行要求，应考虑换用新型优质的柱塞泵。

4 电气故障

4.1 直流系统故障

4.1.1 原因

直流系统常见故障有系统失电、接地故障、熔断器熔断等。当无交流电输入、元器件损坏、接触不良时[10-11]，均可能导致电气设备停止运行，使直流系统失电。直流系统常见接地故障有绝缘不良、一点接地、多点接地等，设备损坏、天气引起的设备及端子受潮、电缆表皮绝缘破损、裸露金属积有灰尘、控制电缆的接头被渗漏油侵蚀等均可能引起接地故障。

4.1.2 解决措施

对于直流系统失电故障，可先用电压表测量蓄电池组两端电压，若电压显示240V左右，说明蓄电池组正常连接，电池性能正常；然后沿蓄电池组放电回路依次检査输出电压，看各进、出线端是否有电压显示；若某处无电压显示，说明故障极有可能出在此处；之后再通过拆线检查，确定其故障原因。对于直流系统接地故障，处理方法有拉回路法和仪器定位法。应用拉回路法，切断各直流回路时，切断时间不能超过3 s，届时无论故障报警信号是否消除均应合上。若接地出现在某一回路，有环路的先解环，再采用取熔丝和拆端子的方法，直至找到故障位置并解决。

5 总 结

双向流道泵站运行水位常常变化较大，死水区的存在导致了回流的产生，这是诱发不良压力脉动、汽蚀等水力故障的重要原因。双向流道型式的特点往往导致泵轴过长，流道水流脉动压强差更容易引发泵轴振摆，导致机组振动，发生机械故障。直流系统失电、绝缘不良等引发电气故障。故障发生时应根据其类型和特点进行解决和预防，在日常运行中注意对泵站进行维护和检修，减少泵站水力故障、机械故障和电气故障的发生频率。很多故障都是由于流道设计、水泵选型、安装不合理引起的，设计人员应根据实际情况选择合理的流道和水泵型式，这对减少故障的发生至关重要；制造人员应提高主机泵结构设计、加工制造工艺，生产合格优质的产品部件；泵站工作人员应结合工程实际不断深入学习、探索和实践，加强巡视和管理，及时将泵站故障隐患消灭在萌芽状态。