高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)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(gè)過(guò)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(yīng)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(shè)備的工藝需求、通過(guò)對(duì)流量和壓力等參數(shù)的控制，通過(guò)管道、無(wú)二次污染、穩(wěn)定的輸送到工藝設(shè)備的用氣點(diǎn)。

其基本流程是：氣源→控制柜→管道傳輸→VMB→用氣點(diǎn)

1. 高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)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(jià)格優(yōu)勢(shì)。

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

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

3. 減壓閥進(jìn)出口氣體壓力要求

• 進(jìn)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(jí)。

• 出口氣體壓力，選擇合適范圍，避免過(guò)大或過(guò)小。建議使用范圍應(yīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在氣體使用過(guò)程中，隨著氣源壓力由高壓變?yōu)榈蛪海瑴p壓閥的出口氣體壓力會(huì)升高1-2bar左右。若氣體使用點(diǎn)要求穩(wěn)定的氣體壓力，建議安裝二級(jí)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(shuō)明，當(dāng)氣體流量較低時(shí)，減壓閥出口壓力較穩(wěn)定。一旦流量增加，出口壓力便會(huì)降低。所以，我們可根據(jù)用氣點(diǎn)對(duì)氣體壓力穩(wěn)定性的不同要求，選擇不同范圍的流量。通過(guò)比較流量曲線來(lái)選擇合適的減壓閥。

6. 一級(jí)減壓閥、二級(jí)減壓閥

一級(jí)減壓閥，為雙表頭，用于氣瓶出口的高壓氣體調(diào)節(jié)。

二級(jí)減壓閥（使用點(diǎn)調(diào)壓閥），為單表頭。

通過(guò)兩級(jí)調(diào)壓，可以使用氣點(diǎn)壓力更穩(wěn)定。

7. 雙級(jí)減壓閥

兩個(gè)調(diào)壓閥閥體集成在一起，一級(jí)調(diào)壓預(yù)設(shè)為中等壓力，然后經(jīng)二級(jí)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(chǎng)合。

高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)選型分析氣體儲(chǔ)運(yùn)要求

保證氣體在存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用過(guò)程中不會(huì)被二次污染，對(duì)氣瓶?jī)?nèi)部、內(nèi)壁表面的處理涉及多項(xiàng)工藝，均依賴于長(zhǎng)期的行業(yè)探索和研發(fā);此外，對(duì)于某些具有高毒性或危險(xiǎn)性的氣體，需要使用負(fù)壓氣瓶?jī)?chǔ)運(yùn)，以減少危險(xiǎn)氣體泄露風(fēng)險(xiǎn)。

高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)選型分析高純氣體系統(tǒng)種類：

1. 簡(jiǎn)單供氣系統(tǒng)

簡(jiǎn)供氣系統(tǒng)主要針對(duì)4英寸及以下半導(dǎo)體芯片廠、半導(dǎo)體材料的科研機(jī)構(gòu)以及一些單臺(tái)的工藝設(shè)備等。它們的制程簡(jiǎn)單，通常不需要連續(xù)性供氣，對(duì)氣體供應(yīng)系統(tǒng)的投資預(yù)算低。

2. 常規(guī)供氣系統(tǒng)

常規(guī)供氣系統(tǒng)主要應(yīng)用于4-6英寸 大規(guī)模集成電路廠，50MW以下的太陽(yáng)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(yáng)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(shè)備，用氣需求量大，對(duì)穩(wěn)定和不間斷供應(yīng)、純度控制和安全生產(chǎn)提出的要求。可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，自動(dòng)氮?dú)獯祾撸詣?dòng)真空輔助放空;多重安全防護(hù)措施，泄漏偵測(cè)，遠(yuǎn)程緊急切斷;專用氮?dú)獯祾咂鹪吹鹊取?/p>

高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)選型分析高純供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guò)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(duì)于某些高腐蝕性的氣體如CL2等，采用經(jīng)過(guò)特殊處理的耐腐蝕強(qiáng)的EP管 。

