SBS改性瀝青工藝管道堵塞的成因分析及對策

王文豐

（南京煉油廠有限責(zé)任公司，江蘇南京 210033）

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SBS改性瀝青工藝管道堵塞的成因分析及對策

王文豐

（南京煉油廠有限責(zé)任公司，江蘇南京 210033）

摘要：本文主要針對南煉SBS改性瀝青間歇式生產(chǎn)裝置中工藝管道發(fā)生堵塞的現(xiàn)象進(jìn)行了討論。在對堵塞物的形貌初步分析的基礎(chǔ)上，找到堵塞物產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，通過改變工藝條件，如改善SBS剪切效果、減少與熱氧接觸時間、改變原料瀝青的加料方式和優(yōu)化工藝管道伴熱條件等，減緩改性瀝青的老化，有效避免了管道堵塞物質(zhì)的形成，保障了生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行。

關(guān)鍵詞：SBS改性瀝青；老化；堵塞；磨機；熱儲存

改性瀝青是通過把聚合物摻入道路瀝青中來改善瀝青的高、低溫性能，顯著提高路面抵抗高溫車轍和低溫開裂的能力，延長路面壽命、降低噪聲、提高行車舒適性和安全性，是一種技術(shù)含量和附加值較高的優(yōu)質(zhì)筑路材料。

南京煉油廠有限責(zé)任公司（簡稱“南煉公司”）的改性瀝青生產(chǎn)系統(tǒng)是以中石化金陵公司70號A級道路瀝青為原料利用SBS進(jìn)行改性的。整個生產(chǎn)系統(tǒng)質(zhì)量穩(wěn)定，能很好的滿足市場質(zhì)量要求。但隨著系統(tǒng)運行時間的增長，在成品罐進(jìn)料管線中會出現(xiàn)彈性橡膠體顆粒和結(jié)塊（焦）等現(xiàn)象，甚至?xí)斐晒芫€堵塞，影響正常的生產(chǎn)操作。針對該現(xiàn)象，本文將對SBS改性瀝青生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，找出管線堵塞原因，提出解決問題的思路，進(jìn)一步對生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

1　SBS改性瀝青生產(chǎn)工藝

1.1生產(chǎn)工藝原理

南煉公司的SBS改性瀝青的原料是中石化金陵公司70號A級道路瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

原料70號A級道路瀝青作為石油基質(zhì)瀝青，是一種十分復(fù)雜的烴類及其衍生物的混合物，是石油中組成及結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜、相對分子質(zhì)量最大的部分。除碳?xì)鋬煞N主要元素外（碳含量在83%～87%之間，氫含量在10%左右），還有硫、氮、氧等雜原子。瀝青主要組分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。其膠體體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1　70號A級道路瀝青主要指標(biāo)

圖1　石油基質(zhì)瀝青膠體體系結(jié)構(gòu)示意圖

改性劑高分子材料SBS是苯乙烯（S）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）的嵌段共聚物，屬于一種橡塑共聚物。SBS分子結(jié)構(gòu)分為線形和星形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。SBS之所以能夠很好的改善瀝青的高低溫性能，主要是利用由聚苯乙烯組成的S段，這種大共軛體系中л電子云沒有軸對稱性，不能內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所以分子鏈的剛性極大，在高溫下不易變形，從而提高瀝青的高溫性能。由于SBS中的B段是丁二烯的聚合物，其主鏈?zhǔn)怯蒀—C單鍵組成，柔順性非常好，在低溫下具有一定的彈性和流動性，因此可以改善瀝青的低溫抗裂性。生產(chǎn)中使用的SBS主要理化指標(biāo)如表2所示。

