提升聚丙烯产品质量过程能力指数控制措施

＊王冠群 王刚

（中国石油大连石化公司 辽宁 116031）

大连石化公司20万吨/年聚丙烯装置于2018年2月开发了卫材级聚丙烯纤维料H39S-3。一经推出，因其熔融指数稳定、灰分低、分子量分布窄、优良的抗氧化性及成丝性等特点，迅速占领了国内市场。H39S-3于2019年成为中国石油首批7个名牌树脂类产品之一，至2021年，H39S-3的熔体质量流动速率（以下简称熔融指数或MFR）、灰分、拉伸屈服应力、拉伸断裂应力、0.4mm鱼眼五个关键产品指标的过程能力指数（Cpk值）累计值一直为2.0，产品生产过程处于6σ完全可控状态。

为进一步优化产品，提升产品品质，结合Q/SYDL 0082—2016《聚丙烯树脂》标准要求，H39S-3产品的融指范围，由（33～41）g/10min改为了（33.3～40.7）g/10min。熔融指数的过程能力指数反映出生产过程中，产品质量控制的稳定性。为确保H39S-3生产过程中熔融指数的过程能力指数稳定处于2.0，防止其出现较大波动，过程能力指数降低，本文结合装置生产实际过程中遇到的实际问题加以分析，总结出其控制和应对措施。

1.粉料质量的控制

H39S-3采取了降解法进行生产，基础粉料为单峰T30S。聚丙烯粉料和降解剂在造粒机筒体内的高温和剪切条件下进行加工，会发生断链反应。高温和剪切环境下由于大分子的部分更容易受到剪切，且大分子由于热运动性能较差，受热时自由基互相连接的概率很低，更容易发生断链反应，从而导致分子量降低、分子量分布变窄。因此，粉料T30S的熔融指数稳定性至关重要。若熔融指数不稳定，将会导致小分子量的聚丙烯在降解剂的作用下进一步分解，这些产物都是非水溶性的直链脂肪族低分子量物质，很容易在造粒过程中残留在聚丙烯内部，下游进行二次加工时，这些低分子量物质受热时极易析出，形成不良气味，影响用户使用体验。

为确保基础T30S粉料的熔融指数稳定，需严格对反应过程中的加氢量和生产过程进行管控。内操及时对氢气在线色谱的数据进行关注，出现了偏差及时进行手动干预，以确保整个生产过程中氢浓度处于连续稳定可控状态。

由表1和图1可见，生产过程中无控制点越出控制界线，环管氢气浓度处于受控状态，对粉料产品的分子量分布无不利影响。

图1 2021年10月第一反应器氢气浓度控制

图2 Excel自动计算Cpk示意图

表1 2021年10月第一反应器氢浓度

2.添加剂的作用及加入量对产品的影响

(1)抗氧剂3114

抗氧剂3114是一种高效、无色污的空间受阻酚类氢供体类抗氧剂，与聚丙烯的相容性好，耐抽提性好，低挥发，且耐气熏褪色性好。在聚丙烯生产过程中，作为主抗氧剂使用[1]。

在生产过程中，由于抗氧剂3114堆密度较小，在使用单螺杆计量的失重秤中，较容易出现下料量不足或中断的现象。由于抗氧剂3114和固体降解剂作用相反，此时产品的熔融指数会在短时间内出现上升趋势，造粒机的各项参数也能迅速体现出该变化。抗氧剂3114下料速率增加时，相应的固体降解剂用量未增加，会导致产品熔融指数降低。

(2)抗氧剂168

抗氧剂168为亚磷酸酯类氢过氧化物分解剂。它挥发性低，耐水解性突出，有利于提高产品加工过程的抗氧化性，保护产品的色泽和机械性能，与其它抗氧剂配合使用效果最佳。其具有显著的协同增效作用，是H39S-3的辅助抗氧剂[1]。

在生产过程中，抗氧剂168因计量过程积攒的静电，较容易出现下料管线堵塞或无法从计量秤螺杆脱离的现象。由于抗氧剂168和固体降解剂作用相反，此时产品的熔融指数会在短时间内出现上升趋势，造粒机的各项参数也能迅速体现出该变化。抗氧剂168下料速率增加时，相应的固体降解剂用量未增加，会导致产品熔融指数降低。

(3)固体降解剂

固体降解剂一般是由10%～20%的过氧化物[2]（通常为2,5-二叔丁基过氧基-2,5-二甲基-己烷或二叔丁基过氧化物DTBP）与聚丙烯粉末在特殊加工条件下熔融共挤出得到的产物，厂家经过掺混后送至装置进行使用。其主要用于聚丙烯的可控流变改性，是控制产品熔融指数的最关键因素。

在生产过程中，固体降解剂任意量的变化和浓度的不稳定，均会造成熔融指数较大幅度的波动，若不及时加以调整，将会对产品的熔融指数造成较大的波动，影响产品质量的稳定性。

(4)硬脂酸钙(HA)

硬脂酸钙主要用作除酸剂，它是聚丙烯生产过程中基础稳定剂组合中的一个重要组分，对聚丙烯综合性能的提升贡献很大。HA主要用于去除齐格勒-纳塔催化剂聚合过程中残留的少量含氯化合物，防止金属设备（干燥器、造粒机或下游用户的模塑设备等）发生腐蚀。

