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高纯气体输送用管线与阀门  

2011-05-17 13:41:11|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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低温与特气 1993 NO3 23

高纯气体输送用管线与阀门
俞利群
体输送用营线与闷门的选用 选材 材料的表面处理方法及管道安装中应注意的问题
f
主题词:管材,金属表面清理,管路系统,管道施工J确门。南乡 断 ,筘)运
\ ,,、 ~
高纯气体输送管路系统的质量好坏,将
会直接影响到高纯气体的纯度、干燥度、洁
净度。因此,对于高纯气体输送系统的设计、
选材、加工制造、洁净处理及安装使用过程
中的各环节严格控制都有十分重要的意义。
1 材料的选择
实践证明,高纯气体输送管路采用不锈
钢材料较为理想,不锈钢对杂质及水份的活
性较其它材料弱,耐腐蚀及机械工艺性、综
合经济性都较好。对于抽真空的系统来说,不
锈钢的出气率也较低,仅为铜材的十分之一,
为橡胶树脂的千分之一。要特别注意的是,由
于所有气体对有机聚合物都有较高的渗透
率,因此,在高纯气体的管路中绝对不允许
使用非金属管线、密封垫片,以及非金属隔
膜的减压阀、膜片阀等。否则,系统内外气
体的相互渗透将会降低气体的质量。在实际
应用中,材料的选择必须考虑使用介质的性
质及使用条件(温度、压力、环境)。例如,
1Cr]8Ni9Ti奥氏体不锈钢用于Hcl气体(含
水量≤10×10 ),使用温度≤100℃时,年腐
蚀率≤O.05mm;而使用温度为540℃时,年
腐蚀率≥0.5mm,因此就不能采用。并且,不
锈钢材料也不适用于任何浓度的盐酸。
管材必须选用无缝管材。管子的内外表
面质量、外径公差及圆度要符合设计要求。表
面擦伤及任何一种即使不太明显的内外表面
缺陷都是应力源,都会引起腐蚀的不均匀性,
从而降低了在交变载荷和活性介质作用条件
下管道的耐腐蚀—— 疲劳破坏能力。在旋工
和运输中,不能把管子在地面及硬的物体上
拖拉,以免划伤管子表面。
管子外径及壁厚的选择除了考虑系统的
压力、流量外,还要注意采用卡套连接的管
子壁厚要合适。管壁太簿,卡环将会压坏管
子;管壁太厚,卡环就不能使管子恰当变形,
同样起不到密封作用。采用卡套连接的不同
管径的最小壁厚如表1所列。
表1 卡套连接管子所要求的最小壁厚
首子外径/ram 3
最小壁卑,mm 0.75
管子外径, 眦h — 1
最小壁厚,inch o.028


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24 低温与特气 1992~ 3
2 材料表面处理
未经处理的材料表面会粘附有氧化皮,
油污、灰尘、金属碎屑等杂质。如果将不经
处理或处理得不彻底的材料用于高纯气体管
路系统,气流的冲刷、温度及压力等因素的
变化,对材料表面出气会造成影响,会不可
避免地造成气体质量下降和洁净管道污染,
甚至引起部件损坏与报废。
众所同知.金属材料的表面与气体分子
存在着吸附与解吸现象,当气体的压力、温
度等条件一定时,吸附与解吸只与材料实际
表面大小及处理情况(抛光、清洗等)有关。
因此,对高纯气体输送装置的表面进行处理
主要有两个目的,即清除材料表面的有害杂
质和获得高质量的表面光洁度。清洗工作的
一般顺序为机城清洗、酸洗、去垢清洗和去
油脱脂。国外多采用在密闭的塑料容器中加
入三氯乙烯,用超声波清洗的方法对管阀件
成品进行最终清洗,以保证电子级高纯气体
