王雙校，劉旭亮，賈立超，晉 志

(新奧光伏能源有限公司，河北廊坊 065001)

硅烷是一種無(wú)色氣體，比重112(空氣=1)。硅烷屬于自燃性氣體，自燃溫度為－50℃，燃燒熱44370 kJ/kg。硅烷在空氣中的燃燒范圍為1.37%～96%?？諝庵泄柰闈舛仍?.37%～4.5%時(shí)，遇外界點(diǎn)火源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生爆燃。硅烷是重要的電子材料，是高純多晶硅、半導(dǎo)體、薄膜電池、TFT行業(yè)廣泛使用的重要?dú)怏w之一。由于其較強(qiáng)的還原性、特有的自燃、爆炸性，以及非常寬的自發(fā)著火范圍和極強(qiáng)的燃燒能量，因而它是一種具有高度危險(xiǎn)性的氣體，由于設(shè)計(jì)、操作不當(dāng)引發(fā)的安全事故屢見(jiàn)不鮮。本文試圖通過(guò)對(duì)使用過(guò)程中SiH4調(diào)壓閥故障的分析，給出合理的理論解釋及故障解決方案，以預(yù)防此類事故的發(fā)生。

1 故障過(guò)程描述

1.1 故障位置示意圖

SiH4氣體的供應(yīng)一般是通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的氣柜(通常稱為GC或BSGS)內(nèi)的減壓過(guò)程，將氣瓶壓力從1500 psi(注:1 psi=6.89 kPa)降低到小于100 psi以后，供用氣設(shè)備使用的，通常為二級(jí)減壓過(guò)程，如圖1所示。

圖1 氣體減壓流程示意圖Fig.1 The process of reduce pressure

1.2 故障現(xiàn)象

在使用過(guò)程中，曾出現(xiàn)一級(jí)減壓閥輸出壓力異常上升 (從數(shù)顯壓力計(jì)讀數(shù)判斷)，超出調(diào)壓閥的最大輸出能力，同時(shí)也超出了二級(jí)調(diào)壓閥的正常輸入范圍，波動(dòng)曲線圖如圖2所示。

從圖2可知，由于壓力波動(dòng)曲線的超常，如不進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，將會(huì)引發(fā)輸出壓力超壓，嚴(yán)重時(shí)超出管道和閥門極限承載能力，硅烷氣體大量泄漏，燒毀設(shè)備甚至引起嚴(yán)重的爆炸，造成人身傷害。

圖2 SiH4氣體以及調(diào)壓閥輸出壓力波動(dòng)曲線圖Fig.2 The curves of output pressure

為確保安全，將系統(tǒng)關(guān)閉并用惰性氣體吹掃后，更換了新的一級(jí)調(diào)壓閥，此后故障現(xiàn)象消失。

2 硅烷故障模式分析

2.1 焦耳—湯姆遜效應(yīng)的概念

按照物理學(xué)常識(shí)，一般情況下，多數(shù)非理想氣體在節(jié)流膨脹時(shí)，會(huì)出現(xiàn)溫度降低的現(xiàn)象，少數(shù)氣體如氫氣、氦氣多數(shù)情況下出現(xiàn)溫度升高的情形。這種節(jié)流膨脹引起溫度變化的性質(zhì)可以用焦耳—湯姆遜系數(shù)μ來(lái)表征，其一般意義為:μ＞0，減壓膨脹時(shí)溫度降低 (如氮?dú)?、氧氣?;μ=0，減壓膨脹時(shí)溫度不變化 (理想氣體的系數(shù)為0);μ＜0，減壓膨脹時(shí)溫度升高 (如氫氣、氦氣)。當(dāng)然，μ的數(shù)值尚與溫度有關(guān)，在μ值自μ＞0向μ＜0(或逆向)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，μ=0時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度［1］。例如，氧氣、氮?dú)獾慕苟獪愤d系數(shù)μ分別如表1～2所示［2］。

表1 不同溫度和壓力下O2的焦耳—湯姆遜系數(shù)μ(K/kPa)Table1 The Joule Thomson coefficient of O2at different temperature and pressure

表2 不同溫度和壓力下N2的焦耳—湯姆遜系數(shù)μ(K/kPa)Table2 The Joule Thomson coefficient of N2at different temperature and pressure

對(duì)于SiH4氣體，筆者根據(jù)實(shí)際現(xiàn)象判斷其數(shù)值應(yīng)該為正值，即μ＞0(減壓膨脹時(shí)溫度降低)，但尚未見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表的焦耳—湯姆遜系數(shù)數(shù)據(jù)，這可能與其本身高危險(xiǎn)性有關(guān)，國(guó)外知名氣體公司如AP、法液空等可能有此類數(shù)據(jù)，但未見(jiàn)公開(kāi)披露;有關(guān)資料也只是籠統(tǒng)地提及［3］;實(shí)踐中SiH4氣體的焦耳—湯姆遜效應(yīng)十分明顯，著名氣體公司設(shè)計(jì)使用的大宗硅烷供氣設(shè)備均設(shè)計(jì)有預(yù)先加熱裝置;若設(shè)計(jì)不當(dāng)，在減壓閥附近會(huì)出現(xiàn)明顯的降溫、結(jié)霜現(xiàn)象，如圖3(硅烷氣體減壓閥熱掃描成像圖)中所示，閥門低溫區(qū)域的最低溫度可達(dá)14.7℉(－9.6℃)。

圖3 SiH4氣體減壓閥熱掃描成像圖Fig.3 The scanning thermal imaging figure of SiH4pressure reducer

