排涝泵站机组故障特点与原因分析
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摘� 要: � 大中型水泵机组的故障直接影响机组安全、可靠运行, 影响泵站功能的发挥。文章分析了大中型水泵机组故障的特点:影响大、原因复杂、隐蔽性强和故障率确定难; 确定了主要故障形式: 电机推力瓦烧损, 电机线圈绝缘失效, 水泵导轴承及轴颈磨损, 叶片调节机构失效, 水泵汽蚀; 从设计、结构、安装和运行等方面分析了主要故障的原因。成果对改进大型水泵机组的设计选型, 减少故障发生, 及时准确诊断和排除故障, 缩短维修时间, 降低维修费用, 确保维修质量有较重要地意义。
关键词: �水泵机组; 主要故障; 故障特点; 故障原因
对于大中型水泵机组的故障分析和维修性设计、评价和改善, 只需针对比较少的一部分部件及机构, 这些部件及机构故障的发生会影响泵站的正常和安全运行。这类故障即为主要故障。鉴定关键部件及机构需要确定系统、分系统每一层次中的关键部件及机构。首先, 将机组按复杂程度依次列出其所有产品, 形成“构造树”, 然后将其故障显然对设备没有重要后果的部件从“树”中略去, 在留下来的部分中再选择必须进行故障及维修研究的部件及机构。典型的大中型弯管式轴流泵机组“构造树”如图1所示。
表1� 大中型水泵机组关键部件故障次数统计
注: 表中大型泵站水泵设置叶片调节机构。
1故障特点
1.1原因复杂
(1)机械方面
磨损、腐蚀、疲劳、老化、汽蚀等失效形式, 机组部件材料的性能、安装质量和运行条件都可能是水泵机组及其关键部件故障的原因。机械故障还具有潜在性、渐发性、耗损性、模糊性和多样性等特性。水泵是旋转机械, 转子不平衡、不对中,部件的和密封等都会导致机组故障。
(2)电气方面
电流、电压过高或过低都会引起电动机的发热, 严重时会烧损电机。三相电压的不平衡和三相阻抗的不同都会产生三相电流不平衡, 最严重程度是一相保险丝熔断, 此时其它两相将通过很大的电流, 电动机绕组温度将迅速上升, 可能立即烧毁电动机。泵站电气设备较多, 某一个部分出现故障, 都有可能导致机组的故障。
(3)水力方面
主要是导致机组过载和水力振动。内外江（上下游）水位超出设计水位有可能导致机组过载。水力振动原因有: 汽蚀引起的压力脉动; 非设计工况流速不均匀引起的振动, 特别是脱流漩涡引起的振动; 水泵起动过渡过程引起的振动。
(4)管理方面
水泵机组的日常维护和保养不当,运行人员不按规程操作等都会引起机组故障甚至事故。
1.2隐蔽性强
大中型水泵机组故障的隐蔽性强主要有两个方面原因: ( 1)正常情况下, 无法进入机组内部进行检查, 也难以对机组解体进行查看; ( 2)对于排涝泵站, 机组只有在汛期才开机运行,南方地区，实际运行时间 仅有一星期左右，北方地区，运行时间也仅1~ 3个月。一年大部分时间机组处于停机状态。故障特征通常在机组运行时才表现出来,在停机状态下,难以发现故障的存在。
1.3数据收集难
大中型水泵机组都是根据特定泵站结构形式和运行工况条件设计的, 生产数量少、 机组造价高,同型号机组的数量少,故障类比性差、 故障数据收集难度大。机组开机运行时间短的因素存在, 故障数据主要是依靠平时泵站运行管理中的记录。由于故障现场环境复杂, 维修强度大, 维修周期长, 各泵站技术力量和管理水平存在差异等诸多因素, 使得故障处理数据收集难度大。
1.4故障率确定难
