謝冬暉

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

多晶硅是晶面取向不同的硅原子晶粒結合后的結晶，是重要的半導體器件基礎材料，也常用做太陽能電池的核心材料。

在多晶硅生產流程的物料中，存在多種《危險化學品目錄》(2015版)中列出的危險化學品，主要有氯硅烷(三氯氫硅、四氯化硅、二氯二氫硅等)、氫氣、氯化氫等。這些物質在生產過程中一旦從設備或管路產生泄漏，極易導致火災、爆炸、中毒、腐蝕等安全事故的發(fā)生。例如，三氯氫硅閃點低(-13.9 ℃)，引燃溫度低(175 ℃)，爆炸范圍寬(6.9%～70%)，沸點僅31.8 ℃，極易揮發(fā)；二氯二氫硅在空氣中爆炸范圍為4.1%～99%，自燃溫度58 ℃，沸點為8.3 ℃，常溫下屬于氣體，生產中以液化態(tài)儲存時，如低溫條件失控，則有超壓的危險，可能使儲罐發(fā)生物理爆炸，造成大量二氯二氫硅泄漏，引發(fā)化學火災爆炸事故；氫氣在空氣中爆炸范圍為4.1%～74.1%，生產過程中一旦泄漏，若介質溫度高于其自燃溫度，便會迅速燃燒、爆炸；氯化氫與空氣中的水分結合后，形成鹽酸，會對周邊設備、管道造成嚴重腐蝕，影響使用壽命。

由上文可以看出在多晶硅生產中防止物料外泄、嚴格保證密封是十分重要的要求，因此作為生產檢測控制儀表中關鍵環(huán)節(jié)的控制閥，必須采用帶金屬波紋管形式以達到“零泄漏”。

1 控制閥

控制閥(control valve)，其定義為“過程控制系統(tǒng)中由動力操縱,調節(jié)流體流量的裝置。它由執(zhí)行機構和閥組成，執(zhí)行機構能按照控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，改變閥內截流件的位置”[1]。控制閥的分類方式有多種，其中按照執(zhí)行機構形式進行分類見表1所示。

表1 控制閥分類表

在實際工程應用中，直行程類的控制閥十分常見。直行程控制閥是指具有直線移動式節(jié)流件的閥。它的工作機理是通過執(zhí)行機構將控制信號轉化為相應的直上直下往復活塞式閥桿運動，帶動與流體介質直接接觸的閥芯動作，改變閥芯與閥座之間的流通橫截面積，進而達到調節(jié)介質流量的目的。直行程控制閥的典型圖例如圖1所示。

1.閥蓋組件(包括閥蓋、導套、填料、填料法蘭、填料壓蓋等) 2.閥體 3.閥內件(包括閥芯、閥座、閥桿、套筒、導向密封環(huán)等)圖1 直行程控制閥剖面圖

閥蓋組件(Bonnet Assembly)，是用于安裝直行程執(zhí)行機構的組合件，一般包括可供閥桿上下運動穿過的零件和防止沿閥桿周邊泄露的密封填料。直行程控制閥的閥蓋組件主要有四種形式，如圖2所示。

圖2 閥門閥蓋剖面圖

波紋管密封閥蓋(Bellows Seal Bonnet)是指采用波紋管形式的密封措施，使流體不會因閥桿動作而隨之泄漏的閥蓋。

由上面圖中可以看出，直行程控制閥的閥桿上下運動，會導致流經閥內的流體介質沿閥桿運動微量滲透，繼而擴散到閥體外，最終形成外漏。為防止外漏，一般選擇合適的填料材料和采用密封結構，但填料密封仍舊存在泄漏的危險。

對于有腐蝕性、有毒、有放射性、易揮發(fā)、易結晶、貴重物質等幾類流體而言，是必須避免介質外漏引起環(huán)境污染、起火爆炸危險和影響人們健康安全的。因此在嚴格禁止介質外漏的工業(yè)應用場合(主要集中在化工、石化、核工業(yè)等領域)，必須使用金屬波紋管密封來實現(xiàn)對流體介質的“零泄漏”。

2 閥門用金屬波紋管

金屬波紋管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零件[2]。當外部作用力或荷載作用到金屬波紋管時，波紋管會發(fā)生軸向位移、角向位移、側向位移，以及由上述位移組合而成的位移，既可通過金屬管材將波紋管內外分開以保證優(yōu)異的密封性能，又通過波紋形變產生了良好的彈性。

根據我國機械行業(yè)標準《JB/T 10507—2005閥門用金屬波紋管》的定義，閥門用金屬波紋管主要包括以下三種類型：液壓成型波紋管是將裝在模具中的金屬管同時通過內部液壓加壓和軸向壓縮制成；機械成型波紋管是在金屬管上用工具或模具加工成型；焊接波紋管是將圓環(huán)形狀、富有彈性的金屬膜片交替焊接其內外邊緣制成。

