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浅谈特气的安全运行与管理
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作者:李建辉 张宁 李爽 许浩宾 

来源:《中国新技术新产品》2017年第06期    

 

随着国内半导体及光伏行业的快速发展,对于高纯气体尤其是高纯特种气体的需求量及气体质量要求越来越高。而特种气体大都具有有毒、易燃易爆、高腐蚀性、高氧化性等性质,如H2Se、SIH4、CL2、NF3等。因此如何安全、稳定、可靠地贮存和输送特种气体越来越受到企业重视。 

 

一、特气在运行管理中的几种分类方法 

特种气体是指那些在特定领域中应用的,对气体有特殊要求的纯气、高纯气或由高纯单质气体配制的二元或多元混合气。特种气体的性质是一切安全运行与管理的基础。在储存、操作、处置气体之前必须了解该特气的MSDS,即材料安全数据表。依据MSDS特气可以有多种分类方式。为了便于运行管理特气,介绍以下几种分类方法。         

 

1.按特气在压力容器中的状态分类 

特气在运输、储存、输送过程中都充装在压力容器中。气体在压力容器中将填充到所有角落,且对容器的器壁压力是均衡的。 在一般填充压力和温度下始终保持气体形式存在的称之为永久性气体,而发生液化现象的气体,称之为液化气。液化气又分为两种类型,高压液化气如:HCL、N2O;低压液化气如:NH3、CL2、PH3。由于在使用永久性气体时压力容器内的压力将逐渐降低,而在使用液化气时,压力容器内只要有液体存在则压力不会发生变化,因此在气体运行管理中,监控永久性气体残余量的方法为压力监控,而监控液化气的残余量需加装电子称,采用重量监控的方法。         

 

2.按特气比重分类 

比重也称相对密度,气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。在特气运行管理中,气体比重可以用该气体分子量直观体现。空气的分子量为28.8,以空气分子量为分界点,工业中常见的比空气轻的气体有:H2、He、NH3、CH4等等;比空气重的气体有:AsH3、PH3、SIH4、CF4等等。这两类气体的运行管理方式是不同的,比如气柜内比空气轻的气体的抽风位置和气体采样点在钢瓶上方,而比空气重的气体的抽风位置和气体采样点在钢瓶下方。需注意的是运行管理中的气体一般都在非标准状况下,因此与空气分子量接近的气体随着温度的不同会有例外,如常温或高温N2会比空气轻。而冷的N2会比空气重。         

 

计算混合气的分子量,首先确定混合气的气体组成及各组成气体的分子量。比如计算1%PH3/He的分子量,PH3分子量为34,He分子量为4,计算公式如下:34×0.01+4×0.99=4.3         

 

3.按特气的化学性质分类 

依据其化学性质,特气可分为惰性气体、可燃性气体、自燃性气体、氧化性气体及腐蚀性气体几种。 工业上常用的惰性气体有CF4、C4F8、SF6、Ar、CO2、He、Xe、Ne等;可燃性气体有AsH3、B2H6、NH3、TEOS、TMB;自燃性气体有SiH4、PH3等;氧化性气体有NO、NF3等;腐蚀性气体有HCl、HBr、BCl3、BF3、SiCl4、POCl3、PF3、PF5等。值得注意的是,很多特气都同时兼具以上两种性质,如SiH2Cl2、SiHCl3同时具有可燃性和腐蚀性。再如Cl2、F2同时具有腐蚀性和氧化性。 

 

一般半导体、光伏等行业在其主体厂房一层都建有专门的特气房,并根据所用气体的种类和性质划分不同的气体间。如果厂房所用特气为高毒、易燃易爆且存储量达到一定值时,则需在离厂房安全距离以外的区域建立气站为产线供气。

气站内根据特气的分类划分不同气体间,如惰性气体间、可燃性气体间、自燃性气体间、腐蚀性气体间。各气体间选择不同的特气供应设备、特气监测设备及防护设施。如惰性气体间需安装氧气侦测器,实时监控房间内氧气浓度,若低于安全限制能及时报警。由于可燃及自燃性气体一旦发生泄漏,则存在爆炸的风险,因此可燃及自燃性气体间在设计上需考虑防爆、消防灭火设施等因素,同时其供应设备内也应配制火焰探测器或者温度探头。 

 

 

