屏蔽泵在多晶硅生產(chǎn)中的故障分析及改進措施

曾曉國,張曉偉,萬 燁

(1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.洛陽中硅高科技有限公司,河南 洛陽 471023)

多晶硅是信息產(chǎn)業(yè)和太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原材料,全球多晶硅產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝有三氯氫硅氫還原法(又稱改良西門子法)和硅烷流化床法兩種工藝,前者占世界總產(chǎn)能的95%,是多晶硅生產(chǎn)的主流工藝[1-2]。多晶硅生產(chǎn)屬于典型的化工過程,生產(chǎn)過程的物料涉及四氯化硅、三氯氫硅、二氯二氫硅等氯硅烷工藝介質(zhì)和導(dǎo)熱油、氟利昂等公用工程介質(zhì),大部分屬于易燃、易爆、有毒、有害介質(zhì),故在此類物料的輸送過程中一般選用屏蔽泵,以保證物料的零泄漏,避免造成生產(chǎn)事故及環(huán)保問題[3-5]。

1 屏蔽泵的結(jié)構(gòu)

屏蔽泵主要由泵體、葉輪、軸承、軸套、推力盤、定子、轉(zhuǎn)子和屏蔽套等組成(圖1)。普通離心泵的驅(qū)動是通過聯(lián)軸器將泵的葉輪軸與電動軸相連接,使葉輪與電動機一起旋轉(zhuǎn)而工作。而屏蔽泵是一種無密封泵,泵和驅(qū)動電機都被密封在一個被泵送介質(zhì)充滿的壓力容器內(nèi),此壓力容器只有靜密封,由一個電線組來提供旋轉(zhuǎn)磁場并驅(qū)動轉(zhuǎn)子。這種結(jié)構(gòu)取消了傳統(tǒng)離心泵具有的旋轉(zhuǎn)軸密封裝置,故能做到完全無泄漏[6]。

圖1 屏蔽泵結(jié)構(gòu)簡圖

2 屏蔽泵常見故障及分析

在多晶硅生產(chǎn)中,屏蔽泵輸送的物料主要為氯硅烷、導(dǎo)熱油和氟利昂等。在國內(nèi)某大型多晶硅企業(yè)的生產(chǎn)過程中,屏蔽泵共計使用兩百多臺,其中66%用于氯硅烷輸送,22%用于導(dǎo)熱油輸送,12%用于氟利昂輸送。

2.1 故障原因

在屏蔽電機工作時,一小部分輸送液體進入定子、轉(zhuǎn)子屏蔽套之間的間隙和軸承,形成冷卻液的循環(huán)。定子繞組的電流損失、鐵心能量損失以及屏蔽套的渦流損失等產(chǎn)生的熱量都將由循環(huán)冷卻液帶走,以保證定子繞組的溫度低于絕緣等級要求,同時提供軸承、軸套、推力盤的潤滑液膜并帶走摩擦熱量[7]。若冷卻液夾帶雜質(zhì)或冷卻液流量不足,會出現(xiàn)軸承與軸套、軸承與止推盤之間的流動液膜遭破壞,無法帶走摩擦熱[8]。如果沒有及時處理,熱量將在定子和轉(zhuǎn)子聚集積聚,局部表面達到介質(zhì)汽化溫度后,形成腔內(nèi)汽阻,該點冷卻液斷流,使得軸承與軸套或推力盤接觸干磨,加速故障的發(fā)生。

2.2 故障統(tǒng)計及分析

由于導(dǎo)熱油和氟利昂物料比較干凈,屏蔽泵發(fā)生故障情況非常少,故本文研究的故障統(tǒng)計及分析主要以氯硅烷屏蔽泵為主要對象,實際運行中,屏蔽泵的故障表現(xiàn)形式見表1,故障原因分析見表2。

表1 屏蔽泵故障表現(xiàn)形式情況表

表2 屏蔽泵故障原因情況表

從表1和表2可以看出,屏蔽泵出現(xiàn)故障的表現(xiàn)形式主要集中在A(泵體過熱,尾管溫度高)21.8%、B(運行聲音異常,震動大)17%和C(TRG黃區(qū)或紅區(qū))32%。軸承、軸套和推力盤等磨損是屏蔽泵發(fā)生故障的最主要原因,占66.7%,加上定子轉(zhuǎn)子屏蔽套磨損及葉輪磨損時一并發(fā)生的軸承、軸套和推力盤等磨損,共占86.4%。誘發(fā)軸承、軸套和推力盤等磨損一般都是因為氣蝕導(dǎo)致潤滑液短缺,使得潤滑液吸收電動機的熱量和軸承磨擦熱量在轉(zhuǎn)子腔汽化,造成滑動軸承的干摩擦破壞[9]。

