金屬波紋管密封控制閥在多晶硅工程中的應(yīng)用

謝冬暉

(中國恩菲工程技術(shù)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(jié)合后的結(jié)晶，是重要的半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)材料，也常用做太陽能電池的核心材料。

在多晶硅生產(chǎn)流程的物料中，存在多種《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》(2015版)中列出的危險(xiǎn)化學(xué)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(zhì)在生產(chǎn)過程中一旦從設(shè)備或管路產(chǎn)生泄漏，極易導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒、腐蝕等安全事故的發(fā)生。例如，三氯氫硅閃點(diǎn)低(-13.9 ℃)，引燃溫度低(175 ℃)，爆炸范圍寬(6.9%～70%)，沸點(diǎn)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(diǎn)為8.3 ℃，常溫下屬于氣體，生產(chǎn)中以液化態(tài)儲(chǔ)存時(shí)，如低溫條件失控，則有超壓的危險(xiǎn)，可能使儲(chǔ)罐發(fā)生物理爆炸，造成大量二氯二氫硅泄漏，引發(fā)化學(xué)火災(zāi)爆炸事故；氫氣在空氣中爆炸范圍為4.1%～74.1%，生產(chǎn)過程中一旦泄漏，若介質(zhì)溫度高于其自燃溫度，便會(huì)迅速燃燒、爆炸；氯化氫與空氣中的水分結(jié)合后，形成鹽酸，會(huì)對周邊設(shè)備、管道造成嚴(yán)重腐蝕，影響使用壽命。

由上文可以看出在多晶硅生產(chǎn)中防止物料外泄、嚴(yán)格保證密封是十分重要的要求，因此作為生產(chǎn)檢測控制儀表中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制閥，必須采用帶金屬波紋管形式以達(dá)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(dòng)力操縱,調(diào)節(jié)流體流量的裝置。它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能按照控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)，改變閥內(nèi)截流件的位置”[1]?？刂崎y的分類方式有多種，其中按照執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式進(jìn)行分類見表1所示。

表1 控制閥分類表

在實(shí)際工程應(yīng)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(dòng)式節(jié)流件的閥。它的工作機(jī)理是通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的直上直下往復(fù)活塞式閥桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)與流體介質(zhì)直接接觸的閥芯動(dòng)作，改變閥芯與閥座之間的流通橫截面積，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)介質(zhì)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(dǎo)套、填料、填料法蘭、填料壓蓋等) 2.閥體 3.閥內(nèi)件(包括閥芯、閥座、閥桿、套筒、導(dǎo)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(jī)構(gòu)的組合件，一般包括可供閥桿上下運(yùn)動(dòng)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(huì)因閥桿動(dòng)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(yùn)動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致流經(jīng)閥內(nèi)的流體介質(zhì)沿閥桿運(yùn)動(dòng)微量滲透，繼而擴(kuò)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(jié)構(gòu)，但填料密封仍舊存在泄漏的危險(xiǎn)。

對于有腐蝕性、有毒、有放射性、易揮發(fā)、易結(jié)晶、貴重物質(zhì)等幾類流體而言，是必須避免介質(zhì)外漏引起環(huán)境污染、起火爆炸危險(xiǎn)和影響人們健康安全的。因此在嚴(yán)格禁止介質(zhì)外漏的工業(yè)應(yīng)用場合(主要集中在化工、石化、核工業(yè)等領(lǐng)域)，必須使用金屬波紋管密封來實(shí)現(xiàn)對流體介質(zhì)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(dāng)外部作用力或荷載作用到金屬波紋管時(shí)，波紋管會(huì)發(fā)生軸向位移、角向位移、側(cè)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(nèi)外分開以保證優(yōu)異的密封性能，又通過波紋形變產(chǎn)生了良好的彈性。

根據(jù)我國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《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(shí)通過內(nèi)部液壓加壓和軸向壓縮制成；機(jī)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(nèi)外邊緣制成。

金屬波紋管常采用U型結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

D.波紋管外徑 D1.端部內(nèi)配合直徑 D2.沿波峰切邊直徑 d.波紋管內(nèi)徑 d1.端部外配合直徑 a.波厚 q.波距 n.波紋數(shù) δ0.單層壁厚，波紋管管坯的單層壁厚 Z.層數(shù) l1.端部內(nèi)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(jié)構(gòu)

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(shè)計(jì)計(jì)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(gè)波紋緊緊挨在一起，無法再壓縮時(shí)產(chǎn)生的位移是最大位移，這種狀態(tài)是工作時(shí)不允許的。在不產(chǎn)生塑性形變的前提下，金屬波紋管在外力作用下所能達(dá)到的位移最大值，就是允許位移。正常工作時(shí)，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(nèi)壓和外壓。正常工作時(shí)，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(shù)值的40%～50%。破裂壓力體現(xiàn)的是金屬波紋管的最大耐壓強(qiáng)度，即管壁破裂損壞時(shí)的臨界壓力值。