管阀件的特殊洁净要求。日本酸素公司的不
锈钢管材制造和处理过程如图1所示,经光
亮退火的不锈钢洁净管内表面粗糙度为
m =0.63,um。电解抛光处理的洁净管内
表面粗糙度为Ra.=0.125,um。
口覃口 粤 [覃]
t睦i卜堡— 厂驻
田1 日本t膏公司的不锈铜管翻造盈处理过程
目前,国内不锈钢材料表面处理方法主
要有以下几种。
2.1 机械抛光
在机械抛光过程中,一些磨料及金属碎
屑会因对抛光表面产生的滚压作用而被压嵌
入表面凹陷处,造成抛光表蕊的二次污染。如
果要得到较为理想的表面,就需采用较细的
磨料长时问研磨,比较费时费力。并且对形
状复杂的表面有一定的局限性。
2.2 酸钝化
通常,对不锈钢材料用20 硝酸钝化处
理,其主要作用是溶解不锈钢表面的夹杂物
和污染物,使之洁净,并在处理表面获得一
层钝化膜。但在处理过程中,表面的硫化锰
及加工过程中嵌入表面的钢铁碎粒会溶解,
从而使被处理表面形成空洞。
2.3 电解抛光
电解抛光过程实际上就是溶解阳极的过
程,被抛光表面凸起部分的电流密度比凹下
部分大,由于被抛光表面各部分的电流密度
相差很大,结果使得凸起部分因电流密度大
而迅速溶解,使凸起的顶峰逐渐趋于平坦,形
成光滑平整的表面。虽然在酸钝化过程中也
是溶解材料表面的凸起部分,但速度远不如
电解抛光快(整个电解过程一般只有几分
钟),因而酸洗钝化实际上只能使处理表面变
光滑,而不能提高平整度。更重要的是电解
抛光能改善金属表面的微观结构,使之具有
真正的晶粒结构和金属基体的性质,形成一
个等电位的表面。不锈钢通过阳极极化而钝
化时,会在材料表面生成一层(1~5)×lO
m厚的紧密稳定的cr O。富集膜,而此氧化
膜比化学抛光工艺钝化产生的氧化膜更稳定
和耐腐蚀。这也是电解抛光工艺的主要优点。
电解抛光过程中,不锈钢中导电性差的
某些碳化物及非金属夹杂物,会造成抛光表
面的凹凸不平。因此,电解抛光处理时应采
用有较好表面光洁度的低碳、超低碳不锈钢
(316,316L等)。抛光时也可采用多种抛光法
相结台,取长补短,以克服单一抛光法的某
些缺陷。如对表面粗糙度较差的材料采用机
械与电解抛光的复台抛光法, 也会得到较好
质量的表面。国外特气管阀件的表面处理广
泛采用了电解抛光技术。由于某些条件的限
制,国内应用电解抛光技术处理特气管阀件
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低温与特气 1993 NO3 25
的厂家还很少,仅化工部光明化工研究所可
小批量生产。
3 管路系统
高纯气体管路系统的选材及表面处理很
重要,而管线施工及阀门与接头等管道附件
的结构设计与选用同样也是十分重要的。
3.1 阀门的选用
3.1.1 填料阀门
填料阀门的结构决定了它在开关过程中
阀杆与填料密封函间必然有相对摩擦运动,
易产生粒子污染和发生泄漏。此类阀的密封
可靠性较差,易污染气体,造成气体质量下
降。对于易燃、易爆、有毒、腐蚀性气体来
说,还存在着不安全隐患。无论是何种类型
的填料阀门都不适用于高纯洁净气体管路。
3.1.2 金属膜片截止阀及波纹管阀
国内外的实际使用证明,在高纯洁净系
统中,使用效果较好的为金属膜片阀和波纹
管式阀门。其主要结构特点是靠金属膜片与
波纹管将阀腔与外界大气完全隔绝,从结构
上保证了阀门的密封可靠性。这两种阀门各
有优缺点。膜片阀结构简单,死区体积不到
相同口径波纹管阀的一半;大行程的波纹管
阀可制成节流阀,流量调节性能好,但结构
较膜片阀复杂,高压波纹管的价格较贵。此
类阀在化工部光明化工研究所已有系列产
品。
3.1.3 减压阀
适用于高纯洁净气体的减压阀是金属隔
膜减压阀。减压阀有单级和双级两种基本类
