高壓聚乙烯裝置切粒故障產(chǎn)生的原因及對(duì)策

呂海蛟(國(guó)家能源集團(tuán)新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引言

國(guó)內(nèi)某27萬(wàn)噸/年高壓聚乙烯裝置于2016年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)年操作時(shí)間為7600 h，根據(jù)過氧化物配方、分子量調(diào)整劑、改性劑的種類和量等的不同，高壓管式法工藝技術(shù)可生產(chǎn)18個(gè)牌號(hào)。該公司聚乙烯裝置造粒工段采用德國(guó)貝爾斯托夫公司生產(chǎn)的UWG80型水下切粒機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)產(chǎn)能46 t/h，功率200 RW@500 r/min，機(jī)組由切粒小車、水室、模板、切刀等部件組成，正常生產(chǎn)時(shí)擠壓機(jī)將低分罐中的熔融聚乙烯料和輔助擠壓機(jī)加入的改性劑充分混煉擠出，熔融樹脂經(jīng)模板出料孔進(jìn)入水室迅速固化，高動(dòng)能的旋轉(zhuǎn)切刀與模板精密配合剪切造粒，粒子通過顆粒水系統(tǒng)冷卻、固形后被顆粒水輸送至干燥、篩分系統(tǒng)，通過振動(dòng)篩篩除大、小顆粒后，粒子進(jìn)一步送至下游脫氣，最終由包裝車間包裝出廠，典型的工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

作為造粒工段最核心的切粒機(jī)，其運(yùn)行的穩(wěn)定程度直接決定著整個(gè)裝置的運(yùn)行穩(wěn)定。自原始開工以來，因鈍刀、壞刀、產(chǎn)品拖尾超標(biāo)等各種原因造成造粒系統(tǒng)停車，產(chǎn)生外觀不合格粒子(蛇皮粒、拖尾粒、拉絲等超標(biāo)，嚴(yán)重影響了聚乙烯產(chǎn)品質(zhì)量和裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，本工作對(duì)切粒故障導(dǎo)致的聚乙烯異常粒子產(chǎn)生的原因及解決對(duì)策進(jìn)行分析和討論，高效指導(dǎo)了實(shí)踐生產(chǎn)，提高了聚乙烯產(chǎn)品質(zhì)量，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 異常粒子產(chǎn)生的原因分析

1.1 產(chǎn)生大粒子、叢料的原因

(1)開車期間產(chǎn)生大粒子、叢料。在實(shí)際生產(chǎn)中，單個(gè)大粒子出現(xiàn)的幾率較小，通常為多個(gè)粒子黏結(jié)一起，產(chǎn)生叢料。而叢料的產(chǎn)生主要集中在開車初期，在關(guān)閉水室門、啟動(dòng)、刀軸旋轉(zhuǎn)前進(jìn)、啟動(dòng)擠壓機(jī)等一系列操作的時(shí)間內(nèi)，熔融樹脂不可避免地從出料孔流出，此時(shí)產(chǎn)生的物料多為叢料、大塊料、長(zhǎng)粒子料、多粒子黏結(jié)料。在啟動(dòng)擠壓機(jī)的瞬間，樹脂突然被加壓、突然釋放，也是產(chǎn)生大粒子、叢料的一個(gè)原因，同時(shí)，在每次聚合開車前，為避免產(chǎn)生低熔脂的聚合物造成反應(yīng)器黏壁，聚合前會(huì)向系統(tǒng)內(nèi)注入60 kg左右的丙醛[1]，以致使開車初期產(chǎn)生的樹脂融指高，因此剛開車時(shí)造粒容易形成叢料。減少大粒子、叢料最有效的辦法是降低顆粒水溫度，但水溫太低時(shí)，會(huì)堵塞出料孔，造成開孔率低，后續(xù)指數(shù)正常、負(fù)荷正常時(shí)，低開孔率意味著已開孔的?？讜?huì)在單位時(shí)間出更多的料，此時(shí)又會(huì)形成大粒子。

(2)切刀進(jìn)退刀驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障。切粒機(jī)刀軸一般由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行或油系統(tǒng)有雜質(zhì)后將會(huì)破壞液壓密封系統(tǒng)，如液壓缸漏油、液控單項(xiàng)閥漏油。一旦系統(tǒng)內(nèi)漏，刀軸將會(huì)發(fā)生位移，造成切刀與模板間隙變大，導(dǎo)致大粒子產(chǎn)生，當(dāng)間隙變大至一定值后將發(fā)生退刀，此時(shí)將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的切粒事故。

