上海石化神器碳纖維

文／ 胡擁軍

上海石化做強碳纖維及復(fù)合材料業(yè)務(wù)，推動“上海智造”，助力“中國智造”。

“自行車用一兩根手指就能抬起來，碳纖維材料真的神了?！?/p>

這種神奇的碳纖維新材料由上海石化生產(chǎn)。在第二屆中國國際進口博覽會上，用它制成的自行車、皮劃艇、齒輪等產(chǎn)品一經(jīng)亮相，便引來嘖嘖贊嘆。

據(jù)上海石化相關(guān)負責(zé)人黃翔宇介紹，公司的碳纖維問世以來，短短幾年間在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，改變了一些領(lǐng)域的傳統(tǒng)做法，助力“中國制造”。

性能卓越替代進口

碳纖維抽油桿，已在油田采油中大顯身手。

抽油桿長度最長可達5000米，應(yīng)用上海石化碳纖維增強復(fù)合材料生產(chǎn)的連續(xù)抽油桿成功克服了過去抽油桿需要套桿連接、起下工作時間長，金屬桿易腐蝕、使用壽命短，運行中耗電大等缺點。目前，已在國內(nèi)5大油田94個區(qū)塊545口井進行了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益2.45億元。

這種抽油桿性能優(yōu)良，同國外碳纖維水平相當(dāng)，完全可以取代進口。在深抽增油、節(jié)能降耗、防腐延壽三個方向應(yīng)用效果顯著，是油田采油系統(tǒng)革命性的技術(shù)升級，將對我國采油行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平提升起到很大的推動作用。

神器不止一件。碳纖維耐磨制件同樣性能卓越，可替代進口。

2019年2月，由上海石化研制開發(fā)的碳纖維耐磨片被應(yīng)用到腈綸紡絲機械設(shè)備上，并通過了設(shè)備高速轉(zhuǎn)動耐磨實驗。這是繼碳纖維齒輪問世之后，上海石化碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域的又一成功應(yīng)用，將打破耐磨制件長期依賴進口的被動局面。

據(jù)了解，碳纖維齒輪采用碳纖維注塑、模壓工藝，成型后具有高強度、高精度、耐高溫等特點。在上海石化腈綸南裝置進行工業(yè)化應(yīng)用以來，測試數(shù)據(jù)顯示，齒輪性能優(yōu)異，在綠色環(huán)保、節(jié)能減排、循環(huán)使用等方面表現(xiàn)出色。

據(jù)上海石化工程技術(shù)人員介紹，高速轉(zhuǎn)動的工業(yè)機械設(shè)備，對材料的耐磨性、耐熱性及抗化學(xué)腐蝕性有著極為嚴格的要求。該領(lǐng)域長期以來采用進口材質(zhì)制件，但磨損快、使用周期短的問題始終無法有效解決。

上海石化工業(yè)用耐磨片以碳纖維增強聚醚醚酮（PEEK）樹脂復(fù)合材料為基礎(chǔ)，采用先進造粒技術(shù)和擠出成型工藝加工制成，具有耐磨耐熱、抗腐蝕和自潤滑等優(yōu)異性能，使用壽命可增加3～4倍。耐磨片在該公司腈綸設(shè)備上應(yīng)用之后，有效減少了生產(chǎn)過程中的絲束損傷，提高了生產(chǎn)連續(xù)性，保證了腈綸絲束質(zhì)量。

突破局限廣泛應(yīng)用

2018年底，上海石化碳纖維補強材料首次成功應(yīng)用于南京機場改擴建項目，工程耗用碳纖維編織布超過一萬平方米，創(chuàng)造了該產(chǎn)品投入應(yīng)用以來在單次工程項目中的最大用量。

