淺談國內(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國制造2025”的步伐
2021-06-26 11:17:37力士霸泵業(yè)
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摘要：以技術人員的視角，探討國內(nèi)離心泵行業(yè)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(yè)4.0”的概念，即“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，美國叫“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國叫“中國制造2025”，這三者本質(zhì)內(nèi)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(xiàn)代傳感技術、網(wǎng)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(zhí)行技術，實現(xiàn)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(xiàn)在四個方面：生產(chǎn)智能化、產(chǎn)品智能化、生產(chǎn)服務化、大數(shù)據(jù)及云計算。
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。對于傳統(tǒng)制造業(yè)——離心泵行業(yè)來說，既是機遇又是挑戰(zhàn)，且隨之而來的可能是國際、國內(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(nèi)離心泵行業(yè)如何跟上“中國的制造2025”的步伐。
1 生產(chǎn)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(yè)區(qū)域幾無照明，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(yè)自動化設備。
隨著全球制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型浪潮的推進，在互聯(lián)網(wǎng)時代的大背景下，“黑燈工廠”在我國將如雨后春筍般出現(xiàn)。以海爾冰箱沈陽互聯(lián)工廠為例`1`，該工廠是行業(yè)內(nèi)第一個數(shù)字化互聯(lián)工廠，其重要特點就是能夠?qū)崿F(xiàn)高度的柔性，滿足個性化定制的需求。在整個互聯(lián)工廠的發(fā)展過程中，工廠已經(jīng)過標準化、模塊化、自動化三大路徑，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，每個模塊都是一條生產(chǎn)線，可以單獨進行生產(chǎn)，并以并聯(lián)的形式快速完成一臺冰箱的生產(chǎn)。
智慧工廠的顯著特點是：滿足不同消費者的不同需求，實現(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來實現(xiàn)（設計）生產(chǎn)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(huán)），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(qū)分、部件的型式出現(xiàn)。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(yè)設計生產(chǎn)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(chǎn)品的功能和環(huán)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(shù)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(shù)化設計。只要改變其中一個或幾個參數(shù)，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(jié)構(gòu)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(chǎn)品智能化
就是將產(chǎn)品作為一個數(shù)據(jù)采集端，不斷地采集用戶的數(shù)據(jù)并上傳到云端，方便用戶進行管理。
美國水力協(xié)會和美國石油協(xié)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(shù)據(jù)傳輸技術的創(chuàng)新。
要想實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化，需要使用多種傳感器對產(chǎn)品進行實時的監(jiān)測，在發(fā)生不可逆的故障或停機之前得到較準確的診斷，及早發(fā)現(xiàn)問題并予以糾正。離心泵可以進行以下監(jiān)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(zhì)的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測，有助于預測汽蝕的發(fā)生；通過對泵殼體上/下溫差的監(jiān)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(tǒng)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(huán)更換時間及開式葉輪間隙調(diào)整時間；通過流量監(jiān)測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(fā)生摩擦、泵殼體的腐蝕及現(xiàn)場管路支撐問題；另外，還可以監(jiān)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(tǒng)緩沖/隔離罐的液位。通過對供液箱液位的監(jiān)測，可以預測泵汽蝕的發(fā)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(jiān)測泄漏的一種方式。通過一個雙重無壓密封裝置內(nèi)側(cè)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(jiān)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(nèi)側(cè)密封泄漏檢測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。通過一個雙重有壓密封裝置內(nèi)側(cè)密封泄漏檢測到從循環(huán)系統(tǒng)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(xiàn)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(zhuǎn)子部件不平衡、軸發(fā)生彎曲或變形、動/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(zhì)發(fā)生汽化、葉輪葉片太靠近蝸舌（cutwater）運行、內(nèi)部回流等原因所引起`3`。通過振動監(jiān)測可以檢測或診斷出泵及其系統(tǒng)存在的各種問題。
（9）噪音。表示泵發(fā)生了汽蝕、動/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，預測發(fā)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(zhuǎn)部件與靜止部件不會發(fā)生接觸。同時，軸撓度過大，會導致耐磨環(huán)、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(chǎn)服務化
