淺談國(guó)內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國(guó)制造2025”的步伐
2021-06-26 11:17:37力士霸泵業(yè)
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摘要：以技術(shù)人員的視角，探討國(guó)內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國(guó)制造2025”的步伐，并做出展望。
關(guān)鍵詞：離心泵；中國(guó)制造2025；展望
0 前言
2013 年，德國(guó)人第一次推出了“工業(yè)4.0”的概念，即“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，美國(guó)叫“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國(guó)叫“中國(guó)制造2025”，這三者本質(zhì)內(nèi)容是一致的，都指向一個(gè)核心，就是智能制造。
智能制造技術(shù)是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、擬人化智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)智能化的感知、人機(jī)交互、決策和執(zhí)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、應(yīng)用過(guò)程和制造裝備智能化，是信息技術(shù)、智能技術(shù)與裝備制造技術(shù)的深度融合與集成。
作者認(rèn)為智能制造具體體現(xiàn)在四個(gè)方面：生產(chǎn)智能化、產(chǎn)品智能化、生產(chǎn)服務(wù)化、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算。
巨變正在靜悄悄地發(fā)生！一日千里的科技正漸行漸近，所有人、所有企業(yè)都被涉入其中。對(duì)于傳統(tǒng)制造業(yè)——離心泵行業(yè)來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇又是挑戰(zhàn)，且隨之而來(lái)的可能是國(guó)際、國(guó)內(nèi)離心泵行業(yè)的重新大洗牌。決策層目前糾結(jié)的不應(yīng)是變或不變的問(wèn)題，而應(yīng)是如何變和何時(shí)變的問(wèn)題。
本文將以技術(shù)人員的視角，探討國(guó)內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國(guó)的制造2025”的步伐。
1 生產(chǎn)智能化
當(dāng)你走進(jìn)工廠，除了機(jī)床的轟鳴聲和機(jī)器人精準(zhǔn)的移動(dòng)之外，幾乎看不到一名工人，整片作業(yè)區(qū)域幾無(wú)照明，這便是 “黑燈工廠”?！昂跓艄S”是“Dark Factory”的直譯，即智慧工廠，因?yàn)闊o(wú)需人工操作，所以可以關(guān)燈運(yùn)行。而智慧工廠的建立，離不開(kāi)大量工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。
隨著全球制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型浪潮的推進(jìn)，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的大背景下，“黑燈工廠”在我國(guó)將如雨后春筍般出現(xiàn)。以海爾冰箱沈陽(yáng)互聯(lián)工廠為例`1`，該工廠是行業(yè)內(nèi)第一個(gè)數(shù)字化互聯(lián)工廠，其重要特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)高度的柔性，滿足個(gè)性化定制的需求。在整個(gè)互聯(lián)工廠的發(fā)展過(guò)程中，工廠已經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、自動(dòng)化三大路徑，目前正在數(shù)字化快速發(fā)展。互聯(lián)工廠按工藝布局轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨K布局，每個(gè)模塊都是一條生產(chǎn)線，可以單獨(dú)進(jìn)行生產(chǎn)，并以并聯(lián)的形式快速完成一臺(tái)冰箱的生產(chǎn)。
智慧工廠的顯著特點(diǎn)是：滿足不同消費(fèi)者的不同需求，實(shí)現(xiàn)多品種、小批量、定制生產(chǎn)。
除了普通的民用以外，離心泵行業(yè)屬于典型的多品種、小批量、定制生產(chǎn)的產(chǎn)品?？梢詮囊韵聨c(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)）生產(chǎn)的智能化：
（1）標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。除了市場(chǎng)上可以采購(gòu)到的通用的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)用到（如葉輪/殼體耐磨環(huán)），對(duì)于這類零件，可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。
