聚乙烯擠壓造粒機組長周期穩定運行分析研究

摘 要 統計并分析某煤化工企業聚乙烯裝置CIM460型擠壓造粒機組自2010年開車以來停車的次數及原因，結果表明：設備故障是造成擠壓造粒機組停車的主要原因；其次是工藝故障、儀表故障、電氣故障及操作故障等。通過大數據分析，找出影響擠壓造粒機組停車的高頻故障，并采取相關措施，保證擠壓造粒機組長周期穩定運行。

關鍵詞 擠壓造粒機組 故障 原因分析 措施

中圖分類號 TQ051 " 文獻標志碼 B " 文章編號 0254?6094（2024）04?0660?05

某煤化工企業聚乙烯裝置（聚乙烯工藝選擇UNIPOL氣相法）擠壓造粒機組型號為CIM460，由日本制鋼所制造，L型布置，最大生產能力為41.6 t/h，主要粉料牌號為DJM?1820、DJM?1810、DJL?2420、DJL?2650、DJM?6382、DJM?5265H、DJL?5420H及DSX?5114H等。粉料密度范圍0.918～0.963 g/cm3，粉料熔融指數范圍0.04～5.00 g/min。2010年商業化運行以來，由于各種原因導致機組頻繁停車，筆者通過對歷年擠壓造粒機組停車次數和原因的統計分析，找出故障原因，并采取相應措施對造粒機組設備、工藝等進行優化，以保證擠壓造粒機組的長周期穩定運行。

1 擠壓造粒機組停車次數及原因統計分析

聚乙烯擠壓造粒機組的主要作用是將反應產生的粉料熔融造粒，其工藝流程為：反應器產生的粉料樹脂與添加劑充分混合后，經計量加入擠壓造粒機組中，經擠壓造粒機組的兩根反內向旋轉螺桿將粉料樹脂熔融混合，熔融樹脂通過熔融泵加壓和換網器過濾雜質后，在一定壓力下通過水下切粒模板，被轉速在250～450 r/min的切刀切成顆粒，經過顆粒冷卻水冷卻后輸送至下游干燥器和振動篩，最終合格樹脂顆粒通過風送系統進入成品料倉。

某煤化工企業的擠壓造粒機組自2010年商業化運行至今，共停車122次，現按照設備故障、工藝故障、儀表故障、電氣故障、操作故障分類，對歷年擠壓造粒機組停車次數及原因進行統計，結果如圖1所示。

由圖1可知，設備故障導致擠壓造粒機組停車次數最多，達到65次，占停車總次數的53%；其次是工藝故障、儀表故障、電氣故障、操作故障，造成的停車次數分別為34、13、7、3次，占比分別為28%、11%、6%、2%。

2 設備故障導致擠壓造粒機組停車原因分析

經統計，機組設備故障停機主要是由于造粒機切刀故障、造粒機模板故障及其他附屬設備故障引起的，其中造粒機切刀故障造成機組停機次數為29次，占設備故障總數的44.6%。

2.1 切刀故障

2.1.1 切刀磨損造成設備停機分析及解決措施

切粒機設置有磨損超限報警，當切粒機切刀磨損超過2 mm時，切粒機發出報警信號，提示擠壓造粒機組停車更換切刀。因切刀磨損超限造成擠壓造粒機組停車24次。原因分析如下：

a. 進刀壓力過高。原切粒機切刀為進口切刀，進刀壓力與轉速的關系式為進刀壓力（MPa）+0.001×轉速（r/min）=0.7。切刀國產化后，根據此關系式設置的進刀壓力明顯偏高，導致切刀磨損較快。

b. 牌號切換頻繁。牌號切換過程中，粉料熔融指數和密度發生變化，當熔融指數升高或密度降低時，樹脂流動性增加，模板前壓力減小，切刀和模板接觸的摩擦力增加，切刀磨損加快。

c. 擠壓造粒機組開停車次數較多。機組在開車初期，為防止出現墊刀料及退刀現象，一般采用較高的進刀壓力和較大的轉速，每次開車過程中，切刀會磨損0.10～0.15 mm。

d. 顆粒水pH值過低。粉料樹脂進入擠壓造粒機組前需要和添加劑進行混合以提高樹脂特性，添加劑中含有弱酸性物質，由于顆粒冷卻水是循環使用的，長時間積累后，顆粒冷卻水pH值低于7，偏酸性的顆粒水將腐蝕切刀，導致切刀磨損加快［1］。

