豎井貫流泵導(dǎo)軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施及成效分析

吳建偉，沈春林，朱楊建，沈雪梅，唐 演，張 磊

（1.南通市通呂運(yùn)河水利工程管理所，江蘇 南通 226000；2.南通市九圩港水利工程管理所，江蘇 南通 226000）

豎井貫流泵為臥式泵的一種，機(jī)組由水泵、電機(jī)、齒輪箱及附屬輔助設(shè)備組成。機(jī)組在運(yùn)行過程中，導(dǎo)軸承出現(xiàn)的泄漏、潤滑油液的乳化現(xiàn)象是困擾運(yùn)管人員的一個(gè)突出問題。導(dǎo)軸承密封完好、潤滑良好是保障機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。九圩港泵站、通呂泵站分別配備5 臺套、3 臺套豎井貫流泵，導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)基本一致，本文以九圩港泵站、通呂泵站導(dǎo)軸承油液乳化和潤滑油泄漏為例進(jìn)行探究，對通呂泵站導(dǎo)軸承系統(tǒng)針對性地實(shí)施技術(shù)改造，為泵站安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。

1 概述

1.1 工程概況

九圩港提水泵站是南通市第一座大型泵站，也是南通市規(guī)模最大的泵站。該泵站位于九圩港閘西側(cè)，南距入江口約1.3km，為引江提水單向泵站。泵站設(shè)計(jì)流量為150m3/s，安裝豎井貫流泵5 臺套，型號為：3250ZGB30-1.96，單機(jī)流量為30m3/s，總流量150m3/s，配套電機(jī)功率為1250kW，總裝機(jī)容量為6250kW。工程于2015 年3 月開工，2018 年4 月主體工程完工，2018 年5 月底投入試運(yùn)行，自2018年投入運(yùn)行以來，總提水量74.9 億m3；通呂運(yùn)河水利樞紐位于通呂運(yùn)河長江口門處，距長江口約2.2km，其采用閘站結(jié)合方案，包括一座大型引水泵站和一座大型水閘。樞紐工程防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為300 年一遇，區(qū)域除澇標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇。工程等別為Ⅱ等，規(guī)模為大（2）型，于2018 年10月29 日動工建設(shè)，2019 年5 月30 日通過水下工程驗(yàn)收，2019 年7 月開閘放水，2020 年6 月通過完工驗(yàn)收。泵站布置型式為堤身式塊基型，采用豎井雙側(cè)進(jìn)水，平直管出水流道，快速閘門斷流。進(jìn)水側(cè)設(shè)擋洪門(檢修門)一道，采用自動控制的卷揚(yáng)啟閉機(jī)啟閉。出水流道末端設(shè)快速工作閘門(帶小拍門)、事故閘門(兼檢修門)各一道，自動控制液壓啟閉機(jī)啟閉。泵站采用3 臺套豎井貫流泵機(jī)組，型號為：3300ZGB33.3-1.98，單機(jī)流量33.3m3/s，總流量100m3/s，配套1600kW 臥式異步交流電動機(jī)，總裝機(jī)容量4800kW。自2020 年投入運(yùn)行以來，總提水量45.5 億m3。

1.2 豎井貫流泵導(dǎo)軸承概況

1.2.1 導(dǎo)軸承的作用

導(dǎo)軸承是豎井貫流泵的重要組件，起著承受水泵轉(zhuǎn)子重量及水泵運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的徑向力，穩(wěn)定葉輪轉(zhuǎn)動的作用[1]，水泵轉(zhuǎn)子采用端支梁支撐方式，導(dǎo)軸承及其支座具有足夠強(qiáng)度和剛度以承受最大徑向載荷以避免異常振動。導(dǎo)軸承采用球面微動支座，以增加其自動調(diào)心功能，使軸瓦受力均衡，泵軸軸頸運(yùn)行線速度符合形成油膜的最小線速度。