（2）模塊化設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)通常以功能區(qū)分、部件的型式出現(xiàn)。針對(duì)某一特定的市場(chǎng)需求，可以像搭積木一樣，將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的零件、模塊化設(shè)計(jì)的部件與專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的零件進(jìn)行快速的拼接即可。模塊化設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)方法之一，可以同時(shí)滿足產(chǎn)品的功能和環(huán)境屬性。國(guó)外很多離心泵制造商甚至在水力設(shè)計(jì)方面也做到了模塊化設(shè)計(jì)，如德國(guó)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(shù)化設(shè)計(jì)。除對(duì)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(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。只要改變其中一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，就會(huì)快速自動(dòng)生成一只新的零件。
（4）設(shè)計(jì)流程的標(biāo)準(zhǔn)化。從水力設(shè)計(jì)開(kāi)始，到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含外觀設(shè)計(jì)）、CFD 分析、應(yīng)力和疲勞分析、強(qiáng)度校核、抗震分析等，做到設(shè)計(jì)流程的標(biāo)準(zhǔn)化。
2 產(chǎn)品智能化
就是將產(chǎn)品作為一個(gè)數(shù)據(jù)采集端，不斷地采集用戶的數(shù)據(jù)并上傳到云端，方便用戶進(jìn)行管理。
美國(guó)水力協(xié)會(huì)和美國(guó)石油協(xié)會(huì)分別適時(shí)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的創(chuàng)新。
要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化，需要使用多種傳感器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，在發(fā)生不可逆的故障或停機(jī)之前得到較準(zhǔn)確的診斷，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并予以糾正。離心泵可以進(jìn)行以下監(jiān)測(cè)：
（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(rùn)滑油、冷卻水及泵進(jìn)/出口介質(zhì)的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過(guò)對(duì)泵進(jìn)/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測(cè)，有助于預(yù)測(cè)汽蝕的發(fā)生；通過(guò)對(duì)泵殼體上/下溫差的監(jiān)測(cè)，判斷是否進(jìn)行了充分的暖泵。
（2）壓力及壓差。主要包括泵進(jìn)/出口的壓力、冷卻水及潤(rùn)滑油的壓力、機(jī)械密封系統(tǒng)壓力；包括過(guò)濾器前后的壓差。
（3）流量?？梢灶A(yù)測(cè)泵殼體/葉輪耐磨環(huán)更換時(shí)間及開(kāi)式葉輪間隙調(diào)整時(shí)間；通過(guò)流量監(jiān)測(cè)還可以確定泵出口再循環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)。
（4）轉(zhuǎn)速。主要用于變速運(yùn)行的離心泵，以觀察其對(duì)泵性能的影響。
（5）應(yīng)變。預(yù)測(cè)動(dòng)/靜零部件之間是否會(huì)發(fā)生摩擦、泵殼體的腐蝕及現(xiàn)場(chǎng)管路支撐問(wèn)題；另外，還可以監(jiān)測(cè)離心泵軸向力的變化。
（6）液位。包括供液箱的液位、潤(rùn)滑油箱的液位及密封系統(tǒng)緩沖/隔離罐的液位。通過(guò)對(duì)供液箱液位的監(jiān)測(cè)，可以預(yù)測(cè)泵汽蝕的發(fā)生。
