淺談特氣的安全運(yùn)行與管理

李建輝++張寧++李爽++許浩賓

摘 要：本文簡(jiǎn)要介紹了特氣在運(yùn)行管理中的幾種分類方法，概述了特種氣體輸送系統(tǒng)的主要構(gòu)成單元，并探討了特氣安全運(yùn)行與管理當(dāng)中需注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：特氣；運(yùn)行；安全；管理

中圖分類號(hào)：TU714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體及光伏行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)于高純氣體尤其是高純特種氣體的需求量及氣體質(zhì)量要求越來(lái)越高。而特種氣體大都具有有毒、易燃易爆、高腐蝕性、高氧化性等性質(zhì)，如H2Se、SIH4、CL2、NF3等。因此如何安全、穩(wěn)定、可靠地貯存和輸送特種氣體越來(lái)越受到企業(yè)重視。

一、特氣在運(yùn)行管理中的幾種分類方法

特種氣體是指那些在特定領(lǐng)域中應(yīng)用的，對(duì)氣體有特殊要求的純氣、高純氣或由高純單質(zhì)氣體配制的二元或多元混合氣。特種氣體的性質(zhì)是一切安全運(yùn)行與管理的基礎(chǔ)。在儲(chǔ)存、操作、處置氣體之前必須了解該特氣的MSDS，即材料安全數(shù)據(jù)表。依據(jù)MSDS特氣可以有多種分類方式。為了便于運(yùn)行管理特氣，介紹以下幾種分類方法。

1.按特氣在壓力容器中的狀態(tài)分類

特氣在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、輸送過(guò)程中都充裝在壓力容器中。氣體在壓力容器中將填充到所有角落，且對(duì)容器的器壁壓力是均衡的。

在一般填充壓力和溫度下始終保持氣體形式存在的稱之為永久性氣體，而發(fā)生液化現(xiàn)象的氣體，稱之為液化氣。液化氣又分為兩種類型，高壓液化氣如：HCL、N2O；低壓液化氣如：NH3、CL2、PH3。由于在使用永久性氣體時(shí)壓力容器內(nèi)的壓力將逐漸降低，而在使用液化氣時(shí)，壓力容器內(nèi)只要有液體存在則壓力不會(huì)發(fā)生變化，因此在氣體運(yùn)行管理中，監(jiān)控永久性氣體殘余量的方法為壓力監(jiān)控，而監(jiān)控液化氣的殘余量需加裝電子稱，采用重量監(jiān)控的方法。

2.按特氣比重分類

比重也稱相對(duì)密度，氣體的比重是指該氣體的密度與標(biāo)準(zhǔn)狀況下空氣密度的比值。在特氣運(yùn)行管理中，氣體比重可以用該氣體分子量直觀體現(xiàn)。空氣的分子量為28.8，以空氣分子量為分界點(diǎn)，工業(yè)中常見(jiàn)的比空氣輕的氣體有：H2、He、NH3、CH4等等；比空氣重的氣體有：AsH3、PH3、SIH4、CF4等等。這兩類氣體的運(yùn)行管理方式是不同的，比如氣柜內(nèi)比空氣輕的氣體的抽風(fēng)位置和氣體采樣點(diǎn)在鋼瓶上方，而比空氣重的氣體的抽風(fēng)位置和氣體采樣點(diǎn)在鋼瓶下方。需注意的是運(yùn)行管理中的氣體一般都在非標(biāo)準(zhǔn)狀況下，因此與空氣分子量接近的氣體隨著溫度的不同會(huì)有例外，如常溫或高溫N2會(huì)比空氣輕。而冷的N2會(huì)比空氣重。

計(jì)算混合氣的分子量，首先確定混合氣的氣體組成及各組成氣體的分子量。比如計(jì)算1%PH3/He的分子量，PH3分子量為34，He分子量為4，計(jì)算公式如下：