2.主管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在確定好氣體房和用氣點(diǎn)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(jiǎn)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(jī)臺(tái)用氣點(diǎn)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(shè)計(jì)了備用系統(tǒng)。由于氣體本身的危險(xiǎn)性，許多地方采用把管道鋪設(shè)在電纜橋架里，對(duì)于穿墻或穿過(guò)夾道的地方，周圍有危險(xiǎn)源和經(jīng)常有危險(xiǎn)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(duì)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(huì)考慮配置高精度的壓力變送器、電子秤、溫控器等。在機(jī)臺(tái)用氣點(diǎn)也都配置了質(zhì)量流量計(jì)，壓力調(diào)節(jié)閥。對(duì)于劇毒、高反應(yīng)性和自燃?xì)怏w，應(yīng)使用雙套管輸送。同時(shí)管道的設(shè)計(jì)要采用零死區(qū)設(shè)計(jì)，即整個(gè)管道系統(tǒng)從氣柜到到用氣點(diǎn)，要點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，中間不允許有在氣體置換時(shí)有殘留空氣的死角。因此，整個(gè)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(shè)計(jì)

氣體柜或控制面板在安裝和運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中由于搬運(yùn)和震動(dòng)，閥門、接頭、過(guò)濾器等的更換、或其他原因、需要對(duì)其重新進(jìn)行高壓氣密性試驗(yàn)和氦檢，氣體的置換也需要用到高壓氮?dú)饣蚝猓蕴貧夤裥柙O(shè)計(jì)接入高壓惰性氣體氦氣或氮?dú)狻Ｒ话氵x擇在特氣房設(shè)置一臺(tái)或多臺(tái)惰性氣體柜。

高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)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(dòng)軌道焊接，同時(shí)制定和實(shí)施嚴(yán)格的超高純施工和QA/QC保證程序，對(duì)施工的質(zhì)量和程序進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和管理。最后整個(gè)系統(tǒng)還要進(jìn)行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測(cè)、以及其他要求做的氣相雜質(zhì)的測(cè)試。

單級(jí)式不銹鋼膜片減壓結(jié)構(gòu)，輸出壓力穩(wěn)定，適用于純凈氣體、標(biāo)準(zhǔn)氣體、腐蝕性氣體等。

高純氣體不銹鋼減壓閥設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

• 單級(jí)式減壓結(jié)構(gòu)

• 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(jié)構(gòu)易吹掃

• 內(nèi)設(shè)過(guò)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(shí)驗(yàn)室

• 氣相色譜儀

• 氣體激光器、照明

• 氣體匯流排、太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品

• 石油化學(xué)工業(yè)

• 測(cè)試設(shè)備

• 壓力表刻度單位：PSI/BAR或MPA可選

• 進(jìn)、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(guò)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(cè)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(shè)計(jì)選型分析施工管理和現(xiàn)場(chǎng)施工的幾個(gè)注意點(diǎn)

項(xiàng)目管理人員和施工人員都要進(jìn)行施工安全和施工質(zhì)量的培訓(xùn),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(shí),從而加深對(duì)特種管道施工質(zhì)量重要性的認(rèn)識(shí)。

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(duì)管道施工人員要進(jìn)行各種角度下的彎管培訓(xùn)，對(duì)焊工也必須進(jìn)行焊接程序的培訓(xùn)，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(guò)考試，由專門的質(zhì)量管理人員確認(rèn)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(xùn)的重點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)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(zhǔn)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(yù)制好的管道，管口是不是封好;(管道封口應(yīng)套上管帽，再采用EP管完好的內(nèi)包裝袋割下15-20公分長(zhǎng)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(gè)焊縫都必須仔細(xì)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(jìn)行焊接施工，每天的施工結(jié)束后還必須做一個(gè)末試樣，以確認(rèn)今天的焊接作業(yè)是否存在焊接隱患。每次電源變更的時(shí)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(shè)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(jié)束管道內(nèi)都要處于沖氣保護(hù)的狀態(tài)，但在不進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)可適當(dāng)調(diào)小管內(nèi)氣壓。但對(duì)要求不是很高的施工，為了降低成本，每天的焊接結(jié)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(duì)輸送強(qiáng)腐蝕性氣體的耐腐蝕性強(qiáng)的VM管進(jìn)行對(duì)接施焊時(shí)，其充氣時(shí)間必須要達(dá)到4-5分鐘，而且必須不間斷充氣。

2.高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)選型分析系統(tǒng)檢測(cè)

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

高純氣體減壓閥設(shè)計(jì)選型分析設(shè)計(jì)規(guī)范及參考：

GB50646-2020 《特種氣體系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》

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(shù)監(jiān)察與規(guī)程-工業(yè)管道》

GB50316-2000 《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》

GB50236-2011 《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)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(yàn)收規(guī)范》

GB4962-2008 《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)范》

GB50493-2009 《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》