科技日报记者孙瑜
朱拜勒是沙特阿拉伯东部港口，也是工业重镇。这里即将建成世界最大膜法海水淡化厂、全球唯一一个产水量达到100万吨/天的海水淡化项目——朱拜勒2期反渗透海水淡化替换项目。
日前，最后一批用于朱拜勒2期反渗透海水淡化替换项目的膜外壳在天津港装箱启运，标志着中国建筑材料科学研究总院有限公司所属哈尔滨乐普实业有限公司（以下简称“乐普实业”）顺利完成该项目膜外壳交付任务。这也是国产膜外壳首次运用于百万吨级别的膜法海水淡化项目。
膜法是一种利用特殊膜材料将海水中的水分子和盐分子进行分离，从而得到人类可饮用淡水的技术。海水淡化过程中，需要对海水施加一定压力，让水分子通过膜材料。作为膜元件的重要配套组成部分，膜外壳能承受过滤时的高压，确保淡化过程顺利进行，堪称海水淡化膜法的“守护者”。
每天，全球有超过1亿吨净水从乐普实业生产的膜外壳中产出。作为工信部评选的制造业单项冠军企业，乐普实业生产的膜外壳应用于全球许多知名海水淡化项目，市场占有率居国内第一、世界前列。
攻克密封技术难题
科技日报记者近日走进乐普实业德州生产基地，观摩膜外壳的生产过程——一束束洁白的玻璃纤维丝经过树脂缠绕后，进入高温固化炉定形，再完成打磨、加工、水压检测、表面处理等步骤。所有产品待工人检验合格后，被装上运输车。
“膜外壳最核心的组件就是玻璃钢壳体。壳体需要承受过滤时的工作压力，要防渗漏、耐疲劳、耐腐蚀。”乐普实业研发部部长刘晓伟告诉记者，在壳体设计过程中，需要考虑纤维缠绕角度、局部补强和缠绕固化工艺参数等多方面因素。
在膜外壳制造过程中，研发部门攻克了多项技术难题。密封技术是膜外壳制造的核心技术之一。刘晓伟介绍，膜外壳密封不过关很容易发生渗漏，导致安全事故。一支膜外壳有近20处密封点，最小直径约为23.5毫米，最大直径可达190毫米。以1000磅力/平方英寸的膜外壳为例，每处密封点要承受近70公斤力/平方厘米的水压，这对密封技术要求极高。
密封点结构较复杂，是制造过程中的关键点。“比如，端板密封区域容易有盐析出，形成结晶。结晶的长期累积会造成密封圈密封失效进而发生渗漏，导致外侧受力金属件发生腐蚀。”刘晓伟说，随着水处理的原水介质成分越来越复杂，端部密封失效的问题日益凸显。
针对这一问题，研发人员设计研制了一种新结构，它可利用水流冲刷掉密封点析出的盐分。实验结果显示，在研发人员设计的一种新工况模拟设备上，新结构部件达到了预期效果。“这项结构研究形成的专利正在受理中。”刘晓伟告诉记者，关于膜外壳密封性能研究，乐普实业已申请3项专利。
目前，乐普实业共获得授权专利74项、软件著作权6项，编制了两项相关国家标准。乐普实业掌握了膜外壳从设计到制造全产业链条的核心技术，引领着膜外壳技术的发展方向。
打开全球市场大门
新加坡大泉海水淡化厂、美国加利福尼亚卡尔斯巴德海水淡化项目、阿联酋阿布扎比塔维勒独立海水淡化项目……在世界大型海水淡化项目中，都能看到乐普实业膜外壳的身影。
“乐普实业膜外壳制造经历了从自主建设到逐步实现国产化，最后走向全球的过程。”乐普实业生产副总经理杨东伟告诉记者，乐普实业在打开全球市场大门过程中，最关键的是拿下澳大利亚班达巴（Bundamba）水处理工程。
澳大利亚Bundamba水处理工程建成时为世界第三大深度污水处理项目，是当时南半球规模最大循环水工程的一部分。2007年，该工程提出了对18英寸开口直径膜外壳的需求。
“当时普通膜外壳开口直径也就8英寸左右，全球范围内没有企业生产过18英寸膜外壳。”杨东伟说。
乐普实业决定在国际市场与世界品牌一较高下。
项目要求高，时间也分外紧张。乐普实业研发人员加班加点进行结构设计、力学计算、模具设计与加工、配方设计等工作。
但进程卡在了爆破环节。“通过6倍设计压力爆破试验，是制造产品合格的标准。”刘晓伟回忆，“膜外壳需要在6倍设计压力下不发生爆破，但在实际测试中，18英寸膜外壳总是在压力接近这一临界值时，其压力表读数便停止上升，导致无法继续增加压力。我们推测产品内部发生了渗漏。”
刘晓伟说，技术人员拿着手电筒钻进直径不到半米、长度将近9米的膜外壳内寻找渗漏点。在对渗漏点进行修补后，产品一次性通过了6倍设计压力爆破试验。
直到如今，18英寸膜外壳仍是世界上直径最大的海水淡化项目商用膜外壳。
杨东伟说，通过这次与世界品牌的较量，乐普实业18英寸膜外壳打响了名号，国内外订单不断增多，乐普实业由此进入出口海外的快车道。2022年国际海水淡化新增产能统计数据显示，乐普实业全球市场份额达60%，在中东、北非地区备受信赖。
加快智能制造步伐
近年来，乐普实业推动数字化智能化发展，膜外壳生产效率不断提高。刘晓伟向记者演示了乐普实业自主开发的膜外壳水处理参数计算软件。在初始页面上输入膜外壳数量、进水量、回收率等数据后，软件通过自动计算，会实时提供一套设定合理、性价比高的膜外壳串联连接方案。
“乐普实业还开发了膜外壳数字化模拟、生产和检测工具。在设计阶段，我们可使用计算机软件计算和模拟符合要求的最小壁厚，并利用有限元数字工具核算壳体强度是否达标。”乐普实业副总经理王秋野介绍，乐普实业还通过传感器的快捷反馈，精准保障每批次、每个型号产品性能和质量的一致性。
在朱拜勒2期反渗透海水淡化替换项目中，乐普实业通过数字化设备和混装侧开口技术避免了流量的过剩。通过计算机工具设计的管路排布科学合理，不仅有利于提高产水率，还能减少能源消耗。
乐普实业智能制造的理念从产品延伸到生产设备。乐普实业将自动试压泵从简单的手动打压—停止模式，升级为根据预设压力升压—保压—卸压—数据记录模式。这一改进节省了手动记录压力数据的时间，确保了试压过程的安全性和可靠性，提高了工作效率。
“乐普实业在高端化、智能化、绿色化方向布局膜外壳技术创新项目，研发应用碳纤维、耐特殊介质新材料，实现关键共性技术研究和产业化应用示范。”王秋野说，下一步，乐普实业将推动人工智能、大数据、物联网等信息技术与膜外壳设计制造深度融合，通过研发新的绿色制造工艺设备及加工技术，推进清洁生产，提升资源综合利用水平。
