超高分子量聚乙烯材料在石油化工企業的應用

侯慧玉

(廣州工程技術職業學院 石化工程系,廣東 廣州 510075)

1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)簡介(性能與應用)

眾所周知聚乙烯( PE)是目前產量最大、應用最廣的塑料品種之一， 約占世界塑料總產量的30% ，其中分子量高達150萬以上的被稱為超高分子量聚乙烯(英文縮寫UHMWPE)，雖然它的分子結構排列與普通聚乙烯完全相同，但由于它具有非常高的相對分子質量(普通聚乙烯的相對分子質量僅為2～30萬)，從而賦予它許多普通聚乙烯沒有的優異性能。具有其它塑料無可比擬的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫、自潤滑、吸收沖擊能和衛生無毒等綜合特性[1]。廣泛應用于化工、石油、紡織、造紙、包裝、運輸、機械、采礦、農業、建筑、電氣、食品、醫療、體育等領域，是一種性能優異的新型工程塑料。

1.1 UHMWPE的性能[1-4]

(1) 在目前所有的工程塑料中，UHMWPE沖擊強度和耐磨性能均占首位。其抗沖擊強度是尼龍66的10倍，聚氯乙烯的20倍，聚四氟乙烯的8倍，是ABS 的5倍，且能在-196℃下保持，無論是外力強沖擊，還是內部壓力波動，都難以使其開裂。UHMWPE管材， 在強腐蝕和高磨損條件下，使用壽命是鋼管的4～6倍，而且輸送效率提高20%。

(2) 優良的抗老化性能和耐化學藥品性。性能穩定，抗老化性好，地面、地下埋設均可，50年不老化。變形溫度為85 ℃ ， 熔點130～ 136℃，特殊情況下，允許在更高的溫度下使用。UHMWPE 具有非常優良的耐低溫性能，可以用于低溫部件、管道以及核工業等低溫情況。在20℃和80℃的80 種有機溶劑中浸漬30d，外表無任何反常現象，其它物理性能也幾乎沒有變化。除強氧化性酸液外， 在一定溫度和濃度范圍內能耐各種腐蝕性介質(酸、堿、鹽)及有機介質(萘溶劑除外)。

(3)自潤滑性。其摩擦系數低，僅為0.07～0.11，故具有自潤滑性。是一種理想的軸承、軸套、滑塊的內襯材料。選用UHMWPE作為設備的摩擦部件，除可提高耐磨壽命外，還可收到節能效果。

(4) 優良的憎水性。由于UHMWPE的分子鏈僅由碳氫元素組成，分子中無極性基團，所以吸水率低，是工程塑料中最小的。UHMWPE與其它工程塑料性能比較見表1。

表1 UHMWPE其它工程塑料的性能比較

2 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料在石油化工企業的應用

2.1 UHMWPE制品在石化企業設備零件上的應用

利用UHMWPE的耐磨性、自潤滑性和不粘性，在化工的包裝機械中廣泛應用于導軌、傳送裝置的滑塊、固定塊、軸套等，還可用于各種不同形狀和結構的滾輪、鏈輪、鏈節、鏈條、導桿、軸承、襯瓦、齒輪、柱塞等零件。使用這些UHMWPE 零件，可以降低噪音、提高工效[5]。UHMWPE 制成的鏈輪、鏈節、鏈條及組合鏈條，在國內的應用還處于初級階段。由于其優點多，如產品質量輕，減小了驅動鏈條所需要的能源消耗、運行成本及噪音，并改善了工作環境，使用壽命長等，因而國內的使用范圍將逐漸擴大。

利用UHMWPE優良的耐磨性和耐腐蝕性，可制作化工設備上的泵、閥門、法蘭、過濾器、攪拌漿、葉片、軸、軸承、軸套、墊片、噴嘴、密封填料、旋塞、絕緣塞、吹風機收縮接頭等。有一種硫酸注射噴嘴，原來使用PP材料，改用UHMWPE后，壽命提高5倍。機械密封裝置中的152-35型彈簧座，要求耐磨和自潤滑，采用UHMWPE零件替代原價格昂貴的填充PTFE材料，使用效果很好。

2.2 超高分子量聚乙烯化工泵的研制及應用

超高分子量聚乙烯是一種新型的高分子聚合物。它的耐腐蝕性能和耐溫性能雖然及不上氟塑料, 但耐磨性能是至今已知的塑料中最好的。國外已有許多廠家用來制造化工泵, 以輸送硫酸、氟硅酸、磷酸和酸性料漿等含有少量固相成分的化工介質。我國引進的硫酸酸洗凈化裝置上已采用國外超高分子量聚乙烯臥式泵, 連續運轉性能良好, 代替了以前用昂貴的路密特合金制造的泵。

