上海石化：做大“黑黃金”

○ 文／胡擁軍

十年磨一劍，上海石化大絲束整體技術(shù)達(dá)到國際先進水平，助力“中國制造”。

經(jīng)過聚合、紡絲、牽伸“熱身”，再入氧化碳化“爐烤”，48K大絲束碳纖維一身黑亮“破爐而出”—上海石化的此項“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，今年7月份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(dá)到國際先進水平。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量新型纖維材料。其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的1/4，強度卻是鋼的7～9倍，并且具有耐腐蝕性、高模量的特性，被稱為“新材料之王”，也被稱為“黑黃金”，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。

從小絲束到大絲束

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。目前，國內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根(1K)～12000根(12K)之間，稱為小絲束。48K大絲束最大的優(yōu)勢，就是在相同的生產(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。

據(jù)上海石化腈綸部總工程師黃翔宇介紹，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作指導(dǎo)，豐富的實踐經(jīng)驗作支撐，才能解決很多關(guān)鍵的技術(shù)難點。上海石化經(jīng)過10年磨一劍，創(chuàng)造了這一條件。可以說，從12K到48K的成功突破，標(biāo)志著上海石化碳纖維技術(shù)從量變到質(zhì)變的飛躍，不僅填補了國內(nèi)空白，而且達(dá)到了國際先進水平，將對中國制造工業(yè)產(chǎn)生巨大的推動作用。

十年攻關(guān)磨一劍

上海石化是國內(nèi)特大型煉化一體化企業(yè)之一，也曾是國內(nèi)最大的腈綸生產(chǎn)企業(yè)。依托腈綸產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，公司早在上世紀(jì)八十年代就率先開展對碳纖維的交流調(diào)研和技術(shù)研究工作。2007年，中國石化決策部署PAN基碳纖維的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)工作，并將建設(shè)項目落實在了上海石化。

中國大絲束，讓世界驚艷。 供圖/胡擁軍

碳纖維有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，迄今為止核心技術(shù)也只有日本、美國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有并掌握。對此，上海石化在中國石化、上海市的大力支持下，與上海石化研究院、上海工程公司、復(fù)旦大學(xué)等數(shù)十家科研院所、高校、企業(yè)等一起，走出了一條以企業(yè)為主體的“產(chǎn)、學(xué)、研、用”相結(jié)合的協(xié)同創(chuàng)新之路，并憑借高校強大的基礎(chǔ)理論研究與企業(yè)的工程化技術(shù)開發(fā)無縫對接，不“摸黑前行”，不“無謂模仿”，不“盲目試錯”，在明確目標(biāo)的指引下，少走彎路，跨越鴻溝，取得了技術(shù)的積累。

在各方團隊的齊心協(xié)力下，碳纖維攻關(guān)快速推進：2008年11月，建成中試裝置；2009年3月，成功研制出12K原絲。

2012年9月，采用自行開發(fā)的國內(nèi)獨有的NaSCN（硫氰酸鈉）濕法工藝和自主知識產(chǎn)權(quán)的成套技術(shù)，上海石化3000噸/年原絲、1500噸/年碳纖維項目一階段工程建成投產(chǎn)，形成了每年3000噸聚合物、1500噸原絲、500噸碳纖維的工業(yè)化生產(chǎn)能力。

上海石化碳纖維項目得到了國家、中國石化和上海市政府的高度重視和大力支持：“年產(chǎn)3000噸PAN原絲產(chǎn)業(yè)化示范工程”被列為國家高技術(shù)項目，“PAN基碳纖維成套技術(shù)攻關(guān)”被列為中國石化2010-2017年十條龍項目，“年產(chǎn)1500噸PAN基碳纖維項目”被列為上海市創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大項目。

2016年5月，上海石化開展碳纖維48K大絲束原絲工業(yè)化研究試驗。2018年1月，成功開發(fā)了大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化工藝技術(shù)，形成了千噸級PAN基48K大絲束碳纖維成套技術(shù)工藝包的技術(shù)基礎(chǔ)。3月份，成功試制出了國內(nèi)真正意義上的48K大絲束碳纖維，并貫通工藝全流程。據(jù)測試，48K大絲束原絲經(jīng)過氧化碳化成48K碳纖維大絲束后，單絲強度達(dá)到高性能。這為下階段通用級碳纖維（小絲束+大絲束）的技術(shù)升級，以及高性能碳纖維的生產(chǎn)，打下了堅實的基礎(chǔ)。

據(jù)了解，一階段千噸級碳纖維裝置開車以來，截至2018年5月，裝置已累計生產(chǎn)原絲4286噸，生產(chǎn)碳纖維709噸。獨特的NaSCN濕法原絲工藝，使生產(chǎn)的碳纖維具有優(yōu)異的表面結(jié)構(gòu)和界面性能，可極大增強碳纖維復(fù)合材料性能。

迎接更廣闊前景

憑借上海石化這一國家首批命名的“合成纖維國家工程研究中心”、上海石化與上海石化院共建的“中國石化碳纖維及其復(fù)合材料重點實驗室”、上海石化院與七家企業(yè)研究院建成投用的“合成纖維加工應(yīng)用中心（FTC）”三大體系所構(gòu)成的中國石化高性能纖維及其復(fù)合材料的創(chuàng)新平臺，上海石化碳纖維已經(jīng)在傳統(tǒng)能源領(lǐng)域顯現(xiàn)身手。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9個病險基礎(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；在碳纖維齒輪替代進口塑料齒輪，以及加固修補液相丙烯、抽余碳四、火炬氣、甲烷氫、氮氣、污水等石化管道、高腐蝕設(shè)備、化工車間受腐蝕建筑等方面得到示范應(yīng)用，效果良好。

上海石化還與勝利油田分公司及其改制企業(yè)新大管業(yè)科技有限公司合作，開發(fā)碳纖維抽油桿，經(jīng)過5個批次的試驗后，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。截至2017年底，勝利油田已使用上海石化碳纖維連續(xù)抽油桿試驗應(yīng)用共93口井，累計用桿20.9萬米，目前正在進一步推廣應(yīng)用，特別是西北高腐蝕深井。

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，迎來更加廣闊的應(yīng)用前景。在傳統(tǒng)能源和新能源領(lǐng)域，公司將開發(fā)生產(chǎn)通用級、低成本大絲束、高強高模量級碳纖維原料，重點應(yīng)用到油田（抽油桿、抽油套管、部件等），常壓及高壓容器（高壓CNG瓶、車載CNG罐、儲氫氣瓶、壓縮空氣瓶等），加油站雙層罐、車載罐，石化管道修復(fù)加固（各種材質(zhì)、工況的廠區(qū)管道，長輸原油管線等），大容量風(fēng)電葉片等；在軌道交通、新能源汽車、民用航空、風(fēng)電等高端領(lǐng)域，實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化示范應(yīng)用。目前，公司已與海上風(fēng)電、大型風(fēng)電、汽車行業(yè)等相關(guān)項目展開合作意向。

對接上海全球科技創(chuàng)新中心建設(shè)和國家、上海地區(qū)的需求，上海石化將做強碳纖維及其復(fù)合材料業(yè)務(wù)，支撐中國石化高性能材料的國內(nèi)領(lǐng)先地位，助力“上海制造”，推動“中國制造”。