SBS改性瀝青工藝管道堵塞的成因分析及對策

王文豐

（南京煉油廠有限責任公司，江蘇南京 210033）

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SBS改性瀝青工藝管道堵塞的成因分析及對策

王文豐

（南京煉油廠有限責任公司，江蘇南京 210033）

摘要：本文主要針對南煉SBS改性瀝青間歇式生產裝置中工藝管道發生堵塞的現象進行了討論。在對堵塞物的形貌初步分析的基礎上，找到堵塞物產生的原因。在此基礎上，通過改變工藝條件，如改善SBS剪切效果、減少與熱氧接觸時間、改變原料瀝青的加料方式和優化工藝管道伴熱條件等，減緩改性瀝青的老化，有效避免了管道堵塞物質的形成，保障了生產裝置的平穩運行。

關鍵詞：SBS改性瀝青；老化；堵塞；磨機；熱儲存

改性瀝青是通過把聚合物摻入道路瀝青中來改善瀝青的高、低溫性能，顯著提高路面抵抗高溫車轍和低溫開裂的能力，延長路面壽命、降低噪聲、提高行車舒適性和安全性，是一種技術含量和附加值較高的優質筑路材料。

南京煉油廠有限責任公司（簡稱“南煉公司”）的改性瀝青生產系統是以中石化金陵公司70號A級道路瀝青為原料利用SBS進行改性的。整個生產系統質量穩定，能很好的滿足市場質量要求。但隨著系統運行時間的增長，在成品罐進料管線中會出現彈性橡膠體顆粒和結塊（焦）等現象，甚至會造成管線堵塞，影響正常的生產操作。針對該現象，本文將對SBS改性瀝青生產系統進行分析，找出管線堵塞原因，提出解決問題的思路，進一步對生產工藝進行優化。

1　SBS改性瀝青生產工藝

1.1生產工藝原理

南煉公司的SBS改性瀝青的原料是中石化金陵公司70號A級道路瀝青，其主要技術指標如表1所示。

原料70號A級道路瀝青作為石油基質瀝青，是一種十分復雜的烴類及其衍生物的混合物，是石油中組成及結構最為復雜、相對分子質量最大的部分。除碳氫兩種主要元素外（碳含量在83%～87%之間，氫含量在10%左右），還有硫、氮、氧等雜原子。瀝青主要組分為飽和分、芳香分、膠質和瀝青質。其膠體體系結構圖如圖1所示。

表1　70號A級道路瀝青主要指標

圖1　石油基質瀝青膠體體系結構示意圖

改性劑高分子材料SBS是苯乙烯（S）-丁二烯（B）-苯乙烯（S）的嵌段共聚物，屬于一種橡塑共聚物。SBS分子結構分為線形和星形結構，其結構示意圖如圖2所示。SBS之所以能夠很好的改善瀝青的高低溫性能，主要是利用由聚苯乙烯組成的S段，這種大共軛體系中л電子云沒有軸對稱性，不能內旋轉，所以分子鏈的剛性極大，在高溫下不易變形，從而提高瀝青的高溫性能。由于SBS中的B段是丁二烯的聚合物，其主鏈是由C—C單鍵組成，柔順性非常好，在低溫下具有一定的彈性和流動性，因此可以改善瀝青的低溫抗裂性。生產中使用的SBS主要理化指標如表2所示。

圖2　SBS分子結構示意圖

利用SBS進行瀝青改性主要是通過化學交聯反應實現的。SBS作為一種熱塑性橡膠彈性體，在高溫熱瀝青中被軟化和溶脹；在膠體磨強烈剪切力的作用下，SBS被剪切成微米級顆粒而分散在瀝青中。由于SBS的密度較小，易于在瀝青中產生相分離，形成一種不穩定的網狀結構。穩定一定的時間后，再通過添加化學穩定劑，引發交聯反應，將原來不穩定的網狀結構轉化為穩定的空間互穿網絡結構，形成穩定的膠體體系，從而改善瀝青的高低溫性能、彈性恢復和延度等物理性能。

1.2生產工藝流程

南煉公司SBS改性瀝青生產流程主要分為聚合物的溶脹發育、剪切分散、反應交聯和成品發育等四個過程。首先，將原料70號道路基質瀝青利用導熱油加熱至175～190℃后送至原料中間罐，再用瀝青泵輸送至攪拌混料罐；在攪拌混料罐中，按照一定比例加入改性劑和相溶劑，混合均勻后送入磨機剪切工段進行研磨、剪切，之后輸送進入改性瀝青成品發育罐中，在發育罐中加入一定量的穩定劑后改性瀝青繼續發育，待發育完成并分析合格后，通過瀝青產品泵輸送至一常壓操作的成品罐儲存。生產流程示意圖如圖3所示。