90 年代初, 在化工部領導下， 化工部化工機械研究院、南化( 集團) 公司磷肥廠和宜興工程塑料設備廠開始研制流量為440 m3/h 的大流量超高分子量聚乙烯化工泵[5]。上海化工研究院研制的中小型超高分子量聚乙烯化工泵在設計上按ISO 2858 標準, 采取后開門帶中間聯軸器結構, 半開式葉輪帶有徑向背葉片和平衡孔。其水力性能測試各項指標均達到設計要求，化工介質運行試驗證明該泵運行可靠、噪聲低、振動小、泄漏極微, 能滿足化工流程要求。泵的各項性能指標達到德國威爾納特泵公司的NKP50—315 型超高分子量聚乙烯泵水平，目均已在化工行業中得到應用[6]。

2.3 UHMWPE管材在油氣管道運輸中的應用[7-8]

我國油田眾多，管道常處于惡劣酸性土壤、海水和天然鹽水的腐蝕中，管外被腐蝕，管內含硫石油的侵入，鋼管的使用壽命一般只有幾個月。第一代的鋼管重量大，安裝維修困難，易銹蝕，易結垢、不保溫、不耐磨、壽命短、輸送成本高。第二代的玻璃鋼管不耐老化，不能承壓，綜合性能與強度不夠，不能全方位滿足石油開采與輸送的需要。若用UHMWPE 輸油管道或UHMWPE 與鋼的復合管取代鋼管，則管道具有高強度、高抗沖擊、高耐腐蝕性，使用更安全，壽命更長; 保溫性好，自潤滑性和高自潔作用可使原油中蠟質黏結在管壁的幾率大大減少，輸送通暢; 低摩擦性使得原油的輸送阻力減小，輸送速度加快；加之保溫性能好，可節省加熱過程，降低能耗； 裝卸維修方便，降低勞務成本7]。

孫作東、于乃穎[8]根據原油輸送的特點, 結合輸送原油對管道的要求, 以擠出成型制備的UHMWPE管為內管, 鋼管為外管制得UHMWPE / 鋼復合管[7]。這種塑鋼復合管與目前輸油使用的鑄鐵( 鋼) 管、螺旋焊管、沙漿內襯管、鋼骨架/ PE 復合管相比, 具有極高的性能價格比, 并且可以解決上述4 種管材在輸送原油過程中存在的諸多問題, 是輸送原油的理想管材, 具有廣闊的發展前景。隨著UHMWPE 管材生產技術的日漸成熟，其應用范圍將越來越廣。

2.4 UHMWPE管材在油井抽油的應用

石油行業在鉆采石油、天然氣時，除需要鉆探機械設備外，還需要專用管材，即鉆柱、套管、油管等，統稱為“油井管”。由于行業的特殊性質，所以在選用管材時都會用耐腐蝕較強的管道。有些油井壓力達到或超過100mPa，井底溫度超過200℃；有些油田是硫化氫、二氧化碳、負離子等共存的重腐蝕油氣。這樣的鉆采條件對油井管的要求很苛刻，一旦油井管選擇不當，造成脫扣、壓潰和漏氣，將會使油井報廢。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)內襯油管是在鋼制普通油管內襯一層超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材，采用專用技術使襯管與鋼制油管緊貼在一起，形成“管中管”結構。這種內襯油管不僅可以解決油管偏磨、腐蝕、結臘等難題，同時由于其摩擦系數較低，還可降低油井光桿負荷、抽油桿柱底部應力，延長抽油桿柱的壽命。

吉林油田扶余采油廠于2005年在偏磨嚴重的油井中選取一口井進行了UHMWPE內襯復合管試驗，從起初情況看，復合層無明顯磨損，抽油桿及接箍沒有發生磨損，不存在普通油管內壁常見的腐蝕現象，油管內無結蠟現象。大慶油田有限公司第七采油廠于2006年4月30日作業下井，日產液量提高了6t，清蠟周期延長了1.87倍；據了解，勝利油田采用北京化工大學技術生產的內襯特種復合油管在井下使用壽命達到5年以上[9]。

3 結束語

綜上所述，超高分子量聚乙烯板由于自身優異的性能已經開始應用于我國的石油化工行業，尤其是石化機械設備零件原油、天然氣輸送管道等方面，隨著對超高分子量聚乙烯產品的不斷改性與開發，超高分子量聚乙烯材料在石油化工企業將會得到越來越多的應用。