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摘要：以技術(shù)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(guān)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(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)過程、制造過程、應(yīng)用過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。對于傳統(tǒng)制造業(yè)——離心泵行業(yè)來說，既是機(jī)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(yīng)是變或不變的問題，而應(yīng)是如何變和何時(shí)變的問題。

本文將以技術(shù)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(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”。“黑燈工廠”是“Dark Factory”的直譯，即智慧工廠，因?yàn)闊o需人工操作，所以可以關(guān)燈運(yùn)行。而智慧工廠的建立，離不開大量工業(yè)自動化設(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(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)展過程中，工廠已經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)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(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)。除了市場上可以采購到的通用的標(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用到（如葉輪/殼體耐磨環(huán)），對于這類零件，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)。針對某一特定的市場需求，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)，就會快速自動生成一只新的零件。

（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。

美國水力協(xié)會和美國石油協(xié)會分別適時(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產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，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)問題并予以糾正。離心泵可以進(jìn)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(jìn)/出口介質(zhì)的溫度；還涉及到泵殼體上/下溫差。通過對泵進(jìn)/出口介質(zhì)溫度的監(jiān)測，有助于預(yù)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(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、冷卻水及潤滑油的壓力、機(jī)械密封系統(tǒng)壓力；包括過濾器前后的壓差。

（3）流量?？梢灶A(yù)測泵殼體/葉輪耐磨環(huán)更換時(shí)間及開式葉輪間隙調(diào)整時(shí)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(yùn)行的離心泵，以觀察其對泵性能的影響。

（5）應(yīng)變。預(yù)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(yù)測泵汽蝕的發(fā)生。

（7）泄漏。主要用于預(yù)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(gè)雙重?zé)o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(guān)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(gè)雙重?zé)o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(gè)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(shè)計(jì)原因和外部條件因素兩大類。而泵本體設(shè)計(jì)引起的振動主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，機(jī)械引起的振動和水力引起的振動。機(jī)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(yùn)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(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(yù)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(jī)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(shí)，軸撓度過大，會導(dǎo)致耐磨環(huán)、機(jī)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(yù)測潤滑油的更換周期。

3 生產(chǎn)服務(wù)化

設(shè)備制造商通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備在用戶現(xiàn)場的運(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，所有制造商都會向服務(wù)商轉(zhuǎn)型。

《中國制造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(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％，而我國不足10％；服務(wù)凈利潤貢獻(xiàn)率平均值達(dá)46％。美國GE 公司50％ 以上的利潤來源于服務(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。對于離心泵行業(yè)來說，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(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(jī)；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(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FLOWSERVE 公司開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的軟件程序－IPS 觀察平臺和Flowstar.net，可以實(shí)現(xiàn)：通過簡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(gè)電動給水泵組（前置泵+電動機(jī)+液力偶合器+鍋爐給水泵）中，前置泵、電動機(jī)及鍋爐給水泵的效率相對穩(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：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)動給水泵，另一端與減速箱一起驅(qū)動前置泵。已有多項(xiàng)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(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)（通過采取適當(dāng)?shù)拇胧?，從而防止設(shè)備發(fā)生故障）。

預(yù)測性維護(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)人員對產(chǎn)品進(jìn)行維護(hù)。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(xiàng)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(yù)測性維護(hù)ITR 公司合作，通過對離心泵振動變化的監(jiān)測，準(zhǔn)確判斷出其存在的問題或?qū)⒁l(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(shí)問題，而且為他們以后的維護(hù)工作提供了準(zhǔn)確的解決方案。

離心泵在很多場合是維持（系統(tǒng)）流程穩(wěn)定的重要設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其安全可靠性進(jìn)行監(jiān)控是非常必要的。

? 對于有實(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(wù)。

4 大數(shù)據(jù)和云計(jì)算

對于收集到的大量運(yùn)行狀態(tài)信息需要計(jì)算的支持。通過使用數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制和分析，改變用戶的運(yùn)營方式，并幫助他們提高運(yùn)營效率。

如何從海量的運(yùn)行狀態(tài)信息中準(zhǔn)確地對故障做出預(yù)測或診斷？

由于上述泵型為成熟產(chǎn)品，且出廠前進(jìn)行動平衡試驗(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(yù)測或診斷思路，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)生居然不會寫郵件、不會編輯文檔、不會撰寫科研報(bào)告，甚至很多從事制造業(yè)技術(shù)工作的畢業(yè)生無法將自己設(shè)計(jì)的機(jī)械零部件準(zhǔn)確地表達(dá)出來（不懂機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)、不會標(biāo)注尺寸）。

能夠沉下心來踏踏實(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)型升級需要花費(fèi)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(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，未來離心泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)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(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，未來離心泵將會與系統(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)。

未來的離心泵在加工制造上會普遍使用一些先進(jìn)的制造技術(shù)，如增材制造、仿生制造、柔性制造等。

未來的離心泵通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，將會實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，很少會出現(xiàn)意外停機(jī)的狀況。

未來的離心泵將會與機(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、人泵對話，甚至具有深度學(xué)習(xí)及故障自我修復(fù)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(xiàn)

`1` 亞麥，青島企業(yè)迎來智造時(shí)代“黑燈工廠”沒有工人，青島財(cái)經(jīng)日報(bào)，2015/03/30

`2` ANSI/HI 9.6.9 -2014, Rotary Pumps - Guidelines for Condition Monitoring

`3` 謝小青，API610 標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械泵行業(yè)技術(shù)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(shè)計(jì)。