KASE pump Systems是一家專門為消防車和其他工業(yè)應(yīng)用提供碳纖維復(fù)合泵系統(tǒng)的公司   來源（所有圖片）| KASE泵系統(tǒng)和羅森鮑爾美國

摘要

碳纖維增強聚合物（CFRP）材料憑借其輕量化、耐腐蝕等優(yōu)異特性，正逐步打破傳統(tǒng)金屬材料在消防泵領(lǐng)域的壟斷地位。KASE 泵系統(tǒng)公司依托十余年復(fù)合材料設(shè)計經(jīng)驗，專注于研發(fā)適用于消防車及工業(yè)場景的 CFRP 泵體設(shè)備。本文詳細闡述了 KASE 公司的發(fā)展歷程、CFRP 消防泵的制造工藝與設(shè)計核心要點，重點解析了該公司與羅森鮑爾美國公司聯(lián)合研發(fā)的 RFP6 型 CFRP 消防泵的研發(fā)過程、技術(shù)參數(shù)及性能優(yōu)勢，并展望了企業(yè)未來的產(chǎn)能擴張、產(chǎn)品創(chuàng)新及跨領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)劃，為復(fù)合材料在消防及工業(yè)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用提供了實踐參考。

數(shù)十年來，鑄鐵一直是消防泵的傳統(tǒng)制造材料，但隨著金屬鑄件成本攀升以及腐蝕問題對設(shè)備使用壽命的嚴重影響，行業(yè)亟需新型材料解決方案。尤其是工業(yè)及軍事消防場景中頻繁使用的苦咸水或海水，會導(dǎo)致金屬泵部件頻繁維修更換，顯著增加使用成本。碳纖維增強聚合物（CFRP）作為一種高性能復(fù)合材料，在輕量化和耐腐蝕方面展現(xiàn)出傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)勢。KASE 泵系統(tǒng)公司精準把握行業(yè)需求，深耕 CFRP 泵體技術(shù)研發(fā)，成功推出一系列高性能產(chǎn)品，推動消防泵領(lǐng)域的材料升級與技術(shù)革新。

KASE泵系統(tǒng)公司技術(shù)突破的開端

KASE 泵系統(tǒng)公司于 2019 年由凱爾?錢德勒（Kyle Chandler）創(chuàng)立，其核心團隊擁有十余年材料研究及工業(yè)消防系統(tǒng)制造經(jīng)驗。約十年前，錢德勒在其先前任職的公司主要從事潛水泵研發(fā)工作。當時一位消防局長提出需求，希望獲得一款可由云梯車部署、重量約 300 磅且抽水能力超過 4000 加侖 / 分鐘的潛水泵，而當時具備該性能的傳統(tǒng)泵體重量約為 450 磅。為滿足這一需求，錢德勒團隊開始嘗試輕量化材料設(shè)計，成功研發(fā)出首款玻璃纖維復(fù)合材料泵體，滿足了重量與性能雙重要求。此后四年，團隊持續(xù)優(yōu)化設(shè)計，最終采用碳纖維復(fù)合材料進一步減重，奠定了公司核心技術(shù)的基礎(chǔ)。

CFRP 消防泵的制造工藝

材料選擇

KASE 公司的泵體部件均以碳纖維復(fù)合材料為基礎(chǔ)，根據(jù)不同應(yīng)用場景整合凱夫拉纖維、玻璃纖維等增強材料。例如，用于污水處理的泵體會融入迪尼瑪纖維或英納格拉纖維以提升抗巖石沖擊能力。樹脂方面，公司選用揮發(fā)性有機化合物（VOCs）排放量低且抗沖擊性強的熱固性樹脂，可通過調(diào)整配方和溫度將成型周期縮短至 5 分鐘，同時避免熱失控問題。

成型工藝

所有 CFRP 泵體均采用閉模成型工藝制造，主要包括高壓壓縮成型（HPCM）和樹脂傳遞模塑（RTM）工藝。部件先模塑至近凈形，再根據(jù)裝配精度要求進行機械加工，以確保與消防車其他部件的適配性。目前公司的生產(chǎn)能力受限于兩臺小型熱壓罐，新制造基地將配備更大規(guī)格的熱壓罐，以實現(xiàn)更大尺寸、更高產(chǎn)量的部件生產(chǎn)。此外，針對樹脂系統(tǒng)的特性，公司經(jīng)過長期優(yōu)化，解決了其與傳統(tǒng)涂層及脫模劑的兼容性問題。