設備制造商通過網(wǎng)絡可以實時監(jiān)控設備在用戶現(xiàn)場的運行狀況，以判斷產(chǎn)品什么時候需要檢修和保養(yǎng)。在這個階段，所有制造商都會向服務商轉(zhuǎn)型。
《中國制造2025》明確提出，要加快制造與服務的協(xié)同發(fā)展，推動商業(yè)模式創(chuàng)新，促進生產(chǎn)制造向服務型制造的轉(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)達國家已經(jīng)走了很長的路。2010 年德勤咨詢公司調(diào)查全球80 家領先制造業(yè)公司，調(diào)查結(jié)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(chǎn)服務化，必須能為用戶提供最優(yōu)化的、全方位的解決方案。對于離心泵行業(yè)來說，可以從以下三個方面著手：
（1）產(chǎn)品
由泵制造商提供完整的泵送系統(tǒng)，而不是將單臺泵送到現(xiàn)場然后由承包商或工廠人員安裝。這些系統(tǒng)將泵放置在預先制造的結(jié)構(gòu)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(tǒng)”有助于最大限度地減少安裝不當?shù)耐獠坑绊懀岣弑玫男阅躟4`。
德國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，自動控制泵的啟動或停機；在消防泵上配備了自動消防系統(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(nèi)置的超高效IE5 永磁電機，以實現(xiàn)商業(yè)建筑的供水和暖通空調(diào)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(tǒng)，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(fā)了基于網(wǎng)絡的軟件程序－IPS 觀察平臺和Flowstar.net，可以實現(xiàn)：通過簡化的示意圖查看性能狀態(tài)；監(jiān)控實時設備性能；進行預測分析；基于事實和可證實數(shù)據(jù)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(yǎng)、調(diào)整的時間及成本等。
在“打包泵送系統(tǒng)”方面，國內(nèi)也有不少泵廠具有非常成熟的設計與運行經(jīng)驗，如上海邦浦實業(yè)集團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。以中國電建集團上海能源裝備有限公司為例，他們?yōu)椴簧倩痣姀S用戶提供過鍋爐給水泵節(jié)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(wěn)定，但是，由于設計規(guī)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(yè)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(qū)動方式改為小汽機+減速箱。小汽機采用雙軸伸，一端直接驅(qū)動給水泵，另一端與減速箱一起驅(qū)動前置泵。已有多項業(yè)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(tǒng)的維護方式多為反應式維護（設備已經(jīng)失效，進行事故后維修）或預防性維護（通過采取適當?shù)拇胧?，從而防止設備發(fā)生故障）。
預測性維護是制造業(yè)所追求的終極目標，在產(chǎn)品出現(xiàn)故障、用戶要求之前派出技術服務人員對產(chǎn)品進行維護。在這方面，目前國內(nèi)外離心泵行業(yè)也僅在少數(shù)監(jiān)測項目上有所突破，如吉林宇琦泵業(yè)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(jiān)測，準確判斷出其存在的問題或?qū)⒁l(fā)生的故障，不僅為中國石化用戶解決了目前存在的現(xiàn)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(tǒng)）流程穩(wěn)定的重要設備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術對其安全可靠性進行監(jiān)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(nèi)，為用戶提供操作、運行管理、維修及維護、網(wǎng)絡安全系統(tǒng)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(chǎn)品、產(chǎn)品維修及服務。
4 大數(shù)據(jù)和云計算
對于收集到的大量運行狀態(tài)信息需要計算的支持。通過使用數(shù)據(jù)、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(tài)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(chǎn)品，且出廠前進行動平衡試驗、機械運轉(zhuǎn)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(jié)果不一定非常準確。
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)，而且忽視基礎教育。很多高學歷畢業(yè)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(yè)技術工作的畢業(yè)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(tǒng)制造業(yè)技術工作的人員越來越少，有經(jīng)驗的高技術人才嚴重缺乏。
缺少研發(fā)資金。技術轉(zhuǎn)型升級需要花費大量的資金，這往往是很多傳統(tǒng)制造業(yè)無法承受之重。
市場對自主創(chuàng)新的、傳統(tǒng)行業(yè)的智能產(chǎn)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(shù)據(jù)的支持下，借助現(xiàn)代計算機仿真技術，未來離心泵的結(jié)構(gòu)設計和水力設計將變得相對簡單、快捷；而泵本體的節(jié)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(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)中的一個設備，未來離心泵將會與系統(tǒng)一起進行最優(yōu)化的設計，以追求系統(tǒng)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(shù)據(jù)、云計算，將會實現(xiàn)預測性維護，很少會出現(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)收集、優(yōu)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(yè)，我們將拭目以待。
7 參考文獻
`1` 亞麥，青島企業(yè)迎來智造時代“黑燈工廠”沒有工人，青島財經(jīng)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(jié)能改造整體方案，2016 年中國通用機械泵行業(yè)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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