提升聚丙烯產品質量過程能力指數控制措施

＊王冠群 王剛

（中國石油大連石化公司 遼寧 116031）

大連石化公司20萬噸/年聚丙烯裝置于2018年2月開發了衛材級聚丙烯纖維料H39S-3。一經推出，因其熔融指數穩定、灰分低、分子量分布窄、優良的抗氧化性及成絲性等特點，迅速占領了國內市場。H39S-3于2019年成為中國石油首批7個名牌樹脂類產品之一，至2021年，H39S-3的熔體質量流動速率（以下簡稱熔融指數或MFR）、灰分、拉伸屈服應力、拉伸斷裂應力、0.4mm魚眼五個關鍵產品指標的過程能力指數（Cpk值）累計值一直為2.0，產品生產過程處于6σ完全可控狀態。

為進一步優化產品，提升產品品質，結合Q/SYDL 0082—2016《聚丙烯樹脂》標準要求，H39S-3產品的融指范圍，由（33～41）g/10min改為了（33.3～40.7）g/10min。熔融指數的過程能力指數反映出生產過程中，產品質量控制的穩定性。為確保H39S-3生產過程中熔融指數的過程能力指數穩定處于2.0，防止其出現較大波動，過程能力指數降低，本文結合裝置生產實際過程中遇到的實際問題加以分析，總結出其控制和應對措施。

1.粉料質量的控制

H39S-3采取了降解法進行生產，基礎粉料為單峰T30S。聚丙烯粉料和降解劑在造粒機筒體內的高溫和剪切條件下進行加工，會發生斷鏈反應。高溫和剪切環境下由于大分子的部分更容易受到剪切，且大分子由于熱運動性能較差，受熱時自由基互相連接的概率很低，更容易發生斷鏈反應，從而導致分子量降低、分子量分布變窄。因此，粉料T30S的熔融指數穩定性至關重要。若熔融指數不穩定，將會導致小分子量的聚丙烯在降解劑的作用下進一步分解，這些產物都是非水溶性的直鏈脂肪族低分子量物質，很容易在造粒過程中殘留在聚丙烯內部，下游進行二次加工時，這些低分子量物質受熱時極易析出，形成不良氣味，影響用戶使用體驗。

為確保基礎T30S粉料的熔融指數穩定，需嚴格對反應過程中的加氫量和生產過程進行管控。內操及時對氫氣在線色譜的數據進行關注，出現了偏差及時進行手動干預，以確保整個生產過程中氫濃度處于連續穩定可控狀態。

由表1和圖1可見，生產過程中無控制點越出控制界線，環管氫氣濃度處于受控狀態，對粉料產品的分子量分布無不利影響。

圖1 2021年10月第一反應器氫氣濃度控制

圖2 Excel自動計算Cpk示意圖

表1 2021年10月第一反應器氫濃度

2.添加劑的作用及加入量對產品的影響

(1)抗氧劑3114

抗氧劑3114是一種高效、無色污的空間受阻酚類氫供體類抗氧劑，與聚丙烯的相容性好，耐抽提性好，低揮發，且耐氣熏褪色性好。在聚丙烯生產過程中，作為主抗氧劑使用[1]。

在生產過程中，由于抗氧劑3114堆密度較小，在使用單螺桿計量的失重秤中，較容易出現下料量不足或中斷的現象。由于抗氧劑3114和固體降解劑作用相反，此時產品的熔融指數會在短時間內出現上升趨勢，造粒機的各項參數也能迅速體現出該變化。抗氧劑3114下料速率增加時，相應的固體降解劑用量未增加，會導致產品熔融指數降低。

(2)抗氧劑168

抗氧劑168為亞磷酸酯類氫過氧化物分解劑。它揮發性低，耐水解性突出，有利于提高產品加工過程的抗氧化性，保護產品的色澤和機械性能，與其它抗氧劑配合使用效果最佳。其具有顯著的協同增效作用，是H39S-3的輔助抗氧劑[1]。

在生產過程中，抗氧劑168因計量過程積攢的靜電，較容易出現下料管線堵塞或無法從計量秤螺桿脫離的現象。由于抗氧劑168和固體降解劑作用相反，此時產品的熔融指數會在短時間內出現上升趨勢，造粒機的各項參數也能迅速體現出該變化。抗氧劑168下料速率增加時，相應的固體降解劑用量未增加，會導致產品熔融指數降低。

(3)固體降解劑

固體降解劑一般是由10%～20%的過氧化物[2]（通常為2,5-二叔丁基過氧基-2,5-二甲基-己烷或二叔丁基過氧化物DTBP）與聚丙烯粉末在特殊加工條件下熔融共擠出得到的產物，廠家經過摻混后送至裝置進行使用。其主要用于聚丙烯的可控流變改性，是控制產品熔融指數的最關鍵因素。

在生產過程中，固體降解劑任意量的變化和濃度的不穩定，均會造成熔融指數較大幅度的波動，若不及時加以調整，將會對產品的熔融指數造成較大的波動，影響產品質量的穩定性。

(4)硬脂酸鈣(HA)

硬脂酸鈣主要用作除酸劑，它是聚丙烯生產過程中基礎穩定劑組合中的一個重要組分，對聚丙烯綜合性能的提升貢獻很大。HA主要用于去除齊格勒-納塔催化劑聚合過程中殘留的少量含氯化合物，防止金屬設備（干燥器、造粒機或下游用戶的模塑設備等）發生腐蝕。

