高压聚乙烯装置切粒故障产生的原因及对策

吕海蛟(国家能源集团新疆化工有限公司，新疆 乌鲁木齐 831400)

0 引言

国内某27万吨/年高压聚乙烯装置于2016年投产，设计年操作时间为7600 h，根据过氧化物配方、分子量调整剂、改性剂的种类和量等的不同，高压管式法工艺技术可生产18个牌号。该公司聚乙烯装置造粒工段采用德国贝尔斯托夫公司生产的UWG80型水下切粒机，机组设计产能46 t/h，功率200 RW@500 r/min，机组由切粒小车、水室、模板、切刀等部件组成，正常生产时挤压机将低分罐中的熔融聚乙烯料和辅助挤压机加入的改性剂充分混炼挤出，熔融树脂经模板出料孔进入水室迅速固化，高动能的旋转切刀与模板精密配合剪切造粒，粒子通过颗粒水系统冷却、固形后被颗粒水输送至干燥、筛分系统，通过振动筛筛除大、小颗粒后，粒子进一步送至下游脱气，最终由包装车间包装出厂，典型的工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程简图

作为造粒工段最核心的切粒机，其运行的稳定程度直接决定着整个装置的运行稳定。自原始开工以来，因钝刀、坏刀、产品拖尾超标等各种原因造成造粒系统停车，产生外观不合格粒子(蛇皮粒、拖尾粒、拉丝等超标，严重影响了聚乙烯产品质量和装置长周期稳定运行，本工作对切粒故障导致的聚乙烯异常粒子产生的原因及解决对策进行分析和讨论，高效指导了实践生产，提高了聚乙烯产品质量，为公司创造了良好的经济效益。

1 异常粒子产生的原因分析

1.1 产生大粒子、丛料的原因

(1)开车期间产生大粒子、丛料。在实际生产中，单个大粒子出现的几率较小，通常为多个粒子黏结一起，产生丛料。而丛料的产生主要集中在开车初期，在关闭水室门、启动、刀轴旋转前进、启动挤压机等一系列操作的时间内，熔融树脂不可避免地从出料孔流出，此时产生的物料多为丛料、大块料、长粒子料、多粒子黏结料。在启动挤压机的瞬间，树脂突然被加压、突然释放，也是产生大粒子、丛料的一个原因，同时，在每次聚合开车前，为避免产生低熔脂的聚合物造成反应器黏壁，聚合前会向系统内注入60 kg左右的丙醛[1]，以致使开车初期产生的树脂融指高，因此刚开车时造粒容易形成丛料。减少大粒子、丛料最有效的办法是降低颗粒水温度，但水温太低时，会堵塞出料孔，造成开孔率低，后续指数正常、负荷正常时，低开孔率意味着已开孔的模孔会在单位时间出更多的料，此时又会形成大粒子。

(2)切刀进退刀驱动系统故障。切粒机刀轴一般由液压系统驱动，长时间运行或油系统有杂质后将会破坏液压密封系统，如液压缸漏油、液控单项阀漏油。一旦系统内漏，刀轴将会发生位移，造成切刀与模板间隙变大，导致大粒子产生，当间隙变大至一定值后将发生退刀，此时将会产生严重的切粒事故。

1.2 产生小粒子原因

(1)切粒机和挤压机转速不匹配，切粒机转速较高时，产生过小粒子。(2)开车前期没有进行拉料充模操作或充模操作不充分，在启动切粒机进水时，水固化模孔内的物料，造成少数模孔堵塞或半开状态，切粒时也可能造成小粒。(3)模板长时间在210 ℃工作后附着在模孔内表面的树脂会被分解碳化，产生积碳，当积碳达到一定程度时，模孔粗糙度增加，孔径变小，造成模板开孔率低，也是产生小粒子原因之一。

1.3 产生色粒原因

该装置出现过的色粒主要有黄粒、黑粒两种。其中产生黄粒多集中在停车大修完毕后的刚开车阶段，大修时一般系统放空，低分罐内氧气进入，且在没有通氮气保护，温度较高的状态下聚乙烯树脂氧化形成黄粒。