e. 顆粒冷卻水溫度過低。顆粒冷卻水溫度降低時，模板擠出的樹脂硬度升高，加快切刀磨損，且易產生細粉。

相應的解決措施如下：

a. 標定國產化切刀進刀壓力和切刀轉速關系式，合理設置進刀壓力。2014年重新標定進刀壓力和切刀轉速關系式后，切刀壽命明顯相對延長，國產切刀使用壽命由5個月延長至6～7個月。標定后進刀壓力與轉速的關系式為進刀壓力（MPa）+0.001×轉速（r/min）=0.65。

b. 根據市場需求合理安排各牌號排產計劃，盡量減少牌號切換的次數。

c. 通過計劃性維修，減少因設備、儀表、電氣等非計劃原因造成的停車事故。

d. 每周定期檢測顆粒冷卻水pH值，通過向水箱添加NaOH的方式，將pH值控制在7～9。

e. 在保證樹脂顆粒外觀正常的條件下，盡可能提高顆粒冷卻水溫度［2］。

2.1.2 切刀斷刃造成設備停機分析及解決措施

2012年切刀國產化后，切刀斷刃的次數明顯增加，因切刀斷刃造成擠壓造粒機組停車5次。原因分析如下：

a. 硬度偏高，韌性較差。新安裝的切刀，在擠壓造粒機組開車提負荷過程中，為防止熔融泵入口壓力過高，一般都超前提高熔融泵轉速，模板前的壓力較高且不穩定，切刀刀刃在物料沖擊作用下，發生部分斷刃。

b. 刀刃粗糙度較差。刀刃表面粗糙度較差，影響切刀和模板配合的穩定性，摩擦力大，抗疲勞強度低［3］。

c. 刀刃平面度誤差、安裝面平面度誤差及安裝面與刀刃平行度誤差不符合要求。刀刃平面度誤差、安裝面平面度誤差及安裝面與刀刃平行度誤差較大時，將造成模板和切刀不能充分貼合，造成切刀偏磨，嚴重時甚至發生斷刃，同時，模板和切刀貼合不好將影響顆粒拖尾和大小粒數量指標。

相應的解決措施如下：

a. 切刀安裝嚴格按照標準執行。切刀安裝前，刀盤必須清潔、光滑、無毛刺，將切刀安裝在刀盤上，螺栓上緊順序先外側后內側。在刀根、刀中、刀尖3個部位對平面度進行檢查，通過加減墊片進行調整，保證誤差在0.03 mm以內。

b. 切刀盤和切刀軸垂直度檢查。將專用工具安裝在切刀軸端部，將千分表安裝在專用工具上，對水室外圈進行打表對中，調整水室背面螺栓，保證千分表讀數最大差值在0.03 mm以內。

c. 向廠家反饋使用效果，適當降低切刀硬度，提高切刀韌性，配備專用測量儀器，嚴格按照出廠標準（表1）進行驗貨。

2.2 模板故障

2.2.1 模板達到使用壽命

切粒機模板使用4.1 MPa蒸汽加熱，在模板使用壽命末期，因模板變形、腐蝕等因素，將造成顆粒碎屑及大小粒增多，當顆粒形狀惡化到不滿足優等品指標時，需要停車更換模板。原因分析如下：

a. 模板采用蒸汽加熱，蒸汽加熱與熱油加熱相比，熱應力較大，長時間運行易造成模板變形［4］。

b. 切粒水pH值過低，模板流道產生腐蝕。

c. 當生產高熔融指數產品時，樹脂流動性好，要求切刀轉速較高，切刀刀尖處產生氣蝕，易造成模板切粒帶損壞。

相應的解決措施如下：

a. 進行技術改造，將模板加熱方式改成熱油加熱，降低模板因熱應力過大造成的損壞風險。

b. 每周定期檢測顆粒水箱pH值，低于7時，加入NaOH控制pH值在7～9。

c. 生產低熔融指數牌號時，適當提高熔融泵入口壓力，減少模板前的壓力，降低切粒機轉速。

2.2.2 模板安裝及制造缺陷

2014年，模板安裝完畢后擠壓造粒機組開車，開車后墊刀料出現較多，最終導致切粒機退刀，擠壓造粒機組聯鎖停車。2016年，生產過程中墊刀料逐漸增多，進刀壓力、熔融泵入口壓力、切刀轉速及顆粒水溫度等參數調整后都未改善，并逐漸惡化，最終切粒機退刀，擠壓造粒機組聯鎖停車。2022年擠壓造粒機組開車初期，顆粒偏長偏大，導致后系統脫塊器及振動篩堆料，多次開車均失敗告終。原因分析如下：

