大口徑低熔垂管材專用料開發(fā)和加工應(yīng)用

石俊學

(中國石油吉林石化公司 乙烯廠，吉林 吉林 132022)

大口徑聚乙烯(PE)管道通常是指外徑(DN)大于500 mm的實壁管道。近年來，由于PE管道綜合性能優(yōu)異，如耐腐蝕性、柔韌性好以及焊接性能好等優(yōu)點，使得大口徑PE管道在生活給水、海水養(yǎng)殖、海水淡化工程、海底排廢排污、輸送腐蝕性介質(zhì)或淤漿、應(yīng)用于腐蝕性的土壤環(huán)境以及用于內(nèi)襯法修復舊管道等領(lǐng)域，具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此市場需求保持持續(xù)穩(wěn)定的增長。

在過去的40年中，PE壓力管道在特性和性能方面經(jīng)歷了大量的改進。在20世紀80年代末和90年代初，PE80是當時大口徑PE管道的首選材料。20世紀90年代引入了PE100，由于原料的長期靜液壓強度提高了很多， 可以很大程度地減小壁厚。但是在抵制熔體由于重力作用而下垂，即“抗熔垂”特性方面，早期的PE100材料還有待提高。到了20世紀90年代末期，雙峰相對分子質(zhì)量分布結(jié)構(gòu)設(shè)計的采用大大地改進了PE100樹脂的特性。如今雙峰相對分子質(zhì)量分布結(jié)構(gòu)使得PE100樹脂的加工性得到了更進一步的優(yōu)化，PE管道的最大直徑可達到2 000 mm。

由于國內(nèi)PE100管材專用料起步較晚，因此能夠生產(chǎn)大口徑PE管材專用料的廠家很少，主要原料依賴國外進口，如北歐化工HE3490-LS和道達爾石化公司XLS 12B等。表1列出了國外公司大口徑PE管材專用料的性能指標[1]。

表1 國外大口徑PE管材專用料的性能指標

中國石油吉林石化公司30萬t/a高密度聚乙烯(HDPE)裝置是引進LyondellBasell公司Hostalen淤漿聚合工藝，圖1為裝置工藝流程圖[2]。自2008年開始生產(chǎn)雙峰PE100樹脂JHMGC100S，經(jīng)過不斷的工藝優(yōu)化和質(zhì)量攻關(guān)，產(chǎn)品質(zhì)量逐步提高，得到用戶的認可，并在2012年5月通過了國家化學建筑材料測試中心的PE100等級認證。國內(nèi)部分用戶利用JHMGC100S生產(chǎn)的DN800mm大口徑PE管材料與進口大口徑PE管材料還有著一定的差距，因此需要對現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝進行進一步優(yōu)化，開發(fā)出大口徑低熔垂PE管材專用料。

圖1 裝置工藝流程簡圖

1 工藝優(yōu)化調(diào)整

1.1 增設(shè)電伴熱

可以提高催化劑儲罐溫度，目的是使低聚物軟化，粘結(jié)的顆粒被攪拌槳打碎，催化劑顆粒明顯更加均勻，超大顆粒大幅減少(60～200 μm的顆粒明顯減少，大于200 μm的顆粒消失)，如圖2和圖3所示。

粒徑/μm

粒徑/μm

1.2 增設(shè)過濾裝置

在催化劑輸送管線增設(shè)過濾裝置，濾掉催化劑超大顆粒，有效穩(wěn)定催化劑進料流量，如圖4和圖5所示，工藝參數(shù)控制更加平穩(wěn)、產(chǎn)品質(zhì)量波動減少。

時刻

時刻

1.3 其它參數(shù)調(diào)整

(1) 固定第一反應(yīng)器溫度，微調(diào)催化劑進料量，增加氫氣進料量，提高第一反應(yīng)器熔融指數(shù)；固定第二反應(yīng)器溫度，適當降低閃蒸罐壓力，降低第二反應(yīng)器熔融指數(shù)。

(2) 調(diào)整第二反應(yīng)器丁烯和回收丁烯加入量，保證產(chǎn)品密度達到合格標準。

(3) 控制干燥床溫度和脫氣倉參數(shù)，降低產(chǎn)品揮發(fā)分。

(4) 增加復合添加劑加入量，提高產(chǎn)品抗氧化性能；增加氟彈性助劑加入量，提高產(chǎn)品加工性能。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能測試