（7）泄漏。主要用于預(yù)測(cè)密封故障或壓力邊界的失效。壓力積聚是監(jiān)測(cè)泄漏的一種方式。通過(guò)一個(gè)雙重?zé)o壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測(cè)到密封儲(chǔ)罐隔離液壓力的變化。這是通過(guò)將儲(chǔ)液罐排氣口關(guān)閉至少10 分鐘、而注意到壓力的增加來(lái)完成的。另一種監(jiān)測(cè)泄漏的方式是注意到隔離液流量的變化。通過(guò)一個(gè)雙重?zé)o壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測(cè)到從密封到排氣系統(tǒng)或收集系統(tǒng)的氣/液體流量的變化。通過(guò)一個(gè)雙重有壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測(cè)到從循環(huán)系統(tǒng)和儲(chǔ)液罐的隔離液位的變化`2`。
（8）振動(dòng)。引起離心泵振動(dòng)的原因很多，包括泵本體設(shè)計(jì)原因和外部條件因素兩大類。而泵本體設(shè)計(jì)引起的振動(dòng)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，機(jī)械引起的振動(dòng)和水力引起的振動(dòng)。機(jī)械引起的振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子部件不平衡、軸發(fā)生彎曲或變形、動(dòng)/靜零部件發(fā)生摩擦、軸承發(fā)生磨損、泵接近臨界轉(zhuǎn)速運(yùn)行、零部件松動(dòng)或損壞等原因所引起；水力引起的振動(dòng)主要由偏離泵的最佳效率點(diǎn)運(yùn)行、泵送介質(zhì)發(fā)生汽化、葉輪葉片太靠近蝸舌（cutwater）運(yùn)行、內(nèi)部回流等原因所引起`3`。通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以檢測(cè)或診斷出泵及其系統(tǒng)存在的各種問(wèn)題。
（9）噪音。表示泵發(fā)生了汽蝕、動(dòng)/靜零部件出現(xiàn)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(yù)測(cè)發(fā)熱問(wèn)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(jī)械密封對(duì)軸向位移非常敏感。
（12）間隙。趨近式表可以記錄開(kāi)式葉輪與泵殼之間的間隙。
（13）軸撓度。通過(guò)安裝于泵體上的趨近式表來(lái)測(cè)量軸撓度，以確保旋轉(zhuǎn)部件與靜止部件不會(huì)發(fā)生接觸。同時(shí)，軸撓度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致耐磨環(huán)、機(jī)械密封和軸承過(guò)早失效。
（14）含水量。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油含水量的檢測(cè)，預(yù)測(cè)潤(rùn)滑油的更換周期。
3 生產(chǎn)服務(wù)化
設(shè)備制造商通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備在用戶現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，以判斷產(chǎn)品什么時(shí)候需要檢修和保養(yǎng)。在這個(gè)階段，所有制造商都會(huì)向服務(wù)商轉(zhuǎn)型。
《中國(guó)制造2025》明確提出，要加快制造與服務(wù)的協(xié)同發(fā)展，推動(dòng)商業(yè)模式創(chuàng)新，促進(jìn)生產(chǎn)制造向服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)變。就是由單一產(chǎn)品制造向用戶提供一整套系統(tǒng)解決方案。在這方面，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)走了很長(zhǎng)的路。2010 年德勤咨詢公司調(diào)查全球80 家領(lǐng)先制造業(yè)公司，調(diào)查結(jié)果顯示，服務(wù)收入占銷售收入的平均值為26％，而我國(guó)不足10％；服務(wù)凈利潤(rùn)貢獻(xiàn)率平均值達(dá)46％。美國(guó)GE 公司50％ 以上的利潤(rùn)來(lái)源于服務(wù)。
要想做到生產(chǎn)服務(wù)化，必須能為用戶提供最優(yōu)化的、全方位的解決方案。對(duì)于離心泵行業(yè)來(lái)說(shuō)，可以從以下三個(gè)方面著手：
（1）產(chǎn)品
由泵制造商提供完整的泵送系統(tǒng)，而不是將單臺(tái)泵送到現(xiàn)場(chǎng)然后由承包商或工廠人員安裝。這些系統(tǒng)將泵放置在預(yù)先制造的結(jié)構(gòu)上，并將所有的輔助設(shè)備、管路和電氣裝配成一個(gè)完整的單元。這種“打包泵送系統(tǒng)”有助于最大限度地減少安裝不當(dāng)?shù)耐獠坑绊?，提高泵的性能`4`。
德國(guó)KSB 公司在供水（泵）系統(tǒng)上配備了控制單元Controlmatic，根據(jù)壓力或流量的變化，自動(dòng)控制泵的啟動(dòng)或停機(jī)；在消防泵上配備了自動(dòng)消防系統(tǒng)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(jiān)測(cè)設(shè)備，用以幫助泵站在整個(gè)生命周期中最大限度地降低運(yùn)營(yíng)成本和可靠性。