水泵机组母体变化, 故障率难以确定。大中型水泵机组使用期限长,一般长达几十年,需要经过多次维修,虽然机组的整体机构没有改变,但是其各部件,特别是易磨、 易损部件, 已被全部或部分更换, 且维修安装的技术条件、 维修质量也在不断变化, 且机组维修周期通常都比较长。因此发生故障的母体是变化的, 再由于机械系统零部件的材料、 加工工艺、 负荷、 功能等方面存在差异, 故障模式千变万化, 故障率的确定就缺少了相同的发生条件,难以准确统计出大中型水泵机组的故障率分布规律。一般将大修之后的机组作“修复如新”的假设, 即相邻故障时间独立同分布, 按照原来维修周期对其进行大修。
2 推力瓦烧损原因分析
2. 1 推力瓦荷载率过大
推力轴承荷载是由转动部件自重、 作用于叶轮的轴向水推力和定子对转子的轴向磁拉力组成的。其中,经常发生变化的是作用于叶轮轴向水推力。轴向水推力近似与水泵扬程成正比, 在选择设计电机时,若对水泵最大运行扬程估计不足,泵站进出口水位差太大,或进口拦污栅阻水严重,设计选用的推力轴承设计荷载偏小, 推力轴承荷载系数大于 1 . 0 ，甚至超过 1 . 2，就容易造成轴承过载而烧损。
2 . 2 推力瓦受力不均[ 1]
由于制造、 安装及运行等方面原因,大中型泵站常发生电机少数几块推力瓦或瓦面局部区域受力特别大,导致瓦温偏高,甚至烧损。
(1)推力瓦安装受力不均匀。电机推力瓦安装采用锤击法升高或降低抗重螺栓,靠手感调整推力瓦受力,随意性和误差较大,容易造成推力瓦静态受力不均。
(2)抗重螺栓支承问题。若抗重螺栓支承部位刚度不等，运行后,由于荷载增大, 支承刚度小的推力瓦受力小,刚度大的受力大。此外,支承部位脱焊、 抗重螺栓松动也会引起推力瓦受力不均。
(3)镜板表面不平。镜板单个部件与推力头组装后,由于连接螺栓的拧紧拉力不均匀、 绝缘垫与推力头、 镜板组合面不平等原因或制造上的缺陷导致镜板表面不平, 造成推力瓦受力不均, 受力大的推力瓦周期改变。波浪形镜板还会引起转动部分振摆。
(4)瓦面加工精度低。推力瓦瓦面必须进行刮花处理使瓦面产生油膜,改善条件,减小摩擦系数和发热量,对运转有利。但是瓦面加工质量低,瓦面存在凸起区域, 该区域受力特别大, 可能首先烧损,并依次造成整个瓦及其他瓦的烧损。
(5)推力瓦力变形与热变形。安装时, 推力瓦研磨刮削成平面。若推力瓦块刚度不够, 运行后由于底部抗重螺栓集中力和面部镜板面荷载作用,四周产生较大挠度, 中部相对凸起。另一方面,运行时轴瓦温度升高膨胀,瓦面特别是中部温度高于钢坯,并且瓦面轴承合金热线胀系数是底部钢坯的 2倍,瓦面膨胀较大, 钢坯膨胀较小, 结果造成推力瓦变形上凸。推力瓦热变形随转速增大而增大瓦面中部凸起的程度, 至使压力进一步增大,该区域最易磨损、 烧熔,在机组大修时对烧损推力瓦的检查结果证明了这一点。导致推力瓦烧损的原因还有油变质、 冷却能力不够、 辅助系统故障及运行操作失误等。
3电机绝缘老化原因分析
负载的变化、 环境与机械损伤都会导致绝缘老化[2]这些因素对绝缘性能的影响表现为:
(1)热老化。绝缘材料在运行中, 因长期受热会产生各种物理和化学变化,如挥发、 裂解、 起层、 龟裂等,导致材料变质而老化。此外, 电机反复起动,使绝缘结构反复受到热循环的作用,线圈绝缘也反复受到机械变形而疲劳破坏。冷却方式的选择和冷却能力的大小都直接影响着电机的散热能力,影响电机绝缘。
