Шкафы газобаллонные для особочистых газов: особенности технологического применения

01.06.2021

Шкафы газобаллонные для особочистых газов: особенности технологического применения

Области применения: электроника, приборостроение, аналитическое оборудование, современные микро- и нанотехнологии.

Назначение: Оборудование предназначено для подачи газа (газовой смеси) с активными и агрессивными свойствами в технологическое оборудование с сохранением исходной чистоты газа.

Газобаллонные шкафы являются неотъемлемой частью технологического оборудования, работающего с особочистыми, агрессивными и токсичными газами. В статье представлен концептуальный подход к применению данного вида оборудования, сформулированы требования к разработке газораспределительных панелей шкафов в зависимости от используемого газа, приведены конструкции унифицированных панелей, позволяющих за счет различного сочетания последних получать требуемую конфигурацию шкафа.



В современном технологическом оборудовании, предназначенном для ростовых процессов, плазмохимии, нанесения и обработки тонких пленок, исследовательском оборудовании часто в качестве технологической среды используются различные газы и газовые смеси. При этом предъявляются очень высокие требования по чистоте рабочих газов. Часто применяемые газы обладают высокой токсичностью, являются пожаро- и взрывоопасными, а также химически активными. Всеми вышеперечисленными свойствами обладают, в частности, такие часто используемые газы, как хлористый водород, аммиак, ацетилен, моносилан и другие.

Для формирования требуемого по расходу и давлению потока газа, а также размещения газовых баллонов с соблюдением необходимых мер безопасности применяют специальные газобаллонные шкафы, являющиеся важнейшим инструментом формирования исходного потока газа в технологическое оборудование.

Требования к газобаллонным шкафам

К газобаллонным шкафам предъявляются следующие требования:

- защита баллонов с газами от несанкционированного доступа;

- редуцирование давления от баллонного до магистрального;

- защита технологического оборудования от «прорыва» газа высокого давления;

- безопасность в случае разгерметизации;

- регистрация количества реагента в баллоне;

- сохранение исходной чистоты газа на выходе из газовой системы.

Рассмотрим эти требования по порядку.

Защита баллонов с газами от несанкционированного доступа. Шкаф, где хранится баллон, запирается на ключ, который находится у ответственного лица. Электронная защита в виде сигнализации на открывание дверей, как правило, не применяется. На внутренней стороне дверцы шкафа хранится журнал смены баллонов с датой и подписью лица, проводившего замену. Помимо защиты от несанкционированного доступа, шкаф в закрытом состоянии предохраняет баллон от падения, срыва редуктора или другой арматуры при осуществлении вблизи ремонтных либо других работ персоналом, не знакомым с особенностью эксплуатации сосудов под высоким давлением.

Редуцирование давления от баллонного до магистрального. Редуцирование давления является одной из основных функций шкафа и обеспечивается одно- или двухступенчатым понижением давления специальными химстойкими регуляторами давления. К регуляторам давления предъявляются достаточно высокие требования. Во-первых, корпус должен быть изготовлен из коррозионностойкой стали (это в равной мере относится и к другим элементам газовой панели). Во-вторых, он должен обеспечивать поддержание заданного давления с погрешностью не более 1,5%.



Важным элементом редуктора является уплотнительная пара «седло-клапан». В последних разработках зарубежных фирм эта пара представляет собой конструкцию «металл-металл». Однако, при работе с недостаточно чистыми газами возможно попадание микрочастиц в редуктор. При этом происходит перетекании газа высокого давления в технологическую магистраль, что может привести к потере работоспособности элементов, не предназначенных для работы при высоком давлении. Ранее применявшееся обрезинивание штока затвора позволяло нивелировать эту проблему за счет вдавливания микрочастиц в структуру резины. Однако, современные требования к привносимой дефектности не позволяют использовать уплотнения из резины. Разумным компромиссом может быть использование фторопластов PTFE, PFA, PCTFE, ECTFE , а также фильтров высокого давления на выходе из баллона.

Защита технологического оборудования от «прорыва» газа высокого давления. В случае выхода из строя регулятора давления газ высокого давления оказывается в магистралях, расположенных за регулятором, что может привести к выходу из строя и разрушению отдельных элементов. В случае нарушения конструкции может возникнуть опасность выброса токсичных и взрывоопасных газов в рабочее помещение. Чтобы избежать этого в панели шкафа устанавливается предохранительный клапан, обеспечивающий сброс газа в вентиляцию или скруббер при превышении номинального давления, на которое настраивается клапан.