金屬波紋管常采用U型結構，如圖3所示。

D.波紋管外徑 D1.端部內配合直徑 D2.沿波峰切邊直徑 d.波紋管內徑 d1.端部外配合直徑 a.波厚 q.波距 n.波紋數 δ0.單層壁厚，波紋管管坯的單層壁厚 Z.層數 l1.端部內配合長度 l2.端部外配合長度 L.波紋管總長 L0.波紋管有效長度圖3 常用U型波紋管結構

金屬波紋管的性能大致可分為兩類。第一類是為滿足使用所必須保證的性能，如耐壓性能、耐溫性能、密封性能、使用壽命等；另一類是通過波紋管設計計算后確定的性能，如剛度、有效面積、允許位移等。下面簡要介紹一些主要的性能概念。

(1)最大壓縮位移、允許位移和工作位移——金屬波紋管在外力作用下各個波紋緊緊挨在一起，無法再壓縮時產生的位移是最大位移，這種狀態(tài)是工作時不允許的。在不產生塑性形變的前提下，金屬波紋管在外力作用下所能達到的位移最大值，就是允許位移。正常工作時，金屬波紋管在外力作用下的最大位移稱為工作位移，該位移值按照允許位移值的40%～50%為宜。

(2)耐壓力、工作壓力和破裂壓力——保持穩(wěn)態(tài)或沒有塑性形變的金屬波紋管，其承受的靜態(tài)壓力最大值即為耐壓力，該壓力分為內壓和外壓。正常工作時，金屬波紋管能承受的最大壓力就是工作壓力，該值和工作位移類似，宜取耐壓力數值的40%～50%。破裂壓力體現(xiàn)的是金屬波紋管的最大耐壓強度，即管壁破裂損壞時的臨界壓力值。

(3)剛度和靈敏度——金屬波紋管產生一單位的位移時所需要的力稱為剛度；剛度的倒數叫做靈敏度，就是當有一單位的力作用于金屬波紋管時所產生的位移。根據所承受載荷的類別不同，金屬波紋管的剛度包括集中力剛度、壓力剛度和彎矩剛度。對于控制閥所用金屬波紋管而言，軸向剛度最為重要，該值越高則靈敏度值越低。

(4)有效面積——是一個等效面積，是指當有外部壓力作用在這個數值的面積上時，產生的軸向力是相等的，它表示的是金屬波紋管將壓力轉換為集中力的能力。

(5)密封性——當金屬波紋管在工作狀態(tài)時，管壁內外存在壓力差是一定的，這就要求金屬波紋管在壓差下保證不泄漏，也就是說必須達到滿足工藝使用密封性的要求。

(6)壽命——指安裝在閥門上的金屬波紋管在規(guī)定壓力、溫度和軸向行程下，隨閥桿往復運動直至不密封泄漏時為止的負荷變化次數。

金屬波紋管組件是由串聯(lián)起來的多個波紋管和法蘭等配件共同組成的。在帶金屬波紋管密封的閥門制造過程中，波紋管組件的一段焊接在閥桿上，另一端固定在閥蓋上壓緊密封。閥體內的生產介質等于有了一個隨閥桿動作的可軸向變形的金屬密封隔離層，再加上填料層密封，實現(xiàn)了“零泄漏”[3]。

典型的金屬波紋管組件如圖4所示。

圖4 金屬波紋管組件

3 金屬波紋管控制閥應用狀況

在國內某家多晶硅企業(yè)已投產運營的一至五期工程中，控制閥總數接近一千臺(此處僅指帶調節(jié)功能的控制閥，切斷閥不包括在內)，其中采用金屬波紋管密封的控制閥大約占到總數的70%～80%。這些金屬波紋管控制閥中，既有出自國產知名品牌的產品，又有具有國際先進水平的進口品牌。下面對這些波紋管控制閥的形式和應用狀況做簡要介紹：

國產波紋管控制閥主要來自寧夏A、上海B和重慶C三家企業(yè)，數量合計大約六百臺左右。這三家企業(yè)均為歷史悠久、技術實力雄厚、市場占有率較高的中國知名控制閥生產商。其中寧夏A和重慶C的閥門均源自日本山武技術的CV3000系列，是經過充分的消化吸收、國產化改良后的產品；上海B的閥門是源自美國MASONEILAN(梅索尼蘭)技術，具有自主知識產權的國產化產品。

