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芦新河泵站水泵转动部件改造

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第21期作者：马韧韬

[导读] 摘要：芦新河泵站位于天津市北辰区姚庄子村西侧永定新河左岸，主要功能为排除上游河道的涝水和沥水。

        中水北方勘测设计研究有限责任公司天津市   300222
        摘要：芦新河泵站位于天津市北辰区姚庄子村西侧永定新河左岸，主要功能为排除上游河道的涝水和沥水。泵站装设10台1000ZLB立式轴流泵，配套功率280kW，总装机功率2800kW。本文介绍了泵站运行过程中水泵转动部件出现的故障和问题，提出针对性的改造措施方案。
        关键词：立式轴流泵半调节腐蚀固定式叶片
        1、工程概况
        芦新河泵站位于天津市北辰区姚庄子村西侧永定新河左岸，1971年建成运行，设计流量30m3/s，共装机10台。泵站于2007年8月实施了除险加固，2008年6月投入运行。除险加固后泵站设计流量仍为30m3/s，主要担负排除杨村空、陆军基地雨、污水，同时兼顾排泄武清、北辰农田沥水的任务。
        本泵站泵房为湿室式，共设10台1000ZLB-7型立式半调节轴流泵，配套电机型号为YRL500-12，功率为280kW。水泵参数如下：
        叶轮直径：870 mm
        叶片转角：-2°
        设计扬程：6.04 m
        设计流量：3.1 m3/s
        设计点效率：85%
        设计轴功率：221 kW
        设计比转速：822 m-m3/s
        最大轴功率：251.3 kW
        配套电动机功率：280 kW
        额定转速：490 r/min
        最小淹没深度（至叶轮中心线）：-1.18 m
        流量范围：2.25~3.40 m3/s
        扬程范围：4.42~8.98 m
        水泵安装高程（叶轮中心线）：-0.892 m
        2 运行现状及故障分析
        2008年6月芦新河泵站除险加固工程竣工并投入运行，经过8年的运行，水泵扬程范围适应泵站的运行工况，水泵运行平稳。
        2013年汛前，在芦新河泵站运行五年，特别是在2012年汛期7月间抵御了三次强降雨，机组长时间连续运行之后，水泵机组出现不同程度的问题。经对水泵解体检查，发现存在的主要问题有：水泵主轴轴径（与轴承接触部分）镀铬部分锈蚀、起鼓、脱落；上、下水导轴承磨损严重；叶片变位、偏离原始角度严重，叶片主轴松动；叶片固定螺栓脱落或锈蚀严重；叶片卡缝螺栓锈蚀或脱落及叶轮室定位销缺失等。分析原因为排水河段水质腐蚀性强、河道内杂质多，水泵泵体材质（铸铁）及转动部位连接不适应水质状况。具体解决措施为将10台水泵的叶轮室全部打开，对有问题的水泵主轴轴径（1#，3#，7#，8#，10#）采用不锈钢堆焊工艺处理；叶轮返厂进行调整、叶片更换为不锈钢材质、重新安装并做动平衡试验，同时将叶片主轴定位销直径加大至16mm，以保证叶轮与主轴连接尽量牢固；对上、下水导轴承返厂进行重新挂胶。经维修后的水泵运行稳定。
        2016年6月，泵站8#机组在排水运行过程中发生故障。故障现象为：运行中水泵发出撞击声，运行人员紧急停机。之后无法再次启动，人力盘车泵轴卡死无法转动，检查电机等上部机电设备均正常。在利用检修门及进、出水闸挡水，进出水池及泵室排水完成后，经检查判明故障原因为8#水泵叶轮的叶片固定螺栓脱落，造成叶片松动，叶片与叶轮室卡死，造成故障停机。同时发现叶片固定螺栓锈蚀严重；叶片卡缝螺栓脱落及叶轮室定位销脱落。进一步确定维修方案后，依序拆除喇叭口、下导水锥、叶轮室、最后拆下叶轮总成。经检查，水泵轴与水导轴承之间的间隙正常，转动正常，将泵站2015年购置的一套新叶轮进行了回装后，8#机组试运行正常。
        利用此次排空前、后池及泵室的机会，经对其余水泵叶轮、叶片的进一步检查，发现该问题并非个例，大部分水泵均存在类似问题，其中以5#、6#两台水泵的情况最为严重，叶片存在松动现象，叶片角度偏离原始角度严重，松动原因均为螺栓锈蚀松动造成，经检修后恢复运行。
        据此，如果不对主轴和叶轮进行彻底处理，该类故障还将不断发生，叶片松动变形最终将导致叶轮与叶轮室卡死，主轴因此弯曲变形，甚至引起电动机过载烧坏，造成更为严重的损失。而水泵机组位于水下，无法开展经常性检查，且出现故障后维修周期较长，严重影响泵站功能的正常发挥。因此，本次设计的目的为彻底解决叶片在恶劣水质中经长时间运行导致螺栓脱落变形的问题。
        3 改造措施方案
        3.1 叶片角度调整
        2007年芦新河泵站除险加固工程设计中，采用可变角度的叶片与叶轮通过螺栓连接（即半调节式，目前水泵生产厂家所生产设备大部分为半调节式和全调节式）。使用可变角度叶片主要目的是根据泵站上、下游水位变动情况，对叶片角度进行调整，以达到更优秀的水力效率，提高运行稳定性和经济性，具体分析如下（仅对调整一档角度进行分析）：
        原设计方案水泵设计扬程Hr=6.04m，设计流量为Qr=3.10m³/s，若由于泵站上、下游水位发生变化而造成几何扬程增加，在维持水泵流量不变的情况下可以将水泵叶片角度从-2°调整为0°（叶片角度向正方向调节时应考虑所配套的电动机容量，角度调整过大时可能造成电机超载），此时水泵对应的设计扬程为Hr=7.0m，效率为87.3%，如果不进行叶片角度调整，若仍要求达到H=7.0m，其对应的流量为Qr=2.85m³/s，效率为87.0%。若由于泵站上、下游水位发生变化而造成几何扬程减少，则可根据泵站运行要求确定是否进行叶片调整：若将水泵叶片角度从-2°调整为-4°，此时水泵对应的设计扬程为Hr=4.9m，效率为83.2%，若不进行叶片角度调整，当要求达到H=4.9m，其对应的流量为Qr=3.20m³/s，效率为83.1%。

