高純氣體減壓閥設計選型分析

高純氣體減壓閥設計選型分析

高純氣體是指純度在5N(99.999%)以上的氣體，高純氣體系統(tǒng)則是指高純氣體的控制、輸送、分配、管理的整個過程。高純氣體根據(jù)氣體性質(zhì)不同一般分為：惰性氣體、易燃易爆氣體、有毒氣體和腐蝕性氣體;根據(jù)供應包裝的不同分為：特種氣體和大宗特種氣體。

高純氣體系統(tǒng)及輸送流程：

高純氣體輸送系統(tǒng)是指：將特種氣體從氣源端、根據(jù)工藝設備的工藝需求、通過對流量和壓力等參數(shù)的控制，通過管道、無二次污染、穩(wěn)定的輸送到工藝設備的用氣點。

其基本流程是：氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點

1. 高純氣體減壓閥設計選型分析的類型

2. 減壓閥的材質(zhì)

• 銅鍍鉻或黃銅：
  常用于純度要求不高的工業(yè)氣體和高流速氧氣，具有價格優(yōu)勢。

• SS316L不銹鋼：
  適用于高純氣體、超高純氣體、反應活性氣體、腐蝕性氣體、毒性氣體。

在選擇減壓閥材質(zhì)時，必須確認材質(zhì)與氣體的兼容性，包括減壓閥密封材料。

3. 減壓閥進出口氣體壓力要求

• 進口氣體壓力，需根據(jù)最大氣源壓力考慮減壓閥的壓力等級。

• 出口氣體壓力，選擇合適范圍，避免過大或過小。建議使用范圍應選用全量程的 1/3 ～ 2/3 為宜。

4. 減壓閥出口氣體壓力穩(wěn)定性要求

由于減壓閥自身的結構特點，在氣體使用過程中，隨著氣源壓力由高壓變?yōu)榈蛪?，減壓閥的出口氣體壓力會升高1-2bar左右。若氣體使用點要求穩(wěn)定的氣體壓力，建議安裝二級減壓閥，保持穩(wěn)定的氣體壓力輸出。

5. 減壓閥的流量選擇要求

如下圖舉例說明，當氣體流量較低時，減壓閥出口壓力較穩(wěn)定。一旦流量增加，出口壓力便會降低。所以，我們可根據(jù)用氣點對氣體壓力穩(wěn)定性的不同要求，選擇不同范圍的流量。通過比較流量曲線來選擇合適的減壓閥。

6. 一級減壓閥、二級減壓閥

一級減壓閥，為雙表頭，用于氣瓶出口的高壓氣體調(diào)節(jié)。

二級減壓閥（使用點調(diào)壓閥），為單表頭。

通過兩級調(diào)壓，可以使用氣點壓力更穩(wěn)定。

7. 雙級減壓閥

兩個調(diào)壓閥閥體集成在一起，一級調(diào)壓預設為中等壓力，然后經(jīng)二級減壓后，出口壓力非常穩(wěn)定。常用于把減壓閥直接連到鋼瓶出口且需要很穩(wěn)定的供氣壓力的場合。

高純氣體減壓閥設計選型分析氣體儲運要求

保證氣體在存儲、運輸、使用過程中不會被二次污染，對氣瓶內(nèi)部、內(nèi)壁表面的處理涉及多項工藝，均依賴于長期的行業(yè)探索和研發(fā);此外，對于某些具有高毒性或危險性的氣體，需要使用負壓氣瓶儲運，以減少危險氣體泄露風險。

高純氣體減壓閥設計選型分析高純氣體系統(tǒng)種類：

1. 簡單供氣系統(tǒng)

簡供氣系統(tǒng)主要針對4英寸及以下半導體芯片廠、半導體材料的科研機構以及一些單臺的工藝設備等。它們的制程簡單，通常不需要連續(xù)性供氣，對氣體供應系統(tǒng)的投資預算低。

2. 常規(guī)供氣系統(tǒng)

常規(guī)供氣系統(tǒng)主要應用于4-6英寸 大規(guī)模集成電路廠，50MW以下的太陽能電池生產(chǎn)線，發(fā)光二極管的芯片工序線以及其它用氣量中等規(guī)模的電子行業(yè)。對氣體純度控制的要求不苛刻，系統(tǒng)配備在滿足安全的前提下盡量簡單，節(jié)省投資。

3.大宗特氣供氣系統(tǒng)