圖2　SBS分子結(jié)構(gòu)示意圖

利用SBS進(jìn)行瀝青改性主要是通過化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)實現(xiàn)的。SBS作為一種熱塑性橡膠彈性體，在高溫?zé)釣r青中被軟化和溶脹；在膠體磨強烈剪切力的作用下，SBS被剪切成微米級顆粒而分散在瀝青中。由于SBS的密度較小，易于在瀝青中產(chǎn)生相分離，形成一種不穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定一定的時間后，再通過添加化學(xué)穩(wěn)定劑，引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，將原來不穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的空間互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成穩(wěn)定的膠體體系，從而改善瀝青的高低溫性能、彈性恢復(fù)和延度等物理性能。

1.2生產(chǎn)工藝流程

南煉公司SBS改性瀝青生產(chǎn)流程主要分為聚合物的溶脹發(fā)育、剪切分散、反應(yīng)交聯(lián)和成品發(fā)育等四個過程。首先，將原料70號道路基質(zhì)瀝青利用導(dǎo)熱油加熱至175～190℃后送至原料中間罐，再用瀝青泵輸送至攪拌混料罐；在攪拌混料罐中，按照一定比例加入改性劑和相溶劑，混合均勻后送入磨機剪切工段進(jìn)行研磨、剪切，之后輸送進(jìn)入改性瀝青成品發(fā)育罐中，在發(fā)育罐中加入一定量的穩(wěn)定劑后改性瀝青繼續(xù)發(fā)育，待發(fā)育完成并分析合格后，通過瀝青產(chǎn)品泵輸送至一常壓操作的成品罐儲存。生產(chǎn)流程示意圖如圖3所示。

圖3　SBS改性瀝青生產(chǎn)工藝流程示意圖

2　成品罐進(jìn)料管道堵塞現(xiàn)象及成因分析

2.1管道堵塞現(xiàn)象

在SBS改性瀝青裝置穩(wěn)定運行一段時間后，在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)磨機電流上升，出口管線壓力增高，裝置生產(chǎn)能力降低等非正常現(xiàn)象。在排除機械故障后，通過分析判定是由從磨機出口至成品發(fā)育罐進(jìn)口之間的管線堵塞造成的。這段管線主要包括從磨機出口到成品發(fā)育罐底、再沿罐壁向上延伸至成品發(fā)育罐頂、進(jìn)入成品發(fā)育罐內(nèi)的管線，該段管線全程采用導(dǎo)熱油夾套伴熱。該段管線流程示意圖如圖4所示。

圖4　堵塞管段流程示意圖

2.2管道堵塞物形貌分析

為了進(jìn)一步了解管線堵塞介質(zhì)狀況，分析成因，找出解決堵塞問題的措施，對堵塞管線進(jìn)行了機械割開、解剖分析，并對堵塞物質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)試驗研究。

首先，在成品發(fā)育罐進(jìn)罐閥外端發(fā)現(xiàn)瀝青中存在大小不等的絮凝狀的膠體顆粒。對部分膠體進(jìn)行物理分析，發(fā)現(xiàn)該膠體富有彈性，能夠隨意拉伸且回彈到原狀，可以燃燒，并且燃燒時釋放出橡膠燃燒的氣味。該膠體與抽出油共混后，加熱溫度至100℃左右時，膠體開始溶解，繼續(xù)加熱攪拌，待溫度升高到180℃左右時，膠體的溶解率達(dá)到98%，這說明該膠體在加熱情況下可溶于抽出油。從以上分析，初步判斷膠體為橡膠結(jié)合體。

部分切開的堵塞管線的軸線剖面示意圖和橫切面圖如圖5和圖6所示。由圖可以看出，在管線中間存在柔軟有彈性的橡膠體。在管壁四周呈粘連膠狀物，敲擊時有粉末狀物質(zhì)脫落。取樣并用有機溶劑溶解，結(jié)果顯示，在常溫下不可溶，升溫至230℃也不能溶解。