特气根据其性质进行分区管理,不但便于特气运行人员日常操作,发生异常情况能及时处理,而且一旦发生事故则可降低事故风险,减小叠加伤害。         

 

二、特气输送系统简介 

由于特气的性质及用量不同,特气系统的输送方式有多种,但绝大部分特气输送系统都由以下5个部分组成。 

 

1.供气设备(BSGS、GC、GR)         

①BSGS(大宗特气输送系统)

此系统与大宗特气气源连接,通过全自动控制为工艺设备精确高效的输送和供应特种气体。全自动大宗特气输送柜主要有3部分:内部的气盘、输送柜柜壳及柜体上方的可编程控制器。气盘是输送柜内部的主体结构,主要由面板、气动阀、调压阀、压力传感器及真空发生器等构成。其外壳主要由冷轧钢板及安全玻璃构成,具有防爆防漏的功能。柜体上部为可编程控制箱。 

 

其设备原理:将两瓶工艺上需使用的特种气体的Y-钢瓶(以下简称A、B气瓶)放置于气体房中,气瓶与输送柜连接,通过控制箱控制气动阀门的开启及关闭来达到送气的目的。另外将一瓶高纯氮气钢瓶(以下简称C气瓶)置放于输送柜中,用于吹扫盘面。将A气瓶的阀门打开后,点击控制箱的触摸屏通知控制箱气瓶已开,控制箱的电磁阀即会接收到信号输送压缩空气等气动气源来开启气盘的气动阀,气动阀一经开启,气瓶中的特气即会经过调压阀、过滤器等处理后被送至后段设备。当A气瓶中的气量达到最小设定量时,磅秤或压力传感器会测量并发送信号,通知控制箱关闭电磁阀,电磁阀停止输送气动气源,则气动阀关闭,A气瓶中的气体输送停止。同时控制箱发送信号开启控制B气瓶的电磁阀,则与前述控制A气瓶的电磁阀被开启一样,最终实现B气瓶的气体被输送至后段。如此实现气柜自动切换A/B气瓶并自动供气的核心功能。操作人员可在撤换A或B气瓶的时候开启C气瓶中的吹扫氮气对设备管路进行吹扫,保证管路的纯净度。         

 

②GC(气柜) 

GC的工作原理与BSGS相同,但GC的密封性更好,且钢瓶是放在气柜内的。GC有更强的防爆功能。但GC的气体流量没有BSGS大,其使用的阀门管道等配件尺寸都小于BSGS。  

       

③GR(特气架) 

GR主要用于惰性气体的输送,GR内主要部件和GC大体一致,减少了柜体和一些电子传感器件,同时没有自动吹扫功能,钢瓶交换过程主要由人手动操作完成。         

 

2.气体分配设备(VMB、VMP) 

当多台工艺设备均使用某一种特种气体时,行业内使用VMB(阀门分配箱)或者VMP(阀门分配盘)将集中供气气源通过多条支路上的阀门等装置分流到各个工艺设备供其使用特气。 

VMB与VMP的工作原理相同,只是VMB多一个外壳,增加其密封性,且装有排风设施保持柜体内负压。VMP一般输送惰性气体,VMB则输送有毒有害、易燃易爆的气体。      

   

3.尾气处理设备 

特气供气设备在进行钢瓶交换时都要进行管道吹扫操作,如所供特气为有毒、腐蚀性及易燃易爆的气体时,则吹扫排出的气体不能直接排放,需要经过尾气处理装置处理符合环保标准后才能排放。有毒、腐蚀性及易燃易爆的气体在经过工艺设备使用后也需要做相应地处理,才能安全排放。 

 

4.特气监控及侦测系统(GMS、GDS) 

GMS是对气体设备运行状态的实时监控和记录,例如输送压力如何,设备有无异常、警报等。同时GMS具有多种历史查询功能,可反馈记录时间内任一时段的压力曲线、报警记录等。 

 

GDS主要由气体探测器、报警控制器和装有专门软件的计算机组成。报警控制器通过PLC联动控制特气设备气动阀的电磁阀,并发出声光报警。某些GDS的报警控制器还联动相应的风机,一旦特气泄漏除了自动关闭特气设备供气阀门外,还能启动该房间的强制排风。特气中的惰性气体无需对应的气体侦测器进行监控,只检测所在环境中的氧气浓度。而对于工艺设备而言,当使用多种有毒、易燃易爆或腐蚀性的特气时,需配备多种对应的气体侦测器。         