(2)电老化。电老化主要指局部放电、 漏电和电腐蚀造成的绝缘老化。电机线圈绕组绝缘中不可避免的存在微小的气隙。这些气隙、 细微缝道以及材料界面处在高压电的长期作用下而造成电机的局部放电。局部放电能在绝缘层内产生十分微细的树枝状放电途径,并造成放电区域的绝缘腐蚀,从而导致绝缘介质绝缘性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大,最终形成贯穿性放电通道,导致绝缘整个被击穿[ 3]。漏电老化则是当绝缘表面污染或附有异物时,在有电位差的绝缘表面形成炭化电路,使绝缘丧失其功能。
(3)机械老化。机械老化主要表现在绝缘材料的疲劳裂纹、 松弛、 磨损等。如电机起动时, 电磁力在线圈绝缘内产生很大的应力, 在弯曲和挤压应力的反复作用下, 线圈绝缘层往往产生疲劳甚至断裂。热老化引起绝缘收缩和绝缘层蠕变收缩,将导致绝缘松动, 造成线圈端部和槽内部分的绝缘磨损等。
(4)环境老化。环境老化主要表现为灰尘、油污、 盐分和其它腐蚀性物质对绝缘的污染和侵蚀,以及绝缘吸湿或表面凝露。它们会导致绝缘电阻降低和介质损耗增加,随着电机老化程度的增加, 绝缘对环境的敏感将更加明显,此时环境因素将对电机绝缘老化起催化作用。
4水泵导轴承故障原因分析
4. 1油导轴承故障原因
4. 1 . 1不足
毕托管式油导轴承故障主要是由于毕托管的上油量小于轴承需油量, 导轴承在油量供应不足的状态下运行, 加速轴承材料的磨损和发热,降低油的粘度, 不能形成油膜,进一步加剧轴承的磨损, 严重时引起烧瓦。引起这种故障的原因主要有两种,一种是机组转速突然减小,出现不稳定运行状况;另一种是毕托管出现问题,主要表现为: (1)毕托管的进油角度发生变化。因受机组振动而使进油角度发生变化, 从而使毕托管上油量减小, 甚至不上油; (2)毕托管折断。对毕托管折断的油导轴承检查发现, 转动油盆内壁无刮痕, 说明断裂不是刮碰所致。其实毕托管的断裂是由于共振疲劳破坏引起的[ 4]。
4. 1 . 2密封失效
水泵导轴承密封失效故障表现为导叶体轮毂与转轮轮毂之间设置的水密封失效,造成大量漏水,漏水量超过允许值,排水管来不及排水时而使油导轴承浸水受损。目前主要的密封形式有端面密封和迷宫密封两种。
(1)端面密封失效原因。水泵导轴承端面密封属于接触式机械密封。主要失效原因有: 静环座与固定座之间的弹簧脱落; 由于静环座与固定座之间的密封橡胶绳装配过紧,而致机组顶车后静环座不能依靠自身重力和弹簧弹力下落; 由于动静环磨损面凹凸不平, 静环座下落后不能重新很好啮合,密封间隙增大。
(2)迷宫密封失效原因。影响迷宫密封性能的因素较多,如总体结构型式、 涡流空腔形状及尺寸、 节流间隙宽度、 节流齿厚度及数量、 齿顶形状、齿倾角、 压力温度条件、 转轴旋转速度和介质流向等。水泵导轴承迷宫密封所密封的是水, 所以还有水力摩阻和流束收缩的影响。水流在迷宫通道内的流动状况十分复杂, 影响因素繁多,实际性能由这些因素综合反映,因此,导轴承迷宫密封的机理比较复杂。
4. 2水导轴承故障原因
水轴承损坏原因有:
( 1)径向荷载过大,超过轴承承载能力;
( 2)轴承材料承载能力低;
(3)直接采用城市污水时,污水中硬质沙粒嵌入轴承材料中,磨损轴颈,而表面被磨毛糙的轴颈反过来又进一步磨损轴承, 形成恶性循环。有些轴承材料如橡胶，接触污水中的油性物质会产生膨胀现象, 设计、 安装轴承时应考虑轴承衬材料的膨胀性,适当放大轴承间隙,否则遇污水后会发生抱瓦而损坏轴承和轴颈, 甚至发生轴承与轴颈粘结在一起的情况。