34×0.01+4×0.99=4.3

3.按特氣的化學(xué)性質(zhì)分類

依據(jù)其化學(xué)性質(zhì)，特氣可分為惰性氣體、可燃性氣體、自燃性氣體、氧化性氣體及腐蝕性氣體幾種。

工業(yè)上常用的惰性氣體有CF4、C4F8、SF6、Ar、CO2、He、Xe、Ne等；可燃性氣體有AsH3、B2H6、NH3、TEOS、TMB；自燃性氣體有SiH4、PH3等；氧化性氣體有NO、NF3等；腐蝕性氣體有HCl、HBr、BCl3、BF3、SiCl4、POCl3、PF3、PF5等。值得注意的是，很多特氣都同時(shí)兼具以上兩種性質(zhì)，如SiH2Cl2、SiHCl3同時(shí)具有可燃性和腐蝕性。再如Cl2、F2同時(shí)具有腐蝕性和氧化性。

一般半導(dǎo)體、光伏等行業(yè)在其主體廠房一層都建有專門的特氣房，并根據(jù)所用氣體的種類和性質(zhì)劃分不同的氣體間。如果廠房所用特氣為高毒、易燃易爆且存儲(chǔ)量達(dá)到一定值時(shí)，則需在離廠房安全距離以外的區(qū)域建立氣站為產(chǎn)線供氣。

氣站內(nèi)根據(jù)特氣的分類劃分不同氣體間，如惰性氣體間、可燃性氣體間、自燃性氣體間、腐蝕性氣體間。各氣體間選擇不同的特氣供應(yīng)設(shè)備、特氣監(jiān)測(cè)設(shè)備及防護(hù)設(shè)施。如惰性氣體間需安裝氧氣偵測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)控房間內(nèi)氧氣濃度，若低于安全限制能及時(shí)報(bào)警。由于可燃及自燃性氣體一旦發(fā)生泄漏，則存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，因此可燃及自燃性氣體間在設(shè)計(jì)上需考慮防爆、消防滅火設(shè)施等因素，同時(shí)其供應(yīng)設(shè)備內(nèi)也應(yīng)配制火焰探測(cè)器或者溫度探頭。

特氣根據(jù)其性質(zhì)進(jìn)行分區(qū)管理，不但便于特氣運(yùn)行人員日常操作，發(fā)生異常情況能及時(shí)處理，而且一旦發(fā)生事故則可降低事故風(fēng)險(xiǎn)，減小疊加傷害。

二、特氣輸送系統(tǒng)簡(jiǎn)介

由于特氣的性質(zhì)及用量不同，特氣系統(tǒng)的輸送方式有多種，但絕大部分特氣輸送系統(tǒng)都由以下5個(gè)部分組成。

1.供氣設(shè)備（BSGS、GC、GR）

①BSGS（大宗特氣輸送系統(tǒng)）

此系統(tǒng)與大宗特氣氣源連接，通過(guò)全自動(dòng)控制為工藝設(shè)備精確高效的輸送和供應(yīng)特種氣體。全自動(dòng)大宗特氣輸送柜主要有3部分：內(nèi)部的氣盤、輸送柜柜殼及柜體上方的可編程控制器。氣盤是輸送柜內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)，主要由面板、氣動(dòng)閥、調(diào)壓閥、壓力傳感器及真空發(fā)生器等構(gòu)成。其外殼主要由冷軋鋼板及安全玻璃構(gòu)成，具有防爆防漏的功能。柜體上部為可編程控制箱。