a. 模板螺栓擰緊順序錯誤。先擰緊外圈螺栓后擰緊內圈螺栓，將導致切粒帶熱應力無法釋放，切粒帶變形，最終導致切粒過程中出現墊刀料［5］。

b. 模板隔熱墊緊固不嚴，隔熱墊進水變形，中間蓋板凸起，最終導致切粒機退刀。

c. 模板加熱蒸汽流道加工及裝配過程存在質量缺陷，造成切粒帶溫度不均勻，切粒帶溫度低的地方?？锥氯０迩皦毫υ龃?，導致切粒帶溫度正常的?？壮隽线^長。

相應的解決措施如下：

a. 模板安裝時先用力矩扳手緊固切粒帶內圈螺栓，再緊固外圈螺栓，并對稱緊固，避免產生熱應力，在模板加熱至操作溫度后進行熱緊。

b. 模板隔熱墊升溫至操作溫度后需要熱緊，并在每次停車時檢查松緊度。

c. 模板安裝之前進行熱試驗，切粒帶溫差需小于10 ℃。配備相關檢測工具，對模板相關參數按照表2檢測。

2.2.3 其他設備故障

其他設備故障主要是振動篩下料軟連接破損、傳送皮帶斷裂；熔融泵剪切銷斷裂、主減速箱潤滑油冷卻器泄漏、熔融泵旋轉接頭漏油；旋轉下料閥鏈條斷裂及干燥器皮帶斷裂等。原因分析如下：

a. 振動篩下料軟連接材質為帆布，顆粒水中夾帶水汽，軟連接在潮濕環境下與顆粒不斷摩擦，容易破損。皮帶斷裂的主要原因是安裝時張緊度不合適、皮帶輪對中不符合要求。

b. 熔融泵采用變頻電機，轉速變化時，剪切銷受力變化而疲勞斷裂，同時聯軸器對中精度也對剪切銷的壽命有影響。熔融泵旋轉接頭漏油主要是因為緊固螺栓松動和密封面有雜質導致的磨損。

c. 旋轉下料閥鏈條斷裂主要是潤滑脂加注不足導致齒輪和鏈條干摩擦。

d. 干燥器皮帶斷裂主要是因為皮帶張緊度過緊及電機和干燥器的皮帶輪對中有偏差。

相應的解決措施如下：

a. 振動篩帆布軟連接更改為滑動連接，軟連接壽命大概是3～5個月，滑動連接壽命大概是3年。振動篩皮帶輪張緊度適中，每次檢修時復查皮帶輪對中情況。振動篩增加旁通線，當振動篩故障需要停車檢修時，顆?？赏ㄟ^旁通線進行輸送，避免擠壓造粒機組停車。

b. 擠壓造粒機組升降負荷要緩慢，避免熔融泵剪切銷受力不均，同時，每年檢修期間，復查或更換剪切銷，復查聯軸器對中。熔融泵旋轉接頭安裝要保證密封面無雜質，使用防松墊片，并按要求力矩進行緊固。

c. 旋轉下料閥要定期加潤滑脂，防止干摩擦。

d. 干燥器皮帶安裝要張緊度適中，同時皮帶輪之間要進行對中。

3 工藝故障導致擠壓造粒機組停車原因分析

工藝原因造成擠壓造粒機組停車34次，占總停車次數的28%，但逐年呈遞減趨勢。

3.1 反應器停車

聚乙烯裝置采用UNIPOL工藝，反應器停車后開車至少間隔12 h，擠壓造粒機組無料而被動停車。原因分析如下：

a. 反應器結塊。原料丁烯、乙烯、氫氣、氮氣雜質含量高，導致靜電高，造成反應器結塊而停車；料位設定過低，擴大段結片后掉落，造成反應器流化狀態惡化，最終停車；丁烯及異戊烷冷卻器泄漏，導致原料進水，反應器靜電過高停車。

b. 反應器相關設備故障。循環氣壓縮機突然停車，造成反應器三型殺死停車；調溫水泵突然停車，造成反應器撤熱能力不足，反應器手動殺死停車；調溫水閥故障，導致反應器撤熱能力不足停車。