圖3　SBS改性瀝青生產工藝流程示意圖

2　成品罐進料管道堵塞現象及成因分析

2.1管道堵塞現象

在SBS改性瀝青裝置穩定運行一段時間后，在生產過程中會出現磨機電流上升，出口管線壓力增高，裝置生產能力降低等非正常現象。在排除機械故障后，通過分析判定是由從磨機出口至成品發育罐進口之間的管線堵塞造成的。這段管線主要包括從磨機出口到成品發育罐底、再沿罐壁向上延伸至成品發育罐頂、進入成品發育罐內的管線，該段管線全程采用導熱油夾套伴熱。該段管線流程示意圖如圖4所示。

圖4　堵塞管段流程示意圖

2.2管道堵塞物形貌分析

為了進一步了解管線堵塞介質狀況，分析成因，找出解決堵塞問題的措施，對堵塞管線進行了機械割開、解剖分析，并對堵塞物質進行了相關試驗研究。

首先，在成品發育罐進罐閥外端發現瀝青中存在大小不等的絮凝狀的膠體顆粒。對部分膠體進行物理分析，發現該膠體富有彈性，能夠隨意拉伸且回彈到原狀，可以燃燒，并且燃燒時釋放出橡膠燃燒的氣味。該膠體與抽出油共混后，加熱溫度至100℃左右時，膠體開始溶解，繼續加熱攪拌，待溫度升高到180℃左右時，膠體的溶解率達到98%，這說明該膠體在加熱情況下可溶于抽出油。從以上分析，初步判斷膠體為橡膠結合體。

部分切開的堵塞管線的軸線剖面示意圖和橫切面圖如圖5和圖6所示。由圖可以看出，在管線中間存在柔軟有彈性的橡膠體。在管壁四周呈粘連膠狀物，敲擊時有粉末狀物質脫落。取樣并用有機溶劑溶解，結果顯示，在常溫下不可溶，升溫至230℃也不能溶解。

圖5　堵塞管道剖面示意圖

圖6　堵塞管線內焦狀物實況圖

2.3管線堵塞的成因分析

通過對管線中堵塞物的上述分析，根據其他研究者的研究結果［1～3］，可以初步認定管道堵塞是由于SBS改性瀝青老化所引起的。因為曹青霞等［2］認為溫度變化對瀝青老化性能具有重要影響，在溫度較高時分子之間發生縮合反應，導致小相對分子質量物質急劇減小，大相對分子質量物質快速增加造成瀝青老化。另外，何燕等［3］發現在高溫和光氧作用下，來自于基質瀝青和SBS的C—C鍵極易與氧反應生成羧基、酮、酯等含氧組分，導致軟化點增加、針入度減小，且易脫氫、縮合生成焦狀物，使改性瀝青焦質化、硬質化。

在南煉公司SBS改性瀝青生產系統中，成品發育罐是一常壓操作罐，在罐頂除了進料口外，還有通氣口、瀝青尾氣回收抽出口等接口，所以儲罐頂部與大氣是相通的。從磨機工段來的物料由成品發育罐頂進入儲罐，在改性瀝青物料進出罐的過程中會使氧氣進入。并且，進料管線是夾套伴熱，一直處于較高的溫度條件下。所以，在氧氣和高溫的共同作用下，管壁處改性瀝青中的輕組分揮發，芳烴、膠質進一步縮合向瀝青質轉化；同時改性瀝青發生離析，聚合物逐漸在接近罐頂入口管線處積聚，進一步發生氧化、斷鏈和縮合反應等，從而失去彈性，最終導致改性瀝青出現老化、硬化、結焦情況發生，進而阻塞管線。

3　防止管線堵塞的應對措施

在對SBS改性瀝青生產過程中膠狀物和焦狀物等堵塞物產生原因分析的基礎上，可考慮對生產過程控制和設備結構等方面進行優化，以改善生產過程中出現的管道堵塞等問題。

3.1減小SBS顆粒的研磨粒度

為了避免因SBS顆粒的析出而產生膠狀物，可加強對磨機剪切研磨的粒度的控制。若發現SBS顆粒較大且較多時，應及時調節膠體磨的動、靜磨機刀片間的間隙，在不影響磨機轉動的情況下，將間隙調小，改善剪切效果。同時，也可采用兩臺磨機串聯，增加研磨遍數，使得SBS顆粒明顯變小，從而提高SBS在基質瀝青中吸附、溶解能力，形成相互溶解的穩定膠體體系，最大程度減緩或避免SBS顆粒的析出進而產生膠狀物。