Безопасность в случае разгерметизации. При обнаружении утечек детекторами газоанализаторов, установленными в шкафу, а также в помещении с технологическим оборудованием, необходимо прекратить подачу газа в магистраль. Для этого на панели шкафа устанавливают нормально закрытый аварийный клапан. Аварийный сигнал с детектора поступает на блок управления, где формируется команда на перекрытие подачи газа.

Регистрация количества реагента в баллоне. Газы находятся в баллоне в газообразном или сжиженном состоянии. Давление газа в баллоне составляет ~15,0-16,0 МПа, давление паров при сжиженном состоянии ~ 4,0 МПа (для разных газов оно меняется). Остаток газа в баллоне контролируют величиной остаточного давления. Для контроля давления применяют манометры класса точности 1,5. Манометр должен быть изготовлен из нержавеющей коррозионностойкой стали с полированной внутренней поверхностью. Герметичность манометра не хуже 1,3·10^-9м3·Па/с. Это особенно важно в связи с тем, что отечественная промышленность выпускает манометры, соответствующие требованиям ГОСТ 2405-88 и не предусматривающие проверку на герметичность. Наш опыт показал, что только 75% манометров, ввозимых из-за рубежа, при стопроцентном входном контроле удовлетворяют требуемому значению по герметичности. Кроме того, важно, чтобы уплотнение манометров осуществлялось VCR соединением (через никелевое кольцо).

Контроль по остаточному давлению неприменим для сжиженного газа, так как давление паров меняется незначительно даже при практически пустом баллоне. Полная выработка газа из баллона недопустима, так как затрудняет очистку баллона при последующей заправке [1]. Поэтому для сжиженных газов контроль наличия вещества в баллоне осуществляют путем взвешивания баллона. Обычно невырабатываемый остаток составляет около 10%, что связано с увеличением концентрации примесей в оставшемся реагенте.

Сохранение исходной чистоты газа на выходе из шкафа. Это один из наиболее важных и требующих комплексного решения вопросов.

Во-первых, баллон и баллонный вентиль должны быть изготовлены из коррозионностойких материалов с полированной внутренней поверхностью. Как правило, в качестве конструкционного материала используется нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и сталь 316L.

Особое внимание следует уделить соединению баллонного вентиля с панелью шкафа. Герметизацию осуществляют затягиванием гайки, находящейся на входном трубопроводе панели. При этом в паре «нержавеющая сталь – нержавеющая сталь» возникают значительные усилия, приводящие к переносу микрочастиц материала с поверхности резьбы в трубопровод. Значительно уменьшить этот эффект можно за счет нанесения на резьбу гайки покрытия из сплавов серебра.

Нередко приходится сталкиваться с ситуацией, когда закупаются баллоны с газом, на которых резьба вентилей не совпадает с резьбой стыкуемой гайки. Выход из ситуации производственники находят использованием переходника, который изготавливают своими силами при отсутствии калибров и другой контрольно-измерительной аппаратуры. В этом случае описанный выше эффект многократно усиливается, вплоть до попадания стружки в регулирующие и запорные элементы и нарушения их работоспособности.

Сборка панелей (газовых блоков) шкафа должна осуществляться в специально оборудованных помещениях с классом чистоты не менее 6 по ISO 14644.

Саму панель можно условно разделить на два участка: участок до редуктора, работающий при высоком давлении газа, и участок, находящийся под более низким давлением после редуктора. На участке высокого давления газа следует избегать разборных соединений, т.е. все стыки должны быть сварными, причем количество сварных швов должно быть минимальным. Предпочтение следует отдавать изгибу трубы вместо двух сварных швов на углу. Необходимо помнить, что радиус сгиба должен быть не менее двух диаметров трубы, чтобы избежать деформации материала, ведущей к образованию микрочастиц [2]. Сварка проводится на оборудовании орбитальной сварки в защитной среде особочистого аргона. Обдув аргоном в зоне сварного соединения осуществляется как внутри трубы, так и снаружи.

Собранная панель проходит все необходимые стадии контроля и аттестации:

1. Проверка на герметичность. Проверка на герметичность осуществляется течеискателем в два этапа. На первом этапе откачивают трубопроводы и малым потоком гелия обходят все сварные швы и места соединений. На втором этапе подают гелий до давления 16МПа в трубопроводы участка высокого давления и с помощью щупа проверяют утечки гелия на стыках соединений. Утечки по гелию не должны превышать 1,3·10-8м3·Па/с.




1. Опрессовка панели. В соответствии с ПБ 03-585-03 «Правила устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов» газовая система панели должна проверяться при давлении, в 1,4 раза превышающем рабочее. Падение давления в течение 48 часов не должно превышать 2%.

