淺談國內離心泵行業如何跟上“中國制造2025”的步伐
2021-06-26 11:17:37力士霸泵業
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摘要：以技術人員的視角，探討國內離心泵行業如何跟上“中國制造2025”的步伐，并做出展望。
關鍵詞：離心泵；中國制造2025；展望
0 前言
2013 年，德國人第一次推出了“工業4.0”的概念，即“互聯網+制造”，美國叫“工業互聯網”，我國叫“中國制造2025”，這三者本質內容是一致的，都指向一個核心，就是智能制造。
智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術、擬人化智能技術等先進技術的基礎上，通過智能化的感知、人機交互、決策和執行技術，實現設計過程、制造過程、應用過程和制造裝備智能化，是信息技術、智能技術與裝備制造技術的深度融合與集成。
作者認為智能制造具體體現在四個方面：生產智能化、產品智能化、生產服務化、大數據及云計算。
巨變正在靜悄悄地發生！一日千里的科技正漸行漸近，所有人、所有企業都被涉入其中。對于傳統制造業——離心泵行業來說，既是機遇又是挑戰，且隨之而來的可能是國際、國內離心泵行業的重新大洗牌。決策層目前糾結的不應是變或不變的問題，而應是如何變和何時變的問題。
本文將以技術人員的視角，探討國內離心泵行業如何跟上“中國的制造2025”的步伐。
1 生產智能化
當你走進工廠，除了機床的轟鳴聲和機器人精準的移動之外，幾乎看不到一名工人，整片作業區域幾無照明，這便是 “黑燈工廠”。“黑燈工廠”是“Dark Factory”的直譯，即智慧工廠，因為無需人工操作，所以可以關燈運行。而智慧工廠的建立，離不開大量工業自動化設備。
隨著全球制造業智能化轉型浪潮的推進，在互聯網時代的大背景下，“黑燈工廠”在我國將如雨后春筍般出現。以海爾冰箱沈陽互聯工廠為例`1`，該工廠是行業內第一個數字化互聯工廠，其重要特點就是能夠實現高度的柔性，滿足個性化定制的需求。在整個互聯工廠的發展過程中，工廠已經過標準化、模塊化、自動化三大路徑，目前正在數字化快速發展。互聯工廠按工藝布局轉變為按模塊布局，每個模塊都是一條生產線，可以單獨進行生產，并以并聯的形式快速完成一臺冰箱的生產。
智慧工廠的顯著特點是：滿足不同消費者的不同需求，實現多品種、小批量、定制生產。
除了普通的民用以外，離心泵行業屬于典型的多品種、小批量、定制生產的產品。可以從以下幾點來實現（設計）生產的智能化：
（1）標準化設計。除了市場上可以采購到的通用的標準件以外（如緊固件、法蘭及密封件等），還有不少零件在各種離心泵上都會用到（如葉輪/殼體耐磨環），對于這類零件，可以進行標準化設計。
（2）模塊化設計。模塊化設計通常以功能區分、部件的型式出現。針對某一特定的市場需求，可以像搭積木一樣，將標準化設計的零件、模塊化設計的部件與專業設計生產的零件進行快速的拼接即可。模塊化設計是綠色設計方法之一，可以同時滿足產品的功能和環境屬性。國外很多離心泵制造商甚至在水力設計方面也做到了模塊化設計，如德國KSB 公司的OMEGA 泵，同一種泵殼可配兩種不同水力的葉輪，從而滿足不同工況性能的要求。
（3）參數化設計。除對泵性能具有重大影響的水力零部件以外，其它零件幾乎都可以進行參數化設計。只要改變其中一個或幾個參數，就會快速自動生成一只新的零件。
（4）設計流程的標準化。從水力設計開始，到結構設計（含外觀設計）、CFD 分析、應力和疲勞分析、強度校核、抗震分析等，做到設計流程的標準化。