1.2.2 導(dǎo)軸承的原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軸承由軸承體（對分件）、軸瓦（對分件）、密封組件（防沙圈、骨架密封圈、O 形圈）、端蓋、儲油腔、管接頭、油管、油溫傳感器、瓦溫傳感器等部件組成。導(dǎo)軸承的軸瓦與軸承座為分體式結(jié)構(gòu)，安裝在導(dǎo)葉體輪轂內(nèi)，導(dǎo)軸承殼采用ZG270-500 材料，導(dǎo)軸承瓦采用巴氏合金材料制作，巴氏合金瓦具有耐磨性能好、性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點(diǎn)。導(dǎo)軸承用L-HM46 抗磨液壓油潤滑，軸瓦內(nèi)設(shè)有油槽，保證潤滑油進(jìn)入軸承與軸間的接觸配合面并形成有效的油膜[2]，潤滑油采用高位油箱外部供油，并可定期更換潤滑油。軸承設(shè)出油孔，出油孔設(shè)閘閥進(jìn)行控制，以便檢測水導(dǎo)軸承的注油情況及間接觀察水導(dǎo)軸承磨損情況。其浸沒在水下，穿軸端必須采用可靠的動密封裝置，為此，采用三道骨架密封圈（NOK 品牌）加一道防沙圈密封以防止水進(jìn)入軸承內(nèi)而產(chǎn)生燒瓦現(xiàn)象，防止油漏出而污染水源。導(dǎo)軸承和油腔處各設(shè)一個(gè)溫度傳感器，以檢測軸瓦和潤滑油的運(yùn)行溫度，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)軸承軸瓦溫度≤75℃，潤滑油溫度≤65℃，測溫元件采用Pt100 型，三線制接線。

2 運(yùn)行中導(dǎo)軸承存在的問題

油潤滑導(dǎo)軸承承載力高，可靠性高，適用于長年連續(xù)運(yùn)行的泵站[3]。但油導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，密封裝置易出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為密封失效，造成導(dǎo)軸承浸水受損，從而出現(xiàn)油水混合現(xiàn)象，油導(dǎo)軸承極易浸水，據(jù)江蘇省江都抽水站不完全統(tǒng)計(jì)：站內(nèi)所有大型泵站油軸承都浸過水，單站平均每年發(fā)生4.8次以上，10 年內(nèi)單泵最多發(fā)生18 次之多[4]。

2.1 儲油腔油液乳化

九圩港提水泵站在2018 年6 月投入運(yùn)行后兩個(gè)月，更換2#水泵導(dǎo)軸承潤滑油時(shí)，發(fā)現(xiàn)所放出來的舊潤滑油呈泥沙色似水態(tài)液體，已經(jīng)起不了潤滑作用，其余四臺機(jī)組均有不同程度的類似現(xiàn)象，后經(jīng)多次維保觀察試驗(yàn)，均出現(xiàn)了乳化現(xiàn)象，表明水進(jìn)入了儲油腔導(dǎo)致油液乳化的問題。

2.2 儲油腔油液泄漏及油路不暢

通呂運(yùn)河水利樞紐工程的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)單位與九圩港泵站相同，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)1#、3#高位油箱經(jīng)常需要補(bǔ)油，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每個(gè)班組補(bǔ)油竟達(dá)到10～15L 左右，反映出導(dǎo)軸承儲油腔存在油品泄漏現(xiàn)象。運(yùn)行人員測量1#～3#機(jī)組儲油腔油壓，油壓均在0.04～0.06MPa 左右，低于設(shè)計(jì)壓力0.1MPa，反映出進(jìn)油管路進(jìn)油不暢、腔內(nèi)潤滑油得不到補(bǔ)充問題。

2.3 部分部件磨損嚴(yán)重

九圩港泵站和通呂泵站導(dǎo)軸承也存在一些共性問題，在兩座大型泵站大修過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軸承的短軸、密封圈、導(dǎo)軸承瓦均存在不同程度的磨損，短軸甚至出現(xiàn)幾道較深的凹槽，密封圈磨損的幾乎不具備密封功能，導(dǎo)軸承瓦出現(xiàn)或多或少的刮痕，這些現(xiàn)象從側(cè)面反映出導(dǎo)軸承的潤滑不暢等問題。

