高純氣體減壓閥設計選型分析

【資料簡介】

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。高純氣體根據氣體性質不同一般分為：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。

高純氣體系統及輸送流程：

高純氣體輸送系統是指：將特種氣體從氣源端、根據工藝設備的工藝需求、通過對流量和壓力等參數的控制，通過管道、無二次污染、穩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

減壓閥類型	特點
膜片式減壓閥	- 結構簡單 - 調節精度適中 - 性價比高
活塞式減壓閥	- 耐高壓 - 對調節壓力不夠敏感 - 適用于需要較高出口壓力的應用
波紋管減壓閥	- 對壓力敏感 - 調壓精確 - 價格較高

 

2. 減壓閥的材質

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

• 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。

在選擇減壓閥材質時，必須確認材質與氣體的兼容性，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為低壓，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定的氣體壓力，建議安裝二級減壓閥，保持穩定的氣體壓力輸出。

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定。一旦流量增加，出口壓力便會降低。所以，我們可根據用氣點對氣體壓力穩定性的不同要求，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節。

二級減壓閥（使用點調壓閥），為單表頭。

通過兩級調壓，可以使用氣點壓力更穩定。

7. 雙級減壓閥

兩個調壓閥閥體集成在一起，一級調壓預設為中等壓力，然后經二級減壓后，出口壓力非常穩定。常用于把減壓閥直接連到鋼瓶出口且需要很穩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，對氣瓶內部、內壁表面的處理涉及多項工藝，均依賴于長期的行業探索和研發;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種類：

1. 簡單供氣系統

簡供氣系統主要針對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，通常不需要連續性供氣，對氣體供應系統的投資預算低。

2. 常規供氣系統

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

3.大宗特氣供氣系統

大規模供氣系統主要針對大規模量產的8-12英寸(1英寸=25.4毫米)超大規模集成電路廠(氣體種類包括SiH4、N2O、2、 C2F6、 NH3等)，100MW以上的太陽能電池生產線(氣體種類包括NH3)，發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)、硅材料外延生產線(氣體種類包括HCL)等行業。它們的投資規模巨大，采用的工藝制程設備，用氣需求量大，對穩定和不間斷供應、純度控制和安全生產提出的要求。可實現自動切換，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設計

1.材料的選擇

特氣管路系統普遍采用316L不銹鋼電解拋光(EP)管道，閥門一般采用高純調壓閥、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，采用經過特殊處理的耐腐蝕強的EP管 。

2.主管路系統的設計

在確定好氣體房和用氣點以后,主管路系統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。輸送系統的數量和管徑的大小一般根據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。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，周圍有危險源和經常有危險作業的地方，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量流量計，壓力調節閥。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設計，即整個管道系統從氣柜到到用氣點，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、輔助系統的設計

氣體柜或控制面板在安裝和運輸的過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，對施工的質量和程序進行嚴格的監控和管理。最后整個系統還要進行氦檢漏、水分、氧分和顆粒度檢測、以及其他要求做的氣相雜質的測試。

單級式不銹鋼膜片減壓結構，輸出壓力穩定，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）

• 內部結構易吹掃

• 內設過濾網

• 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、太陽能光伏產品

• 石油化學工業

• 測試設備

• 壓力表刻度單位：PSI/BAR或MPA可選

• 進、出接頭根據客戶要求配置

高純氣體不銹鋼減壓閥材質:

• 母體:316L , Brass （銅鍍鎳）

• 上蓋:316L , Brass （銅鍍鎳）

• 膜片:316L

• 過濾網: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:

• 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（根據客戶要求）

• 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量的培訓,了解特種管道的施工作業要求和規范,了解高純氣體的基本知識,從而加深對特種管道施工質量重要性的認識。

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，熟悉各種焊接參數的調整，最后管工和焊工都必須經過考試，由專門的質量管理人員確認合格后，發給作業許可證后方可施工，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。

現場的質量管理人員要做好材料的質量檢查記錄和每天的施工質量檢查記錄，包括管工彎管的質量，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量要求，每個焊縫都必須仔細檢查，并作好焊接作業者和焊接數量記錄。

焊工每天在焊接前必須先作焊接試樣，經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。每天的焊接試樣要妥善保存。(焊縫質量的檢查主要有焊縫的寬笮度、焊縫的內外均勻度、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都要處于沖氣保護的狀態，但在不進行焊接作業時可適當調小管內氣壓。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。其它氣相雜質的測試根據具體要求確定。

高純氣體減壓閥設計選型分析設計規范及參考：

GB50646-2020 《特種氣體系統工程技術標準》

GB/T20801-2006 《壓力管道規范-工業管道》

TSG D0001-2009 《壓力管道安全技術監察與規程-工業管道》

GB50316-2000 《工業金屬管道設計規范》

GB50236-2011 《現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》

GB9448-1999 《焊接與切割安全》

GB50235-2010 《工業金屬管道工程施工及驗收規范》

GB4962-2008 《氫氣使用安全技術規范》

GB50493-2009 《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》