2. Контроль сварного шва. Вследствие нарушения режимов сварки, сваривания разных по химическому составу сталей, некачественной подготовки сварных соединений и др. внутри сварного шва могут возникать различного рода дефекты в виде непроваров, каверн и пр. При работе в среде агрессивных газов и под высоким давлением места сварных соединений подвержены риску разрушения. Проверку качества сварного шва осуществляют специальным ультразвуковым дефектоскопом, при этом сварной шов остается неподвижным, а ультразвуковая волна дефектоскопа «обегает» вокруг шва. Данный метод является необходимым условием контроля качества сварных швов, находящихся в среде агрессивных газов под высоким давлением.

3. Контроль чистоты панели. Собранная панель проходит 3х-5ти-кратный цикл продувки ОСЧ азотом и вакуумирования. Контроль частиц, выделяемых газовой системой панели проводится счетчиком частиц.

Принцип действия счетчика основан на регистрации рассеянного оптического излучения. В качестве источника света используется полупроводниковый лазер с длиной волны 780 нм. Регистрация рассеянного света осуществляется фотоприемником. Интенсивность светового импульса пропорциональна размеру частицы, а количество световых импульсов определяет число частиц.

Сначала проводится контроль по числу частиц для газа, поступающего из баллона, затем устанавливается панель, и контроль повторяется. Разницу между этими показаниями принимают за количество частиц, выделяемых газовой системой панели.

После контроля и аттестации панели на нее выпускается паспорт с указанием назначения, условий работы и результатов испытаний. Панель поставляется заказчику под избыточным давлением 1,2…1,5 атм. в герметичной упаковке и с штуцерами, закрытыми специальным термопластом.

Описание газовых панелей

Панели газовые можно разделить на три основные группы в зависимости от вида рабочего газа.

1. Панель для работы с инертными газами.

2. Панель для работы с агрессивными и токсичными газами.

3. Панель для работы с сжиженными газами.

Разработанный в ООО «Элточприбор» ряд унифицированных панелей позволяет изготавливать большой перечень газобаллонных шкафов по техническим требованиям заказчика.

Описание шкафов газобаллонных

Шкаф представляет собой сборный каркас с обшивками и двумя дверцами с передней стороны, запирающимися на ключ. Для циркуляции воздуха в верхней части шкафа имеются отверстия для выхода штуцеров, соединяющихся с технологическим оборудованием и с линией сброса. На задней внутренней стенке крепятся газовые панели.

Шкафы газобаллонные для подачи BCl3, Cl2 HCl и Ar/N2 обеспечивают минимальный расход 2,5·10-4м3/с (900 л/час) при выходном давлении 0,3 МПа. Диапазон выходного давления (0,02- 0,4) МПа при входном давлении (1,0-16,0)МПа по Cl2. Выходное давление BCl3 в пределах (0,06-0,12) МПа.

Шкафы подключены к вытяжной вентиляции, газовые блоки герметичны. Допустимое падение давления за 48 часов не более 0,1 МПа для входных линий с давлением до (10-16)МПа и 0,002 МПа для выходных линий с давлением 0,3 МПа. Герметичность газовой системы по гелию ~ 1,3·10-8м3·Па/с.

Шкафы газобаллонные рассчитаны на размещение в них двух баллонов емкостью 40 л и комплектуются панелями в соответствии с используемым газом. В одном шкафу не допускается размещение баллонов с горючими газами и баллонов с окислителями или токсичными газами [3].

В ГОСТ 19433-88 «Грузы опасные. Классификация и маркировка» приведена таблица распределения опасных веществ и материалов при хранении, позволяющая определить совместимость баллонов с разными газами в одном шкафу.

Выходное давление газов устанавливается в соответствии с требованиями эксплуатационной документации на технологическое оборудование, но не более 0,3 МПа. Баллоны с BCl3, Cl2 и HCl подвешиваются к индикаторам веса.

Выводы

1. Наличие унифицированных панелей позволяет создавать конфигурацию газобаллонного шкафа под конкретное технологическое применение.

2. Контроль утечек газа и меры безопасности являются общими и обеспечиваются стандартным решением для всех видов шкафов.

3. Каждый тип шкафа комплектуется подробным описанием и инструкцией по эксплуатации и обслуживания данного оборудования.

Литература

1. Гладких П.А. Специальная подготовка баллонов – гарантия сохранения качества сверхчистых газов.

//Чистые помещения и технологические среды, - М., №2, 2003, С. 24-29

2. Гладких П.А. Правильный выбор конструкционных материалов – первый шаг к созданию сверхчистой газораспределительной системы. // Чистые помещения и технологические среды, - М., №2, 2004, С. 20-28

3. ППБ 01-03. Правила пожарной безопасности в РФ