2.2 SiH4氣體的飽和壓力曲線與減壓閥工作條件的聯(lián)系

SiH4氣體的臨界溫度為269.5 K(－3.5℃)，臨界壓力為 4.864 MPa(705 psi)［4］，SiH4的氣液變化應(yīng)符合下列曲線如圖4(摘自法液空官方網(wǎng)站)。圖中平滑曲線為SiH4的氣液共存平衡曲線;當(dāng)溫度、壓力條件變化時(shí)，部分SiH4在氣液兩種相態(tài)間相互轉(zhuǎn)化，直至達(dá)到新的氣液平衡為止。

圖4 SiH4的飽和壓力曲線Fig.4 The saturation pressure curve of SiH4

圖5 調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)與輸出側(cè)異常超壓示意圖Fig.5 Sketch map of the structure of SiH4reducer＆its overpressure output

實(shí)際生產(chǎn)中，SiH4氣瓶的初始供應(yīng)壓力一般在1300～1500 psi(約合8.9～10.3 MPa)，此壓力即為氣體一級(jí)調(diào)壓閥的輸入側(cè)壓力;一級(jí)調(diào)壓閥的輸出壓力一般不超過(guò)幾百個(gè)psi，例如我們使用的輸出壓力在300 psi(約合2.06 MPa)。調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5。

假設(shè)由于閥門選型不當(dāng)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)失靈等因素造成閥門的節(jié)流面積變化時(shí)，筆者推論可能會(huì)按照以下過(guò)程產(chǎn)生變化，最終導(dǎo)致輸出側(cè)的壓力超標(biāo):

1.高壓輸入側(cè)氣體通過(guò)節(jié)流孔，因明顯的焦耳—湯姆遜效應(yīng)導(dǎo)致氣體溫度降低，此溫度可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界溫度;如時(shí)間足夠長(zhǎng)及降溫幅度足夠大，因熱傳導(dǎo)，節(jié)流孔附近的金屬材料溫度可能會(huì)低至SiH4氣體的臨界溫度;此時(shí)在高壓輸入側(cè)可能會(huì)有部分氣體因?yàn)橥瑫r(shí)滿足了臨界溫度和臨界壓力兩個(gè)條件而液化。

2.液化的SiH4氣體被氣流帶過(guò)節(jié)流孔，進(jìn)入低壓室。

3.在低壓室節(jié)流孔附近，溫度依然較低，但壓力降低后，液體狀態(tài)的SiH4將再次氣化，導(dǎo)致輸出壓力升高 (表現(xiàn)為數(shù)顯壓力計(jì)PT讀數(shù)增高)，其升高的上限取決于進(jìn)入低壓室的SiH4液體量以及生產(chǎn)端用氣流量。

4.隨著生產(chǎn)端陸續(xù)用氣，低壓室壓力陸續(xù)下降，當(dāng)降至正常輸出工作壓力附近，將再次開(kāi)始上述過(guò)程，如此循環(huán)往復(fù)，直至閥門損壞。

3 壓力波動(dòng)不良影響與解決對(duì)策

3.1 不良影響

上述壓力波動(dòng)現(xiàn)象，直接導(dǎo)致了后續(xù)的二級(jí)調(diào)壓閥的輸入壓力波動(dòng)，頻繁的壓力波動(dòng)必將影響二級(jí)調(diào)壓閥的使用壽命。更為重要的是，一級(jí)調(diào)壓閥的膜片壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成膜片爆裂，SiH4氣體急劇釋放，輕則燒毀設(shè)備，造成停產(chǎn)等生產(chǎn)損失;重則可能引發(fā)包括人身傷害在內(nèi)的重大安全事故。

3.2 對(duì)策

為預(yù)防此類事故的發(fā)生，以下幾個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該加以注意:

1.在氣柜設(shè)計(jì)階段，選用合適的減壓閥及配備相應(yīng)的加熱系統(tǒng)，是控制此類隱患發(fā)生的上策。目前國(guó)內(nèi)聲稱具備SiH4氣柜設(shè)計(jì)能力的廠家很多，真實(shí)水平如何，實(shí)在是見(jiàn)仁見(jiàn)智的事情，假如用戶自身經(jīng)驗(yàn)不足，不妨貨比三家，不要過(guò)于考慮價(jià)格因素，對(duì)待SiH4這種高風(fēng)險(xiǎn)的氣體，價(jià)格稍高也是物有所值。

2.在實(shí)際氣體設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，密切觀察輸出壓力的變化，一旦異常，立即停用并馬上更換故障調(diào)壓閥，以避免事故的發(fā)生。為此要做到:1)確保必要的人員培訓(xùn)，只有操作人員清楚故障的風(fēng)險(xiǎn)并恰當(dāng)處置，方可將風(fēng)險(xiǎn)降為最低，培訓(xùn)不可流于形式。2)制定必要的巡檢、記錄制度并認(rèn)真執(zhí)行，定期分析輸出壓力狀態(tài)并評(píng)估系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，可有效降低事故發(fā)生的機(jī)率。

［1］傅獻(xiàn)彩，陳瑞華.物理化學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1986.

［2］謝太浩.計(jì)算焦耳—湯姆遜系數(shù)的LKP方法 ［J］.天然氣工業(yè)，1991，11(2):48-55.

［3］李東升.國(guó)外大宗硅烷供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范 ［J］.低溫與特氣，2010，28(2):45-48.

［4］顧安忠，等.工業(yè)氣體集輸新技術(shù) ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.