黑粒多是因添加剂系统出现故障，添加剂加剂口属开放系统，不可避免地会进入杂质，杂质经辅助挤压机进入产品污染粒子。另外，若环境空气质量较差，煤尘、土尘等杂质将通过脱气、风送等系统进入产品将形成黑粒。

1.4 产生拖尾粒的原因

(1)切刀安装精度不够。切刀安装精度、刀盘和模板平面度对切粒外形有重要影响，不仅使切刀寿命变短，而且会导致切粒拖尾。一般地，切刀安装分为线下组装刀盘找平、线上校正两个步骤。在刀盘装刀面和刀盘尾部基准面平行度符合标准的情况下，线下找平，将刀装至刀盘上，并给每把切刀编号A1、A2...，将整盘刀放置钳工台，固定百分表并调零，转动刀盘，读出百分表在每把切刀上的读数a1、a2...，确保偏差ζ1=|max(a1，a2，...)-min(a1，a2，...)|≤0.03 mm成立。当不满足该标准时应进行调换或重新装刀。切刀与刀盘线下组装完成后，将刀盘整体装入切刀轴，紧固刀盘压紧螺钉，刀盘与模板的平行度偏差要求小于0.02 mm，平行度偏差过大容易产生拖尾料、拉丝。线上调整切刀还包括调整切刀间隙。一般地，贝尔斯托夫推荐经验值造粒间隙为0.05～0.10 mm。UWG80型切粒机气缸的行程为固定值，当进刀时，刀轴前进全部气缸行程，此时将切刀和模板造粒带间隙计为ε，调整间隙时，使用塞尺测量切刀和模板的间隙，间隙ε的推荐值由机械调刀机构完成。如图2所示车时，由于颗粒水温大于环境温度，进刀切粒后，刀轴膨胀(刀轴膨胀跟材料膨胀系数、温差相关，满足胡克定理，无温差后膨胀结束)，此时切粒间隙再次减小。如初始间隙太小，会造成膨胀后的切刀完全和模板接触，此时为接触式切粒，如初始间隙太大，膨胀后切刀于模板仍有间隙，此时为间隙造粒，间隙过大时，形成拖尾粒[2]。

图2 切刀行程

根据经验值，在开车前使用机械调刀机构将ε设定为0.1 0mm，刀轴在颗粒水中膨胀0.05 mm左右，此时仍有间隙0.05 mm，当切刀磨损后，颗粒水箱粉末变多、颗粒拖尾增多，再通过进刀机构手动进刀，单次进刀量不超过0.02 mm。实践证明此种造粒方式能一直保证切刀锋利，明显提高粒子外形质量。

(2)切刀变钝。切刀使用一段时间后，切刀刃口长时间和模孔相互剪切，在物料、模板、水腐蚀、粒子冲击等的情况下都可能造成切刀变钝，切刀变钝是造成大多数切粒拖尾的原因。典型的切刀变钝的现象是：颗粒水箱粉末明显增多、拖尾粒增多、停车后检查切刀可见刀刃锯齿状、刀刃角发生变化等。

(3)熔融指数影响。因聚合开车前需在系统中加入60 kg左右的丙醛做为调整剂，因此，开车初期产生的树脂熔融指数高，以该装置2020年7月16日生产2426H料为例(目标融指为2.0±0.1 g/10 min，拖尾个数＜40)，在切粒间隙ε、颗粒水温、机组负荷、转速等参数不变的情况下，每半小时取样一次，观察融指和拖尾粒的关系，数值如表1所示。

表1 熔融指数、拖尾粒对照表

由表1可明显看出，当融指较高时，树脂流动性好，此时如果水温较高，则粒子冷却不及时，造成粒子有较多尾巴，如此时切粒间隙较大时(切粒间隙ε＞0.2 mm)拖尾粒将急剧增加，当融指回调稳定时拖尾料明显降低。因此在生产不同牌号的聚乙烯树脂时切粒间隙、水温、模头温度等参数应当适当变化。即当生产融指较低的料时适当增加模头温度，当生产融指高的料时适当降低模头温度、颗粒水温、刀间隙。

