超高分子量聚乙烯材料在石油化工企業(yè)的應(yīng)用

侯慧玉

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院 石化工程系,廣東 廣州 510075)

1 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)簡(jiǎn)介(性能與應(yīng)用)

眾所周知聚乙烯( PE)是目前產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的塑料品種之一， 約占世界塑料總產(chǎn)量的30% ，其中分子量高達(dá)150萬(wàn)以上的被稱為超高分子量聚乙烯(英文縮寫UHMWPE)，雖然它的分子結(jié)構(gòu)排列與普通聚乙烯完全相同，但由于它具有非常高的相對(duì)分子質(zhì)量(普通聚乙烯的相對(duì)分子質(zhì)量?jī)H為2～30萬(wàn))，從而賦予它許多普通聚乙烯沒(méi)有的優(yōu)異性能。具有其它塑料無(wú)可比擬的耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐低溫、自潤(rùn)滑、吸收沖擊能和衛(wèi)生無(wú)毒等綜合特性[1]。廣泛應(yīng)用于化工、石油、紡織、造紙、包裝、運(yùn)輸、機(jī)械、采礦、農(nóng)業(yè)、建筑、電氣、食品、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域，是一種性能優(yōu)異的新型工程塑料。

1.1 UHMWPE的性能[1-4]

(1) 在目前所有的工程塑料中，UHMWPE沖擊強(qiáng)度和耐磨性能均占首位。其抗沖擊強(qiáng)度是尼龍66的10倍，聚氯乙烯的20倍，聚四氟乙烯的8倍，是ABS 的5倍，且能在-196℃下保持，無(wú)論是外力強(qiáng)沖擊，還是內(nèi)部壓力波動(dòng)，都難以使其開(kāi)裂。UHMWPE管材， 在強(qiáng)腐蝕和高磨損條件下，使用壽命是鋼管的4～6倍，而且輸送效率提高20%。

(2) 優(yōu)良的抗老化性能和耐化學(xué)藥品性。性能穩(wěn)定，抗老化性好，地面、地下埋設(shè)均可，50年不老化。變形溫度為85 ℃ ， 熔點(diǎn)130～ 136℃，特殊情況下，允許在更高的溫度下使用。UHMWPE 具有非常優(yōu)良的耐低溫性能，可以用于低溫部件、管道以及核工業(yè)等低溫情況。在20℃和80℃的80 種有機(jī)溶劑中浸漬30d，外表無(wú)任何反常現(xiàn)象，其它物理性能也幾乎沒(méi)有變化。除強(qiáng)氧化性酸液外， 在一定溫度和濃度范圍內(nèi)能耐各種腐蝕性介質(zhì)(酸、堿、鹽)及有機(jī)介質(zhì)(萘溶劑除外)。

(3)自潤(rùn)滑性。其摩擦系數(shù)低，僅為0.07～0.11，故具有自潤(rùn)滑性。是一種理想的軸承、軸套、滑塊的內(nèi)襯材料。選用UHMWPE作為設(shè)備的摩擦部件，除可提高耐磨壽命外，還可收到節(jié)能效果。

(4) 優(yōu)良的憎水性。由于UHMWPE的分子鏈僅由碳?xì)湓亟M成，分子中無(wú)極性基團(tuán)，所以吸水率低，是工程塑料中最小的。UHMWPE與其它工程塑料性能比較見(jiàn)表1。

表1 UHMWPE其它工程塑料的性能比較

2 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料在石油化工企業(yè)的應(yīng)用

2.1 UHMWPE制品在石化企業(yè)設(shè)備零件上的應(yīng)用

利用UHMWPE的耐磨性、自潤(rùn)滑性和不粘性，在化工的包裝機(jī)械中廣泛應(yīng)用于導(dǎo)軌、傳送裝置的滑塊、固定塊、軸套等，還可用于各種不同形狀和結(jié)構(gòu)的滾輪、鏈輪、鏈節(jié)、鏈條、導(dǎo)桿、軸承、襯瓦、齒輪、柱塞等零件。使用這些UHMWPE 零件，可以降低噪音、提高工效[5]。UHMWPE 制成的鏈輪、鏈節(jié)、鏈條及組合鏈條，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。由于其優(yōu)點(diǎn)多，如產(chǎn)品質(zhì)量輕，減小了驅(qū)動(dòng)鏈條所需要的能源消耗、運(yùn)行成本及噪音，并改善了工作環(huán)境，使用壽命長(zhǎng)等，因而國(guó)內(nèi)的使用范圍將逐漸擴(kuò)大。

利用UHMWPE優(yōu)良的耐磨性和耐腐蝕性，可制作化工設(shè)備上的泵、閥門、法蘭、過(guò)濾器、攪拌漿、葉片、軸、軸承、軸套、墊片、噴嘴、密封填料、旋塞、絕緣塞、吹風(fēng)機(jī)收縮接頭等。有一種硫酸注射噴嘴，原來(lái)使用PP材料，改用UHMWPE后，壽命提高5倍。機(jī)械密封裝置中的152-35型彈簧座，要求耐磨和自潤(rùn)滑，采用UHMWPE零件替代原價(jià)格昂貴的填充PTFE材料，使用效果很好。

2.2 超高分子量聚乙烯化工泵的研制及應(yīng)用

超高分子量聚乙烯是一種新型的高分子聚合物。它的耐腐蝕性能和耐溫性能雖然及不上氟塑料, 但耐磨性能是至今已知的塑料中最好的。國(guó)外已有許多廠家用來(lái)制造化工泵, 以輸送硫酸、氟硅酸、磷酸和酸性料漿等含有少量固相成分的化工介質(zhì)。我國(guó)引進(jìn)的硫酸酸洗凈化裝置上已采用國(guó)外超高分子量聚乙烯臥式泵, 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好, 代替了以前用昂貴的路密特合金制造的泵。