(3)剛度和靈敏度——金屬波紋管產(chǎn)生一單位的位移時(shí)所需要的力稱為剛度；剛度的倒數(shù)叫做靈敏度，就是當(dāng)有一單位的力作用于金屬波紋管時(shí)所產(chǎn)生的位移。根據(jù)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(gè)等效面積，是指當(dāng)有外部壓力作用在這個(gè)數(shù)值的面積上時(shí)，產(chǎn)生的軸向力是相等的，它表示的是金屬波紋管將壓力轉(zhuǎn)換為集中力的能力。

(5)密封性——當(dāng)金屬波紋管在工作狀態(tài)時(shí)，管壁內(nèi)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(dá)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(fù)運(yùn)動(dòng)直至不密封泄漏時(shí)為止的負(fù)荷變化次數(shù)。

金屬波紋管組件是由串聯(lián)起來的多個(gè)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(nèi)的生產(chǎn)介質(zhì)等于有了一個(gè)隨閥桿動(dòng)作的可軸向變形的金屬密封隔離層，再加上填料層密封，實(shí)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(yīng)用狀況

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

國產(chǎn)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(shù)量合計(jì)大約六百臺(tái)左右。這三家企業(yè)均為歷史悠久、技術(shù)實(shí)力雄厚、市場占有率較高的中國知名控制閥生產(chǎn)商。其中寧夏A和重慶C的閥門均源自日本山武技術(shù)的CV3000系列，是經(jīng)過充分的消化吸收、國產(chǎn)化改良后的產(chǎn)品；上海B的閥門是源自美國MASONEILAN(梅索尼蘭)技術(shù)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化產(chǎn)品。

上述閥門生產(chǎn)商提供的控制閥因采購批次、投產(chǎn)時(shí)間的不同，在該多晶硅企業(yè)應(yīng)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(cuò)，獲得了業(yè)主的認(rèn)可，很多閥門經(jīng)過長期正常使用損耗后到達(dá)了工作壽命周期尾段，已進(jìn)行了更換。但其中也有少量閥門，由于波紋管材質(zhì)采用的是304不銹鋼而非316不銹鋼，同時(shí)委托進(jìn)行波紋管制造的國內(nèi)加工廠生產(chǎn)水平存在不足，使得此類波紋管無法承受長期的介質(zhì)腐蝕和不斷循環(huán)拉伸壓縮。在經(jīng)過一段時(shí)間的生產(chǎn)應(yīng)用后，這一類閥門的波紋管開始產(chǎn)生裂痕直至破裂，工藝介質(zhì)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(yùn)動(dòng)，并造成閥門本體及電子部件的腐蝕，最終導(dǎo)致整個(gè)閥門工作失效。通過對此問題的分析總結(jié)，在該多晶硅企業(yè)后期的設(shè)計(jì)、采購中特別注重了對波紋管材質(zhì)和加工制造環(huán)節(jié)的高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求，保證了波紋管的供貨品質(zhì)，進(jìn)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(jìn)口品牌美國FISHER(費(fèi)希爾)的波紋管密封控制閥，數(shù)量大約有三百余臺(tái)。這些閥門根據(jù)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(jù)FISHER的閥門資料，GX型的波紋管為U型，采用機(jī)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(jìn)行密封。這種結(jié)構(gòu)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(chǎn)介質(zhì)不易殘留，強(qiáng)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(jīng)過該多晶硅企業(yè)現(xiàn)場多年的使用，由于其品質(zhì)過硬、性能可靠，維護(hù)量極小，有效地保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)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(shè)計(jì)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(shù)量約有一百余臺(tái)。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(jù)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(nèi)部保持小于0.666 kPa ABS的負(fù)壓，十分適用于不允許介質(zhì)混入大氣的工況。這種結(jié)構(gòu)的波紋管，所需的閥蓋長度較短，并可根據(jù)介質(zhì)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(yīng)的壓力和溫度范圍較廣。該品牌的閥門經(jīng)過現(xiàn)場一段時(shí)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(xiàng)

根據(jù)上述各品牌控制閥在該多晶硅企業(yè)現(xiàn)場多年使用經(jīng)驗(yàn)積累，在應(yīng)用于多晶硅工程領(lǐng)域的控制閥用金屬波紋管選擇上，在設(shè)計(jì)和采購過程中應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

(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(chǎn)，選擇質(zhì)量過關(guān)的波紋管生產(chǎn)企業(yè)是關(guān)鍵。因此我們在進(jìn)行閥門選型時(shí)，如能在采購合同中明確對波紋管的材質(zhì)、壽命、產(chǎn)地等技術(shù)要求，會(huì)對最終供貨的閥門質(zhì)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(zhì)時(shí)，與介質(zhì)接觸部分的材質(zhì)最好選擇316不銹鋼。

5 結(jié)束語

對工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制中關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制閥加以研究，了解控制閥的波紋管技術(shù)，對做好閥門選型設(shè)計(jì)工作大有幫助。同時(shí)，隨著我國現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)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(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，對于要求“零泄漏”的工業(yè)場合、關(guān)系到環(huán)保和安全重要領(lǐng)域的工程實(shí)施，能起到積極的推動(dòng)作用，具有重要的意義。