項目建設(shè)單位在對機場航站樓改造加固工程中，針對航站樓的結(jié)構(gòu)特點和改造要求，使用“碳布”對屋頂、梁、柱、樓板等次、主承力結(jié)構(gòu)進行加固補強?！疤疾肌奔庸谭椒ê啽悖子诤秸緲莾?nèi)部混凝土曲面、受彎構(gòu)件等復(fù)雜部位的施工作業(yè)，能夠縮短工期并且降低工程造價。

2019年，又一種可替代鋼筋的新型結(jié)構(gòu)材料碳纖維筋成功問世。

該碳纖維筋采用特殊拉擠工藝，將碳纖維與樹脂結(jié)合，制成形似鋼筋的一種新材料，具有強度高、重量輕、耐腐蝕等優(yōu)點。權(quán)威部門測試鑒定結(jié)果表明，制品的抗拉強度、彈性模量等關(guān)鍵指標(biāo)均優(yōu)于國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

由上海石化與中建八局、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位合作開發(fā)的碳纖維筋，2019年在青島某科教園工程項目中首次投用。由于該科教園緊靠黃海，用碳纖維筋替代鋼筋，不但能降低構(gòu)筑物自重，還大幅增強了混凝土筋結(jié)構(gòu)的耐海洋腐蝕性、耐水泥堿性等，能有效提高建筑物的耐久性能，降低維護成本，延長使用期限，為碳纖維復(fù)合材料在海洋環(huán)境下的工程應(yīng)用拓展了新的空間。

碳纖維筋突破應(yīng)用局限替代傳統(tǒng)工程材料，表明上海石化碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用在國內(nèi)土木工程領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平。

目前，上海石化與哈爾濱工業(yè)大學(xué)等院校攜手攻克的碳纖維補強技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于公路、立交橋、高鐵、隧道等存在病險的基礎(chǔ)設(shè)施維修工程。在莫桑比克N6公路、天津津濱高速立交橋、沈陽至丹東鐵路線、遼寧蓡窩水庫等病險基礎(chǔ)設(shè)施維修工程中，采用碳纖維拉擠板材加固，不僅施工高效便捷，而且結(jié)構(gòu)承載力明顯提高。同時，在加固修補液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石油石化管道、高腐蝕設(shè)備、化工車間受腐蝕建筑等方面應(yīng)用效果良好，具有良好的示范作用。

大絲束前景更廣闊

上海石化碳纖維新材料采用自行開發(fā)的國內(nèi)獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，擁有每年3000噸聚合物、3000噸原絲、500噸碳纖維（1000噸在建）的工業(yè)化生產(chǎn)能力。當(dāng)前，該碳纖維的每個絲束由1.2萬根絲組成，即12K小絲束。

上海石化員工在生產(chǎn)線上精心操作，神奇的碳纖維由此誕生。 供圖/胡擁軍

在碳纖維行業(yè)內(nèi)，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48000根（簡稱48K）的稱為大絲束碳纖維。48K大絲束最大的優(yōu)勢是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價格帶來的應(yīng)用局限。

黃翔宇介紹，從12K小絲束到48K大絲束，并不是把噴絲口數(shù)量從1.2萬個放大到4.8萬個這么簡單，中間要走過一條十分艱難的攻關(guān)之路。這需要深厚的科研理論指導(dǎo)和豐富的實踐經(jīng)驗支撐。

上海石化10年磨一劍，創(chuàng)造了從12K到48K的成功突破，標(biāo)志著碳纖維技術(shù)從量變到質(zhì)變的飛躍，不僅填補了國內(nèi)空白，而且達到了國際先進水平，對“上海智造”工業(yè)產(chǎn)生了巨大的推動作用。

2018年，上海石化“PAN（聚丙烯腈）基大絲束原絲及碳纖維技術(shù)及工藝包開發(fā)”項目通過中國石化組織的國內(nèi)權(quán)威專家組鑒定，大絲束整體技術(shù)達到國際先進水平。

隨著48K大絲束碳纖維的面世，上海石化碳纖維技術(shù)有了支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的強大動力，迎來了更加廣闊的應(yīng)用前景。