氯硅烷屏蔽泵平均故障率呈下降趨勢,從第一年的0.91次/臺至運行第三年時的0.44次/臺,主要原因分析如下:一是屏蔽泵在投產(chǎn)初期由于管道較臟,而屏蔽泵是依靠所輸送的液體來潤滑和冷卻的,一旦固體顆粒進入冷卻系統(tǒng),容易導(dǎo)致堵塞,而使軸承和軸套發(fā)生干磨而損壞；二是投產(chǎn)初期管道內(nèi)鐵銹、焊渣等雜質(zhì)易堵塞濾網(wǎng),從而導(dǎo)致泵抽空、泵劇烈震蕩,送不上液體,使軸承和軸套發(fā)生干磨而損壞；三是運行一段時間后,系統(tǒng)穩(wěn)定,物料相對比較干凈,泵運行也就較為穩(wěn)定,故障率就相應(yīng)降低。定子和轉(zhuǎn)子屏蔽套故障和電機燒毀等故障也較多,主要集中在SiCl4多級泵,主要是因為SiCl4物料比較臟,固體顆粒含量較多,容易造成泵前過濾器堵塞或泵軸冷卻循環(huán)系統(tǒng)堵塞,從而導(dǎo)致泵氣蝕。加之多級泵葉輪多,一旦發(fā)生氣蝕震動極大,易造成軸承破碎,碎片進入定子和轉(zhuǎn)子屏蔽套間隙后,會導(dǎo)致屏蔽套磨損,從而使得介質(zhì)侵蝕電機繞組使繞組損壞。

2.3 屏蔽泵故障與物料的關(guān)系

屏蔽泵發(fā)生故障跟物料的干凈程度關(guān)系非常大,SiCl4輸送泵和殘液輸送泵極易發(fā)生故障,原因如下:一是因為四氯化硅物料比較臟,固體顆粒,如硅粉等較多,容易導(dǎo)致泵內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)堵塞,而使軸承和軸套發(fā)生干磨損壞；二是四氯化硅物料內(nèi)的顆粒物,易堵塞過濾器,發(fā)生氣蝕,使得泵劇烈震蕩,送不上液體,導(dǎo)致軸承和軸套損壞,也易導(dǎo)致葉輪損壞；三是過濾網(wǎng)損壞后臟物進入泵體,導(dǎo)致泵軸承損壞,進而屏蔽套損壞。

屏蔽泵發(fā)生故障跟物料的沸點關(guān)系較大,二氯二氫硅沸點低,易汽化,輸送時易導(dǎo)致氣蝕。還原尾氣分離回收的氯硅烷屏蔽泵出現(xiàn)故障較少,主要是由于物料溫度很低,難汽化。導(dǎo)熱油屏蔽泵發(fā)生故障非常少,主要是由于導(dǎo)熱油比較干凈,成分穩(wěn)定且不易氣蝕。氟利昂屏蔽泵發(fā)生故障也非常少,主要是由于氟利昂十分干凈,溫度低且不易氣蝕。

2.4 屏蔽泵故障與生產(chǎn)操作的關(guān)系

屏蔽泵故障與生產(chǎn)操作的關(guān)系比普通的離心泵要大得多,正確合理的操作可以大大減少故障的發(fā)生。屏蔽泵故障大部分原因都是由氣蝕引起的,可能引起氣蝕的原因一是過濾器堵塞,壓力降大,二是儲罐備壓低,或液位低,而巡檢時未及時發(fā)現(xiàn)壓力表變化,或DCS 上未及時發(fā)現(xiàn)流量降低,從而導(dǎo)致部分氯硅烷液體汽化或液體量不足,不能對軸承、定子屏蔽套等起到較好的冷卻作用。屏蔽泵發(fā)生故障一般會引起聲音異常、泵體震動、表面溫度高、壓力波動或TRG表異常等,這都需要現(xiàn)場巡檢人員細心、認真負責?，F(xiàn)場巡檢人員一旦大意,未能及時發(fā)現(xiàn)初始癥狀,就會導(dǎo)致屏蔽泵故障發(fā)生。因為屏蔽泵一旦發(fā)生氣蝕,能在極短時間,有時可能2～3 min就能使完好的軸承損壞。因此,屏蔽泵故障與生產(chǎn)操作的關(guān)系也是非常大的,要求日常巡檢或操作要認真,應(yīng)能夠及時發(fā)現(xiàn)泵運行中的不正?，F(xiàn)象,如泵體及軸承溫度異常、聲音異常、壓力流量異常、電流異常等,并正確處理。

3 討論與建議

3.1 屏蔽泵的選型

對于輸送物料比較臟的屏蔽泵,如SiCl4輸送泵、殘液泵和粗餾塔底泵等,可選用泥漿型屏蔽泵。泥漿型屏蔽泵通過某些方式持續(xù)輸出清潔介質(zhì)給轉(zhuǎn)子腔補液,一是可以避免主泵內(nèi)含有顆粒的介質(zhì)進入主泵的轉(zhuǎn)子腔損壞滑動軸承,二是即使過濾器堵塞,發(fā)生氣蝕,也只會對葉輪產(chǎn)生損壞,而不會導(dǎo)致軸承軸套缺液干磨而損壞。