        泵站正常运行时，叶轮淹没在水下，每次调整叶片角度均需停机、检修、排空流道积水才可进行。根据近年来水文资料和运行管理单位提供的运行记录，本泵站进、出水池水位变化较小，运行工况较为单一，固定叶片角度的水泵的水力性能，可以很好的适应泵站运行工况，长期稳定安全运行。
        原设计方案叶轮毂为铸钢，四个叶片为不锈钢材质，每片叶片通过四个不锈钢螺栓与叶轮毂内部压片进行紧固固定在叶轮毂上，通过两个16mm的不锈钢螺栓对叶片安装角进行定位。经检查，水泵叶轮多存在变形、严重锈蚀以及工作角度偏离的情况，可调角度叶片造成螺栓脱落、叶片角度变化较大导致与叶轮室卡死，无法运转。维修已无法彻底解决。因此，本次改造决定将水泵叶片型式改为固定式。
        3.2 过流部件结构及材质
        叶轮的叶片、轮毂及导水锥均更换为不锈钢材质，叶片与轮毂连接采用螺栓把合（螺母与螺栓连接部分局部点焊）。同时提高叶轮叶片把合轴的强度，防止叶片再次脱落或断裂，保证运行安全。
        鉴于目前存在水泵主轴轴径（与轴承接触部分）镀铬部分锈蚀、起鼓、脱落，上、下水导轴承磨损严重问题，计划将原采用镀铬工艺处理的主轴轴径（与轴承接触部分）改为加装不锈钢轴套工艺进行处理。
        对水泵填料密封进行技术升级，更新密封填料，以防止后期运行过程中填料对泵轴造成破坏性磨损。
        3.3 设计参数
        泵站10台水泵的叶轮均进行更新，叶片改为固定式结构，安放角度即原半调节式叶轮的-2°角，叶片个数、叶型及水泵流道均维持不变，因此水泵技术参数（流量、扬程、效率等）不变。考虑泵站排水水质较差，水泵过流部件应具有较好的抗腐蚀性能，水泵叶片、轮毂及导水锥材质采用0Cr13Ni4Mo不锈钢材料制造。
        4 改造意义
        随着本地区社会经济的发展，沿岸汇流不断增加，使泵站进、出水池的水位发生一定的变化，年利用小时数大幅增加，泵站运行工况发生变化。因此在水泵选型过程中，应注意水泵流量、扬程的合理匹配，水泵的高效率区应尽量平缓，稳定运行区应尽量宽广。
        在水泵主要过流部件选择上，应注意根据不同水质情况加以分析，合理选择叶轮叶片、主轴、导叶体、泵壳等的材料。对于叶轮、叶片、主轴等的加工和装配精度，在招标采购中应提出详细的工艺要求。
        5 结束语
        本次芦新河泵站转动部件的改造，从水泵参数、过流部件材质和加工工艺等方面提出了有针对性的措施，对装设立式轴流泵的排灌泵站水泵的选型和设计具有一定的参考和借鉴作用。
        作者简介：马韧韬男 43岁高级工程师水力机械专业