1.2 產(chǎn)生小粒子原因

(1)切粒機(jī)和擠壓機(jī)轉(zhuǎn)速不匹配，切粒機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，產(chǎn)生過小粒子。(2)開車前期沒有進(jìn)行拉料充模操作或充模操作不充分，在啟動(dòng)切粒機(jī)進(jìn)水時(shí)，水固化模孔內(nèi)的物料，造成少數(shù)?？锥氯虬腴_狀態(tài)，切粒時(shí)也可能造成小粒。(3)模板長(zhǎng)時(shí)間在210 ℃工作后附著在模孔內(nèi)表面的樹脂會(huì)被分解碳化，產(chǎn)生積碳，當(dāng)積碳達(dá)到一定程度時(shí)，?？状植诙仍黾?，孔徑變小，造成模板開孔率低，也是產(chǎn)生小粒子原因之一。

1.3 產(chǎn)生色粒原因

該裝置出現(xiàn)過的色粒主要有黃粒、黑粒兩種。其中產(chǎn)生黃粒多集中在停車大修完畢后的剛開車階段，大修時(shí)一般系統(tǒng)放空，低分罐內(nèi)氧氣進(jìn)入，且在沒有通氮?dú)獗Ｗo(hù)，溫度較高的狀態(tài)下聚乙烯樹脂氧化形成黃粒。

黑粒多是因添加劑系統(tǒng)出現(xiàn)故障，添加劑加劑口屬開放系統(tǒng)，不可避免地會(huì)進(jìn)入雜質(zhì)，雜質(zhì)經(jīng)輔助擠壓機(jī)進(jìn)入產(chǎn)品污染粒子。另外，若環(huán)境空氣質(zhì)量較差，煤塵、土塵等雜質(zhì)將通過脫氣、風(fēng)送等系統(tǒng)進(jìn)入產(chǎn)品將形成黑粒。

1.4 產(chǎn)生拖尾粒的原因

(1)切刀安裝精度不夠。切刀安裝精度、刀盤和模板平面度對(duì)切粒外形有重要影響，不僅使切刀壽命變短，而且會(huì)導(dǎo)致切粒拖尾。一般地，切刀安裝分為線下組裝刀盤找平、線上校正兩個(gè)步驟。在刀盤裝刀面和刀盤尾部基準(zhǔn)面平行度符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，線下找平，將刀裝至刀盤上，并給每把切刀編號(hào)A1、A2...，將整盤刀放置鉗工臺(tái)，固定百分表并調(diào)零，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，讀出百分表在每把切刀上的讀數(shù)a1、a2...，確保偏差ζ1=|max(a1，a2，...)-min(a1，a2，...)|≤0.03 mm成立。當(dāng)不滿足該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行調(diào)換或重新裝刀。切刀與刀盤線下組裝完成后，將刀盤整體裝入切刀軸，緊固刀盤壓緊螺釘，刀盤與模板的平行度偏差要求小于0.02 mm，平行度偏差過大容易產(chǎn)生拖尾料、拉絲。線上調(diào)整切刀還包括調(diào)整切刀間隙。一般地，貝爾斯托夫推薦經(jīng)驗(yàn)值造粒間隙為0.05～0.10 mm。UWG80型切粒機(jī)氣缸的行程為固定值，當(dāng)進(jìn)刀時(shí)，刀軸前進(jìn)全部氣缸行程，此時(shí)將切刀和模板造粒帶間隙計(jì)為ε，調(diào)整間隙時(shí)，使用塞尺測(cè)量切刀和模板的間隙，間隙ε的推薦值由機(jī)械調(diào)刀機(jī)構(gòu)完成。如圖2所示車時(shí)，由于顆粒水溫大于環(huán)境溫度，進(jìn)刀切粒后，刀軸膨脹(刀軸膨脹跟材料膨脹系數(shù)、溫差相關(guān)，滿足胡克定理，無(wú)溫差后膨脹結(jié)束)，此時(shí)切粒間隙再次減小。如初始間隙太小，會(huì)造成膨脹后的切刀完全和模板接觸，此時(shí)為接觸式切粒，如初始間隙太大，膨脹后切刀于模板仍有間隙，此時(shí)為間隙造粒，間隙過大時(shí)，形成拖尾粒[2]。