 

GMS及GDS系统一般设置一级报警和二级报警两个级别,对应黄色和红色声光警报。GMS系统中警报的设定值一般是根据工艺要求的特气输送压力来设定的,而GDS的警报值是根据该特气的TLV值来设定的。一般GDS系统一级警报的设定值为该特气的TLV值的一半,二级警报的设定值为该特气的TLV值。         

5.特气输送管道 

特气的输送管道是由具备专门气体管路焊接资质的人员才能进行焊接的,管道焊接安装完成后,需经过专业的技术人员进行5项测试,如保压、氦检、颗粒测试、水分测试、氧份测试。对于输送腐蚀性气体的管道还要进行钝化操作。 

特气输送管道的材质和接头形式也有指定要求,目前特种气体多使用SUS316L EP级不锈钢管,接头形式为VCR方式。对于高毒特气需使用双套管的形式来输送,内管与外套管之间进行抽真空操作,并安装负压表实时监控其真空度。内管采用EP级不锈钢管,外套管可采用BA级不锈钢管。对于特气中的惰性气体也一般采用BA级不锈钢管。

 

三、特气安全运行与管理中需注意的事项         

1.严格按照安全操作规程作业 

特气系统在投入使用前,安全的设计理念已贯穿其中,并且特气系统的操作和维护都有相应的标准操作规程。特气系统日常操作如换瓶、维护等都要双人作业,通过监督以确保人员每一步操作遵照安全步骤进行。虽然如此,人的因素还是引起特气事故发生的最重要的因素。事故统计表明,几乎所有的特气责任事故都是由于操作人员没有严格按照操作规程来作业。

特气运行管理人员必须取得危险化学品管理安全资质、压力容器及压力管道作业资质,另外相关人员还需要经过专业的特气设备操作维护运行及异常处理的专业培训后方可上岗作业。值得注意的是,很多特气事故往往都是具备一定经验的熟练运行人员造成的。究其原因是运行人员度过了新手对特气的恐惧阶段,并感觉掌握了特气的专业知识,因此在特气作业过程中精神不集中,跳过安全操作规程的某些步骤,最终导致事故发生。

 

2.注意特气系统状态及仪表数值变化 

在特气运行管理中非常重要的一个关键词是“变化”。通常情况下,特气系统在发生故障之前或者已经发生故障却无报警产生时,从系统状态或仪表数值变化的情况可以发现异常。         

 

运行人员每天需对特气系统进行数次点检和巡检。特气系统状态及仪表的数值是点检及巡检的重要内容,如压力、温度、重量等,还包括所有气体侦测器的检测数值。在标准的点检表中,特气仪表数值都有一个管理值。运行人员在点检过程中察看各个数值是否在管理值范围内,如超出管理值,则必须马上查找原因。 

 

值得注意的是,作为特气运行人员需对特气系统状态变化有足够的敏感度,某些数值变化即使在管理值内,也要分析其变化的合理性。另外,系统状态及仪表数值虽然在管理值范围内但一直无变化,也是一种异常表现,需检查传感器等电子元件是否已经失灵。         

 

3.特气泄漏应急处理 

特气运行现场都有针对每种特气泄漏的紧急响应程序。ERT成员也需要定期进行特气泄漏的培训和演练。 通常情况下,出现特气报警后ERT按照紧急响应程序需要按以下几个主要步骤进行动作: 

 

(1)通知负责人或协调者,紧急疏散、人员搜救,同时在确保人员安全的情况下切断气源、开启强制排风。 

(2)确认泄漏及特气溢出量,确定报警级别是否下降或维持。

(3)事故评估以及分区。

(4)根据气体决定PPE及ERCV紧急反应安全容器。

(5)进入该区域处理泄漏和特气溢出。

(6)现场清理。

 

需注意的是不管是人员搜救或是处理泄漏任何人不得单独行动。在根据调查的泄漏信息进行分区时需注意风向和风速。泄漏区域为热区。根据泄漏特气种类和泄漏量决定暖区。设备和ERT成员在冷区。对于腐蚀性特气泄漏的情况,泄漏区域需要净化。 泄漏事故处理完毕后,还需要调查整个泄漏细节及污染程度,同时分析特气泄漏的根本原因,找出对策及防治措施。

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