CFRP 消防泵的設(shè)計核心要點

可靠性設(shè)計

消防設(shè)備需適應(yīng)不可預(yù)測的應(yīng)急場景，因此耐久性至關(guān)重要。KASE 設(shè)計的 CFRP 泵體使用壽命可達 20 年以上，即便在惡劣工況下受損，也不會像金屬部件那樣立即開裂斷裂，仍能維持基本工作狀態(tài)。針對消防泵最突出的腐蝕問題，公司為其復(fù)合材料泵體及流體處理設(shè)備提供海水腐蝕終身保修服務(wù)，在鹽水環(huán)境中具有遠超金屬的使用壽命。

循環(huán)利用設(shè)計

為解決復(fù)合材料的末端處理問題，KASE 正與碳纖維回收企業(yè)合作構(gòu)建泵體全生命周期解決方案。對于達到使用壽命或過時的泵體，公司將引導(dǎo)其送至碳纖維回收機構(gòu)，回收后的短切纖維將被重新采購用于壓縮成型部件的生產(chǎn)，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，減少環(huán)境負擔。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過多年技術(shù)迭代，KASE 優(yōu)化了專有閉模成型工藝，成功實現(xiàn)中空部件及盲孔腔部件的一體化制造。以封閉式葉輪為例，其內(nèi)部彎曲葉片結(jié)構(gòu)難以通過數(shù)控加工實現(xiàn)，而公司通過工藝創(chuàng)新，在模塑過程中精準成型該復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時大幅降低材料浪費。

消防車泵（如圖所示為KASE的RFP6）的工作原理是，葉輪（中）通過吸入鐘（右）將水吸入，通過軸承殼（左）連接到電機（未示出），并通過排出擴散器（上）推進。

RFP6型CFRP消防泵的研發(fā)與生產(chǎn)

研發(fā)背景

KASE與羅森鮑爾美國公司歷經(jīng)三年聯(lián)合研發(fā)，推出了符合美國國家消防協(xié)會（NFPA）標準的 RFP6 型消防泵。該泵的研發(fā)源于客戶5500加侖/分鐘流量等級消防泵的需求，羅森鮑爾美國公司此前的泵體產(chǎn)品最高流量為3500加侖/分鐘，因此尋求外部技術(shù)合作。KASE 提出的 CFRP 材質(zhì)方案雖突破了該公司的傳統(tǒng)材料體系，但憑借顯著的輕量化優(yōu)勢最終獲得認可。

設(shè)計與驗證

研發(fā)團隊首先基于需求構(gòu)建泵體內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的初步CAD模型，通過大量計算流體動力學(xué)（CFD）模擬確定性能參數(shù)范圍，再通過有限元分析（FEA）驗證泵體結(jié)構(gòu)完整性。隨后制作全尺寸物理模型進行測試，并將數(shù)據(jù)反饋至CFD軟件優(yōu)化設(shè)計。每款泵型的CFD分析次數(shù)超過100次，同時結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)持續(xù)迭代。首款原型泵的實測流量為4800加侖 /分鐘，未達預(yù)期，團隊通過擴展消防車水管系統(tǒng)分析范圍、優(yōu)化葉片幾何結(jié)構(gòu)，在第二次迭代中實現(xiàn) 5750加侖/分鐘的流量，最終將流量提升至6500加侖/分鐘，且保持超緊湊輕量化設(shè)計。

制造與裝配

RFP6型消防泵尺寸約為2×2×2.5英尺，由四個核心復(fù)合部件與電機系統(tǒng)連接組成，總重量不足200磅，其中最大部件泵殼僅重58磅，相比傳統(tǒng)600-1200磅的泵體組件減重幅度高達70%，各部件的制造工藝及特性如下：