1.5 产生絮状物的原因

切粒产生絮状物的原因目前没有统一定论，通常认为垫刀、模板缺陷、送料管线缺陷会导致絮状物的产生。(1)垫刀造成絮状物，刀刃不能和模孔配合切粒或不能完全切断物料，物料被旋转的刀盘拉长，拉长的物料迅速被冷却并形成韭叶状，韭叶状物料随粒子进入干燥器、振动筛后相互缠绕形成絮状物；(2)模板缺陷导致絮状物产生，如图3所示。带有耐磨销垫的模板在运行过程中，因温度急冷、急热等原因导致耐磨销垫出现裂纹，在物料经过模孔的时候会从裂纹处散开，在刀盘旋转的作用下形成拉丝；(3)聚乙烯树脂融化温度150 ℃，在送料的过程中，特别是弯头多、曲率半径小的送料管线，粒子和送料管线摩擦，使得管线温度升高，当送料管线内部有金属毛刺时，很容易产生拉丝。所有产生的拉丝料在相互缠绕时形成絮状物。

图3 出料孔耐磨销裂纹

2 解决对策

2.1 优化操作减少大粒子、丛料

根据前面分析，在开车期间产生大粒子、丛料不可避免，但可以从以下几点降低或减少大粒子、大块料、丛料的产生：(1)提高操作人员的技能水平缩短启动机组时间，减少开车过程中从模孔流出来的树脂量，进而减少大块料、丛料的产生。(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，此时可以适当降低模板操作温度、颗粒水温度，后续当融指正常后适当调整。(3)开车前仔细检查切刀，对切刀彻底进行清理，防止刀刃黏料造成的切粒垫刀现象。(4)在停车期间制定好液压系统的检修计划，定期地对液压油系统各接头进行检查和紧固，防止油外漏，如发现液压系统泄漏，则对液压缸密封圈进行更换。

2.2 避免小粒子产生措施

(1)匹配挤压机和切粒机转速以减少小粒子的产生；

(2)开车前充分的拉料和适当的控制模板温度，增加模板开孔率；

(3)定期对模板进行清理和检查，清理模孔内部积碳。

2.3 减少色粒的产生措施

(1)保证系统的清洁度，严控添加剂质量，对风送系统出入口滤网进行定期更换，对干燥、筛分系统进行定期清理。

(2)大检修、长时间停工期间做好低分罐氮气保护，检修完毕后使用乙烯置换，防止聚乙烯料氧化。

2.4 减少拖尾粒措施

(1)提高切刀安装精度，保证切刀与模板平面度在标准之内；

(2)根据产品拖尾情况，及时对切粒机进刀，在新刀刚开始切粒时保持0.1 mm左右的切粒间隙，当拖尾粒有增加趋势时通过手动进刀的方式重新磨合切粒，以降低拖尾粒和保持切刀锋利；进刀无法降低拖尾产生，及时更换切刀。

(3)提高班组员工操作水准，尽快地将融指控制在目标值内、适当地进刀、调整刀间隙、控制水温、可有效降低拖尾粒的数量，提高产品外观质量。

2.5 避免絮状物产生对策

避免垫刀是减少絮状物产生的前提。模板制造精度、操作方法的优化、修复或更换出料孔耐磨销裂纹的模板、降低送料温度、更换大曲率送料弯头、增加淘析风量等都是避免或减少成品中絮状物量的有效办法。

3 结语

切粒机是集机、电、仪、工艺控制为一体的复杂、高精度机组，切粒的实质就是刀、水、模板的配合，文章通过对生产中常见的切粒故障进行分析和讨论，有效地指导了实践生产，一定程度上降低了公司生产成本，并提高了产品质量，为公司创造了良好的经济效益。