對于易出現(xiàn)故障的屏蔽泵,可以增加空轉(zhuǎn)(缺液)保護裝置或電路保護器,一旦流量大幅度下降,如過濾器堵塞或氣蝕,可自動切斷電流,使電機停止運轉(zhuǎn),防止事故發(fā)生。此外還可以在轉(zhuǎn)子腔內(nèi),增加溫度監(jiān)測裝置。

3.2 屏蔽泵的布置

由于屏蔽泵發(fā)生故障大部分都是由氣蝕引起的,為減少屏蔽泵發(fā)生氣蝕,可以采取以下兩類手段:一是盡量選用氣蝕余量較低的泵,這是由泵結(jié)構(gòu)決定的,如增加誘導(dǎo)輪,加大葉輪進口處直徑等[10]；二是盡量提高屏蔽泵的有效汽蝕余量,需要優(yōu)化設(shè)備及管道布置。具體措施如下所述。

1)降低泵的安裝高度。采取措施:一是盡可能降低泵的基礎(chǔ)高度；二是提高儲罐基礎(chǔ)高度(如提高整個罐區(qū)的基礎(chǔ)高度),如將提純塔的回流罐放置在建筑結(jié)構(gòu)的二層,而泵放置在一層。

2)降低泵送液體溫度。采取措施:在易發(fā)生氣蝕的屏蔽泵前管道加夾套冷卻。

3)保證密封儲罐的備壓,因為隨著密封儲罐液位降低,儲罐上方的氣體壓力也會降低。

4)提高泵的吸入性能,減少吸入管道阻力。采取措施:加大吸入管道直徑、減少管道長度和彎頭數(shù)量,并采用大曲率半徑的彎頭。

5)對于經(jīng)常發(fā)生過濾器堵塞的屏蔽泵,如SiCl4輸送泵,可將Y型過濾器改為提籃式過濾器,因為提籃式過濾器濾筒過濾面積大(可容雜質(zhì)的體積比Y型過濾器大70倍以上),堵塞頻率小,且清潔方便。

6)對于經(jīng)常發(fā)生過濾器堵塞的屏蔽泵,如SiCl4輸送泵,可以考慮在過濾器前后設(shè)置差壓檢測裝置,一旦過濾器出現(xiàn)堵塞,可以第一時間發(fā)現(xiàn)故障。

3.3 屏蔽泵的使用

屏蔽泵故障率與生產(chǎn)使用關(guān)系較大,合理的使用和維護能大大減少故障的發(fā)生。

1)對于經(jīng)常堵塞的泵前過濾器,建立定期清理過濾器機制[11]。投產(chǎn)初期或停工大修后初期,由于管道較臟,鐵銹、焊渣等雜質(zhì)易堵塞濾網(wǎng),需要縮短定期清理過濾網(wǎng)的周期。

2)屏蔽泵啟動穩(wěn)定運行15 min 內(nèi)不離場,新修泵運行初期每半小時檢查不少于1次,確保能夠及時發(fā)現(xiàn)泵運行中的不正?，F(xiàn)象,并正確處理。

3)必須在允許的流量范圍內(nèi)操作,不能在極限范圍以外進行操作。泵處于小流量運行時,部分葉輪加壓的輸送介質(zhì)沒有排出,溫度逐漸升高,使得部分介質(zhì)汽化,造成滑動軸承組件表面溫度急劇上升,部件磨損,最終導(dǎo)致破碎[12]。

4)盡量減少啟、停操作次數(shù),避免頻繁切換機泵。在啟停設(shè)備瞬間,設(shè)備內(nèi)的各零部件受力不均,摩擦嚴重,易造成零部件疲勞運轉(zhuǎn)。

5)建立完善的屏蔽泵故障記錄機制,操作人員記錄故障發(fā)生時的詳細表觀現(xiàn)象,維修人員記錄泵拆卸后的內(nèi)部損壞詳情,及時分析每一臺屏蔽泵發(fā)生故障的可能原因,以避免同樣故障再次發(fā)生。

4 結(jié)語

屏蔽泵在多晶硅生產(chǎn)中主要用于易燃、易爆、有毒、有害介質(zhì)的輸送,具有完全無泄漏的結(jié)構(gòu)特點,可避免物料輸送中發(fā)生跑、冒、滴、漏問題,是多晶硅生產(chǎn)中極為重要的設(shè)備。針對多晶硅生產(chǎn)過程中氯硅烷介質(zhì)的特點,在屏蔽泵的設(shè)備選型、設(shè)計布置和生產(chǎn)使用等方面進行優(yōu)化改進,才能保證其長期穩(wěn)定運行,避免安全和環(huán)保事故的發(fā)生。