3.2減少改性瀝青產品與氧的接觸

由于改性瀝青成品發育罐為常壓罐，罐內瀝青煙氣經罐頂尾氣回收管線由尾氣風機抽出，后經無害化后排放。此過程中瀝青煙氣與空氣均被風機抽出，大量空氣通過儲罐通氣口不斷進入儲罐，導致改性瀝青長時間接觸氧氣而容易產生老化。為改變這一現象，可通過對風機電機增設變頻器實現儲罐尾氣出口壓力與風機轉速串級控制，確保罐頂維持微負壓，盡量減少空氣滲入，同時又不會導致罐體抽癟。所以，對罐頂的排放大氣口進行改造，設置合適耐壓值的爆破片，隔絕儲罐與大氣相通，最大程度的減少空氣滲入，減少與改性瀝青產品的接觸，同時又可作為防止罐體抽癟的保護措施，減緩改性瀝青的氧化老化。

3.3改變原料瀝青的加料方式

由于SBS改性瀝青的生產為間歇式生產，每批次生產結束后，工藝管線內積存的改性瀝青產品容易產生離析分層，在高溫條件下易發生老化。為了改變這一現象，在每批次生產投料時先預留少量原料瀝青，其余原料瀝青與加入的改性劑SBS進行反應；生產結束前將預留的那部分原料瀝青單獨進罐，用于沖洗改性瀝青的進罐管線，確保工藝管線中不含SBS改性瀝青，從而減少或避免SBS改性瀝青在工藝管道中的離析，受熱老化。

3.4降低管線伴熱介質溫度

由于溫度過高也會使SBS改性瀝青容易老化，考慮到磨機剪切設備和發育罐溫度需維持在175～180℃、而管道溫度只需維持瀝青正常流動溫度130℃即可，所以，在生產中將磨機剪切設備和成品發育罐的導熱油溫度維持在190～205℃，而生產管線的導熱油溫度維持在140℃～160℃。若長時間不生產時，則將生產管線的導熱油關閉，從而最大程度防止因局部溫度過高出現瀝青老化、結塊的現象。

4　小結

針對南煉化SBS改性瀝青間歇式生產裝置中工藝管道發生堵塞的現象，通過對堵塞物的形貌初步分析，找到堵塞物產生的原因。在此基礎上，采取一系列措施以改善管道堵塞等問題。采取的措施主要包括及時調整SBS改性劑的剪切研磨工藝參數提高SBS剪切效果，形成較為穩定的分散體系；減少或避免與熱氧接觸時間；改變原料瀝青的加料方式；適當降低工藝管道伴熱介質溫度等措施。通過上述工藝條件的改變，有效緩解和避免了工藝管道中彈性橡膠體和焦（塊）狀物的形成，避免管道堵塞，保障了裝置安穩長滿優運行。

參考文獻：

［1］陳華鑫，周燕．SBS改性瀝青老化后的動態力學性能［J］．長安大學學報（自然科學版），2009，3l（4）∶55-58．

［2］曹青霞，何兆益，李慶.SBS改性瀝青老化研究現狀綜述［J］.石油瀝青，2013，27（4）∶1-4.

［3］何燕，周維.SBS改性瀝青光老化性能試驗研究［J］．現代交通技術，2010，7（5）∶1-3．

The causation of pipeline blocking and its solution in process of SBS modified asphalt production

WANG Wen-feng
（Nanjing Refinery Co.，Ltd.，Nanjin，Nanjing Jiangsu 210033）

Abstract:The phenomenaof the pipe blockingin the process of SBS modified asphalt production in NanjingRefinery Co.was discussed.Through the analysis on the pipe blockage，the causation was found.Based on it，some effective measurements were proposed to slow the aging of SBS modified asphalt，such as adjusting the process parameters，reducingthermal oxygen contactingtime，changingthe feedingway of the asphalt，the heatingcondition of the pipe，and so on.

Keywords:SBS modified asphalt；aging；blocking；mill；thermal storage

doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.013

中圖分類號：TE626.8+6

文獻標志碼：B

文章編號：1008-1267（2016）01-0039-04

收稿日期：2015-11-05

作者簡介：王文豐（1974～），男，江蘇常州人，碩士，高級工程師。