型。一般来说,在操作条件变化较大的情况
下,双级减压阀比单级减压阀的输出压力更
稳定些。减压阀的流量特性、压力特性及稳
压精度是选择和使用的重要依据 单级减压
阀在化工部光明化工研究所已进行了投产鉴
定。 -
3.2 管线连接方式
3.2.1 焊接
对高压管道不推荐采用焊接。因为焊接
后的退火处理很难完成。可能发生晶问腐蚀,
在内部形成裂纹,且更换部件较困难。高纯
气体管线焊接最好在净化间内进行,并用保
护气体连续吹除保护(或在管内充氩密封后
焊接)。国外已有各种规格的标准过渡接头,
并采用自动焊接技术进行施工。对于自行设
计的焊接接头要避免不正确的焊接结构,接
头必须完全焊透,避免可聚集污物的有害空
间。如发现焊缝漏率较高,应将焊缝磨得露
出母材后重新焊接,不能在原来漏泄的焊缝
上补焊,因为补焊很少能堵住漏孔,又可能
产生应力,从而引起新的裂缝。如果没有高
质量的标准连接头,,则高纯气体管路的连接
还是采用焊接结构较为保险。目前。国外为
了提高焊缝接合处的洁净度,施工中多霖瑁
预制件式的管路组件(如图2),焊缝随管材
一同清洗抛光处理。构件一般可达4m,母体
管材上可焊有多达20个不同口径的接管。施
工中不仅可减少约70 的焊接工作量,而
且,提高了管道的施工质量。
围2 日本酸素公司的管路埠接组件
3.2.2 接头
较常应用的卡套式接头毋需焊接,拆装
方便、迅速,可多次重复使用。较典型的美
国Swage[ok公司的卡套接头重复拆装可达
80次,其最大的卡套接头可连接外径为
50.8ram的管子,但25.4ram 以上的卡套接
头在安装时,要使用专用的液压安装工具来
保证准确安装。选择卡套时要注意卡套接头
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26 低温与特气 1993 No3
及卡环的硬度应高于管材的硬度。例如,铜
制卡套接头绝不能应用于不锈钢管连接。经
验表明,采用卡套连接的前提是采用高质量
的卡套接头和管材,否则,只会带来麻烦。
另一种较常应用的连接方法是在管端焊
螺纹接头,中间加垫片的结构。目前,国内
外高纯气体管路中应用较普遍的为“VCR
接头(见图3),装卸时不需要轴向间隙,可
以使用各种垫片材料,使用范围较广。美国
CAJON公司的316L不锈钢“VCR 接头,其
使用温度可达1000T (537℃),可在超高真
空至75.7MPa压力范围内使用。化工部光明
化工研究所为丹东半导体器件总厂的cI 、
SiH。等生产用气的输送与清洗吹除装置中
采甩了自行设计的金属膜片截止阀及
"VCR 接头,系统经氦质谱检漏,漏率≤
1.33×10 Pa-L/s,使用效果良好。
圈3 。VCR 接头
必须注意,不论选择何种类型的接头,如
果系统的温差变化较大,接头组件与管材的
材料应该相一致,否则, 由于材料热膨胀系
数不同,将会对密封表面产生不利的影响。
3.3 管线的正确安装
所有气体输邀管线均应根据现场实际情
况,因地制宜地安排,尽量与其它管网线协
调布置,对仪表与设备的操作不致互相干扰。
同时,还应注意以下几点。
1.对长距离的管线在一定间隔上要加
支承予以固定, 防止管线因自重向下凹陷造
成损伤,还可防止管线通气及意外振动时发
生粒子污染。在高纯气体管线中不允许采用
活动和弹性支承。所用的支承不得约束管子
的轴向自由度。支承的间距一般取决于管径
外径为 64 16mm 的管子,支承问距约为
lm; l8~ 25mm 的管子,支承间距为
1.5m; 25ram以上的管子,支承间距为2
m o
2.管线上的阀门、过滤器等的重量不能
靠管线支撑,必须单独加以支承固定。尤其
象阀门等某些在操作时会产生转矩的器件.
