高壓聚乙烯裝置切粒故障產生的原因及對策

呂海蛟(國家能源集團新疆化工有限公司，新疆 烏魯木齊 831400)

0 引言

國內某27萬噸/年高壓聚乙烯裝置于2016年投產，設計年操作時間為7600 h，根據過氧化物配方、分子量調整劑、改性劑的種類和量等的不同，高壓管式法工藝技術可生產18個牌號。該公司聚乙烯裝置造粒工段采用德國貝爾斯托夫公司生產的UWG80型水下切粒機，機組設計產能46 t/h，功率200 RW@500 r/min，機組由切粒小車、水室、模板、切刀等部件組成，正常生產時擠壓機將低分罐中的熔融聚乙烯料和輔助擠壓機加入的改性劑充分混煉擠出，熔融樹脂經模板出料孔進入水室迅速固化，高動能的旋轉切刀與模板精密配合剪切造粒，粒子通過顆粒水系統冷卻、固形后被顆粒水輸送至干燥、篩分系統，通過振動篩篩除大、小顆粒后，粒子進一步送至下游脫氣，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 工藝流程簡圖

作為造粒工段最核心的切粒機，其運行的穩定程度直接決定著整個裝置的運行穩定。自原始開工以來，因鈍刀、壞刀、產品拖尾超標等各種原因造成造粒系統停車，產生外觀不合格粒子(蛇皮粒、拖尾粒、拉絲等超標，嚴重影響了聚乙烯產品質量和裝置長周期穩定運行，本工作對切粒故障導致的聚乙烯異常粒子產生的原因及解決對策進行分析和討論，高效指導了實踐生產，提高了聚乙烯產品質量，為公司創造了良好的經濟效益。

1 異常粒子產生的原因分析

1.1 產生大粒子、叢料的原因

(1)開車期間產生大粒子、叢料。在實際生產中，單個大粒子出現的幾率較小，通常為多個粒子黏結一起，產生叢料。而叢料的產生主要集中在開車初期，在關閉水室門、啟動、刀軸旋轉前進、啟動擠壓機等一系列操作的時間內，熔融樹脂不可避免地從出料孔流出，此時產生的物料多為叢料、大塊料、長粒子料、多粒子黏結料。在啟動擠壓機的瞬間，樹脂突然被加壓、突然釋放，也是產生大粒子、叢料的一個原因，同時，在每次聚合開車前，為避免產生低熔脂的聚合物造成反應器黏壁，聚合前會向系統內注入60 kg左右的丙醛[1]，以致使開車初期產生的樹脂融指高，因此剛開車時造粒容易形成叢料。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，會堵塞出料孔，造成開孔率低，后續指數正常、負荷正常時，低開孔率意味著已開孔的模孔會在單位時間出更多的料，此時又會形成大粒子。

(2)切刀進退刀驅動系統故障。切粒機刀軸一般由液壓系統驅動，長時間運行或油系統有雜質后將會破壞液壓密封系統，如液壓缸漏油、液控單項閥漏油。一旦系統內漏，刀軸將會發生位移，造成切刀與模板間隙變大，導致大粒子產生，當間隙變大至一定值后將發生退刀，此時將會產生嚴重的切粒事故。

1.2 產生小粒子原因

(1)切粒機和擠壓機轉速不匹配，切粒機轉速較高時，產生過小粒子。(2)開車前期沒有進行拉料充模操作或充模操作不充分，在啟動切粒機進水時，水固化模孔內的物料，造成少數模孔堵塞或半開狀態，切粒時也可能造成小粒。(3)模板長時間在210 ℃工作后附著在模孔內表面的樹脂會被分解碳化，產生積碳，當積碳達到一定程度時，模孔粗糙度增加，孔徑變小，造成模板開孔率低，也是產生小粒子原因之一。

1.3 產生色粒原因

該裝置出現過的色粒主要有黃粒、黑粒兩種。其中產生黃粒多集中在停車大修完畢后的剛開車階段，大修時一般系統放空，低分罐內氧氣進入，且在沒有通氮氣保護，溫度較高的狀態下聚乙烯樹脂氧化形成黃粒。

黑粒多是因添加劑系統出現故障，添加劑加劑口屬開放系統，不可避免地會進入雜質，雜質經輔助擠壓機進入產品污染粒子。另外，若環境空氣質量較差，煤塵、土塵等雜質將通過脫氣、風送等系統進入產品將形成黑粒。

1.4 產生拖尾粒的原因

(1)切刀安裝精度不夠。切刀安裝精度、刀盤和模板平面度對切粒外形有重要影響，不僅使切刀壽命變短，而且會導致切粒拖尾。一般地，切刀安裝分為線下組裝刀盤找平、線上校正兩個步驟。在刀盤裝刀面和刀盤尾部基準面平行度符合標準的情況下，線下找平，將刀裝至刀盤上，并給每把切刀編號A1、A2...，將整盤刀放置鉗工臺，固定百分表并調零，轉動刀盤，讀出百分表在每把切刀上的讀數a1、a2...，確保偏差ζ1=|max(a1，a2，...)-min(a1，a2，...)|≤0.03 mm成立。當不滿足該標準時應進行調換或重新裝刀。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生拖尾料、拉絲。線上調整切刀還包括調整切刀間隙。一般地，貝爾斯托夫推薦經驗值造粒間隙為0.05～0.10 mm。UWG80型切粒機氣缸的行程為固定值，當進刀時，刀軸前進全部氣缸行程，此時將切刀和模板造粒帶間隙計為ε，調整間隙時，使用塞尺測量切刀和模板的間隙，間隙ε的推薦值由機械調刀機構完成。如圖2所示車時，由于顆粒水溫大于環境溫度，進刀切粒后，刀軸膨脹(刀軸膨脹跟材料膨脹系數、溫差相關，滿足胡克定理，無溫差后膨脹結束)，此時切粒間隙再次減小。如初始間隙太小，會造成膨脹后的切刀完全和模板接觸，此時為接觸式切粒，如初始間隙太大，膨脹后切刀于模板仍有間隙，此時為間隙造粒，間隙過大時，形成拖尾粒[2]。