大規(guī)模供氣系統(tǒng)主要針對大規(guī)模量產(chǎn)的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規(guī)模集成電路廠(氣體種類包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等)，100MW以上的太陽能電池生產(chǎn)線(氣體種類包括NH3)，發(fā)光二極管的磊晶工序線(氣體種類包括NH3)、5代以上液晶顯示器工廠(氣體種類包括SIH4、CL2、NH3、NF3)等、光纖(氣體種類包括SiCl4)、硅材料外延生產(chǎn)線(氣體種類包括HCL)等行業(yè)。它們的投資規(guī)模巨大，采用的工藝制程設備，用氣需求量大，對穩(wěn)定和不間斷供應、純度控制和安全生產(chǎn)提出的要求?？蓪崿F(xiàn)自動切換，自動氮氣吹掃，自動真空輔助放空;多重安全防護措施，泄漏偵測，遠程緊急切斷;專用氮氣吹掃起源等等。

高純氣體減壓閥設計選型分析高純供氣系統(tǒng)設計

1.材料的選擇

特氣管路系統(tǒng)普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道，閥門一般采用高純調(diào)壓閥、隔膜閥、高精密過濾器、(<0.003微米)、VCR接頭等。接觸氣體的管路部件表面粗糙度可控制在5uin。對于某些高腐蝕性的氣體如CL2等，采用經(jīng)過特殊處理的耐腐蝕強的EP管 。

2.主管路系統(tǒng)的設計

在確定好氣體房和用氣點以后,主管路系統(tǒng)一般遵循管道線路最短,拐彎最少,布置緊湊合理,給人簡單美觀的感覺。輸送系統(tǒng)的數(shù)量和管徑的大小一般根據(jù)機臺用氣點的多少和流量大小確定，基本都采用小管徑輸送(1/4-3/4)而且多設計了備用系統(tǒng)。由于氣體本身的危險性，許多地方采用把管道鋪設在電纜橋架里，對于穿墻或穿過夾道的地方，周圍有危險源和經(jīng)常有危險作業(yè)的地方，露天的地方管道一般布置在全封閉的橋架里。

對于低蒸汽壓氣體(WF6，DCS，BCl3，C5F8，ClF3等)，需要考慮鋼瓶加熱，氣體面板加熱，管道伴熱等。為了精確控制流量，在氣源端一般會考慮配置高精度的壓力變送器、電子秤、溫控器等。在機臺用氣點也都配置了質(zhì)量流量計，壓力調(diào)節(jié)閥。對于劇毒、高反應性和自燃氣體，應使用雙套管輸送。同時管道的設計要采用零死區(qū)設計，即整個管道系統(tǒng)從氣柜到到用氣點，要點對點，中間不允許有在氣體置換時有殘留空氣的死角。因此，整個管路系統(tǒng)中由完成氣體的分配，中間沒有三通。最后管道還要有良好的接地。

3、輔助系統(tǒng)的設計

氣體柜或控制面板在安裝和運輸?shù)倪^程中由于搬運和震動，閥門、接頭、過濾器等的更換、或其他原因、需要對其重新進行高壓氣密性試驗和氦檢，氣體的置換也需要用到高壓氮氣或氦氣，所以特氣柜需設計接入高壓惰性氣體氦氣或氮氣。一般選擇在特氣房設置一臺或多臺惰性氣體柜。

高純氣體減壓閥設計選型分析高純供氣系統(tǒng)施工

高純氣體管道的施工采用全自動軌道焊接，同時制定和實施嚴格的超高純施工和QA/QC保證程序，對施工的質(zhì)量和程序進行嚴格的監(jiān)控和管理。最后整個系統(tǒng)還要進行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測、以及其他要求做的氣相雜質(zhì)的測試。

單級式不銹鋼膜片減壓結構，輸出壓力穩(wěn)定，適用于純凈氣體、標準氣體、腐蝕性氣體等。

高純氣體不銹鋼減壓閥設計特點：

• 單級式減壓結構

• 母體與膜片采用硬密封形式 （可抽真空）

• 母體螺紋：1/4" NPT（F）

• 內(nèi)部結構易吹掃

• 內(nèi)設過濾網(wǎng)

• 可采用面板式或墻式安裝

高純氣體不銹鋼減壓閥適用范圍：

• 實驗室

• 氣相色譜儀

• 氣體激光器、照明

• 氣體匯流排、太陽能光伏產(chǎn)品

• 石油化學工業(yè)

• 測試設備

• 壓力表刻度單位：PSI/BAR或MPA可選

• 進、出接頭根據(jù)客戶要求配置

高純氣體不銹鋼減壓閥材質(zhì):

• 母體:316L , Brass （銅鍍鎳）

• 上蓋:316L , Brass （銅鍍鎳）

• 膜片:316L

• 過濾網(wǎng):316L(10μm)

• 閥座:PCTFE,PTFE,

• 彈簧:316L

• 閥芯頂桿:316L 

接口：CGA330、CGA350、CGA580、CGA590、CGA660等

高純氣體不銹鋼減壓閥特性參數(shù):