2 產品智能化
就是將產品作為一個數據采集端，不斷地采集用戶的數據并上傳到云端，方便用戶進行管理。
美國水力協會和美國石油協會分別適時在ANSI/HI 9.6.9 -2014 “Rotary Pumps – Guideline for Condition Monitoring”（原為ANSI/HI 9.6.5 - 2000）、API670 “Machinery Protection Systems”最新版本中介紹了無線數據傳輸技術的創新。
要想實現產品的智能化，需要使用多種傳感器對產品進行實時的監測，在發生不可逆的故障或停機之前得到較準確的診斷，及早發現問題并予以糾正。離心泵可以進行以下監測：
（1）溫度及溫差。特別是軸承和密封腔的溫度。主要涉及軸承、密封腔、潤滑油、冷卻水及泵進/出口介質的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進/出口介質溫度的監測，有助于預測汽蝕的發生；通過對泵殼體上/下溫差的監測，判斷是否進行了充分的暖泵。
（2）壓力及壓差。主要包括泵進/出口的壓力、冷卻水及潤滑油的壓力、機械密封系統壓力；包括過濾器前后的壓差。
（3）流量。可以預測泵殼體/葉輪耐磨環更換時間及開式葉輪間隙調整時間；通過流量監測還可以確定泵出口再循環系統的狀態。
（4）轉速。主要用于變速運行的離心泵，以觀察其對泵性能的影響。
（5）應變。預測動/靜零部件之間是否會發生摩擦、泵殼體的腐蝕及現場管路支撐問題；另外，還可以監測離心泵軸向力的變化。
（6）液位。包括供液箱的液位、潤滑油箱的液位及密封系統緩沖/隔離罐的液位。通過對供液箱液位的監測，可以預測泵汽蝕的發生。
（7）泄漏。主要用于預測密封故障或壓力邊界的失效。壓力積聚是監測泄漏的一種方式。通過一個雙重無壓密封裝置內側密封泄漏檢測到密封儲罐隔離液壓力的變化。這是通過將儲液罐排氣口關閉至少10 分鐘、而注意到壓力的增加來完成的。另一種監測泄漏的方式是注意到隔離液流量的變化。通過一個雙重無壓密封裝置內側密封泄漏檢測到從密封到排氣系統或收集系統的氣/液體流量的變化。通過一個雙重有壓密封裝置內側密封泄漏檢測到從循環系統和儲液罐的隔離液位的變化`2`。
（8）振動。引起離心泵振動的原因很多，包括泵本體設計原因和外部條件因素兩大類。而泵本體設計引起的振動主要體現在兩個方面，機械引起的振動和水力引起的振動。機械引起的振動主要由轉子部件不平衡、軸發生彎曲或變形、動/靜零部件發生摩擦、軸承發生磨損、泵接近臨界轉速運行、零部件松動或損壞等原因所引起；水力引起的振動主要由偏離泵的最佳效率點運行、泵送介質發生汽化、葉輪葉片太靠近蝸舌（cutwater）運行、內部回流等原因所引起`3`。通過振動監測可以檢測或診斷出泵及其系統存在的各種問題。
（9）噪音。表示泵發生了汽蝕、動/靜零部件出現摩擦、軸承損壞或其它一些異常情況。
（10）功耗。檢查泵的效率，預測發熱問題。
（11）軸向位移。主要用于可傾瓦推力軸承的離心泵，葉輪和機械密封對軸向位移非常敏感。
（12）間隙。趨近式表可以記錄開式葉輪與泵殼之間的間隙。
（13）軸撓度。通過安裝于泵體上的趨近式表來測量軸撓度，以確保旋轉部件與靜止部件不會發生接觸。同時，軸撓度過大，會導致耐磨環、機械密封和軸承過早失效。
（14）含水量。通過對潤滑油含水量的檢測，預測潤滑油的更換周期。
3 生產服務化
設備制造商通過網絡可以實時監控設備在用戶現場的運行狀況，以判斷產品什么時候需要檢修和保養。在這個階段，所有制造商都會向服務商轉型。