上述閥門生產商提供的控制閥因采購批次、投產時間的不同，在該多晶硅企業(yè)應用階段也分布在自一期工程起至今的十多年間，總體表現(xiàn)不錯，獲得了業(yè)主的認可，很多閥門經過長期正常使用損耗后到達了工作壽命周期尾段，已進行了更換。但其中也有少量閥門，由于波紋管材質采用的是304不銹鋼而非316不銹鋼，同時委托進行波紋管制造的國內加工廠生產水平存在不足，使得此類波紋管無法承受長期的介質腐蝕和不斷循環(huán)拉伸壓縮。在經過一段時間的生產應用后，這一類閥門的波紋管開始產生裂痕直至破裂，工藝介質氯硅烷物料沿閥桿滲漏出閥體后，遇到空氣中的水分水解為鹽酸及粉末狀固體SiO2，阻塞了閥桿的正常運動，并造成閥門本體及電子部件的腐蝕，最終導致整個閥門工作失效。通過對此問題的分析總結，在該多晶硅企業(yè)后期的設計、采購中特別注重了對波紋管材質和加工制造環(huán)節(jié)的高標準嚴要求，保證了波紋管的供貨品質，進而提升了控制閥的可靠性、降低了故障率。

在該多晶硅企業(yè)的第三期工程現(xiàn)場，主工藝流程中采用了進口品牌美國FISHER(費希爾)的波紋管密封控制閥，數量大約有三百余臺。這些閥門根據口徑和流通能力不同，在2 Inch(DN50)及以下采用了24000 SVF型，在2 Inch以上至4 Inch(DN100)采用了GX型，在4 Inch以上至6 Inch(DN150)采用了ET型。GX型金屬波紋管密封型閥蓋的剖面圖如圖5所示。

圖5 GX型金屬波紋管密封型閥蓋

根據FISHER的閥門資料，GX型的波紋管為U型，采用機械壓制成型的方法制造，一端焊接在延長閥桿上，另一端用螺母固定，并用墊片對固定端口進行密封。這種結構的波紋管，所需的閥蓋長度較長(相較焊接成型波紋管的長度約為2～3倍)，生產介質不易殘留，強度大，耐壓高，循環(huán)壽命較長，在全行程、工作壓力和溫度條件下，理論循環(huán)壽命在10萬次以上。這些閥門經過該多晶硅企業(yè)現(xiàn)場多年的使用，由于其品質過硬、性能可靠，維護量極小，有效地保證了生產的順利進行，受到用戶的好評。

在該多晶硅企業(yè)第四、第五期的主工藝流程中，業(yè)主和設計院綜合各方面因素考慮，對金屬波紋管密封控制閥除繼續(xù)選擇FISHER品牌外，還增加了日本MOTOYAMA(本山)的3889系列閥門，數量約有一百余臺。3889系列金屬波紋管密封型閥蓋的剖面圖，如圖6所示。

圖6 3889系列金屬波紋管密封型閥蓋

根據MOTOYAMA的閥門資料，推薦的波紋管制造方法為焊接成型，波紋管內部保持小于0.666 kPa ABS的負壓，十分適用于不允許介質混入大氣的工況。這種結構的波紋管，所需的閥蓋長度較短，并可根據介質腐蝕性的不同，采用不同的材料如哈式合金、鈦、蒙乃爾合金等制造，循環(huán)壽命較長，可適應的壓力和溫度范圍較廣。該品牌的閥門經過現(xiàn)場一段時間的使用后，也獲得了業(yè)主的充分肯定。

4 波紋管密封閥門的選擇注意事項

根據上述各品牌控制閥在該多晶硅企業(yè)現(xiàn)場多年使用經驗積累，在應用于多晶硅工程領域的控制閥用金屬波紋管選擇上，在設計和采購過程中應注意以下兩點：

(1)波紋管的加工工藝十分重要。波紋管都是各閥門廠家外攜生產，選擇質量過關的波紋管生產企業(yè)是關鍵。因此我們在進行閥門選型時，如能在采購合同中明確對波紋管的材質、壽命、產地等技術要求，會對最終供貨的閥門質量大有益處。

(2)在耐氯離子腐蝕方面，304不銹鋼比316不銹鋼的效果要差，因此在有含氯離子的工藝介質時，與介質接觸部分的材質最好選擇316不銹鋼。

5 結束語

對工業(yè)生產自動控制中關鍵環(huán)節(jié)的控制閥加以研究，了解控制閥的波紋管技術，對做好閥門選型設計工作大有幫助。同時，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)領域的發(fā)展與進步，環(huán)保和安全的理念更加深入人心。對金屬波紋管密封控制閥的研究和實際使用經驗，對于要求“零泄漏”的工業(yè)場合、關系到環(huán)保和安全重要領域的工程實施，能起到積極的推動作用，具有重要的意義。