2.1 JHMGC100S-LS產(chǎn)品質(zhì)量標準

大口徑低熔垂管材專用料JHMGC100S-LS的產(chǎn)品標準如表2所示。

表2 大口徑低熔垂管材料JHMGC100S-LS產(chǎn)品標準

2.2 相對分子質(zhì)量及其分布測試

利用凝膠滲透色譜儀(GPC)，對不同批次的樣品進行了數(shù)均相對分子質(zhì)量、重均相對分子質(zhì)量和相對分子質(zhì)量分布的測試，具體結(jié)果如表3所示。

表3 JHMGC100S-LS相對分子質(zhì)量及其分布測試結(jié)果

從表3可以看出，各批次產(chǎn)品的數(shù)均相對分子質(zhì)量、重均相對分子質(zhì)量比較接近，產(chǎn)品的分散性基本沒有變化，說明各批次產(chǎn)品比較穩(wěn)定。

2.3 JHMGC100S-LS性能測試

對不同批次樣品的熔融指數(shù)、拉伸屈服應(yīng)力、簡支梁沖擊強度、揮發(fā)分、密度等性能進行了測試，具體結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，產(chǎn)品的各項指標都比較穩(wěn)定，特別是簡支梁沖擊強度和拉伸斷裂標稱應(yīng)變，比產(chǎn)品標準高出很多。

表4 JHMGC100S-LS性能測試結(jié)果

2.4 熱性能測試

對不同批次樣品的維卡軟化點、熔點和結(jié)晶度等熱性能指標進行了測試，具體結(jié)果如表5所示。

表5 JHMGC100S-LS熱性能測試結(jié)果

從表5可以看出，各批次產(chǎn)品的維卡軟化點、熔點和結(jié)晶度都比較穩(wěn)定。

3 加工應(yīng)用

3.1 實驗過程

加工設(shè)備采用德國巴頓菲爾辛辛那提公司的管材擠出機，可生產(chǎn)制品規(guī)格DN710 mm～DN1200 mm系列管材。實驗過程中生產(chǎn)DN800mm SDR17系列管材，首先使用原料為北歐化工HE3490LS，然后更換原料為吉林石化公司JHMGC100S-LS。

3.2 PE管材生產(chǎn)工藝

PE管材生產(chǎn)工藝如圖6所示。

圖6 PE管材生產(chǎn)工藝流程示意圖

3.3 加工工藝條件

采用吉林石化公司JHMGC100S-LS生產(chǎn)DN800mm SDR17系列管材時，具體加工工藝參數(shù)如表6和表7所示。

表6 DN800mm SDR17管材加工擠出機溫度參數(shù)

表7 DN800mm SDR17管材加工工藝參數(shù)

3.4 實驗結(jié)果

在換料過程中各區(qū)加工溫度均未調(diào)整的情況下，使用JHMGC100S-LS原料生產(chǎn)時管材壁厚(出真空箱值)偏差在6 mm左右，使用JHMGC100S原料生產(chǎn)時管材壁厚(出真空箱值)偏差在15 mm左右，而使用HE3490LS時的管材壁厚偏差在3 mm左右，可以看出,JHMGC100S-LS原料的熔垂性能較北歐化工HE3490LS值稍大一些，但是要比JHMGC100S好很多。隨后通過調(diào)整油加熱溫度和機頭溫度，管材壁厚偏差調(diào)整至4 mm左右。

4 結(jié) 語

中國石油吉林石化公司30萬t/a HDPE裝置，在JHMGC100S生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化工藝條件，使產(chǎn)品的熔融指數(shù)更加穩(wěn)定，拉伸屈服應(yīng)力、拉伸斷裂標稱應(yīng)變、簡支梁沖擊強度等重要指標不斷提升。國內(nèi)用戶的加工應(yīng)用實驗結(jié)果表明，JHMGC100S-LS大口徑管材專用料抗熔垂性能良好，生產(chǎn)出的產(chǎn)品外觀良好，各項性能指標均能通過國家標準。JHMGC100S-LS大口徑管材專用料的成功開發(fā)，滿足了國內(nèi)用戶對PE大口徑管材專用料的需求，同時也提升了企業(yè)自主創(chuàng)新的能力，為企業(yè)創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟效益和社會效益。

參 考 文 獻：

[1] 畢家林,李連鵬,胡建洪，等.國內(nèi)外PE100級管材專用料的發(fā)展和應(yīng)用概況[J].彈性體,2014,24(2):73-79.

[2] 陳 麗，李福貴，于現(xiàn)建，等.優(yōu)化赫斯特工藝操作提升PE100級管材產(chǎn)品質(zhì)量[J].彈性體，2014,24(2):64-68.