c. 操作故障。切牌號過程中，反應器料位、反應溫度、反應壓力、催化劑進料量、露點、循環氣速等參數設定不合理，造成反應器停車。

d. 反應器PDS出料系統閥門故障，導致反應器停車。

相應的解決措施如下：

a. 嚴格控制原料雜質含量。

b. 相關電氣、儀表專業加強安全柵、儀表傳感器、綜保等元器件的檢查與更換。

c. 加強員工培訓，切牌號過程標準化作業。

d. 每周定期檢查PDS閥門及氣缸動作情況，每年定期更換PDS出料系統放大器、減壓閥、電磁閥等備件。

3.2 下料系統架橋

擠壓造粒機組下料系統從上到下包括：脫氣倉下料旋轉閥、粉料振動篩、三通閥、緩沖罐、負荷控制旋轉下料閥及螺旋下料器。粉料可通過三通閥進入緩沖罐或者進入種子料倉，擠壓造粒機組在正常運行期間，三通閥通向種子料倉方向閘板在關位。因下料系統管線堵塞造成擠壓造粒機組停車兩次。分析發現故障原因是，從脫氣倉下來的粉料溫度約70 ℃，且牌號不同，掛壁情況也不同，由于DFDA?7042牌號排產比較多，且該牌號熔融指數小、密度小、流動性差，在粉料振動篩下錐口及三通閥處易產生掛壁料，掛壁料積累到一定厚度脫落，堵塞下料管線，造成擠壓造粒機組無料停車。

相應的解決措施如下：

a. 下料管線三通閥每周打開1次向種子料倉送料10 min，定期沖刷，避免該側閥板積料結片。

b. 下料系統管線在擠壓造粒機組檢修期間，進行高壓水清洗，將掛壁料清理干凈，高壓水清洗1次，下料管線至少可保持穩定運行12個月。

4 其他故障導致擠壓造粒機組停車

其他故障導致擠壓造粒機組停車23次，占比19%，主要是儀表故障、電氣故障和操作故障。

儀表故障造成擠壓造粒機組停車13次，占比11%，雖然占比不高，但停車次數呈逐年上升趨勢，主要原因是傳感器故障、安全柵故障、儀表引壓管堵塞等。電氣故障造成擠壓造粒機組停車7次，占比6%，主要原因是空氣開關故障、熔融泵變頻器故障等。經分析造成儀表及電氣故障的主要原因是隨著運行時間增長，部分儀表和電氣元件老化導致儀表和電氣設備故障或損壞。該問題主要通過對儀表和電氣設備定期檢查，及時更換老化儀表或電氣元件，必要時整體更換儀表或電氣設備解決。

操作故障占比較小，主要是筒體溫度調整不及時、熔融泵轉速調整不當、異物落入擠壓造粒系統等。該問題主要是通過對現場實際運行中發現的問題分析總結，及時對員工進行操作培訓、必要時修訂操作規程解決。

5 結束語

設備故障是影響擠壓造粒機組長周期穩定運行的主要因素，占比53%，其次是工藝、儀表、電氣、操作故障。設備故障中，影響因素最大的是切刀和模板，由此可見，提高切刀和模板制造質量、提高安裝精度、優化操作參數等方面可有效降低擠壓造粒機組停車次數。隨著擠壓造粒機組長時間運行，儀表和電氣元件存在保養不及時、老化等問題，因儀表和電氣原因造成擠壓造粒機組停車次數逐年增加，因此，對重要的備件如安全柵、傳感器、空氣開關等要預防性更換。通過對歷年擠壓造粒機組停車原因進行統計與分析，針對性采取相關措施，2023年，由最高每年停車12次降低至7次，大幅降低了擠壓造粒機組停車次數。同時，對其他擠壓造粒機組運行提供參考。

參 考 文 獻

［1］ 李開貴，孫志明，高勇.影響擠壓機模板使用周期因素探討［J］.當代化工，2019，48（7）：1554-1557.

［2］ 王聰.聚丙烯裝置擠壓造粒機運行問題分析及處理［J］.化工技術與開發，2020，49（6）：83-84.

［3］ 耿東方，唐迎迎，張紹武，等.國產模板在KE600擠壓造粒機上的試用探究［J］.化工機械，2014，41（3）：384-387；391.

［4］ 陳敏.聚丙烯擠壓造粒機造粒質量不穩定原因及改進［J］.石油化工設備，2007（6）：90-92.

［5］ 李容波.聚丙烯擠壓機產生粘連料原因及改進措施［J］.合成樹脂及塑料，2019，36（5）：52-56.

（收稿日期：2023-08-19，修回日期：2024-02-19）