圖5　堵塞管道剖面示意圖

圖6　堵塞管線內(nèi)焦?fàn)钗飳崨r圖

2.3管線堵塞的成因分析

通過對管線中堵塞物的上述分析，根據(jù)其他研究者的研究結(jié)果［1～3］，可以初步認(rèn)定管道堵塞是由于SBS改性瀝青老化所引起的。因為曹青霞等［2］認(rèn)為溫度變化對瀝青老化性能具有重要影響，在溫度較高時分子之間發(fā)生縮合反應(yīng)，導(dǎo)致小相對分子質(zhì)量物質(zhì)急劇減小，大相對分子質(zhì)量物質(zhì)快速增加造成瀝青老化。另外，何燕等［3］發(fā)現(xiàn)在高溫和光氧作用下，來自于基質(zhì)瀝青和SBS的C—C鍵極易與氧反應(yīng)生成羧基、酮、酯等含氧組分，導(dǎo)致軟化點增加、針入度減小，且易脫氫、縮合生成焦?fàn)钗?，使改性瀝青焦質(zhì)化、硬質(zhì)化。

在南煉公司SBS改性瀝青生產(chǎn)系統(tǒng)中，成品發(fā)育罐是一常壓操作罐，在罐頂除了進(jìn)料口外，還有通氣口、瀝青尾氣回收抽出口等接口，所以儲罐頂部與大氣是相通的。從磨機工段來的物料由成品發(fā)育罐頂進(jìn)入儲罐，在改性瀝青物料進(jìn)出罐的過程中會使氧氣進(jìn)入。并且，進(jìn)料管線是夾套伴熱，一直處于較高的溫度條件下。所以，在氧氣和高溫的共同作用下，管壁處改性瀝青中的輕組分揮發(fā)，芳烴、膠質(zhì)進(jìn)一步縮合向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化；同時改性瀝青發(fā)生離析，聚合物逐漸在接近罐頂入口管線處積聚，進(jìn)一步發(fā)生氧化、斷鏈和縮合反應(yīng)等，從而失去彈性，最終導(dǎo)致改性瀝青出現(xiàn)老化、硬化、結(jié)焦情況發(fā)生，進(jìn)而阻塞管線。

3　防止管線堵塞的應(yīng)對措施

在對SBS改性瀝青生產(chǎn)過程中膠狀物和焦?fàn)钗锏榷氯锂a(chǎn)生原因分析的基礎(chǔ)上，可考慮對生產(chǎn)過程控制和設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化，以改善生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的管道堵塞等問題。

3.1減小SBS顆粒的研磨粒度

為了避免因SBS顆粒的析出而產(chǎn)生膠狀物，可加強對磨機剪切研磨的粒度的控制。若發(fā)現(xiàn)SBS顆粒較大且較多時，應(yīng)及時調(diào)節(jié)膠體磨的動、靜磨機刀片間的間隙，在不影響磨機轉(zhuǎn)動的情況下，將間隙調(diào)小，改善剪切效果。同時，也可采用兩臺磨機串聯(lián)，增加研磨遍數(shù)，使得SBS顆粒明顯變小，從而提高SBS在基質(zhì)瀝青中吸附、溶解能力，形成相互溶解的穩(wěn)定膠體體系，最大程度減緩或避免SBS顆粒的析出進(jìn)而產(chǎn)生膠狀物。

3.2減少改性瀝青產(chǎn)品與氧的接觸

由于改性瀝青成品發(fā)育罐為常壓罐，罐內(nèi)瀝青煙氣經(jīng)罐頂尾氣回收管線由尾氣風(fēng)機抽出，后經(jīng)無害化后排放。此過程中瀝青煙氣與空氣均被風(fēng)機抽出，大量空氣通過儲罐通氣口不斷進(jìn)入儲罐，導(dǎo)致改性瀝青長時間接觸氧氣而容易產(chǎn)生老化。為改變這一現(xiàn)象，可通過對風(fēng)機電機增設(shè)變頻器實現(xiàn)儲罐尾氣出口壓力與風(fēng)機轉(zhuǎn)速串級控制，確保罐頂維持微負(fù)壓，盡量減少空氣滲入，同時又不會導(dǎo)致罐體抽癟。所以，對罐頂?shù)呐欧糯髿饪谶M(jìn)行改造，設(shè)置合適耐壓值的爆破片，隔絕儲罐與大氣相通，最大程度的減少空氣滲入，減少與改性瀝青產(chǎn)品的接觸，同時又可作為防止罐體抽癟的保護(hù)措施，減緩改性瀝青的氧化老化。

