碳纤维增强聚合物赋能下一代消防泵：提效减重双突破

KASE pump Systems是一家专门为消防车和其他工业应用提供碳纤维复合泵系统的公司   来源（所有图片）| KASE泵系统和罗森鲍尔美国

摘要

碳纤维增强聚合物（CFRP）材料凭借其轻量化、耐腐蚀等优异特性，正逐步打破传统金属材料在消防泵领域的垄断地位。KASE 泵系统公司依托十余年复合材料设计经验，专注于研发适用于消防车及工业场景的 CFRP 泵体设备。本文详细阐述了 KASE 公司的发展历程、CFRP 消防泵的制造工艺与设计核心要点，重点解析了该公司与罗森鲍尔美国公司联合研发的 RFP6 型 CFRP 消防泵的研发过程、技术参数及性能优势，并展望了企业未来的产能扩张、产品创新及跨领域应用规划，为复合材料在消防及工业装备领域的应用提供了实践参考。

数十年来，铸铁一直是消防泵的传统制造材料，但随着金属铸件成本攀升以及腐蚀问题对设备使用寿命的严重影响，行业亟需新型材料解决方案。尤其是工业及军事消防场景中频繁使用的苦咸水或海水，会导致金属泵部件频繁维修更换，显著增加使用成本。碳纤维增强聚合物（CFRP）作为一种高性能复合材料，在轻量化和耐腐蚀方面展现出传统金属材料无法比拟的优势。KASE 泵系统公司精准把握行业需求，深耕 CFRP 泵体技术研发，成功推出一系列高性能产品，推动消防泵领域的材料升级与技术革新。

KASE泵系统公司技术突破的开端

KASE 泵系统公司于 2019 年由凯尔・钱德勒（Kyle Chandler）创立，其核心团队拥有十余年材料研究及工业消防系统制造经验。约十年前，钱德勒在其先前任职的公司主要从事潜水泵研发工作。当时一位消防局长提出需求，希望获得一款可由云梯车部署、重量约 300 磅且抽水能力超过 4000 加仑 / 分钟的潜水泵，而当时具备该性能的传统泵体重量约为 450 磅。为满足这一需求，钱德勒团队开始尝试轻量化材料设计，成功研发出首款玻璃纤维复合材料泵体，满足了重量与性能双重要求。此后四年，团队持续优化设计，最终采用碳纤维复合材料进一步减重，奠定了公司核心技术的基础。

CFRP 消防泵的制造工艺

材料选择

KASE 公司的泵体部件均以碳纤维复合材料为基础，根据不同应用场景整合凯夫拉纤维、玻璃纤维等增强材料。例如，用于污水处理的泵体会融入迪尼玛纤维或英纳格拉纤维以提升抗岩石冲击能力。树脂方面，公司选用挥发性有机化合物（VOCs）排放量低且抗冲击性强的热固性树脂，可通过调整配方和温度将成型周期缩短至 5 分钟，同时避免热失控问题。

成型工艺

所有 CFRP 泵体均采用闭模成型工艺制造，主要包括高压压缩成型（HPCM）和树脂传递模塑（RTM）工艺。部件先模塑至近净形，再根据装配精度要求进行机械加工，以确保与消防车其他部件的适配性。目前公司的生产能力受限于两台小型热压罐，新制造基地将配备更大规格的热压罐，以实现更大尺寸、更高产量的部件生产。此外，针对树脂系统的特性，公司经过长期优化，解决了其与传统涂层及脱模剂的兼容性问题。

CFRP 消防泵的设计核心要点

可靠性设计

消防设备需适应不可预测的应急场景，因此耐久性至关重要。KASE 设计的 CFRP 泵体使用寿命可达 20 年以上，即便在恶劣工况下受损，也不会像金属部件那样立即开裂断裂，仍能维持基本工作状态。针对消防泵最突出的腐蚀问题，公司为其复合材料泵体及流体处理设备提供海水腐蚀终身保修服务，在盐水环境中具有远超金属的使用寿命。

循环利用设计

为解决复合材料的末端处理问题，KASE 正与碳纤维回收企业合作构建泵体全生命周期解决方案。对于达到使用寿命或过时的泵体，公司将引导其送至碳纤维回收机构，回收后的短切纤维将被重新采购用于压缩成型部件的生产，实现资源的循环利用，减少环境负担。

复杂结构设计

经过多年技术迭代，KASE 优化了专有闭模成型工艺，成功实现中空部件及盲孔腔部件的一体化制造。以封闭式叶轮为例，其内部弯曲叶片结构难以通过数控加工实现，而公司通过工艺创新，在模塑过程中精准成型该复杂结构，同时大幅降低材料浪费。