《中國制造2025》明確提出，要加快制造與服務的協同發展，推動商業模式創新，促進生產制造向服務型制造的轉變。就是由單一產品制造向用戶提供一整套系統解決方案。在這方面，發達國家已經走了很長的路。2010 年德勤咨詢公司調查全球80 家領先制造業公司，調查結果顯示，服務收入占銷售收入的平均值為26％，而我國不足10％；服務凈利潤貢獻率平均值達46％。美國GE 公司50％ 以上的利潤來源于服務。
要想做到生產服務化，必須能為用戶提供最優化的、全方位的解決方案。對于離心泵行業來說，可以從以下三個方面著手：
（1）產品
由泵制造商提供完整的泵送系統，而不是將單臺泵送到現場然后由承包商或工廠人員安裝。這些系統將泵放置在預先制造的結構上，并將所有的輔助設備、管路和電氣裝配成一個完整的單元。這種“打包泵送系統”有助于最大限度地減少安裝不當的外部影響，提高泵的性能`4`。
德國KSB 公司在供水（泵）系統上配備了控制單元Controlmatic，根據壓力或流量的變化，自動控制泵的啟動或停機；在消防泵上配備了自動消防系統EDS、DU/EU 等。
瑞士SULZER 公司可為市政廢水泵站用泵配置不同的控制器和監測設備，用以幫助泵站在整個生命周期中最大限度地降低運營成本和可靠性。
Xylem 公司的Lowara 智能泵系列配備內置的超高效IE5 永磁電機，以實現商業建筑的供水和暖通空調應用的最佳性能。該公司為迪拜的哈利法塔采用了完全集成的系統，可以控制酒店水箱的水位，并控制流量、壓力和溫度。
美國FLOWSERVE 公司開發了基于網絡的軟件程序－IPS 觀察平臺和Flowstar.net，可以實現：通過簡化的示意圖查看性能狀態；監控實時設備性能；進行預測分析；基于事實和可證實數據的糾正措施建議；回顧設備歷史信息；管理設備更換、維修、保養、調整的時間及成本等。
在“打包泵送系統”方面，國內也有不少泵廠具有非常成熟的設計與運行經驗，如上海邦浦實業集團有限公司的智能供水系統等。
? 為用戶老產品的改造提供最優化的解決方案。以中國電建集團上海能源裝備有限公司為例，他們為不少火電廠用戶提供過鍋爐給水泵節能改造整體方案`5`。
案例1.電動給水泵變頻改造
在整個電動給水泵組（前置泵+電動機+液力偶合器+鍋爐給水泵）中，前置泵、電動機及鍋爐給水泵的效率相對穩定，但是，由于設計規程設計余量較大以及高峰運行的需要，導致電動給水泵組在實際運行時，偶合器的實際運行效率遠小于其設計效率。
變頻改造方案：普通電動機改為變頻電機，同時偶合器改為齒輪箱。已有多項業績：大唐貴州野馬寨電廠3×200MW 機組、山西永濟電廠2×330MW 機組、崇信電廠2×660MW 機組等。
案例2.電泵改汽泵
為了減少電廠用電負荷，目前電改汽項目很多，將案例1 中的驅動方式改為小汽機+減速箱。小汽機采用雙軸伸，一端直接驅動給水泵，另一端與減速箱一起驅動前置泵。已有多項業績：華能淮陰電廠、山西華光電廠、呼和浩特金橋電廠等。
（2）維護
傳統的維護方式多為反應式維護（設備已經失效，進行事故后維修）或預防性維護（通過采取適當的措施，從而防止設備發生故障）。
預測性維護是制造業所追求的終極目標，在產品出現故障、用戶要求之前派出技術服務人員對產品進行維護。在這方面，目前國內外離心泵行業也僅在少數監測項目上有所突破，如吉林宇琦泵業有限公司與國際著名的預測性維護ITR 公司合作，通過對離心泵振動變化的監測，準確判斷出其存在的問題或將要發生的故障，不僅為中國石化用戶解決了目前存在的現實問題，而且為他們以后的維護工作提供了準確的解決方案。
