一、研究背景与意义

（一）巢湖市排水防涝现状

巢湖市地处长江中下游平原地带，属于亚热带季风气候区，全年降水分布不均，汛期降雨相对集中。依据气象观测记录，巢湖市常年受到梅雨和台风影响，容易出现短时间强降雨天气。在排水系统建设方面，巢湖市部分老城区存在管网老化问题，一些排水设施建设年代也较早，实际运行中，城市防汛排涝负担较大。对照现行《室外排水设计规范》（GB50014-2021）要求^[]，部分地区排水能力存在明显不足。近年来极端天气事件频发，城市内涝风险显著增加，亟需提升排水设施运行可靠性。

（二）周家小圩泵站的重要性

周家小圩泵站作为巢湖市重要的排水设施之一，其服务范围涵盖周家小圩片区及天峰山庄社区，承担雨水及社区生活污水的排放任务，

该泵站配备了2台150HW-8型混流泵，设计扬程8m，配套DN150进出水管道，承担着区域防汛排涝的重要任务。然而，根据《周家小圩泵站维修记录统计2020.10-2025.6》（附录A）显示，泵站关键设备如底阀、钢管、轴承等部件已进行多次维修。近年来，因设备故障导致的应急抢修事件频繁发生，严重影响了泵站的正常运转。

（三）预防性维护的紧迫性

《城镇排水与污水处理条例》第三十八条明确规定^[]；“城镇排水与污水处理设施维护运营单位应当建立健全安全生产管理制度，加强对窨井盖等城镇排水与污水处理设施的日常巡查、维修和养护，保障设施安全运行。”

《合肥市城市排水管理办法》第二十五条也明确要求^[]：“维护责任单位应当根据国家和地方有关标准制定维护计划和检查巡视制度，对排水设施进行养护维修，保证排水设施安全运行。”

实践表明，科学实施预防性维护可有效降低设备故障率，减少紧急维修成本。因此，建立系统化的预防性维护机制对保障城市防汛安全具有重要意义。

二、典型故障根因分析与应对性实践

（一）底阀堵塞：管径扩大的创新实践

1.问题症结

堵塞物成分复杂：生活污水含纤维、油脂（＞40%），吸附杂质形成团状堵塞，根据现场照片显示（图2），纤维物（卫生巾、布料）与泥沙板结形成混凝土状硬块，常规格栅无法拦截。

清理成本高昂：24次堵塞累计消耗人工费12630元。

2.原系统缺陷分析

流速过高问题^[4]：

3.φ200扩径改造（2024.7.4；2024.7.18）

-技术原理：

-实施细节：

扩径方案：φ150→φ200（法兰缩径接头）

-成本：2024.7.4，2#φ150底阀改φ200底阀后更换，花费650元；

2024.7.18，1#更换底阀，花费：730元

-效果验证：

（二）管道腐蚀：材质更替的必然选择

1.腐蚀问题特征分析

-系统结构说明：本系统配备两台独立运行的水泵（1#泵、2#泵）。每台泵独立配备3节管道（A、B、C），所有管路原设计均采用铸铁材质.两台泵（1#、2#）管道系统完全对称，无交叉连接。

-腐蚀失效特征：管道腐蚀是系统的主要机械故障，表现为管壁减薄、穿孔泄漏等。腐蚀失效具有发生频率高、维修成本高、影响排水连续性等特点。

2.腐蚀机理与系统缺陷

-环境诱因：污水中的硫化物分解产生硫化氢（H₂S）气体，硫化氢被氧化后形成硫酸，系统酸性增强，最终导致铸铁管道发生电化学腐蚀^[]。此外，污水中Cl⁻协同侵蚀，穿透铸铁表面钝化膜，诱发点蚀，加速管道的腐蚀过程^[]。