圖2 切刀行程

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在開車前使用機(jī)械調(diào)刀機(jī)構(gòu)將ε設(shè)定為0.1 0mm，刀軸在顆粒水中膨脹0.05 mm左右，此時(shí)仍有間隙0.05 mm，當(dāng)切刀磨損后，顆粒水箱粉末變多、顆粒拖尾增多，再通過進(jìn)刀機(jī)構(gòu)手動(dòng)進(jìn)刀，單次進(jìn)刀量不超過0.02 mm。實(shí)踐證明此種造粒方式能一直保證切刀鋒利，明顯提高粒子外形質(zhì)量。

(2)切刀變鈍。切刀使用一段時(shí)間后，切刀刃口長(zhǎng)時(shí)間和模孔相互剪切，在物料、模板、水腐蝕、粒子沖擊等的情況下都可能造成切刀變鈍，切刀變鈍是造成大多數(shù)切粒拖尾的原因。典型的切刀變鈍的現(xiàn)象是：顆粒水箱粉末明顯增多、拖尾粒增多、停車后檢查切刀可見刀刃鋸齒狀、刀刃角發(fā)生變化等。

(3)熔融指數(shù)影響。因聚合開車前需在系統(tǒng)中加入60 kg左右的丙醛做為調(diào)整劑，因此，開車初期產(chǎn)生的樹脂熔融指數(shù)高，以該裝置2020年7月16日生產(chǎn)2426H料為例(目標(biāo)融指為2.0±0.1 g/10 min，拖尾個(gè)數(shù)＜40)，在切粒間隙ε、顆粒水溫、機(jī)組負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等參數(shù)不變的情況下，每半小時(shí)取樣一次，觀察融指和拖尾粒的關(guān)系，數(shù)值如表1所示。

表1 熔融指數(shù)、拖尾粒對(duì)照表

由表1可明顯看出，當(dāng)融指較高時(shí)，樹脂流動(dòng)性好，此時(shí)如果水溫較高，則粒子冷卻不及時(shí)，造成粒子有較多尾巴，如此時(shí)切粒間隙較大時(shí)(切粒間隙ε＞0.2 mm)拖尾粒將急劇增加，當(dāng)融指回調(diào)穩(wěn)定時(shí)拖尾料明顯降低。因此在生產(chǎn)不同牌號(hào)的聚乙烯樹脂時(shí)切粒間隙、水溫、模頭溫度等參數(shù)應(yīng)當(dāng)適當(dāng)變化。即當(dāng)生產(chǎn)融指較低的料時(shí)適當(dāng)增加模頭溫度，當(dāng)生產(chǎn)融指高的料時(shí)適當(dāng)降低模頭溫度、顆粒水溫、刀間隙。

1.5 產(chǎn)生絮狀物的原因

切粒產(chǎn)生絮狀物的原因目前沒有統(tǒng)一定論，通常認(rèn)為墊刀、模板缺陷、送料管線缺陷會(huì)導(dǎo)致絮狀物的產(chǎn)生。(1)墊刀造成絮狀物，刀刃不能和?？着浜锨辛；虿荒芡耆袛辔锪?，物料被旋轉(zhuǎn)的刀盤拉長(zhǎng)，拉長(zhǎng)的物料迅速被冷卻并形成韭葉狀，韭葉狀物料隨粒子進(jìn)入干燥器、振動(dòng)篩后相互纏繞形成絮狀物；(2)模板缺陷導(dǎo)致絮狀物產(chǎn)生，如圖3所示。帶有耐磨銷墊的模板在運(yùn)行過程中，因溫度急冷、急熱等原因?qū)е履湍ヤN墊出現(xiàn)裂紋，在物料經(jīng)過?？椎臅r(shí)候會(huì)從裂紋處散開，在刀盤旋轉(zhuǎn)的作用下形成拉絲；(3)聚乙烯樹脂融化溫度150 ℃，在送料的過程中，特別是彎頭多、曲率半徑小的送料管線，粒子和送料管線摩擦，使得管線溫度升高，當(dāng)送料管線內(nèi)部有金屬毛刺時(shí)，很容易產(chǎn)生拉絲。所有產(chǎn)生的拉絲料在相互纏繞時(shí)形成絮狀物。