其設(shè)備原理：將兩瓶工藝上需使用的特種氣體的Y-鋼瓶（以下簡(jiǎn)稱A、B氣瓶）放置于氣體房中，氣瓶與輸送柜連接，通過(guò)控制箱控制氣動(dòng)閥門的開(kāi)啟及關(guān)閉來(lái)達(dá)到送氣的目的。另外將一瓶高純氮?dú)怃撈浚ㄒ韵潞?jiǎn)稱C氣瓶）置放于輸送柜中，用于吹掃盤面。將A氣瓶的閥門打開(kāi)后，點(diǎn)擊控制箱的觸摸屏通知控制箱氣瓶已開(kāi)，控制箱的電磁閥即會(huì)接收到信號(hào)輸送壓縮空氣等氣動(dòng)氣源來(lái)開(kāi)啟氣盤的氣動(dòng)閥，氣動(dòng)閥一經(jīng)開(kāi)啟，氣瓶中的特氣即會(huì)經(jīng)過(guò)調(diào)壓閥、過(guò)濾器等處理后被送至后段設(shè)備。當(dāng)A氣瓶中的氣量達(dá)到最小設(shè)定量時(shí)，磅秤或壓力傳感器會(huì)測(cè)量并發(fā)送信號(hào)，通知控制箱關(guān)閉電磁閥，電磁閥停止輸送氣動(dòng)氣源，則氣動(dòng)閥關(guān)閉，A氣瓶中的氣體輸送停止。同時(shí)控制箱發(fā)送信號(hào)開(kāi)啟控制B氣瓶的電磁閥，則與前述控制A氣瓶的電磁閥被開(kāi)啟一樣，最終實(shí)現(xiàn)B氣瓶的氣體被輸送至后段。如此實(shí)現(xiàn)氣柜自動(dòng)切換A/B氣瓶并自動(dòng)供氣的核心功能。操作人員可在撤換A或B氣瓶的時(shí)候開(kāi)啟C氣瓶中的吹掃氮?dú)鈱?duì)設(shè)備管路進(jìn)行吹掃，保證管路的純凈度。

②GC（氣柜）

GC的工作原理與BSGS相同，但GC的密封性更好，且鋼瓶是放在氣柜內(nèi)的。GC有更強(qiáng)的防爆功能。但GC的氣體流量沒(méi)有BSGS大，其使用的閥門管道等配件尺寸都小于BSGS。

③GR（特氣架）

GR主要用于惰性氣體的輸送，GR內(nèi)主要部件和GC大體一致，減少了柜體和一些電子傳感器件，同時(shí)沒(méi)有自動(dòng)吹掃功能，鋼瓶交換過(guò)程主要由人手動(dòng)操作完成。

2.氣體分配設(shè)備（VMB、VMP）

當(dāng)多臺(tái)工藝設(shè)備均使用某一種特種氣體時(shí)，行業(yè)內(nèi)使用VMB（閥門分配箱）或者VMP（閥門分配盤）將集中供氣氣源通過(guò)多條支路上的閥門等裝置分流到各個(gè)工藝設(shè)備供其使用特氣。

VMB與VMP的工作原理相同，只是VMB多一個(gè)外殼，增加其密封性，且裝有排風(fēng)設(shè)施保持柜體內(nèi)負(fù)壓。VMP一般輸送惰性氣體，VMB則輸送有毒有害、易燃易爆的氣體。

3.尾氣處理設(shè)備

特氣供氣設(shè)備在進(jìn)行鋼瓶交換時(shí)都要進(jìn)行管道吹掃操作，如所供特氣為有毒、腐蝕性及易燃易爆的氣體時(shí)，則吹掃排出的氣體不能直接排放，需要經(jīng)過(guò)尾氣處理裝置處理符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)后才能排放。有毒、腐蝕性及易燃易爆的氣體在經(jīng)過(guò)工藝設(shè)備使用后也需要做相應(yīng)地處理，才能安全排放。

4.特氣監(jiān)控及偵測(cè)系統(tǒng)（GMS、GDS）

GMS是對(duì)氣體設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，例如輸送壓力如何，設(shè)備有無(wú)異常、警報(bào)等。同時(shí)GMS具有多種歷史查詢功能，可反饋記錄時(shí)間內(nèi)任一時(shí)段的壓力曲線、報(bào)警記錄等。