Xylem 公司的Lowara 智能泵系列配備內(nèi)置的超高效IE5 永磁電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)建筑的供水和暖通空調(diào)應(yīng)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(tǒng)，可以控制酒店水箱的水位，并控制流量、壓力和溫度。
美國(guó)FLOWSERVE 公司開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序－IPS 觀察平臺(tái)和Flowstar.net，可以實(shí)現(xiàn)：通過(guò)簡(jiǎn)化的示意圖查看性能狀態(tài)；監(jiān)控實(shí)時(shí)設(shè)備性能；進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；基于事實(shí)和可證實(shí)數(shù)據(jù)的糾正措施建議；回顧設(shè)備歷史信息；管理設(shè)備更換、維修、保養(yǎng)、調(diào)整的時(shí)間及成本等。
在“打包泵送系統(tǒng)”方面，國(guó)內(nèi)也有不少泵廠具有非常成熟的設(shè)計(jì)與運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，如上海邦浦實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司的智能供水系統(tǒng)等。
? 為用戶老產(chǎn)品的改造提供最優(yōu)化的解決方案。以中國(guó)電建集團(tuán)上海能源裝備有限公司為例，他們?yōu)椴簧倩痣姀S用戶提供過(guò)鍋爐給水泵節(jié)能改造整體方案`5`。
案例1.電動(dòng)給水泵變頻改造
在整個(gè)電動(dòng)給水泵組（前置泵+電動(dòng)機(jī)+液力偶合器+鍋爐給水泵）中，前置泵、電動(dòng)機(jī)及鍋爐給水泵的效率相對(duì)穩(wěn)定，但是，由于設(shè)計(jì)規(guī)程設(shè)計(jì)余量較大以及高峰運(yùn)行的需要，導(dǎo)致電動(dòng)給水泵組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，偶合器的實(shí)際運(yùn)行效率遠(yuǎn)小于其設(shè)計(jì)效率。
變頻改造方案：普通電動(dòng)機(jī)改為變頻電機(jī)，同時(shí)偶合器改為齒輪箱。已有多項(xiàng)業(yè)績(jī)：大唐貴州野馬寨電廠3×200MW 機(jī)組、山西永濟(jì)電廠2×330MW 機(jī)組、崇信電廠2×660MW 機(jī)組等。
案例2.電泵改汽泵
為了減少電廠用電負(fù)荷，目前電改汽項(xiàng)目很多，將案例1 中的驅(qū)動(dòng)方式改為小汽機(jī)+減速箱。小汽機(jī)采用雙軸伸，一端直接驅(qū)動(dòng)給水泵，另一端與減速箱一起驅(qū)動(dòng)前置泵。已有多項(xiàng)業(yè)績(jī)：華能淮陰電廠、山西華光電廠、呼和浩特金橋電廠等。
（2）維護(hù)
傳統(tǒng)的維護(hù)方式多為反應(yīng)式維護(hù)（設(shè)備已經(jīng)失效，進(jìn)行事故后維修）或預(yù)防性維護(hù)（通過(guò)采取適當(dāng)?shù)拇胧瑥亩乐乖O(shè)備發(fā)生故障）。
預(yù)測(cè)性維護(hù)是制造業(yè)所追求的終極目標(biāo)，在產(chǎn)品出現(xiàn)故障、用戶要求之前派出技術(shù)服務(wù)人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)。在這方面，目前國(guó)內(nèi)外離心泵行業(yè)也僅在少數(shù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上有所突破，如吉林宇琦泵業(yè)有限公司與國(guó)際著名的預(yù)測(cè)性維護(hù)ITR 公司合作，通過(guò)對(duì)離心泵振動(dòng)變化的監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確判斷出其存在的問(wèn)題或?qū)⒁l(fā)生的故障，不僅為中國(guó)石化用戶解決了目前存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而且為他們以后的維護(hù)工作提供了準(zhǔn)確的解決方案。
離心泵在很多場(chǎng)合是維持（系統(tǒng)）流程穩(wěn)定的重要設(shè)備，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)其安全可靠性進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。
? 對(duì)于有實(shí)力的泵公司，除了向用戶提供設(shè)備以外，還可以在設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)，為用戶提供操作、運(yùn)行管理、維修及維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等全套服務(wù)。