90 年代初, 在化工部領(lǐng)導(dǎo)下， 化工部化工機(jī)械研究院、南化( 集團(tuán)) 公司磷肥廠和宜興工程塑料設(shè)備廠開(kāi)始研制流量為440 m3/h 的大流量超高分子量聚乙烯化工泵[5]。上海化工研究院研制的中小型超高分子量聚乙烯化工泵在設(shè)計(jì)上按ISO 2858 標(biāo)準(zhǔn), 采取后開(kāi)門帶中間聯(lián)軸器結(jié)構(gòu), 半開(kāi)式葉輪帶有徑向背葉片和平衡孔。其水力性能測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，化工介質(zhì)運(yùn)行試驗(yàn)證明該泵運(yùn)行可靠、噪聲低、振動(dòng)小、泄漏極微, 能滿足化工流程要求。泵的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到德國(guó)威爾納特泵公司的NKP50—315 型超高分子量聚乙烯泵水平，目均已在化工行業(yè)中得到應(yīng)用[6]。

2.3 UHMWPE管材在油氣管道運(yùn)輸中的應(yīng)用[7-8]

我國(guó)油田眾多，管道常處于惡劣酸性土壤、海水和天然鹽水的腐蝕中，管外被腐蝕，管內(nèi)含硫石油的侵入，鋼管的使用壽命一般只有幾個(gè)月。第一代的鋼管重量大，安裝維修困難，易銹蝕，易結(jié)垢、不保溫、不耐磨、壽命短、輸送成本高。第二代的玻璃鋼管不耐老化，不能承壓，綜合性能與強(qiáng)度不夠，不能全方位滿足石油開(kāi)采與輸送的需要。若用UHMWPE 輸油管道或UHMWPE 與鋼的復(fù)合管取代鋼管，則管道具有高強(qiáng)度、高抗沖擊、高耐腐蝕性，使用更安全，壽命更長(zhǎng); 保溫性好，自潤(rùn)滑性和高自潔作用可使原油中蠟質(zhì)黏結(jié)在管壁的幾率大大減少，輸送通暢; 低摩擦性使得原油的輸送阻力減小，輸送速度加快；加之保溫性能好，可節(jié)省加熱過(guò)程，降低能耗； 裝卸維修方便，降低勞務(wù)成本7]。

孫作東、于乃穎[8]根據(jù)原油輸送的特點(diǎn), 結(jié)合輸送原油對(duì)管道的要求, 以擠出成型制備的UHMWPE管為內(nèi)管, 鋼管為外管制得UHMWPE / 鋼復(fù)合管[7]。這種塑鋼復(fù)合管與目前輸油使用的鑄鐵( 鋼) 管、螺旋焊管、沙漿內(nèi)襯管、鋼骨架/ PE 復(fù)合管相比, 具有極高的性能價(jià)格比, 并且可以解決上述4 種管材在輸送原油過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題, 是輸送原油的理想管材, 具有廣闊的發(fā)展前景。隨著UHMWPE 管材生產(chǎn)技術(shù)的日漸成熟，其應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣。

2.4 UHMWPE管材在油井抽油的應(yīng)用

石油行業(yè)在鉆采石油、天然氣時(shí)，除需要鉆探機(jī)械設(shè)備外，還需要專用管材，即鉆柱、套管、油管等，統(tǒng)稱為“油井管”。由于行業(yè)的特殊性質(zhì)，所以在選用管材時(shí)都會(huì)用耐腐蝕較強(qiáng)的管道。有些油井壓力達(dá)到或超過(guò)100mPa，井底溫度超過(guò)200℃；有些油田是硫化氫、二氧化碳、負(fù)離子等共存的重腐蝕油氣。這樣的鉆采條件對(duì)油井管的要求很苛刻，一旦油井管選擇不當(dāng)，造成脫扣、壓潰和漏氣，將會(huì)使油井報(bào)廢。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)內(nèi)襯油管是在鋼制普通油管內(nèi)襯一層超高分子量聚乙烯(UHMWPE)管材，采用專用技術(shù)使襯管與鋼制油管緊貼在一起，形成“管中管”結(jié)構(gòu)。這種內(nèi)襯油管不僅可以解決油管偏磨、腐蝕、結(jié)臘等難題，同時(shí)由于其摩擦系數(shù)較低，還可降低油井光桿負(fù)荷、抽油桿柱底部應(yīng)力，延長(zhǎng)抽油桿柱的壽命。

吉林油田扶余采油廠于2005年在偏磨嚴(yán)重的油井中選取一口井進(jìn)行了UHMWPE內(nèi)襯復(fù)合管試驗(yàn)，從起初情況看，復(fù)合層無(wú)明顯磨損，抽油桿及接箍沒(méi)有發(fā)生磨損，不存在普通油管內(nèi)壁常見(jiàn)的腐蝕現(xiàn)象，油管內(nèi)無(wú)結(jié)蠟現(xiàn)象。大慶油田有限公司第七采油廠于2006年4月30日作業(yè)下井，日產(chǎn)液量提高了6t，清蠟周期延長(zhǎng)了1.87倍；據(jù)了解，勝利油田采用北京化工大學(xué)技術(shù)生產(chǎn)的內(nèi)襯特種復(fù)合油管在井下使用壽命達(dá)到5年以上[9]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，超高分子量聚乙烯板由于自身優(yōu)異的性能已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)的石油化工行業(yè)，尤其是石化機(jī)械設(shè)備零件原油、天然氣輸送管道等方面，隨著對(duì)超高分子量聚乙烯產(chǎn)品的不斷改性與開(kāi)發(fā)，超高分子量聚乙烯材料在石油化工企業(yè)將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。