在生產過程中，HA量的缺失或增加，不會直接體現在造粒機的運行參數上，其加入量的波動，是實際生產過程中最不容易被發現的因素。

3.生產過程中的熔融指數異常處理措施

H39S-3產品各項指標出現異常時，操作員的第一要務為切換至協議品料倉，然后再排查問題發生的原因。只有將導致的問題得到解決后，才可恢復至正常產品的生產。

(1)指數儀示數異常降低

20萬噸/年聚丙烯裝置造粒機配備有高靈敏度的在線熔融指數儀，能實時對產品的熔融指數進行監控，有利于指導操作員及時發現融指的變化。在線熔融指數儀正常工作時，示數應呈現微小的波動狀態，一般在37±1g/10min范圍內，若指數儀示數短時間內出現了較大的下降，說明降解劑的加入或其活性出現了問題。

此時操作員需要首先確認降解劑的批號是否發生了變化，不同批次的降解劑因廠家采購的原材料、生產、摻混及運輸過程，可能會出現批次間活性波動較大的情況，在實際生產過程中將會導致產品的熔融指數出現較大的下降。可以通過及時調整降解劑的加入量和必要的加樣分析，來確保產品熔融指數穩定。

此外，還需檢查計量秤W804C的運行狀態。降解劑因為管線堵塞、軟連接破損、計量秤故障等因素，未加入到造粒系統中，將會導致降解劑量不足，不能產生足夠的過氧化物自由基，降解深度不夠。可以依據實際情況選擇合適的處理方式。

(2)指數儀示數異常升高

若熔融指數儀示數出現了異常升高，升高后并能維持在一個相對穩定的高示數時，最大的可能性為抗氧劑未加入系統中，大量產生的自由基無法及時消除，造成碳鏈不受控斷裂。重點需要排查的部位有：添加劑計量秤W804下料口是否被物料堵塞，計量秤是否故障停機，計量秤螺桿是否被物料塞滿等。

若熔融指數儀示數出現了異常升高，并連續升高不封頂，最大的可能性為降解劑的加入量出現了問題。需要重點排查降解劑計量秤W804C的運行狀態，以及降解劑的批號是否發生了變化。

(3)熱降解對指數的影響

目前20萬噸/年聚丙烯裝置造粒機所使用的為100目濾網，使用周期大概為40天。更換新濾網時，濾網壓差為1.9～2.0MPa，在相同工況運行40天后，濾網壓差上升至3.2～3.5MPa，熔體溫度也會上升約5℃，為避免過大的壓差造成不必要的熱降解，此時就需要停機進行換網作業。再次開機時，由于濾網壓差下降，熱降解程度降低，原有的降解劑濃度就不足以維持停機前的熔融指數，需適當提高300～500mg/kg才能保證產品質量的穩定。

(4)粉料計量秤示數偏差的影響

20萬噸/年聚丙烯裝置造粒機的添加劑計量系統，采用的是德國申克集團（Schenck Process）的計量系統。該系統存在一個不足，即所有添加劑的加入量，是依據聚丙烯粉料的理論計算值（W801計算值）和事先設定的配方進行計算的，而不是依據實際稱重值進行計算。一般情況下，聚丙烯粉料的計算值和實際值相差不大，在實際運行過程中導致的降解劑下料量偏差可以忽略不計，但是由于W801為扭矩盤式計量秤，因此扭矩盤上會刮帶聚丙烯絲料，影響粉料計量準確性。即當W801出現“掛料”時，粉料的實際下料量會降低，但是依據理論計算的降解劑和抗氧劑量不變，就會導致降解劑相對過量，易造成降解劑活性升高的假象。

為保證W801計量穩定，操作員每天都需要依據包裝產量對W801進行標定。若W801偏差范圍不大（一般＜0.5t/h），可以通過調整降解劑的加入量來保證產品的熔融指數在需要的范圍內；若W801偏差范圍過大，則說明W801扭矩盤上刮帶的聚丙烯絲料太多，隨時有脫落導致偏差不可控的風險，此時需要暫停造粒機進行清理后方可繼續運行。

4.摻混粒料熔融指數Cpk下降處理措施

(1)Cpk算法

目前，制造業質量管理常采用過程能力指數（Cpk）模型，來評判產品質量和過程能力滿足技術標準的程度[3-4]。

設產品生產批次為n，第i個批次的數量為ni，產品某一性能指標的指標值為xi，則該指標的平均值為：

將該指標的上限值記為USL，下限值記為LSL，則有：

為將管理前移，提前發現摻混指數異常可能對最終產品的影響，在20萬噸/年聚丙烯裝置造粒崗位，裝置技術人員使用Excel辦公軟件將Cpk計算公式進行了轉化，操作員只需要將成品的分析成績和摻混指數輸入，即可得出Cpk值。可在向包裝送料前，判斷該指數是否會影響全月或全年的Cpk值，簡單高效。

(2)Cpk下降處理措施

在正常生產過程中，一旦出現了摻混粒料熔融指數出現異常波動，經過評估摻混粒料熔融指數Cpk值可能下降，應對該情況最直接有效的辦法就是將該倉物料進行“分倉兌料”。即依據產品的摻混指數，結合Cpk計算公式的計算結果，合理確定分倉兌料的量值。

5.結語

H39S-3由于產品性能優異、質量穩定，被中石油集團公司評為化工合成樹脂七大精品品牌首位，成為中石油精品培育項目產品。同時，H39S-3還是大連石化公司近些年重要的效益增長點。只有連續、穩定地生產高質量的聚丙烯產品，才能實現員工價值、企業效益、客戶口碑的三贏。