在生产过程中，HA量的缺失或增加，不会直接体现在造粒机的运行参数上，其加入量的波动，是实际生产过程中最不容易被发现的因素。

3.生产过程中的熔融指数异常处理措施

H39S-3产品各项指标出现异常时，操作员的第一要务为切换至协议品料仓，然后再排查问题发生的原因。只有将导致的问题得到解决后，才可恢复至正常产品的生产。

(1)指数仪示数异常降低

20万吨/年聚丙烯装置造粒机配备有高灵敏度的在线熔融指数仪，能实时对产品的熔融指数进行监控，有利于指导操作员及时发现融指的变化。在线熔融指数仪正常工作时，示数应呈现微小的波动状态，一般在37±1g/10min范围内，若指数仪示数短时间内出现了较大的下降，说明降解剂的加入或其活性出现了问题。

此时操作员需要首先确认降解剂的批号是否发生了变化，不同批次的降解剂因厂家采购的原材料、生产、掺混及运输过程，可能会出现批次间活性波动较大的情况，在实际生产过程中将会导致产品的熔融指数出现较大的下降。可以通过及时调整降解剂的加入量和必要的加样分析，来确保产品熔融指数稳定。

此外，还需检查计量秤W804C的运行状态。降解剂因为管线堵塞、软连接破损、计量秤故障等因素，未加入到造粒系统中，将会导致降解剂量不足，不能产生足够的过氧化物自由基，降解深度不够。可以依据实际情况选择合适的处理方式。

(2)指数仪示数异常升高

若熔融指数仪示数出现了异常升高，升高后并能维持在一个相对稳定的高示数时，最大的可能性为抗氧剂未加入系统中，大量产生的自由基无法及时消除，造成碳链不受控断裂。重点需要排查的部位有：添加剂计量秤W804下料口是否被物料堵塞，计量秤是否故障停机，计量秤螺杆是否被物料塞满等。

若熔融指数仪示数出现了异常升高，并连续升高不封顶，最大的可能性为降解剂的加入量出现了问题。需要重点排查降解剂计量秤W804C的运行状态，以及降解剂的批号是否发生了变化。

(3)热降解对指数的影响

目前20万吨/年聚丙烯装置造粒机所使用的为100目滤网，使用周期大概为40天。更换新滤网时，滤网压差为1.9～2.0MPa，在相同工况运行40天后，滤网压差上升至3.2～3.5MPa，熔体温度也会上升约5℃，为避免过大的压差造成不必要的热降解，此时就需要停机进行换网作业。再次开机时，由于滤网压差下降，热降解程度降低，原有的降解剂浓度就不足以维持停机前的熔融指数，需适当提高300～500mg/kg才能保证产品质量的稳定。

(4)粉料计量秤示数偏差的影响

20万吨/年聚丙烯装置造粒机的添加剂计量系统，采用的是德国申克集团（Schenck Process）的计量系统。该系统存在一个不足，即所有添加剂的加入量，是依据聚丙烯粉料的理论计算值（W801计算值）和事先设定的配方进行计算的，而不是依据实际称重值进行计算。一般情况下，聚丙烯粉料的计算值和实际值相差不大，在实际运行过程中导致的降解剂下料量偏差可以忽略不计，但是由于W801为扭矩盘式计量秤，因此扭矩盘上会刮带聚丙烯丝料，影响粉料计量准确性。即当W801出现“挂料”时，粉料的实际下料量会降低，但是依据理论计算的降解剂和抗氧剂量不变，就会导致降解剂相对过量，易造成降解剂活性升高的假象。

为保证W801计量稳定，操作员每天都需要依据包装产量对W801进行标定。若W801偏差范围不大（一般＜0.5t/h），可以通过调整降解剂的加入量来保证产品的熔融指数在需要的范围内；若W801偏差范围过大，则说明W801扭矩盘上刮带的聚丙烯丝料太多，随时有脱落导致偏差不可控的风险，此时需要暂停造粒机进行清理后方可继续运行。

4.掺混粒料熔融指数Cpk下降处理措施

(1)Cpk算法

目前，制造业质量管理常采用过程能力指数（Cpk）模型，来评判产品质量和过程能力满足技术标准的程度[3-4]。

设产品生产批次为n，第i个批次的数量为ni，产品某一性能指标的指标值为xi，则该指标的平均值为：

将该指标的上限值记为USL，下限值记为LSL，则有：

为将管理前移，提前发现掺混指数异常可能对最终产品的影响，在20万吨/年聚丙烯装置造粒岗位，装置技术人员使用Excel办公软件将Cpk计算公式进行了转化，操作员只需要将成品的分析成绩和掺混指数输入，即可得出Cpk值。可在向包装送料前，判断该指数是否会影响全月或全年的Cpk值，简单高效。

(2)Cpk下降处理措施

在正常生产过程中，一旦出现了掺混粒料熔融指数出现异常波动，经过评估掺混粒料熔融指数Cpk值可能下降，应对该情况最直接有效的办法就是将该仓物料进行“分仓兑料”。即依据产品的掺混指数，结合Cpk计算公式的计算结果，合理确定分仓兑料的量值。

5.结语

H39S-3由于产品性能优异、质量稳定，被中石油集团公司评为化工合成树脂七大精品品牌首位，成为中石油精品培育项目产品。同时，H39S-3还是大连石化公司近些年重要的效益增长点。只有连续、稳定地生产高质量的聚丙烯产品，才能实现员工价值、企业效益、客户口碑的三赢。