GDS主要由氣體探測(cè)器、報(bào)警控制器和裝有專門軟件的計(jì)算機(jī)組成。報(bào)警控制器通過(guò)PLC聯(lián)動(dòng)控制特氣設(shè)備氣動(dòng)閥的電磁閥，并發(fā)出聲光報(bào)警。某些GDS的報(bào)警控制器還聯(lián)動(dòng)相應(yīng)的風(fēng)機(jī)，一旦特氣泄漏除了自動(dòng)關(guān)閉特氣設(shè)備供氣閥門外，還能啟動(dòng)該房間的強(qiáng)制排風(fēng)。特氣中的惰性氣體無(wú)需對(duì)應(yīng)的氣體偵測(cè)器進(jìn)行監(jiān)控，只檢測(cè)所在環(huán)境中的氧氣濃度。而對(duì)于工藝設(shè)備而言，當(dāng)使用多種有毒、易燃易爆或腐蝕性的特氣時(shí)，需配備多種對(duì)應(yīng)的氣體偵測(cè)器。

GMS及GDS系統(tǒng)一般設(shè)置一級(jí)報(bào)警和二級(jí)報(bào)警兩個(gè)級(jí)別，對(duì)應(yīng)黃色和紅色聲光警報(bào)。GMS系統(tǒng)中警報(bào)的設(shè)定值一般是根據(jù)工藝要求的特氣輸送壓力來(lái)設(shè)定的，而GDS的警報(bào)值是根據(jù)該特氣的TLV值來(lái)設(shè)定的。一般GDS系統(tǒng)一級(jí)警報(bào)的設(shè)定值為該特氣的TLV值的一半，二級(jí)警報(bào)的設(shè)定值為該特氣的TLV值。

5.特氣輸送管道

特氣的輸送管道是由具備專門氣體管路焊接資質(zhì)的人員才能進(jìn)行焊接的，管道焊接安裝完成后，需經(jīng)過(guò)專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行5項(xiàng)測(cè)試，如保壓、氦檢、顆粒測(cè)試、水分測(cè)試、氧份測(cè)試。對(duì)于輸送腐蝕性氣體的管道還要進(jìn)行鈍化操作。

特氣輸送管道的材質(zhì)和接頭形式也有指定要求，目前特種氣體多使用SUS316L EP級(jí)不銹鋼管，接頭形式為VCR方式。對(duì)于高毒特氣需使用雙套管的形式來(lái)輸送，內(nèi)管與外套管之間進(jìn)行抽真空操作，并安裝負(fù)壓表實(shí)時(shí)監(jiān)控其真空度。內(nèi)管采用EP級(jí)不銹鋼管，外套管可采用BA級(jí)不銹鋼管。對(duì)于特氣中的惰性氣體也一般采用BA級(jí)不銹鋼管。

三、特氣安全運(yùn)行與管理中需注意的事項(xiàng)

1.嚴(yán)格按照安全操作規(guī)程作業(yè)

特氣系統(tǒng)在投入使用前，安全的設(shè)計(jì)理念已貫穿其中，并且特氣系統(tǒng)的操作和維護(hù)都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程。特氣系統(tǒng)日常操作如換瓶、維護(hù)等都要雙人作業(yè)，通過(guò)監(jiān)督以確保人員每一步操作遵照安全步驟進(jìn)行。雖然如此，人的因素還是引起特氣事故發(fā)生的最重要的因素。事故統(tǒng)計(jì)表明，幾乎所有的特氣責(zé)任事故都是由于操作人員沒(méi)有嚴(yán)格按照操作規(guī)程來(lái)作業(yè)。

特氣運(yùn)行管理人員必須取得危險(xiǎn)化學(xué)品管理安全資質(zhì)、壓力容器及壓力管道作業(yè)資質(zhì)，另外相關(guān)人員還需要經(jīng)過(guò)專業(yè)的特氣設(shè)備操作維護(hù)運(yùn)行及異常處理的專業(yè)培訓(xùn)后方可上崗作業(yè)。值得注意的是，很多特氣事故往往都是具備一定經(jīng)驗(yàn)的熟練運(yùn)行人員造成的。究其原因是運(yùn)行人員度過(guò)了新手對(duì)特氣的恐懼階段，并感覺(jué)掌握了特氣的專業(yè)知識(shí)，因此在特氣作業(yè)過(guò)程中精神不集中，跳過(guò)安全操作規(guī)程的某些步驟，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