-结构缺陷：水平布置的进水管B节因流速不足，导致污泥颗粒沉积形成氧浓差电池，进一步降低局部pH，加速电化学腐蚀^[]。

-系统级设计缺陷：铸铁材质选型失误，铸铁在含H₂S污水环境中腐蚀等级为C5级（极高风险）（ISO 12944标准）。

3.不同管材的选型依据

-PE100管关键优势：

完全耐腐蚀：PE管不受H₂S、Cl⁻影响，无电化学腐蚀风险；

流体性能优化：内壁光滑（粗糙系数0.01mm），流速提升，解决沉积问题；

免维护设计：热熔连接无泄漏点，生命周期内无需防腐处理^[]。

4.PE管替代实践后初期效果与优化方向

-实施细节：2024.12.17首次更换1#进水PE管（DN150，PE100级，2m）；2025.5.30更换2#进水管（同规格）

初期效果：1#进水PE管自2024.12.17更换后，直到2025.6.30尚未出现腐蚀维修情况；2#进水PE管需继续长期检测。

-优化方向：

-仅进水管道B节更换PE管，进水管A节、出水管道C节仍保留铸铁管，建议下一步全面更换为PE管系统。

-施工质量存在缺陷，在实际改造中，PE管仅使用了螺栓法兰连接，依赖橡胶垫片，长期易老化，建议下一步全面改成热熔连接。

三、周家小圩泵站预防性维护体系构建

（一）预防性维护总体框架设计

目标：降低故障率50%（重点解决堵塞、腐蚀、轴承磨损），延长设备寿命，减少应急维修成本。

原则：

-针对性：聚焦混流泵站特性（污水含纤维油脂＞40%）。

-分级管理：关键设备（水泵、管道）优先投入资源。

-经济性：分步实施，短期速效措施先行。

（二）关键设备维护方案

1.进水系统（防堵塞）

1）技术措施：

旋转格栅机（18,000元）：拦截纤维杂质（预期减少80%叶轮缠绕）。

φ200底阀固化：年均堵塞降至≤2次（改造后已达4.4次/年）。

PE管全面替代：安排计划，分步进行，逐渐将剩余铸铁管（A/C节）更换为PE100管+热熔连接（消除法兰垫片老化泄漏）。

2）维护流程：

每日目检格栅；每周清渣；季度检查底阀密封性。

2.管道系统（防腐蚀）

1）PE管优势：

耐H₂S腐蚀（对比铸铁管寿命从3年→20年）。

光滑内壁减少沉积（粗糙系数0.01mm）。

2）监控措施：

月度外露管检漏；年度支架锈蚀检查。

铸铁管过渡期：每半年超声波测厚（重点水平B管）。

3.水泵机组（防轴承失效）

1）核心改进：

润滑标准化：

选用L-HM46抗乳化脂（￥120/16kg）。

每400小时定量补脂（严禁过量）。

振动监测系统（8,000元×2）：

按ISO 10816-3设置阈值（＞4.5mm/s报警）。

无线传感器实时采集数据。

激光对中校正（2,000元）：解决安装偏差，延长轴承寿命40%。

2）定期任务：

月度点检（异响、温度、振动）；

年度联轴器对中复查。

（二）管理支撑体系

1.制度与流程

1）制定《预防性维护规程》明确：

设备分级（水泵/管道为关键级）。

维护策略组合（定期维护(TBM)+状态维护(CBM)）。

2）编制SOP作业指导书（如润滑操作、振动检测）。

2.数据驱动决策

1）电子化维修档案：

结构化存储4.5年故障记录（2020.10–2025.6）。

关联状态监测数据（振动、温度趋势）。

2）季度分析报告：

跟踪MTBF（平均故障间隔）、成本节约率。

评估措施效果（如PE管更换后维修降幅）。

3.资源保障

1）备件清单：

关键备件：轴承（库存2套）、PE管件、机械密封。

2）人员培训：

振动分析技能（2人取证）；

SOP实操考核。

（三）成本效益与实施计划

1.效益预测

2.分阶段实施

1）短期（1–3月）：

安装旋转格栅机（18,000元）；

部署振动监测（16,000元）；

启动润滑标准化。

2）中期（4–12月）：

全面更换PE管道（热熔连接）；

运行电子化工单系统。

3）长期（>1年）：

基于数据分析优化维护周期；

推广至同类泵站。

四、研究结论

（一）故障治理核心成果

1）底阀堵塞治理：

-通过φ200扩径改造（流速从3.14m/s降至1.77m/s），年均堵塞次数从5.3次降至4.4次；

-旋转格栅机全面拦截纤维物后，预期堵塞率再降80%，年均次数≤2次。

2）管道腐蚀根治：

-PE管替代铸铁管（耐H₂S腐蚀等级C5→完全耐H₂S腐蚀），寿命从3年延长至20年；

-热熔连接消除法兰垫片泄漏风险，预计维修成本归零（对比铸铁管年均超900元/次）。

3）轴承磨损防控：

-标准化润滑（L-HM46抗乳化脂）预期降低摩擦损耗40%；

-振动监测系统（ISO 10816-3标准）可实现磨损提前3个月预警。

2.预防性维护体系价值

（二）创新点与局限性

1.创新性贡献

1）中小泵站普适性方案：

-“扩径+旋转格栅+PE管”预防性维护组合，针对性解决雨污混流导致的堵塞与腐蚀问题。

2）低成本状态监测应用：

-基于无线振动传感器（8,000元/套）构建预测性检测体系，突破中小泵站预算限制。

3）数据驱动决策模型：

-融合4.5年维修记录与实时监测数据，建立故障预测矩阵（如水平B管腐蚀速率预警模型）。

2.研究局限性

实践周期不足：PE管长期性能（＞5年）、振动监测误报率需持续跟踪验证；

推广适用性：方案在超高流量（＞300m³/h）泵站的适配性尚未经验证；

智能化深度：未集成AI诊断算法，依赖人工分析监测数据。

（三）工程应用建议

1.运维优化方向

1）连接工艺升级：全面淘汰PE管法兰连接，采用热熔对接；

2）智能诊断拓展：

-增加水质在线监测（pH、H₂S浓度），动态调整防腐策略；

-开发轴承寿命预测算法，关联振动频谱与润滑周期。

五、未来研究展望

1）智能诊断深化：开发多源数据（振动频谱+油液分析）融合的轴承点蚀分级模型，实现剩余寿命动态预测。

2）结构优化创新：设计后掠式抗缠绕叶轮（CFD优化流道，流速≤2.5m/s）。

3）专用工具开发：研制高精度便携式对中仪（±0.05mm/m）、定量注脂枪（误差<5%），推动维护工具标准化（JB/T系列）。

结语

本研究通过四年半维修记录的实证分析，揭示了周家小圩泵站三大故障根因（流速过高致堵、铸铁材质耐蚀不足、轴承维护缺失），并创新性地提出“技改优先、监测前移、管理闭环”的预防性维护体系。

未来将继续深化智能诊断与区域协同机制，为中小泵站提供普适性低成本的运维范式，响应国家《城镇水务2035年行业发展规划纲要》对排水设施可靠性的战略要求。

参考文献：