3.3改變原料瀝青的加料方式

由于SBS改性瀝青的生產(chǎn)為間歇式生產(chǎn)，每批次生產(chǎn)結(jié)束后，工藝管線內(nèi)積存的改性瀝青產(chǎn)品容易產(chǎn)生離析分層，在高溫條件下易發(fā)生老化。為了改變這一現(xiàn)象，在每批次生產(chǎn)投料時先預(yù)留少量原料瀝青，其余原料瀝青與加入的改性劑SBS進(jìn)行反應(yīng)；生產(chǎn)結(jié)束前將預(yù)留的那部分原料瀝青單獨進(jìn)罐，用于沖洗改性瀝青的進(jìn)罐管線，確保工藝管線中不含SBS改性瀝青，從而減少或避免SBS改性瀝青在工藝管道中的離析，受熱老化。

3.4降低管線伴熱介質(zhì)溫度

由于溫度過高也會使SBS改性瀝青容易老化，考慮到磨機剪切設(shè)備和發(fā)育罐溫度需維持在175～180℃、而管道溫度只需維持瀝青正常流動溫度130℃即可，所以，在生產(chǎn)中將磨機剪切設(shè)備和成品發(fā)育罐的導(dǎo)熱油溫度維持在190～205℃，而生產(chǎn)管線的導(dǎo)熱油溫度維持在140℃～160℃。若長時間不生產(chǎn)時，則將生產(chǎn)管線的導(dǎo)熱油關(guān)閉，從而最大程度防止因局部溫度過高出現(xiàn)瀝青老化、結(jié)塊的現(xiàn)象。

4　小結(jié)

針對南煉化SBS改性瀝青間歇式生產(chǎn)裝置中工藝管道發(fā)生堵塞的現(xiàn)象，通過對堵塞物的形貌初步分析，找到堵塞物產(chǎn)生的原因。在此基礎(chǔ)上，采取一系列措施以改善管道堵塞等問題。采取的措施主要包括及時調(diào)整SBS改性劑的剪切研磨工藝參數(shù)提高SBS剪切效果，形成較為穩(wěn)定的分散體系；減少或避免與熱氧接觸時間；改變原料瀝青的加料方式；適當(dāng)降低工藝管道伴熱介質(zhì)溫度等措施。通過上述工藝條件的改變，有效緩解和避免了工藝管道中彈性橡膠體和焦（塊）狀物的形成，避免管道堵塞，保障了裝置安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。

參考文獻(xiàn)：

［1］陳華鑫，周燕．SBS改性瀝青老化后的動態(tài)力學(xué)性能［J］．長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，3l（4）∶55-58．

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［3］何燕，周維.SBS改性瀝青光老化性能試驗研究［J］．現(xiàn)代交通技術(shù)，2010，7（5）∶1-3．

The causation of pipeline blocking and its solution in process of SBS modified asphalt production

WANG Wen-feng
（Nanjing Refinery Co.，Ltd.，Nanjin，Nanjing Jiangsu 210033）

Abstract:The phenomenaof the pipe blockingin the process of SBS modified asphalt production in NanjingRefinery Co.was discussed.Through the analysis on the pipe blockage，the causation was found.Based on it，some effective measurements were proposed to slow the aging of SBS modified asphalt，such as adjusting the process parameters，reducingthermal oxygen contactingtime，changingthe feedingway of the asphalt，the heatingcondition of the pipe，and so on.

Keywords:SBS modified asphalt；aging；blocking；mill；thermal storage

doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.013

中圖分類號：TE626.8+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1008-1267（2016）01-0039-04

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：王文豐（1974～），男，江蘇常州人，碩士，高級工程師。