更必须加以固定,以防止旋转扭矩损伤管线,
如图4所示。
S /
囝4 闽门安装的正谡比较
3.必须注意不要使管子在受力状态下
组装,应避免下列不正确的结构,如图5所
囝5 不正确的连接结构
示。这种结构无论采用什么连接方式,都很
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低温与特气 1 993 NO3 27
难保证管子两端的密封面同时部完全接触,
而且温度变化时,将会使密封表面移动改变。
采用图6所示的结构就会消除温度变化的影
响,并可保证管线安装可靠,拆卸方便
恩6 正确的连接结构
4.弯管必须冷加工,并且要使用台适的
机械,不准重复弯管。弯管处有压扁、弯折、
起皱现象的管子不能使用。
5.管子锯开或切开时,要保证管子切13
与管壁垂直,最好使用专用工具清除管子切
口内外的毛刺。特别注意不要让碎屑进入管
内,并要用洁净的空气或氨气吹除。因为旋
工实践表明,管道内的金属碎屑,多是此时
残留下来的,对小13径管( 3ram 以下)不
可用锯锯断,可用三角或尖锉绕管外径锉一
. 圈沟槽,然后断开,避免毛刺堵塞内孔。
6.在安装阀门时要注意阀体上的流向
标志 安装应使得当工作系统有压力时,总
是把压力端接到阀头下面的空腔,而不是接
到阀头上面的填料或膜片处。当阀门处于关
闭状态时,这种连接方式可保证工作系统发
生外瓣的机会最少。阀门要安装在显眼和容
易操作的位置,不要让操作者的手通过很冷
或根热的物体去操作阀门。阀门不能以手轮
垂直向下的位置倒置安装,以防系统中可能
的杂质积聚在阀腔中,使得损坏阀门。
7.管路中的减压阀只保证输出的压力
为定值。对流量的控制,要利用装在减压阀
出13处的流量控制阀来实现,或者利用在减
压阀下游管线上设置的辅助阀门来实现。减
压阀本身在管线中不应当用作流量控制器,
即不能靠调节压力来获得不同的流量,否则,
会使减压阀失效 虽然在某些情况下可以用
这样方式来获得较高的流量,但可能会造成
管道系统及用气设备的压力超标。
8.较长的管路系统检漏时可采用分段
检漏的办法。所用的检漏方法有检漏液检查
法与氦质谱检漏法。
4 结束语
不洁净管道输送系统及某些设计安装中
的缺陷,在特气科研及微电子生产中的负效
益是非常大的,无论是对产品成品率及产品
质量的影响,还是泄漏、腐蚀事故的损失部
是不可忽视的 因此,为建立起高质量的高
洁净气体输送管线,必须在管线设计安装的
过程中, 在理论上和技术上采取各种措旋对
各环节、各项指标给予综合考虑。否则,有
可能给以后的工作造成不必要的返工与浪
费,以及时间上的损失。
参考文献
1 A 罗思 真空技术 北京.机械工业出版杜,1980,
169. 313
2 盒相幢驻技术,北京.机械工业出艋社.1988,118
~ 124
3 赵晨阳译.低温与特气.1991.(1),43~44
4 Nippon SansO·Semiconductor Equipment Catal0g,
1992, 6 5, 73~ 7 5
5 F J Ca1]aha~·Swage]ok Tube Fitting and [~stallado.
M 口a1. 198S
(1993年4月12日收稿)
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