消防车泵（如图所示为KASE的RFP6）的工作原理是，叶轮（中）通过吸入钟（右）将水吸入，通过轴承壳（左）连接到电机（未示出），并通过排出扩散器（上）推进。

RFP6型CFRP消防泵的研发与生产

研发背景

KASE与罗森鲍尔美国公司历经三年联合研发，推出了符合美国国家消防协会（NFPA）标准的 RFP6 型消防泵。该泵的研发源于客户5500加仑/分钟流量等级消防泵的需求，罗森鲍尔美国公司此前的泵体产品最高流量为3500加仑/分钟，因此寻求外部技术合作。KASE 提出的 CFRP 材质方案虽突破了该公司的传统材料体系，但凭借显著的轻量化优势最终获得认可。

设计与验证

研发团队首先基于需求构建泵体内部几何结构的初步CAD模型，通过大量计算流体动力学（CFD）模拟确定性能参数范围，再通过有限元分析（FEA）验证泵体结构完整性。随后制作全尺寸物理模型进行测试，并将数据反馈至CFD软件优化设计。每款泵型的CFD分析次数超过100次，同时结合现场实测数据持续迭代。首款原型泵的实测流量为4800加仑 /分钟，未达预期，团队通过扩展消防车水管系统分析范围、优化叶片几何结构，在第二次迭代中实现 5750加仑/分钟的流量，最终将流量提升至6500加仑/分钟，且保持超紧凑轻量化设计。

制造与装配

RFP6型消防泵尺寸约为2×2×2.5英尺，由四个核心复合部件与电机系统连接组成，总重量不足200磅，其中最大部件泵壳仅重58磅，相比传统600-1200磅的泵体组件减重幅度高达70%，各部件的制造工艺及特性如下：

吸入喇叭口：采用机械压缩干切碳纤维预成型体与高压树脂传递模塑（HP-RTM）工艺结合制造，成型后对结合面进行机械加工；

叶轮：直径18英寸，最高转速 2200转/分钟，包含7个弯曲叶片，配备不锈钢花键轴适配器与金属泵轴连接。通过 RTM 工艺将回收碳纤维短切纤维与热固性树脂模塑成型，叶片厚度为3/8至7/16英寸，独特的叶片入口角度设计降低了必需汽蚀余量（NPSHr），提升吸水效率；

蜗壳/泵壳：作为双蜗壳结构，外部为壳体，内部设有高压水流通道，采用RTM工艺成型，外层为美观编织面纱材料，内层为高强度碳纤维结构层，空隙填充碳纤维短切纤维，局部厚度可达 8 英寸，截面不均匀且包含内部通道；

电机板：厚度4英寸，用于固定轴承座并整合所有部件，通过 RTM 工艺采用回收碳纤维短切纤维制造。

装配过程中，部件通过集成螺纹钢嵌件螺栓连接，嵌件深入泵壳内部，机械锁定并粘接固定，具备优异的抗拔强度，可承受反复的螺栓安装与拆卸操作。

应用场景

经过广泛现场测试，RFP6 型消防泵于今年搭载在罗森鲍尔新型工业消防车系统上正式推出，适用于石油、油气设施及其他重型基础设施的大容量供水或水与消防泡沫混合液输送，为快速响应火灾防护提供支持。

未来发展规划

产能与产品扩张

随着复合材料在防腐蚀领域的应用普及，KASE 计划在未来 3-5 年内成为全球产量领先的消防泵制造商。新制造基地投用后，公司将在未来几年内推进部分生产流程自动化，提升产能与生产规模。产品研发方面，除持续生产 RFP6 型泵外，还在开发 300 磅 / 平方英寸的高压高空作业消防车泵，以及 2000-3000 加仑 / 分钟的标准化市政消防泵。

跨领域应用探索

公司计划突破消防泵单一应用领域，向规模更大的能源市场拓展。能源行业中频繁使用的盐水等腐蚀性介质，为 CFRP 泵体提供了广阔的应用空间，有望复制其在消防领域的技术优势。

人才培养

新制造基地将设立教育中心，延续与周边 STEM 重点高中的合作，为学生提供工程设计与复合材料制造的实践机会，助力行业人才培养。

结论

KASE 泵系统公司从家庭车库起步，凭借对复合材料技术的持续深耕，成功将 CFRP 材料引入成熟的消防泵工业市场，打破了传统金属材料的垄断格局。其研发的 CFRP 消防泵在轻量化、耐腐蚀及长寿命方面实现了对传统产品的超越，尤其是 RFP6 型消防泵以 6500 加仑 / 分钟的流量创下 NFPA 消防泵流量等级世界纪录。未来，随着新生产基地的建成与自动化技术的应用，以及在能源等跨领域市场的拓展，KASE 公司将进一步推动复合材料在工业装备领域的应用创新，为行业技术升级提供范例。