圖2 切刀行程

根據經驗值，在開車前使用機械調刀機構將ε設定為0.1 0mm，刀軸在顆粒水中膨脹0.05 mm左右，此時仍有間隙0.05 mm，當切刀磨損后，顆粒水箱粉末變多、顆粒拖尾增多，再通過進刀機構手動進刀，單次進刀量不超過0.02 mm。實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量。

(2)切刀變鈍。切刀使用一段時間后，切刀刃口長時間和模孔相互剪切，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切粒拖尾的原因。典型的切刀變鈍的現象是：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、刀刃角發生變化等。

(3)熔融指數影響。因聚合開車前需在系統中加入60 kg左右的丙醛做為調整劑，因此，開車初期產生的樹脂熔融指數高，以該裝置2020年7月16日生產2426H料為例(目標融指為2.0±0.1 g/10 min，拖尾個數＜40)，在切粒間隙ε、顆粒水溫、機組負荷、轉速等參數不變的情況下，每半小時取樣一次，觀察融指和拖尾粒的關系，數值如表1所示。

表1 熔融指數、拖尾粒對照表

由表1可明顯看出，當融指較高時，樹脂流動性好，此時如果水溫較高，則粒子冷卻不及時，造成粒子有較多尾巴，如此時切粒間隙較大時(切粒間隙ε＞0.2 mm)拖尾粒將急劇增加，當融指回調穩定時拖尾料明顯降低。因此在生產不同牌號的聚乙烯樹脂時切粒間隙、水溫、模頭溫度等參數應當適當變化。即當生產融指較低的料時適當增加模頭溫度，當生產融指高的料時適當降低模頭溫度、顆粒水溫、刀間隙。

1.5 產生絮狀物的原因

切粒產生絮狀物的原因目前沒有統一定論，通常認為墊刀、模板缺陷、送料管線缺陷會導致絮狀物的產生。(1)墊刀造成絮狀物，刀刃不能和模孔配合切粒或不能完全切斷物料，物料被旋轉的刀盤拉長，拉長的物料迅速被冷卻并形成韭葉狀，韭葉狀物料隨粒子進入干燥器、振動篩后相互纏繞形成絮狀物；(2)模板缺陷導致絮狀物產生，如圖3所示。帶有耐磨銷墊的模板在運行過程中，因溫度急冷、急熱等原因導致耐磨銷墊出現裂紋，在物料經過模孔的時候會從裂紋處散開，在刀盤旋轉的作用下形成拉絲；(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，當送料管線內部有金屬毛刺時，很容易產生拉絲。所有產生的拉絲料在相互纏繞時形成絮狀物。

圖3 出料孔耐磨銷裂紋

2 解決對策

2.1 優化操作減少大粒子、叢料

根據前面分析，在開車期間產生大粒子、叢料不可避免，但可以從以下幾點降低或減少大粒子、大塊料、叢料的產生：(1)提高操作人員的技能水平縮短啟動機組時間，減少開車過程中從模孔流出來的樹脂量，進而減少大塊料、叢料的產生。(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，此時可以適當降低模板操作溫度、顆粒水溫度，后續當融指正常后適當調整。(3)開車前仔細檢查切刀，對切刀徹底進行清理，防止刀刃黏料造成的切粒墊刀現象。(4)在停車期間制定好液壓系統的檢修計劃，定期地對液壓油系統各接頭進行檢查和緊固，防止油外漏，如發現液壓系統泄漏，則對液壓缸密封圈進行更換。

2.2 避免小粒子產生措施

(1)匹配擠壓機和切粒機轉速以減少小粒子的產生；

(2)開車前充分的拉料和適當的控制模板溫度，增加模板開孔率；

(3)定期對模板進行清理和檢查，清理模孔內部積碳。

2.3 減少色粒的產生措施

(1)保證系統的清潔度，嚴控添加劑質量，對風送系統出入口濾網進行定期更換，對干燥、篩分系統進行定期清理。

(2)大檢修、長時間停工期間做好低分罐氮氣保護，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準之內；

(2)根據產品拖尾情況，及時對切粒機進刀，在新刀剛開始切粒時保持0.1 mm左右的切粒間隙，當拖尾粒有增加趨勢時通過手動進刀的方式重新磨合切粒，以降低拖尾粒和保持切刀鋒利；進刀無法降低拖尾產生，及時更換切刀。

(3)提高班組員工操作水準，盡快地將融指控制在目標值內、適當地進刀、調整刀間隙、控制水溫、可有效降低拖尾粒的數量，提高產品外觀質量。

2.5 避免絮狀物產生對策

避免墊刀是減少絮狀物產生的前提。模板制造精度、操作方法的優化、修復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、增加淘析風量等都是避免或減少成品中絮狀物量的有效辦法。

3 結語

切粒機是集機、電、儀、工藝控制為一體的復雜、高精度機組，切粒的實質就是刀、水、模板的配合，文章通過對生產中常見的切粒故障進行分析和討論，有效地指導了實踐生產，一定程度上降低了公司生產成本，并提高了產品質量，為公司創造了良好的經濟效益。