3 產(chǎn)生后果

導(dǎo)軸承密封出現(xiàn)問題，影響了泵站社會效益的充分發(fā)揮和泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。一是導(dǎo)軸承儲油腔潤滑油發(fā)生泄漏，需人工補(bǔ)油以滿足機(jī)組正常運(yùn)行，浪費(fèi)人力，從環(huán)保角度來講，潤滑油從油腔中泄漏出，會對內(nèi)河水質(zhì)產(chǎn)生污染，不符合環(huán)保要求。二是如果水進(jìn)入導(dǎo)軸承，會導(dǎo)致導(dǎo)軸承油品乳化現(xiàn)象，降低潤滑效果，加速短軸、密封圈的磨損，嚴(yán)重時(shí)可能會產(chǎn)生燒瓦現(xiàn)象。三是若油腔內(nèi)潤滑油泄漏或軸承油品乳化現(xiàn)象嚴(yán)重，需長時(shí)間停機(jī)維修，影響了泵站社會效益的發(fā)揮。

4 改進(jìn)措施

針對導(dǎo)軸承油液泄漏、乳化等問題，通呂所聯(lián)系九圩港所、設(shè)計(jì)及制造等單位共同會商，以不改變主要結(jié)構(gòu)和尺寸，在原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化為改造理念，制定了改進(jìn)方案，具體通過增設(shè)排泄通道、調(diào)整油封安裝方向、加裝防轉(zhuǎn)銷等方式進(jìn)行。針對油路不暢問題，管理所組織人員分臺次對3 臺機(jī)組進(jìn)行了供油管路及通氣孔改造，以提高導(dǎo)軸承運(yùn)行可靠性。

4.1 增設(shè)排泄通道

針對導(dǎo)軸承儲油腔進(jìn)水導(dǎo)致油乳化問題，在集油腔水封與油封之間增設(shè)一道排泄通道（見圖1），同時(shí)將此項(xiàng)檢查列入巡檢點(diǎn)位。運(yùn)行人員通過對集油腔排油的觀察，可在第一時(shí)間判定水是否進(jìn)入密封組件油腔，避免導(dǎo)軸承儲油腔內(nèi)進(jìn)水產(chǎn)生油乳化現(xiàn)象。

圖1 導(dǎo)軸承改進(jìn)前后對比圖

4.2 調(diào)整油封安裝方向

針對導(dǎo)軸承儲油腔油品泄漏問題，通過改變油封方向解決。將第二道（中間）骨架油封方向改為向內(nèi)（見圖1），由原先的一道防油密封圈改為兩道防油封圈，確保儲油腔內(nèi)油品不泄漏，避免儲油腔內(nèi)潤滑油泄漏導(dǎo)致環(huán)境污染。

4.3 調(diào)整進(jìn)油管尺寸及透氣孔位置

針對導(dǎo)軸承油腔內(nèi)油壓低、進(jìn)油不暢問題，通過調(diào)整進(jìn)油管尺寸及透氣孔位置、增設(shè)壓力表的方式解決。具體為：（1）將通氣管從導(dǎo)葉體側(cè)面導(dǎo)出改為從泵殼頂端導(dǎo)出，將排氣管末端移位至比高位油箱略高的位置（見圖2）。（2）增大儲油腔進(jìn)油管尺寸，由Ф12×1（外徑×壁厚，單位mm）改進(jìn)為Ф20×1.5，使導(dǎo)軸承進(jìn)油順暢，消除油壓不足的現(xiàn)象。（3）在靠近導(dǎo)軸承處安裝壓力表（見圖2），現(xiàn)場安裝完畢后做油壓試驗(yàn)（壓力保持在0.1MPa 左右）檢查導(dǎo)軸承密封性能、油路是否暢通。（4）將此項(xiàng)檢查列入運(yùn)行巡檢點(diǎn)位，在巡檢時(shí)，巡檢人員密切關(guān)注儲油腔油壓是否正常。