• 最大輸入壓力： 0-20MPa

• 輸出壓力： 0～0.17， 0～0.35，0～1,  0～1.7，0～3.5MPa可調(diào)（根據(jù)客戶要求）

• 安全測試壓力： 1.5 倍的最大輸入壓力

• 適用溫度: -40°F ~+165°F(-40℃至+74℃)

• 泄漏率:2×10-8 atm cc/sec He

• Cv 值:0.08

• 重量1.2kg

1.高純氣體減壓閥設計選型分析施工管理和現(xiàn)場施工的幾個注意點

項目管理人員和施工人員都要進行施工安全和施工質(zhì)量的培訓,了解特種管道的施工作業(yè)要求和規(guī)范,了解高純氣體的基本知識,從而加深對特種管道施工質(zhì)量重要性的認識。

特氣管道一般采用小管道輸送，為了降低成本，管道采用直接用彎管器煨彎的方式，彎管器一般采用5-10倍的，但不小于5倍。因此對管道施工人員要進行各種角度下的彎管培訓，對焊工也必須進行焊接程序的培訓，熟悉各種焊接參數(shù)的調(diào)整，最后管工和焊工都必須經(jīng)過考試，由專門的質(zhì)量管理人員確認合格后，發(fā)給作業(yè)許可證后方可施工，這也是QA/QC保證程序的組成部分。也是施工程序中人員培訓的重點。

現(xiàn)場的質(zhì)量管理人員要做好材料的質(zhì)量檢查記錄和每天的施工質(zhì)量檢查記錄，包括管工彎管的質(zhì)量，尺寸是否準確，管道是否有劃傷，彎頭是不是壓得太扁;拆除包裝的管道，預制好的管道，管口是不是封好;(管道封口應套上管帽，再采用EP管完好的內(nèi)包裝袋割下15-20公分長套在管口折回后用潔凈膠帶纏好;如果沒有管帽，則采用套一層內(nèi)包裝袋用膠帶封好，然后外面再套一層，也用膠帶封好。)焊工的焊縫是否符合質(zhì)量要求，每個焊縫都必須仔細檢查，并作好焊接作業(yè)者和焊接數(shù)量記錄。

焊工每天在焊接前必須先作焊接試樣，經(jīng)檢查合格后方可進行焊接施工，每天的施工結束后還必須做一個末試樣，以確認今天的焊接作業(yè)是否存在焊接隱患。每次電源變更的時候，都必須重新作試樣。焊接試樣要附上焊接參數(shù)。每天的焊接試樣要妥善保存。(焊縫質(zhì)量的檢查主要有焊縫的寬笮度、焊縫的內(nèi)外均勻度、焊縫的凹凸度、是否氧化、其他不允許的缺陷)

架設到管架上的管道，在焊接作業(yè)開始后就要采取不間斷充氣的方式，即從施工開始到施工結束管道內(nèi)都要處于沖氣保護的狀態(tài)，但在不進行焊接作業(yè)時可適當調(diào)小管內(nèi)氣壓。但對要求不是很高的施工，為了降低成本，每天的焊接結束后，把兩端用管帽和潔凈膠帶封死。在這里要特別提出的是對輸送強腐蝕性氣體的耐腐蝕性強的VM管進行對接施焊時，其充氣時間必須要達到4-5分鐘，而且必須不間斷充氣。

2.高純氣體減壓閥設計選型分析系統(tǒng)檢測

特氣管道施工結束后都需要進行壓力檢測，氦檢漏，顆粒度和水分、氧分測試。壓力檢測一般采用比較精密的圓盤式壓力檢測儀或電子檢測儀，不用壓力表。這樣大大提高了檢測的精密度。水、氧測試采用水氧分析儀;顆粒度測試目前基本采用激光顆粒測試儀，精度達到0.1微米;而對要求更高的采用核凝結技術(CNC)它可達到0.01微米。其它氣相雜質(zhì)的測試根據(jù)具體要求確定。

高純氣體減壓閥設計選型分析設計規(guī)范及參考：

GB50646-2020 《特種氣體系統(tǒng)工程技術標準》

GB/T20801-2006 《壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道》

TSG D0001-2009 《壓力管道安全技術監(jiān)察與規(guī)程-工業(yè)管道》

GB50316-2000 《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》

GB50236-2011 《現(xiàn)場設備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》

GB9448-1999 《焊接與切割安全》

GB50235-2010 《工業(yè)金屬管道工程施工及驗收規(guī)范》

GB4962-2008 《氫氣使用安全技術規(guī)范》

GB50493-2009 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規(guī)范》