2.注意特氣系統(tǒng)狀態(tài)及儀表數(shù)值變化

在特氣運(yùn)行管理中非常重要的一個(gè)關(guān)鍵詞是“變化”。通常情況下，特氣系統(tǒng)在發(fā)生故障之前或者已經(jīng)發(fā)生故障卻無(wú)報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，從系統(tǒng)狀態(tài)或儀表數(shù)值變化的情況可以發(fā)現(xiàn)異常。

運(yùn)行人員每天需對(duì)特氣系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)次點(diǎn)檢和巡檢。特氣系統(tǒng)狀態(tài)及儀表的數(shù)值是點(diǎn)檢及巡檢的重要內(nèi)容，如壓力、溫度、重量等，還包括所有氣體偵測(cè)器的檢測(cè)數(shù)值。在標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn)檢表中，特氣儀表數(shù)值都有一個(gè)管理值。運(yùn)行人員在點(diǎn)檢過(guò)程中察看各個(gè)數(shù)值是否在管理值范圍內(nèi)，如超出管理值，則必須馬上查找原因。

值得注意的是，作為特氣運(yùn)行人員需對(duì)特氣系統(tǒng)狀態(tài)變化有足夠的敏感度，某些數(shù)值變化即使在管理值內(nèi)，也要分析其變化的合理性。另外，系統(tǒng)狀態(tài)及儀表數(shù)值雖然在管理值范圍內(nèi)但一直無(wú)變化，也是一種異常表現(xiàn)，需檢查傳感器等電子元件是否已經(jīng)失靈。

3.特氣泄漏應(yīng)急處理

特氣運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)都有針對(duì)每種特氣泄漏的緊急響應(yīng)程序。ERT成員也需要定期進(jìn)行特氣泄漏的培訓(xùn)和演練。

通常情況下，出現(xiàn)特氣報(bào)警后ERT按照緊急響應(yīng)程序需要按以下幾個(gè)主要步驟進(jìn)行動(dòng)作：

（1）通知負(fù)責(zé)人或協(xié)調(diào)者，緊急疏散、人員搜救，同時(shí)在確保人員安全的情況下切斷氣源、開(kāi)啟強(qiáng)制排風(fēng)。

（2）確認(rèn)泄漏及特氣溢出量，確定報(bào)警級(jí)別是否下降或維持。

（3）事故評(píng)估以及分區(qū)。

（4）根據(jù)氣體決定PPE及ERCV緊急反應(yīng)安全容器。

（5）進(jìn)入該區(qū)域處理泄漏和特氣溢出。

（6）現(xiàn)場(chǎng)清理。

需注意的是不管是人員搜救或是處理泄漏任何人不得單獨(dú)行動(dòng)。在根據(jù)調(diào)查的泄漏信息進(jìn)行分區(qū)時(shí)需注意風(fēng)向和風(fēng)速。泄漏區(qū)域?yàn)闊釁^(qū)。根據(jù)泄漏特氣種類和泄漏量決定暖區(qū)。設(shè)備和ERT成員在冷區(qū)。對(duì)于腐蝕性特氣泄漏的情況，泄漏區(qū)域需要凈化。

泄漏事故處理完畢后，還需要調(diào)查整個(gè)泄漏細(xì)節(jié)及污染程度，同時(shí)分析特氣泄漏的根本原因，找出對(duì)策及防治措施。

結(jié)語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體集成電路、光伏等行業(yè)的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求擴(kuò)大，特氣的用量會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)特氣的品質(zhì)要求也會(huì)越來(lái)越高。特氣輸送系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是企業(yè)今后發(fā)展不能忽視的環(huán)節(jié)。在特氣輸送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮安全問(wèn)題，盡量實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化，減少人工操作。在特氣輸送系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，做到嚴(yán)格按照安裝要求進(jìn)行施工管理，特氣設(shè)備運(yùn)行后，進(jìn)行有效的運(yùn)行管理，特氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)將能極大地降低。

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