? 采用租賃、甚至無(wú)償使用（利潤(rùn)分成）的形式向用戶提供產(chǎn)品、產(chǎn)品維修及服務(wù)。
4 大數(shù)據(jù)和云計(jì)算
對(duì)于收集到的大量運(yùn)行狀態(tài)信息需要計(jì)算的支持。通過(guò)使用數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制和分析，改變用戶的運(yùn)營(yíng)方式，并幫助他們提高運(yùn)營(yíng)效率。
如何從海量的運(yùn)行狀態(tài)信息中準(zhǔn)確地對(duì)故障做出預(yù)測(cè)或診斷？
由于上述泵型為成熟產(chǎn)品，且出廠前進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)一切正常，最終判斷軸承溫度偏高的原因由機(jī)械松動(dòng)所引起。建議檢查泵支撐底座是否松動(dòng)。
說(shuō)明：以上僅提供一種可參考的預(yù)測(cè)或診斷思路，結(jié)果不一定非常準(zhǔn)確。
5 面臨的困難
高校人才培養(yǎng)不僅與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求脫節(jié)，而且忽視基礎(chǔ)教育。很多高學(xué)歷畢業(yè)生居然不會(huì)寫郵件、不會(huì)編輯文檔、不會(huì)撰寫科研報(bào)告，甚至很多從事制造業(yè)技術(shù)工作的畢業(yè)生無(wú)法將自己設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件準(zhǔn)確地表達(dá)出來(lái)（不懂機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)、不會(huì)標(biāo)注尺寸）。
能夠沉下心來(lái)踏踏實(shí)實(shí)地從事傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)工作的人員越來(lái)越少，有經(jīng)驗(yàn)的高技術(shù)人才嚴(yán)重缺乏。
缺少研發(fā)資金。技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)需要花費(fèi)大量的資金，這往往是很多傳統(tǒng)制造業(yè)無(wú)法承受之重。
市場(chǎng)對(duì)自主創(chuàng)新的、傳統(tǒng)行業(yè)的智能產(chǎn)品不夠信任。市場(chǎng)營(yíng)利的短期行為盛行，抑制了智能制造的積極性。
6 展望
未來(lái)的離心泵將全面走向自動(dòng)化、智能化和集成化。
在大數(shù)據(jù)的支持下，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，未來(lái)離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)將變得相對(duì)簡(jiǎn)單、快捷；而泵本體的節(jié)能增效將變得越來(lái)越困難。
未來(lái)的離心泵將完全是模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)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(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備，未來(lái)離心泵將會(huì)與系統(tǒng)一起進(jìn)行最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，以追求系統(tǒng)整體高效為最終目標(biāo)。
未來(lái)的離心泵在加工制造上會(huì)普遍使用一些先進(jìn)的制造技術(shù)，如增材制造、仿生制造、柔性制造等。
未來(lái)的離心泵通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，將會(huì)實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，很少會(huì)出現(xiàn)意外停機(jī)的狀況。
未來(lái)的離心泵將會(huì)與機(jī)器人融合成為智能泵：可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、優(yōu)化運(yùn)行、故障診斷、人泵對(duì)話，甚至具有深度學(xué)習(xí)及故障自我修復(fù)的功能。
對(duì)于中國(guó)的離心泵行業(yè)，我們將拭目以待。
7 參考文獻(xiàn)
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`6` Steve Davis, Digitalization sparks a quiet revolution, WORLD PUMPS, May 2017, P28-31
8 作者簡(jiǎn)介：
謝小青(1967-)，男，漢族，安徽懷寧，高級(jí)工程師，工程碩士，電站泵和石化泵的設(shè)計(jì)。
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