離心泵在很多場合是維持（系統）流程穩定的重要設備，通過物聯網技術對其安全可靠性進行監控是非常必要的。
? 對于有實力的泵公司，除了向用戶提供設備以外，還可以在設備整個生命周期內，為用戶提供操作、運行管理、維修及維護、網絡安全系統等全套服務。
? 采用租賃、甚至無償使用（利潤分成）的形式向用戶提供產品、產品維修及服務。
4 大數據和云計算
對于收集到的大量運行狀態信息需要計算的支持。通過使用數據、遠程控制和分析，改變用戶的運營方式，并幫助他們提高運營效率。
如何從海量的運行狀態信息中準確地對故障做出預測或診斷？
由于上述泵型為成熟產品，且出廠前進行動平衡試驗、機械運轉試驗時一切正常，最終判斷軸承溫度偏高的原因由機械松動所引起。建議檢查泵支撐底座是否松動。
說明：以上僅提供一種可參考的預測或診斷思路，結果不一定非常準確。
5 面臨的困難
高校人才培養不僅與產業發展需求脫節，而且忽視基礎教育。很多高學歷畢業生居然不會寫郵件、不會編輯文檔、不會撰寫科研報告，甚至很多從事制造業技術工作的畢業生無法將自己設計的機械零部件準確地表達出來（不懂機械制圖標準、不會標注尺寸）。
能夠沉下心來踏踏實實地從事傳統制造業技術工作的人員越來越少，有經驗的高技術人才嚴重缺乏。
缺少研發資金。技術轉型升級需要花費大量的資金，這往往是很多傳統制造業無法承受之重。
市場對自主創新的、傳統行業的智能產品不夠信任。市場營利的短期行為盛行，抑制了智能制造的積極性。
6 展望
未來的離心泵將全面走向自動化、智能化和集成化。
在大數據的支持下，借助現代計算機仿真技術，未來離心泵的結構設計和水力設計將變得相對簡單、快捷；而泵本體的節能增效將變得越來越困難。
未來的離心泵將完全是模塊化設計，根據不同用戶的不同需求，增加或減少不同功能的模塊。
作為系統中的一個設備，未來離心泵將會與系統一起進行最優化的設計，以追求系統整體高效為最終目標。
未來的離心泵在加工制造上會普遍使用一些先進的制造技術，如增材制造、仿生制造、柔性制造等。
未來的離心泵通過大數據、云計算，將會實現預測性維護，很少會出現意外停機的狀況。
未來的離心泵將會與機器人融合成為智能泵：可以實現數據收集、優化運行、故障診斷、人泵對話，甚至具有深度學習及故障自我修復的功能。
對于中國的離心泵行業，我們將拭目以待。
7 參考文獻
`1` 亞麥，青島企業迎來智造時代“黑燈工廠”沒有工人，青島財經日報，2015/03/30
`2` ANSI/HI 9.6.9 -2014, Rotary Pumps - Guidelines for Condition Monitoring
`3` 謝小青，API610 標準的解讀：振動篇，泵工程師，2017 年6 月號 總第63 期，P48-53
`4` Todd Loudin, IIoT in Chemical Pumping, Pumps & Systems, November 8, 2017
`5` 瞿宿偉，火電廠鍋爐給水泵節能改造整體方案，2016 年中國通用機械泵行業技術大會上海能源裝備有限公司講話稿，2016 年12 月無錫
`6` Steve Davis, Digitalization sparks a quiet revolution, WORLD PUMPS, May 2017, P28-31
8 作者簡介：
謝小青(1967-)，男，漢族，安徽懷寧，高級工程師，工程碩士，電站泵和石化泵的設計。
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