4. 3水泵轴颈磨损原因
水泵轴颈的磨损部位在填料函处和导轴承处。对于水导轴承, 磨损原因主要是机组轴窝垂直同轴度偏差过大, 使主轴呈 S形旋转;冷却水管供水不善,使填料和轴承内进入污水,泥沙便积聚在轴颈部位, 磨损轴颈。若采用污水,水中的泥沙不仅磨损轴承, 同时也磨坏泵轴轴颈,使水泵轴承及填料的轴颈部位磨出很深的痕迹。油导轴承轴颈磨损一般很小。如果密封失效, 泵内水体会浸没油导轴承,易造成轴承磨损和锈蚀。被磨损的轴颈可以在机组大修时进行喷镀不锈钢处理。
5 叶片调节机构故障原因分析
5. 1机械式叶片调节机构故障原因
(1)分离器与主机泵转动部分的同心不符合要求, 导致分离器轴承径向荷载过大。球面轴承自动调心作用是当轴 (拉杆)为球心而倾斜时才能有效地发挥。但是目前调节拉杆位于水泵和电机的空心水泵轴内,只与水泵轴同心,而水泵轴的定点在机组的推力轴承处,此定点不在调节器轴承的球面以外,肯定非球心,无法起到自动调心作用,轴承偏心受压。在轴向力的作用下,左右两侧的滚子不均匀引起推力轴承烧坏。
(2)推力轴承轴向间隙过小。某泵站轴承烧毁其原因就是轴承外圈被顶死, 轴承无法自动调心而导致外圈的大挡边与滚子摩擦引起烧毁。调整间隙后轴承运行正常[ 5]。
(3)分离器轴承内圈径向位移过大。水泵轴存在的摆度, 造成拉杆倾斜; 上下拉杆之间的倾斜;上下拉杆的不同心,三者导致调心轴承内圈横移量变大, 超过轴承间隙, 轴承在短时间内会烧损。即使三者偏移不在同一个方向,也会造成单侧部分滚珠长时间受力过大, 且上拉杆存在一个固定弯曲而受到一个交变弯矩,即增大摩擦力矩,加大调节的轴向力,不利于设备长时间运行。
(4)联接强度差、 固定方式不合理。拉杆头与上拉杆的联接强度差、 固定方式不合理,而且容易拉杆之间螺纹连接松动。拉杆头与拉杆的连接方式为对开形包壳联接或螺纹连接加止动垫片,一方面无法保证联接的强度和同心度, 另一方面在机组停机发生反转,导致上、 下拉杆的相对移动和松脱。某泵站曾因调节机构拉杆螺纹松脱而使机组进行大修。
(5)分离器温度过高。分离器内没有水冷却器。分离器内由于轴承的发热, 需要冷却。东深供水三期扩建工程水泵叶片调节机构分离器油盆外壳温度高达 60~ 70℃(规定油温不超过 70℃) ,一方面加速油质变化; 另一方面导致轴承硬度下降,严重影响轴承滚珠寿命。
5. 2液压式叶片全调节机构故障原因
液压式条件机构具有调节力大、 机械磨损件少、 可靠性高等优点,但装置占地面积大, 配油器安装难度大, 接力器密封要求高。大型水泵所需调节力较大,油压较高,易造成密封漏油。主要故障模式有:操作油管连接部位漏油,配压阀密封失效,最终使压力无法保持,叶片角度无法调节。
6结语
大中型水泵机组故障具有影响大、 原因复杂、 隐蔽性强和故障率确定难等特点。其主要故障有:电机推力瓦烧损, 电机定、 转子线圈绝缘失效, 水泵导轴承及轴颈磨损,叶片调节机构失效,水泵汽蚀等。其中:电机推力瓦烧损有设计选型和安装运行两方面的原因,后者更为复杂。提高安装质量可以减小电机推力瓦烧损故障率。电机绝缘老化失效受热因素和环境因素影响较大。水泵导轴承故障主要表现为轴承材料与轴颈严重磨损甚至大块脱落。水导轴承故障原因主要是材料承载耐磨性能差、 水质差;油导轴承故障原因主要是油膜和水密封问题。机械式叶片调节机构故障形式多,原因复杂。
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