圖2 油路改進(jìn)前后對比圖

4.4 加裝防轉(zhuǎn)軸銷

針對密封圈、導(dǎo)軸承瓦均存在不同程度磨損的問題，通過加裝防轉(zhuǎn)銷（見圖1）的方式解決。將水泵導(dǎo)軸承上、下瓦緊固成整體，由浮動式改進(jìn)為固定式以降低軸瓦磨損。重新安裝過程中，修刮軸瓦，以導(dǎo)軸承、推力軸承油封座止口為基準(zhǔn)校核軸系同心度，油封軸頸處同心度誤差不超過0.1mm。

4.5 其他問題

針對短軸、密封圈、軸瓦磨損等問題，通過定期檢查或更換潤滑油，大、中修時(shí)更換零部件的方式解決。對于九圩港泵站和通呂泵站這種長期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)組，第一次為工作1000h，以后每工作4000h，更換一次。每個(gè)大修期間對軸承進(jìn)行一次全面檢查，檢查軸與軸瓦的工作表面、軸承間隙等，對不能滿足使用要求的零部件進(jìn)行及時(shí)修復(fù)或更換。通過上述改進(jìn)措施，導(dǎo)軸承系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)密封良好、供油順暢、潤滑良好，磨損問題得到有效緩解。下一步將與廠家溝通，探討是否可以通過改進(jìn)短軸材質(zhì)來解決短軸磨損問題。

5 效果檢驗(yàn)

通呂泵站自導(dǎo)軸承系統(tǒng)改進(jìn)后，3 臺機(jī)組運(yùn)行均超3000 臺時(shí)，運(yùn)行人員通過對增設(shè)的排泄通道排油，未發(fā)現(xiàn)有水滲入，高位油箱油量保持正常狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)導(dǎo)軸承溫度正常，軸瓦溫度≤75℃，潤滑油溫度≤65℃，油腔內(nèi)壓力正常，保持在0.1MPa 左右，說明密封組件完好、潤滑良好，達(dá)到了理想的密封、潤滑效果，此改造方案可行且有效。導(dǎo)軸承密封件的使用壽命得到了延長，提高了機(jī)組運(yùn)行安全性、穩(wěn)定性，增強(qiáng)了泵站社會效益的發(fā)揮。

6 結(jié)語

導(dǎo)軸承一直浸沒在水下，不能直觀地看到其運(yùn)行狀態(tài)，故除了從技術(shù)層面改進(jìn)外，還需提升管理水平。運(yùn)管人員要不斷提升業(yè)務(wù)水平、責(zé)任意識，在機(jī)組運(yùn)行中，既要借助振擺監(jiān)測系統(tǒng)、溫度監(jiān)測系統(tǒng)等輔助設(shè)備實(shí)時(shí)判斷導(dǎo)軸承的狀態(tài)，更要保質(zhì)保量地巡檢到每一個(gè)點(diǎn)位，將隱患發(fā)現(xiàn)在萌芽狀態(tài)，確保設(shè)備運(yùn)行安全、穩(wěn)定。

下一步，將不斷積累運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，借鑒別的泵站先進(jìn)做法，沿著將油潤滑導(dǎo)軸承改造為水潤滑導(dǎo)軸承[5]的思路繼續(xù)探究。本次通過更改骨架油封方向、增設(shè)排泄通道、改進(jìn)供油管路等措施，簡單便捷地解決了泵站運(yùn)行過程中出現(xiàn)的導(dǎo)軸承油腔油泄漏、油品乳化的問題，根據(jù)運(yùn)行情況說明，改造方案可行有效，此次改造對其他沿江潮汐泵站具有一定借鑒和參考價(jià)值