吸入喇叭口：采用機械壓縮干切碳纖維預(yù)成型體與高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）工藝結(jié)合制造，成型后對結(jié)合面進行機械加工；

葉輪：直徑18英寸，最高轉(zhuǎn)速 2200轉(zhuǎn)/分鐘，包含7個彎曲葉片，配備不銹鋼花鍵軸適配器與金屬泵軸連接。通過 RTM 工藝將回收碳纖維短切纖維與熱固性樹脂模塑成型，葉片厚度為3/8至7/16英寸，獨特的葉片入口角度設(shè)計降低了必需汽蝕余量（NPSHr），提升吸水效率；

蝸殼/泵殼：作為雙蝸殼結(jié)構(gòu)，外部為殼體，內(nèi)部設(shè)有高壓水流通道，采用RTM工藝成型，外層為美觀編織面紗材料，內(nèi)層為高強度碳纖維結(jié)構(gòu)層，空隙填充碳纖維短切纖維，局部厚度可達 8 英寸，截面不均勻且包含內(nèi)部通道；

電機板：厚度4英寸，用于固定軸承座并整合所有部件，通過 RTM 工藝采用回收碳纖維短切纖維制造。

裝配過程中，部件通過集成螺紋鋼嵌件螺栓連接，嵌件深入泵殼內(nèi)部，機械鎖定并粘接固定，具備優(yōu)異的抗拔強度，可承受反復(fù)的螺栓安裝與拆卸操作。

應(yīng)用場景

經(jīng)過廣泛現(xiàn)場測試，RFP6 型消防泵于今年搭載在羅森鮑爾新型工業(yè)消防車系統(tǒng)上正式推出，適用于石油、油氣設(shè)施及其他重型基礎(chǔ)設(shè)施的大容量供水或水與消防泡沫混合液輸送，為快速響應(yīng)火災(zāi)防護提供支持。

未來發(fā)展規(guī)劃

產(chǎn)能與產(chǎn)品擴張

隨著復(fù)合材料在防腐蝕領(lǐng)域的應(yīng)用普及，KASE 計劃在未來 3-5 年內(nèi)成為全球產(chǎn)量領(lǐng)先的消防泵制造商。新制造基地投用后，公司將在未來幾年內(nèi)推進部分生產(chǎn)流程自動化，提升產(chǎn)能與生產(chǎn)規(guī)模。產(chǎn)品研發(fā)方面，除持續(xù)生產(chǎn) RFP6 型泵外，還在開發(fā) 300 磅 / 平方英寸的高壓高空作業(yè)消防車泵，以及 2000-3000 加侖 / 分鐘的標準化市政消防泵。

跨領(lǐng)域應(yīng)用探索

公司計劃突破消防泵單一應(yīng)用領(lǐng)域，向規(guī)模更大的能源市場拓展。能源行業(yè)中頻繁使用的鹽水等腐蝕性介質(zhì)，為 CFRP 泵體提供了廣闊的應(yīng)用空間，有望復(fù)制其在消防領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。

人才培養(yǎng)

新制造基地將設(shè)立教育中心，延續(xù)與周邊 STEM 重點高中的合作，為學(xué)生提供工程設(shè)計與復(fù)合材料制造的實踐機會，助力行業(yè)人才培養(yǎng)。

結(jié)論

KASE 泵系統(tǒng)公司從家庭車庫起步，憑借對復(fù)合材料技術(shù)的持續(xù)深耕，成功將 CFRP 材料引入成熟的消防泵工業(yè)市場，打破了傳統(tǒng)金屬材料的壟斷格局。其研發(fā)的 CFRP 消防泵在輕量化、耐腐蝕及長壽命方面實現(xiàn)了對傳統(tǒng)產(chǎn)品的超越，尤其是 RFP6 型消防泵以 6500 加侖 / 分鐘的流量創(chuàng)下 NFPA 消防泵流量等級世界紀錄。未來，隨著新生產(chǎn)基地的建成與自動化技術(shù)的應(yīng)用，以及在能源等跨領(lǐng)域市場的拓展，KASE 公司將進一步推動復(fù)合材料在工業(yè)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，為行業(yè)技術(shù)升級提供范例。