圖3 出料孔耐磨銷裂紋

2 解決對(duì)策

2.1 優(yōu)化操作減少大粒子、叢料

根據(jù)前面分析，在開車期間產(chǎn)生大粒子、叢料不可避免，但可以從以下幾點(diǎn)降低或減少大粒子、大塊料、叢料的產(chǎn)生：(1)提高操作人員的技能水平縮短啟動(dòng)機(jī)組時(shí)間，減少開車過程中從?？琢鞒鰜淼臉渲浚M(jìn)而減少大塊料、叢料的產(chǎn)生。(2)因聚合建立前期注入60 kg左右的丙醛使得物料融指偏高，此時(shí)可以適當(dāng)降低模板操作溫度、顆粒水溫度，后續(xù)當(dāng)融指正常后適當(dāng)調(diào)整。(3)開車前仔細(xì)檢查切刀，對(duì)切刀徹底進(jìn)行清理，防止刀刃黏料造成的切粒墊刀現(xiàn)象。(4)在停車期間制定好液壓系統(tǒng)的檢修計(jì)劃，定期地對(duì)液壓油系統(tǒng)各接頭進(jìn)行檢查和緊固，防止油外漏，如發(fā)現(xiàn)液壓系統(tǒng)泄漏，則對(duì)液壓缸密封圈進(jìn)行更換。

2.2 避免小粒子產(chǎn)生措施

(1)匹配擠壓機(jī)和切粒機(jī)轉(zhuǎn)速以減少小粒子的產(chǎn)生；

(2)開車前充分的拉料和適當(dāng)?shù)目刂颇０鍦囟龋黾幽０彘_孔率；

(3)定期對(duì)模板進(jìn)行清理和檢查，清理?？變?nèi)部積碳。

2.3 減少色粒的產(chǎn)生措施

(1)保證系統(tǒng)的清潔度，嚴(yán)控添加劑質(zhì)量，對(duì)風(fēng)送系統(tǒng)出入口濾網(wǎng)進(jìn)行定期更換，對(duì)干燥、篩分系統(tǒng)進(jìn)行定期清理。

(2)大檢修、長(zhǎng)時(shí)間停工期間做好低分罐氮?dú)獗Ｗo(hù)，檢修完畢后使用乙烯置換，防止聚乙烯料氧化。

2.4 減少拖尾粒措施

(1)提高切刀安裝精度，保證切刀與模板平面度在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；

(2)根據(jù)產(chǎn)品拖尾情況，及時(shí)對(duì)切粒機(jī)進(jìn)刀，在新刀剛開始切粒時(shí)保持0.1 mm左右的切粒間隙，當(dāng)拖尾粒有增加趨勢(shì)時(shí)通過手動(dòng)進(jìn)刀的方式重新磨合切粒，以降低拖尾粒和保持切刀鋒利；進(jìn)刀無(wú)法降低拖尾產(chǎn)生，及時(shí)更換切刀。

(3)提高班組員工操作水準(zhǔn)，盡快地將融指控制在目標(biāo)值內(nèi)、適當(dāng)?shù)剡M(jìn)刀、調(diào)整刀間隙、控制水溫、可有效降低拖尾粒的數(shù)量，提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

2.5 避免絮狀物產(chǎn)生對(duì)策

避免墊刀是減少絮狀物產(chǎn)生的前提。模板制造精度、操作方法的優(yōu)化、修復(fù)或更換出料孔耐磨銷裂紋的模板、降低送料溫度、更換大曲率送料彎頭、增加淘析風(fēng)量等都是避免或減少成品中絮狀物量的有效辦法。

3 結(jié)語(yǔ)

切粒機(jī)是集機(jī)、電、儀、工藝控制為一體的復(fù)雜、高精度機(jī)組，切粒的實(shí)質(zhì)就是刀、水、模板的配合，文章通過對(duì)生產(chǎn)中常見的切粒故障進(jìn)行分析和討論，有效地指導(dǎo)了實(shí)踐生產(chǎn)，一定程度上降低了公司生產(chǎn)成本，并提高了產(chǎn)品質(zhì)量，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。